基于數(shù)據(jù)可視化的城市道路交通態(tài)勢監(jiān)測系統(tǒng)研究

李亞軍

(甘肅警察職業(yè)學(xué)院, 甘肅蘭州 730046)

0 引言

城市道路交通管理與控制是全面維持城市交通系統(tǒng)正常運行及深度解決交通供給與需求之間矛盾的一項復(fù)雜系統(tǒng)工程。國內(nèi)城市道路交通態(tài)勢監(jiān)測研究的主要方向是實現(xiàn)以視頻監(jiān)控技術(shù)為基礎(chǔ)的路網(wǎng)交通監(jiān)控系統(tǒng)功能集成，相關(guān)研究成果無法對宏觀道路交通運行態(tài)勢進行準(zhǔn)確描述，國外先進發(fā)達國家已經(jīng)開始研究基于交通態(tài)勢深度監(jiān)測的新一代交通誘導(dǎo)技術(shù)。在城市道路交通管理精細化程度日益提升的要求的背景下，創(chuàng)新交通態(tài)勢監(jiān)測研究思路、打破信息屏障和數(shù)據(jù)壁壘、專業(yè)分析處理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、充分挖掘信息價值，已成為國內(nèi)外城市道路交通管理研究的新問題。

集成現(xiàn)有平臺資源，利用大數(shù)據(jù)資源和云計算工具，在專業(yè)分析交通運行數(shù)據(jù)、統(tǒng)籌解決交通運行矛盾的思路指引下，實現(xiàn)對城市道路交通態(tài)勢進行精確分析和模塊化處理，同時為管理者提供科學(xué)的決策支撐和輔助服務(wù)是研究交通態(tài)勢監(jiān)測系統(tǒng)的目標(biāo)。主要包含3個內(nèi)容：一是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對道路交通運行態(tài)勢進行分類采集和信息融合；二是通過建立交通指數(shù)評價體系，實現(xiàn)對交通運行態(tài)勢準(zhǔn)確的特征分析與預(yù)測研判[1]；三是基于實時交通運行態(tài)勢數(shù)據(jù)可視化分析，滿足不同交通出行需求的信息可視化定制服務(wù)。因此，該系統(tǒng)的運用對于解決道路交通系統(tǒng)供給與需求之間不平衡、減少現(xiàn)有交通資源浪費具有重要作用。

1 城市道路交通態(tài)勢監(jiān)測系統(tǒng)的研究內(nèi)容和系統(tǒng)構(gòu)架

基于數(shù)據(jù)可視化的城市道路交通態(tài)勢監(jiān)測系統(tǒng)主要適用于國內(nèi)具有穩(wěn)定交通出行需求、常駐人口在200萬以上的二三線城市，在一線特大城市具有相對獨立功能的地區(qū)和一些交通密度相對較大的縣市級也同樣適用。該系統(tǒng)研究思路是以交通運行態(tài)勢數(shù)據(jù)信息作為主線，對道路交通運行態(tài)勢監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析計算和結(jié)構(gòu)化管理，結(jié)合城市道路交通管理的實踐需求，將計算結(jié)果與各項城市道路交通管理業(yè)務(wù)進行融合，挖掘數(shù)據(jù)信息的內(nèi)在關(guān)聯(lián)和運用價值，最終實現(xiàn)對城市道路交通態(tài)勢進行精確監(jiān)測。

1.1 道路交通運行態(tài)勢監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集獲取與集成分類

城市道路交通運行態(tài)勢監(jiān)測系統(tǒng)研究的內(nèi)容是依靠設(shè)置在城市路網(wǎng)的各種交通信息檢測設(shè)備，對道路交通系統(tǒng)內(nèi)運行的各種交通參與要素的出行特征和出行信息進行準(zhǔn)確感知采集，并按照信息數(shù)據(jù)來源和內(nèi)涵進行系統(tǒng)化集成和邏輯分類，使各類交通運行參數(shù)根據(jù)其真實代表的含義進行結(jié)構(gòu)化重組，如圖1所示。

