物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下智能交通信息控制系統(tǒng)的數(shù)字化模塊設(shè)計(jì)

蔡思靜

(福建工程學(xué)院電子系，福建 福州350108)

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，城市交通擁堵現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，由此引發(fā)的環(huán)境污染、能源消耗等已經(jīng)引起全球性的關(guān)注.智能交通系統(tǒng)(ITS)應(yīng)運(yùn)而生，成為了現(xiàn)階段解決路網(wǎng)通行能力、緩解交通堵塞、減少交通事故、降低環(huán)境污染的有效技術(shù)措施.由于智能交通系統(tǒng)具有明顯區(qū)域性的特點(diǎn)，我國(guó)諸多學(xué)者提出了一系列的解決方案:基于二流理論的擁擠交通流當(dāng)量排隊(duì)長(zhǎng)度模型［1］、面向多制式路徑規(guī)劃的網(wǎng)絡(luò)模型［2］、基于分段學(xué)習(xí)的雙隱層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［3］，實(shí)現(xiàn)了不同類型感知網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)和協(xié)議轉(zhuǎn)換以及對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的部分管理控制功能［4］.智能交通系統(tǒng)逐步形成集成應(yīng)用、智能管理的高效模式.與此同時(shí)，如何準(zhǔn)確獲取路網(wǎng)信息仍是當(dāng)前的技術(shù)瓶頸，現(xiàn)階段的管理平臺(tái)仍停留在實(shí)時(shí)處理階段，缺少通過(guò)現(xiàn)有的路網(wǎng)數(shù)據(jù)信息提供交通資源優(yōu)配的功能.此外，智能交通系統(tǒng)集成應(yīng)用的模式，決定了當(dāng)前的諸多設(shè)計(jì)都旨在實(shí)現(xiàn)某一特定功能，缺少具備車輛信息管理、智能路徑檢索以及路網(wǎng)管理等功能的綜合性平臺(tái)，因此，海量資源無(wú)法得到有效利用.

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)［5］的迅猛發(fā)展，將RFID、檢測(cè)定位技術(shù)及無(wú)線傳感技術(shù)應(yīng)用于路網(wǎng)信息獲取，將是一個(gè)最為行之有效的研究手段，也將是今后智能交通系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì).基于這一理論，筆者開發(fā)了一套物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下智能交通信息控制系統(tǒng)，其特點(diǎn)如下:

1)引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在車輛中裝載射頻芯片，利用射頻識(shí)別、智能檢測(cè)及無(wú)線傳感技術(shù)，保證車輛、路網(wǎng)信息的及時(shí)、準(zhǔn)確;

2)利用“云”技術(shù)及強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)支持，建立整個(gè)城市的路網(wǎng)數(shù)據(jù)信息平臺(tái)，提供路況預(yù)判能力，從而實(shí)現(xiàn)交通管理的實(shí)時(shí)處理到事先調(diào)配的轉(zhuǎn)化;

3)利用計(jì)算機(jī)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)用戶信息管理、智能定位、路徑檢索和實(shí)時(shí)信息反饋為一體的計(jì)算機(jī)操作平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)信息的最大利用和優(yōu)化;

4)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建立智能交通信息系統(tǒng)平臺(tái)與車輛終端之間的主動(dòng)聯(lián)系，摒棄以往信息被動(dòng)收集的形式，實(shí)現(xiàn)信息平臺(tái)與車輛終端之間的信息雙向通訊.

總之，在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的智能交通系統(tǒng)設(shè)計(jì)已經(jīng)成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)及應(yīng)用趨勢(shì).

