秦 岸，李淑慶，聶世剛

(1.重慶交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶400074;2.重慶市交通運(yùn)輸工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400074)

智能交通技術(shù)作為提高交通管理水平、改善交通擁堵的有效方法在交通行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。及時(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采集與處理成為智能交通技術(shù)重要的前提與基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集主要有線圈、視頻、紅外線等方法，大都存在鋪設(shè)不易、維護(hù)費(fèi)用高、數(shù)據(jù)單一等缺點(diǎn)。移動(dòng)電話作為現(xiàn)代通訊手段，其大范圍的應(yīng)用給數(shù)據(jù)采集提供了更加方便、快捷、經(jīng)濟(jì)的新思路，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集技術(shù)的不足。

目前，國內(nèi)在利用移動(dòng)電話定位進(jìn)行交通數(shù)據(jù)采集方面的研究大多停留在理論階段，對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的選擇也沒有提出依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)，大多采用GSM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究與實(shí)驗(yàn)，并未考慮通信網(wǎng)絡(luò)的適用性，這樣獲得的數(shù)據(jù)精度是比較低的，需要在數(shù)據(jù)的篩選上耗費(fèi)大量的精力。通過對(duì)國內(nèi)運(yùn)營移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)、數(shù)據(jù)、經(jīng)濟(jì)3個(gè)方面的比較分析，筆者認(rèn)為使用CDMA網(wǎng)絡(luò)作為城市交通數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)優(yōu)于GSM網(wǎng)絡(luò)，并以重慶市主城區(qū)為例構(gòu)建了動(dòng)態(tài)交通數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。結(jié)合城市道路交通的特性對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，使道路交通變化狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示在GIS地圖上。最后提出利用CDMA網(wǎng)絡(luò)自有的短信服務(wù)可以進(jìn)行更多的交通信息調(diào)查，為交通管理提供更多、更準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)支持。

1 交通數(shù)據(jù)采集技術(shù)

交通數(shù)據(jù)的采集是交通信息系統(tǒng)的重要組成部分。對(duì)于交通流數(shù)據(jù)，其采集方式可以分為2種:一種是靜態(tài)采集，即利用位置固定的定點(diǎn)檢測(cè)器獲取交通數(shù)據(jù)，這種檢測(cè)器包括攝像機(jī)、感應(yīng)線圈、超聲波檢測(cè)器及紅外線檢測(cè)器等;另一種是動(dòng)態(tài)采集，即基于采集位置不斷變化來獲得實(shí)時(shí)行車速度和旅行時(shí)間等交通信息。動(dòng)態(tài)采集的典型方式包括車輛自動(dòng)檢測(cè)、浮動(dòng)車觀測(cè)交通流法、車載GPS裝置等。

靜態(tài)采集由于獲得的數(shù)據(jù)比較單一，一般需要幾種技術(shù)結(jié)合處理使用，這便直接影響了交通信息采集的完整性、穩(wěn)定性和可靠性。加之，技術(shù)和經(jīng)濟(jì)等方面的原因，其應(yīng)用和普及一直比較緩慢。

動(dòng)態(tài)采集最為常用手段是車載GPS。GPS技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是精度高，但其存在采集盲區(qū)(例如高架下的道路、隧道)、樣本少(城市中只有極少數(shù)車輛裝備有GPS)、投資大，難以大范圍使用的不足。

基于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的交通數(shù)據(jù)采集作為一種新興的動(dòng)態(tài)交通采集技術(shù)近幾年在世界范圍內(nèi)得到了快速發(fā)展。它的基本原理是利用移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的蜂窩結(jié)構(gòu)，通過移動(dòng)電話的定位信息來推算車流狀況參數(shù)，從而獲取相應(yīng)的交通信息［1］。雖然不及GPS那樣精確，但其優(yōu)勢(shì)在于:以移動(dòng)電話作為采集終端設(shè)備，節(jié)約了大量的前期基礎(chǔ)設(shè)施投入;移動(dòng)電話的廣泛普及有效地提高了樣本容量，保證了數(shù)據(jù)質(zhì)量的可靠性;部署方便，無須安裝任何采集終端設(shè)備，對(duì)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營不產(chǎn)生任何影響;數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳，效率高;能通過移動(dòng)通信網(wǎng)提供的短信、通話等功能實(shí)現(xiàn)更多信息的采集。目前，美國、歐洲等國家正在對(duì)應(yīng)用該技術(shù)的商用系統(tǒng)進(jìn)行大規(guī)模的研究與設(shè)計(jì)。

