基于CDMA 網(wǎng)絡的城市交通數(shù)據(jù)采集與處理技術

秦 岸，李淑慶，聶世剛

(1.重慶交通大學交通運輸學院，重慶400074;2.重慶市交通運輸工程重點實驗室，重慶400074)

智能交通技術作為提高交通管理水平、改善交通擁堵的有效方法在交通行業(yè)得到了廣泛應用。及時、準確的數(shù)據(jù)采集與處理成為智能交通技術重要的前提與基礎。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集主要有線圈、視頻、紅外線等方法，大都存在鋪設不易、維護費用高、數(shù)據(jù)單一等缺點。移動電話作為現(xiàn)代通訊手段，其大范圍的應用給數(shù)據(jù)采集提供了更加方便、快捷、經(jīng)濟的新思路，彌補了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集技術的不足。

目前，國內(nèi)在利用移動電話定位進行交通數(shù)據(jù)采集方面的研究大多停留在理論階段，對通信網(wǎng)絡的選擇也沒有提出依據(jù)的標準，大多采用GSM網(wǎng)絡進行研究與實驗，并未考慮通信網(wǎng)絡的適用性，這樣獲得的數(shù)據(jù)精度是比較低的，需要在數(shù)據(jù)的篩選上耗費大量的精力。通過對國內(nèi)運營移動通信網(wǎng)絡的技術、數(shù)據(jù)、經(jīng)濟3個方面的比較分析，筆者認為使用CDMA網(wǎng)絡作為城市交通數(shù)據(jù)采集的基礎優(yōu)于GSM網(wǎng)絡，并以重慶市主城區(qū)為例構建了動態(tài)交通數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。結合城市道路交通的特性對數(shù)據(jù)進行分析處理，使道路交通變化狀態(tài)實時顯示在GIS地圖上。最后提出利用CDMA網(wǎng)絡自有的短信服務可以進行更多的交通信息調(diào)查，為交通管理提供更多、更準確的實時數(shù)據(jù)支持。

1 交通數(shù)據(jù)采集技術

交通數(shù)據(jù)的采集是交通信息系統(tǒng)的重要組成部分。對于交通流數(shù)據(jù)，其采集方式可以分為2種:一種是靜態(tài)采集，即利用位置固定的定點檢測器獲取交通數(shù)據(jù)，這種檢測器包括攝像機、感應線圈、超聲波檢測器及紅外線檢測器等;另一種是動態(tài)采集，即基于采集位置不斷變化來獲得實時行車速度和旅行時間等交通信息。動態(tài)采集的典型方式包括車輛自動檢測、浮動車觀測交通流法、車載GPS裝置等。

靜態(tài)采集由于獲得的數(shù)據(jù)比較單一，一般需要幾種技術結合處理使用，這便直接影響了交通信息采集的完整性、穩(wěn)定性和可靠性。加之，技術和經(jīng)濟等方面的原因，其應用和普及一直比較緩慢。

動態(tài)采集最為常用手段是車載GPS。GPS技術的最大優(yōu)點是精度高，但其存在采集盲區(qū)(例如高架下的道路、隧道)、樣本少(城市中只有極少數(shù)車輛裝備有GPS)、投資大，難以大范圍使用的不足。

基于移動通信網(wǎng)絡的交通數(shù)據(jù)采集作為一種新興的動態(tài)交通采集技術近幾年在世界范圍內(nèi)得到了快速發(fā)展。它的基本原理是利用移動通信網(wǎng)絡的蜂窩結構，通過移動電話的定位信息來推算車流狀況參數(shù)，從而獲取相應的交通信息［1］。雖然不及GPS那樣精確，但其優(yōu)勢在于:以移動電話作為采集終端設備，節(jié)約了大量的前期基礎設施投入;移動電話的廣泛普及有效地提高了樣本容量，保證了數(shù)據(jù)質(zhì)量的可靠性;部署方便，無須安裝任何采集終端設備，對移動通信網(wǎng)絡的運營不產(chǎn)生任何影響;數(shù)據(jù)實時回傳，效率高;能通過移動通信網(wǎng)提供的短信、通話等功能實現(xiàn)更多信息的采集。目前，美國、歐洲等國家正在對應用該技術的商用系統(tǒng)進行大規(guī)模的研究與設計。

2 利用CDMA網(wǎng)絡動態(tài)采集交通特性數(shù)據(jù)的優(yōu)勢

我國目前使用的2.5代移動通信網(wǎng)絡分為2類:一類是中國移動與中國聯(lián)通運營的GSM網(wǎng)絡，另一類是中國電信運營的CDMA網(wǎng)絡。究竟哪種通信網(wǎng)絡更適用于動態(tài)采集交通特性數(shù)據(jù)，國內(nèi)看法上不一，主要從技術上領先、數(shù)據(jù)上可靠、經(jīng)濟上適用等分析選擇。

