基于智能導(dǎo)向的城市交通空間規(guī)劃系統(tǒng)設(shè)計＊

侯碩,郁楓,王倚天

(中國建筑科學研究院有限公司，北京100013)

1 引言

城市是人類生存的主要棲息地，已經(jīng)成為一個綜合性的生存系統(tǒng)，包括自然環(huán)境、社會變遷以及經(jīng)濟變化，是人類物質(zhì)財富和精神財富的中心，同時也成為了人類文明的基礎(chǔ)象征[1]。城市交通空間規(guī)劃在為居民提供便利的同時，也會存在很多弊端，城市交通空間規(guī)劃不僅會影響城市交通布局，還會影響居民的出行效率。國外針對城市交通空間規(guī)劃的研究比較先進，法國在2011年的時候就開始實施城市交通空間規(guī)劃，后來德國在2016年也展開了城市交通空間規(guī)劃研究，2017年時，美國對300個專用路線進行了交通空間規(guī)劃，大大提高了居民的出行效率[2]；國內(nèi)隨著城市交通問題的不斷凸顯，在2016年時上海政府就開始開展城市交通空間的規(guī)劃研究，為城市交通提供了政策支持，同時也減少了車輛的能耗，解決了生態(tài)環(huán)境惡化的問題[3]。

文獻[4]從內(nèi)涵定義、指標分析、模型構(gòu)建等角度，提出基于交通通行和生活空間二維功能的街道規(guī)劃和設(shè)計方法，對傳統(tǒng)以車行為導(dǎo)向的街道規(guī)劃理論進行了有益的拓展；文獻[5]以韓城市為例，在總結(jié)慢行交通系統(tǒng)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，通過對步行道和自行車道的分級組合，提出合理的橫斷面寬度要求，從而優(yōu)化城市道路空間，從規(guī)劃層面保障慢行交通路權(quán)，并將其應(yīng)用到公交線網(wǎng)的分層規(guī)劃中，為城市公交線網(wǎng)的分層規(guī)劃提供了有利依據(jù)。

基于以上背景，本文將智能導(dǎo)向應(yīng)用到了城市交通空間規(guī)劃系統(tǒng)設(shè)計中，從而提高了城市交通空間規(guī)劃效果。

2 城市交通空間規(guī)劃系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

在城市交通空間規(guī)劃系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊中，采用飛利浦系列控制器[6]作為數(shù)據(jù)采集模塊的主控芯片，使該模塊與上位機之間相互構(gòu)成了多條鏈路的數(shù)據(jù)采集和處理?？刂破鞑捎猛ㄓ玫?2 位微型處理器，在應(yīng)用過程中具有較高的控制性能，且消耗的功率也比較低。

數(shù)據(jù)采集模塊的多路電壓信號是通過A/D信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換之后，到控制器中再進行傳輸，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理，本文設(shè)計采用TLC736MCB2為數(shù)據(jù)采集模塊的開關(guān)電容逐次接近的轉(zhuǎn)換器[7]。數(shù)據(jù)采集模塊的轉(zhuǎn)換器需要具備三個控制輸入端以及模擬輸入通道，采用串行接口便于該模塊與微型計算機進行連接。數(shù)據(jù)采集模塊的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集模塊的硬件結(jié)構(gòu)

在數(shù)據(jù)采集模塊中，利用BM32-98DF 芯片將模塊中的串口轉(zhuǎn)換成USB 接口，BM32-98DF 芯片內(nèi)部包括振蕩器、USB收發(fā)器以及全速功能控制器，在使用時不需要與外部其他元器件進行相互連接，只要滿足USB 規(guī)范就可以提高串口數(shù)據(jù)的傳輸速率，還能使數(shù)據(jù)采集模塊的工作效率得以提高。數(shù)據(jù)采集信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換之后，通過轉(zhuǎn)換器使獲取到的數(shù)據(jù)到達上位機再發(fā)送。

2.2 Web服務(wù)器設(shè)計

WEB 服務(wù)器一般都是應(yīng)用在硬件端口受到限制的系統(tǒng)中，通過瀏覽器使用圖形界面來訪問城市交通空間規(guī)劃系統(tǒng)。WEB服務(wù)器的設(shè)計是基于因特網(wǎng)絡(luò)，用戶端在任意地方都可以訪問WEB服務(wù)器來查詢各種信息，為城市交通空間規(guī)劃系統(tǒng)的維護和管理帶來便利。

