基于自匹配模塊的城市交通數據動態融合處理系統

李祖文 何增鎮 蘇紅帆 農昭光

1(廣西交通科學研究院有限公司 廣西 南寧 530007)2(南寧市公安局交通警察支隊 廣西 南寧 530022)

0 引 言

隨著社會經濟的飛速發展，車輛持有者的數量迅速增加，使得現有城市區域的道路資源供不應求[1-2]。為了緩解出行道路的擁堵，各地交通部門出臺了各種各樣的政策以及在硬件配套設施方面進行了大量投入，包括人力、物力、財力。不過出行擁堵的現象并沒有朝著預期的發展，而是愈演愈烈，因此嚴重影響了城市建設的生活環境[3-4]。所以，在保障生活質量的前提下，如何快速和有效地對道路短缺現象加以改善，成為了政府相關組織、道路專家和所有市民的共同心愿[5-8]。

針對上述問題的出現，采用新的城市交通技術，能更有效地管理現代交通，從而實現交通流的優化[9-10]。基于自匹配模塊的城市交通數據動態融合處理系統就是結合現有的高新技術，進而開發出符合中心城市交通系統。該系統將實時采集到的交通流信息經運算分析后發布到統一的信息平臺上，使得駕駛員避開擁堵路段，從而自行選擇暢通的行駛路線，所以能有效地減少城市交通擁堵的情形出現。

1 系統結構設計

基于自匹配模塊的城市交通數據動態融合處理系統最大的特點，就是有實時性，從而在一定程度上大大地減少交通事故的發生，所以可以保障出行者的通暢行駛和安全出行。該系統通過對交通數據的信息采集，然后接受所有的實時信號，接著對這些傳送過來的數據進行及時的處理，最后根據處理的結果做出相應的反饋，即誘導車輛的通行。圖1即為該系統的流程圖，共有數據采集、數據接受、數據處理、數據融合和誘導發布五部分組成。

圖1 系統流程圖

為了快速地了解該系統，下面進行更加詳細的介紹。系統的整體結構主要由四部分組成，分別為：信息發布層、業務應用層、數據集成層和數據采集層，如圖2所示。該系統的最底層為數據采集層，主要對車駕管系統數據、交通流量檢測系統卡口、電子警察數據、交通流量檢測系統數據、公交GPS數據、交通流量視頻檢測數據和停車廠數據進行采集，然后通過數據接入接口將采集的基礎數據提供給數據庫；大量的車輛通行數據被采集之后，就被傳輸到數據集成層，形成靜態數據、動態數據、拓展數據，經過數據融合處理，去噪、匹配及路網分析處理，優化出有用的信息，形成融合數據；車輛運行數據被優化之后，進入業務應用層，包括交通誘導管理和綜合業務管理等應用，在此層形成的誘導結果或查詢結果；所有這些信息發布都在信息發布層處理，通過信息發布平臺，提供路網誘導發布、互聯網交通信息發布、停車誘導發布、可變導向車道誘導發布、廣播交通信息發布、移動終端交通信息發布等，使得出行者選擇最便利的道路。

圖2 交通數據動態融合處理系統軟件架構圖

2 數據采集系統

2.1 數據流向圖

如何讓所研發的城市交通系統能夠順利運轉，最核心的基礎就是數據采集系統的正確運行。因此數據采集系統要對各個平臺里面的數據分別進行動態采集，主要有兩種采集方式：1) 交叉斷面交通數據采集；2) 普通斷面交通數據采集。通過對采集數據的過程進行跟蹤，發現終端呈上來的數據要經過一系列的處理，如圖3所示。首先動態數據經過數據上傳到中心數據庫，接著中心數據庫的服務器實時接受數據；如果是靜態數據，就省略中間的步驟。然后，不管是動態數據還是靜態數據都匯總到數據的接入接口。最后統一匯入中心數據庫作為采集的基礎數據。

