基于智能終端定位的智能交通系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

摘" 要：該文主要研究基于智能終端定位的智能交通系統(tǒng)的設(shè)計要點與實現(xiàn)方式。該系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)，服務(wù)器端可根據(jù)用戶的位置、速度信息，以及交通事故和道路施工位置信息，實現(xiàn)對車載終端的實時和精準(zhǔn)定位，并向車載終端發(fā)送交通流量信息。該系統(tǒng)從百度、高德、Google地圖獲取圖片并構(gòu)建地圖引擎，將交通流量計算結(jié)果和預(yù)測結(jié)果以Socket通信或短消息通信等方式發(fā)送給用戶，以便于用戶合理規(guī)劃行車路線，對緩解交通擁堵、提高出行效率有積極幫助。

關(guān)鍵詞：智能終端定位；智能交通系統(tǒng)；地圖引擎；數(shù)據(jù)庫；交通流量

中圖分類號：TP274" " " 文獻標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）03-0045-04

Abstract： This paper mainly studies the design points and implementation methods of intelligent transportation systems based on intelligent terminal positioning. The system adopts a C/S architecture. The server can realize real-time and accurate positioning of the vehicle-mounted terminal based on the user's location and speed information， as well as traffic accident and road construction location information， and send traffic flow information to the vehicle-mounted terminal. The system obtains pictures from Baidu， Gaode， and Google Maps and builds a map engine to send traffic flow calculation results and prediction results to users through Socket communication or short message communication， so that users can reasonably plan driving routes and alleviate traffic congestion and improve travel efficiency.

Keywords： intelligent terminal positioning; intelligent transportation system; map engine; database; traffic flow

交通堵塞不僅增加了出行的時間成本，而且還帶來了空氣污染、交通事故頻發(fā)等一系列問題。在智慧交通建設(shè)背景下，將大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等信息技術(shù)應(yīng)用到交通管理中，設(shè)計基于智能終端定位的智能交通系統(tǒng)。利用車載GPS智能終端實時提供車輛當(dāng)前位置和行駛速度等信息，同時結(jié)合車輛當(dāng)前車道上的交通流量信息，預(yù)測未來的交通流量，幫助用戶規(guī)劃一條用時更短、更加順暢的路線，從而減少了用戶等待時間，提高了道路通行效率。除此之外，智能交通系統(tǒng)還可以根據(jù)用戶需求提供其他服務(wù)應(yīng)用，例如查詢附近服務(wù)區(qū)、充電樁、加油站和維修站，播報前方道路施工信息和交通事故信息等，以便于用戶及時知曉前方路況，對提醒行車安全也是大有裨益的。

1" 智能交通系統(tǒng)的整體架構(gòu)

智能交通系統(tǒng)采用基于C/S（客戶端/服務(wù)器）架構(gòu)的分層設(shè)計方式，在保證系統(tǒng)層次清晰的基礎(chǔ)上還能讓客戶端與服務(wù)器端的層次可以相互對應(yīng)，提高了系統(tǒng)的兼容性和穩(wěn)定性。其中，客戶端包含了交通流量呈現(xiàn)模塊、地圖引擎模塊以及GPS數(shù)據(jù)模塊等；服務(wù)器端包含了交通流量計算模塊、5G RedCap網(wǎng)絡(luò)模塊[1]等。智能交通系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。

交通流量呈現(xiàn)/服務(wù)模塊可用于提供道路交通流量信息，并以顏色表示交通狀況，如綠色表示順暢，紅色表示堵塞；地圖引擎模塊可用于繪制和呈現(xiàn)電子地圖；數(shù)據(jù)處理模塊在客戶端主要負(fù)責(zé)用戶數(shù)據(jù)的實時采集和過濾處理，在服務(wù)器端可用于數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析；數(shù)據(jù)庫模塊可用于存儲用戶的位置信息、速度信息，以及道路交通流量信息和道路狀況信息等[2]。