傳統(tǒng)的WEB服務(wù)器是以用戶端口為中心，由多個計算機組成，主要用于響應(yīng)用戶端口的服務(wù)請求[8]。在城市交通空間規(guī)劃系統(tǒng)中，由于城市交通空間資源非常有限，傳統(tǒng)WEB 服務(wù)器不能對資源占用量大的程序提供緩沖支持，因此就需要設(shè)計一種新型WEB 服務(wù)器，其體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 WEB服務(wù)器的體系結(jié)構(gòu)圖

WEB 服務(wù)器向城市交通空間規(guī)劃系統(tǒng)發(fā)送連接請求時，通過TCP/IP協(xié)議審核并經(jīng)由因特網(wǎng)，最后將連接請求發(fā)送到WEB服務(wù)器，當WEB服務(wù)器檢查通過之后，就會與瀏覽器端建立TCP/IP連接。連接建立完成之后，瀏覽器就會開始向城市交通空間規(guī)劃系統(tǒng)發(fā)送HTTP請求，并將請求發(fā)送到WEB 服務(wù)器端。當WEB 服務(wù)器接收到HTTP 請求后，就會根據(jù)HTTP 協(xié)議規(guī)范對請求進行解析，并判斷請求的內(nèi)容是動態(tài)CGI 程序還是靜態(tài)網(wǎng)頁，最后返回給瀏覽器不同的結(jié)果。當WEB瀏覽器接收到WEB服務(wù)器返回的數(shù)據(jù)之后，就會將網(wǎng)頁的具體內(nèi)容顯示在屏幕上。

2.3 MapObject組件設(shè)計

MapObject 組件是一個以COM 技術(shù)為基礎(chǔ)的地圖應(yīng)用組件，由45 個自動化對象和OCX 組成，在標準的編程環(huán)境下，可以與WEB服務(wù)器和數(shù)據(jù)采集模塊組成一個完全獨立的應(yīng)用軟件。MapObject 組件是計算機產(chǎn)品中最簡潔的一種GIS組件，它以接口數(shù)量少的特性為城市交通空間規(guī)劃系統(tǒng)提供了GIS功能，同時還具有結(jié)構(gòu)合理、容易擴展的優(yōu)勢。與MapObject組件相比，其他的GIS組件，會由于提供的功能較多，而破壞了組件的結(jié)構(gòu)美，從而影響用戶在擴展上的靈活性。

從MapObject組件對城市交通空間規(guī)劃數(shù)據(jù)的組織方式來看，具有清晰的概念且便于更多人理解。MapObject組件認為一個城市交通地圖是由多個圖層共同構(gòu)成的，每一個圖層的數(shù)據(jù)來源非常廣泛，不僅可以作為CAD圖層，還可以作為GIS矢量圖層，甚至還可以作為影像數(shù)據(jù)。對于前兩個圖層來講，圖層的內(nèi)部都用Recordest來表達，這樣就將不同格式的城市交通空間規(guī)劃數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的表達抹平了，同時還簡化了程序員對城市交通空間規(guī)劃數(shù)據(jù)的觀點。

從MapObject組件為城市交通空間規(guī)劃系統(tǒng)提供的功能接口來看，在城市交通空間規(guī)劃系統(tǒng)的所有程序上都可以實現(xiàn)，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)統(tǒng)計城市交通空間

(2)城市交通空間地圖的縮放和漫游

(3)創(chuàng)建新的城市交通空間規(guī)劃文件

(4)顯示城市交通空間遙感影像

(5)匹配城市交通空間地址

通過調(diào)用上述程序接口，可以在城市交通空間規(guī)劃系統(tǒng)中開發(fā)出比較簡單的城市交通地圖應(yīng)用，甚至更加復(fù)雜的3S應(yīng)用。利用城市交通空間分析算子，構(gòu)造出一個具有復(fù)雜度的城市交通空間分析模型。由于MapObject 組件為城市交通空間規(guī)劃系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)的更新接口，用戶在訪問系統(tǒng)時就可以擴展出登錄系統(tǒng)的編輯工具。

在MapObject 組件設(shè)計中，對以往的MapObject 組件中增加以下幾個功能：

(1)光滑處理城市交通空間影像的圖層

(2)在MapObject組件運行過程中隨時打包功能

(3)適當增加規(guī)劃標簽的整理功能

(4)改進城市交通空間規(guī)劃的投影引擎

(5)增加Bug 修補功能，改進城市交通空間規(guī)劃系統(tǒng)性能

(6)提高MapObject組件裝載數(shù)據(jù)集的性能

在城市交通空間規(guī)劃系統(tǒng)的硬件設(shè)計中，采用飛利浦系列控制器作為數(shù)據(jù)采集模塊的主控芯片，設(shè)計了數(shù)據(jù)采集模塊的硬件結(jié)構(gòu)，在傳統(tǒng)WEB 服務(wù)器的基礎(chǔ)上，設(shè)計了WEB 服務(wù)器的體系結(jié)構(gòu)，根據(jù)WEB 服務(wù)器的運行原理，完成WEB 服務(wù)器的設(shè)計，結(jié)合MapObject 組件設(shè)計，實現(xiàn)了系統(tǒng)的硬件設(shè)計，從而提高了城市交通空間規(guī)劃效率。

