張睿卓，張健欽，杜明義

（1.北京建筑大學測繪與城市空間信息學院，北京 100044； 2.現(xiàn)代城市測繪國家測繪地理信息局重點實驗室，北京 100044）

基于GPS數(shù)據(jù)的浮動車動態(tài)信息系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

張睿卓1?，張健欽1，2，杜明義1，2

（1.北京建筑大學測繪與城市空間信息學院，北京 100044； 2.現(xiàn)代城市測繪國家測繪地理信息局重點實驗室，北京 100044）

概述了浮動車實時交通信息系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和體系結(jié)構(gòu)，并以伊金霍洛旗浮動車數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合城市交通管理需求，綜合應用GIS技術(shù)、空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)及計算機網(wǎng)絡技術(shù)，設計和實現(xiàn)了基于Flash Player和WebGIS的伊金霍洛旗浮動車路況信息系統(tǒng)，討論和分析了浮動車信息的綜合管理與應用。

交通信息；可視化管理；浮動車；空間數(shù)據(jù)庫

1 引 言

由于近年來世界各地交通路網(wǎng)壓力負荷不斷增大，而迅猛發(fā)展的遠程信息處理系統(tǒng)［1］（涉及無線通信系統(tǒng)和定位傳感技術(shù)等）正好迎合了進一步開發(fā)并提升路網(wǎng)利用率的這一需要。因此作為FCD（Floatingcar Data）數(shù)據(jù)提供者的浮動車技術(shù)系統(tǒng)得到了重視和大力建設，安裝有GPS數(shù)據(jù)接收和發(fā)射裝置的公交車和出租車發(fā)送回來的實時數(shù)據(jù)，為交通信息化管理提供了必要的條件。浮動車交通信息系統(tǒng)在此背景下開始了快速的發(fā)展和應用。

浮動車信息系統(tǒng)利用定位技術(shù)、無線通信技術(shù)和信息處理技術(shù)，實現(xiàn)對道路上行駛車輛的瞬時速度、位置、路段旅行時間等交通數(shù)據(jù)的采集，經(jīng)過匯總、處理后這些信息生成反映實時道路擁堵情況的交通信息［2］，能夠為城市道路交通管理和公眾服務提供更加全面、精確、實時的交通路況信息及交通控制、誘導信息。

我國已在北京、上海、廣州及杭州、寧波等大多數(shù)二線城市建立了相當規(guī)模的浮動車，實現(xiàn)了浮動車系統(tǒng)實時運行數(shù)據(jù)回傳，提供一定水平的數(shù)據(jù)分析展示。國內(nèi)一些院校以及相關(guān)科研和事業(yè)單位也在不同程度上進行了浮動車系統(tǒng)的相關(guān)研究與開發(fā)工作。其中國家智能交通系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心自主研發(fā)了浮動車交通信息處理與應用系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對歷史交通狀況進行統(tǒng)一分析，揭示出交通系統(tǒng)在時間和空間上的規(guī)律性［3］。歐美、日本等國也在研發(fā)和應用推廣，已有的典型系統(tǒng)有英國的FVD、美國的ADVANCE和日本VICS系統(tǒng)等。英國FVD系統(tǒng)綜合利用了浮動車和交通控制信息，能向用戶發(fā)布預測旅行時間信息；美國ADVANCE通過實時信息處理能夠為用戶提供實時交通誘導服務；日本VICS能夠通過文字、簡單圖形、地圖三種格式向駕駛員發(fā)布交通流狀態(tài)信息。而面對當下嚴峻的交通形勢需要研發(fā)更實用、方便的系統(tǒng)為城市發(fā)展和人民生活提供優(yōu)質(zhì)的服務。

本文緊密結(jié)合鄂爾多斯智能交通建設與發(fā)展的應用需求，綜合應用GIS技術(shù)［4］、空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)、Web-GIS開發(fā)技術(shù)和計算機網(wǎng)絡技術(shù)，設計“伊金霍洛旗浮動車路況信息系統(tǒng)”。系統(tǒng)提供交通路況信息瀏覽、統(tǒng)計和分析功能，信息可視化統(tǒng)計分析與管理功能，路徑規(guī)劃功能等，為鄂爾多斯智能交通系統(tǒng)的應用和發(fā)展建立了可視化的支撐平臺［5］。在線路況發(fā)布、最佳行程計算和引導將能極大地方便大眾出行，同時提高了交通信息化系統(tǒng)的服務和應用水平，加快了交通服務信息的共享速度，提升了交通事件響應能力和公眾服務水平，能夠在一定程度上緩解道路交通壓力。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理

系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括GIS圖層數(shù)據(jù)和浮動車系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

（1）數(shù)據(jù)預處理:

