青奧會(huì)地面公交優(yōu)先信息采集分析系統(tǒng)研究

杜 洋,劉晏然

(1. 中國(guó)電子科技集團(tuán)第二十八研究所;2.阿特拉斯科普柯(南京)礦山設(shè)備有限公司)

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管理及其他

青奧會(huì)地面公交優(yōu)先信息采集分析系統(tǒng)研究

杜 洋1,劉晏然2

(1. 中國(guó)電子科技集團(tuán)第二十八研究所;2.阿特拉斯科普柯(南京)礦山設(shè)備有限公司)

2014年8月，南京市成功舉辦第二屆青年奧林匹克運(yùn)動(dòng)會(huì)。此前，為保障青奧會(huì)期間公共交通順暢及青奧專用車輛的無(wú)障礙通行，南京市交通管理相關(guān)的多個(gè)部門聯(lián)合進(jìn)行了《交通信號(hào)聯(lián)網(wǎng)與地面公交優(yōu)先控制系統(tǒng)》的建設(shè)。在該系統(tǒng)中，公交車輛的實(shí)時(shí)定位信息、交通流量信息、道路通行狀況等多種信息的采集和分析是整個(gè)工作流程的基礎(chǔ)。根據(jù)公交優(yōu)先信息采集分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研發(fā)，將該信息采集分析系統(tǒng)的工作原理和最終運(yùn)行效果進(jìn)行論述。

公交優(yōu)先；信息采集分析；交通信號(hào)控制；北斗；GPS；青奧會(huì)

0 引 言

2014年8月，南京市成功舉辦第二屆青年奧運(yùn)會(huì)。在此之前，為保障南京青奧會(huì)期間公共交通順暢，南京市交通管理局、南京市交通運(yùn)輸局及南京市公共交通集團(tuán)等多個(gè)部門聯(lián)合進(jìn)行《交通信號(hào)聯(lián)網(wǎng)與地面公交優(yōu)先控制系統(tǒng)》的建設(shè)。

該系統(tǒng)是南京“智能交通”的重點(diǎn)工程之一。目前南京市江南六區(qū)697個(gè)燈控路口未實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的聯(lián)網(wǎng)控制，無(wú)法在交通控制指揮中心進(jìn)行統(tǒng)一的管控調(diào)度，遠(yuǎn)程控制；未實(shí)現(xiàn)地面公交的信號(hào)優(yōu)先控制；缺乏針對(duì)公交車輛通行的高精度實(shí)時(shí)檢測(cè)設(shè)備和完善的交叉口流量檢測(cè)設(shè)備。為了緩解目前南京市中心城區(qū)道路交通壓力，保障青奧會(huì)期間交通的平穩(wěn)運(yùn)行，迫切需要采用現(xiàn)代化的技術(shù)手段來(lái)對(duì)城市交通進(jìn)行更有效的管理和控制，研發(fā)與城市機(jī)動(dòng)化發(fā)展相適應(yīng)的先進(jìn)的公交優(yōu)先信號(hào)控制技術(shù)，緩解南京市的道路擁堵?tīng)顩r。大量公交車輛的動(dòng)態(tài)位置監(jiān)控、記錄、分析研判是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。文中作者在該項(xiàng)目中負(fù)責(zé)各類相關(guān)信息的采集、融合分析研判系統(tǒng)的研發(fā)工作，下文將就公交優(yōu)先信息采集分析系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱信息采集分析系統(tǒng))的工作原理進(jìn)行論述。

1 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

系統(tǒng)中需要進(jìn)行采集分析的數(shù)據(jù)包括以下幾類。

(1)車輛定位信息

車輛定位信息由車載定位終端獲取，使用GPS、北斗雙模定位設(shè)備。在GPS的定位盲區(qū)，使用北斗定位系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充。定位信息結(jié)合江蘇省測(cè)繪局CORS站進(jìn)行差分校正，保證定位精度在亞米級(jí)別，準(zhǔn)確定位車輛地理位置、速度、時(shí)間等參數(shù)。數(shù)據(jù)上報(bào)時(shí)間頻率為1HZ。

(2)RFID觸發(fā)信息

車輛定位終端通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與中心進(jìn)行通訊，在有遮擋或基站較少的地區(qū)，會(huì)出現(xiàn)無(wú)線通訊的盲區(qū)，在這些地段設(shè)立了電子標(biāo)簽RFID采集點(diǎn)，獲取車輛通過(guò)信息。車輛通過(guò)信息實(shí)時(shí)發(fā)送至信息采集分析系統(tǒng)。