3 城市交通空間規(guī)劃系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 預(yù)測城市交通空間分布格局變化

在城市交通空間規(guī)劃方面，預(yù)測城市交通空間分布格局的變化可以反映出城市交通空間的結(jié)構(gòu)特性，依據(jù)城市交通空間設(shè)計、交通意向、行為活動等相關(guān)理論，對城市交通空間分布格局的變化情況進行預(yù)測。城市交通空間的智能導(dǎo)向所針對的目標用戶是城市交通空間內(nèi)的所有群體，而并不是針對特定的人群進行智能導(dǎo)向的，將智能導(dǎo)向的通用性設(shè)計應(yīng)用到城市交通空間分布格局變化的預(yù)測中，就是將所有用戶都看成是不同程度的智障患者，以用戶為核心，不需要進行復(fù)雜的操作就可以預(yù)測出城市交通空間分布格局的變化。

預(yù)測城市交通空間分布格局的變化主要從城市交通空間斑塊的凝聚度、交通空間散布與并列指數(shù)、交通空間斑塊占城市面積的比例幾個指數(shù)來進行，具體預(yù)測方法如下：

(1)城市交通空間斑塊的凝聚度

城市交通空間斑塊的凝聚度COHESION 的表達式如下：

(2)交通空間散布與并列指數(shù)

交通空間散布與并列指數(shù)的表達式為：

公式中，m表示城市交通類型數(shù)量，eik表示城市交通i與k的相鄰邊長度。交通空間散布與并列指數(shù)可以反映出不同的城市交通類型之間的總體散布與并列情況。

(3)交通空間斑塊占城市面積的比例

交通空間斑塊占城市面積的比例表達式為：

公式中，n表示交通空間斑塊的數(shù)量，i表示城市交通類型，aij表示城市交通類型i中空間斑塊j的面積，A表示城市交通的總面積。交通空間斑塊占城市面積的比例可以表示出城市交通的組成成分，反映出某城市交通類型在整個城市的比例。

以上從城市交通空間斑塊的凝聚度、交通空間散布與并列指數(shù)、交通空間斑塊占城市面積的比例三個指數(shù)，預(yù)測了城市交通空間分布格局的變化情況，接下來通過城市交通空間的規(guī)劃流程設(shè)計，來實現(xiàn)城市交通空間的規(guī)劃。

3.2 規(guī)劃城市交通空間

基于城市交通空間利用問題以及傳統(tǒng)城市公交空間規(guī)劃方法存在的缺陷，引入城市公交乘客需求的智能導(dǎo)向，確定基于智能導(dǎo)向的城市交通空間規(guī)劃方法。首先找出智能導(dǎo)向與城市交通空間兩者之間結(jié)合發(fā)展的關(guān)鍵點，基于這一關(guān)鍵點，研究城市交通空間的規(guī)劃，形成一個基于智能導(dǎo)向功能的城市交通空間規(guī)劃方法。最后對智能導(dǎo)向與城市交通空間進行整合，形成智能導(dǎo)向的城市交通空間規(guī)劃。城市交通空間規(guī)劃流程如圖3所示。

圖3 城市交通空間規(guī)劃流程

綜上所述，在智能導(dǎo)向的基礎(chǔ)上，從城市交通空間斑塊的凝聚度、交通空間散布與并列指數(shù)、交通空間斑塊占城市面積的比例三個指數(shù)，預(yù)測了城市交通空間分布格局的變化情況，結(jié)合城市交通空間的規(guī)劃流程，完成了系統(tǒng)的軟件設(shè)計，實現(xiàn)了城市交通空間的規(guī)劃。

