基于道路擁堵信息的公交出行規(guī)劃系統(tǒng)

陶 杰，盧巖文，朱 琪，錢國(guó)棟，徐本亮，陸麗芳

（浙江清華長(zhǎng)三角研究院先進(jìn)制造技術(shù)研究所，浙江 嘉興314000）

0 引言

優(yōu)先發(fā)展公共交通已經(jīng)成為城市交通發(fā)展的必然選擇，是緩解城市交通問(wèn)題的一種有效方法[1]。當(dāng)前道路擁堵情況增多，如何利用道路擁堵信息引導(dǎo)公眾選擇合適的出行方案，避開(kāi)道路擁堵，提高出行效率，是公交信息服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)的任務(wù)之一，具有重要的實(shí)用價(jià)值。

對(duì)于公交出行的路徑規(guī)劃已經(jīng)有很多研究，主要圍繞路徑算法及其優(yōu)化展開(kāi)。如李文勇等[2]提出公交出行路徑的螞蟻算法；蘇瑩等[3]改進(jìn)了最短路徑算法；何勝學(xué)等[4]給出了公交網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)求解算法。已有研究主要針對(duì)靜態(tài)公交信息展開(kāi)，結(jié)合實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的道路擁堵信息進(jìn)行優(yōu)化的工作還很少。另外，通過(guò)移動(dòng)通信和智能手機(jī)獲取信息越來(lái)越方便。已有較多面向智能手機(jī)的公交信息系統(tǒng)研發(fā)工作，如魯斌[5]、李元元[6]等分別開(kāi)發(fā)了基于Android的公交信息系統(tǒng)。

由于道路擁堵情況是動(dòng)態(tài)變化的，其變化影響著出行時(shí)間和出行效率，所以即使是熟悉當(dāng)?shù)毓坏娜?，依然需要道路擁堵信息?lái)幫助他們進(jìn)行出行方案決策。為此，本系統(tǒng)結(jié)合道路擁堵信息，通過(guò)移動(dòng)通信和智能手機(jī)向公眾提供動(dòng)態(tài)公交出行方案推薦服務(wù)。

1 道路擁堵指數(shù)

針對(duì)道路擁堵，國(guó)內(nèi)外已有較多相關(guān)研究，并建立了一系列的擁堵量化指標(biāo)，這些指標(biāo)可以分為基于公路通行能力手冊(cè)（HCM）的指標(biāo)、基于排隊(duì)論的指標(biāo)和基于出行時(shí)間的指標(biāo)等[7-8]。

本文結(jié)合道路通行數(shù)據(jù)采集的可行性、有效性、實(shí)時(shí)性、方便性，參考公路通行能力手冊(cè)中的V/C指標(biāo)和基于排隊(duì)論的排隊(duì)指標(biāo)分別計(jì)算路段和交叉口的通行狀況，具體如下。

（1）路段指標(biāo)（路段負(fù)荷度D）[7]

式中：Vd指路段實(shí)際交通量；Cd指路段通行能力；D為比值，無(wú)量綱。則該路段的擁堵指數(shù)Id參考祝付玲等[7]的研究，列于表1。

表1 道路擁堵指數(shù)

（2）交叉口指標(biāo)（紅綠燈等待燈次W）

本文提出一種簡(jiǎn)便算法，用于計(jì)算紅綠燈等待燈次W，見(jiàn)式（2）。

式中：W為擁堵車隊(duì)通過(guò)交叉口的紅綠燈等待燈次；q為排隊(duì)長(zhǎng)度；L為排隊(duì)車輛占用長(zhǎng)度；N是一個(gè)綠燈信號(hào)周期內(nèi)通過(guò)交叉口的實(shí)際車輛數(shù)。

通過(guò)監(jiān)控視頻分析可得到q?？紤]城市交通以乘用車為主，根據(jù)我國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布的汽車車型統(tǒng)計(jì)分類標(biāo)準(zhǔn)[9]，輕型客車車長(zhǎng)范圍為：3.5m＜車長(zhǎng)≤7m，同時(shí)考慮等車間距，本文取L=7。通過(guò)與向前3 次平均來(lái)平滑N的值，如式（3）所示。

