基于GPS数据的浮动车动态信息系统设计与实现

张睿卓，张健钦，杜明义

（1.北京建筑大学测绘与城市空间信息学院，北京 100044； 2.现代城市测绘国家测绘地理信息局重点实验室，北京 100044）

基于GPS数据的浮动车动态信息系统设计与实现

张睿卓1∗，张健钦1，2，杜明义1，2

（1.北京建筑大学测绘与城市空间信息学院，北京 100044； 2.现代城市测绘国家测绘地理信息局重点实验室，北京 100044）

概述了浮动车实时交通信息系统的关键技术和体系结构，并以伊金霍洛旗浮动车数据为基础，结合城市交通管理需求，综合应用GIS技术、空间数据库技术及计算机网络技术，设计和实现了基于Flash Player和WebGIS的伊金霍洛旗浮动车路况信息系统，讨论和分析了浮动车信息的综合管理与应用。

交通信息；可视化管理；浮动车；空间数据库

1 引 言

由于近年来世界各地交通路网压力负荷不断增大，而迅猛发展的远程信息处理系统［1］（涉及无线通信系统和定位传感技术等）正好迎合了进一步开发并提升路网利用率的这一需要。因此作为FCD（Floatingcar Data）数据提供者的浮动车技术系统得到了重视和大力建设，安装有GPS数据接收和发射装置的公交车和出租车发送回来的实时数据，为交通信息化管理提供了必要的条件。浮动车交通信息系统在此背景下开始了快速的发展和应用。

浮动车信息系统利用定位技术、无线通信技术和信息处理技术，实现对道路上行驶车辆的瞬时速度、位置、路段旅行时间等交通数据的采集，经过汇总、处理后这些信息生成反映实时道路拥堵情况的交通信息［2］，能够为城市道路交通管理和公众服务提供更加全面、精确、实时的交通路况信息及交通控制、诱导信息。

我国已在北京、上海、广州及杭州、宁波等大多数二线城市建立了相当规模的浮动车，实现了浮动车系统实时运行数据回传，提供一定水平的数据分析展示。国内一些院校以及相关科研和事业单位也在不同程度上进行了浮动车系统的相关研究与开发工作。其中国家智能交通系统工程技术研究中心自主研发了浮动车交通信息处理与应用系统，该系统可以对历史交通状况进行统一分析，揭示出交通系统在时间和空间上的规律性［3］。欧美、日本等国也在研发和应用推广，已有的典型系统有英国的FVD、美国的ADVANCE和日本VICS系统等。英国FVD系统综合利用了浮动车和交通控制信息，能向用户发布预测旅行时间信息；美国ADVANCE通过实时信息处理能够为用户提供实时交通诱导服务；日本VICS能够通过文字、简单图形、地图三种格式向驾驶员发布交通流状态信息。而面对当下严峻的交通形势需要研发更实用、方便的系统为城市发展和人民生活提供优质的服务。

本文紧密结合鄂尔多斯智能交通建设与发展的应用需求，综合应用GIS技术［4］、空间数据库技术、Web-GIS开发技术和计算机网络技术，设计“伊金霍洛旗浮动车路况信息系统”。系统提供交通路况信息浏览、统计和分析功能，信息可视化统计分析与管理功能，路径规划功能等，为鄂尔多斯智能交通系统的应用和发展建立了可视化的支撑平台［5］。在线路况发布、最佳行程计算和引导将能极大地方便大众出行，同时提高了交通信息化系统的服务和应用水平，加快了交通服务信息的共享速度，提升了交通事件响应能力和公众服务水平，能够在一定程度上缓解道路交通压力。

2 关键技术

2.1 基础数据处理

系统基础数据包括GIS图层数据和浮动车系统数据。

（1）数据预处理:

