基于ArcGIS Engine的路网运行状态判别系统设计与实现

渐 猛， 张俊友

(山东理工大学 交通与车辆工程学院， 山东 淄博 255091)

交通拥堵不仅严重影响了人们的出行，而且制约着社会和经济的可持续发展，如何缓解交通拥堵成为当前急需解决的问题.道路交通状态的准确判别对于制定合理的交通管控措施具有重要的现实意义.

随着社会经济的快速发展，传统的依靠增加道路交通基础设施解决城市交通拥堵问题的方法已经远远不能满足交通管理的需求，只有在科学规划的前提下，增加道路设施同时结合智能交通系统(Intelligent Transportation System，ITS)[1]技术才是治理交通问题的关键.在这样的背景下，本文以浮动车信息采集技术为基础，以地理信息系统为平台，并以淄博市张店区区域路网为例，建立了基于ArcGIS Engine的路网运行状态判别系统，为交通管理部门的交通管理组织提供依据，为用户出行提供决策支持，在现有交通基础设施的情况下，最大程度的缓解交通拥堵问题.

1 系统总体设计

1.1 系统设计目标

城市道路交通状态判别系统研究的目的就是在GIS-T技术的支持下，根据浮动车信息采集技术获得行驶在路网中的浮动车全天候实时数据，一方面能够为出行者提供实时动态交通信息，为实现动态诱导提供数据和技术基础，为ITS交通信息采集提供一种全新、经济、可靠的方法.同时，通过历史数据的积累和分析，实现路网运行状态分析、路段速度变化趋势分析、拥堵点段分析、拥堵评价等，为交通规划、决策和管理部门长期、全面的分析路网运行状态、把握交通拥堵态势提供支持[2].

系统在设计时遵循以下基本原则：实用性、高效性、稳定性和可扩充性[3].

1.2 系统的整体框架

基于ArcGIS Engine的路网运行状态判别系统的构建是以浮动车信息采集技术为基础，以地理信息系统为平台，结合城市主要道路电子地图，完成对城市路网路况的实时判别.系统总体上有四部分组成，分别为信息采集子系统、数据库及应用支撑环境支持[4]、信息处理子系统和信息发布子系统.系统的整体框架如图1所示.

1.3系统的软件体系结构

系统软件体系结构如图2所示.整个系统基于ArcGIS Engine组件，以Visual basic.NET语言为开发工具，采用集成开发方式，在Visual Studio 2008开发环境中实施，系统包含四层机构：数据存储层、数据访问层、业务逻辑层和用户层.

数据存储层用来存储系统的空间数据和属性数据，系统提供两种数据管理手段：一是使用Oracle 11g数据库管理系统对路网的静态信息以及浮动车的动态属性信息进行管理；二是通过ArcSDE把地图数据库中的数据存放到Oracle 11g中[5]，数据操作通过存储过程实现.

在数据访问层中[6]，客户端的道路网以及浮动车等属性数据是通过ADO.NET技术进行访问，而电子地图数据是利用ArcGIS Engine组件技术实现访问和操作.

业务逻辑层集中了系统的业务逻辑处理功能，是应用软件系统中的核心部分.系统的业务逻辑功能既可以周期性激活，也可以应用户需求而激活.业务逻辑主要包括：数据采集、交通信息处理和系统辅助服务.

用户层包括信息服务系统和数据源系统，它们通过接口与系统进行交互，向系统提供数据或从系统获取数据.

1.4 系统的工作流程

系统的工作流程为：车载终端通过GPS信息接收模块接收GPS数据，经过处理后发送到交通信息中心，信息中心服务器接收GPS模块发过来的纬度、经度、时间、速度等数据，在地理信息系统的支持下，采用基于ArcGIS Engine组件技术的点到线的地图匹配算法直接进行地图匹配，得到浮动车在道路上的准确行驶位置；在此基础上估算路段的平均行程速度，从而分析路段的交通状态，最后将交通状态的判别结果在GIS电子地图中用不同颜色显示.系统的工作流程如图3所示.

2 系统数据库设计

系统中的数据包括地图数据和属性数据，其中地图数据大多数是ArcGIS所支持的mxd格式文件和Shp格式数据.统计数据主要是系统中用来查询、分析的浮动车实时数据以及统计所需要的历史数据，这些数据可以分为空间数据和属性数据.因此，本系统分别采用空间数据库和属性数据库来保存相应数据.

