基于ArcGIS Engine的路網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)判別系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

漸 猛， 張俊友

(山東理工大學(xué) 交通與車(chē)輛工程學(xué)院， 山東 淄博 255091)

交通擁堵不僅嚴(yán)重影響了人們的出行，而且制約著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，如何緩解交通擁堵成為當(dāng)前急需解決的問(wèn)題.道路交通狀態(tài)的準(zhǔn)確判別對(duì)于制定合理的交通管控措施具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的依靠增加道路交通基礎(chǔ)設(shè)施解決城市交通擁堵問(wèn)題的方法已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足交通管理的需求，只有在科學(xué)規(guī)劃的前提下，增加道路設(shè)施同時(shí)結(jié)合智能交通系統(tǒng)(Intelligent Transportation System，ITS)[1]技術(shù)才是治理交通問(wèn)題的關(guān)鍵.在這樣的背景下，本文以浮動(dòng)車(chē)信息采集技術(shù)為基礎(chǔ)，以地理信息系統(tǒng)為平臺(tái)，并以淄博市張店區(qū)區(qū)域路網(wǎng)為例，建立了基于ArcGIS Engine的路網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)判別系統(tǒng)，為交通管理部門(mén)的交通管理組織提供依據(jù)，為用戶出行提供決策支持，在現(xiàn)有交通基礎(chǔ)設(shè)施的情況下，最大程度的緩解交通擁堵問(wèn)題.

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

城市道路交通狀態(tài)判別系統(tǒng)研究的目的就是在GIS-T技術(shù)的支持下，根據(jù)浮動(dòng)車(chē)信息采集技術(shù)獲得行駛在路網(wǎng)中的浮動(dòng)車(chē)全天候?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)，一方面能夠?yàn)槌鲂姓咛峁?shí)時(shí)動(dòng)態(tài)交通信息，為實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)誘導(dǎo)提供數(shù)據(jù)和技術(shù)基礎(chǔ)，為ITS交通信息采集提供一種全新、經(jīng)濟(jì)、可靠的方法.同時(shí)，通過(guò)歷史數(shù)據(jù)的積累和分析，實(shí)現(xiàn)路網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)分析、路段速度變化趨勢(shì)分析、擁堵點(diǎn)段分析、擁堵評(píng)價(jià)等，為交通規(guī)劃、決策和管理部門(mén)長(zhǎng)期、全面的分析路網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)、把握交通擁堵態(tài)勢(shì)提供支持[2].

系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)遵循以下基本原則：實(shí)用性、高效性、穩(wěn)定性和可擴(kuò)充性[3].

1.2 系統(tǒng)的整體框架

基于ArcGIS Engine的路網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)判別系統(tǒng)的構(gòu)建是以浮動(dòng)車(chē)信息采集技術(shù)為基礎(chǔ)，以地理信息系統(tǒng)為平臺(tái)，結(jié)合城市主要道路電子地圖，完成對(duì)城市路網(wǎng)路況的實(shí)時(shí)判別.系統(tǒng)總體上有四部分組成，分別為信息采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)及應(yīng)用支撐環(huán)境支持[4]、信息處理子系統(tǒng)和信息發(fā)布子系統(tǒng).系統(tǒng)的整體框架如圖1所示.

1.3系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)如圖2所示.整個(gè)系統(tǒng)基于ArcGIS Engine組件，以Visual basic.NET語(yǔ)言為開(kāi)發(fā)工具，采用集成開(kāi)發(fā)方式，在Visual Studio 2008開(kāi)發(fā)環(huán)境中實(shí)施，系統(tǒng)包含四層機(jī)構(gòu)：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、數(shù)據(jù)訪問(wèn)層、業(yè)務(wù)邏輯層和用戶層.

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層用來(lái)存儲(chǔ)系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，系統(tǒng)提供兩種數(shù)據(jù)管理手段：一是使用Oracle 11g數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)對(duì)路網(wǎng)的靜態(tài)信息以及浮動(dòng)車(chē)的動(dòng)態(tài)屬性信息進(jìn)行管理；二是通過(guò)ArcSDE把地圖數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)存放到Oracle 11g中[5]，數(shù)據(jù)操作通過(guò)存儲(chǔ)過(guò)程實(shí)現(xiàn).

