基于K-均值聚类算法的交通设施数字化控制系统设计*

张亚梅，陈小娟

(1.天水师范学院，甘肃 天水 741000；2.甘肃省天水公路事业发展中心，甘肃 天水 741000；3.兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070)

0 引言

随着经济社会的快速发展，我国公路建设进程和规模取得长足进展，而各类公路交通与路政事故也随之日益频发，导致公路管理部门加强公路管理难度也逐渐加大[1-2].传统的公路管理手段相对落后，处理交通信息效率低下，严重影响公路管理部门的参考和决议.处于大数据时代的今天，设计先进的公路办公数字化系统势不可当.

一方面，利用信息化数字技术有助于提高公路办公管理的效率与效益[3].另一方面，全面整合公路数据信息可通过公路信息化管理，实现区域路网的信息共享[4].然而，目前多数公路信息化管理应用水平难以满足公路信息化发展要求，如林杰等[5]人提出一种智能化巡检养护管理系统，此系统虽能满足个性化服务要求，操作简便，但各部门间的信息传递速度缓慢，不能实时更新；王维敏等[6]提出一种智慧公路基础设施综合管理信息系统，该系统虽管理比较全面，但各项功能之间的衔接不足，影响整个管理系统运行效率.

为提高公路信息化管理水平，解决以上方法存在的问题，本文提出一种基于GIS和K-均值聚类算法的公路移动办公系统的设计，实现交通设施数字化管理，提高公路移动管理效率.

1 公路移动办公系统结构设计

公路移动办公系统基于GIS信息化平台和K-均值聚类算法与安卓系统共同开发，该系统结构如图1所示.

公路移动办公系统结构由数据层、处理层、中间层、业务层及显示层五部分组成[7].利用先进的技术路线与软件架构，对公路移动办公系统进行整体设计与顶层建模，具体表述为：

1) 数据层中包括GIS信息化平台、智能手机、GPS，其中GPS负责采集移动数据、传输实时图像信息.

2) 处理层的数据分类模块采用K-均值聚类算法，实现数据层中数据的有效分类，获取有价值数据，通过路政、养护、应急指挥等子系统挑选、加工、处理有效数据.

3) 处理后的数据信息经过中间层中的数据服务器、Web服务器及互联网信息服务器，层层传递，通过HTTP/SOAP协议传输至业务层.

4) 业务层主要处理日常业务管理过程中的有关内容，内容包括巡逻管理、内业管理、业绩管理等.

5) 实时更新后的数据最终以浅显易懂的方式通过显示层展现给用户.

1.1 GIS信息化平台

系统数据层的GIS信息化平台包括：地理信息系统(GIS)平台、业务应用系统平台、数据库管理工具三大部分.为更好地共享与集中管理公路地理信息资源，需利用该GIS信息化平台构建公路空间-属性数据库，该数据库需符合各类型业务系统的GIS应用，且业务系统包括公路局建、养、管等系统.

公路基础数据由GIS信息平台优化建设，建设后的公路基础数据将用于所有业务系统，该业务系统包括所有业务科室，且系统维修人员会定期优化基础数据.

空间-属性数据库由路面属性、安全与基础设施等信息构成，主要要求为：

(1)为得到实景图像的二维地图信息、公路附属设施等信息，可采用数据处理软件处理实景图像，且该图像需为可测量的三维实景图像，该图像可利用车载式快速采集装备获得.

(2)空间坐标信息、GPS等信息可二次开发调用，这些信息可由GIS平台提供.

(3)为便于使用者查询、缩放、测量，三维实景图像可在GIS平台上集成.

采用ArcGIS10.1软件研发GIS平台，并在该平台上开发应用服务，其开发手段可采用浏览器/服务器模式实现，使用Oracle11g作为底层数据库，空间数据发布服务由Java语言进行编制.GIS平台与业务应用系统平台间的拓扑结构关系如图2所示.

业务应用系统平台中的多种数据库均采用三层式结构(图2)，分别为数据逻辑层、业务逻辑层、客户端3部分，其详细表述如下：

(1)构建、删除等部分组建数据逻辑层，且这些部分均可相容.

(2)根据各类规则在业务逻辑层内制定内容，且这些规则仅有效用于该层，同时，该层也服务于其他部分.工作站中的客户机访问及处理业务可利用多线程服务器实现

(3)客户端在系统及人工对话中起着重要作用，客户端反映到界面需经过服务器申请.应用服务器的对应控制如图3所示.

1.2 系统数据传递流程

公路移动办公系统具有公路养护管理、公路路政巡查、公路应急综合管理等功能.该系统可筛查及预处理数据信息，且这些数据信息通过外场固定与移动数据点进行采集捕捉[8].为提高公路路网管理与应急处置中心部门的日常工作效率和公路信息科学管理水平，需其共同处理公路养护、路政管理、应急指挥等日常业务，且处理日常业务的前提条件是将该两个部门的系统进行关联.路政、养护和应急管理的数据流程为图4所示.

1.3 基于K-均值聚类算法的数据分类

系统处理层的数据分类模块采用K-均值聚类算法，实现数据层中数据的有效分类，获取有价值数据，依照路政、养护、应急指挥等子系统，挑选、加工、处理有效数据[9-10].

