低频GPS标线逆反射亮度系数采集系统应用研究

□文/赵 林

道路标线具有引导交通、分流车辆等功能，对驾驶员和行人都具有极其重要的作用，一直以来对道路标线监测，都是持续保障交通安全的重点内容[1]。对道路标线各方面指标的测定一般参照JTG H10—2009《公路养护技术规范》的规定进行，包括形状、颜色、线型、逆反射亮度系数等指标。其中逆反射亮度系数是否达标直接关系到夜间交通参与者的行车安全，是监测的重难点内容[2～3]。

传统标线逆反射亮度系数采用定点采样、人工记录的采集方式，将现场数据带回，再输入电脑中进行统计分析；这种操作流程效率低下、实时性差、难以有效监管，不利于数据分析以及数字化信息接口的集成。随着物联网和信息技术的不断发展，可以构建一种新型的标线逆反射亮度系数采集展示平台，采集人员安装手机软件，通过蓝牙通讯获得逆反射亮度系数采集专业设备的测量值并由GPRS 网络将测量数值、地理位置及其他信息传回远端服务器，从而实现数据的实时上传功能，但传回的是低频GPS 信号，需要优化算法将数据与GIS系统进行匹配，从而实现准确显示的功能。

1 采集平台设计

1.1 需求

移动采集端要便于操作人员上传使用，可以方便完成蓝牙匹配与数据显示确认的功能，具有必要的提示，指导现场人员使用。远端客户端可以方便的分析历史采集数据与趋势，以地图显示为主体，便于养护人员发现问题，配有的下载接口，可以直接下载Excel可编辑数据，方便监测人员定期上传汇报。

1.2 逻辑体系

平台的搭建要充分考虑到养护人员和监管部门对于养护业务开展的需求，满足实时更新、快速解析、正确显示、快速表达的要求，具有较强的可扩展性和鲁棒性。通过调查研究发现，养护人员需要通过平台实时查询到采集信息并根据历史数据做出趋势预测，结合地理位置信息，分析、预测标线磨损程度，从而形成标线重新施画的依据并指导巡查路线规划。

平台的前端设备需要在操作人员的手机安装，作为采集设备；数据的更新、存取采用MySql数据库并结合web 端将处理分析结果在GIS 系统[4～6]上进行显示。见图1。

图1 系统结构

从图1可以看出，逆反射亮度系数采集平台主要由数据采集和传输层、数据解析和存储层、数据使用和共享层组成。数据采集和传输层中专业的逆反射亮度系数采集设备，在经过矫正后准确获取标线逆反射系数，经蓝牙通讯模块发送给移动设备端，移动设备再通过GPRS网络将信息传输至远端。数据解析和存储层包括数据处理服务器和数据库服务器；数据处理服务器接收数据后对传回的数值和低频地理位置地理信息数据在GIS系统上进行匹配并存入数据库服务器。数据使用和共享层包括web 应用服务器与客户端、web services服务、实时显示服务；用于在移动设备上、远端移动端、远端web端实时更新的测量数据。养护人员和远程分析人员通过web 网页和专用手机应用程序（APP）查看每条道路逆反射亮度系数变化情况，为制定标线养护计划给出建议。

1.2.1 数据采集客户端

该模块主要实现的是专业设备与移动设备端之间的通讯，采用的是StripeMaster 2 Touch 型标线逆反射亮度系数采集设备，其与外部通讯的方式主要有两种：有线传输与蓝牙传输。由于在实际检测过程中，操作人员需要不断推动仪器，如果采用有线方式不便利，故采用蓝牙方式实现数据的传输。见图2。

图2 传输内容与流程

从图2 可以看出，移动设备端接收到实时测量值和时间信息，整合操作人员填写的道路信息，有效判定后，将从移动端获取到的GPS信息发送到远端服务器并存储至数据库中。

1.2.2.数据解析与GIS匹配

由于远端服务器获取到的是低频离散GPS 信号[7～8]，所以要在地图上实时显示、更新较为准确的信息就需要进行数据修正与匹配。首先要对数据进行预处理，即根据整条道路划定包围轮廓延长3 km以内的矩形区域为候选区域，如果获取数据偏离出候选区域则判定为错误值进行标记，如累计错误值达到一定次数，则由平台给出报警信息。

使用地图服务商提供的路网数据构建拓扑关系节点；将存在误差的GPS信息与拓扑节点进行匹配需要进行一系列运算。见图3。

图3 地理坐标与拓扑节点匹配

首先计算测量GPS 信号在道路首尾连线上的投影，根据道路起点P1至P2的拓扑节点，选取节点中上下左右点坐标并向外扩展2 km 作为包围域。C1点在包围域R之外，所以抛弃；向道路两端连线做垂线，令投影点为P0。由于P0、P1、P2都在同一直线上，可得到

式中：K为比例因子；设V1=C2-P1，V2=P2-P1，V1·V2=|P0-P1|·|P2-P1|；由式（1）推导出

最终可以求得直线C2P0。在求临近点时分两种情况：

1）垂线与道路拓扑连线没有交点，则计算拓扑点到垂足P0的距离，取最小值拓扑点C2’作为地理坐标信号近似点；

2）垂线与道路拓扑有交点，则计算交点C0及拓扑点到C0的距离，取最小值拓扑点C2’作为地理坐标信号近似点。

1.3 系统组成

整套系统有三大模块：现场采集端、服务器和客户端。见图4。

图4 系统模块

1）现场采集端主要将设备信息采集至移动端。首先要进行蓝牙配对连接并将信息发送至移动端，手动填写的必要信息，包括线道数、道路名称和是否有效；与地理坐标位置一同由GPRS网络发回服务器。

2）服务器使用GPS 拓扑结构匹配算法将采集值与地理坐标点一一对应，同时将信息存入MySql 数据库。

3）客户端实时显示采集信息，对历史数据进行汇总和趋势分析；具有历史数据下载功能与搜索功能。

2 试验分析

为验证本系统采集信息的精确性，采集延时情况及采集位置的准确性，采集多条道路9个标线点位的逆反射亮度系数信息，与人工记录的信息进行对比，结果见表1。

表1 系统采集指标与人工记录信息对比

从表1 可以看出，系统获取信息稳定，获取信息延时＜40 s，坐标误差＜80 m，符合平台设计要求。

3 结论

基于低频GPS数据的逆反射亮度系数采集平台，可以为道路标线养护管理人员提供实时在线标线逆反射亮度信息，对现场人员所在位置、采集值以及附属信息进行统一采集，通过优化匹配算法等手段，建立了快速、方便、准确、实时展示的逆反射亮度系数采集统计平台，后续可以开发出更为准确的可视化平台[9～10]。