一种交通信息服务系统的设计

    摘要：提出了一种成本低、相关技术成熟的交通信息服务系统设计方案。方案征用车辆采集交通数据（称这种车辆为探测车），配备汽车导航系统的汽车无须附加成本即可成为探测车。采样数据通过GSM短消息送达信息中心。信息中心统计并预估全路网任意路段的实时行程时间。交通路况发布采用短消息小区广播。

    关键词：智能交通系统 交通信息服务系统 探测车

当今世界各大城市都面临严重的交通拥挤问题。交通拥挤造成时间浪费，威胁交通安全，加剧资源耗费和环境污染。扩充公路设施远不能解决问题。智能交通系统（ITS，Intelligent Transportation System）被公认为解决城市交通拥挤问题的首要策略，将是新世纪交通发展的主流。发达国家争先制订了ITS发展规划、ITS系统结构框架以及ITS标准等，斥巨资开展研究、试验、评估和部署。智能交通系统的目标是更加高效地利用现有公路资源。我国人口众多，城市化趋势和汽车拥有量的快速增加导致城市交通面临严重问题。ITS愈来愈受到我国政府和交通工程界的重视。北京、上海和深圳等城市已经开展了ITS试验。

ITS是实时、高效的综合交通运输管理系统，涵盖广泛，包括以下子系统：交通信息服务系统、智能交通管理系统、商用车队管理系统、智能公交系统、电子收费系统、旅行信息服务系统、停车服务系统和救援支持系统等。其中，交通信息服务系统（ATIS，Automated TransPortation Information System）是城市ITS的基础组成部分。

ATIS的主要功能是从路网中采集实时路况数据，并进行分析处理，预估未来交通状况趋势，产生分析报告和估计结果。结果数据可以用作实时交通路况广播信息或作为智能交通控制系统的输入以产生最佳的、实时的交通控制策略；用于检测交通事故，提供准确定位。由于大量车辆同时抢占同一道路资源造成局部的交通拥挤，ATIS通过动态诱导、实时路况广播等措施指导路网上所有车辆最佳使用道路资源、促使交通畅通。

1 基于探测车的数据采集

ATIS一直是ITS研究的重点，至今已经开发出多种数据采集方法、数据处理算法和信息发布手段。当前主流的数据采集方式是使用电子设备（如环形传感器、雷达或者微波监测器）监测路网上特定路段的某横截面处的交通数据：平均车速、车流量、占用率。这些采集方式无法直接测量车辆密度和路段行程时间，获得这些数据需要采用复杂的算法估算得到。这类方法存在以下不足：

·系统投资和维护费用巨大。安装检修期间将干扰或者中断部分路面交通；

·大量估算法适用于所假定的特殊情形，制约了算法的适用面。很多算法仅能在交通通畅的情况下正确估算交通密度，在发生交通堵塞的情形下则不能准确估算交通密度[2]；

·设备存在大量的随机错误。据统计，由于各种原因（包括硬件、软件或通信线路造成的原因），美国SanFrancisco Bay地区高速公路网内超过70%的环形传感器无法产生正确或者可靠的交通数据[2];

·当检测设备相互间距较大时，用来检测交通干扰因素是不可行的，如交通事故。然而在城市密集道路网上高密度安装检测设备是不可能的[2]。

由于以上原因，尤其是投资维护费用巨大，使得交通信息采集系统未能得到广泛应用。另外，数据采集方法有航空摄影、视频摄像等，这些方法存在的问题是数据量庞大，目前计算机视觉算法无法满足系统要求。

20世纪90年代初，国外就使用模型模拟或者实地试验验证使用探测车（Probe Vehicle）采集数据的可行性，其中以美国的ADVANCE实验项目[3]最具典型性。ADVANCE是世纪上最大的ATIS实地试验项目之一。它采用“移动导航助手（MNA，Mobile Navigation Assistant）”车辆采集交通数据。项目评测结果证明，这种采集手段能够获取准确、可靠反馈交通状况的数据。实验发现，不高的采样频率（每5分钟递交3个观测结果）足以生成准确、可靠的估计和预测结果，提高采集频率所带来的收益很少。这种对探测车的低比例要求能够保证系统的部署成本是可控制的。ADVANCE使用专用的数字射频通信系统在MNA和交通信息中心之间双向传输数据。由于数据量巨大，传输网络成为系统瓶颈。

