楊娜

(吉林建筑工程學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)春130118)

0 引言

隨著社會(huì)進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，城市交通系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜.交通需求的不斷增長(zhǎng)和交通網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性給交通規(guī)劃、建設(shè)、管理和服務(wù)等工作帶來(lái)了前所未有的挑戰(zhàn).為更好地解決城市交通問(wèn)題［1］領(lǐng)域面臨的技術(shù)難題，在現(xiàn)有的GIS，GPS技術(shù)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了車載導(dǎo)航系統(tǒng).

車載導(dǎo)航是一種尖端的軍事技術(shù)，于80年代開(kāi)始應(yīng)用于管理領(lǐng)域，例如GPS(Global Positioning System)導(dǎo)航技術(shù).車輛導(dǎo)航定位都集中在車輛自動(dòng)跟蹤調(diào)度管理方面，這種研究采用現(xiàn)代信息處理技術(shù)、通信技術(shù)、定位技術(shù)和控制技術(shù)，大大提高了道路交通的效率和安全性，改善了環(huán)境，為現(xiàn)代信息社會(huì)提供了準(zhǔn)確、快捷的服務(wù).目前，隨著人們生活條件的提高，城市用車的數(shù)量與日俱增，數(shù)據(jù)量也急劇增大，這對(duì)GIS系統(tǒng)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn).交通控制中心對(duì)數(shù)據(jù)的查詢和更新直接影響其效率，優(yōu)化最短路徑算法使系統(tǒng)性能得到了提高，在一定程度上提高了城市交通的技術(shù)水平和管理效率［2］.

1 GIS和GPS技術(shù)原理分析

GIS是一種采集、存儲(chǔ)、管理、描述、分析地球表面及空間和地理分布有關(guān)地理數(shù)據(jù)的信息管理系統(tǒng)，是以地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，在計(jì)算機(jī)軟、硬件環(huán)境支持下，對(duì)空間相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、管理、操作、分析、模擬和顯示，并采用地理模型分析方法，適時(shí)提供多種空間和動(dòng)態(tài)的地理信息，為地理數(shù)據(jù)研究、綜合評(píng)價(jià)、管理、定量分析和決策服務(wù)而建立起來(lái)的一類計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng).GIS系統(tǒng)主要包括空間數(shù)據(jù)輸入子系統(tǒng)、空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與分析子系統(tǒng)、輸出子系統(tǒng).GIS系統(tǒng)的功能主要有數(shù)據(jù)輸入、存儲(chǔ)、遍及;操作運(yùn)算;數(shù)據(jù)查詢、檢索;應(yīng)用分析;數(shù)據(jù)顯示、結(jié)果輸出;數(shù)據(jù)更新.

GPS全球衛(wèi)星定位技術(shù)是隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展建立起來(lái)的一個(gè)高精度、全天候和全球性的無(wú)線電導(dǎo)航定位、定時(shí)的多功能系統(tǒng).系統(tǒng)由空間部分—GPS衛(wèi)星星座、地面控制部分—地面監(jiān)控系統(tǒng)、用戶設(shè)備部分—GPS信號(hào)接收機(jī)3部分組成:它利用位于距地球2萬(wàn)多公里高的、由24顆人造衛(wèi)星組成的衛(wèi)星網(wǎng)，向地球不斷發(fā)射定位信號(hào).地球上的任何一個(gè)GPS接收機(jī)，只要接收到任意四顆以上的衛(wèi)星發(fā)出的信號(hào)，經(jīng)過(guò)計(jì)算后，就可得出GPS接收機(jī)的位置(經(jīng)度、緯度、高度)、時(shí)間和運(yùn)動(dòng)狀態(tài).

目前，沒(méi)有任何一個(gè)傳統(tǒng)的導(dǎo)航定位技術(shù)能夠達(dá)到GPS這樣的高精度、高速度、全天候和全球性的性能.GPS技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)代化的交通管理，使交通隱患降到了最低，有效的疏導(dǎo)了路段車輛行駛.

