張揚永

(中共福建省委黨校 福建行政學院，福建 福州 350001)

基于動態(tài)GPS的城市道路交通誘導系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

張揚永

(中共福建省委黨校 福建行政學院，福建 福州 350001)

摘要：針對當前城市道路交通現(xiàn)狀及信息化問題，通過智能交通系統(tǒng)應用情況調(diào)查，分析了城市道路交通信息化管理現(xiàn)狀，運用GIS、GPS、ITS、車聯(lián)網(wǎng)技術設計基于動態(tài)GPS的城市道路交通誘導系統(tǒng)。該系統(tǒng)在交通出行誘導流程的基礎上進行設計，根據(jù)交通流和時間流調(diào)整合理的時空分布，詳細說明了路況實時采集、車輛動態(tài)GPS定位、路線優(yōu)化等三大模塊，實現(xiàn)ITS誘導估算、ITS實時導航、記錄行駛軌跡、GPS重新定位、當前路段擁堵、實時上傳車輛GPS信息以及實時更新誘導路線等功能?；趧討B(tài)GPS的城市道路交通誘導系統(tǒng)在城市道路交通運輸效率方面發(fā)揮了積極作用，有助于提高當前城市道路通行能力，有效解決交通需求與交通服務能力之間的矛盾，從而提升城市道路交通信息化程度。

關鍵詞：ITS；GPS；交通誘導系統(tǒng)；城市道路交通；交通信息化

中圖分類號：U412.366

文獻標志碼：碼：A

文章編號：號：2095-4824(2015)06-0038-07

收稿日期：2015-07-15

作者簡介：張揚永(1964-)，男，福建永泰人，中共福建省委黨校福建行政學院副教授。

隨著我國經(jīng)濟飛躍式的發(fā)展，城市和鄉(xiāng)村的面貌均發(fā)生了巨大變化，尤其是城市的發(fā)展更是史無前例。伴隨著城市規(guī)模的擴大和城市人口的增多，城市的發(fā)展面臨著諸多困境，其中城市交通問題日趨嚴重。盡管汽車的發(fā)明給人們帶來交通的便利，但城市的交通擁堵問題、交通事故問題已不容忽視[1-2]。道路交通承擔著人流、物流轉(zhuǎn)換空間的功能，維持著社會的運轉(zhuǎn)，是經(jīng)濟發(fā)展的重要渠道。近年來，我國大部分城市為改善其交通都作了很大的努力，各地政府都投入大量資金修建各種交通基礎設施，并利用信息技術建立交通信息系統(tǒng)，有效地促進政治、經(jīng)濟和社會的發(fā)展。目前大部分的城市已初步配套設置相應的交通管理系統(tǒng)，并裝備了不同規(guī)模的硬件系統(tǒng)，然而這些系統(tǒng)或是引進，或是自行開發(fā)，更多的還是硬件裝備的簡單集成，在改善城市交通方面發(fā)揮的作用尚不夠明顯。而且不少城市建設的交通信息系統(tǒng)已經(jīng)面向不同交通方式利用者的，但由于這些系統(tǒng)之間的信息資源難以共享，缺乏大系統(tǒng)的規(guī)劃與標準化考慮，各系統(tǒng)自身的功能也未能充分發(fā)揮出來，難以從根本上起到改善交通現(xiàn)狀的作用。在科學技術不斷發(fā)展進步的今天，城市建設的不斷拓展，人口規(guī)模的擴大，機動車數(shù)量的急速上升，城市道路交通流量急劇上升，城市交通面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)，尤其是高峰時段一些重要路段或重要節(jié)點交通堵塞、交通事故、停車等問題日趨嚴重[3]。近年來，我國城市在道路建設方面投入巨大，但是由于規(guī)劃和管理不到位，并未從根本上解決道路交通問題。隨著科學技術在道路交通發(fā)展的應用不斷加深，道路交通信息化管理也迅速發(fā)展起來，其管理問題也日漸顯露，加上有些城市的交通信息化建設起步較晚，道路交通信息化程度明顯滯后[4]。雖然我國道路交通信息化得到了一定的發(fā)展，但道路交通信息化管理方面仍存在著諸多問題，應用新型道路交通信息化科技實現(xiàn)智能交通系統(tǒng)優(yōu)化建設已十分緊迫。本文將動態(tài)GPS技術引用到道路交通管理當中，設計城市道路交通誘導系統(tǒng)，旨在緩解交通擁堵，減輕交通壓力，輔助合理配置交通資源，有效節(jié)能降耗，提高城市道路交通運輸效率，提高道路交通管理能力。與城市大規(guī)模的基礎設施建設投入相比，本文更加強調(diào)科學技術和道路交通信息化技術的應用，針對道路交通管理問題，不僅要從提高管理水平，推進道路交通信息化管理入手，還要更進一步提升新型科技應用能力，以改善城市道路交通環(huán)境。

