城市公交線路車聯(lián)網(wǎng)路側(cè)通訊設(shè)備布設(shè)方法分析

■陳文嬌

（蘇州建設(shè)交通高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，蘇州 215009）

國家“十二五”規(guī)劃明確提出，要發(fā)展寬帶融合安全的下一代國家基礎(chǔ)設(shè)施，推進物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用[1]。車聯(lián)網(wǎng)正是物聯(lián)網(wǎng)分支中最容易形成系統(tǒng)標(biāo)準、最具備產(chǎn)業(yè)潛力的應(yīng)用之一。 所謂車聯(lián)網(wǎng)，是指利用先進的傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和無線通信技術(shù)，通過汽車收集、處理和共享大量信息，實現(xiàn)車與路、車與車、車與人、車與城市網(wǎng)絡(luò)的互相連接，達到智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理目的的一個網(wǎng)絡(luò)[2]。

智能交通系統(tǒng) （Intelligent Transportation System， ITS） 是將先進的信息技術(shù)、 數(shù)據(jù)通信傳輸技術(shù)、電子控制技術(shù)以及計算機處理技術(shù)等有效地運用于整個運輸管理體系，將駕駛員、交通工具和道路、環(huán)境三位一體統(tǒng)籌考慮，從而建立起一種在大范圍內(nèi)全方位發(fā)揮作用的實時、準確、高效的運輸綜合管理系統(tǒng)[2]。 公共交通智能集成系統(tǒng)的最底層是交通信息的協(xié)同，它通過實現(xiàn)運營相關(guān)信息的采集與存儲、 采集的實時信息與歷史信息相互配合，一方面為公交運營調(diào)度過程中計劃編制、實時調(diào)整提供決策支持，另一方面為乘客出行提供實時的諸如候車時間、發(fā)車間隔、車輛位置等相關(guān)信息。 在國際上， 美國的智能車輛公路系統(tǒng)（Intelligent Vehicle and Highway System， IVHS）、日本的車輛信息與通訊系統(tǒng) （Vehicle Information and Communication System， VICS） 等系統(tǒng)通過車輛和道路之間建立有效的信息通信，已經(jīng)實現(xiàn)了公共智能交通管理和信息服務(wù)[3]。

隨著汽車和道路的日益智能化，越來越多的汽車和路側(cè)交通基礎(chǔ)設(shè)施裝備了通訊設(shè)備，整個物聯(lián)網(wǎng)及其相關(guān)應(yīng)用的發(fā)展更使得車聯(lián)網(wǎng)成為大勢所趨。路側(cè)信息采集與服務(wù)平臺組網(wǎng)示意圖見圖1[3]。在這種大趨勢下， 作為公交車輛在線路上運營信息的重要中介，路側(cè)設(shè)備的布設(shè)位置顯得尤為重要。如何科學(xué)合理地在公交線路沿線布設(shè)路側(cè)設(shè)備， 做到既能保證一定程度要求的通訊效果， 又能保證一定合理的經(jīng)濟成本投入， 這是車聯(lián)網(wǎng)在服務(wù)我國城市公共交通系統(tǒng)過程中有待解決的重要問題。 針對該問題，本研究將重點探討路側(cè)通訊設(shè)備的布設(shè)方法。

首先給出了城市公交線路路側(cè)通訊設(shè)備布設(shè)的具體步驟，指導(dǎo)進行具體完成設(shè)備布設(shè)前的各項準備工作，包括布設(shè)線路考察、道路的坐標(biāo)量化等。然后針對多種情況建立覆蓋模型，解決不同條件下的問題，重點研究了路側(cè)通訊設(shè)備的布設(shè)方法。

1 路側(cè)通訊設(shè)備布設(shè)的具體步驟

實際道路中的公交線路情況十分復(fù)雜， 城市、郊區(qū)、 鄉(xiāng)村之間公交系統(tǒng)的軟硬件條件相差甚大。結(jié)合實際應(yīng)用需求，路側(cè)通訊設(shè)備的布設(shè)主要分為兩步：線路的實地考察與路側(cè)通訊設(shè)備安裝的可行性區(qū)域劃分。

