一種基于位置服務的動態(tài)虛擬交通誘導系統(tǒng)

陳金龍,夏瑩杰

(杭州師范大學杭州國際服務工程學院,杭州311121)

一種基于位置服務的動態(tài)虛擬交通誘導系統(tǒng)

陳金龍,夏瑩杰

(杭州師范大學杭州國際服務工程學院,杭州311121)

交通誘導系統(tǒng)將經過處理的交通狀態(tài)數據發(fā)布在公共平臺上,供人們作為選擇路徑的參考。在一定時間內用戶接收過多的信息,不僅影響到所需信息的辨別率,而且分散駕駛員的注意力,從而產生安全隱患。針對該問題,采用交通路網動態(tài)規(guī)劃方法,提出一種基于位置服務的動態(tài)虛擬交通誘導系統(tǒng),利用用戶所處環(huán)境數據以及地圖匹配算法提高用戶定位精度;通過交通路網動態(tài)規(guī)劃,過濾多余的道路交通狀態(tài)信息,精簡發(fā)布信息量;運用數據交換層技術以及坐標轉換算法,擴大系統(tǒng)在移動設備上的適用范圍,提高交通狀態(tài)信息的發(fā)布效率。實驗結果表明,該系統(tǒng)定位準確率達到95%以上,平均減少了70%的信息發(fā)布量。

可變信息板;交通誘導;虛擬;地圖匹配;移動終端

1 概述

智能交通系統(tǒng)(Intelligent Transportation Systems,ITS)[1-2]是利用信息技術提高道路系統(tǒng)使用效率,解決城市交通堵塞問題的重要方式,提供實時準確的路網交通狀態(tài)信息是城市智能交通監(jiān)控系統(tǒng)的主要任務之一。城市交通誘導系統(tǒng)是ITS的重要組成部分,它能提供實時的交通狀態(tài)信息,有效緩解交通擁堵,在很大程度上提高交通運輸效率[3]。目前,實時交通狀態(tài)發(fā)布方式主要有可變信息板(Variable Message Signs,VMS)、具有實時路況功能的移動終端以及網頁。

(1)VMS發(fā)布方式。VMS是一種可編程的交通控制設備,主要安置在高速公路和城市主干路網的關鍵位置[4]。能夠提供實時、準確的交通狀態(tài)信息。其特點是所發(fā)布信息具有較高的針對性,通常為駕駛人行駛前方的交通狀態(tài)[5],以及一條雙向道路中其所能通過的路段,從而發(fā)布有限數量與用戶最為相關路段的交通狀態(tài),使駕駛人員能夠迅速獲取所需要的信息,避免分散駕駛員的注意力,或顯示信息的遺漏[6]。然而,這種發(fā)布方式由于成本的原因,一般布置在關鍵道路上,這也使得其發(fā)布受眾受到限制。

(2)移動終端發(fā)布方式。移動終端主要包括手機和導航儀。近年來,手機的廣泛使用以及基于位置服務(Location-based Services,LBS)[7-8]技術的成熟,用戶可以隨時隨地獲取周圍路段的實時交通狀態(tài),特別是智能手機的普及,這種發(fā)布方式變得更加智能化和友好,從而更容易被用戶接受。然而其發(fā)布的內容針對性較低,含有過多的無用信息,如駕駛方向后方路段以及雙向道路中與用戶無關路段的信息等。過多的無用信息不僅會導致傳遞的數據量過大,要求移動設備具有較高的處理能力,同時也會影響用戶對路段交通狀態(tài)的判斷。

(3)網頁端發(fā)布方式。網頁端發(fā)布方式是利用Web GIS技術[9-10],在網頁端的電子地圖上發(fā)布交通狀態(tài)信息的方式,類似于移動設備中的地圖軟件。用戶只需要一臺連接網絡的計算機甚至手機,通過主流的瀏覽器均可以查詢交通狀態(tài)信息。然而,由于計算機較低的移動性,從而不適用于行駛中的駕駛人員。而手機端的發(fā)布方式,不僅存在與地圖軟件發(fā)布方式相同的缺陷,同時會消耗更多的計算、內存和電池資源。

