??? 摘? 要: 提出了一種成本低、相關技術成熟的交通信息服務系統(tǒng)設計方案。方案征用車輛采集交通數(shù)據(jù)(稱這種車輛為探測車),配備汽車導航系統(tǒng)的汽車無須附加成本即可成為探測車。采樣數(shù)據(jù)通過GSM短消息送達信息中心。信息中心統(tǒng)計并預估全路網(wǎng)任意路段的實時行程時間。交通路況發(fā)布采用短消息小區(qū)廣播。?

??? 關鍵詞: 智能交通系統(tǒng)? 交通信息服務系統(tǒng)? 探測車?

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??? 當今世界各大城市都面臨嚴重的交通擁擠問題。交通擁擠造成時間浪費,威脅交通安全,加劇資源耗費和環(huán)境污染。擴充公路設施遠不能解決問題。智能交通系統(tǒng)(ITS, Intelligent Transportation System)被公認為解決城市交通擁擠問題的首要策略,將是新世紀交通發(fā)展的主流。發(fā)達國家爭先制訂了ITS發(fā)展規(guī)劃、ITS系統(tǒng)結構框架以及ITS標準等,斥巨資開展研究、試驗、評估和部署。智能交通系統(tǒng)的目標是更加高效地利用現(xiàn)有公路資源。我國人口眾多,城市化趨勢和汽車擁有量的快速增加導致城市交通面臨嚴重問題。ITS愈來愈受到我國政府和交通工程界的重視。北京、上海和深圳等城市已經(jīng)開展了ITS試驗。?

??? ITS是實時、高效的綜合交通運輸管理系統(tǒng),涵蓋廣泛,包括以下子系統(tǒng):交通信息服務系統(tǒng)、智能交通管理系統(tǒng)、商用車隊管理系統(tǒng)、智能公交系統(tǒng)、電子收費系統(tǒng)、旅行信息服務系統(tǒng)、停車服務系統(tǒng)和救援支持系統(tǒng)等。其中,交通信息服務系統(tǒng)(ATIS,Automated Transportation Information System)是城市ITS的基礎組成部分。?

??? ATIS的主要功能是從路網(wǎng)中采集實時路況數(shù)據(jù),并進行分析處理,預估未來交通狀況趨勢,產(chǎn)生分析報告和估計結果。結果數(shù)據(jù)可以用作實時交通路況廣播信息或作為智能交通控制系統(tǒng)的輸入以產(chǎn)生最佳的、實時的交通控制策略;用于檢測交通事故,提供準確定位。由于大量車輛同時搶占同一道路資源造成局部的交通擁擠,ATIS通過動態(tài)誘導、實時路況廣播等措施指導路網(wǎng)上所有車輛最佳使用道路資源,促使交通暢通。?

1 基于探測車的數(shù)據(jù)采集?

??? ATIS一直是ITS研究的重點,至今已經(jīng)開發(fā)出多種數(shù)據(jù)采集方法、數(shù)據(jù)處理算法和信息發(fā)布手段。當前主流的數(shù)據(jù)采集方式是使用電子設備(如環(huán)形傳感器、雷達或者微波監(jiān)測器)監(jiān)測路網(wǎng)上特定路段的某橫截面處的交通數(shù)據(jù):平均車速、車流量、占用率。這些采集方式無法直接測量車輛密度和路段行程時間,獲得這些數(shù)據(jù)需要采用復雜的算法估算得到。這類方法存在以下不足:?

??? ·系統(tǒng)投資和維護費用巨大。安裝檢修期間將干擾或者中斷部分路面交通;?

??? ·大量估算算法適用于所假定的特殊情形,制約了算法的適用面。很多算法僅能在交通通暢的情況下正確估算交通密度,在發(fā)生交通堵塞的情形下則不能準確估算交通密度^[2];?

??? ·設備存在大量的隨機錯誤。據(jù)統(tǒng)計,由于各種原因(包括硬件、軟件或通信線路造成的原因),美國San Francisco Bay地區(qū)高速公路網(wǎng)內(nèi)超過70%的環(huán)形傳感器無法產(chǎn)生正確或者可靠的交通數(shù)據(jù)^[2];?

??? ·當檢測設備相互間距較大時,用來檢測交通干擾因素是不可行的,如交通事故。然而在城市密集道路網(wǎng)上高密度安裝檢測設備是不可能的^[2]。?

??? 由于以上原因,尤其是投資維護費用巨大,使得交通信息采集系統(tǒng)未能得到廣泛應用。另外,數(shù)據(jù)采集方法有航空攝影、視頻攝像等,這些方法存在的問題是數(shù)據(jù)量龐大,目前計算機視覺算法無法滿足系統(tǒng)要求。?