1.1 布設(shè)線路的實地考察

公交實際線路考察對于路側(cè)通訊設(shè)備的布設(shè)意義重大。 道路寬度，輔道及人行道、非機動車道寬度，道路交叉口復(fù)雜程度，道路已有公交站臺或路側(cè)基礎(chǔ)設(shè)施， 道路周邊大型障礙物等都需要在考察中被詳細記錄， 為后期道路模型簡化及布設(shè)方法選擇提供依據(jù)。 實際考察過程中可以攝取重要交叉口信息，同時搜集資料獲得道路基本圖像。本研究以為南京市玄武區(qū)共11 條常規(guī)公交線路為例。

1.2 可行性布設(shè)區(qū)域劃分

在劃分前需實際測量包括路寬、車道數(shù)、人行道情況、車站牌、交通信號設(shè)施、已有路側(cè)設(shè)備及基礎(chǔ)設(shè)施等數(shù)據(jù)，再將路段上的區(qū)域分為一級、二級和不可行3 種區(qū)域，供后期模型結(jié)合實際總結(jié)布設(shè)方法時使用，優(yōu)先考慮一級可行區(qū)域，排除不可行區(qū)域。 （1）一級可行性區(qū)域：部分已有的路側(cè)設(shè)備（如配電站旁、公交站臺上、花圃內(nèi)）。 這些地點布設(shè)設(shè)備起來簡單方便，而且不易受到周圍復(fù)雜因素如行人、車輛的破壞，具有良好的穩(wěn)定性和安全性，也不會對道路交通造成干擾， 故設(shè)為一級可行區(qū)域。（2）二級可行性區(qū)域：通過改變基站等通訊設(shè)備的形態(tài)，可以將設(shè)備架在支架上，類似于路燈、路邊測速樁桿。 由于具體改變設(shè)備形態(tài)的方式在不同情況可能比較復(fù)雜， 而且架設(shè)在一定高度的地方需要一定技術(shù)支持，有相應(yīng)難度，故考慮為二級可行區(qū)域。 （3）不可行區(qū)域：路面中央及其低高度周邊設(shè)施，這些區(qū)域容易造成設(shè)備遺失或損壞，故為不可行區(qū)域。

路側(cè)通訊設(shè)備的布設(shè)方法包括上文介紹的面對具體路況和布設(shè)任務(wù)時的解決思路，以及將設(shè)備布設(shè)至道路上的數(shù)學(xué)算法。 本研究將路側(cè)通訊設(shè)備布設(shè)的具體算法抽象為以設(shè)備覆蓋不同道路的數(shù)學(xué)模型。

2 路側(cè)通訊設(shè)備的覆蓋方法分析

面對日趨多元化的道路及城市狀況，需要的覆蓋方法不應(yīng)僅僅追求完善的體系，而更應(yīng)具有普適性，以及在多樣化的模型中都能保持靈活而易于修改的特點。 本研究的布設(shè)方法主要是基于不同道路條件的基站覆蓋模型，分為純面積覆蓋和考慮多種限制條件的覆蓋模型。 純面積覆蓋考慮實際條件較少，理論簡單易于理解，在研究理想情況下（障礙物較少，道路狀況良好，通信暢通）的路側(cè)設(shè)備布設(shè)方法時易于推廣；考慮多種限制條件的覆蓋模型添加了符合實際情況的條件以及單行道情況，更加貼近實際應(yīng)用。

2.1 純面積覆蓋模型

在進行具體道路布設(shè)方法研究時，有很多需要考慮的環(huán)境因素，如道路路況、布設(shè)點可設(shè)立位置、路旁建筑狀況等，考慮因素繁雜，不易得到普適的方案。 因此，在研究有限制條件的具體道路的布設(shè)方法前， 首先考慮較為抽象的純面積覆蓋問題，即通訊設(shè)備抽象為以安裝點為圓心的一個圓，要覆蓋的區(qū)域抽象為一個二維圖形，問題便轉(zhuǎn)變?yōu)橛玫却蟮膱A覆蓋大區(qū)域面積的問題。 以典型的圓形區(qū)域覆蓋為例。

