多元動態(tài)交通流信息融合與交通動態(tài)信息實時誘導(dǎo)發(fā)布系統(tǒng)

李祖文，杜榮義，何增鎮(zhèn)

(1.廣西交通科學研究院有限公司，廣西 南寧 530007；2.南寧市公安局交通警察支隊，廣西 南寧 530022)

0 引言

隨著機動車高速增長期的到來，城市中心區(qū)域道路資源短缺的現(xiàn)象日益突出，盡管交通建設(shè)和管理部門在交通路網(wǎng)建設(shè)和交通管理科技設(shè)施建設(shè)方面投入了大量的人力、財力和物力，但仍然避免不了城市交通擁堵現(xiàn)象的發(fā)生，這在相當部分的國內(nèi)大城市中心區(qū)已達到了令人無法忍受的地步，對整個城市的社會經(jīng)濟發(fā)展及投資環(huán)境都產(chǎn)生了嚴重影響。重視和加快大城市中心區(qū)交通整治工作，力爭在數(shù)年內(nèi)有根本性改善是很多城市政府、專家和市民的共同要求。

現(xiàn)代交通誘導(dǎo)技術(shù)是更有效地管理現(xiàn)代交通、實現(xiàn)交通流優(yōu)化的一種技術(shù)，集成了多種高新技術(shù)，如地理信息系統(tǒng)、定位技術(shù)、導(dǎo)航技術(shù)、現(xiàn)代無線通信技術(shù)等，開發(fā)交通信息采集與誘導(dǎo)系統(tǒng)，將實時采集到的交通流信息經(jīng)運算分析后發(fā)布給駕駛員，誘導(dǎo)駕駛員避開擁堵路段自行選擇暢通的行駛路線，將會更有利于城市交通的疏導(dǎo)和暢通[1]。

1 功能需求分析

考慮城市交通管理部門各種獨立監(jiān)測與管理系統(tǒng)的不足，需要提供更廣泛、更精確的路況監(jiān)測手段和信息服務(wù)功能，系統(tǒng)的主要功能需求有：

(1)實時動態(tài)監(jiān)控。交通擁塞在一定程度上已經(jīng)成為制約經(jīng)濟、社會穩(wěn)定發(fā)展的“瓶頸”問題。目前城市交通堵塞的主要原因是公眾不能及時獲得實時的交通狀況信息，盲目的出行路徑選擇導(dǎo)致交通路網(wǎng)的資源分配不均衡，從而導(dǎo)致因個別中段擁堵引起整個路網(wǎng)的阻塞，甚至癱瘓。成功地開發(fā)和運用本系統(tǒng)，對城市的路網(wǎng)動態(tài)交通狀況進行實時監(jiān)控，可以更好地把握城市交通狀況，將有效促進城市交通管理水平，減少交通擁堵的產(chǎn)生，減少因交通擁堵造成機動車尾氣排放及其油耗的增加。對實現(xiàn)社會“節(jié)能減徘”、保護環(huán)境均起到積極的作用；同時，也為改進城市的交通現(xiàn)狀和居民的出行環(huán)境提供了良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

(2)提高公眾服務(wù)水平。通過系統(tǒng)的運行，可以使交通管理在當前系統(tǒng)上輕松實現(xiàn)擴大對公眾的服務(wù)力度，方便直觀地監(jiān)控整個城市交通路網(wǎng)的實際運行狀態(tài)，有效疏導(dǎo)交通，而無需投入更多的人力和財力，由系統(tǒng)的分析功能和服務(wù)功能直接或者間接實現(xiàn)。

