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城市道路交通诱导系统设计

2015/12/26 阅读:

随着我国经济飞跃式的发展,城市和乡村的面貌均发生了巨大变化,尤其是城市的发展更是史无前例。伴随着城市规模的扩大和城市人口的增多,城市的发展面临着诸多困境,其中城市交通问题日趋严重。尽管汽车的发明给人们带来交通的便利,但城市的交通拥堵问题、交通事故问题已不容忽视。道路交通承担着人流、物流转换空间的功能,维持着社会的运转,是经济发展的重要渠道。近年来,我国大部分城市为改善其交通都作了很大的努力,各地政府都投入大量资金修建各种交通基础设施,并利用信息技术建立交通信息系统,有效地促进政治、经济和社会的发展。

目前大部分的城市已初步配套设置相应的交通管理系统,并装备了不同规模的硬件系统,然而这些系统或是引进,或是自行开发,更多的还是硬件装备的简单集成,在改善城市交通方面发挥的作用尚不够明显。而且不少城市建设的交通信息系统已经面向不同交通方式利用者的,但由于这些系统之间的信息资源难以共享,缺乏大系统的规划与标准化考虑,各系统自身的功能也未能充分发挥出来,难以从根本上起到改善交通现状的作用。在科学技术不断发展进步的今天,城市建设的不断拓展,人口规模的扩大,机动车数量的急速上升,城市道路交通流量急剧上升,城市交通面临着严峻的挑战,尤其是高峰时段一些重要路段或重要节点交通堵塞、交通事故、停车等问题日趋严重。近年来,我国城市在道路建设方面投入巨大,但是由于规划和管理不到位,并未从根本上解决道路交通问题。随着科学技术在道路交通发展的应用不断加深,道路交通信息化管理也迅速发展起来,其管理问题也日渐显露,加上有些城市的交通信息化建设起步较晚,道路交通信息化程度明显滞后。虽然我国道路交通信息化得到了一定的发展,但道路交通信息化管理方面仍存在着诸多问题,应用新型道路交通信息化科技实现智能交通系统优化建设已十分紧迫。本文将动态GPS技术引用到道路交通管理当中,设计城市道路交通诱导系统,旨在缓解交通拥堵,减轻交通压力,辅助合理配置交通资源,有效节能降耗,提高城市道路交通运输效率,提高道路交通管理能力。与城市大规模的基础设施建设投入相比,本文更加强调科学技术和道路交通信息化技术的应用,针对道路交通管理问题,不仅要从提高管理水平,推进道路交通信息化管理入手,还要更进一步提升新型科技应用能力,以改善城市道路交通环境。

1相关理论与技术

1.1智能交通系统智能交通系统(IntelligentTransportSys-tem,ITS)是改善当前城市道路交通环境主要手段,它主要利用计算机相关技术,如计算机通讯技术、GPS/GIS技术、物联网技术等,建立在城市范围内的实时、准确、高效的综合运输和管理系统,主要为了让城市道路顺畅运行和提升交通运行的效率[5]。ITS在改变传统的道路交通系统的基础上,充分运用道路交通基础设施资源和先进的计算机科学技术,是我国及至全世界未来交通发展的重要方向,旨在提高交通运输系统的运行效率,实现道路交通信息化智能管理[6-9]。陈立在指出道路交通信息化对我国道路交通发展的重要性基础上表明了我国对信息化的认知不足及投入力度不够[10];周祎敏关于评价城市交通网络服务能力中提出未来城市道路交通网络相关的评价指标,这从一定意义上规范了ITS发展方向[11]。本文根据道路交通信息化管理要求分析和研究社会需求水平、经济发展趋势、地理环境特点和人口分布情况等因素的基础上,构想符合我国城市实际的智能交通发展战略。智能交通系统主要框架如图1所示。

1.2ITS关键技术相关性分析ITS上层设计包括交通信息服务和管理子系统以及公共交通和车辆控制子系统。底层技术支持系统包括动态GPS系统和交通基础设施感知子系统,以及货运管理、电子收费和紧急救援等相关子系统。城市道路交通实施ITS能有效防止交通拥塞,保障道路交通安全,实现智能化交通管理,以降低交通事故,促进汽车产业的升级。在设计ITS过程中,车联网是未来ITS的核心信息通信平台,除了GPS/GIS关键技术外,还需视频检测识别技术、无线通信技术的支撑。ITS关键技术相关性结构如图2所示。

