基于“320系統(tǒng)”的城市主要道路實(shí)時(shí)路況研究

徐嘯峰，郁建生

（江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，南京 210019）

隨著我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)多年的高速發(fā)展，機(jī)動(dòng)車保有量也達(dá)到了空前的規(guī)模。根據(jù)2014年，中國社會(huì)科學(xué)院城市發(fā)展與環(huán)境研究所及社會(huì)科學(xué)文獻(xiàn)出版社的，《城市藍(lán)皮書：中國城市發(fā)展報(bào)告No．7》中的數(shù)據(jù)，我國機(jī)動(dòng)車數(shù)量達(dá)到 1．3億輛，平均每10人即擁有一輛機(jī)動(dòng)車。如此眾多的機(jī)動(dòng)車輛，在給人民生活帶來極大便利的同時(shí)，其所帶來的交通擁堵、環(huán)境污染、交通事故、違法犯罪等問題，也不容忽視。特別是在城市中，此類問題尤為突出。因此，利用信息化手段對車輛運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)節(jié)，成為解決或緩解交通問題的重要應(yīng)對手段。

所謂“320系統(tǒng)”是打造一個(gè)道路監(jiān)控網(wǎng)，城市道路每3公里要建立一個(gè)320車輛監(jiān)控點(diǎn)（后面論述中簡稱320基站），其他道路每20公里建立一個(gè)320基站?？紤]到城市道路的分布情況，為了能夠真實(shí)地反映交通狀態(tài)，在實(shí)際建設(shè)中，320基站的建設(shè)密度是遠(yuǎn)高于上述要求的。這些基站對通過的車輛進(jìn)行識別，并記錄相關(guān)信息，借助連接基站和后臺處理系統(tǒng)的光纖網(wǎng)絡(luò)，這些信息實(shí)時(shí)傳送到后臺系統(tǒng)，延時(shí)一般不超過5秒。

通過對這些信息的多種維度、多種方式的分析處理，能夠?qū)崿F(xiàn)道路路況分析、套牌車輛分析、電子圍欄等智慧應(yīng)用。本文將重點(diǎn)討論道路實(shí)時(shí)路況分析系統(tǒng)的建設(shè)方案。

1概 述

全面掌握城市的道路實(shí)時(shí)路況情況，無論對于交通主管部門、交通運(yùn)輸企業(yè)，還是對于駕車的市民，都具有十分重要的意義。在真實(shí)了解路況的基礎(chǔ)上，交通主管部門可以進(jìn)行車流量的疏導(dǎo)以避免擁堵，企業(yè)和個(gè)人可以選擇更加暢通的道路以快速到達(dá)目的地，從而降低運(yùn)輸成本和減少環(huán)境污染。

本文研究道路實(shí)時(shí)路況的指標(biāo)，主要包括車輛路段通行速度和斷面車輛通行量。車輛路段通行速度是描述車輛通過某一路段的平均速度；斷面車輛通行量是描述單位時(shí)間內(nèi)通過某一道路斷面的車輛數(shù)量。采用流計(jì)算架構(gòu)，對實(shí)時(shí)到達(dá)后臺的320數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而計(jì)算出1～5分鐘內(nèi)的道路路況指標(biāo)。

2 數(shù)據(jù)格式及質(zhì)量治理

320系統(tǒng)通過所謂的320基站對所有通過的車輛進(jìn)行識別，并產(chǎn)生流水記錄（見表1）。按照一個(gè)城市實(shí)際上路行駛機(jī)動(dòng)車輛100萬輛，每輛車平均每天通過320基站10次，則每天產(chǎn)生的流水記錄數(shù)量達(dá)到1 000萬條，在早晚交通高峰期，每小時(shí)的流水記錄數(shù)量將達(dá)到100萬條以上，數(shù)據(jù)量相當(dāng)龐大。

表1 320基站流水記錄表

數(shù)據(jù)質(zhì)量的治理指的是對數(shù)據(jù)錯(cuò)誤進(jìn)行修正，從而確保數(shù)據(jù)的真確性。

通過對表1字段的分析可以得知，容易產(chǎn)生錯(cuò)誤的字段包括車牌（PLATE）、速度（VEH＿SPD）、車牌顏色（COLOR）、車輛經(jīng)過時(shí)間（ACROSS＿TIME）等。下面對這些數(shù)據(jù)的質(zhì)量治理方式進(jìn)行討論。

2．1 車牌（PLATE）、車牌顏色（COLOR）

320系統(tǒng)對于通行車輛車牌及其顏色的識別，主要通過兩種手段：

（1）通過RFID技術(shù)，讀取安裝在車輛擋風(fēng)玻璃上的無源標(biāo)簽卡，標(biāo)簽卡中包括了車牌號碼和顏色等信息。

（2）通過對通行車輛照片的圖像識別，提取車牌號、車牌顏色和車身顏色。

手段（1）識別精度很高，但外地車輛無法安裝RFID無源標(biāo)簽卡，故覆蓋范圍受到一定限制；手段（2）理論上能夠?qū)λ熊囕v進(jìn)行識別，但考慮到外物遮擋、拍攝反光以及算法精度等因素，實(shí)際識別精度在70～85%之間，因此需要對流水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，剔除其中的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)（注：還可以通過數(shù)據(jù)比對，來對錯(cuò)誤數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，但考慮到數(shù)據(jù)樣本容量本身已經(jīng)很大，而錯(cuò)誤數(shù)據(jù)對路況計(jì)算精度造成的影響較小，故在本方案中直接將錯(cuò)誤數(shù)據(jù)刪除，從而確保計(jì)算的效率）。