圖1 交通運行態(tài)勢監(jiān)測信息的組織結(jié)構(gòu)

(1)視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)信息。是指以視頻采集的方式通過設(shè)置在城市路網(wǎng)及交叉口的視頻檢測設(shè)備感知獲取反映交通運行態(tài)勢的數(shù)據(jù)和信息。主要由3個方面組成：一是交通流運行信息；二是交通擁堵信息；三是交通事件信息。

(2)電子警察數(shù)據(jù)信息。是指從宏觀交通管理與控制的角度，依靠設(shè)置在城市路網(wǎng)內(nèi)的電子警察系統(tǒng)對交通違法進行管理，采集獲取各類交通違法數(shù)據(jù)和信息，進一步維護城市路網(wǎng)交通正常的運行秩序。主要由3個方面組成：一是城市路網(wǎng)交叉口交通違法信息；二是城市路面交通違法信息；三是緝查布控交通違法信息。

(3)互聯(lián)網(wǎng)交通數(shù)據(jù)信息。是指通過互聯(lián)網(wǎng)交通大數(shù)據(jù)資源采集和獲取具有實用價值的信息，將此類信息與其他交通系統(tǒng)運行態(tài)勢參數(shù)進行關(guān)聯(lián)集成，實現(xiàn)交通管理與控制社會資源與行業(yè)資源的互聯(lián)互通。主要由3個方面組成：一是地理信息系統(tǒng)信息；二是交通基礎(chǔ)設(shè)備；三是路網(wǎng)交通出行供需信息。

1.2 道路交通運行態(tài)勢監(jiān)測數(shù)據(jù)的計算分析與結(jié)構(gòu)化管理

城市道路交通運行態(tài)勢監(jiān)測系統(tǒng)研究的內(nèi)容是依靠強大的計算機信息處理功能，將各類檢測設(shè)備和公共資源獲取的信息進行深度提取和融合，挖掘各種交通參數(shù)與評價指標(biāo)之間的內(nèi)在聯(lián)系，利用完善的城市交通工程數(shù)學(xué)模型對信息進行分析計算，客觀、及時、準(zhǔn)確地描述城市道路交通系統(tǒng)運行態(tài)勢，并將計算結(jié)果通過可視化處理加工有針對性提供給道路交通管理相關(guān)行業(yè)和部門，如圖2所示。

圖2 交通運行態(tài)勢監(jiān)測數(shù)據(jù)處理層組織結(jié)構(gòu)示意圖

(1)電子地圖匹配。是指將所有城市路網(wǎng)交通運行態(tài)勢的數(shù)據(jù)信息和交通系統(tǒng)設(shè)備信息通過專業(yè)圖層嵌套技術(shù)匹配到相應(yīng)的電子地圖，這是城市道路交通態(tài)勢監(jiān)測可視化的前提。主要有兩個方面組成：一是警用PGIS地理信息系統(tǒng)匹配；二是民用GIS地理信息系統(tǒng)匹配。

(2)數(shù)據(jù)處理計算。是指通過運用計算機建模仿真技術(shù)，將所有涉及交通系統(tǒng)運行的數(shù)據(jù)進行大數(shù)據(jù)分析與模型化計算，客觀準(zhǔn)確的描述城市路網(wǎng)交通運行態(tài)勢，歸納分析路網(wǎng)交通運行規(guī)律，并對交通運行態(tài)勢發(fā)展變化趨勢進行預(yù)測[2]。主要有兩個方面創(chuàng)新：一是交通運行態(tài)勢數(shù)據(jù)計算處理；二是交通運行態(tài)勢預(yù)測與分析。

(3)數(shù)據(jù)可視化。是指利用專業(yè)的數(shù)據(jù)可視化技術(shù)將道路交通運行態(tài)勢核心問題直觀的展示給交通管理與控制決策者和交通參與者，為管理者提供科學(xué)的決策依據(jù)和有效的數(shù)據(jù)支撐的同時，也為交通參與者提供快捷的出行選擇依據(jù)[3]。主要由兩個方面組成：一是交通運行態(tài)勢可視化；二是交通綜合管理可視化。

