救护车辆智能交通管理系统的研究与设计

张高飞

中国民航大学 天津 300300

摘要：由于路段拥堵或交通不便，导致救援经常受阻或被迫延误，严重影响救援效率。我国的紧急救援，急需一个智能化的救护车辆交通管理系统及急救网络，实现救护资源的最优分配及救护车辆的调度管理。基本实现救护车辆-行驶车辆-交通管制-卫星定位导航等多方位的信息化交通疏导系统集卫星定位、语音交互、物联网信息、急救中心等为一体，实现对救护车管理的智能化。系统由车载终端、管理平台、5G通信技术、客户端等组成。车载终端，接收北斗导航系统定位信号，实现数据的采集、传送。管理平台与救护车辆信息交互，实现信息传送。通信上，选用5G通信技术，北斗定位NBIOT物联网MQTT蓝牙协议，四频GSM/GPRS模块等，负责北斗信息接收，满足救护车的特殊需求。通过串口转USB线连接PC机，用串口调试助手发送指令。定位导航上，选用北斗模块，全天候、全方位提供救护车的位置、速度等信息，实现对救护车的定位导航、监测和管理。通信系统和控制系统间进行信息传递，控制系统做出控制决策后，通信系统把数据传送给子系统，实现实时监控。系统旨在减少救援时间，保证患者得到最快的救援，提升城市的应急能力，使我国急救事业更加完善和成熟。较传统救援方式和机制，具有较强的社会效益及创新意义，推进医疗救援智能化、信息化的进程。

关键词：北斗卫星导航系统；救护车辆智能管理平台；车载终端；调度管理；5G通信技术;车联网

1. 研究背景

1. 1. 政策背景

科技部、公安部和交通部联合开展了“国家道路交通安全科技行动计划”等国家重点研究课题，推动智能交通管理系统联网建设。工业和信息部已向公众宣布，车辆联网的连接通信频带5905-5925MHz，这标志着正式频段在中国汽车道路合作应用中的建立^[1]。人大代表建议，开辟绿色通道刻不容缓，切实保障人民生命健康安全。

1. 2. 技术背景

5G通信技术，加速了终端用户处于联网状态^[2]。在车联网应用领域，中国移动、华为等，在实际道路上进行了小范围的车联网试验，使信号控制机与车载终端实时交互，搭建了全球最大规模的城市级车联网，通过“云、管、端”三层系统架构，实现了车与人、车与车、车与网实时交互^[3]。5G通信技术和北斗卫星导航应用于救护车辆智能交通管理系统有着重要意义。

1. 3. 社会背景

由于路段拥堵，救援进程往往受阻或被迫延误，无法第一时间进行救援。我国道路交通事故死亡率远高于发达国家，死亡率是日本的四十倍以上^[5]。道路管理及医疗救援措施局限性，是导致事故频发和死亡人数居高不下的主要因素之一。在交通事故中，因救援不及时造成的死亡占比很大。我国卫生部相关资料显示，在1000例交通事故伤者中,乘救护车到达医院的仅有14.3%。而我国交通事故死亡情况中，在医院途中死亡或在医院死亡占比高达60%^[6]。救护车遭堵，急救途中鲜有车辆主动让行，个别车辆加塞，严重影响救援。

2. 国外内发展分析

   1. 国外事故救援现状

发达国家在紧急救援方面有值得借鉴的做法，在救援机制、救援方案和保障体系等方面, 形成了相对完善的紧急救援体系,为切实保障人民生命健康安全发挥了不可替代的作用。如德国，根据现有的医疗资源和应急计划，建立了一套有效的交通事故应急救援机制。

1. 2. 国内事故救援现状

我国在交通事故紧急救援方面，取得了一定的成果，为保障人民生命健康安全作出卓越贡献。但仍存在一些亟待解决的问题:救援力量分散，如:交通管理部门、医疗部门等,救援力量往往缺乏协调配合，没有建立一个相对完善的调度管理。交通管制不足，我国在事故交通秩序、事故路段道路疏通等方面有很大的提升之处。造成严重交通拥堵，甚至导致发生多次事故。

运用5G通信技术、车联网技术、北斗导航卫星、云端数据处理等，打造一个高精准的救护车辆智能交通管理系统^[7]。系统旨在以最短时间，保证患者得到最快的救援，提升城市的应急能力，有较强的应用价值和社会效益。将北斗卫星导航系统应用于紧急医疗救援领域，在紧急情况下，高效准确实现救护车辆与救护车辆、救护车辆与指挥中心、救护车辆与病人之间的实时信息交互。

