??? 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設計方案。方案征用車輛采集交通數據(稱這種車輛為探測車),配備汽車導航系統的汽車無須附加成本即可成為探測車。采樣數據通過GSM短消息送達信息中心。信息中心統計并預估全路網任意路段的實時行程時間。交通路況發布采用短消息小區廣播。?

??? 關鍵詞: 智能交通系統? 交通信息服務系統? 探測車?

?

??? 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,加劇資源耗費和環境污染。擴充公路設施遠不能解決問題。智能交通系統(ITS, Intelligent Transportation System)被公認為解決城市交通擁擠問題的首要策略,將是新世紀交通發展的主流。發達國家爭先制訂了ITS發展規劃、ITS系統結構框架以及ITS標準等,斥巨資開展研究、試驗、評估和部署。智能交通系統的目標是更加高效地利用現有公路資源。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開展了ITS試驗。?

??? ITS是實時、高效的綜合交通運輸管理系統,涵蓋廣泛,包括以下子系統:交通信息服務系統、智能交通管理系統、商用車隊管理系統、智能公交系統、電子收費系統、旅行信息服務系統、停車服務系統和救援支持系統等。其中,交通信息服務系統(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中采集實時路況數據,并進行分析處理,預估未來交通狀況趨勢,產生分析報告和估計結果。結果數據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的輸入以產生最佳的、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通過動態誘導、實時路況廣播等措施指導路網上所有車輛最佳使用道路資源,促使交通暢通。?

1 基于探測車的數據采集?

??? ATIS一直是ITS研究的重點,至今已經開發出多種數據采集方法、數據處理算法和信息發布手段。當前主流的數據采集方式是使用電子設備(如環形傳感器、雷達或者微波監測器)監測路網上特定路段的某橫截面處的交通數據: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,獲得這些數據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。據統計,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地區高速公路網內超過70%的環形傳感器無法產生正確或者可靠的交通數據^[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未能得到廣泛應用。另外,數據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據量龐大,目前計算機視覺算法無法滿足系統要求。?

??? 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)采集數據的可行性,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)”車輛采集交通數據。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據。實驗發現,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的部署成本是可控制的。ADVANCE使用專用的數字射頻通信系統在MNA和交通信息中心之間雙向傳輸數據。由于數據量巨大,傳輸網絡成為系統瓶頸。?

??? 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據是不可行的。文中所假設的探測車所占的比例相當低調(1%～5%)。使用探測車采集的交通數據估算車輛密度確實容易發生大偏差,然而用來統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,汽車導航系統的發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銷售量將分別達到1900萬、1400萬和900萬^[5]。汽車導航生產廠商將對潛在的巨大市場展開有力的爭奪。競爭勢必引發電子技術和軟件技術的廣泛應用。后者的不斷發展成熟導致成本、價格的大幅下將和產品的多樣化,加上政府部門的政策和投資傾斜,將使汽車導航系統走向每一輛汽車。汽車導航系統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 系統構成?

??? 結合與上海通用衛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系統設計方案,圖1是該方案的系統構成。系統由探測車、GSM無線網和信息中心三個部分構成。

?

??

??? 散布于路網的探測車采集交通數據,采集方法在下一節詳細敘述。裝有汽車導航系統的車輛只需要添加采樣軟件模塊即成為探測車,導航系統的功能不受任何影響。采樣軟件模塊按設定規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據。?

??? 配備汽車導航系統逐漸成為越來越多的車主的選擇。導航系統向駕駛員提供路徑規劃、路徑導航和信息查詢等服務?，F在主流的汽車導航系統包括車載電腦、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,可選更加經濟的低端設備。低端設備不提供電子地圖、路徑規劃和路徑導航功能,系統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。?

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

??? 只要判別發送出包含數據記錄的短消息的發送基站即可獲知交通數據所屬區域,即發送基站所覆蓋的區域。這樣,信息中心可以很方便地分區域匯總、處理和發布交通數據。相應地,數據處理系統采用層次結構。分配專門的計算機處理城市不同子區域的交通數據;上層的“主管”計算機負責控制、協調工作。必要的話,可以構造多層次結構。這里提及的子區域由若干連續的基站覆蓋區域構成。多層次的數據處理系統用一個微機互連的局域網即可勝任,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據通過短消息傳送到信息中心,而交通路況信息發布則采用短消息小區廣播手段,數據傳輸相關內容在下面闡述。信息中心向Internet發布路況信息和交通服務信息,供互聯網用戶訪問。?

3 數據采樣?

??? 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緯度、速度值和時鐘值,周期為1秒。車載電腦在車輛數據變化值(即加速度)超過設定閾值時刻、車輛經過預設檢測點時記錄GPS提供的數據(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生交通事故的依據,及時做出響應。預設檢測點是專門設置的要求記錄采樣數據的位置。系統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,系統經過簡單統計即得到鏈路(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。?

?

?

??? 探測車每次記錄的位置點稱為記錄點,所記錄的內容包括位置坐標、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^[4],能夠容納一條完整的鏈路記錄。一旦出現溢出現象,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。?

??? 信息中心數據處理程序依據電子地圖能夠獲知記錄內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。?

??? 只要經過鏈路的探測車在經過鏈路的全部車輛內占一定比例,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出來。?

4 數據傳輸?

??? 探測車把采集到的交通數據組裝成短消息向信息中心發送。一條短消息包含一條或者多條鏈路記錄。短消息發送頻率須限定在特定頻率范圍之內,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送頻率為1輛車1分鐘1條短消息。當即將發送的短消息無法容納更多的鏈路記錄的時候,或者到達發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,短消息發送頻率為τ條/秒,則在一個GSM基站覆蓋范圍內短消息發送頻率為:?

??? 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以最小情況n=5考慮,每秒鐘能發送的短消息數目為29.3條/秒^[4]。上面r、v的取值即使相對于密集城區高峰期而言也是相當富裕的。GSM基站在密集城區的覆蓋面積為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保證足夠帶寬。?

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

??? 為減少發布信息的長度,系統為路網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。交通信息發布內容中使用編號標示鏈路,比直接使用坐標位置所需的數據長度少。?

??? 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系統實時高效的關鍵。本文提出了一種ATIS系統的設計方案,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據的提供者。汽車導航系統的大量普及將提高ATIS系統性能和可靠性。系統性能和探測車的比例、數據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.