智慧交通管理系統(tǒng)的設計與應用

李 震

(成都理工大學 工程技術學院，四川 樂山 614007)

0 引 言

在城市化進程中，交通起著至關重要的作用。解決交通問題的傳統(tǒng)辦法是修建道路，但是在城市，可供修建道路的空間越來越小、花費越來越大，由于道路用地的困難，且汽車數量增長太快，交通阻塞問題十分突出。智慧城市交通應用系統(tǒng)的規(guī)劃建設，就是以解決城市道路目前出現的問題，提高交通出行者的效率、舒適為目的，利用交通信息管理系統(tǒng)和智能化分析系統(tǒng)對城市交通出現的所有問題進行解決處理的交通應用系統(tǒng)。

智慧交通管理系統(tǒng)[1-4]是一種融合多種學科知識，集信息采集、處理、存儲與發(fā)布為一體，實時服務于交通出行與管理，極具應用前景的智能系統(tǒng)。通過智慧城市交通系統(tǒng)建設，能夠提高城市交通管理與服務的信息化水平和決策支持能力[5-6]，是解決交通擁堵，減少交通事故，提高人民生活質量的有效途徑[7]，為解決當前交通問題提供了新的管理模式和突破口。智慧城市交通系統(tǒng)建設的重要性已經得到國家相關部門的高度重視，且智慧交通是智慧城市的重要組成部分[8]，其建設對于實現智慧城市具有重要意義。

1 系統(tǒng)框架設計

該系統(tǒng)設計依據以下原則：兼容性原則，數據具有可交換性，選擇標準的數據格式和設計合適的數據格式，實現與不同部門之間或不同格式數據庫之間的數據進行交互共享；完備性原則，系統(tǒng)功能齊全、完備，具備數據采集、管理、處理、編輯、顯示、繪制、轉換、分析、輸出等各項功能；安全性原則，系統(tǒng)數據不會泄露給無關用戶，系統(tǒng)運行時不丟失和篡改數據；可靠性原則，系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內能夠完成規(guī)定的功能并確保準確度與精確度；穩(wěn)定性原則，系統(tǒng)在長時間內持續(xù)運行、計算并保證不出錯、不崩潰；可擴展性原則，系統(tǒng)可以擴充模塊，系統(tǒng)設備不僅滿足當前需求，并在擴充模塊后可以滿足可預見性需求；標準化原則，系統(tǒng)設計符合GIS基本要求和標準，數據類型、編碼、圖示符合國家標準以及行業(yè)相關規(guī)范。

GIS特有的優(yōu)勢在于空間查詢和空間分析?？臻g查詢是地理信息系統(tǒng)必須實現的功能，面對龐大的地理數據，使用者不可能一一查看，只能根據需要，檢索出自己需要的地理數據。而空間分析功能是地理信息系統(tǒng)區(qū)別于其他計算機系統(tǒng)的顯著標志。在現實世界中，面對與空間相關的問題，通過地理信息系統(tǒng)建立模型，通過地理信息系統(tǒng)獨特的空間分析功能實現。

文中結合GIS技術進行了系統(tǒng)設計，具體的內容包括，建立了城市統(tǒng)一完整的道路、公交、地點和停車場信息庫[9-10]，該庫為MapGIS地理信息庫；建立大量數據模型、采用數據挖掘的處理技術，分析實時交通數據，提供實時交通數據的智能化服務；建立文檔數據與圖形間的連接，實現實時互訪；建立城市的基礎地理信息元數據。具體的系統(tǒng)框架設計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架設計

系統(tǒng)分為表現層、業(yè)務分析層、服務層及數據層四層。應用分析層主要是各種不同業(yè)務邏輯的分析。而按服務器的功能，服務層又分為了GIS服務[11-12]和Web Service兩種不同的數據通信服務，GIS服務主要用來進行空間數據的查詢和獲取，而Web Service主要用于提供非GIS的業(yè)務數據的訪問和服務。