2 利用CDMA網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)采集交通特性數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)

我國目前使用的2.5代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)分為2類:一類是中國移動(dòng)與中國聯(lián)通運(yùn)營的GSM網(wǎng)絡(luò)，另一類是中國電信運(yùn)營的CDMA網(wǎng)絡(luò)。究竟哪種通信網(wǎng)絡(luò)更適用于動(dòng)態(tài)采集交通特性數(shù)據(jù)，國內(nèi)看法上不一，主要從技術(shù)上領(lǐng)先、數(shù)據(jù)上可靠、經(jīng)濟(jì)上適用等分析選擇。

2.1 技術(shù)上分析

在2類網(wǎng)絡(luò)提供的位置業(yè)務(wù)LBS(Location Based Service)中，GSM的定位主要是基于Cell ID(小區(qū)標(biāo)識(shí)號(hào))技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。CDMA的定位主要是基于 AGPS［2］(無線網(wǎng)絡(luò)輔助 GPS)和 AFLT(Advanced Forward Link Trilateration混合定位)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，也稱為 GpsOne［3］。

GSM采用的Cell ID定位技術(shù)將移動(dòng)終端定位在服務(wù)小區(qū)的覆蓋范圍內(nèi)，當(dāng)小區(qū)的覆蓋半徑增大，用戶又處于小區(qū)邊緣時(shí)，所測(cè)量的定位偏差將很大。定位數(shù)據(jù)精度在100～40 000 m之間。

CDMA采用GpsOne定位技術(shù)，定位過程分2步完成:先用AFLT定位，以支持全球定位系統(tǒng)和靈敏度輔助數(shù)據(jù)計(jì)算;然后將基于移動(dòng)臺(tái)的測(cè)量數(shù)據(jù)與定位實(shí)體數(shù)據(jù)結(jié)合起來，排除可能增加的定位誤差值。GpsOne定位技術(shù)有機(jī)地結(jié)合了基于網(wǎng)絡(luò)的非GPS技術(shù)和基于GPS的網(wǎng)絡(luò)輔助定位技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，在室外定位精度為5～50 m，室內(nèi)為50～300 m。

2.2 數(shù)據(jù)上分析

通常城市道路為雙向4～8車道，每車道寬度為3.5 m左右，大城市的干道網(wǎng)密度2.4～3.1 km/km2，中等城市的干道網(wǎng)密度為2.2～2.6 km/km2［4］。關(guān)于城市道路網(wǎng)間距的指標(biāo)沒有明確的規(guī)定，在全國注冊(cè)城市規(guī)劃師執(zhí)業(yè)資格考試指定參考用書中，建議城市道路網(wǎng)間距為:快速路1 500～2 500 m，主干路700～1 200 m，次干路350～500 m，支路150～250 m。Cell ID定位的精度為100～40 000 m，由于其定位精度的浮動(dòng)幅度較大，比較難于區(qū)分相鄰道路。而GpsOne定位的精度為5～300 m，對(duì)于支路也能較好的區(qū)分，顯然GpsOne定位的精度大大高于Cell ID定位技術(shù)。

從定位時(shí)間上來看，GpsOne定位速度雖然不及Cell ID定位速度快，從服務(wù)器發(fā)起定位要求到服務(wù)器收到定位數(shù)據(jù)耗時(shí)約為16～30 s，但按照城市主干道車行速度的上限60 km/h計(jì)算，在1 km的道路上至少能定位1～2次，完全能夠獲得城市道路的交通流特征參數(shù)。