針對上述各種發(fā)布方式的不足之處,本文提出一種基于位置服務的動態(tài)虛擬誘導屏系統(tǒng)DVVMS (Dynamic Virtual Variable Message Signs)。首先利用LBS技術獲得用戶位置,然后根據地圖匹配算法得到用戶所在路段,通過VMS路網拓撲規(guī)劃算法,確定發(fā)布與用戶最為相關的路段,經過處理后在移動設備的屏幕上繪制相應的虛擬VMS。該系統(tǒng)通過LBS技術、地圖匹配技術及VMS路網拓撲規(guī)劃技術,可保證DVVMS中的路網拓撲具有較高的針對性,減少用戶信息的接收量,從而快速對當前的交通狀態(tài)作出反應,同時也減少系統(tǒng)處理的數據量,降低系統(tǒng)對移動設備和網絡環(huán)境的性能要求;通過坐標轉換算法,解決不同坐標系之間的坐標轉換問題,減小系統(tǒng)對路網數據所使用坐標系的依賴性;通過數據交換技術,解決不同移動設備與服務器間的數據交換問題,提高系統(tǒng)的適用性。

2 系統(tǒng)結構

本文將系統(tǒng)分為3個層次:(1)采集與發(fā)布層,該層是整個系統(tǒng)與用戶交互的接口,主要用于用戶環(huán)境信息的采集以及交通狀態(tài)的發(fā)布;(2)數據交換層,是整個系統(tǒng)中不同層之間數據交換的接口,該層制定了信息的統(tǒng)一的封裝格式,主要解決服務器與不同類型移動設備之間的數據交換問題,提高系統(tǒng)的適用性;(3)信息匹配層,利用地圖匹配來完成用戶位置的修正,以及確定用戶所在的路段,并以此作為VMS路網規(guī)劃的基礎,從而確定虛擬VMS上的發(fā)布內容,同時通過查詢數據庫,確定發(fā)布路段的交通狀態(tài)。

首先采集與發(fā)布層采集用戶的環(huán)境數據,所謂用戶環(huán)境數據,即用戶位置、速度、方向等數據,進行統(tǒng)一封裝后發(fā)送給信息匹配層;信息匹配層經過解析后,根據用戶環(huán)境數據查詢數據庫獲得相應的路網信息以及交通狀態(tài)信息,統(tǒng)一封裝后返回給采集與發(fā)布層;采集與發(fā)布層對返回的信息經過解析后,再對這些數據進行坐標轉換處理,從而匹配到虛擬 VMS的坐標系,最后繪制出相應的虛擬VMS,顯示在移動設備的屏幕上,最終完成交通狀態(tài)的發(fā)布;數據交換層是采集與發(fā)布層和信息匹配層的中間層次,是數據的統(tǒng)一封裝和解析接口,用于這2個層次之間的數據交換。圖 1所示為DVVMS系統(tǒng)結構。

圖1 DVVMS系統(tǒng)結構

(1)采集與發(fā)布層:包括信息采集模塊、信息處理模塊和VMS繪制模塊。信息采集模塊負責用戶環(huán)境數據的采集,是整個系統(tǒng)的信息輸入模塊。信息處理模塊主要對服務器返回的原始路網數據進行坐標轉換等處理。VMS繪制模塊主要完成虛擬VMS的繪制,是系統(tǒng)的信息輸出模塊,用于交通狀態(tài)信息的最終發(fā)布。

(2)數據交換層:包括用戶環(huán)境數據封裝、解析模塊,分別用于采集與發(fā)布層和信息匹配層對用戶環(huán)境數據的封裝和解析;路網數據封裝模塊、解析模塊分別用于信息匹配層和采集與發(fā)布層對路網數據的封裝和解析。

(3)信息匹配層:該層包括地圖匹配模塊、VMS路網拓撲規(guī)劃模塊和路網信息查詢模塊。地圖匹配模塊通過地圖匹配對用戶的坐標進行修正,同時確定用戶所在路段。VMS路網拓撲規(guī)劃模塊通過規(guī)劃算法,獲得與用戶位置相關的路網。路網信息查詢模塊主要負責查詢數據庫獲得路段的幾何輪廓信息以及交通狀態(tài)信息。

3 實現方案

3.1 地圖匹配

地圖匹配技術是信息匹配層的關鍵技術,是一種基于軟件技術的定位修正方法,其中的關鍵是找到用戶當前行駛路段,然后在路段上找到匹配點[11]。

地圖匹配有多種算法,本文采用最近鄰匹配算法[12],即通過計算用戶位置坐標到周圍路段的距離,其中距離最短為匹配路段,然后計算出用戶坐標在該路段的匹配點。由于GPS定位誤差的存在,當用戶在一條雙方向的道路上時,匹配的準確性會大大降低,因為一條道路兩個相反方向的路段之間的距離很小,從而用戶位置點到這2條路段的距離也會很相近。此外,這種情況在路段的交匯點處也會出現。所以,本文中在最近鄰法的基礎上,將用戶運動方向與路段的方向進行比較,差距最小者為用戶所在路段。算法的具體實現過程如圖2所示。

