基于城市智能交通的平行系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

孔繁宇，侯 偉

(哈爾濱市信息化建設(shè)項(xiàng)目管理中心，黑龍江 哈爾濱 150001)

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基于城市智能交通的平行系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

孔繁宇，侯 偉

(哈爾濱市信息化建設(shè)項(xiàng)目管理中心，黑龍江 哈爾濱 150001)

針對(duì)哈爾濱交通環(huán)境日益惡化及交通擁堵嚴(yán)重，交通事故頻發(fā)等問題，闡明如何將平行控制理論應(yīng)用于哈爾濱市智慧交通建設(shè)，通過交通感知網(wǎng)、信息傳輸網(wǎng)、交通云平臺(tái)的建設(shè)及交通仿真優(yōu)化、交通管控等四大系統(tǒng)的建設(shè)，有效的改善哈爾濱市的交通環(huán)境，助力哈爾濱交通出行暢通無阻。

智慧交通；平行理論；云計(jì)算；交通優(yōu)化

1 哈爾濱市智慧交通思路

1.1 總體框架

哈爾濱市平行交通控制系統(tǒng)建設(shè)需要在政策法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、組織機(jī)構(gòu)、信息安全、共享運(yùn)營(yíng)和產(chǎn)業(yè)扶持六大體系的保障下積極推進(jìn)，通過基礎(chǔ)工程完善交通感知、交通模型和交通云平臺(tái)，加設(shè)攝像頭和傳感器等設(shè)備，構(gòu)建城市級(jí)的交通感知網(wǎng)，提升信息網(wǎng)絡(luò)傳輸能力，推進(jìn)信號(hào)燈、誘導(dǎo)屏、道路、車輛及交通其他相關(guān)設(shè)施的智能化升級(jí)，實(shí)現(xiàn)更加透徹的感知，為城市交通管理和公眾信息服務(wù)提供更加全面、準(zhǔn)確和及時(shí)的數(shù)據(jù)。

以城市道路交通系統(tǒng)要素(人、車、路、環(huán)境和信息)為分析對(duì)象，統(tǒng)籌交通動(dòng)、靜態(tài)信息資源，建立城市交通公共信息平臺(tái)，形成三大數(shù)據(jù)庫，分別是包括基礎(chǔ)路網(wǎng)和交通部件的空間信息庫，涵蓋宏觀交通數(shù)據(jù)、交通證照信息和人員信息的公共信息庫，以及包括環(huán)境信息、浮動(dòng)車信息、視頻信息、檢測(cè)信息和終端信息等內(nèi)容的動(dòng)態(tài)信息庫；通過對(duì)這些多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合處理和挖掘分析，為實(shí)際交通運(yùn)行系統(tǒng)和人工系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持；真實(shí)系統(tǒng)接收實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，直接對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，而人工系統(tǒng)通過接入的真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算運(yùn)行，通過真實(shí)數(shù)據(jù)的迭代，逐漸完善交通模型算法，形成能夠表述真實(shí)路況的優(yōu)化方案，對(duì)真實(shí)運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行周期性迭代，從而構(gòu)建完善的交通平行系統(tǒng)；通過構(gòu)建交通信號(hào)控制、交通誘導(dǎo)、智慧公交和應(yīng)急指揮四大業(yè)務(wù)系統(tǒng)，為政府、行業(yè)和公眾提供優(yōu)質(zhì)化服務(wù)，加強(qiáng)行業(yè)與部門間的互聯(lián)互通、資源共享、協(xié)調(diào)運(yùn)作，從而實(shí)現(xiàn)交通設(shè)施智能化、交通管控協(xié)同化、出行服務(wù)便捷化、事件響應(yīng)及時(shí)化、規(guī)劃決策科學(xué)化和智慧交通產(chǎn)業(yè)化的目標(biāo)。

圖1 平行交通系統(tǒng)建設(shè)總體框架圖

1.2 建設(shè)任務(wù)

基于哈爾濱市的交通發(fā)展現(xiàn)狀、問題分析以及智慧交通建設(shè)現(xiàn)狀，并結(jié)合交通的需求分析，平行交通控制系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)可以概括為“3·4·6工程”。其具體內(nèi)容如圖2所示。

