基于数据可视化的城市道路交通态势监测系统研究

李亚军

(甘肃警察职业学院, 甘肃兰州 730046)

0 引言

城市道路交通管理与控制是全面维持城市交通系统正常运行及深度解决交通供给与需求之间矛盾的一项复杂系统工程。国内城市道路交通态势监测研究的主要方向是实现以视频监控技术为基础的路网交通监控系统功能集成，相关研究成果无法对宏观道路交通运行态势进行准确描述，国外先进发达国家已经开始研究基于交通态势深度监测的新一代交通诱导技术。在城市道路交通管理精细化程度日益提升的要求的背景下，创新交通态势监测研究思路、打破信息屏障和数据壁垒、专业分析处理基础数据、充分挖掘信息价值，已成为国内外城市道路交通管理研究的新问题。

集成现有平台资源，利用大数据资源和云计算工具，在专业分析交通运行数据、统筹解决交通运行矛盾的思路指引下，实现对城市道路交通态势进行精确分析和模块化处理，同时为管理者提供科学的决策支撑和辅助服务是研究交通态势监测系统的目标。主要包含3个内容：一是基于物联网技术对道路交通运行态势进行分类采集和信息融合；二是通过建立交通指数评价体系，实现对交通运行态势准确的特征分析与预测研判[1]；三是基于实时交通运行态势数据可视化分析，满足不同交通出行需求的信息可视化定制服务。因此，该系统的运用对于解决道路交通系统供给与需求之间不平衡、减少现有交通资源浪费具有重要作用。

1 城市道路交通态势监测系统的研究内容和系统构架

基于数据可视化的城市道路交通态势监测系统主要适用于国内具有稳定交通出行需求、常驻人口在200万以上的二三线城市，在一线特大城市具有相对独立功能的地区和一些交通密度相对较大的县市级也同样适用。该系统研究思路是以交通运行态势数据信息作为主线，对道路交通运行态势监测数据进行分析计算和结构化管理，结合城市道路交通管理的实践需求，将计算结果与各项城市道路交通管理业务进行融合，挖掘数据信息的内在关联和运用价值，最终实现对城市道路交通态势进行精确监测。

1.1 道路交通运行态势监测数据的采集获取与集成分类

城市道路交通运行态势监测系统研究的内容是依靠设置在城市路网的各种交通信息检测设备，对道路交通系统内运行的各种交通参与要素的出行特征和出行信息进行准确感知采集，并按照信息数据来源和内涵进行系统化集成和逻辑分类，使各类交通运行参数根据其真实代表的含义进行结构化重组，如图1所示。

图1 交通运行态势监测信息的组织结构

(1)视频监控数据信息。是指以视频采集的方式通过设置在城市路网及交叉口的视频检测设备感知获取反映交通运行态势的数据和信息。主要由3个方面组成：一是交通流运行信息；二是交通拥堵信息；三是交通事件信息。

(2)电子警察数据信息。是指从宏观交通管理与控制的角度，依靠设置在城市路网内的电子警察系统对交通违法进行管理，采集获取各类交通违法数据和信息，进一步维护城市路网交通正常的运行秩序。主要由3个方面组成：一是城市路网交叉口交通违法信息；二是城市路面交通违法信息；三是缉查布控交通违法信息。

(3)互联网交通数据信息。是指通过互联网交通大数据资源采集和获取具有实用价值的信息，将此类信息与其他交通系统运行态势参数进行关联集成，实现交通管理与控制社会资源与行业资源的互联互通。主要由3个方面组成：一是地理信息系统信息；二是交通基础设备；三是路网交通出行供需信息。

1.2 道路交通运行态势监测数据的计算分析与结构化管理

城市道路交通运行态势监测系统研究的内容是依靠强大的计算机信息处理功能，将各类检测设备和公共资源获取的信息进行深度提取和融合，挖掘各种交通参数与评价指标之间的内在联系，利用完善的城市交通工程数学模型对信息进行分析计算，客观、及时、准确地描述城市道路交通系统运行态势，并将计算结果通过可视化处理加工有针对性提供给道路交通管理相关行业和部门，如图2所示。

图2 交通运行态势监测数据处理层组织结构示意图

(1)电子地图匹配。是指将所有城市路网交通运行态势的数据信息和交通系统设备信息通过专业图层嵌套技术匹配到相应的电子地图，这是城市道路交通态势监测可视化的前提。主要有两个方面组成：一是警用PGIS地理信息系统匹配；二是民用GIS地理信息系统匹配。

(2)数据处理计算。是指通过运用计算机建模仿真技术，将所有涉及交通系统运行的数据进行大数据分析与模型化计算，客观准确的描述城市路网交通运行态势，归纳分析路网交通运行规律，并对交通运行态势发展变化趋势进行预测[2]。主要有两个方面创新：一是交通运行态势数据计算处理；二是交通运行态势预测与分析。