(3)路口擁堵信息

通過(guò)視頻檢測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控路口的車輛通行情況，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，信息采集分析系統(tǒng)定時(shí)分析道路狀況，當(dāng)路口出現(xiàn)擁堵時(shí)，分析結(jié)果通知到信號(hào)控制系統(tǒng)，啟動(dòng)擁堵處置方案，不再進(jìn)行公交優(yōu)先的信號(hào)控制策略。

(4)路段車流量信息

在需要監(jiān)控的路段設(shè)置地磁或雷達(dá)車流量檢測(cè)器，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，信息采集分析系統(tǒng)定時(shí)分析道路狀況，用來(lái)監(jiān)控路段的通行情況，當(dāng)出現(xiàn)擁堵?tīng)顩r時(shí)，進(jìn)行交通流疏導(dǎo)的信號(hào)控制方案，不再進(jìn)行公交優(yōu)先的信號(hào)控制策略。

(5)地理信息

系統(tǒng)中需要處理大量地理信息。通過(guò)亞米級(jí)精度的RTK進(jìn)行定位測(cè)量，采集各個(gè)路口、路段處的車輛通過(guò)檢測(cè)區(qū)域，通過(guò)車輛位置與檢測(cè)區(qū)域的匹配，分析車輛所處的路段，周邊的道路狀況等內(nèi)容。

2 分析模型

采集到的時(shí)間需要進(jìn)行分析后輸出以下分析結(jié)果。

(1)?？空酒骄？繒r(shí)間。

(2)道路交叉口平均通過(guò)時(shí)間。

(3)兩交叉口間路段平均通行時(shí)間。

(4)車輛駛?cè)?、駛出路口、?？空炯奥范斡|發(fā)區(qū)域(路口停車線前觸發(fā)區(qū)域)的觸發(fā)信息。

(5)車輛未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的位置范圍。

以上分析結(jié)果均存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，為地面公交信號(hào)控制系統(tǒng)的控制方案優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。

2.1 車輛數(shù)據(jù)模型

為保證車輛定位信息的精度，系統(tǒng)采用江蘇省CORS提供的基站信息進(jìn)行偽距差分，定位終端實(shí)時(shí)上報(bào)的數(shù)據(jù)格式參考NEMA-1083國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，如下所示

$CLXX,設(shè)備編號(hào),速度*hhCRLF

$GPGGA,060815.00,3956.64797000,N,11618.020770000,E,1,06,1.26,00113,M,-006,M,,*42CRLF

$GPGSA, A,3,14,15,05,22,18,26,,,,,,,2.1,1.2,1.7*3D CRLF

$GPGPD,101110000000.0000000,0,06,240313064,23707847.969 ,20260405.820 ,20904648.086 ,21670752.102 ,21253101.992 ，20253101.092CRLF

江蘇省CORS站每秒鐘發(fā)送參考基站的星歷、偽距等差分所需信息，使用目前最新的RTCM3.x電文編碼格式進(jìn)行傳送。使用前需要對(duì)電文內(nèi)容進(jìn)行重新解碼，過(guò)程較繁瑣，可參考RTCM3.x的數(shù)據(jù)格式說(shuō)明，文中不再贅述。

車輛在系統(tǒng)中所包含的數(shù)據(jù)項(xiàng)包括以下幾方面。

(1)前方路口：車輛即將通過(guò)的路口編碼。

(2)后方路口：車輛上一通過(guò)路口的編碼。

(3)后方路口駛?cè)霑r(shí)間：車輛進(jìn)入上一路口的時(shí)間。

(4)后方路口駛出時(shí)間：車輛駛出上一路口的時(shí)間。

(5)所在路段：車輛所在的路段編碼。

(6)車輛基礎(chǔ)信息：車輛的編號(hào)、位置、位置更新時(shí)間等。

根據(jù)以上信息可以計(jì)算兩個(gè)交叉口間路段的平均通過(guò)時(shí)間，可以為車輛位置預(yù)測(cè)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.2 車輛觸發(fā)判斷

根據(jù)公交信號(hào)優(yōu)先控制業(yè)務(wù)需求，將觸發(fā)區(qū)域分為以下四種類型：

(1)場(chǎng)站觸發(fā)區(qū)域(行駛方向觸發(fā)區(qū)域)：用于判斷公交車輛行駛方向(上行或下行)。

(2)?？空居|發(fā)區(qū)域：用于判斷公交車輛進(jìn)站或出站。通過(guò)車輛的進(jìn)站、出站信號(hào)，能夠計(jì)算車輛的平均靠站時(shí)間，提高車輛位置預(yù)測(cè)的精度。