(3)為城市交通信息化綜合服務(wù)平臺的建設(shè)提供更高的技術(shù)支撐，為交通綜合治理產(chǎn)生長遠的社會效益。

(4)其他交通運輸服務(wù)應(yīng)用。基于實時動態(tài)交通流信息的交通綜合服務(wù)，特別是動態(tài)交通流的導(dǎo)航服務(wù)，是動態(tài)交通流應(yīng)用的終極目標，動態(tài)的交通路況通過移動通信、網(wǎng)站等方式及時發(fā)布到出行者手中，并在此基礎(chǔ)上提供更廣泛的應(yīng)用和服務(wù)，如公眾出行、物流管理、交通運輸?shù)?，從而極大地滿足了出行者的需求，在更大范圍內(nèi)體現(xiàn)交通流信息的社會和經(jīng)濟價值。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計

2.1 框架設(shè)計

系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計見圖1。

圖1 系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖見圖2。

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

2.2 關(guān)鍵功能模塊分析

(1)搭建以動態(tài)交通流為基礎(chǔ)的交通信息綜合服務(wù)平臺架構(gòu)：基于城市智能交通系統(tǒng)(ITS)總體發(fā)展規(guī)劃和多元動態(tài)交通流數(shù)據(jù)接入模型與算法的研究成果，按照本系統(tǒng)內(nèi)對多元動態(tài)交通流信息系統(tǒng)的集成和智能交通應(yīng)用系統(tǒng)的不斷發(fā)展的需求，建立一個能夠方便集成的、模塊化的核心平臺，擴展能夠匯接多種類型交通流數(shù)據(jù)的接口，在統(tǒng)一的接口標準與通信協(xié)議下，可以方便地將其它ITS子系統(tǒng)接入平臺，只需要修改和開發(fā)各個ITS子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換接口即可；同時為系統(tǒng)外功能的擴展和其它子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換，提供豐富的數(shù)據(jù)輸出接口及接口規(guī)范。

(2)建立城市多元動態(tài)交通流基礎(chǔ)服務(wù)數(shù)據(jù)庫：基于已經(jīng)建設(shè)的出租車GPS實時位置信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將線圈檢測的實時交通流、視頻監(jiān)測交通流接入系統(tǒng)，以融合后的動態(tài)交通流服務(wù)目標為前提，結(jié)合城市城區(qū)路網(wǎng)實時狀態(tài)表現(xiàn)、動態(tài)交通流分析、道路運行狀態(tài)等數(shù)據(jù)統(tǒng)計，最終形成融合后的動態(tài)實時交通流數(shù)據(jù)庫和空間地理信息數(shù)據(jù)庫，并建立交通流數(shù)據(jù)之間的匹配關(guān)系，構(gòu)建成一個城市多元動態(tài)交通流基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

(3)實現(xiàn)動態(tài)多元交通流數(shù)據(jù)接入：以浮動車GPS交通流數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)流，將不同采集方式匯總的實時交通流，如線圈、視頻等監(jiān)測到的動態(tài)數(shù)據(jù)，通過合理、科學的模型與算法，有效補充浮動車GPS交通流的缺陷，實現(xiàn)道路路段實時狀態(tài)的更細分段計算，提高路段實時運行狀態(tài)的監(jiān)測精度[2]。

(4)檢測動態(tài)交通流異常：基于系統(tǒng)內(nèi)GPS動態(tài)交通流融合信息與交通異常探測模型，研究視頻交通流事件檢測信息的融合，實現(xiàn)交通流事件自動探測算法和事件信息的相互驗證模型，對系統(tǒng)中基于GPS實時交通流數(shù)據(jù)匹配后的事件探測結(jié)果進行有效驗證，可以驗證并提高交通異常事件報警精確度。

(5)道路運行狀態(tài)表現(xiàn)：在系統(tǒng)多元交通流數(shù)據(jù)源融合的基礎(chǔ)上，綜合計算道路實時運行速度，對路口與路段進行分別計算與分析，以道路不同等級的限速為標準，實現(xiàn)主干路、次干路和支路的不同道路等顯示的實時路網(wǎng)狀態(tài)GIS圖，以及基于當前路網(wǎng)速度的交通旅行時間預(yù)測。

