基于ArcGIS Engine的高速公路車輛軌跡查詢與回放系統的設計

顧倩文，曾獻輝，沈振一

(東華大學 a.信息科學與技術學院；b.數字化紡織服裝技術教育部工程研究中心，上海201620)

基于ArcGIS Engine的高速公路車輛軌跡查詢與回放系統的設計

顧倩文a，b，曾獻輝a,b，沈振一a,b

(東華大學 a.信息科學與技術學院；b.數字化紡織服裝技術教育部工程研究中心，上海201620)

針對高速公路全程監控系統中車輛流水數據的多源異構特點，提出了采用同步復制技術將各監控子系統的車輛流水數據匯總至監控中心，利用數據同步復制技術形成車輛完整軌跡數據庫.采用C#開發語言，結合ArcGIS Engine技術，開發出基于VS 2012平臺的車輛軌跡查詢與回放系統，實現了實時查詢車輛的行車路線，并在地圖上動態回放各個時段的車輛運行軌跡.經實際項目測試驗證了該系統在交通管理中有很好的實用性.

車輛； 多源異構； ArcGIS Engine； 同步復制； 軌跡回放

隨著社會經濟的高速發展和城市化水平的不斷提高，機動車數量也迎來了飛速的增長.在社會公共交通管理中，因交通擁堵、交通事故頻頻發生，對機動車輛進行合理的監控管理已經成了極為重要的部分，高速公路作為一種現代化的公路運輸通道，在交通管理中發揮著越來越重要的作用.

目前高速公路全程監控系統正在不斷完善，高速公路的全程安裝了數量巨大的視頻監控設施，基本實現了對高速公路全線無盲點監控，建設了全程視頻監控系統和輔助交通檢測系統.隨著全程監控各系統不斷地上線投入運營，各高速公路公司的管理人員也逐步體驗新監控系統帶來的便捷服務.在全程監控系統中，可以通過獲取各斷面所經過車輛的車牌、時間、車型等車輛的流水數據，利用這些端口采集的數據進行深入的分析，規劃整理出有效的車輛信息，實現對過往車輛行駛路徑的全程檢測，為高速公路的交通管理提供更加有效的手段.本文針對高速公路全程監控系統中的車輛流水數據，實現了將各監控子系統的車輛流水數據匯總至監控中心，利用數據融合技術形成車輛完整軌跡數據庫，結合ArcGIS Engine技術，實現了實時查詢車輛的行車路線，并在地圖上動態回放各個時段的車輛運行軌跡.

1 系統技術框架

本文的車輛軌跡查詢與回放系統由3部分組成，即數據層、技術服務層、應用層.數據層用來存放所需要的系統數據，包括監控中心數據庫、地圖數據庫；技術服務層提供各種服務組件來訪問數據層和響應系統界面所發送的請求；應用層則提供給管理人員數據查詢并發送請求，實現電子地圖的瀏覽、車輛軌跡的回放.其系統框架如圖1所示.在VS 2012開發環境中，采用C#開發語言，通過Ado.net連接與訪問數據庫， 采用Geo database管理ArcGIS地圖數據庫，調用ArcGIS Engine提供的接口實現訪問和操作電子地圖[1].

圖1 系統框架結構圖Fig.1 Structure of system framework

在高速公路監控系統中，收費站、服務區以及其他眾多斷面節點基本實現了無盲點監控，各地的子系統卡口采集了所經車輛的車牌、時間、車型等信息.高速公路監控系統將各地采集的車輛流水數據解析后實時傳輸到監控中心服務器上，其監控網絡結構如圖2所示.利用數據融合技術形成車輛完整軌跡數據庫，用戶通過系統的界面窗口查詢，結合ArcGIS技術就能精確地顯示車輛行駛軌跡，從而實現對車輛位置和狀態的查詢.

圖2 高速公路監控網絡結構圖Fig.2 Structure of expressway monitoring network

2 系統功能結構

車輛軌跡查詢系統主要實現管理人員對車輛行駛軌跡的可視化查詢管理，除了在正常的監控管理中起到監管作用并防止交通事故的發生，還能對法治車輛的監護、犯罪嫌疑車輛的監控[2-3]以及配合警務人員偵查案件起到很好的作用，該系統的功能從以下3方面進行詳細闡述.

