基于云服務(wù)的交通量計(jì)算系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

馮惠英，林宇洪

(1.福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 人文社科系，福建 南平 353000;2.福建農(nóng)林大學(xué) 交通與土木工程學(xué)院，福建 福州 350002)

基于云服務(wù)的交通量計(jì)算系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

馮惠英1，林宇洪2

(1.福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 人文社科系，福建 南平 353000;2.福建農(nóng)林大學(xué) 交通與土木工程學(xué)院，福建 福州 350002)

為了提高交通量數(shù)據(jù)采集與計(jì)算能力，基于云服務(wù)設(shè)計(jì)了一個(gè)交通量計(jì)算系統(tǒng)，集中處理全市交通量數(shù)據(jù).應(yīng)用了Windows Mobile智能設(shè)備開發(fā)技術(shù)編寫了手機(jī)端交通量計(jì)數(shù)器程序，通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了交通量原始數(shù)據(jù)的上傳.在云服務(wù)中心，應(yīng)用了Excel VBA二次開發(fā)技術(shù)生成了各種統(tǒng)計(jì)圖表，調(diào)查員在工作中，隨時(shí)可下載統(tǒng)計(jì)圖，了解交叉口的實(shí)時(shí)交通流量、流向等數(shù)據(jù).實(shí)踐證明，該交通量計(jì)算系統(tǒng)擴(kuò)展性良好，能應(yīng)對(duì)大城市交通量計(jì)算需求，能夠推進(jìn)智慧交通、智慧城市的建設(shè).

云服務(wù);交通量;Windows Mobile;VBA

0 引言

交通量處理是對(duì)調(diào)查獲得的原始交通量數(shù)據(jù)通過(guò)復(fù)雜的計(jì)算與分析后，獲得高峰小時(shí)流量流向圖、交通量時(shí)量變化圖、分車型流量比例表，從而分析交通量時(shí)空變化及分布規(guī)律，為交通規(guī)劃、交通控制提供依據(jù)[1].交通量處理的計(jì)算量較大，科研機(jī)構(gòu)通常采用專業(yè)軟件來(lái)完成，例如TransCAD.TransCAD將交通量計(jì)算分析、交通需求預(yù)測(cè)與GIS系統(tǒng)相結(jié)合[2- 3]，功能強(qiáng)大，但是軟硬件成本高，操作難，因此基層人員較少使用此類專業(yè)軟件.基層往往希望能使用輕量級(jí)、便攜、操作簡(jiǎn)單的分析軟件，基于此需求，課題組基于云服務(wù)架構(gòu)開發(fā)了一套交通量計(jì)算系統(tǒng).

1 云服務(wù)架構(gòu)的設(shè)計(jì)

1.1 研究現(xiàn)狀

學(xué)術(shù)界在交通量計(jì)算與分析領(lǐng)域展開了廣泛、深入的研究.長(zhǎng)沙理工大學(xué)胡立輝等人開發(fā)了“公路交通量調(diào)查數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)”，應(yīng)用TCP/IP傳輸協(xié)議實(shí)現(xiàn)了交通量的傳遞，應(yīng)用SQL Server存儲(chǔ)交通量數(shù)據(jù)，應(yīng)用Visual CJHJ.net計(jì)算，輸出Excel格式報(bào)表[4]；福建農(nóng)林大學(xué)丁藝應(yīng)用Visual FoxPro(VFP)進(jìn)行交通量的計(jì)算與分析，并在福清市“暢通工程”規(guī)劃中投入了使用[5]；衡陽(yáng)市公路管理局歐陽(yáng)偉實(shí)現(xiàn)了不同公路的交通量時(shí)變圖的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析[6].以上研究均屬于非實(shí)時(shí)計(jì)算的數(shù)據(jù)處理方式，即調(diào)查員采集全部交通量數(shù)據(jù)后，提交給系統(tǒng)分析，獲得分析結(jié)論.

“智慧交通”要求建立道路交通信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)分析交通量，及時(shí)調(diào)整疏導(dǎo)策略、優(yōu)化紅綠燈配時(shí)、調(diào)配警力[7]，因此傳統(tǒng)的非實(shí)時(shí)計(jì)算方法已不能滿足基層需求.

1.2 架構(gòu)設(shè)計(jì)

課題組嘗試應(yīng)用云服務(wù)理念，把計(jì)算進(jìn)程提升至云端[8]，對(duì)調(diào)查端的軟硬件、操作技能的要求均降低，以方便一線人員的使用[9].