基本數(shù)據(jù)進行網(wǎng)格節(jié)點層劃分和打斷處理、節(jié)點層處理、路鏈層處理。數(shù)據(jù)流程如圖1所示。

電子路網(wǎng)底圖涉及地理范圍及詳細程度的確定、球面坐標到平面直角坐標的地圖投影變換、路網(wǎng)拓撲的建立、路網(wǎng)的雙向顯示、路網(wǎng)的格網(wǎng)分層。

? 收稿日期:2016—01—06

作者簡介:張睿卓（1990—），男，碩士研究生，主要研究方向為智慧城市與交通地理信息系統(tǒng)。

通訊作者:張健欽（1979—），男，碩士生導師，主要從事空間數(shù)據(jù)處理，三維可視化，交通GIS等方向的科研工作。

基金項目：十二五科技支撐計劃（2012BAJ14B03-6）；北京自然科學基金重點（B類）項目（KZ201210016016）。

圖1　數(shù)據(jù)流程圖

（2）浮動車系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理:

交通指揮控制中心對公交車載設備上傳的數(shù)據(jù)進行存儲、處理，結(jié)合GIS電子地圖利用相應的計算模型對交通參數(shù)如速度、行程時間等進行估計和預測，得出整個道路網(wǎng)的實時動態(tài)交通信息。處理系統(tǒng)由GPS數(shù)據(jù)接收和預處理模塊、FCD核心算法、路徑規(guī)劃服務、實時路況發(fā)布、路況分析組成。

圖2　浮動車路況分析過程

數(shù)據(jù)處理與應用流程如圖2所示。數(shù)據(jù)實時計算包括4個階段:GPS點數(shù)據(jù)預處理、錯誤數(shù)據(jù)過濾和合法性檢測與邏輯過濾［6］）；根據(jù)投影距離和方位角進行點匹配；運用局部節(jié)點匹配的改進最優(yōu)路徑選擇法確定行駛路徑；計算路徑平均行駛速度，統(tǒng)計生成速度專題圖，具體功能結(jié)構(gòu)如圖3所示:

圖3　數(shù)據(jù)實時處理程序結(jié)構(gòu)設計

2.2 路網(wǎng)匹配

根據(jù)實際需求將地圖匹配算法進行改進。為了提高效率，道路匹配基于打斷后的路網(wǎng)數(shù)據(jù)，但發(fā)布路況地圖時使用路鏈層的數(shù)據(jù)。具體流程如圖4所示。

圖4　匹配流程圖

2.3 路況專題渲染

依據(jù)FCD核心算法每隔一個更新周期（小于 5 min）對之前 10 min內(nèi)接收到的浮動車數(shù)據(jù)進行計算，獲得路網(wǎng)內(nèi)各個路段的平均車速，賦值到道路的速度屬性中［7］。

對車輛按照當量小汽車換算系數(shù)換算并計算研究區(qū)域整體路網(wǎng)的交通擁堵指數(shù)（Traffic Performance Index，TPI），生成全路網(wǎng)路況數(shù)據(jù)指標［8］。TPI與擁堵等級和灰度值之間的關(guān)系如圖5所示。根據(jù)路網(wǎng)匹配后的定位點、路段與道路或公交線路之間的空間拓撲關(guān)系，以對應索引編碼為基礎(chǔ)，實現(xiàn)路況信息的符號化和地圖專題渲染。

圖5　TPI與擁堵等級及常用灰度值的關(guān)系

3 系統(tǒng)設計

伊金霍洛旗浮動車路況信息系統(tǒng)展示端在接入浮動車實時GPS數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，配置相應的網(wǎng)絡和硬件設備，從而為用戶提供多種終端實時動態(tài)交通路況信息服務。

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

系統(tǒng)采用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層、中間業(yè)務層和信息發(fā)布層結(jié)合的三層體系架構(gòu)，將基于C/S的基礎(chǔ)服務和基于B/S的網(wǎng)絡架構(gòu)相結(jié)合（如圖6所示）。

圖6　系統(tǒng)架構(gòu)圖

基于服務器端的數(shù)據(jù)管理層部分實現(xiàn)城市交通路網(wǎng)、交通基礎(chǔ)設施等相關(guān)地理要素的高效存儲、管理和分析以及交通基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的修改、編輯、更新和維護；在保證交通基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準確的基礎(chǔ)上，中間業(yè)務層實現(xiàn)交通地理要素的空間查詢、空間統(tǒng)計與空間分析；信息發(fā)布層實現(xiàn)了路網(wǎng)基礎(chǔ)信息管理、交通基礎(chǔ)設施與設備管理、交通流信息查詢統(tǒng)計、交通信息動態(tài)發(fā)布、公眾

信息服務等。因此，能夠為交通管理部門提供全面、準確的交通基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學的決策依據(jù)與決策支持。

3.2 總體功能

該系統(tǒng)核心功能可分為5個主要模塊，分別為:實時路況、路況統(tǒng)計、路況查詢、路況分析、路徑規(guī)劃。伊金霍洛旗浮動車路況信息系統(tǒng)功能設計如圖7所示。