2.1 技術上分析

在2類網(wǎng)絡提供的位置業(yè)務LBS(Location Based Service)中，GSM的定位主要是基于Cell ID(小區(qū)標識號)技術實現(xiàn)的。CDMA的定位主要是基于 AGPS［2］(無線網(wǎng)絡輔助 GPS)和 AFLT(Advanced Forward Link Trilateration混合定位)技術實現(xiàn)的，也稱為 GpsOne［3］。

GSM采用的Cell ID定位技術將移動終端定位在服務小區(qū)的覆蓋范圍內(nèi)，當小區(qū)的覆蓋半徑增大，用戶又處于小區(qū)邊緣時，所測量的定位偏差將很大。定位數(shù)據(jù)精度在100～40 000 m之間。

CDMA采用GpsOne定位技術，定位過程分2步完成:先用AFLT定位，以支持全球定位系統(tǒng)和靈敏度輔助數(shù)據(jù)計算;然后將基于移動臺的測量數(shù)據(jù)與定位實體數(shù)據(jù)結合起來，排除可能增加的定位誤差值。GpsOne定位技術有機地結合了基于網(wǎng)絡的非GPS技術和基于GPS的網(wǎng)絡輔助定位技術的優(yōu)點，在室外定位精度為5～50 m，室內(nèi)為50～300 m。

2.2 數(shù)據(jù)上分析

通常城市道路為雙向4～8車道，每車道寬度為3.5 m左右，大城市的干道網(wǎng)密度2.4～3.1 km/km2，中等城市的干道網(wǎng)密度為2.2～2.6 km/km2［4］。關于城市道路網(wǎng)間距的指標沒有明確的規(guī)定，在全國注冊城市規(guī)劃師執(zhí)業(yè)資格考試指定參考用書中，建議城市道路網(wǎng)間距為:快速路1 500～2 500 m，主干路700～1 200 m，次干路350～500 m，支路150～250 m。Cell ID定位的精度為100～40 000 m，由于其定位精度的浮動幅度較大，比較難于區(qū)分相鄰道路。而GpsOne定位的精度為5～300 m，對于支路也能較好的區(qū)分，顯然GpsOne定位的精度大大高于Cell ID定位技術。

從定位時間上來看，GpsOne定位速度雖然不及Cell ID定位速度快，從服務器發(fā)起定位要求到服務器收到定位數(shù)據(jù)耗時約為16～30 s，但按照城市主干道車行速度的上限60 km/h計算，在1 km的道路上至少能定位1～2次，完全能夠獲得城市道路的交通流特征參數(shù)。

2.3 經(jīng)濟上分析

Cell ID定位技術無需改造終端，只要是GSM網(wǎng)絡的手機皆能使用。CDMA終端廠商也無需改造設備，高通公司已將GpsOne芯片統(tǒng)一集成在CDMA手機內(nèi)部。同時，二者在基站端也只是進行部分設備的升級，經(jīng)濟成本相差不大。此外，CDMA系統(tǒng)不需要像GSM系統(tǒng)那樣設置密集的基站，功耗低，更具有成本上的優(yōu)勢。

以上3方面的分析表明，CDMA網(wǎng)絡在數(shù)據(jù)采集上具有技術先進、數(shù)據(jù)精確、經(jīng)濟適用的優(yōu)勢，是在我國構建動態(tài)交通數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的最佳選擇。

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的建立

以重慶市主城區(qū)為例建立動態(tài)交通數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集服務器側與CDMA定位系統(tǒng)側組成，包含數(shù)據(jù)采集服務器、Internet、定位服務客戶端、移動定位中心、短信中心、接入網(wǎng)關、CDMA1X網(wǎng)絡、個人移動電話等部分，見圖1。數(shù)據(jù)采集服務器則放在重慶交通大學，CDMA定位系統(tǒng)側位于重慶電信機房，兩者通過Internet實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳遞，定位數(shù)據(jù)可以從定位系統(tǒng)側處利用數(shù)據(jù)采集服務器側的數(shù)據(jù)庫完全自動化的獲取。

圖1 動態(tài)交通數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結構圖Fig.1 The system structure of dynamic traffic data collecting

數(shù)據(jù)采集流程如下:攜帶移動電話的實驗人員行駛于道路上，數(shù)據(jù)采集服務器通過Internet的TCP連接與LCSClient互通，發(fā)出要求定位移動電話的請求;LCS Client通過協(xié)議實現(xiàn)與MPC的定位請求;MPC通過短信中心給被定位的移動電話終端發(fā)短信，通知其自動定位;移動電話解析短信后開始通過缺省接入的WAP網(wǎng)關發(fā)起定位需求;WAP網(wǎng)關通過WAP請求到LCSCLIENT請求對移動電話定位實體的定位;LCSCLIENT通過協(xié)議接入到MPC進行定位請求;MPC通過鑒權、以及與移動電話的標準定位協(xié)議實現(xiàn)定位結果的計算;然后由LCSClient通過Internet回傳至位于重慶交通大學實驗室的數(shù)據(jù)采集服務器，完成整個流程。計算結果包含移動電話實時的經(jīng)緯度信息、時間、高度等數(shù)據(jù)(表1)。考慮到多客戶的接入，在LCSClient處可以利用不可逆加密技術加密移動電話id以保護用戶隱私。

