摘  要： 介紹了車載導航系統(tǒng)的發(fā)展歷程、實現(xiàn)功能和實際應用中存在的突出問題。對基于實時交通信息的動態(tài)車載導航系統(tǒng)的結構組成、功能實現(xiàn)及兩種系統(tǒng)的區(qū)別進行了重點介紹,最后對動態(tài)車載導航的未來研究做了展望，并提出了動態(tài)車載導航系統(tǒng)的建設思路。
關鍵詞：車載導航系統(tǒng)；實時動態(tài)；路徑規(guī)劃；中心決定式；自主式

    隨著城市規(guī)模不斷擴大，機動車輛日益增多，城市交通面臨著道路堵塞、事故頻發(fā)、能源浪費和環(huán)境污染等迫切需要解決的現(xiàn)實問題，智能交通系統(tǒng)ITS(Intelligent Transport System)就是在這樣一個背景下應運而生并成為當今的研究熱點[1]。車載導航系統(tǒng)作為ITS的重要組成部分，國內在相關技術研究領域取得了豐碩成果，市場車載導航產品逐漸普及。但相關技術水平距真正解決實際城市交通問題還存在較大差距，對其進行深入研究具有十分重要的現(xiàn)實意義。
1 車載導航系統(tǒng)研究發(fā)展概述
    車載導航系統(tǒng)是把先進的全球衛(wèi)星定位技術GPS(Global Position Technology)、地理信息技術GIS(Geometry Information System)、現(xiàn)代移動通信技術、數(shù)據(jù)庫技術、多媒體技術和嵌入式技術等綜合在一起的高科技系統(tǒng)[2]。其普及和推廣是伴隨著GPS系統(tǒng)的發(fā)展而出現(xiàn)的。車載導航設備在上世紀80年代問世，90年代初期真正進入市場，其發(fā)展過程大致可以分為三代[3]。
    第一代車載導航系統(tǒng)中CD-ROM存儲數(shù)字地圖，通過GPS定位技術及地圖匹配技術可實現(xiàn)車輛在電子地圖中的自定位，并顯示在電子地圖上。
    第二代車載導航在第一代導航系統(tǒng)基礎上增加了路徑規(guī)劃與導航、語音誘導及靜態(tài)信息查詢等功能。
    第三代車載導航廣泛應用現(xiàn)代無線通信技術及多媒體技術，實現(xiàn)實時動態(tài)車載導航功能，還可以通過技術手段實現(xiàn)監(jiān)控、求助救援、交通路網(wǎng)調控等功能，充分發(fā)揮了交通基礎設施效能。代表第三代車輛導航技術最高水平的日本,利用車載導航系統(tǒng)VICS(Vehicle Information and Communication System)，已經(jīng)實現(xiàn)了幾乎全部城市道路的信息實時發(fā)布,車載導航系統(tǒng)會根據(jù)道路信息實時調整行駛路線[4]。
    隨著計算機技術和通信技術的不斷進步，可以預見第四代車載導航系統(tǒng)將更加智能化、個性化，人將從駕駛行為中解放出來，實現(xiàn)車輛的智能識別與自動駕駛，真正意義上解決城市交通帶來的諸多社會問題。
    相比而言，國內在相關領域的研究起步較晚，但對第二代車載導航系統(tǒng)的相關技術應用已相當成熟，相關車輛導航產品也逐漸普及。第三代動態(tài)車載導航系統(tǒng)關鍵技術已成為國內相關科研單位及院校的研究熱點。
2 當前車載導航系統(tǒng)的應用及存在問題
2.1 車載導航系統(tǒng)分類及基本功能
    車載導航系統(tǒng)按不同標準有不同的分類。從實現(xiàn)導航功能的角度主要分為兩類：一類是自主式車載導航系統(tǒng)，其車輛定位與導航功能均由車載終端完成；另一類是中心決定式車載導航系統(tǒng)，其部分導航功能需要由控制信息中心來完成。由于中心決定式車載導航相關技術還不夠成熟，國內市場主要是自主式車載導航終端類產品[5-6]。其系統(tǒng)結構功能框圖如圖1所示。