(4)數(shù)據(jù)庫管理。通過將涉及城市道路交通態(tài)勢監(jiān)測的所有數(shù)據(jù)和信息按照數(shù)據(jù)庫進行系統(tǒng)分類和管理，相當(dāng)于設(shè)置一個數(shù)據(jù)資源中心，為交通管理與控制提供完整的信息來源和方法依據(jù)。主要由4個方面組成：一是交通態(tài)勢數(shù)據(jù)庫管理；二是交通仿真模型庫管理；三是交通管理方法庫管理；四是交通專業(yè)知識庫管理。

1.3 道路交通運行態(tài)勢監(jiān)測數(shù)據(jù)的應(yīng)用與管理

根據(jù)城市交通管理業(yè)務(wù)區(qū)分，將各類數(shù)據(jù)在具體管理中加以運用，是保障道路交通系統(tǒng)正常運行、提高道路交通運行效率的關(guān)鍵所在，也是反映數(shù)據(jù)可視化直觀效果、提升信息綜合運用水平的集中體現(xiàn)。區(qū)別于傳統(tǒng)的城市道路交通態(tài)勢監(jiān)測，業(yè)務(wù)應(yīng)用實現(xiàn)了信息數(shù)據(jù)資源與交通管理業(yè)務(wù)的無縫對接，體現(xiàn)了每項業(yè)務(wù)的專業(yè)分工和內(nèi)在聯(lián)系，如圖3所示。

1.4 道路交通運行態(tài)勢監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)架

城市路網(wǎng)交通運行態(tài)勢監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)架按照數(shù)據(jù)支撐層、傳輸處理層和業(yè)務(wù)應(yīng)用3個層次的設(shè)計思路劃分為3個部分，各個部分之間根據(jù)網(wǎng)絡(luò)安全要求進行有線網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)和專線網(wǎng)絡(luò)連接，如圖4所示，整體來講，該系統(tǒng)構(gòu)架緊湊、高效、安全，沒有冗余的系統(tǒng)外部設(shè)備，同時根據(jù)道路交通管理發(fā)展變化，具有較高的擴展和升級空間。

圖3 交通運行態(tài)勢監(jiān)測業(yè)務(wù)應(yīng)用層組織結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 城市路網(wǎng)交通運行態(tài)勢監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)架示意圖

2 城市道路交通態(tài)勢監(jiān)測系統(tǒng)的功能設(shè)計與運行流程

2.1 路網(wǎng)交通綜合態(tài)勢監(jiān)測分析

綜合態(tài)勢分析是對路網(wǎng)中系統(tǒng)運行態(tài)勢進行綜合計算與統(tǒng)計分析，通過道路擁堵狀態(tài)色與交通指數(shù)兩個方面展示道路擁堵情況。通過分析交通擁堵指數(shù)，從而輔助管理者直觀分析路網(wǎng)擁堵狀態(tài)及其空間分布特性，從宏觀層面掌握實時的路網(wǎng)交通運行態(tài)勢。

2.2 路網(wǎng)交通重點態(tài)勢監(jiān)測分析

(1)路網(wǎng)交通態(tài)勢預(yù)測分析。系統(tǒng)在海量歷史數(shù)據(jù)的積累以及實時數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，通過參數(shù)短時預(yù)測算法，對路段行駛速度等交通流參數(shù)實施可靠的預(yù)測，通過預(yù)測值與實測值的計算進行可靠性分析，為交通態(tài)勢預(yù)報提供數(shù)據(jù)支撐。

(2)交通事故信息可視化描述與多發(fā)點段排查。將城市路網(wǎng)內(nèi)發(fā)生各類交通事故的數(shù)據(jù)信息通過可視化技術(shù)反映在電子地圖中，通過統(tǒng)計分析和多發(fā)點段的科學(xué)排查，為交通管理者提供交通事故重點預(yù)防的依據(jù)，同時為交通參與者提供交通事故多發(fā)點段的出行預(yù)警。