1.3GPS/GIS技术全球定位系统(GlobalPositioningSystem,GPS)是指在全球范围内实时进行定位、导航的系统,一般包括GPS终端、传输网络和监控平台三个基本要素。GPS在ITS中的主要功能是车辆定位和行驶路线的记录,具备防盗、反抢劫等辅助功能,GPS技术最初应用在军用领域,如导弹制导、航空航天等方面。在ITS设计过程中,GPS设置的信息主要包括世界时、GPS的状态、海拔、经纬度及具体数值,具体属性设置程序如下。

1.4车联网技术物联网(TheInternetofThings,IoT)直译为互联网上的物品,使用有线或无线的方式把任何物品连接起来,实现智能化管理的一种新型网络,各发达国家都相应投入大量资金展开相关研究。随着物联网技术的迅猛发展,我国城市道路交通的信息化管理采用物联网技术越来越引起人们的关注。物联网应用了ITS具有十分广阔的前景,已经引起了国内外相关研究机构的高度重视。车联网(InternetofVehicles,IoV)是指通过无线射频等识别技术对车辆上的电子标签信息进行感应、收集并作出反应,并根据车辆的基础信息和运行信息分析其运行状态,实现车辆的监管,提供综合服务,最后集成到网络信息平台上实现信息的共享。它把车辆、建筑物、基础设施及环境设置成信息网络中的节点,通过车联网信息平台各节点之间的信息交换实现车与路之间拥堵情况分析。车联网通过计算机技术、GPS、无线通信等手段将汽车作为核心节点,实现汽车与其他节点的协调工作。本文以GPS和GIS技术基础,在ITS中涵盖车联网,设计基于动态GPS的城市道路交通诱导系统,对其技术模式、算法进行分析和改进。1.5开发技术基于动态GPS的城市道路交通诱导系统采用比较成熟的开发工具和数据库,开发平台使用VisualStudio2010,数据库使用微软公司的SQLServer2008。通用GPS信息采集代码如下。

2基于动态GPS的城市道路交通诱导系统设计

2.1诱导系统体系结构图3是基于动态GPS的城市道路交通诱导系统硬件体系结构。由图3可以看出,基于动态GPS的城市道路交通诱导系统硬件体系结构主要划分成三个层次,第一层是硬件层,该层以感应硬件为主,主要指城市道路公共设施上的各种电子感应仪器,这些感应设备可以通过无线网络把道路相关信息传输到ITS控制中心。第二层是控制层,主要由ITS控制各个子系统构成的平台,负责接收道路的运行状态和车辆的运行信息,然后通过计算机处理生成道路诱导线路,并将处理结果动态反馈给GPS客户端。第三层是应用层,用于为公交车、出租车及私家车等提供信息服务,如GPS定位导航服务。该层不仅提供了采集车辆的运行信息,而且还能接受ITS控制平台发布的信息。通过ITS控制平台将道路、出行者和车辆有机地结合在一起,以交通信息采集技术为基础,以车辆动态GPS为对象,使用诱导系统将人、车、路三者之间联系起来,实现道路交通的合理调度。基于动态GPS的城市道路交通诱导系统采用三层体系结构,主要由三个部分组成:表示层、业务层和数据层,如图4所示。所谓软件的三层结构,是在客户端与服务端之间加入一个中间层,主要用于业务规则、数据访问、合法性校验等,把业务与数据相分离。采用分层的开发模式,可以对编程人员进行合理的分工,提高开发的效率,编写的应用程序具有提高应用程序内聚程度、降低耦合和易于维护等优点。其中ITS业务逻辑层是负责接收车辆、道路传递回来的数据,并使用业务逻辑的诱导算法处理,主要实现线路优化等应用程序的业务规则和逻辑。

2.2诱导系统工作流程目前城市交通行车诱导信息发布子系统主要在十字路口前方设置诱导显示屏,以平均运行速度作为指标,使用不同颜色显示路况信息,这种诱导表现形式比较直观形象。如果发生交通拥堵,可提醒驾驶员提前绕行,选择其他路径到达目的地,缓解交通拥堵。然而,很多司机往往在行车过程中出现拥堵才去关注交通行车诱导显示屏,或在前方路口已经拥堵的情况下,再去选择路线时,但这时无法避开堵情。基于动态GPS的城市道路交通诱导系统在设计上将目标路线与路况动态结合起来,让行车者提前注意行车路线,具体诱导流程如图5所示。由图5可知,交通诱导系统主要功能模块有路况实时采集模块、车辆动态GPS定位模块和路线优化模块,ITS通过这三大模块可以及时获得路网上的动态交通信息,准确掌握和预测路网的交通状态,并以此进行交通出行诱导,调整交通流、时间流的空间分布,提高路网通行能力,有效解决了交通需求与交通服务能力之间的矛盾。