文献[1]的结论对探测车交通负荷重、车速高的交通要道（如快速路、主要干道）交通高峰期是相当适用的；对于更低等级的道路或者非交通高峰期不太适用。文献[2]认为单独使用探测车采集交通数据是不可行的。文中所假设的探测车所占的比例相当低调(1%～5%)。使用探测车采集的交通数据估算车辆密度确实容易发生大偏差，然而用来统计道路行程时间则是直接而准确的。

以上研究对探测车的比例假设是相当保守的。事实上，汽车导航系统的发展远远超出研究者的想象。这是因为交通旅行日益成为商务活动和日常生活的重要组成部分，汽车导航系统能够帮助人们减少旅行延误，提高效率，因此备受欢迎，具有广阔的市场前景。据日本Global Information公司估计，至2005年，美国、欧洲和日本三地汽车导航系统销售量将分别达到1900万、1400万和900万[5]。汽车导航生产厂商将对潜在的巨大市场展开有力的争夺。竞争势必引发电子技术和软件技术的广泛应用。后者的不断发展成熟导致成本、价格的大幅下将和产品的多样化，加上政府部分的政策和投资倾斜，将使汽车导航系统走向每一辆汽车。汽车导航系统的普及为本文提出的交通信息采集手段提供了前提基础。

2 系统构成

结合与上海通用卫星导航有限公司合作研制汽车自主导行仪的实际情况，提出一种ATIS系统设计方案，图1是该方案的系统构成。系统由探测车、GSM无线网和信息中心三个部分构成。

散布于路网的探测车采集交通数据，采集方法在下一节详细叙述。装有汽车导航系统的车辆只需要添加采样软件模块即成为探测车，导航系统的功能不受任何影响。采样软件模块按设定规则记录车辆的行驶踪迹，通过GSM短消息不断向ATIS信息中心递交实时交通数据。

配备汽车导航系统逐渐成为越来越多的车主的选择。导航系统向驾驶员提供路径规划、路径导航和信息查询等服务。现在主流的汽车导航系统包括车载电脑、GSM通信板卡和GPS接收仪。车载电脑包含输入设备（通常为触摸屏）、显示设备（通常为LCD显示器）、CDROM、电子地图等。提供电子地图和路径导航功能的汽车导航系统是一种高端设备，适用于不熟悉城市交通的人员。对于熟悉城市交通的人员，可选更加经济的低端设备。低端设备不提供电子地图、路径规划和路径导航功能，系统配置和成本大大降低。熟悉城市交通的人员包括公交车司机和出租车司机，这两类车辆在日常运营车辆中占相当高的比例。

信息中心汇总数据后，实施如下工作：（1）采用求平均值方法统计路网上全体链路各自的行程时间，预测未来行程时间；（2）综合路网车速分布图，检测交通干扰现象；（3）分区域组织交通路况信息，对外发布。其它的工作包括整理数据存入历史档案并在历史数据之上实施数据挖掘，总结归纳出交通规律和交通趋势，用以指导未来交通建设规划和交通控制策略。

只要判别发送出包含数据记录的短消息的发送基站即可获知交通数据所属区域，即发送基站所覆盖的区域。这样，信息中心可以很方便地分区域汇总、处理和发布交通数据。相应地，数据处理系统采用层次结构。分配专门的计算机处理城市不同子区域的交通数据；上层的“主管”计算机负责控制、协调工作。必要的话，可以构造多层次结构。这里提及的子区域由若干连续的基站覆盖区域构成。多层次的数据处理系统用一个微机互连的局域网即可胜任，这能够保证信息中心的建设成本低廉。

探测车采集的交通数据通过短消息传送到信息中心，而交通路况信息发布则采用短消息小区广播手段，数据传输相关内容在下面阐述。信息中心向Internet发布路况信息和交通服务信息，供互联网用户访问。

3 数据采样

车载电脑与GPS接收仪相连。GPS接收仪提供车辆所在位置的经纬度、速度值和时钟值，周期为1秒。车载电脑在车辆数据变化值（即加速度）超过设定阈值时刻、车辆经过预设检测点时记录GPS提供的数据（含位置坐标，时间戳）。另外，要求车辆长时间滞留于某地（此地时极可能姓交通事故）时，向信息中心递交特殊的报告。信息中心把此类报告现为可能发生交通事故的依据，及时做出响应。预设检测点是专门设置的要求记录采样数据的位置。预设检测点是专门设置的要求记录采样数据的位置。系统为预设检测点指派唯一标识，这种对应关系存储在预设检测点位置对照表。预设检测点位置对照表在信息中心和探测车车载电脑上各有拷贝。