圖2 地圖匹配過程

首先對路網數據作如下約定:

(1)路網中所有路段集合為R;

(2)組成路段的所有節(jié)點集合為P,節(jié)點p∈P的坐標為(xp,yp);

(3)對任意路段Ri∈R,其組成節(jié)點的集合為Pi?P。

圖2中整個匹配過程由3個階段組成:

(1)查詢用戶周圍的路段:設定閾值δ,對于任意路段Ri(Ri∈R),若存在節(jié)點p∈Pi符合條件locx-δ＜xp＜locx+δ,且locy-δ＜yp＜locy+δ,則將該路段加入候選集U1中,其中,xp,yp為節(jié)點p的坐標。

3.2 DVVMS路網拓撲規(guī)劃

VMS路網拓撲規(guī)劃技術是一種基于用戶所在路段,確定虛擬VMS中有限數量與用戶位置相關的路段的技術,是信息匹配層中的關鍵技術,如圖3所示。

假設路段1為用戶所在路段,在傳統(tǒng)的發(fā)布方式中,發(fā)布路段包括路段1周圍一定范圍內的所有路段,即從路段1到路段44的所有路段。但在用戶實際的行駛過程中會發(fā)現,用戶實際會關心的路段只有路段8、路段4、路段5、路段9、路段16、路段14、路段18、路段19、路段22,即圖中粗線部分。這是因為,當用戶在路段1上時,其可能選擇的路段只能是路段4、路段5以及路段16,而當用戶在路段4上時,其可能選擇的路段只能是路段 12、路段 8和路段24,其他路段依次類推。通過圖3可以看出,與傳統(tǒng)發(fā)布方式相比,虛擬VMS可以有效減少發(fā)布的路段數量。

圖3 VMS路網拓撲規(guī)劃過程

在實際的實現過程中,路網信息包含了路段與路段之間的連接關系,實際上可以看成是以路段為節(jié)點,以路段與路段之間的連接關系為邊的圖Mrn,如圖4所示。圖3中的發(fā)布路段可以通過對Mrn從路段1出發(fā)進行廣度遍歷并設置閾值n=2獲得。

圖4 圖3中路網對應的部分路網圖Mrn

3.3 虛擬VMS坐標轉換

虛擬VMS坐標轉換技術是一種坐標系匹配技術,是采集與發(fā)布層的關鍵技術。路網數據中節(jié)點的坐標所使用的坐標系有多種類型,如WGS-84坐標系、地心坐標系、以及北京54坐標系等,而移動設備上虛擬VMS的所使用的是直角平面坐標系。在繪制虛擬VMS之前,需要對原始路網數據進行坐標轉換。坐標轉換分如下3個階段:

(1)坐標旋轉

坐標旋轉的目的是為了從用戶的角度查看路段交通狀態(tài)。如圖5所示。

圖5 坐標旋轉過程

經過坐標旋轉后,虛擬VMS中用戶的行駛方向與VMS坐標系中的正北方向相同。

(2)坐標縮放

縮放的目的是為了將要發(fā)布的路網能夠繪制在大小有限的虛擬VMS上,如圖6所示。

圖6 坐標縮放過程

其中,scalex,scaley分別為水平和豎直方向上的縮放幅度,圖6右邊的路網中,假設在所有節(jié)點坐標中,x最大值與最小值的差為ΔX,y的最大值與最小值的差為ΔY,虛擬VMS的寬為W,高為H,通過如下計算:

(3)坐標平移

經過坐標縮放后,路網節(jié)點中的坐標均能繪制在虛擬VMS中的路網繪制區(qū)域中。

3.4 數據交換技術

數據交換技術制定了數據封裝的統(tǒng)一標準,系統(tǒng)采用Client/Server模型,其中客戶端為手機或者GPS導航儀,不同類型的設備,其所采用的系統(tǒng)以及所使用的開發(fā)語言均會有所不同,導致了服務器需要為不同設備分別編寫不同的代碼,從而加大了開發(fā)人員工作量,同時也不利于以后系統(tǒng)的升級維護。在數據交換層中,制定數據封裝標準的目的就是為了解決這一問題。

數據的交換包括2個方向:客戶端發(fā)送給服務器端的用戶環(huán)境數據,以及服務器端發(fā)送給客戶端的路網數據。數據交換層對數據的封裝主要是將不同的數據轉換成字符,然后按照一定的順序組成字符短報;而對數據的解析也是對封裝的字符短報的分析,根據封裝時數據安排的順序,從而提取出相應的數據。

