南京市公安局交通管理局 南京 210019

引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市機(jī)動車擁有量急劇增加，交通擁堵問題日益嚴(yán)重，由此引發(fā)的交通安全和環(huán)境污染等問題，已嚴(yán)重影響了人們的日常出行，并成為制約城市社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸。采用先進(jìn)的交通管理與控制手段，調(diào)節(jié)出行需求和出行行為，是應(yīng)對城市交通擁堵問題的有效途徑之一。近年來，出行者與車輛等的位置信息，在提升道路交通管理與控制效能等方面所發(fā)揮的作用越來越顯著。

隨著手機(jī)以及其他移動終端的不斷普及，基于位置信息的空間數(shù)據(jù)量快速增長。較早進(jìn)行位置信息應(yīng)用的是谷歌地圖，通過地圖上的標(biāo)記功能，對用戶興趣點(diǎn)進(jìn)行挖掘并有針對性地推出商業(yè)廣告。在智能交通領(lǐng)域，與地圖相結(jié)合的交通誘導(dǎo)、交通控制等問題也逐漸得到了廣泛的應(yīng)用。國內(nèi)外對位置信息的研究主要有利用手機(jī)信令、車載GPS(北斗)、RFID等數(shù)據(jù)獲取道路交通狀況[1]，提供車路協(xié)調(diào)的車輛位置信息[2]，用戶行為軌跡分析[3]，車輛通行路徑分析與預(yù)測[4]等。

本文對交通系統(tǒng)中的位置信息進(jìn)行了定義和分類，介紹了常見的位置信息獲取方法，結(jié)合智能交通管理的實(shí)際需求和目前位置信息技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，分析提出位置信息在交通信號控制、公交信號優(yōu)先控制、輔助安全駕駛等方面的創(chuàng)新應(yīng)用。

1 交通系統(tǒng)中位置信息的定義

交通系統(tǒng)中的位置信息是指道路交通系統(tǒng)中動靜態(tài)目標(biāo)和設(shè)施的地理及時間信息。位置信息包含兩部分，即空間特征描述和時間特征描述。與交通流三參數(shù)相結(jié)合，空間特征描述體現(xiàn)在交通系統(tǒng)中車輛的密度和流量參數(shù)，時間特征描述體現(xiàn)為速度參數(shù)。

2 位置信息的分類

2.1 按對象目標(biāo)分類

交通系統(tǒng)中的對象目標(biāo)包含人、車、貨物和交通設(shè)施，根據(jù)這些不同的目標(biāo)可以把其位置信息分為四類：人的位置、車輛位置、貨物位置以及交通設(shè)施位置信息。

2.2 按獲取的空間間隔分類

在交通系統(tǒng)中，根據(jù)獲取地點(diǎn)之間是否連續(xù)將空間位置信息劃分為兩類：單點(diǎn)的空間位置信息，即獨(dú)立的點(diǎn)位置信息；連續(xù)的空間位置信息，即具有連續(xù)關(guān)系的點(diǎn)的位置信息。

2.3 按獲取目標(biāo)信息分類

把交通系統(tǒng)中的對象分為個體和群體，如一個人和人群，一輛車和擁堵車流等，根據(jù)獲取目標(biāo)對象是否為群體分為兩類，即個體位置信息和群體位置信息。

2.4 按獲取位置信息范圍分類

在交通系統(tǒng)中，依據(jù)獲取位置信息范圍可以劃分為三類。1)點(diǎn)位置信息，即某一點(diǎn)的時間、空間信息；2)線位置信息，即某一段路的時間、空間信息；3)網(wǎng)絡(luò)位置信息，即某一區(qū)域路網(wǎng)的時間、空間信息。

3 位置信息的獲取方式

隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，獲取位置信息的技術(shù)手段日益完善。在交通系統(tǒng)中常用的有7種方法。

1) 衛(wèi)星定位。衛(wèi)星定位即使用衛(wèi)星對人或物進(jìn)行準(zhǔn)確定位的技術(shù)。通過在車輛上安裝車載終端，實(shí)現(xiàn)對車輛的行駛位置、狀態(tài)信息等智能化采集，從而實(shí)現(xiàn)車輛業(yè)務(wù)管理以及數(shù)據(jù)交換和共享，如圖1所示。

圖1 衛(wèi)星定位示意圖

2) 射頻識別(Radio Frequency Identification Devices，RFID)。RFID技術(shù)通過無線射頻方式進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信[5]，對目標(biāo)加以識別并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。長距射頻產(chǎn)品多用于交通系統(tǒng)中，識別距離可達(dá)幾十米，如車輛跟蹤識別和自動收費(fèi)(ETC)等，如圖2所示。