2.1.1 模型概況

定義：有效覆蓋區(qū)域面積S，圓面積q，最少需要圓個數(shù)n，

有效覆蓋率能夠很好地反映某種布局方法對應(yīng)的覆蓋性能。η 值越大，說明該布局方法在覆蓋度上的效果越好；有效覆蓋率越高，并不代表有效覆蓋區(qū)域面積越大； 當(dāng)總覆蓋面積一定時，η 值越大，有效覆蓋區(qū)域面積越大[4]。 基站布設(shè)的矛盾之處：若要盡可能覆蓋全部區(qū)域， 就要布設(shè)較多的基站，有效覆蓋率會降低。 若要盡可能提高有效覆蓋率，則必然不能覆蓋全部區(qū)域。

2.1.2 圓形區(qū)域覆蓋（半徑R）

當(dāng)r≥R 時，顯然n=1，η 無保證。

圖2 n=3 時

圖3 n=4 時

這些時候雖然存在很講究的最優(yōu)覆蓋方案，卻都算不上良好的覆蓋方法，即不存在良好的覆蓋方法。 但這些都是非常特殊的情況，在實際工程應(yīng)用中不必苛求整個圓的每個部分都一定要覆蓋，可以作適當(dāng)?shù)娜∩帷?例如r→R 時， 用1 個小圓覆蓋大圓，大圓邊緣位置會有無法覆蓋的情況，但是損失的僅僅是很小一部分面積，仍可認為η=100%。具體如何實施要看具體的要求。

顯然，當(dāng)R＞＞r 時，這種覆蓋方法的效率穩(wěn)定在63.5%附近。 因此，該方案適用于密集地帶，覆蓋率在63%左右，優(yōu)點是覆蓋區(qū)域無死角。

2.2 考慮多種限制條件的覆蓋方法

實際應(yīng)用中，道路條件十分復(fù)雜，純面積覆蓋法常常難以滿足要求。 不同應(yīng)用模式下需要納入考慮的限制條件也不同。 將所有限制條件一并放入統(tǒng)一覆蓋方法中顯然難以實現(xiàn)，即使實現(xiàn)得到的成果也缺少推廣價值。 因此本研究考慮的覆蓋方案，逐步增加限制條件，層層遞進，由簡至繁，并且在實際應(yīng)用時可結(jié)合案例的特殊性繼續(xù)增加限制條件，從而獲得較為滿意的答案，考慮多種限制條件的覆蓋方法如下。

2.2.1 模型概況

構(gòu)建一種通用的基礎(chǔ)底層算法，在面對實際情況、有不同的限制條件時，可以在底層算法上進行修正補充，得到解決問題的方法。 本研究建模中所有涉及到的方向和角度，都以正東為0°，表示區(qū)間為[0°，360°]；所研究道路為直線型。

利用數(shù)組存儲路口站臺位置信息布設(shè)基站。 設(shè)有n 個路口V，m 個站臺T， 構(gòu)造數(shù)組F=[V1，V2，…，Vn，T1，T2，…，Tm]，令初始F 所有元素為0，確定要布設(shè)在某個位置就令其值為1， 確定某個位置不布設(shè)基站就令其值為-1，最后值為1 的為布設(shè)基站的位置。

2.2.2 具體建模

首先建立路口矩陣（矩陣A）用鄰接矩陣來存儲路口關(guān)聯(lián)信息。 鄰接矩陣（Adjacency Matrix）：是表示頂點之間相鄰關(guān)系的矩陣。設(shè)G=（V，E）是一個圖，其中V={v1，v2，…，vn}。G 的鄰接矩陣是一個具有下列性質(zhì)的n 階方陣：（1）對無向圖而言，鄰接矩陣一定是對稱的，而且對角線一定為零（在此僅討論無向簡單圖），有向圖則不一定如此。 （2）在無向圖中，任一頂點i 的度為第i 列所有元素的和，在有向圖中頂點i 的出度為第i 行所有元素的和， 而入度為第i 列所有元素的和。（3）用鄰接矩陣法表示圖共需要n2個空間，由于無向圖的鄰接矩陣一定具有對稱關(guān)系，所以扣除對角線為零外，僅需要存儲上三角形或下三角形的數(shù)據(jù)即可，因此僅需要n（n-1）/2個空間[4]。