式中：N0、N-1、N-2分別是最近3 次綠燈信號(hào)周期內(nèi)通過(guò)的車輛數(shù)

參考孫莉芬[10]的研究，將W對(duì)應(yīng)的擁堵指數(shù)Iw整理列于表2。

表2 交叉口擁堵指數(shù)

綜合上述2個(gè)指標(biāo)，出行方案的擁堵指數(shù)T是某一出行方案從起點(diǎn)到終點(diǎn)途經(jīng)的多條路段擁堵?tīng)顩r的綜合反映，如式（4）所示。

式中：n是該出行方案途徑的路段數(shù)量；Id為路段負(fù)荷度D對(duì)應(yīng)的道路擁堵指數(shù)；Iw是紅綠燈等待燈次W對(duì)應(yīng)的擁堵指數(shù)。

2 出行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 傳統(tǒng)的基于B/S架構(gòu)的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的出行系統(tǒng)一般基于B/S架構(gòu)設(shè)計(jì)，采用WEB-GIS 技術(shù)實(shí)現(xiàn)。用戶需要通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)系統(tǒng)來(lái)查詢所需的出行信息。這種設(shè)計(jì)存在的不足是如果用戶通過(guò)電腦上的瀏覽器訪問(wèn)就不能隨時(shí)、隨地獲取所需信息；如果用戶用手機(jī)通過(guò)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)瀏覽、查詢，操作體驗(yàn)不佳，且會(huì)消耗較多的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量。

2.2 基于C/S架構(gòu)的設(shè)計(jì)

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和智能手機(jī)的普及，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和智能手機(jī)獲取信息越來(lái)越方便。本系統(tǒng)采用C/S 架構(gòu)，由服務(wù)器端和手機(jī)客戶端組成。用戶在手機(jī)上運(yùn)行相關(guān)APP 軟件，通過(guò)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)隨時(shí)、隨地的訪問(wèn)系統(tǒng)，獲取所需的出行信息，其中包括最新更新的動(dòng)態(tài)出行信息，如當(dāng)前的道路擁堵指數(shù)。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)與第三方數(shù)據(jù)中心對(duì)接，為手機(jī)客戶端提供服務(wù)，以及完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析和運(yùn)算等功能。手機(jī)客戶端為公眾提供公交站點(diǎn)查詢、線路查詢、出行規(guī)劃方案查詢等。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

第三方數(shù)據(jù)接口是與公安交警數(shù)據(jù)中心對(duì)接，獲取道路實(shí)時(shí)信息。由于目前無(wú)法獲取道路的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)采用模擬數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行。

2.3 系統(tǒng)實(shí)施

服務(wù)器端采用IIS（Internet Information Services，互聯(lián)網(wǎng)信息服務(wù)）、ASP（Active Server Pages）、SQL2008數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。其中，與第三方數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)接口是服務(wù)器端的，負(fù)責(zé)從第三方數(shù)據(jù)中心獲取交通信息數(shù)據(jù)，并按照一定規(guī)則計(jì)算路段擁堵指數(shù)，供出行方案優(yōu)化時(shí)使用。

手機(jī)客戶端以Android 系統(tǒng)為例，進(jìn)行應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)。底層地圖采用百度地圖，上層數(shù)據(jù)均通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)本系統(tǒng)服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3 出行系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的區(qū)域范圍

本系統(tǒng)以浙江省嘉興市部分區(qū)域?yàn)槔M(jìn)行開(kāi)發(fā)，具體為西至中環(huán)東路，南至廣益路，東至亞澳路，北至南溪西路-南溪東路，如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)選取的區(qū)域

通過(guò)資料查閱和實(shí)地測(cè)量，共獲取項(xiàng)目涉及的對(duì)象包括：90 個(gè)公交站點(diǎn)，25 條公交線路，26條道路。

3.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的改進(jìn)