基本数据进行网格节点层划分和打断处理、节点层处理、路链层处理。数据流程如图1所示。

电子路网底图涉及地理范围及详细程度的确定、球面坐标到平面直角坐标的地图投影变换、路网拓扑的建立、路网的双向显示、路网的格网分层。

∗ 收稿日期:2016—01—06

作者简介:张睿卓（1990—），男，硕士研究生，主要研究方向为智慧城市与交通地理信息系统。

通讯作者:张健钦（1979—），男，硕士生导师，主要从事空间数据处理，三维可视化，交通GIS等方向的科研工作。

基金项目：十二五科技支撑计划（2012BAJ14B03-6）；北京自然科学基金重点（B类）项目（KZ201210016016）。

图1　数据流程图

（2）浮动车系统数据处理:

交通指挥控制中心对公交车载设备上传的数据进行存储、处理，结合GIS电子地图利用相应的计算模型对交通参数如速度、行程时间等进行估计和预测，得出整个道路网的实时动态交通信息。处理系统由GPS数据接收和预处理模块、FCD核心算法、路径规划服务、实时路况发布、路况分析组成。

图2　浮动车路况分析过程

数据处理与应用流程如图2所示。数据实时计算包括4个阶段:GPS点数据预处理、错误数据过滤和合法性检测与逻辑过滤［6］）；根据投影距离和方位角进行点匹配；运用局部节点匹配的改进最优路径选择法确定行驶路径；计算路径平均行驶速度，统计生成速度专题图，具体功能结构如图3所示:

图3　数据实时处理程序结构设计

2.2 路网匹配

根据实际需求将地图匹配算法进行改进。为了提高效率，道路匹配基于打断后的路网数据，但发布路况地图时使用路链层的数据。具体流程如图4所示。

图4　匹配流程图

2.3 路况专题渲染

依据FCD核心算法每隔一个更新周期（小于 5 min）对之前 10 min内接收到的浮动车数据进行计算，获得路网内各个路段的平均车速，赋值到道路的速度属性中［7］。

对车辆按照当量小汽车换算系数换算并计算研究区域整体路网的交通拥堵指数（Traffic Performance Index，TPI），生成全路网路况数据指标［8］。TPI与拥堵等级和灰度值之间的关系如图5所示。根据路网匹配后的定位点、路段与道路或公交线路之间的空间拓扑关系，以对应索引编码为基础，实现路况信息的符号化和地图专题渲染。

图5　TPI与拥堵等级及常用灰度值的关系

3 系统设计

伊金霍洛旗浮动车路况信息系统展示端在接入浮动车实时GPS数据的基础上，配置相应的网络和硬件设备，从而为用户提供多种终端实时动态交通路况信息服务。

3.1 系统结构设计

系统采用基础数据层、中间业务层和信息发布层结合的三层体系架构，将基于C/S的基础服务和基于B/S的网络架构相结合（如图6所示）。

图6　系统架构图

基于服务器端的数据管理层部分实现城市交通路网、交通基础设施等相关地理要素的高效存储、管理和分析以及交通基础数据的修改、编辑、更新和维护；在保证交通基础数据准确的基础上，中间业务层实现交通地理要素的空间查询、空间统计与空间分析；信息发布层实现了路网基础信息管理、交通基础设施与设备管理、交通流信息查询统计、交通信息动态发布、公众

信息服务等。因此，能够为交通管理部门提供全面、准确的交通基础数据和科学的决策依据与决策支持。

3.2 总体功能

该系统核心功能可分为5个主要模块，分别为:实时路况、路况统计、路况查询、路况分析、路径规划。伊金霍洛旗浮动车路况信息系统功能设计如图7所示。

3.3 数据库设计

空间数据库设计依据关系数据库的规范化理论，建立正确反映客观现实的关联关系，减少数据冗余和重复，兼顾交通网络管理的特点及业务应用需求。基础数据存储在Oracle大型商业数据库中，数据库服务器设于鄂尔多斯交通指挥中心。

系统数据库主要包括车辆、路段、交通事件的实时信息表、历史信息表等如图8所示。

图8　数据结构图

系统程序每间隔5 min从后台数据处理程序结果集重读一次，自动刷新，从而提供了动态的地图服务和路况数据。借助存储过程触发机制保持数据一致性和完整性，并保持历史数据的有效存储。