2.1 多源異構數據的同步復制

由于車輛的信息分散在各地的子系統中，一般高速公路的數據源分為3個類別，即收費站、主線卡口、服務區，其特點如下：

(1) 各地子系統所選用的數據庫類型是多種多樣的，例如存在的數據庫管理系統有SQL Server 2000、SQL Server 2008、Mysql、Oracle等[4].

(2) 數據存放的方式也是不固定的，包括單一表、生成表、按日生成表等.

(3) 有些表結構可修改，例如增加sendok字段；有些表結構不能修改，比如按月生成表的情況，因為無法獲得生成表的源代碼.

針對車輛流水數據的多源異構特點，高速公路車輛數據采集模塊需要對全線各個站點的子系統中的車輛流水數據實現實時采集，即將各個數據源的數據實時地同步復制到上級監控中心數據庫中.由地方數據庫將動態產生數據中的關鍵信息同步到監控中心數據庫，其同步復制結構如圖3所示.

圖3 多源異構數據同步復制軟件結構Fig.3 The software architecture of multi-source heterogeneous data replication

監控中心根據地方子系統，動態地按日或按月生成一張表，表名為“traffic_年月日”，traffic表的字段定義如表1所示.同時考慮到數據存放模式的多樣性，需靈活地處理數據源，將來自不同數據庫類型的數據進行分析處理，并以XML格式配置數據源，將各地的車輛流水數據融合后同步到監控中心的數據庫服務器.

表1 traffic表的定義Table 1 The definition of traffic table

2.2 電子地圖瀏覽

在C#開發環境下建立GIS(geographic information system)的基本應用框架，地圖瀏覽模塊利用ArcGIS Engine地圖引擎實現圖層的加載、關閉、移除，以及地圖隨機放大、縮小、平移、全屏實現、比例尺等基本功能[1,5].在VS的編譯器中添加“ESRI MapControl”控件，ESRI MapControl 是ArcGIS Engine 的一個控件，也是電子地圖主視圖區的構成控件.在ArcGIS Engine基本應用框架中使用 MapControl 和 ToolbarControl 兩個控件.MapControl控件主要負責從固定目錄中加載地圖的mxd文件、管理控件的數據層，并通過監聽事件實現與地圖的交互.通過調用MapControl控件中的AddLayer、 DeleteLayer、 MoveLayer方法來添加、刪除、移動圖層[5].修改MapControl控件的Extent 屬性值來實現地圖的縮放功能，對不同的矩形范圍可以實現不同比例的縮放，地圖的移動可以通過調用Pan方法來實現.

2.3 空間最短路徑查詢

在空間查詢中著重介紹兩點間最短路徑查詢，計算最短路徑的算法有Dijkstra算法、Floyd 算法、Moore 算法等，但是在ArcGIS Engine 中，對象庫已經將最短路徑算法封裝，在使用時只需調用PathFinder模塊，即可實現最短路徑分析.

PathFinder模塊主要是由SolvePath 函數和一些輔助函數(包括OpenFeatureDatasetNetwork函數和PathPolyLine函數)等組成.SolvePath函數主要執行過程如下：程序在開始計算最短路徑時，首先調用一個循環，該循環中有兩個函數，即GetNearestEdge 和QueryIDs.GetNearestEdge主要是查找輸入點的最近邊線, QueryIDs是以GetNearestEdge 找到的點為基礎，將這些查找到的點變成下一次搜索的起點，通過這兩個函數在循環中交替進行計算，查詢出最短路徑的兩點間的所有路徑，并保存查詢路徑的所有節點[6].

查詢所有路徑的部分代碼如下：

for (inti= 0;i< intCount;i++)

{

INetFlag ipNetFlag = new EdgeFlagClass() as INetFlag;

IPoint ipEdgePoint = m_ipPoints.get_Point(i);

//查找輸入點的最近邊線

m_ipPointToEID.GetNearestEdge(ipEdgePoint, out intEdgeID, out ipFoundEdgePoint, out dblEdgePercent);

ipNetElements.QueryIDs(intEdgeID, esriElementType.esriETEdge, out intEdgeUserClassID, out intEdgeUserID, out intEdgeUserSubID);

ipNetFlag.UserClassID = intEdgeUserClassID;

ipNetFlag.UserID = intEdgeUserID;

ipNetFlag.UserSubID = intEdgeUserSubID;

IEdgeFlag pTemp = (IEdgeFlag)(ipNetFlag as IEdgeFlag);

pEdgeFlagList[i] = pTemp;

}

在循環查詢后，所查詢得到的由各個節點組成的路徑并不都是最短路徑，因此要進行更深入的分析，通過調用ipNetSchema.WeightByName(WeightName)設置邊的權重，可以將邊關系中的任何字段作為權重，通過findpath得到邊線和交匯點的集合，并根據權重來選出哪些節點組成的路徑是最短路徑.