(1)在客戶端中,用戶環(huán)境數據包括用戶的位置坐標loc(locx,locy),用戶的速度v以及方向θ等,其封裝格式如:

其中,Rcount為封裝的數據數。

(2)在服務器端,發(fā)送給客戶端的數據包括匹配后的位置坐標、交通狀態(tài)信息、以及路網信息。對于路段,其包含的信息有:路名,路段編號,路段交通狀態(tài),以及路段節(jié)點坐標。對于任一路段,其封裝格式如下:

其中,Rname為路段名;RID為路段編號;Rstatus為路段的交通狀態(tài);xi,yi(i=1,2,…)為路段的節(jié)點坐標。對于整個路網信息的封裝格式如下:

其中,Mlocx,Mlocy為通過地圖匹配后用戶坐標; Rcount路段數目;offset為路網數據的偏移位置,即TR1的位置。

3.5 整合實現

圖7為系統(tǒng)的實現模型,本系統(tǒng)客戶端以Android系統(tǒng)手機為平臺。

圖7 DVVMS實現模型

客戶端通過傳感器獲得用戶所處環(huán)境的數據,對這些數據進行封裝發(fā)送給DVVMS服務器。服務器對這些數據經過解析,根據其中的位置和方向信息進行地圖匹配確定用戶所在路段,并以此為基礎,進行虛擬VMS路網規(guī)劃,確定有限數量與用戶最為相關的路段,并分別從路網數據庫和交通狀態(tài)數據庫中查詢路段的幾何輪廓信息和交通狀態(tài)信息,封裝后發(fā)送個手機客戶端。手機客戶端對返回的信息進行解析,從而得到原始的路網數據,進行坐標轉換處理后,利用高德地圖覆蓋層API在高德地圖圖層上繪制出相應路段信息的虛擬VMS,最終完成實時交通狀態(tài)在虛擬VMS上的發(fā)布。

4 相關實驗

4.1 實驗環(huán)境

在實驗中,DVMMS服務器端的基本硬件配置為2.4 GHz酷睿i5 2430M雙核CPU,6 GB內存,后臺軟件為Apache,后臺程序用PHP編寫。移動客戶端使用的設備為google Nexus 7平板電腦,其基本配置為1.3 GHz Tegra3 CPU,1 GB的RAM以及16 GB的ROM,Android 4.1操作系統(tǒng)。此外,地圖相關部分的開發(fā)采用高德地圖 Android API V2.0.4版本。

通過實驗,測量地圖匹配的準確率以及地圖VMS路網規(guī)劃的有效性,從而證明DVVMS可以準確高效為用戶提供實時交通狀態(tài)信息。

4.2 實驗分析

實驗1 地圖匹配準確率實驗

實驗1目的是測量地圖匹配結果的準確率。實驗中,將隨機選取的1 000個經過標注的樣本點平均分為5組分別進行地圖匹配,將匹配結果與實際標注結果進行對比,統(tǒng)計每組匹配的準確率。實驗結果如圖8所示。

圖8 地圖匹配實驗結果

通過實驗可知,這5組實驗的結果的準確性均在95%以上,說明大部分都能正確匹配,其中匹配不成功的原因主要是交叉口處樣本點的模糊性,所謂模糊性是指當車輛駛出某一路口,通過交叉口進入另一路段前過程中,其所處路段的不明確性,不僅表現在標注過程中的誤差,同時也會造成匹配結果誤差,從而導致其結果與實際的標注值不同。此外,如果用戶所處環(huán)境復雜,GPS衛(wèi)星信號以及移動設備中測量用戶運動方向的傳感器受到干擾,導致采集結果的出現較大的誤差,從而最終導致地圖匹配的失敗。

實驗2 路網規(guī)劃有效性實驗

實驗2主要是用來測量DVVMS系統(tǒng)中的路網規(guī)劃技術能否提供用戶有效的信息;當傳統(tǒng)移動終端的發(fā)布方式包含相同2個路段時,比較兩者發(fā)布總的發(fā)布路段的總數量,較低發(fā)布數量說明具有較高的效率。以上海路網為例,如圖9所示。

圖9 路網規(guī)劃有效性實驗設計的路徑

實驗路徑為圖中虛線,起點為永福路和湖南路交叉口,終點為烏魯木齊中路和長樂路交叉口,途經的路段為永福路1、永福路2、五原路3、烏魯木齊中路4、烏魯木齊中路5,路段名后面數字為路段編號。