3. 系统整体设计

   1. 多部门联合

1. 交通管理部门

运用北斗导航系统获取救护车当前所处的位置、行驶速度等信息。依据云端数据库，并通过协议和控制系统，保证在救护车行驶在改路段前，已成功打造一条畅通道路。尽管前方道路十分拥堵，由于交管部门已知道救护车行驶路线，提前出动一定警力，保证在救护车抵达此处前，保证救护车辆畅通无阻。

2. 救护车辆等特种车辆

在特殊情况下，可以“闯”红灯。但在现实生活中，“闯红灯”的过程，仍存在一个隐形的交通拥堵。通过北斗导航系统，获取救护车辆相关信息，并且通过云端数据处理、传输、控制和决策三级系统，将救护车所要经过路口的交通灯（在救护车将要经过该路段前一个合适的时间）显示为绿灯。

3. 普通行驶车辆

我国自主研发建设的北斗卫星导航系统具有双向通信功能，且能够提供一对多的广播传输功能，极大的保证了系统正常运行。短报文的应用范围包括：救护车辆和普通行驶车辆之间收发短报文、北斗终端与车载终端之间发送消息。运用北斗导航的短报文通信功能，对救护车所要经过路段上的相关车辆发送短报文通讯。

4. 急救中心

获取相关信息（如救护车抵达医院的预测时间），通知医院做好充分准备，实现患者到达医院，立即进行有效治疗。对天津市医疗急救中心需求进行综合分析，急救中心对救援车辆智能管理系统的需求如下：实现对救援车辆的信息化和智能化管理，满足救援车辆的特殊要求；实时提供交通信息服务，获取最新路况，指挥救护车辆高效避开拥堵路段；实现对救护车全程监控，急救中心实时查看救护车运行轨迹，实现调度管理。

3. 2. 智能交通灯打造绿色通道

通过智能交通灯与车载终端信息交互，实现智能交通灯根据车流量情况，智能调控红绿灯时长变化，并运用云端数据处理，将红绿灯信息发送至车载终端。把能否通过红绿灯、以多大行驶速度，红绿灯时长等信息，反馈给救护车辆驾驶人员，提升救援效率。同时结合前方红灯剩余秒数与救护车距离，提示驾驶员减至多大速度行驶，实现救护车辆直接通过交通灯。急救车辆到达路口前，交通灯系统将感知到车辆的位置，在算法^[8]和数据比较后，调控红绿灯时间，在车辆到达路口前一定时间内保持绿灯状态，通过后较短时间内改为红灯并维持一定时间，从而减少急救车辆前方路口拥堵车辆，同时降低驶入救济车辆所处道路的车辆，降低车辆密度。

从救护车驾驶员驾车体验出发，针对智能交通灯自动调控时长不固定情况。利用（MCU）微控制单元将所得数据处理，经科学计算提示司机能否通过交通灯，需要加速或减速，减少司机对能否通过红绿灯的误判，降低交通事故发生率，提高行车效率。运用无线传输模块的透明广播，凭借自动中继与双向高速数传，实现车载系统与交通灯的数据实时匹配与更新。模块传输距离可达两千一百多米，满足智能交通预先处理分析的需求。

3. 功能介绍

4. 1. 无线通信模块

无线通信模块，负责北斗信息接收，满足救护车辆的特殊需求。主要由北斗接收天线、北斗射频信号处理模块、北斗基带信息解析处理模块组成。模块对串口Rx输入端的北斗命令信息进行调制输出，天线接收到的北斗信号通过串口Tx输出端进行解调。通过串口转USB线，连接PC，控制指令经PC串口调试助手发送。由搭载多种模块系统的智能小车模拟特种车辆与普通车辆；由电脑的平面软件监控平台代替交管部门和急救中心；由手机终端代替司机接收短报文信息，实现信息交互。无线通信模块与救护车辆、智能交通灯建立联系。通过无线通信模块，实现救护车辆向交管部门、急救中心、行驶车辆灯发送信息，确保高效准确打造救护车辆智能交通管理系统。运用无线通信模块，通过数据采集及云端处理分析，使得救护车经过该路口，交通灯显示为绿灯。

4. 2. 北斗卫星导航系统

打造完善的救护车辆智能管理系统，需要获得救护车辆实时位置、速度等信息。惯性导航具有累积误差，精度易受到影响。地形辅助导航抗干扰性能较强，但计算量大，实时性难以保证，且受天气影响较大。卫星导航，可全天候、全方位准确提供救护车辆信息来完成对救护车的调度管理,实现从地面、近地空间并延伸到外层空间的连续导航定位服务。北斗导航系统可以独立实现对救护车辆的精准定位和调度管理。系统投资小，设备简单廉价，且加密功能，保证了安全性。北斗定位模块，性能良好，支持多系统联合定位，同时能够输出北斗原始观测数据。模块每秒输出的字符长度约为1500以内，每秒传送约为12000个二进制位。经过试验得出，波特率在19200 bps 以上均可满足数据传输需求。模块精度高达厘米级，符合所需定位要求，同时可用于授时，便于未来精准的将车辆情况通过网络大数据平台发送给有关部门。可通过与INS组合来提高定位精度，但需要掌握足够的组合定位知识基础，常见的最优估计理论可以提供有效的解决办法。数据计算方面还需满足一定的要求，选择Kalman滤波算法可以满足上述条件。系统采用基于卡尔曼滤波的北斗-INS组合定位信息融合算法，使定位精度得到提高且系统更加稳定。