GPS技術(shù)在交通管理中的應(yīng)用包括2個(gè)部分:管理的車輛端和車輛監(jiān)控中心.GPS對(duì)地面車輛進(jìn)行監(jiān)控通過(guò)1個(gè)主控站、3個(gè)注入站和5個(gè)監(jiān)測(cè)站.主控站負(fù)責(zé)衛(wèi)星的運(yùn)行軌跡，對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行相應(yīng)的管理，如衛(wèi)星失效由哪個(gè)衛(wèi)星替代等問(wèn)題.另外，還對(duì)地面車輛進(jìn)行監(jiān)測(cè)，把監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)測(cè)中心.注入站負(fù)責(zé)把由主控站發(fā)來(lái)的導(dǎo)航電文注入到相應(yīng)衛(wèi)星的存儲(chǔ)器.

此外，注入站能自動(dòng)向主控站發(fā)射信號(hào)，每分鐘報(bào)告一次自己的工作狀態(tài).監(jiān)測(cè)站的主要任務(wù)是為主控站提供衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù).每個(gè)監(jiān)測(cè)站均用GPS信號(hào)接收機(jī)對(duì)每顆可見(jiàn)衛(wèi)星每6分鐘進(jìn)行一次偽距測(cè)量和積分多普勒觀測(cè)，采集氣象要素等數(shù)據(jù).依此推算出每?jī)煞昼婇g隔的觀測(cè)值，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送給主控站.

車載終端信息的反饋具體實(shí)現(xiàn)由車載系統(tǒng)接收衛(wèi)星來(lái)完成.接收衛(wèi)星共24顆，每條軌道上均勻分布6顆衛(wèi)星，監(jiān)控中心接收機(jī)可根據(jù)其中的3顆來(lái)確定車輛的經(jīng)度、緯度等具體空間信息來(lái)精確定位車輛的位置.于是，交通管理中心可以與電子地圖匹配把得到的數(shù)據(jù)信息還原，信息控制中心就可清楚的掌握車輛的具體運(yùn)動(dòng)狀況.

2 GIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)反映數(shù)據(jù)的內(nèi)部構(gòu)成，作者針對(duì)城市交通控制與誘導(dǎo)系統(tǒng)協(xié)同信息的組織優(yōu)化的研究過(guò)程中，為有效描述信息的傳輸和存儲(chǔ)要求，方便數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)和使用，采用粒度、傳送頻度、更新頻度和實(shí)效性等屬性描述交通數(shù)據(jù).

GIS中最基礎(chǔ)的也是最重要的部分是地理數(shù)據(jù).GIS能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)大量復(fù)雜地理數(shù)據(jù)的輸入、存儲(chǔ)、操作和分析、輸出等一系列功能［2］，在此過(guò)程中要對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ).由于GIS中數(shù)據(jù)的處理比較繁瑣，工作量非常大，完全通過(guò)手工方式已無(wú)法滿足當(dāng)前的需求，因此必須充分利用計(jì)算機(jī)的處理能力，借助于軟件系統(tǒng)來(lái)協(xié)助完成這些工作.

目前，GIS領(lǐng)域比較成熟的軟件有美國(guó)ESRI公司的ArcGIS系列;Map Info公司的Map Info系列;Intergraph公司的MGE等.本系統(tǒng)采用MapInfo公司的MapInfo系列軟件來(lái)對(duì)GIS地理信息數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在項(xiàng)目研究中，對(duì)系統(tǒng)組織進(jìn)行優(yōu)化的同時(shí)又對(duì)數(shù)據(jù)存取格式提出了優(yōu)化算法，在MapInfo中圖層以Map Info表的形式存放，每個(gè)含有圖形對(duì)象的MapInfo表都可以顯示為一個(gè)圖層，圖層疊加得到地圖.一般每個(gè)MapInfo表至少由兩個(gè)文件組成，一個(gè)包含數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(.tab)，另一個(gè)包含原始數(shù)據(jù).Tab文件用來(lái)描述表結(jié)構(gòu)，它是一個(gè)小的文本文件，描述包含數(shù)據(jù)的文件的格式.包含原始數(shù)據(jù)的文件可以是DBASE/FOXBASE(.dbf)、分界ASCII文件(.txt)、Microsoft Excel(.xls)或者M(jìn)ap Info中創(chuàng)建的數(shù)據(jù)文件(.dat)等等.若表中含有圖形對(duì)象，則該表還具有另外兩個(gè)文件:.map文件和.id文件..map文件用于描述圖形對(duì)象，.id文件用于連接圖形和數(shù)據(jù)對(duì)象.