圖10為當用戶分別在永福路1、永福路2、五原路3和烏魯木齊中路4上時,產生的虛擬VMS效果。表1為動態(tài)虛擬誘導系統(tǒng)與傳統(tǒng)發(fā)布方式效率對比。

表1中第1級路段表示用戶在當前路段所要通過的下一條路段;第2級路段為經過第一級路段選擇的下一條路段;是否有效列表示用戶所規(guī)劃的路段是否包含在虛擬誘導屏內;傳統(tǒng)方式發(fā)布路段數量是通過至少包含該兩級路段時,發(fā)布的總路段數量的平均值來測量的。

圖10 DVVMS在不同路段產生的效果

表1 路網規(guī)劃有效性實驗

通過表1可以發(fā)現,DVVMS發(fā)布路段的數量在沒有遺漏用戶所選擇路段的情況下,較傳統(tǒng)發(fā)布方式平均減少了70%,說明該發(fā)布方式具有更高的效率,這是由于DVVMS的路網拓撲規(guī)劃是有針對性的根據用戶所在路段來規(guī)劃所要發(fā)布路段,排除了不必要發(fā)布的路段。不僅如此,傳統(tǒng)發(fā)布方式發(fā)布至少上面所述兩級路段,需要經過多次的手工調整,否則,其發(fā)布路段數量將會更多,而手工調整在駕駛員的行駛過程中是十分不便的。

5 結束語

本文提出了一種虛擬交通誘導屏的動態(tài)規(guī)劃方法。該方法利用終端設備采集用戶所處的環(huán)境數據,過濾多余的道路,為用戶提供更具細粒度、更符合用戶需求路段的實時交通狀態(tài)信息。該方法的主要創(chuàng)新點包括:(1)通過利用用戶環(huán)境數據和地圖匹配算法提高定位精確度;(2)通過路網規(guī)劃精簡發(fā)布內容;(3)數據交換技術以及坐標轉換保證系統(tǒng)的適用范圍;(4)通過地圖匹配準確性實驗和路網規(guī)劃有效性實驗證明了動態(tài)虛擬交通誘導系統(tǒng)較傳統(tǒng)交通狀態(tài)發(fā)布方式,在定位精度方面更加精確,在發(fā)布內容方面更簡潔。基于上述研究,下一步計劃引入更多用戶環(huán)境參數,并與用戶歷史數據結合,量化用戶對每一條道路的需求度,過濾用戶不關心的道路數據,更進一步減少發(fā)布的信息量,提高系統(tǒng)的發(fā)布效率。

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編輯 索書志

A Dynamic Virtual Traffic Guidance System Based on Location Service

CHEN Jin-long,XIA Ying-jie
(Hangzhou Institute of Service Engineering,Hangzhou Normal University,Hangzhou 311121,China)

Traffic guidance system is a method publishing the processed traffic data in a public platform and as a reference for the user to select the path.Amount of information user receiving in a short time,not only a effects the identify rate of information,but also distracts the driver’s attention,threats to their safety.Aiming at this problem,a system is proposed with a method of road network dynamic programming.With the environmental data of users and mapmatching algorithm to improve the accuracy of locate position.the method of road network dynamic programming is involved into this system to reduce the unnecessary road status information,and the data exchange technology and coordinate transformation are used to improve system performance at the application of the mobile terminal.Experimental results show that the system can prove the positioning accuracy rate is above 95%,and compared with the traditional method of publication,which can effectively reduce the amount of information published by 70%.

Variable Message Signs(VMS);traffic guidance;virtual;map-matching;mobile terminal

1000-3428(2014)10-0296-08

A

TP391

10.3969/j.issn.1000-3428.2014.10.055

國家自然科學基金資助項目(61002009);浙江省科技計劃基金資助重大項目(2012C01035-1);浙江省自然科學基金資助重點項目(LZ13F020004)。

陳金龍(1988-),男,碩士研究生,主研方向:智能交通系統(tǒng);夏瑩杰(通訊作者),副教授、博士。

2013-07-22

2013-09-29E-mail:kinglong_chen@163.com

中文引用格式:陳金龍,夏瑩杰.一種基于位置服務的動態(tài)虛擬交通誘導系統(tǒng)[J].計算機工程,2014,40(10):296-303.

英文引用格式:Chen Jinlong,Xia Yingjie.A Dynamic Virtual Traffic Guidance System Based on Location Service[J]. Computer Engineering,2014,40(10):296-303.