在數(shù)據(jù)訪問(wèn)層中[6]，客戶端的道路網(wǎng)以及浮動(dòng)車(chē)等屬性數(shù)據(jù)是通過(guò)ADO.NET技術(shù)進(jìn)行訪問(wèn)，而電子地圖數(shù)據(jù)是利用ArcGIS Engine組件技術(shù)實(shí)現(xiàn)訪問(wèn)和操作.

業(yè)務(wù)邏輯層集中了系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯處理功能，是應(yīng)用軟件系統(tǒng)中的核心部分.系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯功能既可以周期性激活，也可以應(yīng)用戶需求而激活.業(yè)務(wù)邏輯主要包括：數(shù)據(jù)采集、交通信息處理和系統(tǒng)輔助服務(wù).

用戶層包括信息服務(wù)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)源系統(tǒng)，它們通過(guò)接口與系統(tǒng)進(jìn)行交互，向系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)或從系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù).

1.4 系統(tǒng)的工作流程

系統(tǒng)的工作流程為：車(chē)載終端通過(guò)GPS信息接收模塊接收GPS數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)處理后發(fā)送到交通信息中心，信息中心服務(wù)器接收GPS模塊發(fā)過(guò)來(lái)的緯度、經(jīng)度、時(shí)間、速度等數(shù)據(jù)，在地理信息系統(tǒng)的支持下，采用基于ArcGIS Engine組件技術(shù)的點(diǎn)到線的地圖匹配算法直接進(jìn)行地圖匹配，得到浮動(dòng)車(chē)在道路上的準(zhǔn)確行駛位置；在此基礎(chǔ)上估算路段的平均行程速度，從而分析路段的交通狀態(tài)，最后將交通狀態(tài)的判別結(jié)果在GIS電子地圖中用不同顏色顯示.系統(tǒng)的工作流程如圖3所示.

2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)包括地圖數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，其中地圖數(shù)據(jù)大多數(shù)是ArcGIS所支持的mxd格式文件和Shp格式數(shù)據(jù).統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)主要是系統(tǒng)中用來(lái)查詢、分析的浮動(dòng)車(chē)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及統(tǒng)計(jì)所需要的歷史數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以分為空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù).因此，本系統(tǒng)分別采用空間數(shù)據(jù)庫(kù)和屬性數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)保存相應(yīng)數(shù)據(jù).

2.1 空間數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

目前的地理信息系統(tǒng)[7]都是以圖層的方法來(lái)規(guī)劃空間數(shù)據(jù)的.在GIS中，把特征相同或相近的地理實(shí)體歸類(lèi)為一個(gè)圖層.例如在一個(gè)城市的交通電子地圖中，所有的建筑物可以構(gòu)成一個(gè)點(diǎn)圖層；所有的道路可以構(gòu)成一個(gè)線圖層；所有的小區(qū)可以構(gòu)成一個(gè)面圖層，通過(guò)圖層的疊加，形成一個(gè)電子地圖.根據(jù)淄博市張店區(qū)主要道路網(wǎng)絡(luò)矢量化形式，可以分為3種類(lèi)型：點(diǎn)狀、線狀和面狀、而且每一種數(shù)據(jù)都有自己的元數(shù)據(jù)，即屬性數(shù)據(jù)，如圖4所示.

2.2 屬性數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

除了建立空間數(shù)據(jù)庫(kù)之外，還需要另外設(shè)計(jì)屬性數(shù)據(jù)庫(kù)，用于存儲(chǔ)道路屬性以及實(shí)時(shí)的路況信息.屬性數(shù)據(jù)庫(kù)主要采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，每一個(gè)數(shù)據(jù)表存儲(chǔ)一類(lèi)實(shí)體對(duì)象的關(guān)鍵字段ID和非地理屬性字段.根據(jù)用戶需求，將選擇Oracle 11g數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)設(shè)計(jì)屬性數(shù)據(jù)庫(kù)中屬性數(shù)據(jù)表，部分屬性數(shù)據(jù)表見(jiàn)表1和表2.