4 鄂尔多斯浮动车系统实现

本系统应用Actionscript3编程语言，基于Flex技术实现，具有富客户端设计架构［9］的特性。应用Flex+Java+Oracle综合数据交互技术，由Java远程控制（remo-ting）和Web消息传递（messaging）控制前后台数据的一致和前台数据信息更新。地图服务由ArcGIS Server发布，最终利用Web服务器（J2EE+Tomcat）发布系统。通过WebService和服务器端口与其他相关数据进行交互，而数据更新与地图匹配程序作为服务持续实时运行，从而为系统调用和展示提供了基础条件。

系统实现了地图发布展示、路况统计分析、实时信息查询播报、事故分析定位、路径规划等功能。部分界面如图9、图10所示。

图9　实时路况

图10　路况分析

5 结 论

本文针对鄂尔多斯交通指挥中心的应用需求，以鄂尔多斯交通数据为基础，将GIS技术、空间数据库技术、GIS集成开发技术以及计算机网络等技术相结合，研究和开发了鄂尔多斯城市道路交通信息可视化平台。分为技术研究、功能设计、系统实现三个部分，主要成果包括:①深入了解和分析鄂尔多斯交通信息化建设中存在的问题以及其业务需求；②阐述了GIS集成、交通流量与GIS集成及浮动车交通数据处理集成等关键技术；③设计了B/S与C/S相结合的混合体系架构，充分发挥了B/S与C/S体系结构的优势，使平台易于操作、更新和维护；④设计并构建了交通信息空间数据库，为交通管理部门提供了准确、全面及时的交通基础信息和数据支持；⑤开发的信息系统能够应用于实际的工作中，为交通管理与指挥部门的工作提供科学、准确的支持。系统整合了鄂尔多斯公交浮动车数据，能够为公交公司与管理部门提供有效的交通历史数据，便于特殊路况车辆调度和基于此的道路旅行时间预测。

本文根据交通指挥部门目前的应用需求设计了多个功能模块，接下来需要进一步提升平台功能的可扩展性，因为随着交通部门工作职能的不断增强，对办公科学化和自动化的要求也会不断提高，功能的增加和升级将变成必然。

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［2］Ralf-Peter Schäfer，Kai-Uwe Thiessenhusen，Wagner，P.A traffic information system by means of real-time floating-car data［C］.9th ITS World Congress.Chicago：IEEE Press，2002：11～14.

［3］周洋.基于GPS浮动车的高速公路实时路况系统的研究［D］.南昌：南昌航空大学，2012.

［4］朱德清，臧淑英.GIS在交通领域的应用与发展［J］.科技信息，2008（20）：10～10.

［5］张祖林，尤建新.昆明市智能交通信息系统框架研究［J］.云南社会科学，2009（3）：5～10.

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［7］张建华.基于GPS浮动车获取道路实时车速的方法研究［D］.昆明：昆明理工大学，2013.

［8］李明轩.多源交通路况信息处理技术与应用研究［D］.北京：北京建筑大学，2014.

［9］吴涛等.WebGIS开发中的RIA技术应用研究［J］.测绘通报，2006（6）：34～37.

Design and Implementation of a Traffic Information System Based on Real-time Floating-Car Data

Zhang Ruizhuo1，Zhang Jianqin1，2，Du Mingyi1，2
（1.Beijing University of Civil Engineering and Architecture，Beijing 100044，China； 2.The Modern City Key Laboratory of National Geographic Information Bureau of Surveying and Mapping of Surveying and Mapping，Beijing 100044，China）

This paper summarized some key technologies of Real-time Floating Car System in Ordos and the system structure of it.Meeting the requirements of urban traffic management，Floating-car traffic information system in Ejin Horo Banner employing the data of floating-car in Ejin Horo Banner，Ordos was designed and implemented.By means of the Flash Player and WebGIS，technologies such as GIS technology，spatial database，and computer network technology have been used when the system was developed.Eventually，Discussion and analysis of the floating car information management and application were given at the end.

traffic information；visualized management；floating-car；geodatabase

1672-8262（2016）02-5-06中图分类号：P208.2

A