若路口i、j 間有道路直接相連時，aij=1，否則aij=0。

其次用一個矩陣B 來存儲所有的公交車站信息。矩陣B 中的每個元素都是一個數(shù)組。保存車站信息具體過程如下：

當(dāng)路口i、j 不相連時，即aij=0,bij=0。

否則，如果aij=1，bij=[n,θ,l0,l1,l2...ln]n≥0,n 為路口i、j 間公交站臺個數(shù)，θ 為道路i 至j 的角度。

n=0 時，l0即為路口i、j 之間的距離；

n≠0 時，lk為第k 個公交站臺與第k+1 個公交站臺之間的距離，0＜k＜n；

特殊的，l0為路口i 與第1 個公交站臺的距離，為第n 個公交站臺與路口j 間的距離。

規(guī)定路口編號從i 到j(luò)。

此時，整個道路網(wǎng)路口和站臺的信息已經(jīng)全部以數(shù)學(xué)形式保存在矩陣和數(shù)組中。 可以進一步研究同一個路口所連的任意兩個公交站臺間的平面位置關(guān)系，即距離和角度。

設(shè)有3 個路口V0，V1，V2，

若已知b02=[n2,θ1,lp0,lp1,lp2,...,lpn],

b02=[n2,θ2,lq0,lq1,lq2,...,lqn],

b12=0,則可獲知V0V1、V0V2為連通路口，V1V2兩路口不連通。

V0V1間第p 個公交站臺T1（p≤n），與V0V2間第q 的公交站臺T2（q≤n）的位置關(guān)系。

距離公式：

角度公式：

最后考慮基站布設(shè)方案，這里考慮的基站有效通訊半徑r 與相鄰公交站臺間距離l 相當(dāng)， 一般來說r 略小于l。

（1）情形1：只考慮最基本的覆蓋所有路口和公交站臺

在城市公交線路上， 信號交叉口和公交站臺附近易形成交通流堵塞。 通過布設(shè)基站及時采集公交車輛到達及排隊信息， 對于有效緩解排隊堵塞，加快通行效率，均勻交通流量有著十分重要的意義。

布設(shè)方案：在每個路口和公交站臺布設(shè)基站。

（2）情形2：考慮最覆蓋所有路口和公交站臺，并且考慮約束條件

在交叉口和公交站臺相距較近的情況下， 重復(fù)布設(shè)基站顯然浪費資源， 獲取的數(shù)據(jù)由于時間間隔較小也不具有更新價值。 為了較為及時地獲取有效數(shù)據(jù)，將基站布設(shè)在信號前端（及道路上游地區(qū)）。

因此設(shè)置限制條件：公交站臺有方向。 若站臺距離路口足夠近（x＜r1）：站臺為上游（即車先經(jīng)過站臺），則優(yōu)先在站臺布設(shè)；路口為上游，則優(yōu)先在路口布設(shè)（r1為一確定數(shù)值，顯然r1＜r，r1與r 的具體關(guān)系要不同情形有所區(qū)別）。

布設(shè)方案：將原來的數(shù)學(xué)模型進行改進。

原來的bij=[n,θ,l0,l1,l2...ln]中l(wèi) 為一個表示距離的數(shù)據(jù)。 為了解決條件2，將l 改進為1 個二元數(shù)組，l=[d，e], d=±1 （站臺方向與i→j 方向一致時為1，反向為-1）。

遍歷所有的l0，若其元素d＜r1，則判斷：

對l0：若e=1，則布設(shè)在路口；若e=-1，則布設(shè)在站臺。

（3）情形3：在條件2 的基礎(chǔ)上增加約束條件

在交叉口附近公交站臺密集（≥2）的情況下，交叉口作為中心位置， 可作為信息統(tǒng)一采集源，避免信息重復(fù)及資源浪費。 這種情況下，顯然在交叉口布設(shè)基站采集有效數(shù)據(jù)較為合理。