    國內市場成熟應用的車載導航產品基本都能實現(xiàn)以下功能：車輛自定位與地圖匹配、靜態(tài)路徑規(guī)劃與導航、靜態(tài)信息查詢、實時路況信息接收（TMC電臺交通頻道）以及其他娛樂休閑等功能[7-8]。
2.2 現(xiàn)實應用中存在的突出問題
    由于對車輛導航的研究起步較晚，國內智能交通系統(tǒng)的建設還處于初級階段，要實現(xiàn)用動態(tài)導航技術解決日益突出的城市交通問題，還面臨諸多亟需解決的技術難題。當前國內導航產品在功能應用中尚不能滿足以下需求：(1)路徑規(guī)劃還處于靜態(tài)層次，只能提供“地圖服務”，不能滿足人們要求根據(jù)實時路況信息進行動態(tài)導航的需求。(2)用戶只能通過交通信息頻道TMC電臺廣播或路標等手段來獲取實時路況信息，只能實現(xiàn)單向信息的被動接收，不能根據(jù)個人需要查詢實時路況、旅行和生活等實用信息，無線通信技術應用的不足極大地影響了動態(tài)導航功能的實現(xiàn)及個性化服務的拓展。(3)導航電子地圖還面臨諸多問題，如電子地圖行業(yè)標準還不夠統(tǒng)一，無論是二維還是三維電子地圖基本上都是靜態(tài)地圖，更新周期時間長，不能匹配城市交通建設更新和交通管制變化的速度，實現(xiàn)性差[9]。
2.3解決方法
　第三代移動通信技術已成熟，相比GSM、GPRS等無線通信技術，可為車載導航系統(tǒng)提供更加快速、高效、可靠的數(shù)據(jù)無線傳輸信道?？商峁┓奖憧刂菩畔⒅行呐c用戶間信息交互的手段，也可提供更加多元、更加個性化的拓展服務以滿足市場需求；統(tǒng)一導航電子地圖規(guī)范標準，可通過整合優(yōu)化電子地圖行業(yè)各方面資源，盡可能縮短地圖數(shù)據(jù)更新時間，實現(xiàn)以升級包的形式通過無線網(wǎng)絡供用戶實時增量更新[9]。重點攻關解決包括實時路況信息采集與數(shù)據(jù)融合、路段交通流參數(shù)預測以及基于預測信息的路徑優(yōu)化算法等關鍵技術，則實現(xiàn)實時動態(tài)導航功能將指日可待。
3 動態(tài)車載導航系統(tǒng)
    動態(tài)車輛導航系統(tǒng)相比當前市場車載導航系統(tǒng)，最大的區(qū)別就是它能為用戶提供實時可靠的動態(tài)車輛誘導功能，具備用戶與控制信息中心信息交互、城市交通預測與平衡等能力，能充分發(fā)揮城市交通設施的效能。從實現(xiàn)導航功能的角度,動態(tài)車載導航系統(tǒng)同樣可以分為兩類: 自主式動態(tài)車載導航系統(tǒng)和中心決定式動態(tài)車載導航系統(tǒng)。其空間實體上都可由三大子系統(tǒng)組成:車載導航終端子系統(tǒng)、無線通信子系統(tǒng)、控制信息中心子系統(tǒng)?？臻g結構組成如圖2所示。

3.1自主式動態(tài)車載導航系統(tǒng)
　自主式動態(tài)車載導航系統(tǒng)又可以稱為車載終端決定式的動態(tài)導航系統(tǒng)。該系統(tǒng)根據(jù)實時交通信息，在車載導航終端上進行路徑規(guī)劃和導航。結構框圖如圖3所示。

    自主式動態(tài)車載導航系統(tǒng)三個子系統(tǒng)的結構組成及功能：
    (1)控制信息中心子系統(tǒng)
    控制信息中心子系統(tǒng)是所有車載子系統(tǒng)的控制和管理中心，由通信服務器、GIS服務器(電子地圖數(shù)據(jù)庫)、實時路況信息中心、應用服務器、中心接入服務器和指揮監(jiān)控終端組成。這些設備主要提供接收目標車輛的定位信息、對路況信息數(shù)據(jù)進行融合、判斷并發(fā)布實時交通信息和提供信息咨詢服務。
    (2)車載導航子系統(tǒng)
    車載導航子系統(tǒng)主要由電子地圖數(shù)據(jù)庫、定位、路徑規(guī)劃、路徑引導、無線通信等模塊組成。電子地圖數(shù)據(jù)庫是其實現(xiàn)自主導航的基礎；定位模塊利用一種或多種定位技術(如GPS定位和DR航位推算定位等技術)通過地圖匹配實現(xiàn)自車定位；路徑規(guī)劃模塊可以按用戶的不同要求(如最短路徑、最小時間、最經(jīng)濟等)，根據(jù)實時交通信息和電子地圖數(shù)據(jù)進行路徑規(guī)劃；路徑引導模塊根據(jù)已規(guī)劃的路徑實現(xiàn)導航。由于交通狀態(tài)是變化的，路徑規(guī)劃模塊計算出的路線也會隨實時交通信息更新而不斷修正。
    (3)無線通信子系統(tǒng)
　 無線通信子系統(tǒng)為車載導航子系統(tǒng)和控制信息中心提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線通道，實現(xiàn)控制信息中心與車載導航子系統(tǒng)間的信息交互。一般采用無線通信網(wǎng)絡、路側紅外信標、無線電信標等方式，還可以通過調頻廣播信號傳輸動態(tài)交通信息和其他服務信息。
3.2 中心決定式動態(tài)車載導航系統(tǒng)
　 中心決定式動態(tài)車載導航系統(tǒng)根據(jù)實時交通信息，對基于系統(tǒng)整體的多車輛進行路徑規(guī)劃，計算出每一個可能的起止點的最優(yōu)或準最優(yōu)路線供用戶使用。結構框圖如圖4所示。