由于GIS系統(tǒng)獨(dú)立開(kāi)發(fā)難度太大，單純二次開(kāi)發(fā)又受到工具提供的編程語(yǔ)言的限制，因此這2種方式都差強(qiáng)人意，所以本文采用結(jié)合工具軟件與當(dāng)今可視化開(kāi)發(fā)語(yǔ)言的集成二次開(kāi)發(fā)方式.它具有如下優(yōu)點(diǎn):

(1)可以充分利用工具軟件對(duì)空間數(shù)據(jù)庫(kù)的管理、分析功能;

(2)可以利用其它可視化開(kāi)發(fā)語(yǔ)言具有的高效、方便等編程優(yōu)點(diǎn);

(3)大大提高應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)效率;

(4)使用可視化軟件開(kāi)發(fā)工具開(kāi)發(fā)出來(lái)的應(yīng)用程序具有更好的外觀效果;

(5)數(shù)據(jù)庫(kù)功能更強(qiáng)大，而且可靠性好、易于移植、便于維護(hù).

為了使上述優(yōu)點(diǎn)能得到更好的實(shí)現(xiàn)，本文采用GIS組件開(kāi)發(fā)模式.

目前，GIS組件的開(kāi)發(fā)存在很多種，本文采用了mapX組件開(kāi)發(fā).由于本文采用的GIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理軟件為mapInfo，所以選擇了基于mapX組件開(kāi)發(fā).對(duì)控件數(shù)據(jù)的處理是GIS系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的部分，是GIS的基石.從橫向分析，采取的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是基于空間實(shí)體和空間索引相結(jié)合的一種結(jié)構(gòu).

空間實(shí)體是地理圖形的抽象模型，主要包括點(diǎn)、線、面3種類型.任何點(diǎn)、線、面實(shí)體都可以用直角坐標(biāo)點(diǎn)來(lái)表示.點(diǎn)可以表示成一組坐標(biāo)(x1，y1，…，xn，yn).在點(diǎn)線關(guān)系中，點(diǎn)可以構(gòu)成線，而線又可以分解成點(diǎn);在點(diǎn)面關(guān)系中，面可以由點(diǎn)生成，又可以分解為點(diǎn);在線面關(guān)系中，面可以由線生成，又可以分解為線［3］.

對(duì)空間數(shù)據(jù)的快速查詢需要建立空間索引，空間索引是查詢空間實(shí)體的一種機(jī)制，通過(guò)空間索引，就能以盡量快的速度查詢到給定坐標(biāo)范圍內(nèi)的空間實(shí)體及其所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù).由縱向分析得到的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是一種分層存放的結(jié)構(gòu).用戶可以通過(guò)圖形分層技術(shù)，根據(jù)自己的需求或一定標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各種空間實(shí)體進(jìn)行分層組合，將一張地圖分成不同圖層.采用這種分層存放的結(jié)構(gòu)，可提高圖形的搜索速度，便于各種不同數(shù)據(jù)的靈活調(diào)用、更新和管理.最短路徑查找即是在mapX組件里實(shí)現(xiàn)的.