3.3 數(shù)據(jù)庫設計

空間數(shù)據(jù)庫設計依據(jù)關(guān)系數(shù)據(jù)庫的規(guī)范化理論，建立正確反映客觀現(xiàn)實的關(guān)聯(lián)關(guān)系，減少數(shù)據(jù)冗余和重復，兼顧交通網(wǎng)絡管理的特點及業(yè)務應用需求?；A(chǔ)數(shù)據(jù)存儲在Oracle大型商業(yè)數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)庫服務器設于鄂爾多斯交通指揮中心。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫主要包括車輛、路段、交通事件的實時信息表、歷史信息表等如圖8所示。

圖8　數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)程序每間隔5 min從后臺數(shù)據(jù)處理程序結(jié)果集重讀一次，自動刷新，從而提供了動態(tài)的地圖服務和路況數(shù)據(jù)。借助存儲過程觸發(fā)機制保持數(shù)據(jù)一致性和完整性，并保持歷史數(shù)據(jù)的有效存儲。

4 鄂爾多斯浮動車系統(tǒng)實現(xiàn)

本系統(tǒng)應用Actionscript3編程語言，基于Flex技術(shù)實現(xiàn)，具有富客戶端設計架構(gòu)［9］的特性。應用Flex+Java+Oracle綜合數(shù)據(jù)交互技術(shù)，由Java遠程控制（remo-ting）和Web消息傳遞（messaging）控制前后臺數(shù)據(jù)的一致和前臺數(shù)據(jù)信息更新。地圖服務由ArcGIS Server發(fā)布，最終利用Web服務器（J2EE+Tomcat）發(fā)布系統(tǒng)。通過WebService和服務器端口與其他相關(guān)數(shù)據(jù)進行交互，而數(shù)據(jù)更新與地圖匹配程序作為服務持續(xù)實時運行，從而為系統(tǒng)調(diào)用和展示提供了基礎(chǔ)條件。

系統(tǒng)實現(xiàn)了地圖發(fā)布展示、路況統(tǒng)計分析、實時信息查詢播報、事故分析定位、路徑規(guī)劃等功能。部分界面如圖9、圖10所示。

圖9　實時路況

圖10　路況分析

5 結(jié) 論

本文針對鄂爾多斯交通指揮中心的應用需求，以鄂爾多斯交通數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將GIS技術(shù)、空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)、GIS集成開發(fā)技術(shù)以及計算機網(wǎng)絡等技術(shù)相結(jié)合，研究和開發(fā)了鄂爾多斯城市道路交通信息可視化平臺。分為技術(shù)研究、功能設計、系統(tǒng)實現(xiàn)三個部分，主要成果包括:①深入了解和分析鄂爾多斯交通信息化建設中存在的問題以及其業(yè)務需求；②闡述了GIS集成、交通流量與GIS集成及浮動車交通數(shù)據(jù)處理集成等關(guān)鍵技術(shù)；③設計了B/S與C/S相結(jié)合的混合體系架構(gòu)，充分發(fā)揮了B/S與C/S體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，使平臺易于操作、更新和維護；④設計并構(gòu)建了交通信息空間數(shù)據(jù)庫，為交通管理部門提供了準確、全面及時的交通基礎(chǔ)信息和數(shù)據(jù)支持；⑤開發(fā)的信息系統(tǒng)能夠應用于實際的工作中，為交通管理與指揮部門的工作提供科學、準確的支持。系統(tǒng)整合了鄂爾多斯公交浮動車數(shù)據(jù)，能夠為公交公司與管理部門提供有效的交通歷史數(shù)據(jù)，便于特殊路況車輛調(diào)度和基于此的道路旅行時間預測。

本文根據(jù)交通指揮部門目前的應用需求設計了多個功能模塊，接下來需要進一步提升平臺功能的可擴展性，因為隨著交通部門工作職能的不斷增強，對辦公科學化和自動化的要求也會不斷提高，功能的增加和升級將變成必然。

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Design and Implementation of a Traffic Information System Based on Real-time Floating-Car Data

Zhang Ruizhuo1，Zhang Jianqin1，2，Du Mingyi1，2
（1.Beijing University of Civil Engineering and Architecture，Beijing 100044，China； 2.The Modern City Key Laboratory of National Geographic Information Bureau of Surveying and Mapping of Surveying and Mapping，Beijing 100044，China）

This paper summarized some key technologies of Real-time Floating Car System in Ordos and the system structure of it.Meeting the requirements of urban traffic management，F(xiàn)loating-car traffic information system in Ejin Horo Banner employing the data of floating-car in Ejin Horo Banner，Ordos was designed and implemented.By means of the Flash Player and WebGIS，technologies such as GIS technology，spatial database，and computer network technology have been used when the system was developed.Eventually，Discussion and analysis of the floating car information management and application were given at the end.

traffic information；visualized management；floating-car；geodatabase

1672-8262（2016）02-5-06中圖分類號：P208.2

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