解云虹,張居梅,向 陽

(西安通信學(xué)院 基礎(chǔ)部,陜西 西安 710000)

基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)時(shí)路況系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)

解云虹,張居梅,向 陽

(西安通信學(xué)院 基礎(chǔ)部,陜西 西安 710000)

基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)時(shí)路況采集與發(fā)布系統(tǒng),由運(yùn)行于智能手機(jī)等終端的數(shù)據(jù)采集客戶端軟件、基于因特網(wǎng)的實(shí)時(shí)路況服務(wù)器及運(yùn)行于智能手機(jī)等終端的實(shí)時(shí)路況查詢客戶端軟件3部分組成。其基于智能手機(jī)操作系統(tǒng),利用GPS、A-GPS和GPS數(shù)據(jù)保障技術(shù),采集交通參與者的位置、速度和方向等信息;利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和GIS地圖匹配進(jìn)行數(shù)據(jù)處理;然后使用位置服務(wù)和動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃等技術(shù)發(fā)布。利用MI-RTTS系統(tǒng)的數(shù)據(jù),可發(fā)現(xiàn)城市交通問題,據(jù)此提出交通工程專業(yè)解決方案;緩解城市交通擁堵、節(jié)約能源、降低機(jī)動(dòng)車污染排放。

GPS數(shù)據(jù)保障技術(shù);數(shù)據(jù)挖掘;GIS地圖匹配;位置服務(wù)(LBS);動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃

智能交通系統(tǒng)能夠有效地提高交通系統(tǒng)的整體運(yùn)行效率,降低交通擁堵和交通事故發(fā)生頻率,提高城市交通智能程度。但傳統(tǒng)的智能交通系統(tǒng)在實(shí)時(shí)信息的采集、處理以及發(fā)布等核心功能的實(shí)現(xiàn)方法上,存在諸多問題。

傳統(tǒng)的交通信息采集技術(shù)主要包括人工交通信息采集、感應(yīng)線圈檢測、微波檢測、紅外線檢測、雷達(dá)檢測和視頻檢測等,相關(guān)設(shè)備主要固定安裝在高速公路、快速路、主干路和次干路的關(guān)鍵交叉口處,對關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的交通管理與控制起到了有效作用,但由于設(shè)備是局部覆蓋,使傳統(tǒng)的交通信息采集方式存在“空白區(qū)”,無法提供路網(wǎng)全天候交通信息。而采用基于GPS的浮動(dòng)車系統(tǒng),大部分都是出租車運(yùn)營管理系統(tǒng),出租車作為交通參與者中一個(gè)特定的組成部分,他們的信息無法覆蓋城市所有道路,也不能代表所有交通參與者的實(shí)際運(yùn)行狀況。

傳統(tǒng)的交通信息處理技術(shù)主要采用人工識(shí)別和視頻圖像識(shí)別的信息采集方式。通過人工識(shí)別進(jìn)行信息采集需要投入大量的人工,并由于交通信息數(shù)據(jù)量的實(shí)時(shí)產(chǎn)生使得人工識(shí)別時(shí)延較大,難以實(shí)現(xiàn)大面積交通信息的實(shí)時(shí)處理,一般只能對重點(diǎn)的路段進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和處理。圖像識(shí)別軟件將視頻圖像初始化、數(shù)字化處理,通過預(yù)處理后,再進(jìn)行圖像分割、特征提取和分類識(shí)別,通過相應(yīng)算法和模式匹配得出車輛計(jì)數(shù)和各路段擁堵程度等數(shù)據(jù),與人工識(shí)別比較在處理速度方面有大幅的提高,但目前由于視頻質(zhì)量以及識(shí)別算法等方面的限制,識(shí)別率和實(shí)用程度還有一定差距。而采用基于GPS的浮動(dòng)車系統(tǒng)的數(shù)據(jù),由于樣本量太少,無法真實(shí)反應(yīng)整個(gè)城市所有道路的交通狀況。

傳統(tǒng)的交通信息發(fā)布技術(shù)主要通過廣播、電視和公告牌、網(wǎng)站、短信、彩信、電話等多種途徑發(fā)布路況信息。這些信息發(fā)布技術(shù)的針對性和交互性都不理想,難以根據(jù)用戶的實(shí)際信息需求進(jìn)行有針對性的信息發(fā)布,而且發(fā)布的方式是從信息中心到用戶,一般無法和用戶進(jìn)行信息交互。