因此設(shè)置限制條件：若路口附近（x＜r1）有大于或等于2 個站臺，優(yōu)先布設(shè)在路口。

布設(shè)方案： 增加一數(shù)組C=[x1,x2,...,xn]，n 為路口個數(shù)，用來記錄路口附近站臺個數(shù)。

數(shù)組C 所有元素初始值為0。遍歷所有的l0，若在bij中的l0子元素d＜r1，則在對應(yīng)的x1中加1。

遍歷完所有的l0,后，遍歷數(shù)組C 中元素。

對C 中元素：

若xi=0，不做特殊處理；

若x1=1，查詢所有的bij中l(wèi)0，找到附近的站臺，若e=1，則布設(shè)在路口。 若e=-1，則布設(shè)在站臺；若x1≥2，則基站布設(shè)在路口。

（4）情形4：在情形3 的基礎(chǔ)上增加約束條件

限制條件：若路口附近（x＜r1）有大于或等于2個站臺，且兩個站臺間的距離十分接近（x’＜r1），在三點中心位置布設(shè)基站（不考慮超過兩個站臺，因為設(shè)定的基站通訊半徑不超過兩倍的同一道路上的站臺間距）。

布設(shè)方案： 對情形3 的處理結(jié)果進行修正。

對xi=0 或1 的情況不作修改， 主要針對xi≥2的情況進行修正。

若xi≥2， 可找到對應(yīng)附近的站臺T1，T2，...，Tn（n＞1）。

根據(jù)上述公式，可以求得任意兩個站臺間的距離，共得到數(shù)據(jù)量有。

對每個數(shù)據(jù)進行判斷，若滿足條件x’＜r1，則令數(shù)組F 中路口、兩個站臺對應(yīng)量為-1。

已知路口，兩個站臺間所構(gòu)成三角形的所有邊角大?。ㄟ吔怯嬎憧衫蒙鲜龉剑?，根據(jù)三角形中心計算公式，可求得基站布設(shè)點位置。

（5）情形5：考慮單行道情況

根據(jù)國內(nèi)外多年實踐經(jīng)驗，解決交通擁堵最有效和可行的措施之一就是實行單向交通[6]，實行單向交通可大大提高城市道路的利用率，提高車流速度和車流量，這對解決城市交通擁堵、減少交通流量多集中在少數(shù)幾條干線上且分布不均等交通難題具有很大作用[7]。

因此設(shè)置限制條件： 在上述限制條件的基礎(chǔ)上，增加限定條件——單行道僅在靠近路口的站臺鋪設(shè)基站。

布設(shè)方案：此時涉及到有向道路。 因此對于道路信息的處理要改為有向圖鄰接矩陣。

由于在有向圖鄰接矩陣中上三角與下三角元素不對稱，因此在搜索時要遍歷整個矩陣。

對于情形2～5 的限制條件，在原來處理過程中在單行道的各個公交站臺也布設(shè)了基站，因此只需要做補充算法：

①搜索單行道特征：aij=1，aij=0；

②對單行道的基站布設(shè)特殊處理：僅在路口附近站臺鋪設(shè)基站，其余站臺T=-1（不鋪設(shè)基站）。

3 結(jié)語

車聯(lián)網(wǎng)的大環(huán)境下，智能公交系統(tǒng)的運營正在逐日完善，并且一步步影響著人們的生活。 作為其中的關(guān)鍵技術(shù)之一，合理而科學(xué)的路側(cè)通訊設(shè)備的布設(shè)方法為完善公交系統(tǒng)信息資源的高效集成及調(diào)度提供可能性。 本研究的創(chuàng)新之處在于提供一種科學(xué)的、易于推廣、具有普適性的路側(cè)通訊設(shè)備布設(shè)方法，即結(jié)合實際路線考察與通用覆蓋方法為一體的思路體系。 在道路狀況復(fù)雜，城市原有公交線路老化，公共交通信息亟需合理采集并服務(wù)于公眾出行者，本方法具有重要的參考及借鑒價值。