(3)路段觸發(fā)區(qū)域(路口停車線前觸發(fā)區(qū)域)：道路交叉口進(jìn)口道前約150 m的范圍，用于檢測(cè)車輛到達(dá)路口的信號(hào)，提供給信號(hào)控制子系統(tǒng)判斷是否調(diào)整信號(hào)燈配時(shí)策略。

(4)路口內(nèi)觸發(fā)區(qū)域：用于判斷公交車輛在綠燈期間是否通過(guò)該路口。

系統(tǒng)功能要求根據(jù)公交車輛當(dāng)前位置坐標(biāo)，利用觸發(fā)區(qū)域的包絡(luò)矩形，判斷公交車輛是否在上述某一類型的觸發(fā)區(qū)域內(nèi)。若是，則捕獲相關(guān)信息生成該觸發(fā)類型的觸發(fā)信息，將該觸發(fā)信息實(shí)時(shí)上傳至信號(hào)控制子系統(tǒng)。

圖1 公交車觸發(fā)區(qū)域示意圖

觸發(fā)區(qū)域分為上述四種類型，公交車行駛方向分為上行和下行，每條公交線路有若干個(gè)不同類型的觸發(fā)區(qū)域，如何有效的組織、管理觸發(fā)區(qū)域數(shù)據(jù)是快速觸發(fā)判斷的關(guān)鍵。所有觸發(fā)區(qū)域按公交線路進(jìn)行組織管理，某條公交線路上所有觸發(fā)區(qū)域數(shù)據(jù)組織方式如圖2所示(TR表示觸發(fā)區(qū)域，NODE表示線路分段子結(jié)點(diǎn))。

圖2 某條公交線路上所有觸發(fā)區(qū)域數(shù)據(jù)組織示意圖

對(duì)于某輛公交車輛從駛離起點(diǎn)公交場(chǎng)站到進(jìn)入終點(diǎn)公交場(chǎng)站整個(gè)過(guò)程中，觸發(fā)判斷流程圖如圖3所示。

根據(jù)車輛進(jìn)入觸發(fā)區(qū)域、駛出觸發(fā)區(qū)域的時(shí)間，可以計(jì)算路口的平均通過(guò)時(shí)間、公交?？空镜钠骄？繒r(shí)間。

2.3 車輛位置預(yù)測(cè)

在地面交通信號(hào)控制系統(tǒng)中，需要根據(jù)公交車輛位置動(dòng)態(tài)進(jìn)行信號(hào)配時(shí)方案的優(yōu)化與調(diào)整。公交車輛未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)在市域空間上的分布情況，對(duì)配時(shí)方案的優(yōu)化有著重要意義。根據(jù)車輛當(dāng)前的位置、速度等信息，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)和路網(wǎng)數(shù)據(jù)，能夠較準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出車輛五分鐘后位置的分布范圍。具體預(yù)測(cè)流程如圖4所示。

圖3 公交車進(jìn)入駛出觸發(fā)區(qū)域研判流程圖

3 研究成果

信息采集分析系統(tǒng)運(yùn)行界面如(圖5)所示，終端定位設(shè)備安裝在公交車頂部，通過(guò)GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)建立SOCKET連接，每秒鐘發(fā)送實(shí)時(shí)定位信息，定位信息經(jīng)過(guò)差分處理達(dá)到亞米級(jí)精度后，定時(shí)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，瞬時(shí)存入數(shù)據(jù)約為100條/s，每天記錄的數(shù)據(jù)記錄數(shù)在1 000萬(wàn)條以上，屬于海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，因此需要針對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的效率和性能進(jìn)行優(yōu)化，保證數(shù)據(jù)記錄延時(shí)在1 s以內(nèi)。

信息采集分析系統(tǒng)根據(jù)定位信息實(shí)時(shí)研判車輛進(jìn)入觸發(fā)區(qū)域的情況、計(jì)算車輛前方路口、后方路口，并定時(shí)預(yù)測(cè)5 min后車輛的空間位置。地面交通信號(hào)控制系統(tǒng)與信息采集系統(tǒng)進(jìn)行SOCKET通信，定期獲取所需要的數(shù)據(jù)，依照公交優(yōu)先的控制策略制定路面信號(hào)配時(shí)方案。