表1 定位數(shù)據(jù)Tab.1 Location data

在構建動態(tài)交通數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，僅僅知道移動電話的定位數(shù)據(jù)顯然是不夠的，還要能與其它移動電話或數(shù)據(jù)服務器交流，使其得到更為廣泛的交通信息，比如一個用戶陷入了交通堵塞，他能告訴管理者或其他用戶確切的堵塞狀況?？梢詤⒄誗P(Service Provider)服務商在系統(tǒng)上架設SMS(Short Messaging Service)平臺，或是圖像共享平臺。

4 數(shù)據(jù)的處理

在初步的系統(tǒng)設計中，對獲取數(shù)據(jù)的處理大致分為兩部分:首先是進行道路的匹配，然后在道路匹配的基礎上實現(xiàn)交通信息的實時顯示。

4.1 道路匹配

在系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集的過程中，會受到CDMA基站密度與直放站的影響，采集到的部分數(shù)據(jù)會出現(xiàn)較大誤差，通過線性回歸拋棄定位不精準的數(shù)據(jù)后［5］，將采集到的數(shù)據(jù)導入數(shù)據(jù)采集服務器的GIS系統(tǒng)，進行道路匹配，形成初步的實時位置信息。Berkeley大學的仿真研究表明當定位更新頻率為30 s時，道路的匹配度能達到98.5%［6］。16 ～ 30 s的定位頻率可以很好的使數(shù)據(jù)與道路匹配。圖2是在重慶市主城區(qū)一次實驗中的實時定位圖。學生志愿者攜帶移動電話乘坐公交車由七公里駛往土灣，穿越南岸、渝中、沙坪壩3個區(qū)，路線總長度約為17.6 km，道路匹配準確。

圖2 定位數(shù)據(jù)道路匹配圖Fig.2 Road matching by location data

4.2 交通信息實時顯示

根據(jù)經(jīng)緯度計算距離L，并由定位時間計算出相鄰時間差T，可獲得移動電話的移動速度V。通過合并多個移動電話的移動速度，便能得出道路的交通流運行狀態(tài)［7］。城市公交的車行速度一般為16～25 km/h［4］，屬于較為暢通的通行狀態(tài)。相關調(diào)查表明，重慶市主干道平均車速為30.12 km/h，主城區(qū)高峰小時公交車速為20.15 km/h［8］。這說明重慶市主城區(qū)公交車速一般是在20～30 km/h這個較為暢通的通行狀態(tài)內(nèi)，可據(jù)此劃分速度等級，見表2，顯示等級為A，B，C，D。并規(guī)定不同等級的顏色，使其實時顯示在服務器端的GIS地圖中，并按照30 s的頻率刷新。圖3是在一次大范圍的實驗中，由眾多學生志愿者攜帶移動電話在不同路段(主干路)乘坐公交車，通過對實時回傳數(shù)據(jù)的處理顯示出來的。

表2 車速分等級顯示Tab.2 Speed classification

除了在數(shù)據(jù)服務器端可以看見交通狀況的實時顯示圖外，還可以通過網(wǎng)絡使移動電話或Internet上的其它電腦訪問數(shù)據(jù)服務器獲得交通狀態(tài)顯示圖。

圖3 交通狀況實時顯示圖Fig.3 Real-time traffic situation display

此外，SMS短信息作為CDMA網(wǎng)絡的基礎服務，可以利用它設計短信內(nèi)容進行交通調(diào)查。再通過系統(tǒng)對短信息數(shù)據(jù)的處理，還能得到居民出行的時間、OD矩陣等更高級的交通數(shù)據(jù)。

5 結語

筆者提出了基于CDMA網(wǎng)絡作為國內(nèi)交通數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的方法，并以此構建了重慶市主城區(qū)的動態(tài)交通數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)了道路交通狀況實時顯示。隨著移動通信技術的發(fā)展與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的改進，得到的交通信息將會越來越豐富，這對提高城市交通管理水平、推動ITS的建設與發(fā)展有著重要的意義。

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［7］Weng J，Hu Z.Floating car data based nonparametric regression model for short－ term travel speed prediction［J］.Journal of Southwest Jiaotong University:English Edition，2007，15(3):223－230.

［8］重慶市規(guī)劃局，重慶市城市交通規(guī)劃研究所.重慶市主城區(qū)交通發(fā)展年度報告2008［R］.重慶:重慶市規(guī)劃局，重慶市城市交通規(guī)劃研究所，2009.