2.3 經(jīng)濟(jì)上分析

Cell ID定位技術(shù)無需改造終端，只要是GSM網(wǎng)絡(luò)的手機(jī)皆能使用。CDMA終端廠商也無需改造設(shè)備，高通公司已將GpsOne芯片統(tǒng)一集成在CDMA手機(jī)內(nèi)部。同時(shí)，二者在基站端也只是進(jìn)行部分設(shè)備的升級(jí)，經(jīng)濟(jì)成本相差不大。此外，CDMA系統(tǒng)不需要像GSM系統(tǒng)那樣設(shè)置密集的基站，功耗低，更具有成本上的優(yōu)勢(shì)。

以上3方面的分析表明，CDMA網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)采集上具有技術(shù)先進(jìn)、數(shù)據(jù)精確、經(jīng)濟(jì)適用的優(yōu)勢(shì)，是在我國構(gòu)建動(dòng)態(tài)交通數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的最佳選擇。

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的建立

以重慶市主城區(qū)為例建立動(dòng)態(tài)交通數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集服務(wù)器側(cè)與CDMA定位系統(tǒng)側(cè)組成，包含數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、Internet、定位服務(wù)客戶端、移動(dòng)定位中心、短信中心、接入網(wǎng)關(guān)、CDMA1X網(wǎng)絡(luò)、個(gè)人移動(dòng)電話等部分，見圖1。數(shù)據(jù)采集服務(wù)器則放在重慶交通大學(xué)，CDMA定位系統(tǒng)側(cè)位于重慶電信機(jī)房，兩者通過Internet實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳遞，定位數(shù)據(jù)可以從定位系統(tǒng)側(cè)處利用數(shù)據(jù)采集服務(wù)器側(cè)的數(shù)據(jù)庫完全自動(dòng)化的獲取。

圖1 動(dòng)態(tài)交通數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The system structure of dynamic traffic data collecting

數(shù)據(jù)采集流程如下:攜帶移動(dòng)電話的實(shí)驗(yàn)人員行駛于道路上，數(shù)據(jù)采集服務(wù)器通過Internet的TCP連接與LCSClient互通，發(fā)出要求定位移動(dòng)電話的請(qǐng)求;LCS Client通過協(xié)議實(shí)現(xiàn)與MPC的定位請(qǐng)求;MPC通過短信中心給被定位的移動(dòng)電話終端發(fā)短信，通知其自動(dòng)定位;移動(dòng)電話解析短信后開始通過缺省接入的WAP網(wǎng)關(guān)發(fā)起定位需求;WAP網(wǎng)關(guān)通過WAP請(qǐng)求到LCSCLIENT請(qǐng)求對(duì)移動(dòng)電話定位實(shí)體的定位;LCSCLIENT通過協(xié)議接入到MPC進(jìn)行定位請(qǐng)求;MPC通過鑒權(quán)、以及與移動(dòng)電話的標(biāo)準(zhǔn)定位協(xié)議實(shí)現(xiàn)定位結(jié)果的計(jì)算;然后由LCSClient通過Internet回傳至位于重慶交通大學(xué)實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)采集服務(wù)器，完成整個(gè)流程。計(jì)算結(jié)果包含移動(dòng)電話實(shí)時(shí)的經(jīng)緯度信息、時(shí)間、高度等數(shù)據(jù)(表1)?？紤]到多客戶的接入，在LCSClient處可以利用不可逆加密技術(shù)加密移動(dòng)電話id以保護(hù)用戶隱私。

表1 定位數(shù)據(jù)Tab.1 Location data

在構(gòu)建動(dòng)態(tài)交通數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，僅僅知道移動(dòng)電話的定位數(shù)據(jù)顯然是不夠的，還要能與其它移動(dòng)電話或數(shù)據(jù)服務(wù)器交流，使其得到更為廣泛的交通信息，比如一個(gè)用戶陷入了交通堵塞，他能告訴管理者或其他用戶確切的堵塞狀況?？梢詤⒄誗P(Service Provider)服務(wù)商在系統(tǒng)上架設(shè)SMS(Short Messaging Service)平臺(tái)，或是圖像共享平臺(tái)。