??? 20世紀90年代初,國外就使用模型模擬或者實地試驗驗證使用探測車(Probe Vehicle)采集數(shù)據(jù)的可行性,其中以美國的ADVANCE實驗項目^[3]最具典型性。ADVANCE是世界上最大的ATIS實地試驗項目之一。它采用“移動導航助手(MNA,Mobile Navigation Assistant)”車輛采集交通數(shù)據(jù)。項目評測結果證明,這種采集手段能夠獲取準確、可靠反映交通狀況的數(shù)據(jù)。實驗發(fā)現(xiàn),不高的采樣頻率(每5分鐘遞交3個觀測結果)足以生成準確、可靠的估計和預測結果,提高采樣頻率所帶來的收益很少。這種對探測車的低比例要求能夠保證系統(tǒng)的部署成本是可控制的。ADVANCE使用專用的數(shù)字射頻通信系統(tǒng)在MNA和交通信息中心之間雙向傳輸數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)量巨大,傳輸網(wǎng)絡成為系統(tǒng)瓶頸。?

??? 文獻[1]的結論對探測車交通負荷重、車速高的交通要道(如快速路、主要干道)交通高峰期是相當適用的;對于更低等級的道路或者非交通高峰期不太適用。文獻[2]認為單獨使用探測車采集交通數(shù)據(jù)是不可行的。文中所假設的探測車所占的比例相當?shù)驼{(diào)(1%～5%)。使用探測車采集的交通數(shù)據(jù)估算車輛密度確實容易發(fā)生大偏差,然而用來統(tǒng)計道路行程時間則是直接而準確的。?

??? 以上研究對探測車的比例假設是相當保守的。事實上,汽車導航系統(tǒng)的發(fā)展遠遠超出研究者的想象。這是因為交通旅行日益成為商務活動和日常生活的重要組成部分,汽車導航系統(tǒng)能夠幫助人們減少旅行延誤,提高效率,因此備受歡迎,具有廣闊的市場前景。據(jù)日本Global Information公司估計,至2005年,美國、歐洲和日本三地汽車導航系統(tǒng)銷售量將分別達到1900萬、1400萬和900萬^[5]。汽車導航生產(chǎn)廠商將對潛在的巨大市場展開有力的爭奪。競爭勢必引發(fā)電子技術和軟件技術的廣泛應用。后者的不斷發(fā)展成熟導致成本、價格的大幅下將和產(chǎn)品的多樣化,加上政府部門的政策和投資傾斜,將使汽車導航系統(tǒng)走向每一輛汽車。汽車導航系統(tǒng)的普及為本文提出的交通信息采集手段提供了前提基礎。?

2 系統(tǒng)構成?

??? 結合與上海通用衛(wèi)星導航有限公司合作研制汽車自主導行儀的實際情況,提出一種ATIS系統(tǒng)設計方案,圖1是該方案的系統(tǒng)構成。系統(tǒng)由探測車、GSM無線網(wǎng)和信息中心三個部分構成。

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??? 散布于路網(wǎng)的探測車采集交通數(shù)據(jù),采集方法在下一節(jié)詳細敘述。裝有汽車導航系統(tǒng)的車輛只需要添加采樣軟件模塊即成為探測車,導航系統(tǒng)的功能不受任何影響。采樣軟件模塊按設定規(guī)則記錄車輛的行駛蹤跡,通過GSM短消息不斷向ATIS信息中心遞交實時交通數(shù)據(jù)。?

??? 配備汽車導航系統(tǒng)逐漸成為越來越多的車主的選擇。導航系統(tǒng)向駕駛員提供路徑規(guī)劃、路徑導航和信息查詢等服務?，F(xiàn)在主流的汽車導航系統(tǒng)包括車載電腦、GSM通信板卡和GPS接收儀。車載電腦包含輸入設備(通常為觸摸屏)、顯示設備(通常為LCD顯示器)、CDROM、電子地圖等。提供電子地圖和路徑導航功能的汽車導航系統(tǒng)是一種高端設備,適用于不熟悉城市交通的人員。對于熟悉城市交通的人員,可選更加經(jīng)濟的低端設備。低端設備不提供電子地圖、路徑規(guī)劃和路徑導航功能,系統(tǒng)配置和成本大大降低。熟悉城市交通的人員包括公交車司機和出租車司機,這兩類車輛在日常運營車輛中占相當高的比例。?

