洛阳智慧交通系统的设计与实现


第 30 卷 第 2 期 2012 年 2 月 河 南 科 学 HENAN SCIENCE Vol.30 No.2 Feb. 2012 收稿日期:2012-01-19 基金项目:洛阳市人民政府基金资助项目 作者简介:张开广(1966-),男,河南郸城人,副教授,博士,主要从事地理信息系统应用与研究 通信作者:王家耀(1936-),男,湖北武汉人,中国工程院院士,教授,博士生导师,主要研究方向为地图学与地理信息科学. 文章编号:1004-3918(2012)02-0217-05 洛阳智慧交通系统的设计与实现 张开广 1, 孟红玲 1,2, 孙艳敏 1, 巴明廷 1, 王家耀 3 (1. 郑州师范学院,郑州 450044; 2. 华东师范大学,上海 200062; 3. 信息工程大学 测绘学院,郑州 450052) 摘 要:科技使城市更智慧,让城市学会思考和自我控制来保障社会集约型和可持续快速发展 . 论述了建设洛阳 智慧交通系统的意义,分析了系统的体系结构,重点讨论了洛阳智慧交通系统的总体框架、系统功能、数据库结构和 最佳路径分析方法. 洛阳智能交通系统的建设,将很大程度上满足人们出行的需要,节约人们的时间资源和城市的 道路资源,保障城市交通的畅通,提高政府对控制突发事件的应急能力. 关键词:智慧交通系统; 数字城市; 智慧城市; 物联网; 云计算; 最佳路径 中图分类号:P 208 文献标识码:A The Design and Development of Luoyang Smart Traffic System Zhang Kaiguang1, Meng Hongling1,2, Sun Yanmin1, Ba Mingting1, Wang Jiayao3 (1. Zhengzhou Teacher College,Zhengzhou 450044,China; 2. East China Normal University,Shanghai 200062,China; 3. Institute of Surveying and Mapping,Information Engineering University,Zhengzhou 450052,China) Abstract:Science and technology is making our city more and more smarting,making city self-education and self-adjustment,protecting economy and society successively developing. The paper describes the significance and system structure of Luoyang Smart Traffic System,discusses the overall frame,system function,database contents and optimum route analyse methods for Luoyang Smart Traffic System. Luoyang Smart Traffic System should satisfy the traveling need,save the time resource of people and road resource of city,ensure the city traffic unimpeded, advance the emergency capacity for unexpected events. Key words:smart traffic system;digital city;smart city;Internet of thing;cloud computing;optimum rounte 1 项目背景 城市道路交通是城市基础设施的重要组成部分,是城市物流和人流的载体,是城市的血管和生命线,担 负城市交通运输的主要功能. 