4. 3. STC12C5A60S2单片机

需要多方向传输信息，选择STC12C5A60S2作为车载系统控制单元，实现车载系统与交通灯同时收发数据。STC12C5A60S2为16位增强型8051CPU微处理器，有很多外设硬件，提供加速硬件运行功能。芯片集成度较高，体积小，为其他硬件设施的安装提供了很大的便利。系统在MCU基础上设计了硬件平台，通过接收交通灯及车辆位置信息等，准确计算出与交通灯的距离，并结合不同路段最大限速和红绿灯剩余秒数，为司机计算出通过红绿灯的最佳方案，辅助司机加速通过红绿灯或减速刹车。同时多个串口使单片机可以同时处理交通灯接收到的数据，为将来完善的智能车载系统与网络大数据平台的联系做准备。

4. 研究意义

实现多部门联合启动，解决我国紧急救援力量分散等状况。我国救援力量往往缺乏协调配合，造成资源分散，严重影响救援力量作为统一整体的绩效。急救中心与交管部门等建立局域网络系统，即出现救援情况，部门间实现信息共享，实现协调统一配合。遇到严重交通拥堵时，避让空间非常小，且避让有个过程，严重耽误救护车通行时间。系统实现普通行驶车辆提前避让救护车辆，为救援争取更多时间。智能交通灯变化时长，保证救护车辆经过路口畅通无阻，避免隐形拥堵。

4. 结论与展望

经过数据采样、模拟演示及模型分析，目前已实现救护车辆交通管理系统的部分功能。交通管理部门、急救中心和行驶车辆等实现信息交互。使救援力量协调配合，建立一个相对完善的调度管理系统，提升救援力量统一协调的高效性，提升救援效率。运用云端数据处理、无线通信模块、优化算法等，通过控制、传输和执行系统等实现交通灯的智能变化。通过智能交通灯与车载终端信息交互，实现智能交通灯根据车流量情况，智能调控红绿灯时长变化，并运用云端数据处理，将红绿灯信息发送至车载终端装置。

系统正常运行，除技术层面问题，还需征得相关政府部门允许及合作，因涉及到政府层面的数据处理和多部门联合启动。智慧系统^[9]，主要包括5G通信技术管理平台，实现救护车界面视频交互等功能，急救中心实时获取救护车信息，实现对救护车辆全方位监控及智能调度管理^[10]。制作手机app，将智能管理系统功能植入手机app中。实现打开app即可获取交通灯信息，云端计算为救护车提供高效畅行方案。

参考文献

1. 科技部、公安部、交通部签署"国家道路交通安全科技行动计划合作协议"/科技部与铁道部签署《中国高速列车自主创新联合行动计划合作协议》[J].中国科技产业,2008,(3):90.

2. 5G技术落地价值——互联网时代将迎来三大变革-云+社区-腾讯云[Online],available:https://cloud.tencent.co

3. 中国5G车联网应用于自动驾驶领域案例——华为5G车联网案例背景[Online],available:https://www.leadleo.com/

4. 北斗卫星导航系统是我国自行研制、独立运行的导航卫星_雪球[Online],available:https://xueqiu.com/43855

5. 为什么我国的道路交通事故死亡率高居世界第一_搜狐汽车_搜狐网[Online],available:http://www.sohu.com/a/11

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7. 邹媛.车联网节点定位及监控系统的设计与研究[D].上海交通大学,2015.

8. 孔林,张国富,苏兆品,蒋建国.基于改进蚁群算法的救护车应急救援路径规划[J].计算机工程与应用,2018,54(13):153-159.

9. 张馨月.基于物联网平台的车辆监管系统的设计与实现[D].北京邮电大学,2019.

10. 宛云英,张福林,杨吉江,李金年,段绍斌.基于物联网和云计算的智能化医疗急救指挥系统[J].智慧健康,2016,2(02):40-44.

作者简介：

张高飞(2000-)，生于2000年1月，男，汉族，河南周口人，中国民航大学本科在读，电子信息工程方向

基金项目：本文系中国民航大学2020年度大学生创新创业训练计划项目资助，项目编号：

202010059026