GIS的數據與服務可以由JavaScript API直接與MapGIS IGServer的交互獲取，MapGIS IGServer則是從文件格式或通過空間數據庫引擎從數據庫中獲取GIS數據；其他不便抽象成資源的數據與操作或者其他業(yè)務系統(tǒng)中生成的非GIS數據服務可以通過JavaScript與Web Service服務器的交互獲取，Web Service也從數據庫中獲取數據。

(1)表現層。

主要指瀏覽器，采用JavaScript技術開發(fā)，主要包括地圖組件、業(yè)務交互組件和緩存管理組件?？蛻舳送ㄟ^MapGIS API For JavaScript接口調用MapGIS IGServer空間服務器發(fā)布的服務。用戶可以在表現層進行地圖操作、公交查詢[13]、城市信息查詢等操作。

(2)業(yè)務分析層。

該層的業(yè)務邏輯主要由系統(tǒng)需求決定。本系統(tǒng)在這層上主要是城市的一些查詢操作業(yè)務，以及地圖操作業(yè)務，它決定表現層所要展現的功能。

(3)服務層。

由GIS服務和Web Service服務組成[14-15]。GIS服務由MapGIS IGServer搭建而成，負責GIS相關服務的發(fā)布，并通過空間數據庫引擎與空間數據庫關聯，存取空間地理數據。而Web Service主要負責一些非GIS資源服務的發(fā)布。

(4)數據層。

主要包括空間數據和屬性數據的存取。對空間數據的存取采用MapGIS中的空間數據引擎訪問SQL Server數據庫；而屬性數據的存取采用NHibernate與SQL Server數據庫連接。

2 系統(tǒng)通信設計

該系統(tǒng)采用了圖2所示的技術通信原理，該技術構架將很好地展現客戶端與服務器端進行的信息通訊。主要將技術分為了四大消息傳遞。

客戶端Web瀏覽器通過JavaScript API向Internet發(fā)送消息，發(fā)送的消息可以再傳回到客戶端，在客戶端進行處理，并返回消息。若客戶端不能進行處理，則將信息發(fā)送到服務端，讓服務端進行處理返回消息。這也正體現了富客戶端的特征，讓部分處理負擔放在客戶端處理，以減輕服務端，也更好地提高整個系統(tǒng)的運行效率。

WebGIS客戶端服務是放在客戶端執(zhí)行，它內部的消息處理主要體現在接收消息、處理消息，返回給用戶端消息。若不能完成的則需要向Web Service和GIS Server發(fā)送消息請求處理。

在GIS Server服務端的消息，主要是針對GIS空間數據服務的處理，當接收到來自客戶端發(fā)送的消息時，MapGIS IGServer將消息發(fā)送至GIS空間服務器要求接收處理，GIS服務器通過空間數據引擎對數據進行存取操作，最后將處理消息的結果返回到MapGIS IGServer，然后通過HTTP協(xié)議將信息返回給客戶端。

Web Service中的消息處理，主要是客戶端在不能處理一些非GIS服務時，向該消息處理端發(fā)送請求。WCF利用NHibernate與數據庫連接，然后在數據庫處理消息并返回結果。

圖2 系統(tǒng)通信技術

3 系統(tǒng)功能設計

系統(tǒng)總體分為“服務端數據管理模塊”和“客戶端地圖應用模塊”兩部分，服務端數據管理模塊提供數據的查詢和管理，客戶端地圖應用模塊實現各種地圖應用，其功能層次詳見圖3。