1相關理論與技術

1.1智能交通系統(tǒng)

智能交通系統(tǒng)(Intelligent Transport System，ITS)是改善當前城市道路交通環(huán)境主要手段，它主要利用計算機相關技術，如計算機通訊技術、GPS/GIS技術、物聯(lián)網(wǎng)技術等，建立在城市范圍內(nèi)的實時、準確、高效的綜合運輸和管理系統(tǒng)，主要為了讓城市道路順暢運行和提升交通運行的效率[5]。ITS在改變傳統(tǒng)的道路交通系統(tǒng)的基礎上，充分運用道路交通基礎設施資源和先進的計算機科學技術，是我國及至全世界未來交通發(fā)展的重要方向，旨在提高交通運輸系統(tǒng)的運行效率，實現(xiàn)道路交通信息化智能管理[6-9]。陳立在指出道路交通信息化對我國道路交通發(fā)展的重要性基礎上表明了我國對信息化的認知不足及投入力度不夠[10]；周祎敏關于評價城市交通網(wǎng)絡服務能力中提出未來城市道路交通網(wǎng)絡相關的評價指標，這從一定意義上規(guī)范了ITS發(fā)展方向[11]。

本文根據(jù)道路交通信息化管理要求分析和研究社會需求水平、經(jīng)濟發(fā)展趨勢、地理環(huán)境特點和人口分布情況等因素的基礎上，構(gòu)想符合我國城市實際的智能交通發(fā)展戰(zhàn)略。智能交通系統(tǒng)主要框架如圖1所示。

圖1　智能交通系統(tǒng)發(fā)展構(gòu)想

1.2ITS關鍵技術相關性分析

ITS上層設計包括交通信息服務和管理子系統(tǒng)以及公共交通和車輛控制子系統(tǒng)。底層技術支持系統(tǒng)包括動態(tài)GPS系統(tǒng)和交通基礎設施感知子系統(tǒng)，以及貨運管理、電子收費和緊急救援等相關子系統(tǒng)。城市道路交通實施ITS能有效防止交通擁塞，保障道路交通安全，實現(xiàn)智能化交通管理，以降低交通事故，促進汽車產(chǎn)業(yè)的升級。在設計ITS過程中，車聯(lián)網(wǎng)是未來ITS的核心信息通信平臺，除了GPS/GIS關鍵技術外，還需視頻檢測識別技術、無線通信技術的支撐。ITS關鍵技術相關性結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　 ITS關鍵技術的相關性結(jié)構(gòu)

1.3GPS/GIS技術

全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)是指在全球范圍內(nèi)實時進行定位、導航的系統(tǒng)，一般包括GPS終端、傳輸網(wǎng)絡和監(jiān)控平臺三個基本要素。GPS在ITS中的主要功能是車輛定位和行駛路線的記錄，具備防盜、反搶劫等輔助功能，GPS技術最初應用在軍用領域，如導彈制導、航空航天等方面。在ITS設計過程中，GPS設置的信息主要包括世界時、GPS的狀態(tài)、海拔、經(jīng)緯度及具體數(shù)值，具體屬性設置程序如下。