3) 手機(jī)信令。在移動通信網(wǎng)絡(luò)中傳輸著各種信號，其中一部分是用戶的需要(如電話語音、上網(wǎng)數(shù)據(jù)包等)，另一部分是使全網(wǎng)有序地工作、保證正常通信所需要的控制信號，這一類型的信號就稱之為信令。通過基于手機(jī)信令的采集技術(shù)利用現(xiàn)有的移動網(wǎng)絡(luò)資源，以車輛內(nèi)的手機(jī)作為“探針”[6]，通過手機(jī)信令進(jìn)而可以獲取車輛在道路上的位置、移動速度等信息，進(jìn)而獲取實(shí)時交通數(shù)據(jù)和動態(tài)交通出行數(shù)據(jù)。

4) 卡口系統(tǒng)。高清卡口系統(tǒng)采用先進(jìn)的光電技術(shù)、圖像處理技術(shù)、模式識別技術(shù)對過往的每一輛汽車進(jìn)行拍照，并自動識別車輛牌照。卡口系統(tǒng)安裝在城市出入口、收費(fèi)站、省際公路和市際公路交界處等。它依托物聯(lián)網(wǎng)和云計算技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)對省或市范圍內(nèi)任一車輛歷史通行數(shù)據(jù)的精確查詢，比對以及回放在GIS地圖上的行駛軌跡，實(shí)現(xiàn)車輛圖片的集中存儲和深度應(yīng)用，最大限度地滿足公安各警種、各部門作戰(zhàn)需求。為快速糾正交通違章行為、快速偵破交通事故逃逸和機(jī)動車盜搶等提供重要的技術(shù)手段和證據(jù)，對城市交通的平安運(yùn)行和提高交通管理的快速反應(yīng)能力有著十分重要的意義。

5) 無線保真技術(shù)(Wi-Fi，Wireless Fidelity)。Wi-Fi指不需要布線就可以實(shí)現(xiàn)各個設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)連接，是目前無線網(wǎng)絡(luò)的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[7～8]。比如公交車內(nèi)布線不方便，所以首先考慮的是Wi-Fi，通過與路面基站之間的交互計算公交車的位置信息，如圖3所示。

圖3 基于Wi-Fi獲取位置信息數(shù)據(jù)示意圖

6) 正向微波。如圖4所示，和現(xiàn)有的微波車輛檢測器都不同，正向微波檢測器采用正向安裝的方式，其雷達(dá)天線將雷達(dá)波投射在路面上，遇到物體反射回來連續(xù)回波信號，經(jīng)過分析，系統(tǒng)就能得出準(zhǔn)確的目標(biāo)信息，并開始對這些目標(biāo)進(jìn)行跟蹤和測量，直至目標(biāo)離開檢測區(qū)域。正向微波檢測器不僅能實(shí)現(xiàn)大區(qū)域大范圍檢測、提高檢測精度，而且能擴(kuò)大檢測功能，并具備事件檢測功能。

圖4 正向微波示意圖(左側(cè)為非正向，右側(cè)為正向)

7) 監(jiān)控視頻。監(jiān)控視頻系統(tǒng)由攝像、傳輸、控制、顯示、記錄5部分組成。攝像機(jī)通過同軸視頻電纜將視頻圖像傳輸?shù)娇刂浦鳈C(jī)，控制主機(jī)再將視頻信號分配到各監(jiān)視器及錄像設(shè)備，同時，可將需要傳輸?shù)恼Z音信號同步錄入到錄像機(jī)內(nèi)。通過控制主機(jī)，操作人員可發(fā)出指令，對云臺的上、下、左、右的動作進(jìn)行控制及對鏡頭進(jìn)行調(diào)焦變倍的操作，并可通過控制主機(jī)實(shí)現(xiàn)在多路攝像機(jī)及云臺之間的切換。利用特殊的錄像處理模式，可對圖像進(jìn)行錄入、回放、處理等操作。通過監(jiān)控視頻，能夠判定車輛的運(yùn)動狀態(tài)(路線、位置、速度)[9]。

4 位置信息的應(yīng)用研究

通過各種技術(shù)手段獲取的車輛位置信息，在道路交通管理與控制方面具有重要的應(yīng)用價值。

4.1 交通信號控制

交通信號控制系統(tǒng)的主要功能是自動協(xié)調(diào)和控制整個控制區(qū)域內(nèi)交通信號燈的配時方案[10]，均衡路網(wǎng)內(nèi)交通流運(yùn)行，使停車次數(shù)、延誤時間減至最小，充分發(fā)揮道路系統(tǒng)的交通效益。