3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的主要功能包括四部分：GPS信息采集模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊、交通信息處理模塊和交通狀態(tài)判別模塊.系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖5所示.

GPS信息采集 包括浮動(dòng)車(chē)數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)清洗和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換.利用車(chē)載GPS接收機(jī)將定位所需的經(jīng)、緯度、速度、時(shí)間等定位導(dǎo)航信息采集到計(jì)算機(jī)中，在數(shù)據(jù)清洗和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方面，通過(guò)自定義各種類(lèi)型的檢查規(guī)則[4]，實(shí)現(xiàn)對(duì)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的甄別、無(wú)效數(shù)據(jù)的剔除，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化.

數(shù)據(jù)庫(kù)管理 包括空間數(shù)據(jù)庫(kù)管理和屬性數(shù)據(jù)庫(kù)管理兩個(gè)部分.空間數(shù)據(jù)庫(kù)管理可以實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前路網(wǎng)圖形元素(點(diǎn)、線、面)的管理；而屬性數(shù)據(jù)庫(kù)管理主要實(shí)現(xiàn)對(duì)屬性數(shù)據(jù)的添加、查詢、統(tǒng)計(jì)以及分析等操作，以保證數(shù)據(jù)可以動(dòng)態(tài)使用以及對(duì)歷史數(shù)據(jù)長(zhǎng)期安全、有效有序的存儲(chǔ)與管理.

交通信息處理 包括道路路段劃分、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、地圖匹配、車(chē)輛行駛方向判斷等.通過(guò)該功能模塊，系統(tǒng)對(duì)采集到的原始浮動(dòng)車(chē)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)處理后的浮動(dòng)車(chē)信息，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)，建立相關(guān)算法和模型，分析道路交通的實(shí)時(shí)狀態(tài).

交通狀態(tài)判別 包括路段平均行程速度估計(jì)和交通狀態(tài)判別.選取路段平均行程速度作為路況判別的交通流參數(shù)，根據(jù)公安部制定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合道路等級(jí)信息，實(shí)時(shí)的判別道路交通狀態(tài)，并在GIS電子地圖上用不同顏色顯示[8].

依據(jù)以上系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方法和系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求分析，以及系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)，調(diào)用每條道路實(shí)時(shí)的浮動(dòng)車(chē)數(shù)據(jù)，結(jié)合道路等級(jí)得到該道路的交通狀態(tài)信息.將道路交通狀態(tài)劃分為三個(gè)等級(jí)，分別用三種不同的顏色在GIS電子地圖上顯示，如圖6所示.其中，綠色表示道路暢通，黃色表示緩慢，紅色表示擁堵.

4 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)基于ArcGIS Engine組件，以Visual basic.NET語(yǔ)言為開(kāi)發(fā)工具，采用集成開(kāi)發(fā)方式進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā).本文的GIS系統(tǒng)以淄博市張店區(qū)地圖為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，空間數(shù)據(jù)為SHP文件自帶的數(shù)據(jù)格式,并利用ESRI公司的ArcSDE空間數(shù)據(jù)庫(kù)引擎進(jìn)行空間數(shù)據(jù)的高效管理.系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求,在后端選用了關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)Oracle 11g作為數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)工具，并以對(duì)象關(guān)聯(lián)的方式與ArcGIS Engine功能組件相關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)基本功能.當(dāng)然，整體系統(tǒng)的建成還需進(jìn)一步完善，還要通過(guò)在實(shí)踐中檢驗(yàn)其中的交通流模型與相關(guān)算法等內(nèi)容.如何充分利用歷史數(shù)據(jù)和當(dāng)前實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和知識(shí)發(fā)現(xiàn)的研究以及建立更完善、更專(zhuān)業(yè)的交通數(shù)學(xué)模型將是下一步工作的核心[5].

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