智能交通誘導(dǎo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

方明 王劍鋒

摘 ? 要：應(yīng)用交通誘導(dǎo)技術(shù)可以正確引導(dǎo)道路使用者順利到達(dá)目的地，實(shí)現(xiàn)交通流優(yōu)化，避免交通阻塞，更有效地管理現(xiàn)代交通。文章依據(jù)交通產(chǎn)品中集VMS、限速標(biāo)志、紅叉綠箭雷達(dá)、黃閃燈等多種設(shè)備為一體的控制系統(tǒng)，結(jié)合系統(tǒng)科學(xué)和信息科學(xué)技術(shù)的設(shè)計(jì)理念，通過(guò)道路信息采集、信息處理、誘導(dǎo)信息生成及發(fā)布一整套流程，進(jìn)行城市道路誘導(dǎo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。

關(guān)鍵詞：交通誘導(dǎo);可變情報(bào)板;速度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1 ? ?智能交通誘導(dǎo)系統(tǒng)產(chǎn)生背景

隨著城市化進(jìn)程的加快，城市交通問(wèn)題日趨嚴(yán)重和惡化，城市道路交通擁擠、阻塞和環(huán)境問(wèn)題已經(jīng)成為備受關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。智能交通誘導(dǎo)系統(tǒng)是依托物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)技術(shù)，采用現(xiàn)代信息服務(wù)手段，開(kāi)發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)模式的智能交通指揮誘導(dǎo)系統(tǒng)及終端產(chǎn)品，能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化、改善交通運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)行情況，提高運(yùn)輸效率和安全性。本團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了界面友好、功能強(qiáng)大、基于瀏覽器/服務(wù)器（Browser/Server，B/S）多層架構(gòu)、支持十余種設(shè)備類型的交通控制系統(tǒng)，支持跨平臺(tái)，支持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)擴(kuò)展，支持速度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（Velocity-Measuring System，VMS），trailer，comBI，arraw等10余種設(shè)備類型，支持以HTML5技術(shù)開(kāi)發(fā)的在線編輯器，詳細(xì)的日志統(tǒng)計(jì)，支持1 000多臺(tái)設(shè)備同時(shí)使用。

在城市快速路、主干道上容易發(fā)生擁堵的點(diǎn)位安裝可變情報(bào)板，每2 min刷新一次，每天顯示成千上萬(wàn)條實(shí)時(shí)路況信息，幫助司機(jī)選擇暢通路段。當(dāng)發(fā)生事故等突發(fā)情況或出現(xiàn)惡劣天氣時(shí)，信息板可以智能發(fā)布實(shí)時(shí)路況信息和管制信息，誘導(dǎo)車輛避開(kāi)擁堵和意外事件點(diǎn)段，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的全程誘導(dǎo)，進(jìn)而全面、有效地解決交通運(yùn)輸領(lǐng)域問(wèn)題，特別是交通擁擠、交通阻塞、交通事故等問(wèn)題。

針對(duì)上述種種問(wèn)題以及發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）產(chǎn)品在交通應(yīng)用上的特點(diǎn)，有必要開(kāi)發(fā)出一款智能的交通控制系統(tǒng)[1]。

2 ? ?智能交通誘導(dǎo)系統(tǒng)功能需求分析

結(jié)合以往項(xiàng)目實(shí)施經(jīng)驗(yàn)及未來(lái)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，確定新的交通控制系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能：

（1）支持以太網(wǎng)有線以及GPRS，3G，4G，WiFi等各種無(wú)線通信方式，滿足不同國(guó)家、不同地區(qū)、不同客戶、不同地理環(huán)境下的通信要求。

（2）支持顯示屏定制的JetFileII，NTCIP，Modbus，Profibus等不同通信協(xié)議，能適應(yīng)各種不同的應(yīng)用場(chǎng)景，并且很方便地進(jìn)行擴(kuò)展。