把预设检测点设定在路段和交叉路口相交部位，即图2所示的圆点。采样过程中，车载电脑始终对最新的位置坐标值和预设检测点实施比较，一旦匹配就作记录。如此，系统经过简单统计即得到链路（Link）的行程时间，链路由路段直线部分加上一个拐弯构成。图2中，ABC、ABE和ABG都构成一个链路。链路比较段直线部分（如AB）更能准确地反映路线的时间代价。

探测车每次记录的位置点称为记录点，所记录的内容包括位置坐标、时间戳。位于同一条链路的全部记录点构成一条链路记录。一条GSM短消息可以容纳多条完整的链路记录。一条链路记录不能分跨多条短消息。GSM短消息的最大长度为140字节[4]，能够容纳一条完整的链路记录。一旦出现溢出现象，剔除处于链路中间的部分记录点即可。剔除不影响链路行程时间的计算，但会降低交通事故的检测灵敏度。

信息中心数据处理程序依据电子地图能够获知记录内两个相连记录点之间的路线距离。时间戳相减得到两记录点之间的时间耗费，最后得到相连记录点之间的平均速度。链路的平均速度曲线反映了车辆的运行速度在空间上的变化过程。

只要经过链路的探测车在经过链路的全部车辆内点一定比例，链路的车流能够得到准确的描绘。进一步，车流速度变化可以用于检测交通事故。把全体链路的车流综合在一起，整个城市的实时交通概貌就会呈现出来。

4 数据传输

探测车把采集到的交通数据组装成短消息向信息中心发送。一条短消息包含一条链路记录。短消息发送频率须限定在特定频率范围之内，频率过大导致传输信道超负荷，而过小则不能实时反映交通状况。在下面的分析中使用的平均发送频率为1辆车1分钟1条短消息。当即将发送的短消息无法容纳更多的链路记录的时候，或者到达发送延迟时限的时候向信息中心传输短消息。

下面分析信道传输容量。设公路密度为r公里/平方公里，车辆密度为v辆/公里，GSM基站在密集城区的平均覆盖面积为s平方公里，探测车占运营车辆的比例为α，短消息发送频率为τ条/秒，则在一个GSM基站覆盖范围内短消息发送频率为：

f=r×v×sα×τ

取r=15,v=500,s=1，α=20%，τ=1/60，则f=25条/秒。一个基站用于传输短消息的信道数以最小情况n=5考虑，每秒钟能发送的短消息数目为29.3条/秒[4]。上面r、v的取值使相对于密集城区高峰期而言也是相当富裕的。GSM基站在密集城区的覆盖面积为0.6～1.6平方公里[7]。若实际覆盖面积大于1平方公里，适当增加信道数即可提供足够的带宽。取r=15，v=500,s=1, α=1/3，τ=1/60，则f≈42条/秒，同样可以通过增加短消息信道数保证足够带宽。

信息中心发布交通路况信息使用短消息小区广播方法。德国主要的运营商Mannesmann Mobilfunk D2公司已经成功采用这种方式发布交通信息[6]。信息发布按区域进行，即每个基站发布自身的责任区域内的交通状况。基站的责任区域是基站所在的邻近区域。责任区域的大小由系统设置，该区域内交通状况的改变将可能导致驾驶员或者汽车导航系统改变行驶路径。

为减少发布信息的长度，系统为路网全体链路指派唯一编号。链路编号表在信息中心和车载电脑上各有拷贝。交通信息发布内容中使用编号标志链路，比直接使用坐标位置所需的数据长度少。

ITS是解决城市交通拥挤问题的首要策略。ATIS是构成ITS的基础成份，是保证ITS系统实时高效的关键。本文提出了一种ATIS系统的设计方案，它的最大特点是低成本，不需要交通部门的巨额投资维护费用，交通信息服务的受益者同时又是数据的提供者。汽车导航系统的大量普及将提高ATIS系统性能和可靠性。系统性能和探测车的比例、数据采集周期之间的关系需要进一步研究。