??? 信息中心匯總數(shù)據(jù)后,實施如下工作:(1)采用求平均值方法統(tǒng)計路網(wǎng)上全體鏈路各自的行程時間,預測未來行程時間;(2)綜合路網(wǎng)車速分布圖,檢測交通干擾現(xiàn)象;(3)分區(qū)域組織交通路況信息,對外發(fā)布。其它的工作包括整理數(shù)據(jù)存入歷史檔案并在歷史數(shù)據(jù)之上實施數(shù)據(jù)挖掘,總結歸納出交通規(guī)律和交通趨勢,用以指導未來交通建設規(guī)劃和交通控制策略。?

??? 只要判別發(fā)送出包含數(shù)據(jù)記錄的短消息的發(fā)送基站即可獲知交通數(shù)據(jù)所屬區(qū)域,即發(fā)送基站所覆蓋的區(qū)域。這樣,信息中心可以很方便地分區(qū)域匯總、處理和發(fā)布交通數(shù)據(jù)。相應地,數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)采用層次結構。分配專門的計算機處理城市不同子區(qū)域的交通數(shù)據(jù);上層的“主管”計算機負責控制、協(xié)調(diào)工作。必要的話,可以構造多層次結構。這里提及的子區(qū)域由若干連續(xù)的基站覆蓋區(qū)域構成。多層次的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)用一個微機互連的局域網(wǎng)即可勝任,這能夠保證信息中心的建設成本低廉。?

??? 探測車采集的交通數(shù)據(jù)通過短消息傳送到信息中心,而交通路況信息發(fā)布則采用短消息小區(qū)廣播手段,數(shù)據(jù)傳輸相關內(nèi)容在下面闡述。信息中心向Internet發(fā)布路況信息和交通服務信息,供互聯(lián)網(wǎng)用戶訪問。?

3 數(shù)據(jù)采樣?

??? 車載電腦與GPS接收儀相連。GPS接收儀提供車輛所在位置的經(jīng)緯度、速度值和時鐘值,周期為1秒。車載電腦在車輛數(shù)據(jù)變化值(即加速度)超過設定閾值時刻、車輛經(jīng)過預設檢測點時記錄GPS提供的數(shù)據(jù)(含位置坐標,時間戳)。另外,要求車輛長時間滯留于某地(此時極可能發(fā)生交通事故)時,向信息中心遞交特殊的報告。信息中心把此類報告視為可能發(fā)生交通事故的依據(jù),及時做出響應。預設檢測點是專門設置的要求記錄采樣數(shù)據(jù)的位置。系統(tǒng)為預設檢測點指派唯一標識,這種對應關系存儲在預設檢測點位置對照表。預設檢測點位置對照表在信息中心和探測車車載電腦上各有拷貝。?

??? 把預設檢測點設定在路段和交叉路口相交部位,即圖2所示的圓點。采樣過程中,車載電腦始終對最新的位置坐標值和預設檢測點實施比較,一旦匹配就作記錄。如此,系統(tǒng)經(jīng)過簡單統(tǒng)計即得到鏈路(Link)的行程時間,鏈路由路段直線部分加上一個拐彎構成。圖2中,ABC、ABE和ABG都構成一個鏈路。鏈路比路段直線部分(如AB)更能準確地反映路線的時間代價。?

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??? 探測車每次記錄的位置點稱為記錄點,所記錄的內(nèi)容包括位置坐標、時間戳。位于同一條鏈路的全部記錄點構成一條鏈路記錄。一條GSM短消息可以容納多條完整的鏈路記錄。一條鏈路記錄不能分跨多條短消息。GSM短消息的最大長度為140字節(jié)^[4],能夠容納一條完整的鏈路記錄。一旦出現(xiàn)溢出現(xiàn)象,剔除處于鏈路中間的部分記錄點即可。剔除不影響鏈路行程時間的計算,但會降低交通事故的檢測靈敏度。?

??? 信息中心數(shù)據(jù)處理程序依據(jù)電子地圖能夠獲知記錄內(nèi)兩個相連記錄點之間的路線距離。時間戳相減得到兩記錄點之間的時間耗費,最后得到相連記錄點之間的平均速度。鏈路的平均速度曲線反映了車輛的運行速度在空間上的變化過程。?

??? 只要經(jīng)過鏈路的探測車在經(jīng)過鏈路的全部車輛內(nèi)占一定比例,鏈路的車流能夠得到準確的描繪。進一步,車流速度變化可以用于檢測交通事故。把全體鏈路的車流綜合在一起,整個城市的實時交通概貌就會呈現(xiàn)出來。?