（3）支持VMS、雷達(dá)、攝像頭、紅叉綠箭、限速標(biāo)志、黃閃燈6種主設(shè)備以及7種子設(shè)備，各種設(shè)備之間可以相互組合、相互控制，利用多種設(shè)備之間的組合應(yīng)用進(jìn)行交通誘導(dǎo)的功能實(shí)現(xiàn)。

（4）支持瀏覽器在線內(nèi)容編輯，支持各種不同格式的文件處理，以HTML5技術(shù)開(kāi)發(fā)的編輯器應(yīng)用范圍廣，不再受瀏覽器和操作系統(tǒng)的限制。

（5）強(qiáng)大的分組管理功能，能夠快速地查看指定區(qū)域設(shè)備的狀態(tài)，提供上千種不同大小的交通專用圖片，并且支持用戶自己定制交通誘導(dǎo)下相關(guān)的圖庫(kù)。

（6）支持谷歌實(shí)時(shí)GPS定位，一眼就能看到自己管理區(qū)域?qū)?yīng)的設(shè)備位置，支持1 000個(gè)以上設(shè)備的在線處理，利用線圈和雷達(dá)來(lái)檢測(cè)車流量信息，進(jìn)而對(duì)每個(gè)道路的優(yōu)化誘導(dǎo)進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)采集。

（7）支持按周、按日、按任意時(shí)間的多種模式調(diào)度設(shè)置，通過(guò)形象的展示形式，一眼就能看出什么時(shí)間播放什么文件，極大地方便了用戶對(duì)文件內(nèi)容的排期編輯，為無(wú)人值守智能內(nèi)容更新提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

（8）支持像點(diǎn)檢測(cè)、保護(hù)設(shè)置、短信報(bào)警、智能方案等實(shí)用性功能，滿足不同項(xiàng)目的需要。實(shí)施監(jiān)控屏體內(nèi)容和設(shè)備健康狀態(tài)，支持郵件報(bào)警，異常狀態(tài)發(fā)生時(shí)及時(shí)通知用戶。

3 ? ?控制系統(tǒng)的整體架構(gòu)設(shè)計(jì)和關(guān)鍵功能部分的實(shí)現(xiàn)

整個(gè)架構(gòu)采用模塊化思路，對(duì)業(yè)務(wù)分層和功能模塊進(jìn)行橫向和豎向劃分。模塊化及分層如圖1所示?？刂葡到y(tǒng)劃分以下幾個(gè)關(guān)鍵部分。

3.1 ?網(wǎng)站UI部分

采用微軟21世紀(jì)主推的跨平臺(tái)的.net Core開(kāi)發(fā)框架，具有天生的跨平臺(tái)特性，支持Windows，Linux，MAC等操作系統(tǒng);使用模型—視圖—控制器（Model-View-Controller，MVC）開(kāi)發(fā)模式并結(jié)合3層架構(gòu)思想進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)分層、解耦，結(jié)構(gòu)清晰，提高開(kāi)發(fā)效率;使用WebAPI的形式進(jìn)行開(kāi)發(fā)，極大地方便了后臺(tái)UI界面的擴(kuò)展，如IOS端、安卓端、PC端、微信小程序等;使用Entity Framework Core進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)，可以方便地更換各種數(shù)據(jù)庫(kù)（SQLServer，MySQL，Sqlite，PostgreSQL等）;前端采用Bootstrap+Jquery+JqueryUI+less+H5 canvas開(kāi)發(fā)。

3.2 ?Server部分

Server是網(wǎng)站與設(shè)備之間最重要的橋梁，要求是穩(wěn)定可靠，需要處理的業(yè)務(wù)包括：實(shí)時(shí)監(jiān)控VMS設(shè)備狀態(tài)、在出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)送警報(bào)（如SMS警報(bào)、郵件報(bào)警）、完成所有對(duì)VMS操作的指令。為了保障任務(wù)處理的可靠性，本團(tuán)隊(duì)采用了消息隊(duì)列與服務(wù)器后端進(jìn)行通信;服務(wù)器Modem連接采用異步IO方式，支持2 000個(gè)設(shè)備的并發(fā)連接請(qǐng)求;任務(wù)進(jìn)度及結(jié)果采用異步推送的形式，不需要服務(wù)器后端進(jìn)行輪詢;采用IOC依賴注入方式降低模塊間的耦合度;采用Log4net進(jìn)行日志記錄，支持日志復(fù)寫及文件存儲(chǔ)[2]。