1）單點(diǎn)信號控制。單點(diǎn)信號控制又稱為“點(diǎn)控制”，應(yīng)用在城市郊區(qū)以及交叉口之間間距比較大、相互之間影響不是很明顯的情況。其主要控制參數(shù)是周期長和綠信比。在理想情況下，希望總延誤時間最小和使交叉口的通行能力得到最好的利用。本文提出利用視頻或正向微波檢測車輛位置信息，可獲取交叉口進(jìn)口道渠化段內(nèi)的車輛到達(dá)規(guī)律、通行狀態(tài)、排隊長度、離開停車線的規(guī)律等信息，優(yōu)化交叉口信號配時，提高信號控制的適應(yīng)性和效果，進(jìn)一步減少車輛在交叉口的停車損失。

2）干道信號控制。保證干線的交通暢通，對該地區(qū)甚至一個城市的交通狀況往往具有很大的作用。干道交通信號的協(xié)調(diào)控制，也稱“線控制”或“綠波帶控制”，通過調(diào)節(jié)主干道路上各信號交叉口之間的相位差，使干道上按規(guī)定車速行駛的車輛每到達(dá)一個交叉口時獲得盡可能不停頓的通行權(quán)。本文提出，在常規(guī)綠波信號相位差協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)上，通過車輛在干道各交叉口的進(jìn)口道的位置信息，進(jìn)一步實(shí)時、動態(tài)分析每一個交叉口所需要的綠波帶寬和實(shí)際的車輛通行指標(biāo)，提高干道綠波控制效果。

3）區(qū)域交通信號控制。區(qū)域交通信號控制是以整個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的主要交叉口的信號為控制對象，根據(jù)需要，系統(tǒng)的控制目標(biāo)可以有所不同，所以它的目標(biāo)函數(shù)可以用網(wǎng)絡(luò)的總延誤和停車率的加權(quán)和表示，也可以用平均車隊長度或總的油耗作為系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)。

在這三種交通信號控制方式中，車輛位置信息(車輛距離下游交叉口的距離、行駛速度以及由此可以獲得的到達(dá)下游交叉口的時間等)對信號配時優(yōu)化至關(guān)重要。本文提出通過無線通信、衛(wèi)星定位等技術(shù)獲取車隊的位置和速度等信息，對將要經(jīng)過單一交叉口、主線交叉口鏈以及區(qū)域交叉口群的時間進(jìn)行計算、預(yù)測，是科學(xué)合理確定周期、相位差以及綠信比等關(guān)鍵信號控制參數(shù)的基礎(chǔ)與前提。

4) 公交信號優(yōu)先控制。公交信號優(yōu)先控制是在保障交叉口交通暢通的前提下，實(shí)現(xiàn)公交車輛的優(yōu)先通過，其技術(shù)基礎(chǔ)是對公交車輛到達(dá)下游交叉口的時間進(jìn)行預(yù)測。目前常用的方法是通過車載定位設(shè)備(如GPS、北斗系統(tǒng)等)，實(shí)時高頻率地獲取公交車輛位置、速度等信息，并在關(guān)鍵點(diǎn)段輔以微波或視頻等手段保證公交車輛位置、速度信息的連續(xù)。以公交車輛距離下游交叉口的距離、行駛速度以及到達(dá)下游交叉口的時間等參數(shù)作為下游交叉口信號配時參數(shù)確定的重要依據(jù)，以保證實(shí)現(xiàn)公交車輛優(yōu)先通過。南京已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了基于公交車輛亞米級定位數(shù)據(jù)的區(qū)域性公交信號優(yōu)先控制，控制范圍內(nèi)公交車在信號燈控路口的停車次數(shù)和停車時間減少15%以上。

近幾年，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的交通信號控制方法對常發(fā)性擁堵的緩解具有顯著的效果，但是處理非常發(fā)性擁堵的效果不盡人意。針對這種情況，國內(nèi)外學(xué)者通過構(gòu)建智能化的自適應(yīng)信號控制系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)際的道路交通狀態(tài)，實(shí)時調(diào)整信號配時方案。Han等[11]根據(jù)位置信息，把區(qū)域交通信號控制歸結(jié)為動態(tài)Stackelberg博弈問題，構(gòu)建雙層均衡約束模型，有效地緩解了非常發(fā)性的交通擁堵。

