基于北斗系统的车辆出行事故施救系统最佳路径设计与实现

周珏 刘愫昀

【摘 要】针对出现出行安全和车祸事故后伤员得不到及时救助以及治疗导致死亡是当今社会不可忽视的问题。本文设计了对遭遇车祸事故进行急救的一款系统--北斗Queen。该系统主要基于北斗卫星的授时服务，卫星导航定位技术、点对点的短报文通讯方式，结合监控装置，实现安全监控、轨迹记录、最佳路径选择等功能，使120急救中心及时对遭遇安全问题的乘客进行急救，之后基于GIS和人工智能，根据城市交通网络的特点建立交通网络拓扑图，并用合理的数据结构存储此交通网络信息。之后再根据实时获取的车辆平均速度，为交通网络拓扑图添上不同颜色的图层，从而辨别不同街道的路况。最后，在此基础上使用一种新的启发函数计算最佳路径并选择合适的医院，以便完成后续的治疗工作。

【关键词】北斗衛星导航系统；医疗急救；最佳路径算法；交通地理信息系统；车祸事故

中图分类号： TN967.1 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）16-0028-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.16.012

1 背景和意义

针对乘车人员出行安全的问题，本文通过北斗卫星导航系统的短报文方式、卫星导航定位技术，结合监控装置，使受伤乘客可以快捷地发送当前位置信息到120急救中心，由120急救中心及时准备适合的急救措施进行施救，之后根据最佳路径选择算法，选择最合适的医院完成后续的医疗工作。本文的研究在此基础上不依赖其他通讯系统进一步的实现自动呼救、最佳路径选择、自动导航等功能，并且从导航技术的发展角度，针对北斗在乘车人员出行安全的应用现状，力求阐明本文研究的思路和设计。

2 系统模块介绍

基于各种社会背景和现实意义，构思并设计了一款应用于对车祸发生时及时报警及搜救的系统，从而能有效地降低车祸死亡率。

该系统中有一个感应装置，该感应装置装载在车辆内部，当感应装置检测出安全气囊有信号或者MEMS加速度传感器传出大于死亡加速度的信号中任一项特征超过预设危险值时，装置立即触发，系统会自动连接120求救。随后该系统通过获取位置模块中的方法得到用户当前的位置信息；并结合主要功能模块中的导航、短报文通讯等功能，实现了用户与120急救中心之间的位置通信并对遭遇车祸的用户进行及时抢救。同时将乘员信息告知家属，便于家属找到受伤的乘员。

2.1 用户使用模块

2.1.1 北斗Queen注册

在仪器购买时，用户需要留下自己监护人（家人、护工、私人医生等）的联系方式、姓名、家庭住址并将信息储存进该装置中，同时在该装置中预设一个北斗接收端的ID号。

2.1.2 北斗Queen安装

将北斗Queen与汽车的安全气囊还有汽车电源装置相连，内装MEMS加速度传感器芯片。

2.1.3 仪器发送定位与导航功能

安装此装置后，装置可以有两种方式启动：

（1）系统根据感应装置检测出安全气囊有信号或者MEMS加速度传感器传出大于死亡加速度的信号时，感应器自动会激活控制电板，产生电流，使装置开始工作。装置会自动向向接收端发送定位和用户预留的个人信息，方便120急救中心及时到现场施救以及将情况及时反映给使用者的家属。

（2）仪器装载在车内，有一个保护按钮，乘员也可以根据自身情况来确认是否手动发送信号以得到搜救，手动开启装置，此时装置根据预存的信息发射内容，然后将包含接收方ID号和所需发射内容的通讯申请信号加密后通过卫星转发入站实现定位的功能。发送完信号后自动恢复待机状态。

2.2 获取位置信息介绍

（1）传感器激活装置后，装置根据传感器传递的信息，判断用户的身体情况及可能存在的问题，并将预存的信息和结果通过短报文的方式发送给120急救中心。

（2）当用户手动激活按钮之后，装置根据预存的信息发送指定信息给120急救中心。

2.3 发送位置信息模块

120急救中心通过北斗获取到用户当前位置信息以及用户留下的个人信息，并通过点对点短信通讯方式把用户的情况以及医院地址发送给用户的家属，方便家属的寻找和监护。

3 工作原理与系统分析

3.1 北斗卫星导航系统现状及工作原理

3.1.1 北斗卫星短报文通讯原理

用户端通讯申请信号加密后通过卫星转发入站，地面中心站接收后，经脱密和再加密后加入持续广播的出站广播电文中，经卫星广播给用户。之后，接收方用户机接收出站信号，解调解密出站电文，完成一次通讯。