1 系統(tǒng)概述

物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的智能交通系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱系統(tǒng))由感知識(shí)別模塊、網(wǎng)絡(luò)控制模塊及基于計(jì)算機(jī)平臺(tái)的智能交通信息控制系統(tǒng)組成.系統(tǒng)將在車輛上裝載感知識(shí)別模塊，通過(guò)射頻標(biāo)簽的識(shí)別功能及傳感器的智能感知技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛信息、路況信息及路網(wǎng)狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)感知和采集，從而使得路網(wǎng)狀態(tài)仿真和推斷成為可能.感知識(shí)別模塊提取的有效數(shù)據(jù)通過(guò)傳感網(wǎng)技術(shù)，將數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)平臺(tái)的智能交通信息控制系統(tǒng).智能交通信息控制系統(tǒng)將根據(jù)采集到的車輛及路況信息，結(jié)合計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和智能算法分析，完成對(duì)道路和交通的全面感知，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)交通信息的有效監(jiān)管，為車輛用戶提供便捷服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了交通全時(shí)空控制，提供以交通效率和交通安全為主的網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用，使得交通管理從事后處置轉(zhuǎn)化為事前預(yù)判這一主動(dòng)的管理模式，也是智能交通領(lǐng)域管理體制的深刻變革.

智能交通信息控制系統(tǒng)作為物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下智能交通系統(tǒng)的核心模塊，將提供信息處理和智能監(jiān)控功能.本系統(tǒng)將以福州市交通信息為研究對(duì)象，采用C++語(yǔ)言，基于VC++6.0的編譯平臺(tái)，結(jié)合MapInfo開發(fā)，通過(guò)COMM和MaPX5.0組件進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)車輛信息管理、交通信息控制、智能路徑搜索、數(shù)據(jù)傳輸和實(shí)時(shí)信息反饋及定位模塊，主界面如圖1所示.

圖1 交通智能信息控制系統(tǒng)主界面

用戶信息管理模塊主要完成用戶的數(shù)據(jù)信息及車主的權(quán)限管理.

交通信息控制模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的統(tǒng)計(jì)和管理，得到整個(gè)城市(福州市)各個(gè)路段、時(shí)段的綜合信息.以此為據(jù)，進(jìn)行路網(wǎng)信息的優(yōu)配，實(shí)現(xiàn)路控的預(yù)判功能.

智能路徑搜索模塊將結(jié)合智能算法控制論進(jìn)行策略分析，完成路徑搜索查詢功能，并提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)響應(yīng)模塊，可以根據(jù)實(shí)時(shí)路況信息進(jìn)行算法控制.

串口數(shù)據(jù)傳輸模塊主要用于數(shù)據(jù)流的管理，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的射頻及無(wú)線傳感網(wǎng)技術(shù)，完成射頻數(shù)據(jù)的接收、發(fā)送及數(shù)據(jù)的預(yù)處理功能.該模塊接收無(wú)線傳感網(wǎng)發(fā)送的射頻數(shù)據(jù)，并利用數(shù)據(jù)預(yù)處理功能，提取有效數(shù)據(jù)，同時(shí)，還可以將控制信息及數(shù)據(jù)傳輸給無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò).

實(shí)時(shí)信息反饋及定位模塊，將根據(jù)車輛所處的位置提供單用戶終端車輛所處的位置、路況信息查詢等.

2 軟構(gòu)件數(shù)字化技術(shù)

系統(tǒng)開發(fā)采用可視化設(shè)計(jì)，為用戶操作界面提供直觀的地圖信息顯示功能，用戶可以清晰地看到每個(gè)路段、路口的信息，也便于用戶基于圖形直觀操作，強(qiáng)化系統(tǒng)人性化.在提供友好界面的同時(shí)，必須考慮到地圖信息的數(shù)字化問(wèn)題，只有賦予地圖中每個(gè)路口、路段各自獨(dú)立的數(shù)據(jù)屬性，才能為系統(tǒng)控制算法提供操作依據(jù).

2.1 難點(diǎn)分析 地圖是智能交通信息系統(tǒng)開發(fā)的基礎(chǔ)，VC++6.0提供了圖形處理功能，Windows圖形設(shè)備接口GDI提供了在Windows下繪圖的基本功能，MFC類中封裝了GDI中的繪圖對(duì)象類，如畫筆、畫刷等.這些對(duì)象類可以提供程序員完成基本圖形繪制，此外，VC++還提供了位圖和區(qū)域?qū)ο箢惖?但是，這些功能只是提供了簡(jiǎn)單的圖形顯示功能，而如何實(shí)現(xiàn)地圖信息數(shù)字化功能是該設(shè)計(jì)的一項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn)，也是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)工程.