    中心決定式動態(tài)車載導航系統(tǒng)在結構組成上基本與自主式動態(tài)車載導航系統(tǒng)類似，功能實現(xiàn)區(qū)別主要體現(xiàn)在控制信息中心子系統(tǒng)和車載導航子系統(tǒng)：
    (1)控制信息中心子系統(tǒng)
    控制信息中心子系統(tǒng)是所有車載子系統(tǒng)的控制和管理中心。主要提供接收目標車輛的定位信息、對路況信息數(shù)據(jù)進行融合、判斷并發(fā)布實時交通信息、預測各路段行程時間、計算可能起止點的規(guī)劃路徑、進行平衡交通分配以及向一個或多個車輛提供引導和咨詢的服務。
    (2)車載導航子系統(tǒng)
    車載導航子系統(tǒng)主要由定位、無線通信、路徑引導等模塊組成。車載子系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)自車定位，傳送自車定位信息至控制信息中心，然后接收控制信息中心傳送的實時交通信息和滿足用戶需求的動態(tài)路線數(shù)據(jù)，然后實現(xiàn)行車導航，其本身不具備路徑規(guī)劃功能。
3.3 兩類動態(tài)車載導航系統(tǒng)的比較
    根據(jù)上面描述的自主式動態(tài)導航系統(tǒng)和中心決定式動態(tài)導航系統(tǒng)的結構和功能來看，這兩種類型的車載導航系統(tǒng)各有其優(yōu)勢和不足：自主式車載導航系統(tǒng)車載導航終端要求較高，能夠分擔數(shù)據(jù)計算和處理的任務，大大減少了無線通信網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸量，且能實現(xiàn)按照用戶個性需求提供多種條件下的動態(tài)導航。但該系統(tǒng)提供的動態(tài)導航規(guī)劃路徑并未充分利用系統(tǒng)資源，對整個路網(wǎng)不一定就是最優(yōu)的，有一定的盲從性；相比之下，中心式動態(tài)車載導航系統(tǒng)能夠充分發(fā)揮智能交通系統(tǒng)功能，利用網(wǎng)路資源，能夠提供高效、可靠的實時動態(tài)路徑導航，真正發(fā)揮車載導航系統(tǒng)在規(guī)避擁堵、節(jié)約出行時間、改善出行品質和交通流平衡等方面的作用。但是該系統(tǒng)要求控制信息中心計算機必須具備強大的數(shù)據(jù)計算和處理能力，要求無線通信網(wǎng)絡能夠提供快速、高效的大容量數(shù)據(jù)，且前期基礎設施建設投入大?？梢哉f，中心式動態(tài)車載導航系統(tǒng)是自主式動態(tài)車載導航發(fā)展的高級階段。
4 發(fā)展規(guī)劃及思路
    著眼國內城市交通基礎設施建設總體水平較低和靜態(tài)車載導航系統(tǒng)市場應用較為成熟的現(xiàn)實，通過與前文對兩類動態(tài)車載導航系統(tǒng)的介紹和比較，要改進和完善實時路況信息的采集、數(shù)據(jù)融合處理和信息發(fā)布技術，當務之急是建立實時動態(tài)交通信息系統(tǒng)。網(wǎng)絡化、語音化、視頻化的實時交通信息融合諸如氣象、停車場信息等信息資源，能為駕駛員提供可靠的輔助駕駛信息。2008年北京市在奧運會期間，開發(fā)并成功運用了基于浮動車數(shù)據(jù)采集技術的綜合交通信息平臺，為國內城市交通信息平臺的建設和完善提供了較好的借鑒[10]。其次是在實時動態(tài)信息系統(tǒng)的基礎上開發(fā)自主式動態(tài)車載導航系統(tǒng)，重點解決基于當前實時路況信息的路段交通流參數(shù)預測和基于路段交通流預測參數(shù)的動態(tài)路徑優(yōu)化算法等關鍵技術，初步實現(xiàn)車載導航終端的自主路線規(guī)劃與行車誘導功能；最后，在完善自主式動態(tài)車載導航系統(tǒng)的基礎上升級實現(xiàn)中心決定式動態(tài)車載導航系統(tǒng),實現(xiàn)基于整個城市交通路網(wǎng)交通預測和平衡功能，發(fā)揮城市交通路網(wǎng)的最大功能。其發(fā)展路線圖如圖5所示。

    本文對對車載導航系統(tǒng)的發(fā)展、應用現(xiàn)狀和代表未來發(fā)展趨勢的實時動態(tài)導航進行了較為詳細的分析。尤其是對動態(tài)車載導航系統(tǒng)的結構組成、功能實現(xiàn)以及兩類動態(tài)車載導航系統(tǒng)的特點進行了重點介紹，并提出了國內動態(tài)車載導航系統(tǒng)的建設思路。動態(tài)車載導航是當前該領域研究的熱點，隨著科學技術水平的不斷進步和城市交通基礎設施建設的不斷完善，動態(tài)車載導航系統(tǒng)的實現(xiàn)將能切實解決現(xiàn)今日益突出的城市交通帶來的道路堵塞、資源浪費、環(huán)境污染等問題，極大地方便人們的出行生活。
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