近年来随着城市经济的快速发展和人们消费观念的改变,家用汽车的普及以 及城市汽车保有量的快速增加,堵车、停车等城市交通问题已成为城市发展的瓶颈,大大制约了城市的经济 发展. 为了适应经济全球化、城镇化和城市自身扩张的需要,许多城市都在迅速拉大城市框架,这也大大增 加了城市交通的复杂程度. 人们的出行,特别是当城市出现突发事件时,接到报警的应急中心往往不能及 时有效地到达事发地,甚至不能确定事发地的详细位置,更提不上找到一条到达事发地的最佳路径. 洛阳市位于河南省西部洛阳盆地,是“一五”时期国家重点投资建设的大型工业基地,也是平地而起的新 兴工业城市,为了适应城市经济发展,2001 年开始在洛河南岸建立洛南新区,洛河、涧河、廛河、中州渠以及 陇海铁路穿城而过,在很大程度上限制了城市交通,城市交通问题和中原其它城市相比尤为突出. 随着物联网、云计算技术以及现代通讯技术的快速发展,为了保障城市经济可持续发展,构建和谐高效 的集约型社会,在“数字洛阳”空间数据库系统基础上,建立一个城市智慧交通系统,及时有效地服务于人们 的出行,控制突发事件的发展,已纳入洛阳市城市“十二五”发展规划,为洛阳市未来的快速崛起保驾护航. 第 30 卷 第 2 期河 南 科 学 2 系统总体设计与框架 洛阳城市智慧交通系统,是洛阳市“智慧城市”的重要组成部分,系统的总体设计,立足现在、面向应用、 面向未来,充分体现了交通的“智慧化”. 为此采用下列步骤: 1)进行需求分析,依照系统的最终目标,结合现有的交通设施,确定所需软硬件平台;整合“数字洛阳”空 间数据库,根据系统所需的数据类型和数据结构,编制洛阳城市智慧交通系统数据库. 2)利用智能化技术,进行全市范围的分时段交通调查,建立洛阳市交通现状流量分时数据库,进行停车 场数据调查,建立洛阳市停车场数据库. 3)决定系统最佳计算方法、开发系统、运行测试和投入运行. 4)加快网络基础设施建设,实现传感器采集信息的实时传输,完成交通现状流量数据库的实时更新,以 及交通设施的控制. 加快网络发布平台的建设,实现系统数据信息的实时发布,以及第三方应用软件的访 问共享. 在物理层面上,洛阳智慧交通系统就是物联网、互联网和云计算有机结合的信息系统;而在技术层面上, 洛阳智慧交通系统包含信息基础设施、通讯系统和应用系统三部分(图 1). 图 1 洛阳智慧交通系统总体框架 Fig.1 The overall frame of Luoyang Smart Traffic System 信息基础设施是智慧交通系统的数学基础,是基础信息数据库、交通模型库、专家系统、人工智能和知识 库的总称 . 基础信息数据库,是一个多尺度、多数据源、多时态的数据集合,它完整地描述了城市自然和社 会形态的地物地貌信息,主要包括城市基础地理信息数据库、城市道路数据库、交通流量现状数据库、停车场 现状数据库. 通讯基础设施包含网络基础设施和云计算服务器. 网络基础设施是智慧交通系统运行的网络基础和 安全的物理通道,通过有线通信网络(基于 TCP/IP 协议)和无线通信网络(基于 3G/4G、WCDMA、WiFi 等)实 现信息交流和共享. 云计算服务器是系统的信息处理和计算设备,通过嵌入在交通设施上的传感器获取实 时交通信息,并对它们进行整合与处理,实时更新基础信息数据库;接受用户指令,调用交通模型库、专家系 218-- 2012 年 2 月 张开广等:洛阳智慧交通系统的设计与实现 统、人工智能和知识库中的数学模型,对分布在网络上各种信息数据进行分析和数据挖掘,然后通过网络基 础设施对外发布计算结果,或直接对嵌入在交通设施上的控制器进行控制. 3 洛阳智慧交通应用系统 应用服务系统是建设洛阳智慧交通系统目的所在,通过人与城市交通设施的对话,提高城市道路运行质 量和管理水平,服务于人们的出行需要. 主要有信息采集、交通现状的发布和交通设施的控制、行车管理系 统和停车管理系统四部分组成. 