(3)数据可视化。是指利用专业的数据可视化技术将道路交通运行态势核心问题直观的展示给交通管理与控制决策者和交通参与者，为管理者提供科学的决策依据和有效的数据支撑的同时，也为交通参与者提供快捷的出行选择依据[3]。主要由两个方面组成：一是交通运行态势可视化；二是交通综合管理可视化。

(4)数据库管理。通过将涉及城市道路交通态势监测的所有数据和信息按照数据库进行系统分类和管理，相当于设置一个数据资源中心，为交通管理与控制提供完整的信息来源和方法依据。主要由4个方面组成：一是交通态势数据库管理；二是交通仿真模型库管理；三是交通管理方法库管理；四是交通专业知识库管理。

1.3 道路交通运行态势监测数据的应用与管理

根据城市交通管理业务区分，将各类数据在具体管理中加以运用，是保障道路交通系统正常运行、提高道路交通运行效率的关键所在，也是反映数据可视化直观效果、提升信息综合运用水平的集中体现。区别于传统的城市道路交通态势监测，业务应用实现了信息数据资源与交通管理业务的无缝对接，体现了每项业务的专业分工和内在联系，如图3所示。

1.4 道路交通运行态势监测系统构架

城市路网交通运行态势监测系统构架按照数据支撑层、传输处理层和业务应用3个层次的设计思路划分为3个部分，各个部分之间根据网络安全要求进行有线网络、无线网络和专线网络连接，如图4所示，整体来讲，该系统构架紧凑、高效、安全，没有冗余的系统外部设备，同时根据道路交通管理发展变化，具有较高的扩展和升级空间。

图3 交通运行态势监测业务应用层组织结构示意图

图4 城市路网交通运行态势监测系统构架示意图

2 城市道路交通态势监测系统的功能设计与运行流程

2.1 路网交通综合态势监测分析

综合态势分析是对路网中系统运行态势进行综合计算与统计分析，通过道路拥堵状态色与交通指数两个方面展示道路拥堵情况。通过分析交通拥堵指数，从而辅助管理者直观分析路网拥堵状态及其空间分布特性，从宏观层面掌握实时的路网交通运行态势。

2.2 路网交通重点态势监测分析

(1)路网交通态势预测分析。系统在海量历史数据的积累以及实时数据采集的基础上，通过参数短时预测算法，对路段行驶速度等交通流参数实施可靠的预测，通过预测值与实测值的计算进行可靠性分析，为交通态势预报提供数据支撑。

(2)交通事故信息可视化描述与多发点段排查。将城市路网内发生各类交通事故的数据信息通过可视化技术反映在电子地图中，通过统计分析和多发点段的科学排查，为交通管理者提供交通事故重点预防的依据，同时为交通参与者提供交通事故多发点段的出行预警。

(3)气象信息可视化描述和发布。通过与气象管理部门的信息共享互通，在基于可视化的电子地图上实时发布短期天气变化与长期天气变化信息。并将重点气象信息及时通过第三方移动通信平台发布至普通交通参与者。

(4)停车管理可视化描述与统计。通过利用智慧交通系统建设依靠的视频识别技术和射频识别(RFID)技术，对城市路网内停车场供需情况进行可视化描述，最大限度的发挥有限停车资源的使用率。

(5)应急救援可视化描述与调度。通过警用PGIS地理信息系统，对城市路网内发生的交通应急事件进行可视化监控与管理，及时调度就近警力资源处置道路内的紧急事件。

(6)重点行业监管可视化描述与精细化管理。将城市路网内运行的重点机动车辆进行可视化监管，掌握出行其分布规律、运行轨迹分布、交通违法分布等数据信息。

(7)交通信号灯可视化描述与协调控制。通过将城市路网干线、区域内设置的交通信号灯在GIS地理信息系统的可视化描述，对干线、区域路网内交通信号灯进行实时有效的协调控制。

(8)路网交通态势日志分析。以“日”为统计单位，记录每天的交通运行态势及参数，也可以指定日期查询路网交通态势统计情况。

(9)路网交通运行参数关系分析。在进行速度、密度、流量参数图表展示的基础上，够对变量之间的关系进行计算和分析，通过多维度信息综合展示，实现深层的特征关联，直观识别拥堵黑点，分析拥堵演变态势。

(10)路网交通管理辅助决策。交通态势分析系统不仅拥有分析、预测、研判的功能，还能将相关数据转换为图文形成固定格式的交通分析报告，为管理者制定方案和辅助决策提供有力依据。

2.3 路网交通信息诱导发布

通过在交通诱导屏上发布交通诱导信息等节目，指导交通出行者合理选择出行策略。该功能包括总体概览、诱导监控、节目管理、诱导发布、设备管理和运行日志分析，将交通监测数据反馈于交通参与者，实现交通管理与控制的一个赋能闭环。

(1)定制交通诱导信息发布。通过实时的交通态势监测数据，经过交通流分析模型分析计算后，生成实时交通拥堵数据，接入交通诱导发布系统，为交通参与者发布路段与路口路况信息。