基于云服務(wù)理念，設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示.編寫手機(jī)端交通量采集程序，調(diào)查員在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)車輛按車型計(jì)數(shù)，每個(gè)調(diào)查周期結(jié)束后，手機(jī)端后臺(tái)進(jìn)程自動(dòng)通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)上傳本周期的車輛數(shù)據(jù)，并清空本周期各車型現(xiàn)有數(shù)量，開始下一輪的計(jì)數(shù)工作.云服務(wù)中心接收到本周期各調(diào)查點(diǎn)發(fā)來(lái)的交通量采集數(shù)據(jù)，存入SQL SERVER數(shù)據(jù)庫(kù)，并隨機(jī)指定一臺(tái)計(jì)算服務(wù)器完成一個(gè)交叉口的計(jì)算分析工作.計(jì)算服務(wù)器調(diào)用Excel的VBA功能生成分析圖表，并將統(tǒng)計(jì)圖導(dǎo)出為JPG格式的圖片，存至數(shù)據(jù)庫(kù)[10].各調(diào)查點(diǎn)可以通過(guò)手機(jī)下載統(tǒng)計(jì)圖，實(shí)時(shí)獲得各交叉口的分析結(jié)論.

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 手機(jī)端開發(fā)

選擇Microsoft Visual Studio 2008的C#.net開發(fā)工具，新建Windows Mobile“智能設(shè)備”項(xiàng)目，編寫“交通量采集”手機(jī)端程序，提供“計(jì)數(shù)”、“下載”、“設(shè)置”三項(xiàng)功能.

每位調(diào)查員負(fù)責(zé)觀察城市干道的交叉口的1個(gè)路口，通過(guò)計(jì)數(shù)界面采集原始的交通量數(shù)據(jù).其中調(diào)查周期、調(diào)查車型、交通流向參數(shù)根據(jù)路口的實(shí)際情況可任意設(shè)置.

計(jì)數(shù)界面見圖2，調(diào)查員觀察途經(jīng)車輛的車型，點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)車型按鈕.程序按調(diào)查周期向云服務(wù)中心的IP地址的指定端口發(fā)送各車型的數(shù)量，每周期結(jié)束時(shí)，清空數(shù)據(jù)，開始新的一輪計(jì)數(shù).以圖2數(shù)據(jù)為例，向云服務(wù)中心上傳的TCP/IP數(shù)據(jù)包內(nèi)容為“20121207068,3,075953,2,4,3,0,0,0,0,2,3,0,0,0,18,31,22,2,4,3,0,0,0,0,0,0,”，其格式為“調(diào)查任務(wù)編號(hào),觀察位置的道口編號(hào),當(dāng)前時(shí)間,(各方向、各車型數(shù)量)”，其含義是“第20121207日的第068個(gè)調(diào)查任務(wù)，本調(diào)查員處在交叉口的3號(hào)道口，周期結(jié)束時(shí)間為07∶59∶53，本周期大型客車左轉(zhuǎn)2輛、直行4輛、右轉(zhuǎn)3輛，……”.云服務(wù)中心收到該數(shù)據(jù)包后，返回“20121207068,3,075953,OK”，表明數(shù)據(jù)已接收.若云端未回應(yīng)，手機(jī)端每隔10 s重發(fā)一次.

圖2 交通量采集

3 云端的開發(fā)

云服務(wù)中心申請(qǐng)固定IP：59.79.234.249，向外網(wǎng)開放端口86.在通訊服務(wù)器上應(yīng)用Socket控件編寫監(jiān)聽程序，收集各調(diào)查員上傳的交通量數(shù)據(jù)，存入SQL SERVER數(shù)據(jù)庫(kù).某交叉口的全部路口當(dāng)前周期的數(shù)據(jù)包接收完畢后，通訊服務(wù)器將隨機(jī)指派一臺(tái)計(jì)算服務(wù)器承擔(dān)該交叉口該周期的計(jì)算工作.計(jì)算服務(wù)器按指令順序，逐個(gè)完成計(jì)算任務(wù)，生成相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)圖表.統(tǒng)計(jì)圖表按調(diào)查任務(wù)編號(hào)命名，回存至數(shù)據(jù)庫(kù)，供各調(diào)查員下載閱讀.

3.1 數(shù)據(jù)流分析

按數(shù)據(jù)流向及計(jì)算過(guò)程繪制數(shù)據(jù)流圖(圖3).數(shù)據(jù)處理階段分為兩個(gè)層次，第一個(gè)層次為路口數(shù)據(jù)處理階段，第二個(gè)層次為交叉口數(shù)據(jù)處理階段，最后獲得一系列分析圖表.

