摘 要： 介紹了車載導航系統的發展歷程、實現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車載導航系統的結構組成、功能實現及兩種系統的區別進行了重點介紹,最后對動態車載導航的未來研究做了展望，并提出了動態車載導航系統的建設思路。
關鍵詞：車載導航系統；實時動態；路徑規劃；中心決定式；自主式
隨著城市規模不斷擴大，機動車輛日益增多，城市交通面臨著道路堵塞、事故頻發、能源浪費和環境污染等迫切需要解決的現實問題，智能交通系統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實意義。
1 車載導航系統研究發展概述
車載導航系統是把先進的全球衛星定位技術GPS(Global Position Technology)、地理信息技術GIS(Geometry Information System)、現代移動通信技術、數據庫技術、多媒體技術和嵌入式技術等綜合在一起的高科技系統[2]。其普及和推廣是伴隨著GPS系統的發展而出現的。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，其發展過程大致可以分為三代[3]。
第一代車載導航系統中CD-ROM存儲數字地圖，通過GPS定位技術及地圖匹配技術可實現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基礎上增加了路徑規劃與導航、語音誘導及靜態信息查詢等功能。
第三代車載導航廣泛應用現代無線通信技術及多媒體技術，實現實時動態車載導航功能，還可以通過技術手段實現監控、求助救援、交通路網調控等功能，充分發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VICS(Vehicle Information and Communication System)，已經實現了幾乎全部城市道路的信息實時發布,車載導航系統會根據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將更加智能化、個性化，人將從駕駛行為中解放出來，實現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。第三代動態車載導航系統關鍵技術已成為國內相關科研單位及院校的研究熱點。
2 當前車載導航系統的應用及存在問題
2.1 車載導航系統分類及基本功能
車載導航系統按不同標準有不同的分類。從實現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，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，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以下功能：車輛自定位與地圖匹配、靜態路徑規劃與導航、靜態信息查詢、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，國內智能交通系統的建設還處于初級階段，要實現用動態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)路徑規劃還處于靜態層次，只能提供“地圖服務”，不能滿足人們要求根據實時路況信息進行動態導航的需求。(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，只能實現單向信息的被動接收，不能根據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導航功能的實現及個性化服務的拓展。(3)導航電子地圖還面臨諸多問題，如電子地圖行業標準還不夠統一，無論是二維還是三維電子地圖基本上都是靜態地圖，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，可為車載導航系統提供更加快速、高效、可靠的數據無線傳輸信道。可提供方便控制信息中心與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；統一導航電子地圖規范標準，可通過整合優化電子地圖行業各方面資源，盡可能縮短地圖數據更新時間，實現以升級包的形式通過無線網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據融合、路段交通流參數預測以及基于預測信息的路徑優化算法等關鍵技術，則實現實時動態導航功能將指日可待。
3 動態車載導航系統
動態車輛導航系統相比當前市場車載導航系統，最大的區別就是它能為用戶提供實時可靠的動態車輛誘導功能，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，能充分發揮城市交通設施的效能。從實現導航功能的角度,動態車載導航系統同樣可以分為兩類: 自主式動態車載導航系統和中心決定式動態車載導航系統。其空間實體上都可由三大子系統組成:車載導航終端子系統、無線通信子系統、控制信息中心子系統。空間結構組成如圖2所示。