圖2 平行交通系統(tǒng)建設(shè)總體框架圖

“三項(xiàng)基礎(chǔ)工程”包括平行交通建設(shè)中的“一網(wǎng)、一平臺(tái)、一建模”，即交通感知網(wǎng)、交通云平臺(tái)和平行交通模型算法庫；“四個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)”包括交通信號(hào)控制、交通誘導(dǎo)、智慧公交和應(yīng)急指揮；“六大保障體系”包括政策法規(guī)體系、組織機(jī)構(gòu)體系、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系、信息安全體系、運(yùn)營(yíng)服務(wù)體系和產(chǎn)業(yè)扶持體系。

在交通六大保障體系的前提下，首先通過構(gòu)建交通感知網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)各參與對(duì)象的信息采集，再通過信息傳輸網(wǎng)絡(luò)將獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇煌ㄔ破脚_(tái)，平臺(tái)完成對(duì)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的整合、挖掘、分析和存儲(chǔ)等工作，在數(shù)據(jù)融合的基礎(chǔ)上，利用平行交通理論對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模及算法分析，使人工系統(tǒng)與實(shí)際交通系統(tǒng)達(dá)到同樣的運(yùn)行狀態(tài)，其處理的結(jié)果為四個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持和服務(wù)，各系統(tǒng)根據(jù)業(yè)務(wù)需求從云平臺(tái)獲取數(shù)據(jù)，利用平行系統(tǒng)構(gòu)建符合實(shí)際情況的交通模型，并逐步生成相應(yīng)的交通優(yōu)化方案或指令發(fā)送前端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而形成平行交通業(yè)務(wù)運(yùn)作機(jī)制。各建設(shè)部分的數(shù)據(jù)以及處理信息互相流轉(zhuǎn)，互相依賴，共同支撐了哈爾濱市平行交通控制系統(tǒng)。

2 基礎(chǔ)工程

2.1 交通感知網(wǎng)

交通感知網(wǎng)絡(luò)建設(shè)是交通信息化、智能化的基礎(chǔ)，也是哈爾濱市智慧交通系統(tǒng)構(gòu)建的先決條件。通過互聯(lián)網(wǎng)把無處不在的植入城市交通的智能化傳感系統(tǒng)連接起來形成物聯(lián)網(wǎng)，獲取對(duì)城市交通動(dòng)靜態(tài)數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)的全面感知，并將這些信息通過網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)傳入城市云數(shù)據(jù)中心，通過對(duì)感知數(shù)據(jù)的分析，為政務(wù)、民生、環(huán)境、公共出行安全等各種需求提供科學(xué)的信息支撐和決策依據(jù)，實(shí)現(xiàn)更加精細(xì)化、智能化的管理與服務(wù)。

在哈爾濱市區(qū)傳統(tǒng)感知設(shè)備的基礎(chǔ)上，針對(duì)哈爾濱市智慧交通系統(tǒng)的應(yīng)用需求開發(fā)或引入了新型感知體系，其中包括基于衛(wèi)星的導(dǎo)航位置服務(wù)體系、基于電子車牌的車輛感知體系、基于手機(jī)信號(hào)和網(wǎng)絡(luò)電子地圖的移動(dòng)數(shù)據(jù)感知體系，還引入微波、超聲等新型檢測(cè)裝置。通過與現(xiàn)有的檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)融合，滿足交通監(jiān)控與運(yùn)營(yíng)的各種需求。

2.2 信息傳輸網(wǎng)

信息傳輸網(wǎng)絡(luò)是智慧交通系統(tǒng)中的基礎(chǔ)和骨干系統(tǒng)。智慧交通的各類應(yīng)用服務(wù)需要多維覆蓋、高速傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)體系來實(shí)現(xiàn)物聯(lián)互通和協(xié)同共享。前端智能化交通感知體系采集大量交通動(dòng)靜態(tài)數(shù)據(jù)，并建立泛在傳輸網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地安全有效地上傳和發(fā)布，實(shí)時(shí)、透明、可靠地統(tǒng)籌各類數(shù)據(jù)，支撐交通云平臺(tái)和綜合信息服務(wù)平臺(tái)科學(xué)化、智慧化運(yùn)行。

