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时空智能助力智慧交通
发布时间:2024-02-26     来源:     作者:刘经南 高柯夫      浏览:3034次

当前,全球数字化发展日益加快,时空信息、定位导航服务成为重要的新型基础设施。交通关系国计民生,日益信息化、智能化和融合化的新型交通基础设施,可以更好实现人享其行、物享其流。为新型交通基础设施提供时空位置服务的时空智能,包括定位、导航和测时,能够精准、智能感知和理解时空信息,更好满足人们生活和出行的多种时空位置需求。

科技创新不断提升时空智能的交通服务能力

大雁南飞、幼鱼洄游,生命体为适应迁徙、觅食和繁衍等需求,经亿万年进化,能够感知并记忆自己及周围环境的位置、方向、速度、时间和距离等信息,从而在广阔的空间中找到食物、水源、同伴等生存资源。比如鸟类能够感知地球磁场和太阳光偏振光,从而确定自己的位置、方向和时间,以便在不同季节迁徙到合适的地方。

在古代中国,人们通过观察太阳、月亮、星星等天体的运行,创立了二十四节气、农历等时间划分和度量方法,为农业生产、节令变化、日常生活提供指导。人类还发明了很多时空感知的工具和技术,如指南针、地图、日晷天文测时仪、陀螺仪和加速度计等,为远航、探险、商贸等活动确定方向和位置。20世纪中叶以来,随着新一轮科技革命和产业变革快速发展,无线电、光学乃至量子测量等极大提高了人类的时空智能效率和准确度。

现有的全球卫星导航系统(GNSS)中,北斗全球卫星导航系统(以下简称北斗系统)是中国自主建设和运行的全球性时空信息重要基础设施。它利用规律运行的导航卫星星座,替代自然界的北斗星座,以卫星发射的无线电信号替代星星发出的光信号,构建出精准的空间和时间坐标基准。当地球的陆地、海洋表面及近地空间的交通运行体,如各类交通工具、基础设施等,接收到无线电信号后,即可算出与全球卫星导航系统时空基准一致的时间和位置,实现自我定位、导航、测时,以帮助人们精准进行不同场景的探索。

北斗系统提供的这种时空位置服务能力是全球性、全天候、全天时的。目前来看,只有北斗系统具有全球任意两地40个汉字双向短报文通信功能;在中国及其周边,具有一帧1000个汉字,一小时1000万同时在线用户的双向通信能力。这种通信服务,也可传送图像和音视频,不仅能满足用户群体间的信息互联,还可实现时空位置互联,使信息交流更便捷精准。

此外,北斗系统等全球卫星导航系统在太空近地轨道中,布有较为均匀的百余颗卫星,发射几种不同导航频率的电磁波。这些密集的导航类电磁波可作为对地遥感信号源,对大气的电离层电子密度、对流层的可降水汽含量,海洋波浪、风场、陆地的土壤湿度、冰雪厚度等开展定位、定时、定量的环境遥感甚至目标遥感。其获得的遥感数据又可以为交通管理者提供重要的目标识别、跟踪、预警等信息,以进行有效的环境监测、分析和目标管理、控制,进而提升交通运行效率和交通安全、应急水平。

时空智能赋能交通出行的特色和优势

《交通强国建设纲要》明确提出:“大力发展智慧交通。推动大数据、互联网、人工智能、区块链、超级计算等新技术与交通行业深度融合。”时空信息技术与传统交通基础设施的深度融合是当前智慧交通发展的新趋势。我们以北斗系统的实际应用为例,能看到时空智能赋能交通出行有如下特色和优势:

首先是时空一体化。时空智能技术能够利用卫星导航系统提供全球高精度一体化时空基准,为道路等交通基础设施提供厘米至毫米级的精准空间位置,微秒至纳秒级的网络时间同步服务,为汽车等交通工具提供亚米、分米、厘米级空间位置,毫秒、微秒级时间同步服务。通过时空智能技术,全球用户可以根据场景变化自主或智能选择,实现全球范围内空间位置的精准定位、导航与时间同步。