(6)交通誘導(dǎo)信息發(fā)布：根據(jù)路邊誘導(dǎo)屏的部署位置、誘導(dǎo)功能、信息發(fā)布需求，定制本項目所建設(shè)的所有誘導(dǎo)屏信息，可以自動生成發(fā)布信號，經(jīng)由雙方通信協(xié)議自動發(fā)布和更新，并可以通過人工方式進行干預(yù)與確認，實現(xiàn)人工、自動方式發(fā)布。

2.3 系統(tǒng)組成模塊設(shè)計

交通流信息融合與處理平臺子系統(tǒng)是本項目的核心，用于接收信息采集系統(tǒng)的各種交通信息，經(jīng)過匹配、融合與信息挖掘處理后，生成可以應(yīng)用的交通誘導(dǎo)、服務(wù)信息?；诓煌莫毩?shù)據(jù)采集系統(tǒng)，開發(fā)多元信息融合與功能集成平臺，通過VMS信息發(fā)布系統(tǒng)、指揮中心監(jiān)控大屏控制系統(tǒng)、WEB信息發(fā)布系統(tǒng)等，實現(xiàn)實時道路交通信息的發(fā)布與應(yīng)用。

交通流信息融合與處理平臺子系統(tǒng)從功能模塊上，可以劃分為以下幾大模塊：

(1)動態(tài)交通信息采集接口模塊：即采用與交通信息采集子系統(tǒng)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸標準與通信協(xié)議，實時接收GPS采集中心、線圈數(shù)據(jù)采集中心發(fā)送來的實時交通數(shù)據(jù)，利用海量數(shù)據(jù)緩存技術(shù)、即時存儲技術(shù)等，保障數(shù)據(jù)接收的完整性、準確性和及時性。為信息匹配與融合提供實時交通流數(shù)據(jù)。

(2)GPS動態(tài)交通信息匹配模塊：通過動態(tài)交通信息采集接口模塊實時接收的GPS數(shù)據(jù)，是離散的“位置點”信息數(shù)據(jù)，不能形成實時交通流(如速度值)，因此，需要通過該模塊進行位置信息的地理匹配與道路匹配，形成初步的道路交通速度數(shù)據(jù)，與線圈等采集的數(shù)據(jù)進行格式統(tǒng)一。如此，才能通過多元交通信息融合處理提供標準一致的數(shù)據(jù)格式。

(3)多元交通信息融合處理模塊：即通過統(tǒng)一標準協(xié)議，將采集來的各種交通流信息數(shù)據(jù)，在經(jīng)過標準化處理后進行融合，在同一路段上，將多種交通采集方式獲得的數(shù)據(jù)集成融合到一起，使得不同精度、不同類型、不同表現(xiàn)形式的交通流數(shù)據(jù)能夠相互補充，在每一條路段上，形成唯一的道路運行狀態(tài)，即道路的行駛速度等狀態(tài)數(shù)據(jù)，實時記錄每一時刻(系統(tǒng)設(shè)計為每5 min記錄一次)的交通狀態(tài)信息，為實時路況發(fā)布提供基礎(chǔ)，同時積累歷史數(shù)據(jù)，提供更多交通信息服務(wù)功能。

(4)GIS交通地理信息融合模塊：融合后的交通流信息必須與交通GIS地理信息相匹配，生成整個路網(wǎng)的每一道路每個方向的交通運行路況，提供出行者路線誘導(dǎo)、車輛分流誘導(dǎo)等具體的誘導(dǎo)發(fā)布信息。交通GIS地理信息必須具有詳細的交通路網(wǎng)模型數(shù)據(jù)、交通靜態(tài)路況、交叉口、道路級別、限制行駛等信息支持。