圖3 數據流向圖

大量的數據被采集之后，要很快地存儲進來，以防數據的流失。所以在同一時刻，先前采集的數據被迅速存儲起來，同時正在采集的數據準備送過來存儲。換句話說，采集和存儲是同時進行的過程。一般的存儲方式也分為兩種：一是ORACLE數據庫，主要功能是保存所有采集的數據；二是內存數據庫，只是保存一段時間內的實時數據，超過規定的時間之后，保存的數據就會被最新的采集數據所代替。

2.2 采集數據方式

現在對采集數據模塊進行簡單的介紹，該模塊主要采用Java語言以及使用SOAP協議為接口實現方式。SOAP屬于Web Service 的標準通信協議，是一種標準化的傳輸消息的XML消息格式[11-14]。該采集數據系統在Win32/Win64/WinCE平臺上都可以正常運行，并且對外來的數據有兩種不同的采集方式：一是被動接受，在開發Web Service服務的情況下，對實時上報的數據進行接收和存儲，并且獨立運行于整個數據采集系統；二是主動采集，在保證內網系統的安全運營的情況下，采用對方系統提供的接口，不過在整個數據采集的過程中，所有基于此系統的數據獲取或者提取的時間都應小于1 s，只有這樣才可以使得外網系統獲取內網系統數據的安全性。

上面我們對接口進行了詳細說明，正是因為接口的諸多特點：接口屬于自說明的類型；接口參數非常簡單、明了；接口參數不會使客戶端和服務端的耦合性增大；可以校驗接口參數和返回值；如果接口一直正常，用返回值代替；接口采用更新的標準；接口要負責提供備用測試接口，方便其他外部程序的訪問和測試。

3 數據融合系統

對所有的數據經過采集流程之后，還要對中心數據庫中的信息進行數據融合處理。數據融合處理流程如圖4所示，中心數據庫的數據通過數據訪問接口，接著進入到數據訪問模塊，然后通過動態GIS路網和動態數據去噪模塊，接下來數據進入空間數據立體匹配、數據融合模型自匹配模塊，最后通過數據分析處理完成整個數據融合處理過程。

圖4 數據融合處理流程圖

3.1 數據融合處理的基礎功能

數據融合處理的基本功能有：1) 基礎數據模塊，主要用于基礎交通數據的采集，同數據采集模塊；2) 公交車GPS數據融合，從數據庫中的公交車GPS數據表中讀取數據；3) 電警系統流量數據融合，從數據庫中的電警系統數據表中讀取數據；4) 信號控制系統數據融合，從數據庫中的信號控制系統數據表中讀取數據；5) 視頻檢測器流量數據融合，從數據庫中的視頻檢測器數據表中讀取數據；6) 停車場車位數據融合，從數據庫中的停車場車位數據表中讀取數據；7) 模擬仿真數據融合，從數據庫數據表中讀取歷史數據；8) 動態數據去噪模塊，該模塊針對出租車GPS、公交車GPS、視頻交通流量等數據的數據校驗，通過數據去噪算法在時間、空間、精度多維度過濾，只允許合法數據進入數據融合計算；9) 空間數據立體匹配模塊，出租車GPS、公交車GPS、交通視頻流量檢測數據、電子警察流量數據、信號控制系統流量數據都需要按時空關系即基礎數據的空間標識信息匹配到GIS路網上；10) 數據訪問管理模塊，該模塊是數據融合算法模塊通過智能交通基礎數據管理平臺，數據訪問標準統一接口接收數據后對融合處理前后數據的分發和管理。

3.2 動態GIS路網生成模塊

在數據融合處理過程中，動態GIS路網生成模塊是比較重要的模塊。該模塊把單純的點線面GIS數據生成由路段、路段方向、車道、路口、道路等基礎路網數據，并且建立路網拓撲結構，通過加載路網斷面和限行等基礎信息，構成全市GIS路網，作為系統的基礎路網數據。根據城市路網的建設情況，可以動態地對系統GIS路網進行更新。如圖5所示，建立路口數據模型。