#region Attribute//GPS類的屬性

///

public DateTime UTC

{

get { return tUTC; }//獲取tUTC值

set { tUTC = value; }//設置世界時，屬性的設置與獲取代碼基本一致，下面各屬性的代碼部分省略

}

///

public GPSState GPSState{…}

///

public double Height{…}

///

public byte Latitude{…}

///

public double vLatitude{…}

///

public byte Longitude{…}

///

public double vLongitude{…}

#endregion

1.4車聯(lián)網(wǎng)技術

物聯(lián)網(wǎng)(The Internet of Things，IoT) 直譯為互聯(lián)網(wǎng)上的物品，使用有線或無線的方式把任何物品連接起來，實現(xiàn)智能化管理的一種新型網(wǎng)絡，各發(fā)達國家都相應投入大量資金展開相關研究[12-14]。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的迅猛發(fā)展，我國城市道路交通的信息化管理采用物聯(lián)網(wǎng)技術越來越引起人們的關注。物聯(lián)網(wǎng)應用了ITS具有十分廣闊的前景，已經(jīng)引起了國內(nèi)外相關研究機構(gòu)的高度重視。車聯(lián)網(wǎng)(Internet of Vehicles，IoV)是指通過無線射頻等識別技術對車輛上的電子標簽信息進行感應、收集并作出反應，并根據(jù)車輛的基礎信息和運行信息分析其運行狀態(tài)，實現(xiàn)車輛的監(jiān)管，提供綜合服務，最后集成到網(wǎng)絡信息平臺上實現(xiàn)信息的共享[15]。它把車輛、建筑物、基礎設施及環(huán)境設置成信息網(wǎng)絡中的節(jié)點，通過車聯(lián)網(wǎng)信息平臺各節(jié)點之間的信息交換實現(xiàn)車與路之間擁堵情況分析。車聯(lián)網(wǎng)通過計算機技術、GPS、無線通信等手段將汽車作為核心節(jié)點，實現(xiàn)汽車與其他節(jié)點的協(xié)調(diào)工作。本文以GPS和GIS技術基礎，在ITS中涵蓋車聯(lián)網(wǎng)，設計基于動態(tài)GPS的城市道路交通誘導系統(tǒng)，對其技術模式、算法進行分析和改進。

1.5開發(fā)技術

基于動態(tài)GPS的城市道路交通誘導系統(tǒng)采用比較成熟的開發(fā)工具和數(shù)據(jù)庫，開發(fā)平臺使用Visual Studio 2010，數(shù)據(jù)庫使用微軟公司的SQL Server 2008。通用GPS信息采集代碼如下：

private void sendGPS(object sender, EventArgs e)

{

//定義GPS報文信息對象

GPSClassLibrary.GPPI gps = new GPSClassLibrary.GPPI();

//判斷GPS定位狀態(tài)

if (rdbLocated.Checked)

gps.GPSState = GPSClassLibrary.GPSState.Located;

else

{

if (rdbUnlocated.Checked)

gps.GPSState = GPSClassLibrary.GPSState.Unlocated;

else

gps.GPSState = GPSClassLibrary.GPSState.Calculating;

}

//實時獲取車輛GPS信息：緯度、經(jīng)度、海拔等

gps.Latitude = double.Parse(txbLati.Text);

gps.LatitudeType = chkLati.Checked ? GPSClassLibrary.Latitude.South : GPSClassLibrary.Latitude.North;

gps.Longitude = double.Parse(txbLongi.Text);

gps.LongitudeType = chkLongi.Checked ? GPSClassLibrary.Longitude.West : GPSClassLibrary.Longitude.East;

gps.Height = double.Parse(txbHeight.Text);

//發(fā)送GPS信息

gpscomport.SendData(gps.ToString());

}

2基于動態(tài)GPS的城市道路交通誘導系統(tǒng)設計

2.1誘導系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

圖3是基于動態(tài)GPS的城市道路交通誘導系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)。

由圖3可以看出，基于動態(tài)GPS的城市道路交通誘導系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)主要劃分成三個層次，第一層是硬件層，該層以感應硬件為主，主要指城市道路公共設施上的各種電子感應儀器，這些感應設備可以通過無線網(wǎng)絡把道路相關信息傳輸?shù)絀TS控制中心。第二層是控制層，主要由ITS控制各個子系統(tǒng)構(gòu)成的平臺，負責接收道路的運行狀態(tài)和車輛的運行信息，然后通過計算機處理生成道路誘導線路，并將處理結(jié)果動態(tài)反饋給GPS客戶端。第三層是應用層，用于為公交車、出租車及私家車等提供信息服務，如GPS定位導航服務。該層不僅提供了采集車輛的運行信息，而且還能接受ITS控制平臺發(fā)布的信息。通過ITS控制平臺將道路、出行者和車輛有機地結(jié)合在一起，以交通信息采集技術為基礎，以車輛動態(tài)GPS為對象，使用誘導系統(tǒng)將人、車、路三者之間聯(lián)系起來，實現(xiàn)道路交通的合理調(diào)度。

