城市公交線路車聯網路側通訊設備布設方法分析

■陳文嬌

（蘇州建設交通高等職業技術學校，蘇州 215009）

國家“十二五”規劃明確提出，要發展寬帶融合安全的下一代國家基礎設施，推進物聯網的應用[1]。車聯網正是物聯網分支中最容易形成系統標準、最具備產業潛力的應用之一。 所謂車聯網，是指利用先進的傳感技術、網絡技術和無線通信技術，通過汽車收集、處理和共享大量信息，實現車與路、車與車、車與人、車與城市網絡的互相連接，達到智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理目的的一個網絡[2]。

智能交通系統 （Intelligent Transportation System， ITS） 是將先進的信息技術、 數據通信傳輸技術、電子控制技術以及計算機處理技術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、環境三位一體統籌考慮，從而建立起一種在大范圍內全方位發揮作用的實時、準確、高效的運輸綜合管理系統[2]。 公共交通智能集成系統的最底層是交通信息的協同，它通過實現運營相關信息的采集與存儲、 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度過程中計劃編制、實時調整提供決策支持，另一方面為乘客出行提供實時的諸如候車時間、發車間隔、車輛位置等相關信息。 在國際上， 美國的智能車輛公路系統（Intelligent Vehicle and Highway System， IVHS）、日本的車輛信息與通訊系統 （Vehicle Information and Communication System， VICS） 等系統通過車輛和道路之間建立有效的信息通信，已經實現了公共智能交通管理和信息服務[3]。

隨著汽車和道路的日益智能化，越來越多的汽車和路側交通基礎設施裝備了通訊設備，整個物聯網及其相關應用的發展更使得車聯網成為大勢所趨。路側信息采集與服務平臺組網示意圖見圖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，路側設備的布設位置顯得尤為重要。如何科學合理地在公交線路沿線布設路側設備， 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濟成本投入， 這是車聯網在服務我國城市公共交通系統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通訊設備的布設方法。

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

1 路側通訊設備布設的具體步驟

實際道路中的公交線路情況十分復雜， 城市、郊區、 鄉村之間公交系統的軟硬件條件相差甚大。結合實際應用需求，路側通訊設備的布設主要分為兩步：線路的實地考察與路側通訊設備安裝的可行性區域劃分。

1.1 布設線路的實地考察

公交實際線路考察對于路側通訊設備的布設意義重大。 道路寬度，輔道及人行道、非機動車道寬度，道路交叉口復雜程度，道路已有公交站臺或路側基礎設施， 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方法選擇提供依據。 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共11 條常規公交線路為例。

1.2 可行性布設區域劃分

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

路側通訊設備的布設方法包括上文介紹的面對具體路況和布設任務時的解決思路，以及將設備布設至道路上的數學算法。 本研究將路側通訊設備布設的具體算法抽象為以設備覆蓋不同道路的數學模型。

2 路側通訊設備的覆蓋方法分析

面對日趨多元化的道路及城市狀況，需要的覆蓋方法不應僅僅追求完善的體系，而更應具有普適性，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）的路側設備布設方法時易于推廣；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，更加貼近實際應用。

2.1 純面積覆蓋模型

在進行具體道路布設方法研究時，有很多需要考慮的環境因素，如道路路況、布設點可設立位置、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方法前， 首先考慮較為抽象的純面積覆蓋問題，即通訊設備抽象為以安裝點為圓心的一個圓，要覆蓋的區域抽象為一個二維圖形，問題便轉變為用等大的圓覆蓋大區域面積的問題。 以典型的圓形區域覆蓋為例。

2.1.1 模型概況

定義：有效覆蓋區域面積S，圓面積q，最少需要圓個數n，

有效覆蓋率能夠很好地反映某種布局方法對應的覆蓋性能。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域面積越大； 當總覆蓋面積一定時，η 值越大，有效覆蓋區域面積越大[4]。 基站布設的矛盾之處：若要盡可能覆蓋全部區域， 就要布設較多的基站，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域。

2.1.2 圓形區域覆蓋（半徑R）

當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，可以作適當的取舍。 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R＞＞r 時，這種覆蓋方法的效率穩定在63.5%附近。 因此，該方案適用于密集地帶，覆蓋率在63%左右，優點是覆蓋區域無死角。

2.2 考慮多種限制條件的覆蓋方法

實際應用中，道路條件十分復雜，純面積覆蓋法常常難以滿足要求。 不同應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一覆蓋方法中顯然難以實現，即使實現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，并且在實際應用時可結合案例的特殊性繼續增加限制條件，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

構建一種通用的基礎底層算法，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°，表示區間為[0°，360°]；所研究道路為直線型。

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

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聯信息。 鄰接矩陣（Adjacency Matrix）：是表示頂點之間相鄰關系的矩陣。設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據即可，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組。保存車站信息具體過程如下：

當路口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，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。

規定路口編號從i 到j。

此時，整個道路網路口和站臺的信息已經全部以數學形式保存在矩陣和數組中。 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系，即距離和角度。

設有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）的位置關系。

距離公式：

角度公式：

最后考慮基站布設方案，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， 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。

布設方案：在每個路口和公交站臺布設基站。

（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， 重復布設基站顯然浪費資源， 獲取的數據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據，將基站布設在信號前端（及道路上游地區）。

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

布設方案：將原來的數學模型進行改進。

原來的bij=[n,θ,l0,l1,l2...ln]中l 為一個表示距離的數據。 為了解決條件2，將l 改進為1 個二元數組，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，則布設在路口；若e=-1，則布設在站臺。

（3）情形3：在條件2 的基礎上增加約束條件

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， 可作為信息統一采集源，避免信息重復及資源浪費。 這種情況下，顯然在交叉口布設基站采集有效數據較為合理。

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

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

數組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，則在對應的x1中加1。

遍歷完所有的l0,后，遍歷數組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l0，找到附近的站臺，若e=1，則布設在路口。 若e=-1，則布設在站臺；若x1≥2，則基站布設在路口。

（4）情形4：在情形3 的基礎上增加約束條件

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基站（不考慮超過兩個站臺，因為設定的基站通訊半徑不超過兩倍的同一道路上的站臺間距）。

布設方案： 對情形3 的處理結果進行修正。

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， 可找到對應附近的站臺T1，T2，...，Tn（n＞1）。

根據上述公式，可以求得任意兩個站臺間的距離，共得到數據量有。

對每個數據進行判斷，若滿足條件x’＜r1，則令數組F 中路口、兩個站臺對應量為-1。

已知路口，兩個站臺間所構成三角形的所有邊角大?。ㄟ吔怯嬎憧衫蒙鲜龉剑?，根據三角形中心計算公式，可求得基站布設點位置。

（5）情形5：考慮單行道情況

根據國內外多年實踐經驗，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]。

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

布設方案：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特殊處理：僅在路口附近站臺鋪設基站，其余站臺T=-1（不鋪設基站）。

3 結語

車聯網的大環境下，智能公交系統的運營正在逐日完善，并且一步步影響著人們的生活。 作為其中的關鍵技術之一，合理而科學的路側通訊設備的布設方法為完善公交系統信息資源的高效集成及調度提供可能性。 本研究的創新之處在于提供一種科學的、易于推廣、具有普適性的路側通訊設備布設方法，即結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于公眾出行者，本方法具有重要的參考及借鑒價值。