蘇瑩等[3]提出通過(guò)建立公交站點(diǎn)鄰接表來(lái)優(yōu)化存儲(chǔ)方式，提高運(yùn)行效率。原文中“鄰接表”實(shí)際表示的是站點(diǎn)與站點(diǎn)之間的直達(dá)關(guān)系，故在本文中將其改稱為“直達(dá)表”。本系統(tǒng)在蘇瑩等文章的基礎(chǔ)之上，從以下兩方面加以改進(jìn)。

（1）原文未區(qū)分公交路線的上行、下行和內(nèi)環(huán)、外環(huán)。本系統(tǒng)將上行、下行和內(nèi)環(huán)、外環(huán)分開(kāi)為兩條記錄來(lái)保存。

（2）考慮公交換乘時(shí)可能通過(guò)步行來(lái)完成，以某站點(diǎn)為中心，在其1 000m 半徑范圍內(nèi)，查找其他鄰近站點(diǎn)，并計(jì)算步行距離，建立站點(diǎn)鄰接表。

如上所述，表3為直達(dá)表。以第一行為例，表示站點(diǎn)編號(hào)為1 和3 的站點(diǎn)是經(jīng)過(guò)線路編號(hào)為1 的公交線路直達(dá)的，兩個(gè)站點(diǎn)距離為632m。

表3 公交站點(diǎn)之間的站點(diǎn)直達(dá)表

表4為鄰接表，以第一行為例，表示站點(diǎn)編號(hào)為1 和2 的站點(diǎn)步行距離小于1 000m，屬于鄰接表，實(shí)際距離為92m。

表4 公交站點(diǎn)步行鄰接表

3.3 出行方案的算法

根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)的特性，在計(jì)算出行方案時(shí)，通過(guò)建立數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)聯(lián)查詢視圖來(lái)實(shí)現(xiàn)出行方案的搜索。

1次換乘的具體實(shí)現(xiàn)方法如下。

第一步：確定起點(diǎn)和終點(diǎn)。用戶在手機(jī)端提交起點(diǎn)和終點(diǎn)，服務(wù)器端通過(guò)文字或地理空間位置查找匹配的起點(diǎn)和終點(diǎn)公交站。查找到的公交站點(diǎn)如果不唯一，則將相關(guān)站點(diǎn)反饋給用戶，由用戶指定唯一的起點(diǎn)站和終點(diǎn)站。

第二步：查找直達(dá)方案。利用上述公交直達(dá)表，直接查找是否有直達(dá)的出行方案。若有，則列出；若無(wú)，則進(jìn)行下一步。

第三步：查找1 次換乘。利用公交直達(dá)表，查找從起點(diǎn)可以直達(dá)的所有站點(diǎn)，將這些站點(diǎn)作為換乘的起點(diǎn)，再在直達(dá)表中逐個(gè)查找是否有到終點(diǎn)的直達(dá)方案。若有，則該站點(diǎn)即為1 次換乘點(diǎn)，并列出該出行方案；若無(wú)，則進(jìn)行下一步。

第四步：查找1次步行換乘。查找起點(diǎn)可以直達(dá)的所有站點(diǎn)，用這些站點(diǎn)在鄰接表中查找通過(guò)步行可以換乘的所有站點(diǎn)，將這些站點(diǎn)作為步行換乘后的起點(diǎn)，按第三步的方法，逐個(gè)查找是否有到達(dá)終點(diǎn)的直達(dá)出行方案。若有，則該站點(diǎn)為1次步行換乘點(diǎn)，將該出行方案列出；若無(wú)，則進(jìn)行下一步。

2 次換乘的方法類似。在本系統(tǒng)中未考慮3 次及以上換乘方法，故不再討論。

通過(guò)運(yùn)算，列出所有出行方案后，為每種方案匹配途經(jīng)的道路數(shù)據(jù)，合計(jì)每種方案途經(jīng)道路的擁堵指數(shù)。合計(jì)指數(shù)越大，說(shuō)明該方案途經(jīng)道路擁堵情況越嚴(yán)重。根據(jù)通行指數(shù)從小到大的順序?qū)⒊鲂蟹桨竿扑]展示給用戶。