3.1.2 路况实时更新的实现

通过北斗导航定位的方法，用户位置进行定位，获取当前经纬度和具体的地理位置。连接120急救中心获取及车辆的实时速度，并将其上传至服务器端。在对这些数据进行分析后得出每条街道上行驶车辆的实时平均速度，以此为街道添加图层，用图层得颜色来表示路况状况的变化，从而将每条街道路况拥堵状况的实时呈现。据此，120急救中心可以获取一条到达目的地的最优路径。

3.1.3 最佳路径分析

（1）存储交通网络的数据结构

首先根据城市交通网络的特点在GIS的基础上建立了交通网络拓扑图，提出了地名节点和交通节点的概念，并用合理的数据结构存储此交通网络，然后在此基础上使用一种新的启发函数以提高搜索效率， 其中地名节点的阻抗（权值）为0，交通节点阻抗（权值）根据实际情况而定。

本文中建立的交通网络拓扑图引用的是简单的邻接表。在建立邻接表时，对图中的每个顶点建立一个单链表，第个单链表中的结点存储以顶点为尾的弧。每个链表上附设一个表头结点。

3.2 启发式搜索算法

3.2.1 限制搜索范围

假设给定一定的起始与终止节点，也就决定了最短路径所对应的大致极限距离MD。由此可构造出以起点为中心、MD为半径的圆。以起点为原点，由极限距离所决定的地理服务范围内的节点集合是圆内节点集合的真子集。而圆外的节点由于己超出了所估计的极大距离，在算法中可不予考虑。而在限定搜索范围这方面的研究本论文作者认为文献[2]是比较突出的，因此采用文献[2]的方法限定搜索范围。

3.2.2 启发函数的确定

用f（n）表示从起始点s经节点n到终点t的最佳路径的代价的估计，由两部分组成：一是从起始点到节点n的代价，用g（n）表示，此部分为己知；另一部分是从节点n到终点t的最佳代价h（n）的估计。即：

其中g（n）是已知值， Ssn表示起始点s到节点n的直线距离，Snt表示节点n到终点t的直线距离，k是一常数，根据实际交通情况来确定。f（n）当大于某一值Mst時，即停止此路径上的搜索。对于值Mst的确定我们使用从起始点s沿上述所确定的最大搜索范围即沿矩形边界到终点t所花费的代价的估计值作为Mst的值。

4 结论

本文首先分析了当前车祸高发的现状，提出了基于北斗卫星的导航定位技术点对点的短报文通讯方式等，结合监控装置，构建了一个包含安全监控、轨迹记录、最佳路径选择的应用系统，该设想充分利用了北斗具备的导航和通信一体功能，使120急救中心及时对出行中有生命安全问题的受伤乘车人员进行急救，之后通过GIS与用机地图匹配制定最佳路径，选择合适的医院，以便完成后续的治疗工作。通过对北斗导航系统的研究和探讨，认识到了北斗卫星有着不同于其他卫星导航系统的巨大优势，特别是在通信一体方面，能够不受地理位置、气候环境等的影响，是其他卫星导航系统所不具备的。

【参考文献】

[1]顾陈耀，陆兴华，郭华锋.车祸自动定位报警系统的设计与实现[J].电子设计工程，2011，（09）：141-143.

[2]陆锋，卢冬梅，等.交通网络限制搜索区域时间最短路径算法[J].中国图象图形学报，1999（10）：849-853.

[3]张水舰，李永树，蔡国林，杨骏.基于GIS和AI的城市区域内最佳路径算法研究[J].测绘科学，2008，（04）：129-131.

[4]马健军，龙志军，黄玉华，冯竞祥.北斗车载导航系统研究现状分析[J].汽车电器，2017，（07）：35-37.

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[7]张水舰.基于GIS-T的城市交通最优路径诱导算法研究[D].西南交通大学，2010.

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