當(dāng)前城市信息傳輸網(wǎng)絡(luò)主要包括GPRS/3G/4G高速電信網(wǎng)、光纖通信網(wǎng)、WiFi無線接入網(wǎng)絡(luò)以及政府及相關(guān)部門的信息專網(wǎng)和應(yīng)急衛(wèi)星通信網(wǎng)。根據(jù)智慧交通感知體系劃分?jǐn)?shù)據(jù)類型，構(gòu)建相應(yīng)傳輸網(wǎng)絡(luò)，更好地為政府職能部門、企業(yè)單位和社會(huì)公眾提供服務(wù)與支持。

2.3 平行交通模型

平行交通模型分為交通三維模型構(gòu)建、GIS-T模型構(gòu)建及平行交通那個(gè)模型構(gòu)建三方面。其中，三維模型的構(gòu)建涉及到多種數(shù)據(jù)的融合如：數(shù)字線劃圖、數(shù)字高程模型，建筑物、交通部件的圖片進(jìn)行紋理的貼放。通過各數(shù)據(jù)的處理、融合最終生成城市空間三維模型。GIS-T模型是基于地理信息系統(tǒng)的交通運(yùn)輸模型，它是綜合交通規(guī)劃需求預(yù)測(cè)模型的基礎(chǔ)模型。本項(xiàng)目基于系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)TransCAD進(jìn)行GIS-T模型構(gòu)建，主要包括交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)模型和交通運(yùn)輸數(shù)據(jù)模型。平行交通模型是基于實(shí)際交通系統(tǒng)和人工交通系統(tǒng)共同組成的交通模型，它在融合真實(shí)路況數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，不斷優(yōu)化逼近真實(shí)路網(wǎng)狀況的交通模型。通過新一代技術(shù)，把與道路交通網(wǎng)絡(luò)、居民出行特征、交通流量數(shù)據(jù)以及相關(guān)的交通方法和理論進(jìn)行融合，建立符合實(shí)際交通的模型算法，用于交通需求預(yù)測(cè)、交通影響分析、交通政策研究等。

3 重點(diǎn)應(yīng)用系統(tǒng)

3.1 交通信號(hào)控制系統(tǒng)

交通信號(hào)控制系統(tǒng)作為城市交通的一個(gè)重要組成部分，對(duì)疏導(dǎo)交通流量、緩解道路堵塞、改善空氣質(zhì)量、抑制交通事故、打擊預(yù)防涉車案件等均起到重要作用。基于哈爾濱市目前路網(wǎng)設(shè)施陳舊，設(shè)備覆蓋率低，信息管理落后等問題，在收集全要素交通大數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用平行交通系統(tǒng)結(jié)合智能識(shí)別、移動(dòng)通信、云計(jì)算、信息融合、數(shù)據(jù)挖掘等核心技術(shù)，結(jié)合道路交通基礎(chǔ)設(shè)施的配套建設(shè)，構(gòu)建哈爾濱市交通信號(hào)控制系統(tǒng)，進(jìn)一步提高交通運(yùn)行效率，降低交通事故發(fā)生率與違法犯罪率，增強(qiáng)政府職能部門交通運(yùn)營(yíng)管理水平及靈活管控調(diào)配功能，實(shí)現(xiàn)交通數(shù)據(jù)的充分共享及應(yīng)用系統(tǒng)的統(tǒng)一管理，促使交通管理向標(biāo)準(zhǔn)化、信息化、精細(xì)化水平發(fā)展。

3.2 交通誘導(dǎo)管理系統(tǒng)

交通誘導(dǎo)系統(tǒng)是智慧交通建設(shè)不可或缺的組成部分。隨著哈市機(jī)動(dòng)車保有量日益增多，市區(qū)總體交通流量一直處于負(fù)荷較大的狀態(tài)，尤其在早晚高峰的時(shí)候，基本處于飽和狀態(tài)或者臨界飽和狀態(tài)，部分路段易發(fā)生常發(fā)性交通擁堵，交通事件引發(fā)的偶發(fā)性交通擁堵也會(huì)造成大面積的影響。平行交通行車誘導(dǎo)是均衡路網(wǎng)交通流量，緩解交通擁堵的重要途徑。通過及時(shí)獲得路網(wǎng)上的動(dòng)態(tài)交通信息及停車信息、準(zhǔn)確地掌握以及預(yù)測(cè)所有路網(wǎng)或停車場(chǎng)的真實(shí)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建給予平行交通控制系統(tǒng)的交通出行和停車誘導(dǎo)，調(diào)整交通流時(shí)間和空間分布、提高路網(wǎng)通行能力以及停車場(chǎng)的有效利用率，有效解決交通需求與交通服務(wù)能力之間的矛盾，提高管理與服務(wù)水平，實(shí)現(xiàn)城市形象提升、交警科技化展現(xiàn)、服務(wù)民生需求的目標(biāo)。