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)模塊及算法優(yōu)化

本文研究的系統(tǒng)由兩大模塊組成:一是車載終端的GPS模塊;另一個(gè)是交通中心的接收控制模塊.GPS模塊由控制芯片、顯示模塊、GPS和電源模塊構(gòu)成.由控制芯片完成對(duì)GPS和顯示模塊的控制，由電源模塊為相關(guān)部件提供電能.接收控制模塊由中央處理器、GIS模塊、GPS接收模塊、空間數(shù)據(jù)庫(kù)和顯示模塊構(gòu)成.中央處理器負(fù)責(zé)系統(tǒng)各部件的調(diào)配與控制，GIS模塊所需的數(shù)據(jù)由空間數(shù)據(jù)庫(kù)提供.

筆者在城市交通控制與誘導(dǎo)系統(tǒng)協(xié)同信息的組織優(yōu)化課題的研究中發(fā)現(xiàn)，由于交通管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)呈海量化，為了優(yōu)化數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)便捷查詢、顯示實(shí)時(shí)以便減少交通管理的事故，重點(diǎn)對(duì)路段路徑查詢等功能進(jìn)行了算法優(yōu)化.

交通系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)與道路的關(guān)系具有網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫裕?］，實(shí)現(xiàn)算法是找出相應(yīng)圖層中的所有線圖元(1inefeature)，然后判斷任意兩線圖元是否相交，根據(jù)交點(diǎn)和頂點(diǎn)得到節(jié)點(diǎn)，然后根據(jù)相交關(guān)系判斷兩條邊是否直接相連接，同時(shí)根據(jù)相關(guān)信息(路長(zhǎng)度，路況信息)為相應(yīng)邊賦權(quán)值，把采集的信息圖轉(zhuǎn)變成交通管理數(shù)據(jù)網(wǎng)，并用人工智能中BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法予以優(yōu)化.然后采用Dijkstra算法實(shí)現(xiàn)了最短路徑的查詢，并再次進(jìn)行優(yōu)化，具體優(yōu)化過(guò)程為:

(1)在建立經(jīng)典圖論中的Dijkstra最短路徑算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，在具體實(shí)施時(shí)，減少搜索范圍即減少永久標(biāo)記結(jié)點(diǎn)的數(shù)量，從而提高搜索的速度;

(2)加入對(duì)回避點(diǎn)的處理，即能夠在計(jì)算最短路徑時(shí)，避開(kāi)指定的回避點(diǎn);

(3)對(duì)起點(diǎn)和終點(diǎn)是線段內(nèi)的情況也進(jìn)行了處理，使路段中間的點(diǎn)也能被選為起點(diǎn)、終點(diǎn)或回避點(diǎn).這樣在整體海量數(shù)據(jù)的查詢過(guò)程中提高了效率，使交通管理中心具有控制和誘導(dǎo)的功能.

4 結(jié)論

本文分析了當(dāng)前公共交通領(lǐng)域所面臨的問(wèn)題，在對(duì)GIS和GPS技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，總結(jié)了這兩種技術(shù)在交通管制領(lǐng)域的集成與應(yīng)用，對(duì)最短路徑進(jìn)行了算法的優(yōu)化.

本文設(shè)計(jì)的交通管理系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):

(1)信息傳遞的及時(shí)性.車載設(shè)備和交通控制中心通過(guò)嵌入式設(shè)備可隨時(shí)隨地進(jìn)行信息的傳遞，確保監(jiān)控信息的及時(shí)準(zhǔn)確;

(2)用戶功能的個(gè)性化.在確保有效信息傳遞基礎(chǔ)上，監(jiān)控中心可為用戶提供多種個(gè)性化服務(wù)，如目標(biāo)導(dǎo)航、實(shí)用信息查詢等，用戶也可通過(guò)車載終端進(jìn)行個(gè)性化服務(wù)的定制.

由于GPS技術(shù)受信息發(fā)送雙方距離的限制，所以當(dāng)監(jiān)控距離超出一定范圍時(shí)，需要采用增加通信中繼站的方法來(lái)解決遠(yuǎn)距離通信問(wèn)題.

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