4.2 輔助安全駕駛

不按規(guī)定車道行駛、頻繁變換車道、占用應(yīng)急車道等是常見的不良駕駛行為，是道路交通事故的重要誘發(fā)因素。宋向輝等[12]依據(jù)車輛的精確位置進(jìn)行車輛安全預(yù)警服務(wù)，提出一種用于車輛安全預(yù)警的基于條件極值和車輛歷史相對位置前溯法的路上車輛相對位置判定方法，在提高運(yùn)算效率的同時保證了車輛與車輛或車輛與基準(zhǔn)參照物間相對位置的判定精度。

2014年9月，豐田公司[13]發(fā)布了最新版的自動高速公路駕駛輔助系統(tǒng)，新版AHDA根據(jù)美國公路的實(shí)際環(huán)境進(jìn)行了改進(jìn)，可達(dá)到時速110km/h。利用前置攝像頭和77GHz毫米波雷達(dá)的數(shù)據(jù)來檢測道路標(biāo)志線和前方車輛，同時計算出最佳的行駛路線，并自動控制方向盤和加減速，輔助駕駛員在車道內(nèi)行駛，且更加輕松安全地保持行駛路線。

采用先進(jìn)的多種車載傳感技術(shù)和移動寬帶通信技術(shù)[14]，獲取高精度的車輛位置信息，可以對車輛的行駛狀態(tài)以及駕駛?cè)说牟涣捡{駛行為進(jìn)行智能分析，實(shí)現(xiàn)駕駛行為的遠(yuǎn)程、實(shí)時識別與監(jiān)控，從而及時提示駕駛?cè)艘?guī)范駕駛行為，為從根本上杜絕不良駕駛行為提供先進(jìn)技術(shù)手段和有效管理途徑。未來的安全輔助駕駛技術(shù)將采取多種傳感器融合的方法[15]，結(jié)合毫米波雷達(dá)和激光雷達(dá)系統(tǒng)獲取高精度的車輛位置信息，將極大地推動汽車安全輔助駕駛系統(tǒng)的應(yīng)用和推廣。

4.3 交通誘導(dǎo)

根據(jù)路網(wǎng)中大量車輛的位置信息，可以掌握區(qū)域動態(tài)交通流的分布特征，進(jìn)行運(yùn)行態(tài)勢的短期預(yù)測；基于路網(wǎng)層面短期態(tài)勢預(yù)報的結(jié)果，為出行者在途誘導(dǎo)方案優(yōu)化提供依據(jù)[16]，從而為出行者提供實(shí)時的交通信息和建議出行信息。路網(wǎng)級大規(guī)模車輛位置信息的獲取，有利于掌握未來短期流量分布變化態(tài)勢，根據(jù)未來路網(wǎng)服務(wù)水平的變化情況，不斷調(diào)整、優(yōu)化誘導(dǎo)方案，避免陷入布雷斯悖論。即當(dāng)所有車輛都在尋找最有效的移動路線時，實(shí)際上會降低整個網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行效率。

實(shí)時交通信息在交通誘導(dǎo)中有著重要的作用，針對大量的實(shí)時語言交通信息沒得到有效應(yīng)用的問題，張水艦等[17]分析了自然語言交通信息的表達(dá)特點(diǎn)，得出自然語言交通信息中地理位置的表達(dá)方式，提出了自然語言交通信息與位置信息的匹配融合方法，使自然語言交通信息與導(dǎo)航軟件結(jié)合，準(zhǔn)確地對出行者進(jìn)行誘導(dǎo)。

針對用戶接收過多的信息、分散駕駛員的注意力問題，Chen等[18]提出一種基于位置服務(wù)的動態(tài)虛擬交通誘導(dǎo)系統(tǒng)，利用用戶所處環(huán)境數(shù)據(jù)以及地圖匹配算法提高用戶定位精度，通過交通路網(wǎng)動態(tài)規(guī)劃，過濾多余的道路交通狀態(tài)信息，精簡發(fā)布信息量，運(yùn)用數(shù)據(jù)交換層技術(shù)以及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法擴(kuò)大系統(tǒng)在移動設(shè)備上的適用范圍，提高交通狀態(tài)信息的發(fā)布效率。本文提出在現(xiàn)有的交通誘導(dǎo)基礎(chǔ)上，根據(jù)車輛的位置信息，可以為駕駛?cè)藛T提供分時段、分路段的實(shí)時加預(yù)測的交通誘導(dǎo)信息服務(wù)。

4.4 交通安全實(shí)時引導(dǎo)