為此,文中提出了基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)時(shí)路況采集與發(fā)布系統(tǒng)(Real Time Traffic System Based on Mobile Internet,MI-RTTS)。

1 基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)時(shí)路況系統(tǒng)

MI-RTTS是指交通參與者攜帶具有GPS功能的智能手機(jī)等終端,通過GPS定位芯片由衛(wèi)星信號(hào)計(jì)算交通參與者的位置,通過移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)傳送到數(shù)據(jù)處理中心,數(shù)據(jù)處理中心利用大量交通參與者提交的位置數(shù)據(jù)和GIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理,計(jì)算出各個(gè)主要交通路段上交通參與者的實(shí)時(shí)速度、方向和車流量等相關(guān)交通信息,并通過移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)將附加了實(shí)時(shí)路況信息的GIS數(shù)據(jù)發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng),交通參與者利用智能手機(jī)等終端通過移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)獲取實(shí)時(shí)路況信息。

MI-RTTS系統(tǒng)的目的是為了解決傳統(tǒng)智能交通系統(tǒng)中實(shí)時(shí)交通信息的采集、處理和發(fā)布等核心功能中的上述缺陷而提出的解決方案。系統(tǒng)由運(yùn)行于智能手機(jī)等終端的數(shù)據(jù)采集客戶端軟件、運(yùn)行于因特網(wǎng)的實(shí)時(shí)路況服務(wù)器及運(yùn)行于智能手機(jī)等終端的實(shí)時(shí)路況查詢客戶端軟件3部分組成。

數(shù)據(jù)采集客戶端利用交通參與者攜帶具有GPS功能的智能手機(jī)等終端通過GPS定位芯片由衛(wèi)星信號(hào)計(jì)算交通參與者的位置并通過移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)傳送到數(shù)據(jù)處理中心,解決了實(shí)時(shí)交通信息采集過程中需要部署大量感應(yīng)線圈、攝像頭,并要通過人工識(shí)別或圖像識(shí)別軟件對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的問題。實(shí)時(shí)路況服務(wù)器利用大量數(shù)據(jù)采集客戶端提交的位置數(shù)據(jù)和GIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理,計(jì)算出各個(gè)主要交通路段上交通參與者的實(shí)時(shí)速度、方向和車流量等相關(guān)交通信息,并通過移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)將附加了實(shí)時(shí)路況信息的GIS數(shù)據(jù)發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng),實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)路況信息自動(dòng)生成和自動(dòng)發(fā)布的功能。實(shí)時(shí)路況查詢客戶端是運(yùn)行于智能手機(jī)等終端的軟件,通過基于位置的服務(wù)以及用戶的特定需求,可查詢用戶周邊的實(shí)時(shí)路況信息,根據(jù)實(shí)時(shí)路況信息還可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃等導(dǎo)航功能。

2 基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)路況系統(tǒng)技術(shù)

2.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)

數(shù)據(jù)采集技術(shù)是指基于智能手機(jī)操作系統(tǒng),利用GPS和A-GPS等定位技術(shù),采集交通參與者的位置、速度和方向等信息的相關(guān)技術(shù),主要包括GPS技術(shù)、A-GPS技術(shù)、GPS數(shù)據(jù)剔除和校正技術(shù)等數(shù)據(jù)保障技術(shù)以及智能手機(jī)操作系統(tǒng)等相關(guān)技術(shù)。

無論采用GPS技術(shù)或與A-GPS技術(shù)相結(jié)合,數(shù)據(jù)誤差不可避免,如何保障GPS數(shù)據(jù)的有效性和精度就是GPS數(shù)據(jù)保障技術(shù)。近些年,隨著導(dǎo)航技術(shù)的快速發(fā)展,國內(nèi)外對于GPS數(shù)據(jù)保障技術(shù)進(jìn)行了大量的研究,研究方法種類較多,技術(shù)手段相對成熟。目前GPS數(shù)據(jù)保障技術(shù)研究工作主要集中在GPS數(shù)據(jù)的丟失及修復(fù)、錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的識(shí)別及修復(fù)和海量數(shù)據(jù)的除噪處理等,主要使用的方法包括卡爾曼濾波、線性回歸等[1]。