3.1.1 生成VEH表

一個(gè)交叉口的多個(gè)路口手機(jī)端上傳的本周期實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為“15 minVEH表”，形成了整個(gè)數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)源.VEH表指車輛觀測(cè)數(shù)量按調(diào)查周期記錄的原始數(shù)據(jù)表.表中的調(diào)查時(shí)段、調(diào)查車型、調(diào)查周期根據(jù)不同城市特點(diǎn)作適當(dāng)調(diào)整.

3.1.2 單路口計(jì)算階段

將VEH表相鄰4個(gè)周期數(shù)值相加，取最大峰值獲得“單路口高峰小時(shí)VEH表”.將VEH表按小時(shí)累加生成“單路口流量流向小時(shí)VEH表”，并按車型系數(shù)折算成“單路口小時(shí)PCU表”.將VEH表各數(shù)值按相應(yīng)車型系數(shù)換算成標(biāo)準(zhǔn)車型數(shù)值，并求出每15 min時(shí)段各標(biāo)準(zhǔn)車型數(shù)值之和，得到15 min PCU折算值，建立“單路口15 min PCU表”.將這個(gè)表中的連續(xù)4個(gè)15 min的數(shù)值相加，選取其最大值即得“單路口高峰小時(shí)PCU表”.PCU表指各車型觀測(cè)值按車型系數(shù)換算后成標(biāo)準(zhǔn)車型數(shù)值的計(jì)算數(shù)據(jù)表.

3.1.3 交叉口計(jì)算階段

NCA中變換矩陣A的獲取是通過(guò)優(yōu)化留一法交叉檢驗(yàn),并通過(guò)優(yōu)化留一法優(yōu)化NCA分類結(jié)果.在優(yōu)化過(guò)程中,通過(guò)約簡(jiǎn)維數(shù)以減少計(jì)算復(fù)雜度.

以十字交叉口為例，將四個(gè)路口的“單路口高峰小時(shí)VEH表”匯兌，計(jì)算獲得“交叉口高峰小時(shí)流量流向表”，計(jì)算獲得可得“交叉口各車型交通構(gòu)成表”，再計(jì)算獲得“原始車型流量比例表(VEH/h)”.將四個(gè)路口的“小時(shí)PCU計(jì)算表”交叉計(jì)算“交叉口流量流向表”、“交叉口時(shí)量分布表”，最后根據(jù)“交叉口時(shí)量分布表”繪制“交叉口時(shí)量變化圖”.

圖3 交通量計(jì)算數(shù)據(jù)流圖

3.2 軟件開發(fā)

通訊服務(wù)器的監(jiān)聽程序采用Microsoft Visual Studio 2008的C#.net開發(fā)，該語(yǔ)言的網(wǎng)絡(luò)通訊功能較強(qiáng).監(jiān)聽程序采集手機(jī)端上傳的交通量調(diào)查數(shù)據(jù)，并存入數(shù)據(jù)庫(kù).通訊服務(wù)器還承擔(dān)分解、分配計(jì)算任務(wù)的工作.計(jì)算服務(wù)器的計(jì)算程序選擇Microsoft Visual FoxPro 9.0開發(fā)，按通訊服務(wù)器給出的指令順序完成計(jì)算任務(wù)，調(diào)用Excel的VBA二次技術(shù)生成各種統(tǒng)計(jì)圖表，壓縮為JPG圖片.可以脫機(jī)閱讀和傳送，便于手機(jī)端下載查閱.

由圖3可見，交通量計(jì)算軟件的計(jì)算過(guò)程是對(duì)調(diào)查獲得原始數(shù)據(jù)進(jìn)行矩陣計(jì)算和矩陣變換.因?yàn)楦鹘徊婵诘穆房跀?shù)、車型、時(shí)段、調(diào)查周期不同，因此不能預(yù)見矩陣維數(shù).常見的表達(dá)矩陣的開發(fā)方法有：數(shù)據(jù)表、數(shù)組、電子表格.其中電子表格最適合表達(dá)不可預(yù)見維數(shù)的矩陣.而Excel是電子表格類軟件代表，具有VBA二次開發(fā)的能力.所以選擇VFP對(duì)Excel進(jìn)行VBA宏編程[11]，從而動(dòng)態(tài)完成交通量計(jì)算和分析.

Excel提供強(qiáng)大的統(tǒng)計(jì)圖二次開發(fā)功能，充分利用該項(xiàng)功能能降低統(tǒng)計(jì)分析模塊的難度.云服務(wù)系統(tǒng)自動(dòng)生成的統(tǒng)計(jì)圖如圖4所示.