2.2 設(shè)計(jì)分析 地圖符號(hào)化是實(shí)現(xiàn)地圖信息數(shù)字化處理的一種研究手段，其基于MapServer引用地圖符號(hào)庫(kù)，在WebGIS原理的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)地圖信息符號(hào)化設(shè)計(jì)［6］.此方式利用MapServer所提供的點(diǎn)、線、面圖形對(duì)象，構(gòu)建地圖中所需的各種地圖符號(hào)，最終組建地圖符號(hào)庫(kù).此外，基于WebGIS平臺(tái)，利用Web Service分布式應(yīng)用結(jié)合WebMap地圖引擎的方式［7］，可以構(gòu)建具有跨平臺(tái)、跨系統(tǒng)、高復(fù)用性的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其整體設(shè)計(jì)精確，但過(guò)程相對(duì)繁瑣，資源耗散較大.

地理信息系統(tǒng)(GIS)作為獲取、存儲(chǔ)、分析和管理地理空間數(shù)據(jù)的重要技術(shù)，也是解決空間問(wèn)題的主要方法.利用MapX作為電子地圖容器，通過(guò)MapInfo平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)MapInfo格式的地理信息實(shí)現(xiàn)是進(jìn)行數(shù)字地圖研究的有效方式［8］.

綜上所述，本設(shè)計(jì)擬采用的解決方案是:通過(guò)MapInfo設(shè)計(jì)地圖格式及對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)，利用MaPX及VC組件導(dǎo)入數(shù)字化圖形格式，完成了地圖信息數(shù)字化處理功能.地圖信息數(shù)字化模塊的實(shí)現(xiàn)，既保證地圖顯示的直觀型，又提供數(shù)字化處理功能，為系統(tǒng)算法控制及信息管理模塊提供了數(shù)據(jù)支持，克服了諸多傳統(tǒng)交通信息平臺(tái)只能夠顯示點(diǎn)和線的數(shù)字界面，為用戶提供了友好直觀的操作環(huán)境.

2.3 軟構(gòu)件數(shù)字化技術(shù)的實(shí)現(xiàn) 地圖信息數(shù)字化模塊是該設(shè)計(jì)的核心模塊，通過(guò)MapInfo設(shè)計(jì)具有多個(gè)圖層構(gòu)成的.tab地圖格式［9］，并完成各個(gè)圖層相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，然后通過(guò)MaPX將.tab地圖格式轉(zhuǎn)化成VC++6.0支持的.gst地圖格式，最后通過(guò)VC組件及API技術(shù)結(jié)合軟構(gòu)件概念將數(shù)字化地圖格式導(dǎo)入系統(tǒng)，用以平臺(tái)其他功能模塊的算法分析及控制操作.具體設(shè)計(jì)由3個(gè)模塊組成，如圖2所示.

圖2 地圖信息數(shù)字化模塊的設(shè)計(jì)框圖

地圖信息數(shù)字化模塊基于MapInfo平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì).MapInfo是一種數(shù)據(jù)可視化、信息地圖化的地理信息系統(tǒng)軟件，根據(jù)地圖概念，融合計(jì)算機(jī)地圖方法、地理數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和地理信息系統(tǒng)分析功能，完成自動(dòng)化操作.

該設(shè)計(jì)采用7層結(jié)構(gòu)，分別為市區(qū)主干道信息層、市區(qū)交叉路口信息層、鐵路層、公交站臺(tái)層、標(biāo)志性建筑層、高架橋路段信息層和停車場(chǎng)信息層.其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下:

1)市區(qū)主干道信息層用于記錄市區(qū)的所有主干道信息，具體字段為ID號(hào)、路段名、起點(diǎn)經(jīng)度坐標(biāo)、起點(diǎn)緯度坐標(biāo)、終點(diǎn)經(jīng)度坐標(biāo)、終點(diǎn)緯度坐標(biāo)、路段長(zhǎng)度和備注;

2)市區(qū)交叉路口信息層用于記錄市區(qū)每一個(gè)交叉路口的信息，包含的字段有ID號(hào)、交叉路口名、經(jīng)度坐標(biāo)、緯度坐標(biāo)、所在主干道名和備注;