2" 智能交通系統(tǒng)的數(shù)據(jù)設(shè)計

2.1" 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)格式設(shè)計

從客戶端發(fā)送至服務(wù)器端的數(shù)據(jù)分為2類，其一是來自于用戶的位置、速度等信息，將數(shù)據(jù)ID記為1，該部分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送至系統(tǒng)的交通流量計算模塊；其二是用戶報告的道路施工位置、道路交通事故等信息，將數(shù)據(jù)ID記為2，該部分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送至系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理模塊。系統(tǒng)會發(fā)送前端提供的數(shù)據(jù)并進行統(tǒng)計、處理、分析后，所得結(jié)果發(fā)送至信息呈現(xiàn)模塊，在電子地圖上以可視化的形式呈現(xiàn)交通流量結(jié)果、交通事故或道路施工位置[3]。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的處理流程如圖2所示。

2.2" 道路數(shù)據(jù)格式設(shè)計

為了準(zhǔn)確識別車載用戶位于哪條道路上，需要對地圖數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，結(jié)合道路周邊的地理環(huán)境對道路進行分割，獲取每條道路的邊界數(shù)據(jù)。本文設(shè)計的智能交通系統(tǒng)采用VTL（虛擬旅行線）機制表征道路邊界數(shù)據(jù)，設(shè)計方法如下：在道路分割以后，為每條道路分配一個全局唯一標(biāo)識符（Guid）作為道路ID。為了保證Guid具有唯一性，將其設(shè)計成由數(shù)字和英文字符組成的16進制的字段，如“228b6f2b-8c56-5g61-8050-nmn8e5356dd8”。道路分割應(yīng)符合以下要求。

第一，被分割的道路盡可能筆直、平緩，使其邊界條件接近長方形。

第二，被分割的道路不包含大的岔口或者丁字、十字路口，目的是讓道路的交通流量相近，避免出現(xiàn)不同路段交通流量差異明顯的情況。

分割后的任意一條道路均包含4個代理坐標(biāo)位置，以（緯度，經(jīng)度）的形式表示，這4個代理坐標(biāo)分別為左上、左下、右上、右下。

2.3" 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

為滿足系統(tǒng)存儲和調(diào)用數(shù)據(jù)的需要，選用SQL Server關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，可實現(xiàn)對海量同源異構(gòu)數(shù)據(jù)的分類存儲。按照數(shù)據(jù)類型的不同，可以將智能交通系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫分成5部分，以數(shù)據(jù)表的形式存儲對應(yīng)類型的數(shù)據(jù)，具體設(shè)計如下。

城市和交通道路數(shù)據(jù)。包含3種數(shù)據(jù)表，分別是記錄城市數(shù)據(jù)的Table_City表、記錄道路數(shù)據(jù)的Table_Road表以及記錄城市與道路級聯(lián)關(guān)系的Table_City_Road表。數(shù)據(jù)表的主鍵（Primary Key）為uniqueidentifier格式，確保了道路表示具有唯一性。

道路軌跡和道路VTL數(shù)據(jù)。使用Table_Road_Traj表存儲道路軌跡數(shù)據(jù)。考慮到同一條道路的軌跡是由若干個地理位置坐標(biāo)構(gòu)成的，因此在電子地圖上表示道路時，加入了Guid標(biāo)識符（RoadGuid）保證了道路的唯一性。同時，采用TrajIndex為道路添加坐標(biāo)，根據(jù)起始坐標(biāo)實現(xiàn)道路軌跡排序。使用Table_Road_VTL表存儲電路VTL數(shù)據(jù)，系統(tǒng)利用VTL數(shù)據(jù)確定某段道路的邊界，然后計算該道路上用戶的位置信息和速度信息[4]。

道路交通流量數(shù)據(jù)。直接記錄各條道路交通流量的數(shù)據(jù)表為Table_traffic_Rec表，其中包含了記錄時間RccordDate、行車速度RoadSpeed等，見表1。此外，還有用于交通流量預(yù)測的Table_Traffic_Stat表，可用于預(yù)測未來某天或者某個具體時段的數(shù)據(jù)。

3" 智能交通系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1" 地圖引擎的實現(xiàn)

從百度、高德、Google地圖上下載圖片和相關(guān)的地理坐標(biāo)位置信息構(gòu)建地圖引擎，將下載的圖片分割成256×256像素大小的正方形地圖圖片。設(shè)置地圖圖片的放大級別為0～17級。放大級數(shù)每增加1級，位圖的寬度和高度各增加1倍，相應(yīng)地，整個地圖圖片的總面積變?yōu)樵瓉淼?倍，如圖3所示。