近些年來，隨著無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和智能交通領(lǐng)域中信息化技術(shù)的快速發(fā)展，車載自組織網(wǎng)絡(luò)(Vehicular Ad Hoc Network，VANET)[19]逐漸發(fā)展起來。VANET網(wǎng)絡(luò)主要是通過實(shí)現(xiàn)車輛與車輛之間通信(V2V)、車輛與道路旁基礎(chǔ)設(shè)施之間的相互實(shí)時通信(V2I)以及V2V與V2I相結(jié)合的通信體系，并利用這些通信方式來改善道路交通的安全，構(gòu)成了一種適用于交通通信環(huán)境的無線移動網(wǎng)絡(luò)。

VANET網(wǎng)絡(luò)利用高精度的車輛位置信息，精確掌握運(yùn)動車輛之間的間距、實(shí)時判定車輛間的安全距離；如果發(fā)現(xiàn)車間距過近有發(fā)生碰撞的可能時，及時告警并立即剎車減速，同時通過VANET網(wǎng)絡(luò)向后方跟馳車輛發(fā)送預(yù)警消息。該系統(tǒng)可以彌補(bǔ)駕駛員受視界因素影響(特別是在惡劣天氣環(huán)境下)的反應(yīng)延時，對駕駛員進(jìn)行實(shí)時引導(dǎo)，從而有效避免車輛碰撞事故發(fā)生。

4.5 車輛電子車證

電子車證是RFID技術(shù)、衛(wèi)星定位技術(shù)及無線通信技術(shù)在智能交通領(lǐng)域的典型應(yīng)用[20]。在電子車證系統(tǒng)中，包含電子標(biāo)簽的電子車證通常安裝在車輛的前擋風(fēng)玻璃上，電子標(biāo)簽包含車輛的號牌、歸屬等信息；包含讀寫器及天線的數(shù)據(jù)采集設(shè)備安裝在道路上方或停車場的出入口處。當(dāng)車輛經(jīng)過讀寫器天線作用區(qū)域時，車輛上的電子車證被讀寫器識別，電子標(biāo)簽包含的信息被讀寫器讀取，車輛的位置信息將被自動獲取。Tam等[21]通過基于電子車證實(shí)時計算行程時間，Lee等[22]改進(jìn)定位算法，借助于RFID獲取高精度的位置信息等。這些信息傳送到后臺系統(tǒng)，能夠?yàn)榈缆方煌ü芾聿块T提供實(shí)時的交通流運(yùn)行狀況信息，為交通運(yùn)行狀況評估、短期預(yù)報與事件自動檢測等服務(wù)。

5 位置信息在交通管理中的可發(fā)展方向

隨著時間的推移，歷史交通流數(shù)據(jù)呈PB級增長。這些數(shù)據(jù)不僅可以用于交通管理、控制、誘導(dǎo)等實(shí)時應(yīng)用，更重要的是從中提取隱含的知識用以輔助交通管理部門提高決策分析能力。

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，移動終端的位置信息也將是位置信息服務(wù)的重點(diǎn)，出行者的手機(jī)、平板電腦等數(shù)據(jù)的位置信息可以為傳統(tǒng)的位置信息數(shù)據(jù)作補(bǔ)充。

高精度的位置信息在給出行者帶來極大便捷的同時，也存在安全隱患，出行者的起訖點(diǎn)信息(生活、辦公等區(qū)域)、個人隱私等數(shù)據(jù)在發(fā)布之前需要進(jìn)行加密，提高出行安全性。

6 總結(jié)

本文分析位置信息在交通系統(tǒng)中的空間和時間特點(diǎn)，結(jié)合智能交通管理系統(tǒng)的建設(shè)需求，闡述基于位置信息的智能交通管理技術(shù)的發(fā)展趨勢；提出基于位置信息的智能交通技術(shù)應(yīng)用方向，為進(jìn)一步深化位置信息在智能交通管理系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了參考。

智能交通系統(tǒng)是一項(xiàng)龐大復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及城市交通運(yùn)行管理的多個領(lǐng)域。目前有關(guān)位置信息服務(wù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)仍需要不斷成熟與規(guī)范，但基于位置信息的智能交通管理技術(shù)無疑順應(yīng)未來的技術(shù)發(fā)展趨勢，必將帶來交通管理手段的創(chuàng)新和能力的提升。當(dāng)前基于位置信息服務(wù)交通管理的發(fā)展重點(diǎn)不僅應(yīng)著眼于平臺的建設(shè)，更應(yīng)注重拓展服務(wù)與管理需求，加強(qiáng)位置信息服務(wù)在實(shí)際的交通管理中由點(diǎn)及面的深入推廣。

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