圖3 系統(tǒng)功能設計

3.1 服務端數據管理模塊

(1)城市信息管理。

①屬性查詢：根據圖層查找屬性，查詢方式分為點擊查詢、畫線查詢、畫圓查詢、矩形查詢、多邊形查詢；

②條件屬性查詢：根據圖層查找屬性，查詢方式分為OID查詢、條件查詢；

③要素添加：根據圖層進行要素添加；

④要素刪除：根據圖層進行要素刪除；

⑤量算功能：距離量算、面積量算；

⑥地圖基本操作：放大、縮小、移動、刷新、復位、鷹眼。

(2)用戶信息管理。

賬號密碼管理：按照用戶名稱查詢、添加用戶。

系統(tǒng)日志管理：按照時間查詢系統(tǒng)日志。

3.2 客戶端地圖應用模塊

(1)智能出行。

為用戶提供多種方式進行查詢選擇，可以直接輸入地點、旅游景點、學校等已知地點名稱來進行查詢，也可以通過點擊“智能出行”對話框里的分類圖標進行查詢，例如：查詢酒店、醫(yī)院、加油站、銀行、景點等。

(2)智能公交。

設定起止點，讓用戶根據自己的需要手動輸入起止點，起止點的位置可以互換。在結果欄中會顯示查詢的詳細結果，地圖上也會顯示線路圖以及換乘點、換乘車輛。

按線路查詢，點擊“線路查詢”，窗口切換到公交線路查詢，輸入查詢的公交線，結果欄中顯示出所有站點名稱，地圖上標識出整條公交線路。

(3)路線查詢。

讓用戶根據自己的需要手動輸入起止點，起止點的位置可以互換，查詢后在地圖上顯示出起始點的位置。

設定途經點，通常的用戶在選擇了起始點之后，也許會要途中經過某個地點，此功能就是為了方便用戶的需求，同時地圖上也會明確標識出途經點位置。

(4)智能停車。

設定限制條件，輸入需要地點的名稱，選擇搜索范圍。 搜索之后，所有停車場信息顯示在右側結果欄中，地圖上會以緩沖區(qū)的方式標識出停車場位置，點擊任意一個停車場將會以對話框形式出現該停車場的詳細信息，比如，價格、總車位、剩余車位。點擊“去停車”按鈕，地圖將自動導航到該停車場。

(5)路況信息。

車流量信息查詢，按道路名稱可查詢該道路的實時車流量情況。實時路況，查詢當前時間的所有道路車流量情況，在地圖上詳細顯示。路況預測，可選擇需要查詢的詳細時間，對用戶自定義的時間段進行所有道路的路況預測。

4 智能停車設計

智能停車設計是一個有機的整體，要統(tǒng)一進行規(guī)劃和科學的管理，因此停車服務要具備一定的整體性和完善性。智能停車是停車服務的重要支撐點之一，它存在的目的是對客戶尋找車位的可靠保證和快速到達的服務，而不單單是為了盈利而存在的一種商業(yè)模式。在保證停車服務的社會運作目的的前提下，考慮停車服務的智能、快捷等需要綜合各方面的因素。如改善城市交通環(huán)境，減小停車不必要的時間的浪費等條件是必須的，如果因為選擇車位不當會導致對地區(qū)經濟、交通路況、環(huán)境維護造成負面后果，那么對停車服務而言，也是致命的。因此在智能停車功能設計時，必須考慮綜合因素，要遵循以下原則：

(1)適應性原則。

每個區(qū)域都具有各自發(fā)展的規(guī)模和停車位的數量，在設計停車服務時，要充分考慮交通情況、人口情況和停車規(guī)模情況，在此基礎之上，需要結合日常具體的實際數據，制定停車服務設計。

(2)協(xié)調性原則。

協(xié)調性是每一個系統(tǒng)都必須遵循的，不能導致牽一發(fā)而動全身，智能停車服務設計與各區(qū)域的地理環(huán)境、各區(qū)域發(fā)展的規(guī)模，區(qū)域經濟水平相協(xié)調，保證資源的合理配置。