3.4 出行系統(tǒng)實(shí)例

系統(tǒng)主要功能有公交站點(diǎn)查詢、公交線路查詢以及出行方案查詢。以浙江清華長(zhǎng)三角研究院為起點(diǎn)，南湖區(qū)政府為終點(diǎn)的出行方案查詢?yōu)槔?，分別輸入起點(diǎn)站和終點(diǎn)站，點(diǎn)搜索按鈕，提交查詢條件給服務(wù)器。服務(wù)器系統(tǒng)根據(jù)提交的起點(diǎn)和終點(diǎn)，計(jì)算并反饋出行方案給客戶端。如圖3所示，在每一種方案后面有擁堵指數(shù)信息，其中，0表示通暢，3表示中度擁堵，5表示途經(jīng)路段有嚴(yán)重?fù)矶虑闆r。據(jù)此，公眾可以選擇避開(kāi)道路擁堵的出行方案。

圖3 出行方案展示

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)當(dāng)前道路擁堵增多的情況，本文結(jié)合道路擁堵信息對(duì)公交出行規(guī)劃系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。實(shí)踐表明，本系統(tǒng)貼合實(shí)際情況，能引導(dǎo)出行者避開(kāi)擁堵路段，提高出行效率，可為公眾提供更豐富、更全面的信息，也更具實(shí)用價(jià)值，能提高公交系統(tǒng)服務(wù)水平，有助于引導(dǎo)公眾選擇公交出行方式。

本文所用的道路擁堵數(shù)據(jù)為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，僅反映當(dāng)前道路通行狀況，沒(méi)有考慮擁堵發(fā)生時(shí)間和持續(xù)時(shí)間，因而在引導(dǎo)公眾選擇公交出行方案時(shí)仍存在較大的局限性。因此，有待進(jìn)一步深入開(kāi)展針對(duì)道路擁堵的預(yù)測(cè)研究，例如如何利用安裝在道路上的傳感器、視頻監(jiān)測(cè)等設(shè)備獲取的海量道路通行數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與挖掘，特別是經(jīng)常發(fā)生的、具有周期性的道路擁堵，研究造成其擁堵的影響因素、發(fā)生時(shí)間、持續(xù)時(shí)間等，進(jìn)一步預(yù)測(cè)擁堵的起止時(shí)間，最大程度滿足公眾對(duì)公共出行信息的全面獲取，幫助其優(yōu)化出行規(guī)劃。這將在原有道路基礎(chǔ)設(shè)施不改善的情況下，引導(dǎo)公眾選擇合適的出行方案，充分利用道路資源，改善城市道路通行水平和城市環(huán)境。

[1] 王遠(yuǎn)，石琴.公交優(yōu)先——現(xiàn)代城市交通發(fā)展的必然選擇[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化，2005（1）：113-116.

[2] 李文勇，王煒，陳學(xué)武.公交出行路徑螞蟻算法[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2004，4（4）：102-105.

[3] 蘇瑩，王英杰，余卓淵.一種建立公交網(wǎng)絡(luò)的最短路徑改進(jìn)算法[J].地球信息科學(xué)，2005，7（2）：99-104.

[4] 何勝學(xué)，范炳全.公交網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)路徑求解算法[J].交通運(yùn)輸工程與信息學(xué)報(bào)，2007，5（1）：22-27.

[5] 李元元，賈璐.基于Android 平臺(tái)的手機(jī)終端公交查詢系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2013（6）：159-161.

[6] 魯斌. Android 手機(jī)查詢公交信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2012.

[7] 祝付玲，王曦，鄧衛(wèi).城市道路交通擁堵評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究[D].南京：東南大學(xué)，2006.

[8] 楊永輝，黃磊，劉昌平.基于視頻分析的車輛排隊(duì)長(zhǎng)度檢測(cè)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2011，28（3）：1037-1041.

[9] 商務(wù)部市場(chǎng)建設(shè)司.中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)關(guān)于汽車車型統(tǒng)計(jì)新分類解讀[EB/OL].(2005-11-24)[2005-11-24].http://scjss.mofcom.gov.cn/aarticle/bz/jingjxx/200511/20051100 863661.html.

[10] 孫莉芬. 城市交通擁擠疏導(dǎo)決策支持系統(tǒng)的研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2005.