(2)公益性宣传信息发布。公益性宣传信息适用于常见的交通法规或交通安全宣传教育标语，通用于各个路段和交叉口的LED诱导大屏发布，提升交通参与者安全驾驶意识。

(3)其他交通运行信息发布。管理者还可通过诱导装置发布如违法行为、突发性事件、天气状况、交通临时管制和道路施工等信息。通过向指定交通诱导屏发送并播放违法信息，做到违法数据的即时公布。

2.4 城市道路交通态势监测系统的运行流程

城市道路交通态势监测系统在运行流程设计上分为4个层次，如图5所示：

(1)交通运行态势综合信息收集。包括拥堵信息、事故信息、交通控制信息、停车信息和其他信息等数据的采集、汇总与分类。

(2)数据可视化描述。其主要内涵和目标是将静态交通运行态势数据信息和动态交通运行态势数据信息通过专业的可视化工具准确、直观地展现在交通管理与控制决策者面前[4]。

(3)数据处理与预测分析。利用数学模型和算法对交通运行态势进行评估，对即将采取的管理与控制措施进行模拟仿真，这是城市路网道路交通态势监测系统的核心。

(4)方案设计和选择。根据实际路网交通运行态势发展变化的要求，制定和设计符合交通运行态势预测规律的交通管理和控制策略和方法，并结合模拟仿真计算分析结果选择最优的实施方案。

(5)决策与信息发布。将选择的交通管理与控制策略与方案根据业务需求进行信息发布和指令发布，实现城市交通态势监测系统的充分运用。

图5 城市道路交通态势监测系统运行流程示意图

3 城市道路交通态势监测系统涉及的关键技术与运行模式

3.1 道路交通态势监测系统涉及的关键技术

(1)视频监控数据信息采集的技术核心是准确、系统、全面的获取能够反映城市路网交通运行态势的数据信息，目前应用最为先进的是视频结构化技术和图像检索技术，其关键是视频采集设备的直观性和稳定性。

(2)电子警察数据信息采集的技术核心是获取公正、有效、客观的反映城市路网交通出行过程中遵守相关法律和规定的安全出行的数据信息，其关键是依托电子警察系统和相关法律法规的高度协调配套使用。

(3)互联网交通数据信息采集的技术核心是将互联网资源与其他与交通出行有关的数据信息进行集成、关联与共享，多方位、所层次、跨行业的反映城市路网实时交通运行态势，其关键是互联网大数据资源的共享性和互联网第三方平台资源的广泛性。

(4)电子地图匹配的技术核心是系统、专业、细致的将反映城市路网实时交通运行态势的信息通过地理信息系统实现直观、清晰全面的可视化操作，其关键是技术地理信息系统的专业化应用和民用电子地图(GIS地图)与警用电子地图(PGIS地图)的复合嵌套技术。

(5)数据处理计算的技术核心是使交通基础数据信息在描述交通运行态势中产生增值效应，其关键是交通建模仿真技术和交通运行分析预测技术。

(6)数据可视化的技术核心是将反映交通系统运行态势的计算分析结果按照需求不同进行可视化处理[5]，其关键是专业数据信息可视化工具的运用和数据信息交互操作平台的建立。

(7)数据库管理的技术核心是根据交通态势监测相关数据信息性质的不同将涉及的资源数据库进行分离管理和运用，其关键是在数据库信息绝对安全的前提下，实现业务数据库的及时更新。

(8)交通态势监测业务应用的技术核心是系统运行与交通管理及控制深度融合算法，将数据可视化的效果真实充分的发挥在道路交通管理实践工作中，按照系统构架的要求实现系统设计的目标。

(9)通讯技术的核心是在不同层次与设备之间进行稳定可靠的信息传输，主要包括：基于GIS系统的专网数据通讯技术；基于微波检测传输的互联网数据通讯技术和基于4G、5G移动互联网数据通讯技术[6]。

3.2 道路交通运行态势监测系统的运行模式

基于数据可视化的道路交通运行态势监测系统应当按照交互式操作的运行模式，通过数据可视化准确描述交通运行态势和变化规律，对于交通系统运行中遇到的交通拥堵、重点车辆监测、停车管理等结构化问题，依托专业数据资源库和标准化运行流程，利用人机交互的操作模式解决结构化问题。对于交通系统运行中遇到的交通应急事件、交通事故、特殊天气预警等非结构化问题，利用交通运行态势仿真模拟数据资源库和交通运行态势预测效果评估为交通管理者提供全面的决策支撑。同时借助管理者长期积累形成的经验库和方法库，利用人机交互的操作模式解决非结构化问题，如图6所示。

图6 道路交通态势监测系统运行模式示意图

4 结语

基于数据可视化的城市道路交通态势监测系统是在建设智慧交通体系下对现有道路交通数据信息资源进行分类和重组。本研究设计了完整的系统构架和运行流程，通过充分发挥大数据分析和交通建模仿真的作用，利用可视化平台准确描述交通运行态势及变化规律，满足了智慧化与精细化的城市道路交通管理与控制要求，达到了该系统为城市交通管理提供决策支撑和高效服务的预期目标。