1)信息采集 这里信息的采集主要指城市交通现状信息的采集和停车场信息的采集,城市交通现状信息的采集是由 安装在路口和路段上的探测器完成. 路段探测器实时记录红灯时段,等待红灯车辆的数量和绿灯时段平均 通行速度,道段探测器记录路段的通行状况和通过该路段车辆的平均速度,停车场信息的采集是由安装在各 停车场内的探测器完成,主要实时采集停车场内空闲车位信息,系统将这些信息传送到云服务器上,实时更 新交通流量分时数据库和停车场信息数据库. 基础地理信息数据库和城市道路数据库中的信息采集与更 新由数字城市的更新机制来完成. 2)信息发布与查询 系统发布的信息包含路况信息和停车场信息两部分. 路况信息指一条道路现在是否能够通行以及交 通流量状况. 发布平台包括安装在路边的电子指示牌和 Web 系统. 电子指示牌是道路和停车场位置的简 单图示,以红、黄、绿三种颜色分别对应于通行速度快、中和慢,交通流量大、中和小三个等级,显示在道路图 上;在停车场位置上以数字形式显示可用车位数. Web 通过有线通信网络(基于 TCP/IP 协议)和无线通信网 络(基于 3G/4G、WCDMA、WiFi 等),除发布电子指示牌上的信息外,还发布经系统整合后的路况信息和停车 场信息的具体数据,以支持不同用户的需要,特别是第三方软件的访问和应用 . 上述信息同时支持手机用 户的短信查询. 3)交通设施控制 系统依据采集的路口和路段实时信息结合道路数据库,分析相关路口及道路的通行能力,利用云计算服 务器计算路口红绿灯最佳开放时间,同时决定是否关闭某些路段,并对安装在路口上的设备发出指令,实现 实时控制. 4)行车引导系统 行车引导系统是通过信息引导为司机提供出行的最佳行车方案,也可以认为是信息查询的一部分. 司 机通过无线网络(3G/4G、WCDMA、WiFi 手机)或有线网络(基于 TCP/IP 协议),向系统提供出发地、路径地和 目的地信息,系统利用交通现状数据库和基础信息数据库,调用相关的模型库,计算出行的最佳路径,并以文 字和图片的方式反馈回来. 5)停车引导系统 停车引导系统是通过信息引导,为司机寻找最佳的停车位. 司机通过无线网络(3G/4G、WCDMA、WiFi 手 机)或有线网络(基于 TCP/IP 协议),向系统发出目的地信息,系统利用停车位现状数据库、交通现状数据库 和基础信息数据库,筛选出周围可用停车位,调用相关的模型库,计算出信息发出点到各个停车场的最佳路 径,并以文字和图片的方式反馈回来,供司机选择. 4 系统基础信息数据库建设 系统的基础数据为“数字洛阳”1∶1000 地形图数据库和洛阳市道路数据库,以此为基础建立系统的地 名和单位索引 . 在道路数据库中追加点属性和点拓扑关系;在点属性表中追加门牌号、单位名称等相关 信息 . 对于以围墙为独立单元的院落,将在出入口处点数据放在道路数据库中,详细调查门牌号和内部单位名 称;独立建筑将建筑位置上点数据放在道路数据库中,详细调查门牌号、建筑内所住单位名称和建筑名称,并 将这些内容追加到点属性表中. 以最临近原则建立点和道路线的匹配关系. 道路数据库具有线状和点状拓扑关系,包括现状和规划道路中心线控制坐标、道路名称、红线宽度和道 219-- 第 30 卷 第 2 期河 南 科 学 路等级等描述道路的信息. 停车场数据库具有点状拓扑关系,包括停车场名称、位置、容量、出入口和空闲 车位数等描述停车场的信息. 交通数据库建立在道路数据库基础上,主要内容包括道路现状、道路路口状 态、分段技术、交通流量调查和时间度量计算. 1)道路现状状态 道路现状状态指道路现状双向通行宽度,由于受交通及其他因素的影响以及道路的控制中心线不在实 际道路中心,道路的双向通行宽度不同,将调查结果追加到线属性表 FT-WIDTH 和 TF-WIDTH 属性中;对 于规划道路 FT-WIDTH 和 TF-WIDTH 的值,分别赋值为它们规划宽度的负值;对于单向通行的道路通行的 方向,赋值为实际宽度,禁止通行的方向,赋值-1. 