(3)氣象信息可視化描述和發(fā)布。通過與氣象管理部門的信息共享互通，在基于可視化的電子地圖上實時發(fā)布短期天氣變化與長期天氣變化信息。并將重點氣象信息及時通過第三方移動通信平臺發(fā)布至普通交通參與者。

(4)停車管理可視化描述與統(tǒng)計。通過利用智慧交通系統(tǒng)建設(shè)依靠的視頻識別技術(shù)和射頻識別(RFID)技術(shù)，對城市路網(wǎng)內(nèi)停車場供需情況進行可視化描述，最大限度的發(fā)揮有限停車資源的使用率。

(5)應(yīng)急救援可視化描述與調(diào)度。通過警用PGIS地理信息系統(tǒng)，對城市路網(wǎng)內(nèi)發(fā)生的交通應(yīng)急事件進行可視化監(jiān)控與管理，及時調(diào)度就近警力資源處置道路內(nèi)的緊急事件。

(6)重點行業(yè)監(jiān)管可視化描述與精細化管理。將城市路網(wǎng)內(nèi)運行的重點機動車輛進行可視化監(jiān)管，掌握出行其分布規(guī)律、運行軌跡分布、交通違法分布等數(shù)據(jù)信息。

(7)交通信號燈可視化描述與協(xié)調(diào)控制。通過將城市路網(wǎng)干線、區(qū)域內(nèi)設(shè)置的交通信號燈在GIS地理信息系統(tǒng)的可視化描述，對干線、區(qū)域路網(wǎng)內(nèi)交通信號燈進行實時有效的協(xié)調(diào)控制。

(8)路網(wǎng)交通態(tài)勢日志分析。以“日”為統(tǒng)計單位，記錄每天的交通運行態(tài)勢及參數(shù)，也可以指定日期查詢路網(wǎng)交通態(tài)勢統(tǒng)計情況。

(9)路網(wǎng)交通運行參數(shù)關(guān)系分析。在進行速度、密度、流量參數(shù)圖表展示的基礎(chǔ)上，夠?qū)ψ兞恐g的關(guān)系進行計算和分析，通過多維度信息綜合展示，實現(xiàn)深層的特征關(guān)聯(lián)，直觀識別擁堵黑點，分析擁堵演變態(tài)勢。

(10)路網(wǎng)交通管理輔助決策。交通態(tài)勢分析系統(tǒng)不僅擁有分析、預(yù)測、研判的功能，還能將相關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖文形成固定格式的交通分析報告，為管理者制定方案和輔助決策提供有力依據(jù)。

2.3 路網(wǎng)交通信息誘導(dǎo)發(fā)布

通過在交通誘導(dǎo)屏上發(fā)布交通誘導(dǎo)信息等節(jié)目，指導(dǎo)交通出行者合理選擇出行策略。該功能包括總體概覽、誘導(dǎo)監(jiān)控、節(jié)目管理、誘導(dǎo)發(fā)布、設(shè)備管理和運行日志分析，將交通監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋于交通參與者，實現(xiàn)交通管理與控制的一個賦能閉環(huán)。

(1)定制交通誘導(dǎo)信息發(fā)布。通過實時的交通態(tài)勢監(jiān)測數(shù)據(jù)，經(jīng)過交通流分析模型分析計算后，生成實時交通擁堵數(shù)據(jù)，接入交通誘導(dǎo)發(fā)布系統(tǒng)，為交通參與者發(fā)布路段與路口路況信息。

(2)公益性宣傳信息發(fā)布。公益性宣傳信息適用于常見的交通法規(guī)或交通安全宣傳教育標(biāo)語，通用于各個路段和交叉口的LED誘導(dǎo)大屏發(fā)布，提升交通參與者安全駕駛意識。