由于城市道路交通狀況復(fù)雜,高架橋、隧道和密集的高大建筑物的連讀遮擋導(dǎo)致GPS接收機(jī)對衛(wèi)星失去鎖定,產(chǎn)生GPS動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)漂移,使車輛定位信息不符合車輛的行駛規(guī)律,出現(xiàn)較大的偏差,導(dǎo)致采集到的連續(xù)GPS數(shù)據(jù)距離超過車輛所允許的最大行駛距離。如果直接進(jìn)行地圖匹配,會(huì)嚴(yán)重影響車輛行程時(shí)間信息的準(zhǔn)確性。為了給出行者提供更為準(zhǔn)確的路網(wǎng)狀態(tài)信息,有必要對GPS動(dòng)態(tài)漂移數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別及修復(fù),保障GPS數(shù)據(jù)的質(zhì)量,為地圖匹配提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)支持[2]。

己有的研究表明:車輛在單位時(shí)間內(nèi)位置變化越大,獲取的GPS定位數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度越高,數(shù)據(jù)的質(zhì)量和可靠性越好。只要車輛行駛速度在15 km/h以上時(shí),定位精度均可滿足導(dǎo)航定位的要求;而當(dāng)車輛速度低于3 km/h時(shí),車輛的定位數(shù)據(jù)出現(xiàn)圍繞某點(diǎn)在圓形區(qū)域內(nèi)波動(dòng)的現(xiàn)象。此時(shí)的定位數(shù)據(jù)可信度較低,車輛出現(xiàn)靜態(tài)漂移數(shù)據(jù),此時(shí)車輛的狀態(tài)為停車等待。此外,由于高樓遮擋及在高架橋區(qū)域內(nèi)時(shí),車輛定位數(shù)據(jù)出現(xiàn)突變,速度值過高、經(jīng)緯超出電子地圖范圍,或出現(xiàn)車輛行駛距離超出該速度下允許的距離范圍,此時(shí)認(rèn)為車輛定位數(shù)據(jù)出現(xiàn)動(dòng)態(tài)漂移現(xiàn)象[3-4]。此類數(shù)據(jù)嚴(yán)重影響了地圖匹配算法,極易導(dǎo)致出現(xiàn)錯(cuò)誤匹配現(xiàn)象。因此必須對錯(cuò)誤數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別,并進(jìn)行相應(yīng)的處理。

2.2 數(shù)據(jù)處理技術(shù)

2.2.1 數(shù)據(jù)挖掘

數(shù)據(jù)挖掘是指從大量數(shù)據(jù)中尋找其規(guī)律的技術(shù),主要內(nèi)容包括頻繁模式挖掘、關(guān)聯(lián)分析、聚類分析、分類分析、異常分析以及演變分析等。

數(shù)據(jù)挖掘作為目前最強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)分析技術(shù),在智能交通數(shù)據(jù)分析方面已經(jīng)取得了良好的應(yīng)用。但是,如何設(shè)計(jì)有效的挖掘算法仍是當(dāng)前智能交通數(shù)據(jù)挖掘研究的關(guān)鍵問題:一方面,由于道路交通數(shù)據(jù)的特殊性,使得現(xiàn)有的數(shù)據(jù)挖掘算法無法直接在大規(guī)模道路交通數(shù)據(jù)中高效的實(shí)現(xiàn);另一方面,由于沒有根據(jù)領(lǐng)域知識(shí)設(shè)計(jì)特定挖掘算法,造成挖掘結(jié)果無法滿足應(yīng)用需求。目前智能交通數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)研究中有幾個(gè)關(guān)鍵方面:交通流量預(yù)測、交通擁堵分析、交通分布模式分析和道路交通安全分析[5]。

智能交通系統(tǒng)應(yīng)用和發(fā)展需求表明,利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)分析具有復(fù)雜時(shí)空關(guān)系的道路交通數(shù)據(jù)集,需要根據(jù)道路交通信息的特點(diǎn)以及智能交通系統(tǒng)的新數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)用需求,設(shè)計(jì)適合的數(shù)據(jù)挖掘分析方法和新的、道路交通數(shù)據(jù)挖掘模型,為智能交通系統(tǒng)的道路交通管理、控制及誘導(dǎo)提供決策支持[6]。