该算法的根本原理是：欧几里得空间属性为n维空间，将n个公路数据样本在此空间里分成K类.聚类数量K与原始聚类中心数量均由用户决定；为得到距离中心最近的聚类，可计算数据到中心的距离，为生成新的聚类中，需重复运算平均值，且该值是所有类内对象的平均值，多次更新，直至全部类簇误差平方和达到最小值.

K-均值聚类算法过程：

设置X={x1,x2,…,xn}为输入数据集，用I与K分别描述最大循环次数与聚类数量；用Cj,j=1,2,…,K描述类簇，K个类簇代表输出.

1)为获得K个类簇的原始簇中心mj(I)，任意选择数据点，且这些数据点数量为K个，设置I=1.

2)求d(xi,mj(I)),i=1,2,…,n；j=1,2,…,K值，其表示每个数据点xi和K个簇中心的距离；为使xi∈Cj，需符合d(xi,mj(I))为最小值；

3)将K个新聚类中心重新分配，公式得：

(1)

4)用J(C)值描述目标函数，求解该值公式为：

(2)

当I=I+1时，返回步骤(2)，重新求解d(xi,mj(I))值，直至J(C)获得最小值，则返回mj(I),k=1,2,…,K，K-均值聚类算法终止计算，获取公路数据分类结果.

2 实验论证分析

实验以某市4个区域及8条公路为实验对象，利用本文系统对该地区的公路进行移动管理.公路数据中包含护栏与道口信息的数量分别为4 526条与5 279个，维修记录次数为350次.

在采集到的公路相关信息人工输入三种不同信噪比数值的噪声，其分别为30 dB、60 dB、90 dB，验证不同信噪比对本文系统的K-均值聚类算法数据分类的适应度值影响，结果如图5所示.

由图5可看出，本文系统采用的K-均值聚类算法在进行数据分类时的适应度值随着信噪比的增加，在迭代初期出现小幅度波动，在迭代次数达到10左右时便趋于平稳并始终保持稳定状态，当信噪比分别为30 dB和90 dB时，其适应度值分别在迭代第8次及第10次时，达到稳定状态，且此时适应度的最高值与最低值分别为0.83与0.79.实验结果表明，本文系统采用K-均值聚类算法进行数据分类时的适应度值受信噪比影响较小，始终保持很好的分类效果.

为验证本文系统实际移动办公管理优势，选取文献[5]智能化巡检养护管理系统、文献[6]基础设施综合管理信息系统为本文系统对比系统，比较分析该三种系统的公路移动办公管理情况，结果如表1所示.

表1 不同系统优势比较Tab.1 Comparison of advantages of different systems

由表1可以看出，与文献[5]、文献[6]两种系统相比，本文系统具有权限控制信号覆盖、集中信息关注点、针对公路进行专业定制，杜绝二次开发，实现协同办公等优势.实验结果表明，本文系统相比于其他两种系统，更全面、专业.

路政执法流程如图6所示.

由图6可知，路政执法流程从开始到结束，每一步流程通过本文系统都清晰可见，简洁规范，避免路政人员出现执法差错，确保其依据执法流程规范操作，本文系统的应用可实现路政数据实时回传，使路政现场执法的规范性及路政人员的工作效率均得到提高.

巡查人员通过移动端将日常路政巡查数据传至系统并汇总分析这些数据.汇总统计该市4个区域、8条公路的护栏数量结果如图7、图8所示.

由图7、图8可以看出，不同区域、公路分布着数量不同的护栏.其中，基于区域分布，该市区域1分布的护栏数量最多，达到约1 300个，区域4最少仅430个护栏；基于公路分布，5号及6号公路分布的护栏数量较多，其分别达到约1 200及1 275个，且所有公路分布的护栏数量均超过450个.实验结果表明，采用本文系统可完美汇总统计各区域、公路护栏数量，使交通设施数字化管理变为现实，且为便于制定下一阶段巡检维护方案，可通过本文系统比较分析历年各区域、公路的交通设施的设置量变化，确定后期的工作侧重点.

实验通过测试系统业务层的巡逻管理与内业管理两大功能模块的应用效果，验证本文系统的执行情况，结果如表2所示.

由表2可以看出，针对巡逻管理与内业管理两大功能模块测试结果，本文系统测试要点全面覆盖，且对所有功能模块的覆盖度达到100%；测试结果几乎全部正确，即使事故索赔与非事故索赔不能达到100%正确率，也高达90%以上正确率.实验结果表明，本文系统具备极高的执行功能，且该系统不仅运行稳定，还能使公路移动办公管理的效能得到提高.

表2 系统测试功能分布情况Tab.2 Distribution of system test functions

3 结论

本文提出基于GIS和K-均值聚类算法的公路移动办公系统的设计与应用，经试验验证，本文系统采用的K-均值聚类算法的适应度几乎不受信噪比影响，分类效果始终良好；本文系统具有权限控制信号覆盖、集中信息关注点等优势，更具全面性与专业性；该系统能够稳定运行，执行功能高，且可提高公路移动办公管理的效率.