(5)交通信息誘導(dǎo)發(fā)布模塊：該模塊針對具體的路網(wǎng)誘導(dǎo)信息屏的部署位置、信息誘導(dǎo)需求進行處理，生成不同的誘導(dǎo)信息內(nèi)容，如圖形方式和文字方式，并為誘導(dǎo)信息屏發(fā)布內(nèi)容建立發(fā)布數(shù)據(jù)庫，以一定的時間間隔進行信息更新，并通過該模塊將每一塊誘導(dǎo)屏的誘導(dǎo)信息，發(fā)送到“信息誘導(dǎo)發(fā)布子系統(tǒng)”的信息接收統(tǒng)一接口，然后通過硬件接口發(fā)送到每一塊誘導(dǎo)屏上。數(shù)據(jù)融合包括同一路段上多個車輛的數(shù)據(jù)融合，與電子地圖的匹配等。在GPS自身數(shù)據(jù)精度前提下，數(shù)據(jù)融合的精度取決于GPS采集的頻率與樣本量。GPS數(shù)據(jù)融合技術(shù)的主要交通模型有：GPS動態(tài)交通流GIS匹配模型，GPS交通流數(shù)據(jù)融合模型等。為補充GPS數(shù)據(jù)的準確性與精度，結(jié)合城市交通誘導(dǎo)發(fā)布需求，在適當路段建設(shè)相應(yīng)的線圈、流檢等動態(tài)交通信息采集系統(tǒng)，通過實時采集交通流數(shù)據(jù)，與GPS動態(tài)交通流數(shù)據(jù)融合，通過系統(tǒng)內(nèi)多元交通信息融合與處理模型，實現(xiàn)道路交通實時路況的唯一性表現(xiàn)，即形成統(tǒng)一的路況表示方法，最終形成路況路段的速度表示、旅行時間估算等功能。

(6)交通信息綜合服務(wù)模塊：交通流信息經(jīng)過匹配、融合與處理后，除了提供交通誘導(dǎo)信息屏的誘導(dǎo)發(fā)布以外，還提供多種服務(wù)功能，如路段行駛速度實時監(jiān)測、旅行時間估算、路網(wǎng)交通狀況分析與歷史數(shù)據(jù)查詢、特殊車輛行駛路徑優(yōu)化等，并通過指揮中心大屏進行實時監(jiān)控整個路網(wǎng)和將實時路況信息發(fā)布到交通廣播以及網(wǎng)絡(luò)上等。

3 開發(fā)與應(yīng)用

3.1 軟件編程開發(fā)與運行環(huán)境

多元動態(tài)交通流信息融合與交通動態(tài)信息實時誘導(dǎo)發(fā)布系統(tǒng)的編程開發(fā)與運行環(huán)境，操作系統(tǒng)為Windows 2000/2003/XP/7/8/10，數(shù)據(jù)庫為Oracle 10g，集成開發(fā)環(huán)境為MicrosoftVisual Studio.NET 2005，系統(tǒng)開發(fā)語言為C#。

3.2 系統(tǒng)的應(yīng)用

多元動態(tài)交通流信息融合與交通動態(tài)信息實時誘導(dǎo)發(fā)布系統(tǒng)是城市交通綜合管理信息服務(wù)平臺系統(tǒng)的一個重要組成部分，應(yīng)用于廣西南寧市公安交通管理中，在交通管理部門的監(jiān)管下，經(jīng)過兩年多的實際應(yīng)用，從測試、試運行至正式運行，到目前為此運行良好。系統(tǒng)能整合于整個城市交通綜合管理信息平臺系統(tǒng)中高效運行，對城市的路網(wǎng)動態(tài)交通狀況進行實時監(jiān)控，有效促進城市交通管理水平。

4 結(jié)語

通過系統(tǒng)的實際應(yīng)用，為城市交通綜合管理信息服務(wù)平臺系統(tǒng)的建設(shè)提供更高的技術(shù)支持，可以使交通管理在當前系統(tǒng)上輕松實現(xiàn)擴大對公眾的服務(wù)力度，方便直觀地監(jiān)控整個城市交通路網(wǎng)的實際運行狀態(tài)，無需投入更多的人力和財力，由系統(tǒng)的分析功能和服務(wù)功能直接或者間接實現(xiàn)有效的交通疏導(dǎo)，在交通綜合治理和公眾出行服務(wù)上產(chǎn)生長遠的社會效益。