2.4 ArcMap電子地圖的展示

電子地圖是本文系統的基礎，GIS的圖層是通過讀取Geo database數據庫中的數據來顯示的.在車輛軌跡查詢系統中，為了方便數據的管理，將性質類似的數據放在同一層，并將不同的圖層疊加.在本文系統中，地圖區域以某省的4個市級區域為主，將地圖劃分為不同的圖層，例如，道路、行政區域、監控點(卡口采集點)等部分，以便于地圖的展示和車輛數據的管理，展示出更直觀的可視化效果.系統中地圖以市級區域矢量圖為主，添加圖層形成后的展示如圖4所示.

圖4 市級區域的矢量地圖Fig.4 Vector map of municipal area

本文系統要實現車輛軌跡的回放，需要獲取所經過路段的監控點信息，通過發送車牌號信息的查詢請求，調用GetMinitorPoints函數得到車輛所經過的監控點，調用IgraphicsContainer獲取的線元素中包含了車輛經過的監控點的位置信息.遍歷所有point名稱取得point的信息，調用最佳路徑查詢算法PathFinder 模塊，得到穿越point的線，將這些線合并，調用GetCrossLine函數將合并的線路集成一條線路，將線集合中線的Geometry存入幾何集合中，在得出最佳路徑后，調用PathPolyLine 函數將最佳路徑顯示在電子地圖上.

3 系統實現

本文系統以VS 2012為開發工具，ArcGIS Engine為GIS的支撐平臺，中心數據庫采用SQL Server 2008.車輛軌跡查詢系統主要從以下幾個方面來實現：數據同步傳輸、車輛行駛數據查詢、車輛軌跡回放.

3.1 數據同步傳輸

在本文系統中，監控中心實時獲取各地的車輛流水數據，并將獲取數據的時間記錄保存在監控中心數據庫中的track表(同步追蹤表)中，track表的定義如表2所示.track表中詳細地記錄各地獲取最新數據的時間點，包括最近一個同步開始時間、最近一次上傳結束時間，通過設定時間間隔，保證數據同步的實時性，上傳的時間間隔越短，實時性越好.本系統設置時間間隔為60 s，考慮到網絡負載能力，采用動態緩存機制提高同步的實時性，減輕網絡負荷，即將已同步數據的關鍵字段保存在緩存中，在同步時只需判斷緩存中關鍵字段是否已存在.數據同步機制的效果如圖5所示.在保證數據同步效率的基礎上，須保證數據同步過程中沒有丟失數據.

表2 同步追蹤表的定義Table 2 The definition of synchronous tracking table

圖5 數據同步機制的效果圖Fig.5 The rendering of data synchronization mechanism

3.2 車輛行駛數據查詢

在完成下級系統的數據同步復制到監控中心之后，在系統的車輛軌跡查詢界面輸入所需查詢車輛的相關信息，向監控中心的數據庫服務器發送查詢請求，根據查詢條件返回車牌號碼、車輛的行駛時間、經過的高速路段、采集信息的監控點、車輛行駛的方向，其操作流程如圖6所示.

圖6 查詢流程圖Fig.6 Flow chart of the query

根據各地數據庫的數據生成模式，在監控中心數據庫中每天自動生成一張表，表名為“traffic_年月日”，例如“traffic_20150521”，各地數據庫將當天的車輛流水數據解析后同步上傳到監控中心數據庫服務器.在系統查詢界面上輸入車牌號碼，并選擇車輛行駛日期，例如輸入車牌號碼“浙AA5E76”，車輛行駛日期“20150521”，其數據請求返回結果的界面顯示如圖7所示，其中的字段包括車牌號碼、車輛經過時間、經過的高速路段、采集信息的監控點、車輛行駛的方向.ArcGIS Engine通過返回的監控點數據信息，調用點圖層，繪制出車行駛軌跡.