以下為信息采集分析系統(tǒng)與公交優(yōu)先信號(hào)控制系統(tǒng)投入使用后選取使用前后2014年7月11日和2014年7月18日(均為周五)的南京市水西門大街公交車輛的停車次數(shù)、通過(guò)時(shí)間及平均車速的對(duì)比情況。

圖4 五分鐘后公交車輛位置預(yù)測(cè)流程圖

圖5 青奧會(huì)地面公交優(yōu)先信息采集系統(tǒng)界面

西向東東向西2014-07-112014-07-182014-07-112014-07-1840282814減少30%減少50%

表2 水西門大街公交優(yōu)先前后車輛通過(guò)時(shí)間對(duì)比

表3 水西門大街公交優(yōu)先前后平均車速對(duì)比

根據(jù)對(duì)比結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在實(shí)施公交優(yōu)先控制策略后，水西門大街的車輛通行狀況有較明顯的改善。根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行后問(wèn)卷調(diào)查公交車司機(jī)及采訪普通民眾后，大多數(shù)受訪者表示實(shí)施公交優(yōu)先控制策略的區(qū)域，公共交通狀況有了較顯著的改善。

目前，南京主城區(qū)擁有約3 500輛公交車，穿全城約600多個(gè)路口設(shè)置紅綠燈。系統(tǒng)建成后，將通過(guò)衛(wèi)星定位技術(shù)監(jiān)控公交車輛的實(shí)時(shí)位置，通過(guò)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控交叉口交通狀況等交通信息，對(duì)快速公交運(yùn)營(yíng)車輛實(shí)時(shí)提供信號(hào)優(yōu)先，可以在市域范圍內(nèi)改善公共出行條件。并且系統(tǒng)可以在網(wǎng)絡(luò)承受的范圍內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)容，實(shí)現(xiàn)未來(lái)10 000輛車輛，1 000個(gè)路口的信號(hào)智能控制，保證公共車輛的優(yōu)先。

4 結(jié) 語(yǔ)

近年來(lái)我國(guó)城市化進(jìn)程逐步加快,由此也產(chǎn)生了一系列交通問(wèn)題,特別是小汽車快速增長(zhǎng)帶來(lái)的道路資源利用率低、出行成本過(guò)高、交通擁堵、環(huán)境污染、能源緊張等問(wèn)題。同時(shí)我國(guó)城市土地資源稀缺,通過(guò)大量投資修建和延伸城市道路來(lái)滿足快速增長(zhǎng)的交通及出行需求是不切實(shí)際的。因此,解決我國(guó)城市交通問(wèn)題,必須大力發(fā)展運(yùn)量大、占道少、效率高、節(jié)省能源、對(duì)環(huán)境污染小的公共交通模式。

南京市為長(zhǎng)三角地區(qū)重鎮(zhèn)，在全國(guó)范圍具有較強(qiáng)的影響力，該城市公交優(yōu)先控制策略的實(shí)施，對(duì)于周邊地區(qū)甚至全國(guó)范圍內(nèi)的公共交通條件改良，有著重要的借鑒意義。

數(shù)據(jù)基礎(chǔ)是公交優(yōu)先控制策略進(jìn)行方案制定的前提，在信息采集分析系統(tǒng)接下來(lái)的升級(jí)工作中，將向著更深層次的數(shù)據(jù)挖掘、更精準(zhǔn)的車輛位置預(yù)測(cè)以及更高效穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通信等方向進(jìn)行研究。先進(jìn)的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人工智能等多種前沿的研究成果均可能應(yīng)用到信息采集分析系統(tǒng)的升級(jí)中來(lái)，實(shí)時(shí)高效地為提高城市公共交通品質(zhì)提供詳盡準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

[1] 蘭孝奇,張兵良,黃繼紅.GPS偽距差分定位技術(shù)的試驗(yàn)研究[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2004，(3).

[2] 史小雨,程鵬飛,蔡艷輝，等.差分GPS數(shù)據(jù)通信格式RTCM3．1及其解碼算法的實(shí)現(xiàn).測(cè)繪通報(bào)，2012，(6).

[3] 周敏，鄭國(guó)磊，陳樹(shù)林.二維圖形最狹長(zhǎng)包絡(luò)矩形的求解原理及方法.圖學(xué)學(xué)報(bào)，2013，(4).

[4] 張德山，李海浩.海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理方法的研究.信息化研究，2011，(4).

2015-04-20

杜洋(1984-)，男，河南蘭考人，工程師，主要從事智能交通控制相關(guān)軟件的研發(fā)。

U495

C

1008-3383(2015)09-0157-03