王慶國，羅　晶，張昆侖，何海琦，劉晨林

(武漢科技大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，湖北 武漢 430081)

隨著城市的發(fā)展繁榮和城市化進(jìn)程的持續(xù)推進(jìn)，城市的交通量正快速增加。目前的城市交通，尤其是中心城市的交通，普遍表現(xiàn)出擁堵日趨嚴(yán)重、通行成本明顯增加、交通事故頻發(fā)、交通狀態(tài)惡化、道路通行能力不斷下降等問題[1-2]。這些問題不僅嚴(yán)重阻礙了城市交通系統(tǒng)運輸效能的提升，也給交通管理和城市發(fā)展帶來巨大挑戰(zhàn)。為了有效應(yīng)對日益突出、尖銳的城市交通問題，實現(xiàn)城市的可持續(xù)發(fā)展，必須依托科技進(jìn)步，提升交通規(guī)劃、決策和管理水平，提高城市交通的應(yīng)急能力，并盡可能提供各種精細(xì)化和個性化的交通服務(wù)等。

當(dāng)前，在信息化發(fā)展的背景下，城市交通系統(tǒng)的規(guī)劃、運行、管理和服務(wù)等，都離不開交通信息系統(tǒng)的支持；城市交通問題的解決也在很大程度上依賴于城市信息化水平的提升。在交通信息系統(tǒng)中，交通信息數(shù)據(jù)是進(jìn)行決策、管理和服務(wù)的最基礎(chǔ)性支撐。系統(tǒng)作用的充分實現(xiàn)在極大程度上依賴于系統(tǒng)對城市交通及相關(guān)信息數(shù)據(jù)的全面、完整、實時、動態(tài)的采集和處理能力，以及及時響應(yīng)的能力。

但城市的交通系統(tǒng)，尤其是大城市的交通系統(tǒng)，是一個龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)，具有廣泛的社會關(guān)聯(lián)性，這使得城市交通信息系統(tǒng)所涉及的信息數(shù)據(jù)復(fù)雜多樣。既有城市交通運行和管理直接產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，也有氣象、環(huán)境、人口、規(guī)劃等相關(guān)行業(yè)和領(lǐng)域的數(shù)據(jù)；既涉及政治、經(jīng)濟、社會等領(lǐng)域重大活動相關(guān)的數(shù)據(jù)，也涉及公眾互動提供的數(shù)據(jù)等，這些都會對城市交通的運行和管理產(chǎn)生直接或間接的影響[1]。另一方面，交通問題又是一個與時空高度關(guān)聯(lián)的問題，具有很強的時空依賴性和時空分布規(guī)律特性。對交通及其關(guān)聯(lián)的事件、現(xiàn)象、活動和狀態(tài)的描述分析，必須與其發(fā)生和存在的時空位置相結(jié)合。因此，城市交通信息數(shù)據(jù)采集中的一個不可或缺的部分就是交通時空位置數(shù)據(jù)采集。基于交通時空位置數(shù)據(jù)可以分析挖掘城市交通問題的時空分布規(guī)律，這對于有效應(yīng)對和解決日益突出、尖銳的城市交通問題具有重要的基礎(chǔ)性意義。

含有空間位置和時間標(biāo)識的地理和人類社會信息數(shù)據(jù)即為位置數(shù)據(jù)[3]。對時空基準(zhǔn)的確定和位置數(shù)據(jù)的采集與處理，是測繪學(xué)科研究的經(jīng)典的核心問題。但是傳統(tǒng)測繪由于技術(shù)手段的局限，主要針對靜態(tài)的位置數(shù)據(jù)采集，而且效率相對低下，難以反映實時和動態(tài)的狀態(tài)變化。而交通系統(tǒng)狀態(tài)是實時動態(tài)變化的，對許多重大交通事件、現(xiàn)象、活動和狀態(tài)，還需要作出及時的響應(yīng)或干預(yù)，這就要求具備對交通時空狀態(tài)信息進(jìn)行實時采集和處理的能力。