圖5 路口數據模型

路口數據模型用哈希表的方式建立：

1) 路口結構包含一張廣義路口哈希表，以路口ID為Key，以路口對象為Value。

2) 路網結構包含一張路段哈希表，以路段ID為Key，以路段對象為Value。

3) 路網需要的實現方法：① 向路網中添加路口對象；② 向路網中添加路段對象；③ 從路網中刪除路口對象；④ 從路網中刪除路段對象；⑤ 以指定的路段對象為參考，生成該路段的流入關聯路口、關聯路段組成的二叉樹數據結構對象(二叉樹的高度≤4)；⑥ 以指定的路段對象為參考，生成該路段的流出關聯路口、關聯路段組成的二叉樹數據結構對象(二叉樹的高度≤4)；⑦ 根據指定的起始路口、目標路口，生成二者之間以路段路程為權值的最短路徑的路口、路段列表對象(包含起始路口和目標路口)；⑧ 根據指定的起始路口、目標路口，生成二者之間以旅行時間為權值的最短路徑的路口、路段列表對象(包含起始路口和目標路口)。

3.3 自匹配數據融合模型

在出租車GPS、公交車GPS、視頻交通流、電子警察、信號機等數據數據融合的過程中，存在真假決策融合模型、多種權重融合模型、時間分段融合模型和閾值分段融合模型，自匹配數據融合模型會根據數據的類型和變化自動選擇適用的數據融合模型[15-18]。

自匹配數據融合模型具體的工作過程如下所示：① 按照標識符將上報數據分類，同一路段擁有多種類型上報數據的，按照準確級別較高的基礎數據進行統計；② 基礎數據最終加工生成實時路況的統計數據，根據統計的準確性區分數據融合的具體算法，通過檢測該路段的具有的檢測設備類型獲得該路段路況的統計方式，每個路口使用基礎數據優先級別(例如：同一個路口如果既有固定電警數據又有視頻檢測器設備，則使用固定電警的數據進行計算)；③ 統計實時路況的數據，主要包含以下四種：電子警察數據+交通流量視頻檢測數據、電子警察數據、交通流量視頻檢測數據、交通信號控制系統數據(線圈)。

4 開發與應用

4.1 軟件編程開發與運行環境

基于自匹配模塊的城市交通數據動態融合處理系統，GIS平臺采用ESRI公司的Arcgis9，數據庫采用Oracle 10g以及內存數據庫，應用服務器為NT操作系統環境，電子地圖采用至少1∶5 000最新Arcgis南寧市交通電子地圖，地圖數據為84坐標系，支持Windows環境下系列平臺。系統軟件開發工具與運行環境支持如下：Oracle、ArcInfo、ArcIMS、ArcSDE、Microsoft Internet Information Server、Map Object(ArcGIS)、Visual Studio.NET 2010。

4.2 系統的應用

基于自匹配模塊的城市交通數據動態融合處理系統應用于廣西壯族自治區南寧市，是城市交通綜合管理信息服務平臺系統的一個重要組成部分。在南寧市交通管理部門的監管下，該系統在最近幾年中的測試、試運行至正式運行過程中，到現在為止運行良好。在如今的交通管理信息系統中，該系統可以有效地提高收集車輛通行的狀態數據的速度，還能節約政府的交通管理費用投入，從而為廣大市民出行營造良好的道路環境。

5 結 語

通過對城市交通數據動態融合處理系統的實際運營的觀察，該系統為相關的城市交通部門的進一步發展提供了有效的技術支持，也在一定程度上加深了城市交通管理部門在公眾心里的影響力。該系統不僅為政府節約了一大筆開支，而且節省了大量的人力和物力的持續投入，也為中心城市的未來建設和發展奠定了良好的基礎。綜上所述，基于自匹配模塊的城市交通數據動態融合處理系統不但有著超高的核心技術，而且對現在以及未來的交通發展有著深遠的社會效益。