2.2.2 GIS地圖匹配算法

地圖匹配算法以模式識(shí)別為理論基礎(chǔ),其待匹配樣本為一段時(shí)間內(nèi)的行車軌跡或某一時(shí)刻的車輛位置點(diǎn),其匹配模板就是該位置點(diǎn)或車輛軌跡曲線附近道路上所有位置點(diǎn)或者道路曲線。通過樣本與模板匹配,選擇點(diǎn)距離最近或者形狀相似度較高的模板作為匹配結(jié)果。常用的地圖匹配算法有:最短距離法、基于概率統(tǒng)計(jì)的地圖匹配、基于曲線擬合的地圖匹配、基于權(quán)重的地圖匹配算法、基于卡爾曼濾波的地圖匹配算法和基于模糊邏輯的地圖匹配算法[7]。

2.3 數(shù)據(jù)發(fā)布技術(shù)

2.3.1 位置服務(wù)LBS

LBS(Location Based Service)就是基于地理位置數(shù)據(jù)而開展的服務(wù)。移動(dòng)定位服務(wù)則是指為移動(dòng)人群提供位置服務(wù),由于服務(wù)對象是移動(dòng)的,故通常需要借助移動(dòng)運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息的交互。手機(jī)定位則是移動(dòng)定位的一種,其定位服務(wù)的終端為手機(jī),即利用移動(dòng)通信網(wǎng)的某些特性對手機(jī)所處位置進(jìn)行定位以及信息服務(wù)。定位技術(shù)是LBS的核心技術(shù),獲取移動(dòng)終端的位置信息往往是LBS應(yīng)用的起始點(diǎn)。經(jīng)過長期的技術(shù)積累和發(fā)展,移動(dòng)終端的定位主要分為基于網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)和基于終端的定位技術(shù)[8]。

基于網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)主要分為以下3種:起源蜂窩小區(qū)定位技術(shù)、抵達(dá)時(shí)間差異定位技術(shù)、增強(qiáng)型觀測時(shí)間差定位技術(shù)。

基于終端的定位技術(shù)主要指移動(dòng)終端計(jì)算出自身所處的位置。該技術(shù)主要有GPS、A-GPS等。混合定位技術(shù)即移動(dòng)終端的定位功能和網(wǎng)絡(luò)定位功能的混合使用。混合定位的典型代表是輔助全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)A-GPS。

2.3.2 動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃

路徑規(guī)劃是車輛導(dǎo)航系統(tǒng)的重要組成部分,也是路徑誘導(dǎo)先決條件,車輛導(dǎo)航系統(tǒng)就是在駕駛員在確定了行始的起終點(diǎn)后,預(yù)先規(guī)劃出一條或多條路徑供駕駛員選擇使用。路徑規(guī)劃可以分為單源路徑規(guī)劃和多源路徑規(guī)劃。單源路徑規(guī)劃是針對單個(gè)車輛而言的,在特定的交通網(wǎng)絡(luò),在確定好始末位置后規(guī)劃出一條行駛路線,屬于用戶最優(yōu)化問題;多源路徑規(guī)劃是面向交通路網(wǎng)上的所有車輛而言的,為所有的車輛規(guī)劃出最優(yōu)行駛路線,屬于系統(tǒng)優(yōu)化問題。在計(jì)算機(jī)語言中,通常把求解兩點(diǎn)間的路徑問題稱為最短路徑問題。

車輛導(dǎo)航系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)最優(yōu)路徑的搜索,路徑搜索由一定的路徑搜索算法實(shí)現(xiàn),涉及到圖論、動(dòng)態(tài)規(guī)劃、運(yùn)籌學(xué)等知識(shí)。按照計(jì)算方式的不同,最優(yōu)路徑搜索分為集中式和自主式,前者由中心服務(wù)器計(jì)算出最優(yōu)路徑并將信息發(fā)送給車輛終端,后者由車載終端根據(jù)接收到的實(shí)時(shí)路況信息計(jì)算出最優(yōu)路徑。