4 測試分析

4.1 分析城市交通空間格局

在城市交通空間網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建過程中，城市交通類型的選擇與阻力體系的建立時刻影響著實驗結(jié)果。利用城市交通空間格局的分析結(jié)果，對每一個交通空間的指數(shù)進行歸一化處理，在研究區(qū)域內(nèi)選擇200個城市交通空間類型，改變原有類型的主觀性，為實驗測試結(jié)果提供保障。由于城市道路對城市交通空間的影響很大，會將原有的空間進行分割，導(dǎo)致城市交通系統(tǒng)紊亂，因此，在選取阻力指標過程中存在很多道路因子影響分析結(jié)果。通過分析每一個阻力因子來確定不同道路因子的權(quán)重，如表1所示。

表1 阻力賦值表

4.2 城市交通空間規(guī)劃效率對比測試

利用城市交通空間格局的分析結(jié)果，分別采用基于智能導(dǎo)向的城市交通空間規(guī)劃系統(tǒng)、文獻[4]的規(guī)劃系統(tǒng)以及文獻[5]的規(guī)劃系統(tǒng)，來規(guī)劃城市交通空間，得到城市交通空間規(guī)劃效率對比結(jié)果，如圖4所示。

圖4 城市交通空間規(guī)劃效率對比結(jié)果

從圖4的測試結(jié)果中可以看出，采用文獻[4]的規(guī)劃系統(tǒng)來規(guī)劃城市交通空間時，由于該系統(tǒng)在硬件端口設(shè)計沒有采集到準確的城市交通空間數(shù)據(jù)，導(dǎo)致系統(tǒng)的硬件的運行過程中經(jīng)常會出現(xiàn)故障，部分規(guī)劃結(jié)果在測試過程中丟失，降低了城市交通空間規(guī)劃效率；采用文獻[5]的規(guī)劃系統(tǒng)來規(guī)劃城市交通空間時，該規(guī)劃系統(tǒng)雖然采集了城市交通空間數(shù)據(jù)，也將服務(wù)器應(yīng)用到了系統(tǒng)的硬件設(shè)計中，但是由于服務(wù)器與瀏覽器之間的數(shù)據(jù)傳輸缺少連接裝置，造成數(shù)據(jù)傳輸經(jīng)常中斷，也使得城市交通空間的規(guī)劃效率不高；而采用本文設(shè)計的基于智能導(dǎo)向的城市交通空間規(guī)劃系統(tǒng)來規(guī)劃城市交通空間時，該系統(tǒng)不僅設(shè)計了數(shù)據(jù)采集模塊和服務(wù)器，還將MapObject 組件也應(yīng)用到了系統(tǒng)的硬件配置中，從而提高了城市交通空間的規(guī)劃效率。

4.3 城市交通空間規(guī)劃精度對比測試

利用城市交通空間格局的分析結(jié)果，分別采用基于智能導(dǎo)向的城市交通空間規(guī)劃系統(tǒng)、文獻[4]的規(guī)劃系統(tǒng)以及文獻[5]的規(guī)劃系統(tǒng)，來規(guī)劃城市交通空間，得到城市交通空間規(guī)劃精度對比結(jié)果，如圖5所示。

圖5 城市交通空間規(guī)劃精度對比結(jié)果

從圖5的測試結(jié)果中可以看出，采用文獻[4]的規(guī)劃系統(tǒng)來規(guī)劃城市交通空間時，由于該系統(tǒng)只從城市交通空間斑塊的凝聚度這一個方面，預(yù)測了城市交通空間分布格局變化，導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果存在單一性，使城市交通空間的規(guī)劃精度不高；采用文獻[5]的規(guī)劃系統(tǒng)來規(guī)劃城市交通空間時，雖然解決了預(yù)測結(jié)果的單一性問題，但是在規(guī)劃流程設(shè)計中缺少規(guī)劃工具，降低了城市交通空間規(guī)劃精度；采用基于智能導(dǎo)向的城市交通空間規(guī)劃系統(tǒng)來規(guī)劃城市交通空間時，該系統(tǒng)從城市交通空間斑塊的凝聚度、交通空間散布與并列指數(shù)、交通空間斑塊占城市面積的比例三個指數(shù)，預(yù)測了城市交通空間分布格局的變化情況，從而提高了城市交通空間的預(yù)測精度。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了基于智能導(dǎo)向的城市交通空間規(guī)劃系統(tǒng)設(shè)計，在智能導(dǎo)向的基礎(chǔ)上，通過設(shè)計城市交通空間規(guī)劃系統(tǒng)的硬件和軟件，完成了系統(tǒng)的設(shè)計，測試結(jié)果顯示，該系統(tǒng)在規(guī)劃效率和規(guī)劃精度方面，都可以提高城市交通空間規(guī)劃效果。但是在今后的研究工作中，還要進一步深入研究，解決不同用戶對城市交通空間的需求問題。