(3)其他交通運行信息發(fā)布。管理者還可通過誘導(dǎo)裝置發(fā)布如違法行為、突發(fā)性事件、天氣狀況、交通臨時管制和道路施工等信息。通過向指定交通誘導(dǎo)屏發(fā)送并播放違法信息，做到違法數(shù)據(jù)的即時公布。

2.4 城市道路交通態(tài)勢監(jiān)測系統(tǒng)的運行流程

城市道路交通態(tài)勢監(jiān)測系統(tǒng)在運行流程設(shè)計上分為4個層次，如圖5所示：

(1)交通運行態(tài)勢綜合信息收集。包括擁堵信息、事故信息、交通控制信息、停車信息和其他信息等數(shù)據(jù)的采集、匯總與分類。

(2)數(shù)據(jù)可視化描述。其主要內(nèi)涵和目標(biāo)是將靜態(tài)交通運行態(tài)勢數(shù)據(jù)信息和動態(tài)交通運行態(tài)勢數(shù)據(jù)信息通過專業(yè)的可視化工具準(zhǔn)確、直觀地展現(xiàn)在交通管理與控制決策者面前[4]。

(3)數(shù)據(jù)處理與預(yù)測分析。利用數(shù)學(xué)模型和算法對交通運行態(tài)勢進行評估，對即將采取的管理與控制措施進行模擬仿真，這是城市路網(wǎng)道路交通態(tài)勢監(jiān)測系統(tǒng)的核心。

(4)方案設(shè)計和選擇。根據(jù)實際路網(wǎng)交通運行態(tài)勢發(fā)展變化的要求，制定和設(shè)計符合交通運行態(tài)勢預(yù)測規(guī)律的交通管理和控制策略和方法，并結(jié)合模擬仿真計算分析結(jié)果選擇最優(yōu)的實施方案。

(5)決策與信息發(fā)布。將選擇的交通管理與控制策略與方案根據(jù)業(yè)務(wù)需求進行信息發(fā)布和指令發(fā)布，實現(xiàn)城市交通態(tài)勢監(jiān)測系統(tǒng)的充分運用。

圖5 城市道路交通態(tài)勢監(jiān)測系統(tǒng)運行流程示意圖

3 城市道路交通態(tài)勢監(jiān)測系統(tǒng)涉及的關(guān)鍵技術(shù)與運行模式

3.1 道路交通態(tài)勢監(jiān)測系統(tǒng)涉及的關(guān)鍵技術(shù)

(1)視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)信息采集的技術(shù)核心是準(zhǔn)確、系統(tǒng)、全面的獲取能夠反映城市路網(wǎng)交通運行態(tài)勢的數(shù)據(jù)信息，目前應(yīng)用最為先進的是視頻結(jié)構(gòu)化技術(shù)和圖像檢索技術(shù)，其關(guān)鍵是視頻采集設(shè)備的直觀性和穩(wěn)定性。

(2)電子警察數(shù)據(jù)信息采集的技術(shù)核心是獲取公正、有效、客觀的反映城市路網(wǎng)交通出行過程中遵守相關(guān)法律和規(guī)定的安全出行的數(shù)據(jù)信息，其關(guān)鍵是依托電子警察系統(tǒng)和相關(guān)法律法規(guī)的高度協(xié)調(diào)配套使用。

(3)互聯(lián)網(wǎng)交通數(shù)據(jù)信息采集的技術(shù)核心是將互聯(lián)網(wǎng)資源與其他與交通出行有關(guān)的數(shù)據(jù)信息進行集成、關(guān)聯(lián)與共享，多方位、所層次、跨行業(yè)的反映城市路網(wǎng)實時交通運行態(tài)勢，其關(guān)鍵是互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)資源的共享性和互聯(lián)網(wǎng)第三方平臺資源的廣泛性。

(4)電子地圖匹配的技術(shù)核心是系統(tǒng)、專業(yè)、細致的將反映城市路網(wǎng)實時交通運行態(tài)勢的信息通過地理信息系統(tǒng)實現(xiàn)直觀、清晰全面的可視化操作，其關(guān)鍵是技術(shù)地理信息系統(tǒng)的專業(yè)化應(yīng)用和民用電子地圖(GIS地圖)與警用電子地圖(PGIS地圖)的復(fù)合嵌套技術(shù)。