3.3 ?設(shè)備功能部分

該部分主要包含MVC后臺(tái)網(wǎng)絡(luò)單機(jī)適配器、協(xié)議模塊、設(shè)備模塊3個(gè)核心模塊。

MVC后臺(tái)網(wǎng)絡(luò)單機(jī)適配器模塊：對(duì)于網(wǎng)絡(luò)版，因?yàn)橛蟹?wù)器的存在，需要先把遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用（Remote Procedure Call，RPC）請(qǐng)求的信息發(fā)送到服務(wù)器上，服務(wù)器再把請(qǐng)求轉(zhuǎn)換成對(duì)設(shè)備模塊外部接口的調(diào)用;對(duì)于單機(jī)版，因?yàn)闆](méi)有服務(wù)器，所以不存在發(fā)送RPC請(qǐng)求信息這一環(huán)節(jié)，在后端應(yīng)用程序接口（Application Programming Interface，API）可以直接調(diào)用設(shè)備模塊的外部接口;除了對(duì)設(shè)備的操作以外，MVC后端的API還需要對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行交互，這里的交互僅指設(shè)備相關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)交互[3]。

協(xié)議模塊：本系統(tǒng)其中很重要的一部分，主要提供給系統(tǒng)中的設(shè)備模塊調(diào)用，內(nèi)部實(shí)現(xiàn)協(xié)議應(yīng)用層的解析和調(diào)用相應(yīng)的通信模塊，不同協(xié)議單獨(dú)一個(gè)模塊。每種協(xié)議獨(dú)立一個(gè)模塊，根據(jù)協(xié)議定義的功能，封裝由協(xié)議自身定的功能決定這個(gè)模塊提供的API。

設(shè)備模塊：由于本系統(tǒng)涉及多種多樣的設(shè)備，需要將每個(gè)設(shè)備設(shè)計(jì)成獨(dú)立的模塊，提供給系統(tǒng)中的功能模塊調(diào)用，內(nèi)部會(huì)調(diào)用協(xié)議模塊，不同設(shè)備單獨(dú)一個(gè)模塊，內(nèi)部調(diào)用自己所需的屬性和方法，模塊之間互不相關(guān)。

3.4 ?交通誘導(dǎo)調(diào)優(yōu)算法

針對(duì)現(xiàn)實(shí)生活中的智能交通誘導(dǎo)系統(tǒng)求解實(shí)時(shí)最優(yōu)路徑問(wèn)題，根據(jù)實(shí)時(shí)交通信息，以車輛周轉(zhuǎn)時(shí)間最短，提高路網(wǎng)道路運(yùn)行效率為目標(biāo)建立模型?，F(xiàn)簡(jiǎn)單介紹最為常用的實(shí)時(shí)自適應(yīng)的多agent路徑誘導(dǎo)方法。

實(shí)時(shí)自適應(yīng)的多agent路徑誘導(dǎo)系統(tǒng)。它們將通過(guò)協(xié)作的方式，利用不動(dòng)點(diǎn)原理進(jìn)行路徑選擇，并最終得到用戶滿意的路徑選擇，而且在最大程度上降低交通擁塞，實(shí)時(shí)自適應(yīng)多agent路徑誘導(dǎo)系統(tǒng)由3個(gè)agent組成，分別是交通管理agent、路網(wǎng)agent、個(gè)人agent。