近年來，在測繪信息化發(fā)展的基礎(chǔ)上，隨著實時信息獲取、移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等新技術(shù)的快速發(fā)展，以及移動定位設(shè)備的普及應(yīng)用，以提供實時、泛在、智能、多維空間位置信息服務(wù)等為主要內(nèi)容的泛在測繪新形式逐步形成，并日益深入到人們生活的方方面面[3-6]。泛在測繪的發(fā)展為時空位置數(shù)據(jù)的實時動態(tài)采集和處理提供了新的技術(shù)手段和技術(shù)形式。

1　泛在測繪的特征分析

劉經(jīng)南院士將泛在測繪定義為用戶在任何地點、任何時間為認(rèn)知自然和社會環(huán)境與人的關(guān)系而創(chuàng)建和使用地圖的活動[3-5]。相較于傳統(tǒng)測繪，泛在測繪具有許多新的典型特征。

首先，泛在測繪的軟硬件技術(shù)平臺相較于傳統(tǒng)測繪發(fā)生了明顯變化。

傳統(tǒng)測繪更多的是借助水準(zhǔn)儀、全站儀和GNSS等專用的測繪儀器設(shè)備進(jìn)行靜態(tài)的位置數(shù)據(jù)采集。而泛在測繪則采用衛(wèi)星定位技術(shù)、移動通信基站定位技術(shù)、室內(nèi)感知定位技術(shù)等實時位置獲取技術(shù)，以及大量的無線移動定位設(shè)備和智能傳感器等，進(jìn)行位置等多重信息的實時感知獲取，并借助實時的信息表達(dá)技術(shù)、融合的信息處理技術(shù)，以及信息基礎(chǔ)設(shè)施的技術(shù)和高速的信息傳遞技術(shù)等[4]，進(jìn)行信息的實時傳輸、分析、處理、表達(dá)、共享和服務(wù)等。

其次，泛在測繪表現(xiàn)出明顯的去專業(yè)化特征和顯著的泛在特征。

在傳統(tǒng)測繪背景下，測繪工作只能由專業(yè)的測繪技術(shù)人員采用專業(yè)的設(shè)備和專業(yè)的方法來完成。而在泛在測繪背景下，隨著各種實時信息獲取技術(shù)、移動定位設(shè)備和智能傳感器等的普及應(yīng)用，除了專業(yè)的測繪技術(shù)人員，廣大公眾也能成為時空位置信息的生產(chǎn)者和服務(wù)的提供者。借助互聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、傳感器網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等泛在網(wǎng)絡(luò)，人們還可以開放共享自己的位置，并讓更多的人感知到與自身位置相關(guān)的諸如交通狀況、氣象狀況、人群活動狀態(tài)、公眾服務(wù)等信息，突破時空的約束，提供一種實時泛在的位置信息服務(wù)，走入社會的各個角落，并深入到人們生活的方方面面。在去專業(yè)化的基礎(chǔ)上，泛在測繪表現(xiàn)出顯著的泛在特征。這種泛在特征大致可以歸納為時空測繪對象的泛在化、時空信息測繪活動的泛在化、時空信息處理的泛在化，以及時空信息服務(wù)的泛在化幾個方面。

然后，位置數(shù)據(jù)的社會屬性價值日益凸顯。

傳統(tǒng)測繪主要是對地表空間的自然形態(tài)、地理要素和人工設(shè)施等物的測繪，位置主要被作為地物的一種幾何特性看待，強調(diào)的是位置數(shù)據(jù)的幾何精確性。而在泛在測繪中，除了對物的測繪，還有對人的活動的測繪，更強調(diào)以人為本，以用戶為中心，強調(diào)對人的表達(dá)，對人與人、人與物、人與環(huán)境的關(guān)系表達(dá)?！拔恢谩币呀?jīng)不再是一個由地理坐標(biāo)和時間構(gòu)成的四維概念，“社會性”成為其重要屬性?；诜涸跍y繪產(chǎn)生的位置大數(shù)據(jù)，成為大數(shù)據(jù)研究的重要組成部分。通過位置大數(shù)據(jù)，可以感知人類個體和群體與自然環(huán)境和社會環(huán)境的關(guān)系，識別社會個體的行為，分析挖掘群體社會交互特征和規(guī)律，進(jìn)而引導(dǎo)個體社會行為，支持社群的互動、溝通和協(xié)作[7-8]。在泛在測繪的背景下，位置數(shù)據(jù)的社會屬性價值日益凸顯。