2)路口现状状态 路口现状状态指道路交叉口处道路的交通规制. 每一个道路十字交叉口有 16 个通行方式,包括直行, 右转、左转和回转调头. 对路口转向表属性 TURNK 可通行的方向,赋值为+1;禁止通行的方向,赋值为-1; 对于向规划道路转向或规划道路转出转向,赋值为 0. 3)分段技术 连接两个相临道路交叉口的路段,由于受道路两边所住单位出入口等原因的影响,道路的通行能力会发 生变化,因此应对该路段进行分段. 应该注意的是分段点不能成为道路路口,否则在路口表中会产生相关 的属性表,严重影响数据库的完整性,降低计算速度. 受交通和地理条件的制约,在路段中间设置的车辆调 头处,在该处行车速度会受到影响,路段在该处应增加路口和相关的路口属性内容. 4)交通流量调查和时间度量计算 城市交通流量受居民出行的影响,根据时间分布有上下班高峰期(夏季 7:30—8:10、14:20—15:10)、公 务办公出行高峰期(夏季 9:00—10:00、15:10—16:00)和休闲高峰期,交通流量调查对这些时间段分别采用 5、10、15 min 进行采样. 调查通过现场观测和向过往司机问卷的形式,主要调查各路段的行车速度和路口 处的停留时间;通过各段的长度计算出通过该段的平均时间,通过统计分析计算出通过各路口的时间,建立 道路通行能力的经验数据库. 系统根据自己的信息采集部分实时对这些数据进行更新,对不能更新的部分数据库内容采用经验数据 库数据,根据运行时段调用相关时段数据库. 5 最佳路径计算原理 智能交通系统的核心是为人们驾车的出行和停车,提供一个最佳的行车路线. 最佳路径指从出发地到目的地的最佳行车路线,最佳路径计算基于道路长短的欧氏距离空间和出行时 间(费用)的非欧氏距离空间. 基于时间最佳路径的原理是网络中的最佳路径应是一条简单的路径,一条路段在路径中最多出现一次, 从 A 点到 B 点的最佳路径 T0 经过任意顺序两个路口 C 和 D,则从 C 到 D 的最佳路径 T1 必在 T0 中. 为了进行最佳路径的计算,定义 d(x,y)表示路口 x 到路口 y 的时间距离,D(x)表示路口 x 到开始点的 最短时间距离(最佳路径),td(α,β)表示从路段 α 到路段 β 的转弯(直行)时间距离. 用 S 和 T 分别标记起始和终点,且假设所有路口到本身的距离为无穷大,即 d(x,y)=d(x)=∞. 对所有未作标记的路口按下列公式计算距离, D(x)=min{d(x),d(x,y)+td(α,β)}, 其中 y 是最后一个作标记的路口,取最小值的 D(x),并对 x 作标记,令y=x,如果 d(y,x)≤0 或者 td(α,β)≤0 或者d(x)=∞ 则说明 S 到所有未作标记的点没有最佳路径,计算终止;否则继续. 如果 y=T,则已找到 S 到 T 的最佳路径,算法终止,D(x)就是 S 到 T 最短时间距离,否则转到上一步继 续计算. 计算结果以文字和图件的形式输出,需要特别注意的是 S 到 T 的最佳路径并不一定是 T 到 S 的最 佳路径,两者存在着显著的差异. 6 结语 基于物联网和云计算的洛阳智能交通系统的建设,将在很大程度上满足人们的出行需要,节约人们的时 220-- 2012 年 2 月 间资源和城市的道路资源,充分保障城市交通的畅通,大大提高政府对控制突发事件的应急能力,为城市经 济的可持续发展和构建和谐高效的集约型社会提供有力的保障. 系统运行的前提是要有一个完善的实时道路信息采集的物联网、高效的云计算服务器、完整的现状道路 数据库. 数据的现实性是系统存在的关键. 随着城市新增基础的建设和经济的发展,规划道路变成现状道 路,新修道路对交通的分流在很大程度上对周围的交通格局产生影响,因此需要对城市现状道路数据库以及 相关的数据库进行实时地更新. 参考文献: [1] Tor Berbhardsen. 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