2.3系统功能设计基于动态GPS的城市道路交通诱导系统主要包括路况实时采集模块、车辆动态GPS定位模块和路线优化模块。实时采集模块属于底层设计,主要依赖于硬件节点信息的采集,并为上层平台准备数据。车辆动态GPS定位模块主要运用动态GPS定位上传位置信息和下载平台最新的路况信息,既有底层的车辆位置信息收集功能,又有上层平台的数据分析结果展示功能。路线优化模块为上层应用,需要计算机根据路况信息、当前位置信息、目标位置,通过诱导算法计算出最佳出行路线。各模块功能设计方法如下:(1)车辆动态GPS定位模块。该模块的主要功能是确定车辆在城市道路中的具体位置,为各种算法实时提供基础数据服务。(2)路况实时采集模块。本模块是ITS实现道路交通诱导的基础,也是最核心的模块,道路交通基础设施必须保障采集设备、诱导设备的实时通信,目前许多诱导设备是通过SOCKET通信与外场设备按照SOCKET协议进行通信。路况实时采集设计如图6所示[16-17]。本模块包括三个关键检测系统。①区间检测为最重要的检测指标,用于获得道路网络中的交通信息流,并实时传送到ITS主机。②车速检测为判断路段拥堵优先指标,它可以获得单一车辆的通过速度和多车通行情况。③故障检测是诱导路线规避的首选指标,可以获得事故发生时间、地点以及恢复交通现场的时间。(3)路线诱导模块。前两个模块主要为本模块服务,它是未来ITS研究重点和难点,主要功能是根据车辆动态GPS定位数据,结合出行者的目标位置,在诱导算法下生成建议的最佳行驶路线,ITS使用本模块可以有效避免交通拥挤。

3系统实现

3.1诱导系统的界面实现在诱导系统功能设计基础上,根据诱导系统体系结构和诱导流程,开发实现基于动态GPS的城市道路交通诱导系统。本系统由路况实时采集模块、车辆动态GPS定位模块、路线优化模块等三大模块组成,其诱导系统界面设计如图7所示。主要操作功能有ITS诱导估算、ITS实时导航、记录行驶轨迹、GPS重新定位、当前路段拥堵、实时上传车辆GPS信息、实时更新诱导路线等。此外,还包括GPS自动定位、实时路径推荐、实时下载规划路线的路况、停车时长检测等隐含的辅助功能。

3.2操作流程与程序实现通常情况下,在出行或出现拥堵时,驾驶人会设置出行目标。在设置出行目标时,系统可以使用自动GPS定位功能,出发地可以通过定位获取,匹配最佳出行点,无须输入。GPS自动定位系统首先获取经纬度坐标,并计算出当前位置在真实地图中的确切位置。当行车进入隧道时,GPS定位不准确,系统预留了GPS重新定位功能。通过ITS诱导估算可以估算出距离、时长、交通灯个数及当前路况信息,并给出规避拥堵的线路,也可以由出行者选择合适出行路线。在行车过程中建议使用ITS实时导航,这个功能可以让行驶路线根据路况实时调整最优线路。停车时长检测功能主要根据当前车辆的速度进行计算,当速度为0、时长超过五分钟以上才能使用“当前路段拥堵”的功能,红色状态表示该功能未被启用。

4总结

本文根据城市道路交通现状、ITS应用情况总结和分析城市道路交通信息化问题,并在此基础上设计城市道路交通诱导系统,该系统主要运用了GIS、GPS、ITS、车联网、SQLServer2008数据库等技术。该系统在设计过程中以动态GPS设计诱导系统体系结构和诱导系统工作流程为出发点,实现了ITS诱导估算、ITS实时导航、记录行驶轨迹、GPS重新定位、当前路段拥堵、实时上传车辆GPS信息、实时更新诱导路线等基本功能。诱导系统核心思想是通过ITS诱导估算功能估算出距离、时长、交通灯个数及当前路况信息,为实时更新诱导路线功能提供规避拥堵的线路,最后在ITS实时导航中显示合适出行路线。本系统实现了ITS实时诱导,为缓解城市交通起到积极作用,有助于提高当前城市道路通行能力。然而,在提升城市道路交通信息化的同时,城市中各种交通工具所使用的GPS系统相对独立,信息共享不充分,导致ITS诱导信息不全面,下一步研究重点应加强车辆GPS之间信息协作,为提升交通信息化管理奠定基础。

作者:张扬永 单位:中共福建省委党校 福建行政学院

城市道路交通诱导系统设计

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