4 數(shù)據(jù)傳輸?

??? 探測車把采集到的交通數(shù)據(jù)組裝成短消息向信息中心發(fā)送。一條短消息包含一條或者多條鏈路記錄。短消息發(fā)送頻率須限定在特定頻率范圍之內(nèi),頻率過大導致傳輸信道超負荷,而過小則不能實時反映交通狀況。在下面的分析中使用的平均發(fā)送頻率為1輛車1分鐘1條短消息。當即將發(fā)送的短消息無法容納更多的鏈路記錄的時候,或者到達發(fā)送延遲時限的時候向信息中心傳輸短消息。?

??? 下面分析信道傳輸容量。設公路密度為r公里/平方公里,車輛密度為v輛/公里,GSM基站在密集城區(qū)的平均覆蓋面積為s平方公里,探測車占運營車輛的比例為α,短消息發(fā)送頻率為τ條/秒,則在一個GSM基站覆蓋范圍內(nèi)短消息發(fā)送頻率為:?

??? f=r×v×s×α×τ?

??? 取r=15,v=500,s=1,α=20%,τ=1/60,則f=25條/秒。一個基站用于傳輸短消息的信道數(shù)以最小情況n=5考慮,每秒鐘能發(fā)送的短消息數(shù)目為29.3條/秒^[4]。上面r、v的取值即使相對于密集城區(qū)高峰期而言也是相當富裕的。GSM基站在密集城區(qū)的覆蓋面積為0.6~1.6平方公里^[7]。若實際覆蓋面積大于1平方公里,適當增加信道數(shù)即可提供足夠的帶寬。取r=15,v=500,s=1,α=1/3,τ=1/60,則f≈42條/秒,同樣可以通過增加短消息信道數(shù)保證足夠帶寬。?

??? 信息中心發(fā)布交通路況信息使用短消息小區(qū)廣播方法。德國主要的運營商Mannesmann Mobilfunk D2公司已經(jīng)成功采用這種方式發(fā)布交通信息^[6]。信息發(fā)布按區(qū)域進行,即每個基站發(fā)布自身的責任區(qū)域內(nèi)的交通狀況。基站的責任區(qū)域是基站所在的鄰近區(qū)域。責任區(qū)域的大小由系統(tǒng)設置,該區(qū)域內(nèi)交通狀況的改變將可能導致駕駛員或者汽車導航系統(tǒng)改變行駛路徑。?

??? 為減少發(fā)布信息的長度,系統(tǒng)為路網(wǎng)全體鏈路指派唯一編號。鏈路編號表在信息中心和車載電腦上各有拷貝。交通信息發(fā)布內(nèi)容中使用編號標示鏈路,比直接使用坐標位置所需的數(shù)據(jù)長度少。?

??? ITS是解決城市交通擁擠問題的首要策略。ATIS是構成ITS的基礎成份,是保證ITS系統(tǒng)實時高效的關鍵。本文提出了一種ATIS系統(tǒng)的設計方案,它的最大特點是低成本,不需要交通部門的巨額投資維護費用,交通信息服務的受益者同時又是數(shù)據(jù)的提供者。汽車導航系統(tǒng)的大量普及將提高ATIS系統(tǒng)性能和可靠性。系統(tǒng)性能和探測車的比例、數(shù)據(jù)采集周期之間的關系需要進一步研究。?

參考文獻?

1 K. Srinivasan, P. Jovanis. Determination of Number of?Probe Vehicles Required For Reliable Travel Time Measurement in Urban Network.Transportation Research Board.?Transportation Research Record 1537, 15～22. 1996.?

2 Marcel Westerman, Remco Litjens, Jean-Paul Linnartz.?Integration of Probe Vehicle and Induction Loop Data——Estimation of Travel Times and Automatic Incident Detection. California PATH Research Report. UCB-ITS-PRR-96-13. 1996.?

3 ADVANCE Project Evaluation Manager, Argonne National??Laboratory. Formal Evaluation of the Targeted Deployment.?Volume I. 1997.?

4 張 靜,蔣文怡,鐘章隊. GSM網(wǎng)絡短消息吞吐量分析.電信技術, 2000;(9) ?

5 Global Information, Inc.Global In-Car Computing Market.?Report. Published by SRD Japan, Inc. 2000.?

6 http://www.snmcc.com/cn/enterprise/newscenter/news/2001/.CMG的小區(qū)廣播試運營商能夠提供增值服務并從中獲利. 2001年7月23日.?

7 http://www.mobilecn.com/mobilecn/public. CDMA與GSM之比較.