(5)數(shù)據(jù)處理計算的技術(shù)核心是使交通基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息在描述交通運行態(tài)勢中產(chǎn)生增值效應(yīng)，其關(guān)鍵是交通建模仿真技術(shù)和交通運行分析預(yù)測技術(shù)。

(6)數(shù)據(jù)可視化的技術(shù)核心是將反映交通系統(tǒng)運行態(tài)勢的計算分析結(jié)果按照需求不同進行可視化處理[5]，其關(guān)鍵是專業(yè)數(shù)據(jù)信息可視化工具的運用和數(shù)據(jù)信息交互操作平臺的建立。

(7)數(shù)據(jù)庫管理的技術(shù)核心是根據(jù)交通態(tài)勢監(jiān)測相關(guān)數(shù)據(jù)信息性質(zhì)的不同將涉及的資源數(shù)據(jù)庫進行分離管理和運用，其關(guān)鍵是在數(shù)據(jù)庫信息絕對安全的前提下，實現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫的及時更新。

(8)交通態(tài)勢監(jiān)測業(yè)務(wù)應(yīng)用的技術(shù)核心是系統(tǒng)運行與交通管理及控制深度融合算法，將數(shù)據(jù)可視化的效果真實充分的發(fā)揮在道路交通管理實踐工作中，按照系統(tǒng)構(gòu)架的要求實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計的目標(biāo)。

(9)通訊技術(shù)的核心是在不同層次與設(shè)備之間進行穩(wěn)定可靠的信息傳輸，主要包括：基于GIS系統(tǒng)的專網(wǎng)數(shù)據(jù)通訊技術(shù)；基于微波檢測傳輸?shù)幕ヂ?lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)通訊技術(shù)和基于4G、5G移動互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)通訊技術(shù)[6]。

3.2 道路交通運行態(tài)勢監(jiān)測系統(tǒng)的運行模式

基于數(shù)據(jù)可視化的道路交通運行態(tài)勢監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)按照交互式操作的運行模式，通過數(shù)據(jù)可視化準(zhǔn)確描述交通運行態(tài)勢和變化規(guī)律，對于交通系統(tǒng)運行中遇到的交通擁堵、重點車輛監(jiān)測、停車管理等結(jié)構(gòu)化問題，依托專業(yè)數(shù)據(jù)資源庫和標(biāo)準(zhǔn)化運行流程，利用人機交互的操作模式解決結(jié)構(gòu)化問題。對于交通系統(tǒng)運行中遇到的交通應(yīng)急事件、交通事故、特殊天氣預(yù)警等非結(jié)構(gòu)化問題，利用交通運行態(tài)勢仿真模擬數(shù)據(jù)資源庫和交通運行態(tài)勢預(yù)測效果評估為交通管理者提供全面的決策支撐。同時借助管理者長期積累形成的經(jīng)驗庫和方法庫，利用人機交互的操作模式解決非結(jié)構(gòu)化問題，如圖6所示。

圖6 道路交通態(tài)勢監(jiān)測系統(tǒng)運行模式示意圖

4 結(jié)語

基于數(shù)據(jù)可視化的城市道路交通態(tài)勢監(jiān)測系統(tǒng)是在建設(shè)智慧交通體系下對現(xiàn)有道路交通數(shù)據(jù)信息資源進行分類和重組。本研究設(shè)計了完整的系統(tǒng)構(gòu)架和運行流程，通過充分發(fā)揮大數(shù)據(jù)分析和交通建模仿真的作用，利用可視化平臺準(zhǔn)確描述交通運行態(tài)勢及變化規(guī)律，滿足了智慧化與精細化的城市道路交通管理與控制要求，達到了該系統(tǒng)為城市交通管理提供決策支撐和高效服務(wù)的預(yù)期目標(biāo)。