其次为通导遥融合。利用北斗系统的全球定位导航、双向通信和搜救功能,加上交通沿线“北斗+5G”地基增强的高精度时空位置服务,兼有暴风、雨、雪及雷电等气象环境遥感功能,再与AI和大算力网络连成一体,就构成了交通通导遥融合实时服务设施体系。这一体系可以为陆路、水路和空中各类交通工具提供实时智能数据采集、风险分析和场景识别等服务,同时与交通运控中心协同,报送交通工具的时空位置数据与事件状况信息,辅助决策相应事件管控处置,确保交通服务质量和安全需求。

第三是智能化服务。当前,我国各大交通行业多在规划“北斗+5G”+“AI+大算力(云中心)”。含北斗地基增强和AI云服务的网络系统,已在铁路线路侧及相应大型枢纽、民航枢纽机场、高速公路和通航河道两侧、大型海港海运枢纽、电力输送网、油气能源网、城乡上下水道的综合管廊等沿途布设。“北斗+5G”将北斗系统的时空基准延伸到隧道、管廊等各类地下空间,可为传统交通基础设施提供地上、地下与北斗系统一致的时空基准服务。这样,交通及能源设施产生的各类流式数据,如物流、人流、车流、船舶流、航飞流等,以及基础设施中桥梁、隧道、大型空间构形构件的时空位置形变监测数据等,均可被赋予精确的时空流量、流转及变化信息。通过对这些数据的智能分析、关联和挖掘,我们不仅可以对交通基础设施的运行维护进行模型优化和流程再造,还可以了解其中包含的各类交通、能源等经济和社会信息的时空规律,提升经济运控及社会治理的科学化、智能化水平。

时空智能与人工智能等信息技术的加速融合,还将使各类交通基础设施成为从勘测、设计、施工、建造到运维管控,全生命周期的融合创新交通基础设施。

时空智能开拓交通发展新领域,

创新出行服务新模式

时空智能将不断开拓交通发展新领域,创新出行服务新模式。如为未来高速磁悬浮列车路网的设计、建造及运维提供精准、实时、可靠的定位、导航、时统和通信服务,实现全线路智能驾驶、智慧调度和安全监控。再如探索通用航空新领域,为低空空域提供精准管理服务,对空域内的无人机、通航飞机甚至未来空水地三栖飞行汽车等各类飞行器进行实时监测、识别、跟踪,以提高低空空域的容量和安全性等。

无人驾驶一直是大众关注的焦点。在不同的解决方案中,中国率先提出“智能网联车+车联网+高精地图”三大关键技术协同的思路。这三大技术分别包括:集成北斗系统时空定位、场景感知和认知技术的时空智能;“北斗+5G”构成车联网提供云、边、端协同,形成人、车、路、环境联动的交流智能;AI和大算力(云中心)生成实时动态高精地图的交通环境认知智能。这种“聪明的车+智慧的路+随动的图”智能驾驶模式,用户分担成本最低、科技进步效果最好、总体经济效益最高,该技术方案正在成为国际共识。

时空智能技术要引领新型交通基础设施发展,还需要不断创新,包括继续提升场景快速变化时的精确性和可靠性,以满足交通新基建的多样性和复杂性;继续拓展应用领域和模式,如探索时空智能在太空交通、地下交通、水下交通等新领域,以及在共享交通、绿色交通等新模式的应用;加强时空智能的安全和规范研究,如加强数据和隐私保护、网络安全等,以保障交通新基建的安全运行和效益发挥。

新时代新征程,需要我们共同努力构建全天候、全天时、全国性“智慧交通基础设施一张网”,实现智慧交通与智慧城市的“双智”协同发展,打造和谐普惠、畅通互融、环保可持续的大交通生态,提升人民群众在交通领域的获得感,从而达到区域、广域乃至全球出行的智能规划、决策、协同控制,形成交通治理新格局。

(作者分别为中国工程院院士、武汉大学卫星导航定位技术研究中心副研究员)

推荐读物 

《北斗导航》:中国编辑学会组编;国防工业出版社出版。

《千脑智能》:杰夫·霍金斯著,廖璐、熊宇轩、马雷译;浙江教育出版社出版。

《中国新基建:未来布局与行动路线》:中国社会科学院工业经济研究所未来产业研究组著;中信出版社出版。

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