采用柔性約束的優(yōu)化方法：無(wú)論是個(gè)人agent、路網(wǎng)agent和交通管理agent進(jìn)行路徑選擇時(shí)都有一個(gè)優(yōu)化問(wèn)題，即路徑的好壞多個(gè)目標(biāo)，可以把這些目標(biāo)劃分為若干個(gè)級(jí)別，每個(gè)約束級(jí)別定義一個(gè)約束滿足程度可接受的標(biāo)準(zhǔn)。

3.5 ?交通誘導(dǎo)應(yīng)用場(chǎng)景

一條道路上安裝若干個(gè)龍門架裝置，每個(gè)龍門架上都安裝VMS情報(bào)板、限速標(biāo)志、紅叉綠箭、雷達(dá)等設(shè)備。雷達(dá)檢測(cè)出相應(yīng)路段的車流量和車速信息后，通過(guò)后臺(tái)運(yùn)算得出后面路段每個(gè)限速標(biāo)志最適合的限速值，智能優(yōu)化每段道路的最佳行駛速度。根據(jù)雷達(dá)以及路面碰撞檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)某一個(gè)車道發(fā)生事故后，計(jì)算出旁邊車道是否可通行，進(jìn)而控制紅叉綠箭車道牌引導(dǎo)車輛往可通行的車道行駛，同時(shí)降低限速標(biāo)志的速度值，控制車流的速度，在VMS情報(bào)板上顯示“前方發(fā)生事故，減速慢行”等人性化提示信息。當(dāng)某段道路檢測(cè)到發(fā)生事故或者路面不能正常行駛時(shí)，通過(guò)限速標(biāo)志和紅叉綠箭車道盤引導(dǎo)車流往其他路口行駛，并在VMS情報(bào)板上顯示警示信息。

4 ? ?結(jié)語(yǔ)

根據(jù)交通產(chǎn)業(yè)日益擁堵的現(xiàn)實(shí)狀況，順應(yīng)交通市場(chǎng)的號(hào)召，肩負(fù)作為交通市場(chǎng)LED產(chǎn)品提供商的責(zé)任感，文章設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套智能交通誘導(dǎo)系統(tǒng)，盡可能地參與到解決城市交通擁堵的大部隊(duì)中。根據(jù)多年來(lái)的交通產(chǎn)品的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和同行產(chǎn)品的深入研究，結(jié)合市場(chǎng)客戶的真實(shí)體驗(yàn)和反饋，本設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了集多種設(shè)備、多種通信協(xié)議為一體的智能控制系統(tǒng)，操作簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大，采用先進(jìn)的開(kāi)發(fā)理念及技術(shù)、多層架構(gòu)設(shè)計(jì)、清晰的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保障了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和擴(kuò)展性。集VMS、雷達(dá)、限速標(biāo)志、紅叉綠箭等多種交通設(shè)備為一體的集中式控制方式，能充分發(fā)揮交通誘導(dǎo)的作用，為緩解城市交通擁堵奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。該系統(tǒng)已經(jīng)推薦給澳洲和歐洲客戶使用，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和不錯(cuò)的用戶口碑。

[參考文獻(xiàn)]

[1]金永燊.縱談城市交通[M].北京：中國(guó)城市出版社，2002.

[2]陳碩.Linux多線程服務(wù)端編程：使用muduo C++網(wǎng)絡(luò)庫(kù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2015.

[3]微軟官網(wǎng).微軟官方文檔[EB/OL].（2019-04-07）[2019-10-10].https：//docs.microsoft.com/zh-cn/aspnet/core/？view=aspnetcore-2.2.

Abstract：Traffic guidance technology can help the road users to arrive their destination smoothly and correctly， such development can achieve result in optimizing traffic flow and avoid traffic congestion. It is a technology that will manage the modern traffic much more effectively. Based on the use of velocity-measuring system， speed limits， red cross green arrow radar， yellow flashing lights and other traditional traffic guidance tool， we have developed a system that will be able to control them simultaneously. Such system was designed according to the concept of system science and information science technique， by road information collection， information processing， route guidance generation and a set of systemic procedure to implement the design and development of urban road traffic guidance system.?

Key words：traffic guidance; variable information board; velocity-measuring system