3)鐵路信息層用于記錄市區(qū)內(nèi)及近郊的鐵路位置和走向信息，包含的字段有鐵路路段名、起點(diǎn)經(jīng)度坐標(biāo)、起點(diǎn)緯度坐標(biāo)、路段長(zhǎng)度和備注;

4)公交站臺(tái)層用于記錄市區(qū)主干道上的公交站點(diǎn)的信息，包含的字段有站臺(tái)名、經(jīng)度坐標(biāo)、緯度坐標(biāo)、途經(jīng)公交路線和備注;

5)標(biāo)志性建筑層用于記錄商圈、教育及醫(yī)療等標(biāo)識(shí)性的建筑信息，具體字段包括ID號(hào)、建筑名、經(jīng)度坐標(biāo)、緯度坐標(biāo)、所處路段和備注;

6)高架橋路段信息層用于記錄市區(qū)內(nèi)所有高架橋的具體信息，其字段包括ID號(hào)、高架橋名、起點(diǎn)經(jīng)度坐標(biāo)、起點(diǎn)緯度坐標(biāo)、終點(diǎn)經(jīng)度坐標(biāo)、終點(diǎn)緯度坐標(biāo)、高架橋長(zhǎng)度和備注;

7)停車場(chǎng)信息層用于記錄市區(qū)內(nèi)停車場(chǎng)信息，具體字段包括ID號(hào)、停車場(chǎng)名、經(jīng)度坐標(biāo)、緯度坐標(biāo)、所處路段和備注.

運(yùn)行結(jié)果如圖3所示.

圖3 MapInfo設(shè)計(jì)7層結(jié)構(gòu)圖

格式轉(zhuǎn)化模塊通過(guò)基于ActiveX技術(shù)的地圖化組件MapX進(jìn)行設(shè)計(jì).設(shè)計(jì)時(shí)將地圖的7層結(jié)構(gòu)導(dǎo)入MapX環(huán)境，組成7層圖層集并建立對(duì)應(yīng)的對(duì)象模型，由7個(gè)Layers對(duì)象組成，保存成.gst格式，便于在VC++6.0環(huán)境下，通過(guò)MapInfo Mapx V5控件完成對(duì)數(shù)字地圖的導(dǎo)入.

3 軟構(gòu)件數(shù)字化系統(tǒng)的應(yīng)用

通過(guò)軟件口技術(shù)的應(yīng)用，利用MapInfo MaoX V5組件調(diào)入的圖片是具有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和圖層集合的對(duì)象模型.系統(tǒng)通過(guò)構(gòu)建CMapXDataset類、CMapXLayer類和CMapXLayerInfo類等CMapX類完成對(duì)數(shù)字地圖的調(diào)用.部分代碼如下:

通過(guò)代碼的調(diào)用，系統(tǒng)就可以獲得地圖上的數(shù)字信息，進(jìn)行運(yùn)算.現(xiàn)以最短路徑檢索為例，在該操作界面中，不但通過(guò)對(duì)話框顯示路徑檢索結(jié)果，而且通過(guò)圖片顯示檢索路徑.運(yùn)行結(jié)果如圖4所示.

圖4 路徑檢索界面

4 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的智能交通系統(tǒng)是當(dāng)前交通信息技術(shù)的一項(xiàng)前沿性應(yīng)用課題，通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)強(qiáng)大的策略分析及算法嘗試進(jìn)行交通信息的數(shù)據(jù)監(jiān)控和管理，并利用軟件工程思想結(jié)合平臺(tái)強(qiáng)大的外接口能力，進(jìn)行軟構(gòu)件數(shù)字化技術(shù)的研究，從而實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)地圖數(shù)字化信息處理功能.軟構(gòu)件技術(shù)在智能交通系統(tǒng)中的應(yīng)用成功，不僅為智能交通信息控制系統(tǒng)信息數(shù)字化處理提供了一條有效的解決方案，而且為今后智能交通系統(tǒng)的擴(kuò)展和性能提高等方面研究提供了研究方向.

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