圖7 車輛行駛路線查詢Fig.7 Vehicle route query

3.3 車輛軌跡回放

軌跡數據是對車輛空間和時間位置序列變化的采集，而車輛行駛軌跡實際上是車輛在一段時間內行走通過的數據所形成的一條曲線，曲線上的每個點都是道路圖層上的監控點.在ArcMap中顯示的車輛行駛軌跡就是這些監控點所連接成的一條曲線，而每個監控點的位置就是車輛所經過時刻數據采集卡口的車輛位置，將這條曲線描出顯示在電子地圖上就是車輛的行駛軌跡.輸入車牌號碼“浙AA5E76”，輸入車輛的行駛日期“20150521”，如圖7所示，點擊查詢按鈕，在datagridview控件中顯示查詢返回的結果.通過讀取datagridview中監控點的信息，在圖層遍歷出這些監控點，按照順序將監控點兩兩之間查詢出空間最短路徑，并調用PathPolyLine 函數進行軌跡描繪，得到的曲線集就是車輛行駛的完整軌跡路線.在ArcMap圖中，設置ESRI(environmental systems research institute)Arc GIS符號庫里的符號來標志車輛行駛的起點和終點，可更方便直觀地顯示車輛行駛的路線，如圖8所示.

圖8 車牌號碼“浙AA5E76”的軌跡效果圖Fig.8 The rendering of trajectory of license number "zheAA5E76"

由圖8可以詳細地知道車輛行駛路段、行駛方向，同時結合實際的道路狀況，在某些監控卡口的采集信息丟失從而導致車輛線路中斷的情況下，仍舊能夠描繪出車輛的行駛軌跡，保證了數據查詢的可靠性、有效性，同時方便管理人員更有力地監控車輛的行蹤.

4 結 語

本文運用ArcGIS Engine技術，在VS 2012平臺上成功開發了車輛軌跡查詢與回放系統，該系統有機地結合車輛監控采集系統，動態獲取監控點的信息，通過繪制監控點的集合路線，實時監控追蹤車輛的行駛路線及方向，為營運管理提供更加有效的管理手段.通過結合高速公路的監控系統的實際項目進行了測試，表明該系統實現方法簡單、效率高，能滿足用戶在實際應用中對車輛監控的需求.

[1] 吳建華.基于Arc GIS Engine 的車輛監控GIS 系統開發[J].地球信息科學學報，2011，13(1)：8894.

[2] 宋明月，賈遠信，王文華，等.基于Arc GIS Engine 的車輛軌跡回放系統的實現[J]. 哈爾濱師范大學自然科學學報，2011，27(3)：5558.

[3] 蘇子林，韓曉玲.基于GIS/GPS/GSM 的車輛監控系統的設計與實現[J].計算機工程與應用, 2003,39(19):206226.

[4] 何超，彭慧，尚文利.利用ArcGIS Silverlight 實現的車輛監控技術[J].自動化儀表，2013，34(7):5457.

[5] 張磊.基于GIS和GPS的車輛實時監控系統的設計與實現[D].蘇州：蘇州大學計算機學院，2013.

[6] 李春立，曾致遠，徐學軍.基于 ArcGIS Engine 的車輛監控系統[J].計算機工程，2006，32(24)：257259.

Design of Vehicle Path Query and Playback System for Expressway Based on ArcGIS Engine

GUQian-wena,b,ZENGXian-huia,b,SHENZhen-yia,b

(a. College of Information Science and Technology； b. Engineering Research Center of Digitized Textile &Fashion Technology， Ministry of Education， Donghua University， Shanghai 201620， China)

According to the characteristics of the data synchronization under the multi-source heterogeneous environment in the whole monitoring system on the expressway. Data synchronous replication resolution was used to collect the expressway data and analyse the collected data of the whole monitoring system, and then the synchronous replication data was sent to the monitoring center.A complete vehicle trajectory database was formed by using the data fusion technology. The query and playback system of vehicle was developed by using C# and it was also combined with ArcGIS Engine development tools based on VS 2012 platform. The vehicle track data can be showed each time on the map dynamically by the system. Finally, the actual project test shows that the system has a good practicability in traffic management.

vehicle; multi-source heterogeneous;ArcGIS Engine; synchronous replication; track playback

16710444 (2016)060863-06

20150916

顧倩文(1991—)，女，江蘇鹽城人，碩士研究生，研究方向為數據庫應用技術、數據挖掘與分析. E-mail:425867297@qq.com 曾獻輝(聯系人)，男，副教授，E-mail：xhzeng@gmail.dhu.edu.cn

TN 311

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