3.3 智慧公交管理系統(tǒng)

智慧公交管理系統(tǒng)包括感知層、傳輸層、平臺(tái)層、應(yīng)用層、用戶層及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系和安全保障體系。系統(tǒng)通過多種車載終端設(shè)備采集駕乘人員狀態(tài)、行車參數(shù)、道路環(huán)境等數(shù)據(jù)，并將初步處理后的信息經(jīng)地面移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)或衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)等方式上傳至數(shù)據(jù)中心，進(jìn)行計(jì)算、存儲(chǔ)、分析、管理等支撐服務(wù)，構(gòu)建車輛監(jiān)管、指揮調(diào)度、運(yùn)營(yíng)分析以及公眾服務(wù)等系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)政府、企業(yè)、公眾三級(jí)精準(zhǔn)服務(wù)。

3.4 交通應(yīng)急指揮系統(tǒng)

基于車聯(lián)網(wǎng)的交通應(yīng)急處置系統(tǒng)也是車聯(lián)網(wǎng)發(fā)揮巨大優(yōu)勢(shì)的重要應(yīng)用領(lǐng)域。交通應(yīng)急事件發(fā)生后，首先應(yīng)當(dāng)通過平行交通控制平臺(tái)的感知功能對(duì)事件屬性進(jìn)行監(jiān)控，依據(jù)事先設(shè)定的各種事件因素的危險(xiǎn)閾值進(jìn)行應(yīng)急事件的觸發(fā)。隨后接入“交通應(yīng)急處置系統(tǒng)”進(jìn)行應(yīng)急事件的預(yù)警(等級(jí)判斷)，處置命令生成，事件狀態(tài)監(jiān)控等智能操作與評(píng)價(jià)，并根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行信息發(fā)布、應(yīng)急處置以及事后分析。

4 總 結(jié)

交通系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜巨系統(tǒng)，充滿不確定性和多變性，將平行控制理論與智能交通建設(shè)向結(jié)合，開展以“三項(xiàng)基礎(chǔ)工程、六個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)、六大保障體系”為主的建設(shè)架構(gòu)，分利用智能化基礎(chǔ)設(shè)施和寬帶化信息傳輸，構(gòu)建交通信號(hào)控制、交通誘導(dǎo)管理、智慧公交管理系統(tǒng)、交通應(yīng)急指揮系統(tǒng)，涉及政府職能管理部門、行業(yè)企業(yè)、社會(huì)公眾等多級(jí)服務(wù)對(duì)象，為政務(wù)、工商活動(dòng)、民生、環(huán)境和公共安全提供更透徹的感知，更全面的互聯(lián)互通和更深入的智能化，助力哈爾濱城市形象和智慧城市總體建設(shè)。

智慧交通是未來交通系統(tǒng)的發(fā)展方向，它既關(guān)系到城市整體規(guī)劃建設(shè)，也直接關(guān)系到每一個(gè)人的工作生活，我們有理由相信，伴隨著智慧交通體系的進(jìn)一步發(fā)展，我們的城市將更加綠色、美好、和諧。

[1] 王飛躍. 關(guān)于復(fù)雜系統(tǒng)的建模、分析、控制和管理[J]. 復(fù)雜系統(tǒng)與復(fù)雜性科學(xué)，2006，(2).

[2] 鄒志云,陳紹寬,郭謹(jǐn)一,白立瓊,常超凡. 基于Synchro系統(tǒng)的典型信號(hào)交叉口配時(shí)優(yōu)化研究[J]. 北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，(6).

[3] 王飛躍. 平行系統(tǒng)方法與復(fù)雜系統(tǒng)的管理和控制[J].控制與決策，2004，(5).

[4] 王飛躍,湯淑明. 人工交通系統(tǒng)的基本思想與框架體系[J]. 復(fù)雜系統(tǒng)與復(fù)雜性科學(xué)，2004，(2).

[5] 毛保華,楊肇夏,陳海波. 道路交通仿真技術(shù)與系統(tǒng)研究[J].北方交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，(5).

2015-11-25

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