2.1 空间数据库的建立

目前的地理信息系统[7]都是以图层的方法来规划空间数据的.在GIS中，把特征相同或相近的地理实体归类为一个图层.例如在一个城市的交通电子地图中，所有的建筑物可以构成一个点图层；所有的道路可以构成一个线图层；所有的小区可以构成一个面图层，通过图层的叠加，形成一个电子地图.根据淄博市张店区主要道路网络矢量化形式，可以分为3种类型：点状、线状和面状、而且每一种数据都有自己的元数据，即属性数据，如图4所示.

2.2 属性数据库的建立

除了建立空间数据库之外，还需要另外设计属性数据库，用于存储道路属性以及实时的路况信息.属性数据库主要采用关系型数据库，每一个数据表存储一类实体对象的关键字段ID和非地理属性字段.根据用户需求，将选择Oracle 11g数据库来设计属性数据库中属性数据表，部分属性数据表见表1和表2.

3 系统功能设计与实现

系统的主要功能包括四部分：GPS信息采集模块、数据库管理模块、交通信息处理模块和交通状态判别模块.系统的功能结构如图5所示.

GPS信息采集 包括浮动车数据的采集、数据清洗和数据转换.利用车载GPS接收机将定位所需的经、纬度、速度、时间等定位导航信息采集到计算机中，在数据清洗和数据转换方面，通过自定义各种类型的检查规则[4]，实现对错误数据的甄别、无效数据的剔除，以实现数据的标准化和规范化.

数据库管理 包括空间数据库管理和属性数据库管理两个部分.空间数据库管理可以实现对当前路网图形元素(点、线、面)的管理；而属性数据库管理主要实现对属性数据的添加、查询、统计以及分析等操作，以保证数据可以动态使用以及对历史数据长期安全、有效有序的存储与管理.

交通信息处理 包括道路路段划分、坐标转换、地图匹配、车辆行驶方向判断等.通过该功能模块，系统对采集到的原始浮动车数据进行处理，根据处理后的浮动车信息，结合历史数据，建立相关算法和模型，分析道路交通的实时状态.

交通状态判别 包括路段平均行程速度估计和交通状态判别.选取路段平均行程速度作为路况判别的交通流参数，根据公安部制定的相关标准，结合道路等级信息，实时的判别道路交通状态，并在GIS电子地图上用不同颜色显示[8].

依据以上系统开发方法和系统设计需求分析，以及系统功能模块设计，调用每条道路实时的浮动车数据，结合道路等级得到该道路的交通状态信息.将道路交通状态划分为三个等级，分别用三种不同的颜色在GIS电子地图上显示，如图6所示.其中，绿色表示道路畅通，黄色表示缓慢，红色表示拥堵.

4 结束语

本系统基于ArcGIS Engine组件，以Visual basic.NET语言为开发工具，采用集成开发方式进行系统开发.本文的GIS系统以淄博市张店区地图为基础数据库，空间数据为SHP文件自带的数据格式,并利用ESRI公司的ArcSDE空间数据库引擎进行空间数据的高效管理.系统根据实际应用需求,在后端选用了关系数据库Oracle 11g作为数据库开发工具，并以对象关联的方式与ArcGIS Engine功能组件相关联，实现系统基本功能.当然，整体系统的建成还需进一步完善，还要通过在实践中检验其中的交通流模型与相关算法等内容.如何充分利用历史数据和当前实时数据，进行数据挖掘和知识发现的研究以及建立更完善、更专业的交通数学模型将是下一步工作的核心[5].

[1]姜桂艳.道路交通状态判别技术与应用[M].北京：人民交通出版社,2004:69-70.

[2]隆志坚.基于GoogleMap的导航与交通信息采集系统的设计与实现[D].长沙：国防科技大学,2011.

[3]谢小惠,向南平.基于ArcGIS Engine的开发原理和方法的探讨[J].城市勘测,2006,14(2):72-75.

[4]李晓斌.交通出行信息平台及其关键技术应用研究[D].广州：华南理工大学,2010.

[5]李标，武连港.基于ArcGIS Engine的城市干道网络通行能力仿真系统设计与实现[J].重庆交通大学学报,2012,6(13)：82-85.

[6]吴建华.基于ArcGIS Engine的车辆监控GIS系统开发[J].地理信息系统学报,2011,13(1):88-93.

[7]赵连柱.北京市交通专题数据库管理系统设计与实现[J].北京测绘，2009，13(1)：75-78.

[8]袁浩.基于GPS/GIS的交通状态自动判别系统研究[J].计算机工程与设计，2009，30(9)：2 293-2 296.