4 數(shù)據(jù)的處理

在初步的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，對(duì)獲取數(shù)據(jù)的處理大致分為兩部分:首先是進(jìn)行道路的匹配，然后在道路匹配的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)交通信息的實(shí)時(shí)顯示。

4.1 道路匹配

在系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的過程中，會(huì)受到CDMA基站密度與直放站的影響，采集到的部分?jǐn)?shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)較大誤差，通過線性回歸拋棄定位不精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)后［5］，將采集到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)采集服務(wù)器的GIS系統(tǒng)，進(jìn)行道路匹配，形成初步的實(shí)時(shí)位置信息。Berkeley大學(xué)的仿真研究表明當(dāng)定位更新頻率為30 s時(shí)，道路的匹配度能達(dá)到98.5%［6］。16 ～ 30 s的定位頻率可以很好的使數(shù)據(jù)與道路匹配。圖2是在重慶市主城區(qū)一次實(shí)驗(yàn)中的實(shí)時(shí)定位圖。學(xué)生志愿者攜帶移動(dòng)電話乘坐公交車由七公里駛往土灣，穿越南岸、渝中、沙坪壩3個(gè)區(qū)，路線總長(zhǎng)度約為17.6 km，道路匹配準(zhǔn)確。

圖2 定位數(shù)據(jù)道路匹配圖Fig.2 Road matching by location data

4.2 交通信息實(shí)時(shí)顯示

根據(jù)經(jīng)緯度計(jì)算距離L，并由定位時(shí)間計(jì)算出相鄰時(shí)間差T，可獲得移動(dòng)電話的移動(dòng)速度V。通過合并多個(gè)移動(dòng)電話的移動(dòng)速度，便能得出道路的交通流運(yùn)行狀態(tài)［7］。城市公交的車行速度一般為16～25 km/h［4］，屬于較為暢通的通行狀態(tài)。相關(guān)調(diào)查表明，重慶市主干道平均車速為30.12 km/h，主城區(qū)高峰小時(shí)公交車速為20.15 km/h［8］。這說明重慶市主城區(qū)公交車速一般是在20～30 km/h這個(gè)較為暢通的通行狀態(tài)內(nèi)，可據(jù)此劃分速度等級(jí)，見表2，顯示等級(jí)為A，B，C，D。并規(guī)定不同等級(jí)的顏色，使其實(shí)時(shí)顯示在服務(wù)器端的GIS地圖中，并按照30 s的頻率刷新。圖3是在一次大范圍的實(shí)驗(yàn)中，由眾多學(xué)生志愿者攜帶移動(dòng)電話在不同路段(主干路)乘坐公交車，通過對(duì)實(shí)時(shí)回傳數(shù)據(jù)的處理顯示出來的。

表2 車速分等級(jí)顯示Tab.2 Speed classification

除了在數(shù)據(jù)服務(wù)器端可以看見交通狀況的實(shí)時(shí)顯示圖外，還可以通過網(wǎng)絡(luò)使移動(dòng)電話或Internet上的其它電腦訪問數(shù)據(jù)服務(wù)器獲得交通狀態(tài)顯示圖。

圖3 交通狀況實(shí)時(shí)顯示圖Fig.3 Real-time traffic situation display

此外，SMS短信息作為CDMA網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)服務(wù)，可以利用它設(shè)計(jì)短信內(nèi)容進(jìn)行交通調(diào)查。再通過系統(tǒng)對(duì)短信息數(shù)據(jù)的處理，還能得到居民出行的時(shí)間、OD矩陣等更高級(jí)的交通數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語

筆者提出了基于CDMA網(wǎng)絡(luò)作為國內(nèi)交通數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的方法，并以此構(gòu)建了重慶市主城區(qū)的動(dòng)態(tài)交通數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了道路交通狀況實(shí)時(shí)顯示。隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的改進(jìn)，得到的交通信息將會(huì)越來越豐富，這對(duì)提高城市交通管理水平、推動(dòng)ITS的建設(shè)與發(fā)展有著重要的意義。

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