(3)經濟性原則。

獲取經濟效益對停車場商管而言是建設停車場的目標之一，智能停車服務的設計需要考慮經濟效益問題，智能停車設計可以降低成本，同時帶來較大的經濟效益。

(4)動態(tài)性原則。

地區(qū)經濟的發(fā)展會導致當地商業(yè)模式及商業(yè)聚集地的無形變化，這些變化會對停車服務的運作及經濟效益造成很大的影響，所以在設計智能停車時，要根據當地經濟發(fā)展方針對未來可發(fā)生情況進行預測和綜合考慮，以變化的、進步的眼光來看待問題。

智能停車設計的核心就是要完善停車場空間數據設計，主要包括了空間坐標信息，空間度的關聯性，以及一些屬性字段，如停車場名稱、地址、聯系方式、車位數量、價格以及剩余車位數量等?？臻g關聯性，主要是與城市道路信息、城市基礎信息等進行緊密的關聯，根據空間位置關系，采用緩沖分析、相關度分析、最短路徑分析、智能停車條件的自動識別設置等技術的結合，實現最近設施最優(yōu)的服務，從而實現智能停車。

5 實驗分析

系統(tǒng)開發(fā)平臺：MapGIS 10、Visual Studio 2012；操作系統(tǒng)：Windows 7；開發(fā)語言：JavaScript、C#、Html、JQuery；數據庫平臺：Microsoft SQLServer2008 R2、MapGIS10平臺數據庫；空間地圖服務器：MapGIS IGServer for .NET。系統(tǒng)運行環(huán)境：Windows XP、Windows 7、Windows 10等版本。

測試數據：以樂山市為例，建立了樂山市完整的城市空間信息數據，包括城市基礎點數據、公交數據路線和站點數據、路況信息數據、道路信息、服務設施點和停車場信息庫等，該庫為MapGIS GDB數據庫；系統(tǒng)通過實際的分析，模擬了各時段的交通路況信息，結合出行方案的選擇，提供實時智能化路徑規(guī)劃；模擬了停車場信息，選擇最優(yōu)停車場，避開最繁忙的停車場，根據城市的公交線路網，擇優(yōu)選擇最短或最便捷路徑。

選擇最優(yōu)停車場，避開最繁忙的停車場：停車在每個城市都是一個很嚴重的問題，出行在外尤其是在高峰路段，停車則成為需要解決的一大難題，該系統(tǒng)則針對用戶這一需求特意做了“最優(yōu)停車場”這一功能，無論是在擁堵路段還是在高峰時間或是平常時段，系統(tǒng)都能幫助用戶避開最繁忙的停車場，選擇最近最優(yōu)的停車場進行停車(見圖4)。

圖4 停車場搜索

根據路況信息，選擇最短路徑(見圖5)，避開最擁堵的道路：實時地反映了各條道路的路況信息，智能地避開擁堵的道路，為用戶選擇最佳出行路徑。

圖5 最短路徑(避開擁堵道路)

路況預測：根據路況、道路分布、人口分布、上下班時間段、城市信息點等信息，進行了數據挖掘和大數據分析，對路況信息進行了預測，可以選擇不同的時間段，對城市道路進行預測(見圖6)。

圖6 路況預測

6 結束語

根據交通管理的特點，以交通管理、城市基礎信息、路況信息、停車位服務管理等為研究對象，設計了智慧交通管理系統(tǒng)，結合了GIS技術、空間數據設計、面向服務的Web Service分布式技術和WebGIS技術，實現了智慧交通管理系統(tǒng)，實現了城市信息管理、智能出行、智能公交、智能停車、路況信息實時顯示、路況信息預測和空間分析等功能。通過路況分析和智能停車等功能，有效地解決城市交通出行困難的問題，提高了城市道路的利用率，滿足用戶出行的需求，能有效地降低交通管理的工作強度，有效地解決停車困難的問題。系統(tǒng)通過實例進行了驗證和測試，各項功能達到了預計的目的，該系統(tǒng)的實現，具有一定的研究價值和經濟意義，為智慧交通管理系統(tǒng)的研究提供了技術參考。