在實(shí)際算法中，需要將RFID和圖像識別所獲得的信息融合考慮。

2．2 車輛經(jīng)過時(shí)間（ACROSS＿TIME）

320系統(tǒng)基站數(shù)量較多，且布設(shè)間距一般在幾百米之內(nèi)，如按照50公里／小時(shí)車輛，其通過時(shí)間不足60秒，故車輛經(jīng)過時(shí)間的精度（特別是時(shí)間的一致性）要達(dá)到秒級，否則會(huì)影響算法進(jìn)度和車輛通行的空間邏輯關(guān)系。在實(shí)踐過程中發(fā)現(xiàn)，320基站的時(shí)鐘準(zhǔn)確性誤差較大，極個(gè)別的基站誤差達(dá)到數(shù)小時(shí)，故此類數(shù)據(jù)已經(jīng)不可用。此類數(shù)據(jù)治理方法是通過人工定期巡檢方式進(jìn)行校時(shí)，也可通過在系統(tǒng)中增加時(shí)鐘服務(wù)器、GPS等手段進(jìn)行自動(dòng)校時(shí)。

3 算法分析

在算法實(shí)現(xiàn)之前，需要對城市道路進(jìn)行抽樣，在此基礎(chǔ)上建立320基站的空間拓?fù)潢P(guān)系，和基站對之間的合理通行時(shí)間范圍。

本方案算法包括如下步驟：

（1）STEP1：320 基站車輛流水?dāng)?shù)據(jù)接收。

（2）STEP2：車輛流水?dāng)?shù)據(jù)預(yù)處理，刪除其中的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，并將RFID數(shù)據(jù)和抓拍數(shù)據(jù)進(jìn)行比對融合。

（3）STEP3：根據(jù)建立的320集中空間拓?fù)潢P(guān)系，查找每一條流水?dāng)?shù)據(jù)的上游基站信息，如查找到相關(guān)信息，則計(jì)算兩條記錄之間的時(shí)間差。將時(shí)間差和對應(yīng)基站之間的合理通行時(shí)間范圍進(jìn)行比較，如超出時(shí)間范圍閥值則丟棄此時(shí)間差，否則將此時(shí)間差認(rèn)為是反映當(dāng)前道路通行狀況的個(gè)體記錄。

（3）STEP4：根據(jù)預(yù)先設(shè)定的時(shí)間窗口大小，將此時(shí)間窗口內(nèi)的、合理的時(shí)間差記錄進(jìn)行算數(shù)平均，從而確定此路段的平均通行時(shí)間。同時(shí)，計(jì)算此時(shí)間窗口內(nèi)1分鐘的基站車輛通行量。

（5）STEP5：根據(jù)道路容量、道路交通設(shè)施情況 （如紅綠燈等）、歷史路況等基礎(chǔ)信息，以及SETP4所計(jì)算到平均通行時(shí)間和車輛通行量，對當(dāng)前路況進(jìn)行判斷。路況分為3種情況，即擁堵（紅色）、緩行（黃色）和暢通（綠色）。

（6）STEP6：將計(jì)算結(jié)果通過接口進(jìn)行發(fā)布 （如通過 Web Service接口）。

上述算法流程框架如圖1所示。

4 應(yīng)用功能開發(fā)

基于上述基礎(chǔ)算法，已經(jīng)開發(fā)出如下功能：

（1）全市主要道路實(shí)時(shí)路況。該功能按照1～5分鐘內(nèi)一次的刷新頻率，對某市主要道路路況進(jìn)行紅、黃、綠標(biāo)示，此功能不僅能夠在PC系統(tǒng)上進(jìn)行顯示，還支持在電子路牌、指揮中心大屏幕、智能手機(jī)等終端上進(jìn)行展示。如圖2所示，該功能在智慧城市指揮中心大屏幕上的展示效果。

（2）實(shí)時(shí)路徑規(guī)劃。該功能能夠針對不同的應(yīng)用需求，從最優(yōu)通行時(shí)間和最短路徑進(jìn)行路徑規(guī)劃，有別于傳統(tǒng)主要通過距離、道路等級等靜態(tài)信息進(jìn)行的路徑規(guī)劃。實(shí)時(shí)路徑規(guī)劃能夠根據(jù)當(dāng)前最新路況和歷史路況情況，讓對時(shí)間比較敏感的用戶選擇合理的交通路線，實(shí)現(xiàn)的子功能包括立即出發(fā)最優(yōu)通行時(shí)間、定時(shí)出發(fā)最優(yōu)通行時(shí)間及定時(shí)到達(dá)最優(yōu)通行時(shí)間等功能。

圖1 算法流程框架

圖2 全市道路實(shí)時(shí)路況分析

（3）歷史路況分析。通過將當(dāng)前路況和歷史路況進(jìn)行比較分析，從而可以對當(dāng)前某路段的交通是否正常進(jìn)行判斷，分析的維度包括某時(shí)段今天路況與昨日路況對比分析、某時(shí)段今日路況和過去30天路況對比分析及過去30天路況分析等，如圖3所示。

圖3 路段分析

5結(jié) 論

目前，很多現(xiàn)有的實(shí)時(shí)路況系統(tǒng)依賴于出租車發(fā)送的GPS數(shù)據(jù)，但出租車在空間和時(shí)間上都無法保證均勻，因而僅僅依靠出租車GPS數(shù)據(jù)來分析實(shí)時(shí)路況存在一定的局限性。本文研究的實(shí)時(shí)路況系統(tǒng)，通過分布合理的320基站來采集數(shù)據(jù)并計(jì)算實(shí)時(shí)路況，可以有效克服上述缺陷，實(shí)現(xiàn)兩類系統(tǒng)的互補(bǔ)。