青奧會地面公交優(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動會。此前，為保障青奧會期間公共交通順暢及青奧專用車輛的無障礙通行，南京市交通管理相關(guān)的多個部門聯(lián)合進(jìn)行了《交通信號聯(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，公交車輛的實時定位信息、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)計與研發(fā)，將該信息采集分析系統(tǒng)的工作原理和最終運行效果進(jìn)行論述。

公交優(yōu)先；信息采集分析；交通信號控制；北斗；GPS；青奧會

0 引 言

2014年8月，南京市成功舉辦第二屆青年奧運會。在此之前，為保障南京青奧會期間公共交通順暢，南京市交通管理局、南京市交通運輸局及南京市公共交通集團(tuán)等多個部門聯(lián)合進(jìn)行《交通信號聯(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”的重點工程之一。目前南京市江南六區(qū)697個燈控路口未實現(xiàn)統(tǒng)一的聯(lián)網(wǎng)控制，無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；未實現(xiàn)地面公交的信號優(yōu)先控制；缺乏針對公交車輛通行的高精度實時檢測設(shè)備和完善的交叉口流量檢測設(shè)備。為了緩解目前南京市中心城區(qū)道路交通壓力，保障青奧會期間交通的平穩(wěn)運行，迫切需要采用現(xiàn)代化的技術(shù)手段來對城市交通進(jìn)行更有效的管理和控制，研發(fā)與城市機(jī)動化發(fā)展相適應(yīng)的先進(jìn)的公交優(yōu)先信號控制技術(shù)，緩解南京市的道路擁堵狀況。大量公交車輛的動態(tài)位置監(jiān)控、記錄、分析研判是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)。文中作者在該項目中負(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)合江蘇省測繪局CORS站進(jìn)行差分校正，保證定位精度在亞米級別，準(zhǔn)確定位車輛地理位置、速度、時間等參數(shù)。數(shù)據(jù)上報時間頻率為1HZ。

(2)RFID觸發(fā)信息

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

(3)路口擁堵信息

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

(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)車流量檢測器，數(shù)據(jù)實時存入數(shù)據(jù)庫，信息采集分析系統(tǒng)定時分析道路狀況，用來監(jiān)控路段的通行情況，當(dāng)出現(xiàn)擁堵狀況時，進(jìn)行交通流疏導(dǎo)的信號控制方案，不再進(jìn)行公交優(yōu)先的信號控制策略。

(5)地理信息

系統(tǒng)中需要處理大量地理信息。通過亞米級精度的RTK進(jìn)行定位測量，采集各個路口、路段處的車輛通過檢測區(qū)域，通過車輛位置與檢測區(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

采集到的時間需要進(jìn)行分析后輸出以下分析結(jié)果。

(1)?？空酒骄？繒r間。

(2)道路交叉口平均通過時間。

(3)兩交叉口間路段平均通行時間。

(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)車輛未來一段時間內(nèi)的位置范圍。

以上分析結(jié)果均存入數(shù)據(jù)庫中，為地面公交信號控制系統(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，定位終端實時上報的數(shù)據(jù)格式參考NEMA-1083國際標(biāo)準(zhǔn)，如下所示

$CLXX,設(shè)備編號,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。使用前需要對電文內(nèi)容進(jìn)行重新解碼，過程較繁瑣，可參考RTCM3.x的數(shù)據(jù)格式說明，文中不再贅述。

車輛在系統(tǒng)中所包含的數(shù)據(jù)項包括以下幾方面。

(1)前方路口：車輛即將通過的路口編碼。

(2)后方路口：車輛上一通過路口的編碼。

(3)后方路口駛?cè)霑r間：車輛進(jìn)入上一路口的時間。

(4)后方路口駛出時間：車輛駛出上一路口的時間。

(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、位置、位置更新時間等。

根據(jù)以上信息可以計算兩個交叉口間路段的平均通過時間，可以為車輛位置預(yù)測提供數(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。通過車輛的進(jìn)站、出站信號，能夠計算車輛的平均靠站時間，提高車輛位置預(yù)測的精度。

(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，用于檢測車輛到達(dá)路口的信號，提供給信號控制子系統(tǒng)判斷是否調(diào)整信號燈配時策略。

(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)信息實時上傳至信號控制子系統(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)。

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

對于某輛公交車輛從駛離起點公交場站到進(jìn)入終點公交場站整個過程中，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)域的時間，可以計算路口的平均通過時間、公交?？空镜钠骄？繒r間。

2.3 車輛位置預(yù)測

在地面交通信號控制系統(tǒng)中，需要根據(jù)公交車輛位置動態(tài)進(jìn)行信號配時方案的優(yōu)化與調(diào)整。公交車輛未來一段時間內(nèi)在市域空間上的分布情況，對配時方案的優(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)測出車輛五分鐘后位置的分布范圍。具體預(yù)測流程如圖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GPRS無線網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)建立SOCKET連接，每秒鐘發(fā)送實時定位信息，定位信息經(jīng)過差分處理達(dá)到亞米級精度后，定時存入數(shù)據(jù)庫，瞬時存入數(shù)據(jù)約為100條/s，每天記錄的數(shù)據(jù)記錄數(shù)在1 000萬條以上，屬于海量數(shù)據(jù)存儲，因此需要針對數(shù)據(jù)存儲的效率和性能進(jìn)行優(yōu)化，保證數(shù)據(jù)記錄延時在1 s以內(nèi)。

信息采集分析系統(tǒng)根據(jù)定位信息實時研判車輛進(jìn)入觸發(fā)區(qū)域的情況、計算車輛前方路口、后方路口，并定時預(yù)測5 min后車輛的空間位置。地面交通信號控制系統(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配時方案。

以下為信息采集分析系統(tǒng)與公交優(yōu)先信號控制系統(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)、通過時間及平均車速的對比情況。

圖4 五分鐘后公交車輛位置預(yù)測流程圖

圖5 青奧會地面公交優(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)先前后車輛通過時間對比

表3 水西門大街公交優(yōu)先前后平均車速對比

根據(jù)對比結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在實施公交優(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)運行后問卷調(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多個路口設(shè)置紅綠燈。系統(tǒng)建成后，將通過衛(wèi)星定位技術(shù)監(jiān)控公交車輛的實時位置，通過系統(tǒng)實時監(jiān)控交叉口交通狀況等交通信息，對快速公交運營車輛實時提供信號優(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，實現(xiàn)未來10 000輛車輛，1 000個路口的信號智能控制，保證公共車輛的優(yōu)先。

4 結(jié) 語

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

南京市為長三角地區(qū)重鎮(zhèn)，在全國范圍具有較強(qiáng)的影響力，該城市公交優(yōu)先控制策略的實施，對于周邊地區(qū)甚至全國范圍內(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)接下來的升級工作中，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)的升級中來，實時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)。

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[4] 張德山，李海浩.海量數(shù)據(jù)存儲管理方法的研究.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

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1008-3383(2015)09-0157-03