每幅地圖圖片有一個坐標(biāo)值（x，y），在確定圖片的位置坐標(biāo)與放大級數(shù)后，可以通過數(shù)學(xué)計算求得地圖圖片的像素坐標(biāo)（x，y）。假設(shè)經(jīng)度為λ，地圖中心的經(jīng)度為λ0，緯度為θ，則x與y的計算式如下

在獲得地圖圖片的像素坐標(biāo)（x，y）后，可以從Google地圖匯總獲取相應(yīng)的圖片，并將其下載到本地。例如，需要從Google地圖中獲取地理位置坐標(biāo)為（52.413 344°，13.301 100°）的地圖，設(shè)定放大級數(shù)為10，可以求得x=450，y=335。然后登陸Google地圖輸入坐標(biāo)后下載地圖。為了縮短等待用時，系統(tǒng)支持并行下載模式，可以同時下載多幅地圖圖片。下載完畢的地圖保存到SQL Server數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)庫與服務(wù)器端之間通過API接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)調(diào)用，保證了地圖引擎的高效性[5]。

3.2" 交通流量計算的實現(xiàn)

智能交通系統(tǒng)在初始化期間會自動創(chuàng)建哈希表在道路ID與道路信息之間建立一對一的映射關(guān)系，通過哈希表可以提高系統(tǒng)對目標(biāo)道路的查找速度，尤其適合復(fù)雜交通情況下的道路查找。道路ID與道路信息的映射關(guān)系可分為3類，分別是道路ID與速度的映射（_roadwithspeed）、道路ID與軌跡的映射（_roadwithtraj）、道路與VTL的映射（_roadwithvtl）。在系統(tǒng)初始化完畢后，獲取用戶上傳數(shù)據(jù)并開始計算交通流量，計算過程如圖4所示。

圖4中，數(shù)據(jù)過濾的主要目的是對用戶上傳數(shù)據(jù)進行有效性檢查，例如坐標(biāo)是否正確、時間是否有效等。在確認(rèn)數(shù)據(jù)有效的前提下，獲取經(jīng)度、緯度、位置和速度等信息，通過便利哈希表的方式判斷當(dāng)前坐標(biāo)是否在VTL中。如果在，查詢該坐標(biāo)位于哪條道路中，并獲取該道路的ID，獲取該道路的交通流量并更新數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)每次更新道路交通流量大概用時為3 s，能夠較好地滿足地圖信息實時更新的要求[6]。每次更新信息同步保存到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，隨著信息數(shù)量的不斷增加，智能交通系統(tǒng)的交通流量預(yù)測結(jié)果也會變得更加準(zhǔn)確。

3.3" 客戶端與服務(wù)器的通信實現(xiàn)

在有網(wǎng)絡(luò)的情況下，客戶端與服務(wù)器端之間采用Socket異步通信；在網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量差或者是沒有網(wǎng)絡(luò)的情況下，采用短消息通信。此時服務(wù)器端編輯關(guān)于交通事故或者惡劣天氣的短消息，并以離線消息的方式發(fā)送到客戶端[1]。如果客戶端正常開啟，可以實時接收短消息，如果客戶端關(guān)閉會暫存短消息，在客戶端開啟后第一時間接收到短消息。客戶端啟動后首先進行初始化，在初始化過程中啟動短消息攔截模塊，用戶可自定義攔截規(guī)則，例如針對號碼中包含“123”的短消息進行攔截。在客戶端接收到服務(wù)器端發(fā)送的短消息后，以文字形式進行提醒。短消息的提醒程序如圖5所示。

4" 結(jié)束語

設(shè)計和應(yīng)用智能交通系統(tǒng)既是智慧交通建設(shè)背景下提高公路通行效率的客觀要求，同時對減少汽車尾氣排放、降低汽車交通事故發(fā)生率也有積極幫助。基于車載GPS智能終端的智能交通系統(tǒng)，在實現(xiàn)車輛精準(zhǔn)、實時定位的前提下，綜合分析車輛位置信息、速度信息以及道路上的施工信息、交通事故信息等，智慧規(guī)劃最佳的行駛路線，達(dá)到了提高通行效率、降低二次事故的效果。同時，智能交通系統(tǒng)還可以面向車主提供個性化服務(wù)，滿足車主就近服務(wù)區(qū)、充電樁、加油站和就近維修等需求，進一步優(yōu)化了智能交通系統(tǒng)的使用體驗。

參考文獻：

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