車載導(dǎo)航中最常見的最優(yōu)路徑問題是求解道路網(wǎng)中任意兩結(jié)點(diǎn)之間的最短路徑。求解此類問題常用的算法有 Dijkstra 算法、Bellman-Ford-Moore 算法、GraphGrowth 算法、Threshold 算法以及 A*啟發(fā)式搜索算法。Dijkstra 算法是求解該類問題的經(jīng)典算法,但同時(shí)也是一種盲目式搜索算法,效率較低。A*算法是基于 Dijkstra算法改進(jìn)的一種啟發(fā)式搜索算法,該算法通過減少搜索空間而節(jié)省搜索時(shí)間,算法效率較高。

3 結(jié)束語

MI-RTTS系統(tǒng)基于智能手機(jī)操作系統(tǒng),利用GPS、A-GPS和GPS數(shù)據(jù)保障技術(shù),采集交通參與者的位置、速度和方向等信息;利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和GIS地圖匹配進(jìn)行數(shù)據(jù)處理;然后使用位置服務(wù)和動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃等技術(shù)發(fā)布。

對于公眾用戶而言,只需下載相應(yīng)的APP應(yīng)用程序,就可以實(shí)現(xiàn)基于位置的實(shí)時(shí)路況查詢和動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃等導(dǎo)航功能。MI-RTTS系統(tǒng)中的客戶端軟件稍加增強(qiáng),就可發(fā)布為針對出租車、公交車、貨運(yùn)物流等行業(yè)的特定行業(yè)運(yùn)營軟件。利用MI-RTTS系統(tǒng)的數(shù)據(jù),政府可發(fā)現(xiàn)城市中的交通問題,據(jù)此提出交通工程專業(yè)解決方案,為交通管理部門提供路網(wǎng)常發(fā)交通擁堵點(diǎn)統(tǒng)計(jì)分析、路網(wǎng)重要節(jié)點(diǎn)和區(qū)域交通改善設(shè)計(jì)、公交線路及線網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案和路網(wǎng)交通組織優(yōu)化設(shè)計(jì)等決策支持。

[1] 殷建紅.基于動(dòng)態(tài)GPS信息誘導(dǎo)平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)的探討[J].科技創(chuàng)業(yè)家,2013(15):50-53.

[2] 賈獻(xiàn)博.基于GPS浮動(dòng)車技術(shù)的大規(guī)模全覆蓋城市道路交通狀態(tài)獲取方法研究[D].北京:北京交通大學(xué),2010.

[3] 田力.基于長間隔海量數(shù)據(jù)的中心端GPS地圖匹配算法[D].武漢:華中科技大學(xué),2012.

[4] 張永強(qiáng).浮動(dòng)車交通信息采集系統(tǒng)研究[D].南京:東南大學(xué),2005.

[5] 朱揚(yáng)勇.數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)現(xiàn)狀[J].中國傳媒科技,2006(12):11-14.

[6] 覃明貴.城市道路交通數(shù)據(jù)挖掘研究與應(yīng)用[D].上海:復(fù)旦大學(xué),2012.

[7] 隋心.GPS車輛導(dǎo)航系統(tǒng)中地圖匹配算法研究[D].阜新:遼寧工程技術(shù)大學(xué),2007.

[8] 賈揚(yáng)洋.基于LBS的實(shí)時(shí)交通信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[D].開封:河南大學(xué),2009.

Key Technology for a Real Time Traffic System Based on the Mobile Internet

XIE Yunhong,ZHANG Jumei,XIANG Yang

(Department of Fundamental Courses,Xi’an Communications Institute of PLA,Xi’an 710071,China)

The real time traffic information acquisition and distribution system based on the Mobile Internet is composed of three parts,the client software running on the smart mobile phone terminal,the real-time traffic server on the Internet and the query client software running on the smart mobile phone terminal.The system acquires traffic information about the location,speed and direction of those in traffic using GPS,A-GPS and GPS data security technology,and processes data by data mining and GIS map matching etc,and releases data using Web GIS and dynamic path planning.Urban traffic problems can be found using data offered by the MI-RTTS system,on the basis of which we propose a professional solution to traffic problems,thus alleviating urban traffic congestion,saving resources and reducing motor pollution emission.

GPS data security;data mining;GIS map matching;location based service;dynamic path planning

2015- 01- 04

陜西省科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(2014K05-54)

解云虹(1975—),女,碩士,講師。研究方向:計(jì)算機(jī)應(yīng)用及電磁頻管。E-mail:hh_xie@yeah.net

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.05.034

TN929.5;P228.4

A

1007-7820(2015)05-118-03