基于動態(tài)GPS的城市道路交通誘導系統(tǒng)采用三層體系結(jié)構(gòu)，主要由三個部分組成：表示層、業(yè)務層和數(shù)據(jù)層，如圖4所示。所謂軟件的三層結(jié)構(gòu)，是在客戶端與服務端之間加入一個中間層，主要用于業(yè)務規(guī)則、數(shù)據(jù)訪問、合法性校驗等，把業(yè)務與數(shù)據(jù)相分離。采用分層的開發(fā)模式，可以對編程人員進行合理的分工，提高開發(fā)的效率，編寫的應用程序具有提高應用程序內(nèi)聚程度、降低耦合和易于維護等優(yōu)點。其中ITS業(yè)務邏輯層是負責接收車輛、道路傳遞回來的數(shù)據(jù)，并使用業(yè)務邏輯的誘導算法處理，主要實現(xiàn)線路優(yōu)化等應用程序的業(yè)務規(guī)則和邏輯。

圖4　ITS系統(tǒng)三層結(jié)構(gòu)

2.2誘導系統(tǒng)工作流程

目前城市交通行車誘導信息發(fā)布子系統(tǒng)主要在十字路口前方設置誘導顯示屏，以平均運行速度作為指標，使用不同顏色顯示路況信息，這種誘導表現(xiàn)形式比較直觀形象。如果發(fā)生交通擁堵，可提醒駕駛員提前繞行，選擇其他路徑到達目的地，緩解交通擁堵。然而，很多司機往往在行車過程中出現(xiàn)擁堵才去關注交通行車誘導顯示屏，或在前方路口已經(jīng)擁堵的情況下，再去選擇路線時，但這時無法避開堵情?；趧討B(tài)GPS的城市道路交通誘導系統(tǒng)在設計上將目標路線與路況動態(tài)結(jié)合起來，讓行車者提前注意行車路線，具體誘導流程如圖5所示。

圖5　誘導流程

由圖5可知，交通誘導系統(tǒng)主要功能模塊有路況實時采集模塊、車輛動態(tài)GPS定位模塊和路線優(yōu)化模塊，ITS通過這三大模塊可以及時獲得路網(wǎng)上的動態(tài)交通信息，準確掌握和預測路網(wǎng)的交通狀態(tài)，并以此進行交通出行誘導，調(diào)整交通流、時間流的空間分布，提高路網(wǎng)通行能力，有效解決了交通需求與交通服務能力之間的矛盾。

2.3系統(tǒng)功能設計

基于動態(tài)GPS的城市道路交通誘導系統(tǒng)主要包括路況實時采集模塊、車輛動態(tài)GPS定位模塊和路線優(yōu)化模塊。實時采集模塊屬于底層設計，主要依賴于硬件節(jié)點信息的采集，并為上層平臺準備數(shù)據(jù)。車輛動態(tài)GPS定位模塊主要運用動態(tài)GPS定位上傳位置信息和下載平臺最新的路況信息，既有底層的車輛位置信息收集功能，又有上層平臺的數(shù)據(jù)分析結(jié)果展示功能。路線優(yōu)化模塊為上層應用，需要計算機根據(jù)路況信息、當前位置信息、目標位置，通過誘導算法計算出最佳出行路線。各模塊功能設計方法如下：

(1)車輛動態(tài)GPS定位模塊。該模塊的主要功能是確定車輛在城市道路中的具體位置，為各種算法實時提供基礎數(shù)據(jù)服務。

(2)路況實時采集模塊。本模塊是ITS實現(xiàn)道路交通誘導的基礎，也是最核心的模塊，道路交通基礎設施必須保障采集設備、誘導設備的實時通信，目前許多誘導設備是通過SOCKET通信與外場設備按照SOCKET協(xié)議進行通信。路況實時采集設計如圖6所示[16-17]。本模塊包括三個關鍵檢測系統(tǒng)。①區(qū)間檢測為最重要的檢測指標，用于獲得道路網(wǎng)絡中的交通信息流，并實時傳送到ITS主機。②車速檢測為判斷路段擁堵優(yōu)先指標，它可以獲得單一車輛的通過速度和多車通行情況。③故障檢測是誘導路線規(guī)避的首選指標，可以獲得事故發(fā)生時間、地點以及恢復交通現(xiàn)場的時間。

圖6　路況實時采集設計

(3)路線誘導模塊。前兩個模塊主要為本模塊服務，它是未來ITS研究重點和難點，主要功能是根據(jù)車輛動態(tài)GPS定位數(shù)據(jù)，結(jié)合出行者的目標位置，在誘導算法下生成建議的最佳行駛路線，ITS使用本模塊可以有效避免交通擁擠。

3系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1誘導系統(tǒng)的界面實現(xiàn)