圖4 交通量分析圖

4 系統(tǒng)應(yīng)用

在南平交警支隊(duì)的支持下，系統(tǒng)投入了試用.應(yīng)用表明，手機(jī)端消耗的3G流量小，申請(qǐng)每月5元30 MB的3G流量包，已可滿足需求.在通訊高峰時(shí)段18～20時(shí)，3G數(shù)據(jù)包會(huì)滯后或丟包，滯后通常小于8 s，丟包率小于3.8%.手機(jī)端在服務(wù)端未回應(yīng)時(shí)，每隔10 s重發(fā)上周期的數(shù)據(jù)包，因此計(jì)算結(jié)果最大滯后控制在40 s以內(nèi)，影響不大.系統(tǒng)能夠?yàn)榕R時(shí)手動(dòng)調(diào)整紅綠燈配時(shí)、制定應(yīng)急疏導(dǎo)分流策略提供參考依據(jù).

云服務(wù)架構(gòu)在交通量計(jì)算中具有以下優(yōu)勢(shì)：①計(jì)算能力可彈性調(diào)整.“云”的規(guī)?？梢詣?dòng)態(tài)伸縮，初期計(jì)算量小，兩臺(tái)服務(wù)器即可滿足需求.投入實(shí)用后，計(jì)算壓力增大，通過(guò)簡(jiǎn)單地添加服務(wù)器就能提高云端的計(jì)算能力;②實(shí)現(xiàn)了虛擬化.手機(jī)端不承擔(dān)實(shí)質(zhì)性的計(jì)算工作，只需提交調(diào)查數(shù)據(jù)并下載計(jì)算結(jié)果.因此可選擇價(jià)格低廉的硬件，甚至形成了一個(gè)手機(jī)實(shí)時(shí)處理整個(gè)城市海量數(shù)據(jù)的假象;③保證了高可靠性.在傳統(tǒng)架構(gòu)中，計(jì)算負(fù)荷集中在一臺(tái)服務(wù)器上，服務(wù)器損壞則意味著交通控制系統(tǒng)的癱瘓.而在云服務(wù)架構(gòu)中，繁忙或無(wú)響應(yīng)的服務(wù)器不會(huì)被分配任務(wù)，有效地均分了負(fù)荷，保證了較高可靠性[12].

5 結(jié)論

本研究基于Windows Mobile智能設(shè)備技術(shù)開發(fā)了手機(jī)端交通量采集程序，通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)上傳調(diào)查數(shù)據(jù)，并應(yīng)用了云服務(wù)架構(gòu)集中處理所有數(shù)據(jù).手機(jī)端在調(diào)查中隨時(shí)可下載統(tǒng)計(jì)圖，了解當(dāng)前路口的交通繁忙狀態(tài).云服務(wù)技術(shù)保證了系統(tǒng)的計(jì)算能力可彈性伸縮，提高了系統(tǒng)的可靠性.未來(lái)還可以應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線傳感技術(shù)感知車型，選用Windows CE操作系統(tǒng)的智能終端，從而實(shí)現(xiàn)交通量的自動(dòng)采集.屆時(shí)，系統(tǒng)將能按實(shí)時(shí)交通量自動(dòng)優(yōu)化紅綠燈配時(shí)，以提高繁忙時(shí)段交叉口的通行能力，減少交通延誤，達(dá)到智慧交通的要求.

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Design of Traffic Volume Calculation System based on Cloud Services

FENG Huiying1，LIN Yuhong2

(1.Humanity and Sociology Department,Fujian Forestry Vocational College,Nanping 353000,China;2.College of Transportation and Civil Engineering,Fujian Agriculture and Forest University,Fuzhou 350002,China)

In order to improve traffic volume acquisition and computing ability,a traffic volume calculation system based on cloud services was designed to process the urban traffic volume.In this system,the traffic volume counter program at the mobile-terminal was developed by applying Windows Mobile secondary development technology,and the uploading of raw traffic volume was realized through 3G network.The Excel VBA secondary development technology was adopted to generate the various statistical charts.During the working process,the investigators can download statistical charts to understand the real-time traffic volume and traffic flow at any time.The practice proves that this system has a good expansibility to deal with the traffic volume processing requirements of big cities.

cloud services;traffic volume；Windows Mobile；VBA

1673- 9590(2015)01- 0097- 04

2014- 08- 20

福建省教育廳科研資助項(xiàng)目(JA13391);南平市科技局科研資助項(xiàng)目(N2013R03)

馮惠英(1974-)，女，副教授，碩士，主要從事應(yīng)用數(shù)學(xué)，智慧算法的研究

E-mail:redkite@126.com.

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