3.1自主式動態車載導航系統
自主式動態車載導航系統又可以稱為車載終端決定式的動態導航系統。該系統根據實時交通信息，在車載導航終端上進行路徑規劃和導航。結構框圖如圖3所示。
自主式動態車載導航系統三個子系統的結構組成及功能：
(1)控制信息中心子系統
控制信息中心子系統是所有車載子系統的控制和管理中心，由通信服務器、GIS服務器(電子地圖數據庫)、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、對路況信息數據進行融合、判斷并發布實時交通信息和提供信息咨詢服務。
(2)車載導航子系統
車載導航子系統主要由電子地圖數據庫、定位、路徑規劃、路徑引導、無線通信等模塊組成。電子地圖數據庫是其實現自主導航的基礎；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)通過地圖匹配實現自車定位；路徑規劃模塊可以按用戶的不同要求(如最短路徑、最小時間、最經濟等)，根據實時交通信息和電子地圖數據進行路徑規劃；路徑引導模塊根據已規劃的路徑實現導航。由于交通狀態是變化的，路徑規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
無線通信子系統為車載導航子系統和控制信息中心提供數據傳輸的無線通道，實現控制信息中心與車載導航子系統間的信息交互。一般采用無線通信網絡、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交通信息和其他服務信息。
3.2 中心決定式動態車載導航系統
中心決定式動態車載導航系統根據實時交通信息，對基于系統整體的多車輛進行路徑規劃，計算出每一個可能的起止點的最優或準最優路線供用戶使用。結構框圖如圖4所示。
中心決定式動態車載導航系統在結構組成上基本與自主式動態車載導航系統類似，功能實現區別主要體現在控制信息中心子系統和車載導航子系統：
(1)控制信息中心子系統
控制信息中心子系統是所有車載子系統的控制和管理中心。主要提供接收目標車輛的定位信息、對路況信息數據進行融合、判斷并發布實時交通信息、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
車載導航子系統主要由定位、無線通信、路徑引導等模塊組成。車載子系統的主要功能是實現自車定位，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路線數據，然后實現行車導航，其本身不具備路徑規劃功能。
3.3 兩類動態車載導航系統的比較
根據上面描述的自主式動態導航系統和中心決定式動態導航系統的結構和功能來看，這兩種類型的車載導航系統各有其優勢和不足：自主式車載導航系統車載導航終端要求較高，能夠分擔數據計算和處理的任務，大大減少了無線通信網絡的數據傳輸量，且能實現按照用戶個性需求提供多種條件下的動態導航。但該系統提供的動態導航規劃路徑并未充分利用系統資源，對整個路網不一定就是最優的，有一定的盲從性；相比之下，中心式動態車載導航系統能夠充分發揮智能交通系統功能，利用網路資源，能夠提供高效、可靠的實時動態路徑導航，真正發揮車載導航系統在規避擁堵、節約出行時間、改善出行品質和交通流平衡等方面的作用。但是該系統要求控制信息中心計算機必須具備強大的數據計算和處理能力，要求無線通信網絡能夠提供快速、高效的大容量數據，且前期基礎設施建設投入大。可以說，中心式動態車載導航系統是自主式動態車載導航發展的高級階段。
4 發展規劃及思路
著眼國內城市交通基礎設施建設總體水平較低和靜態車載導航系統市場應用較為成熟的現實，通過與前文對兩類動態車載導航系統的介紹和比較，要改進和完善實時路況信息的采集、數據融合處理和信息發布技術，當務之急是建立實時動態交通信息系統。網絡化、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，開發并成功運用了基于浮動車數據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]。其次是在實時動態信息系統的基礎上開發自主式動態車載導航系統，重點解決基于當前實時路況信息的路段交通流參數預測和基于路段交通流預測參數的動態路徑優化算法等關鍵技術，初步實現車載導航終端的自主路線規劃與行車誘導功能；最后，在完善自主式動態車載導航系統的基礎上升級實現中心決定式動態車載導航系統,實現基于整個城市交通路網交通預測和平衡功能，發揮城市交通路網的最大功能。其發展路線圖如圖5所示。
本文對對車載導航系統的發展、應用現狀和代表未來發展趨勢的實時動態導航進行了較為詳細的分析。尤其是對動態車載導航系統的結構組成、功能實現以及兩類動態車載導航系統的特點進行了重點介紹，并提出了國內動態車載導航系統的建設思路。動態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，動態車載導航系統的實現將能切實解決現今日益突出的城市交通帶來的道路堵塞、資源浪費、環境污染等問題，極大地方便人們的出行生活。
參考文獻
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