在誘導系統(tǒng)功能設計基礎上，根據(jù)誘導系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和誘導流程，開發(fā)實現(xiàn)基于動態(tài)GPS的城市道路交通誘導系統(tǒng)。本系統(tǒng)由路況實時采集模塊、車輛動態(tài)GPS定位模塊、路線優(yōu)化模塊等三大模塊組成，其誘導系統(tǒng)界面設計如圖7所示。主要操作功能有ITS誘導估算、ITS實時導航、記錄行駛軌跡、GPS重新定位、當前路段擁堵、實時上傳車輛GPS信息、實時更新誘導路線等。此外，還包括GPS自動定位、實時路徑推薦、實時下載規(guī)劃路線的路況、停車時長檢測等隱含的輔助功能。

圖7　誘導系統(tǒng)核心界面

3.2操作流程與程序?qū)崿F(xiàn)

通常情況下，在出行或出現(xiàn)擁堵時，駕駛?cè)藭O置出行目標。在設置出行目標時，系統(tǒng)可以使用自動GPS定位功能，出發(fā)地可以通過定位獲取，匹配最佳出行點，無須輸入。GPS自動定位系統(tǒng)首先獲取經(jīng)緯度坐標，并計算出當前位置在真實地圖中的確切位置。當行車進入隧道時，GPS定位不準確，系統(tǒng)預留了GPS重新定位功能。GPS的自動定位部分代碼如下：

Point p = new Point();

p.X = (Longitude == Longitude.West) ?

(iWidth - iWidth * Longitude / 180):

(iWidth + (iWidth * Longitude / 180);

p.Y = (Latitude == Latitude.North) ?

(iHeight - iHeight * Latitude / 90) :

(iHeight + (iHeight * Latitude / 90);

//經(jīng)度時差、緯度時差、前后等時來確定實時位置信息，并保存前后位置變化

Point pReal = new Point();

pReal.X = (Longitude == Longitude.West) ?

(iWidth2 - iWidth2 * Longitude / 180):

(iWidth2 + iWidth2 * Longitude / 180));

pReal.Y = (Latitude == Latitude.North) ?

(iHeight2 - iHeight2 * Latitude / 90):

(iHeight2 + iHeight2 * Latitude / 90));

通過ITS誘導估算可以估算出距離、時長、交通燈個數(shù)及當前路況信息，并給出規(guī)避擁堵的線路，也可以由出行者選擇合適出行路線。在行車過程中建議使用ITS實時導航，這個功能可以讓行駛路線根據(jù)路況實時調(diào)整最優(yōu)線路。停車時長檢測功能主要根據(jù)當前車輛的速度進行計算，當速度為0、時長超過五分鐘以上才能使用“當前路段擁堵”的功能，紅色狀態(tài)表示該功能未被啟用，其代碼實現(xiàn)如下：

Speed1 = Math.Sqrt(Math.Pow(pReal.X - p.X, 2) + Math.Pow(pReal.Y - p.Y, 2)) / 3;

Speed2 = Math.Sqrt(Math.Pow((p.X - pReal.X) * 50, 2) + Math.Pow((p.Y - pReal.Y) * 50, 2)) / 2;

//記錄GPS定位信息及當前時間，求地理偏差

this.CurPoint = p;

this.Latitude = LatitudeType;

this.Height = Height;

this.RealPoint = pReal;

this.LongitudeType = LongitudeType;

this.CurTime=System.Date.Now();

4總結(jié)

本文根據(jù)城市道路交通現(xiàn)狀、ITS應用情況總結(jié)和分析城市道路交通信息化問題，并在此基礎上設計城市道路交通誘導系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要運用了GIS、GPS、ITS、車聯(lián)網(wǎng)、SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫等技術。該系統(tǒng)在設計過程中以動態(tài)GPS設計誘導系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和誘導系統(tǒng)工作流程為出發(fā)點，實現(xiàn)了ITS誘導估算、ITS實時導航、記錄行駛軌跡、GPS重新定位、當前路段擁堵、實時上傳車輛GPS信息、實時更新誘導路線等基本功能。誘導系統(tǒng)核心思想是通過ITS誘導估算功能估算出距離、時長、交通燈個數(shù)及當前路況信息，為實時更新誘導路線功能提供規(guī)避擁堵的線路，最后在ITS實時導航中顯示合適出行路線。本系統(tǒng)實現(xiàn)了ITS實時誘導，為緩解城市交通起到積極作用，有助于提高當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時，城市中各種交通工具所使用的GPS系統(tǒng)相對獨立，信息共享不充分，導致ITS誘導信息不全面，下一步研究重點應加強車輛GPS之間信息協(xié)作，為提升交通信息化管理奠定基礎。

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(責任編輯：張凱兵)