最后，位置信息服務(wù)的功能更加拓展。

以泛在測繪為基礎(chǔ)，形成了泛在的位置信息服務(wù)，這成為當(dāng)前信息服務(wù)業(yè)的新興業(yè)態(tài)和重要組成部分[5]。而且，在日常生活中，人們要的位置服務(wù)是生活的服務(wù)，是社交服務(wù)，不是單單位置本身。人們不再簡單地關(guān)心某個地物的坐標(biāo)，而更關(guān)注這個坐標(biāo)的地名地址，以及在這個位置上有什么、發(fā)生過什么、正在發(fā)生什么、將會發(fā)生什么等信息[9-10]。同時，這種位置服務(wù)需求隨著用戶位置的變化而實時變化，隨著用戶興趣點的變化而實時變化，隨著用戶需求的變化而實時變化。因此，在泛在測繪背景下，位置信息服務(wù)已從單純的定位服務(wù)轉(zhuǎn)變成具有社會化、本地化和移動性的新型形態(tài)[11]。泛在位置信息服務(wù)的對象已涵蓋了各級政府、各行各業(yè)和普通大眾。

由上可見，泛在測繪是在實時信息獲取、實時信息表達(dá)、融合的信息處理，以及高速的信息傳遞等技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展出來的一種以提供實時、泛在、智能、多維空間位置信息服務(wù)為主要內(nèi)容的新型技術(shù)形式和業(yè)態(tài)形式，既深化了傳統(tǒng)位置數(shù)據(jù)的內(nèi)涵，也拓展了傳統(tǒng)位置服務(wù)的功能。

2　泛在測繪在城市交通領(lǐng)域中的典型化應(yīng)用

2.1　平均行車速度與交通量的估計

平均行車速度與道路交通量是表征道路交通運行狀態(tài)的重要指標(biāo)。實時準(zhǔn)確獲取不同道路的平均行車速度和道路交通量，對于實現(xiàn)交通的精準(zhǔn)調(diào)度和管控具有重要意義。但是，這些交通狀態(tài)數(shù)據(jù)是一種典型的時空數(shù)據(jù)，隨時段和路段的不同存在明顯差異。傳統(tǒng)的方法主要借助人工調(diào)查，或是固定位置的傳感器等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后通過后處理來獲取相關(guān)的交通狀態(tài)信息。很顯然，傳統(tǒng)方法適用范圍窄，難以進(jìn)行大范圍同時相交通狀態(tài)數(shù)據(jù)的實時獲取與分析。

在泛在測繪背景下，隨著智能傳感器、無線移動定位終端和無線通信系統(tǒng)的普及應(yīng)用，可以通過車載設(shè)備構(gòu)造動態(tài)傳感器網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)車輛在道路上行駛時，就像是一個移動的傳感器，能夠?qū)④囕v的時刻、位置、方向等數(shù)據(jù)，實時地傳送到信息中心，并通過相應(yīng)的分析處理算法和模型，進(jìn)行全面的交通流分析和交通狀態(tài)估計。

理論上講，若每輛車都配備了車載智能傳感器，則通過對所有車輛運行信息的統(tǒng)計分析，就能夠?qū)崟r獲取整個路網(wǎng)的交通狀態(tài)信息。但由于目前車輛的傳感器配備尚未實現(xiàn)全覆蓋，實際數(shù)據(jù)不完備，因此還只能基于樣本數(shù)據(jù)計算。

考慮浮動車具有出行率和城市道路覆蓋率高等特點[12]，本文以浮動車為例，介紹平均行車速度與道路交通量的估計方法。

對于單臺浮動車，當(dāng)其運行時，通過裝載的GNSS定位設(shè)備，就可以按照一定的時間間隔記錄對應(yīng)時刻的車輛位置信息。通過位置信息，可以內(nèi)插出車輛的行使軌跡，并與電子地圖進(jìn)行匹配。通過對浮動車運行狀態(tài)的分析，可以挖掘出道路的交通運行狀態(tài)。

假設(shè)在某一路段上，某輛浮動車的GNSS采樣時間間隔為Δti，共有n個采樣點，通過每一采樣時刻記錄的位置，可以計算出兩相鄰采樣時刻之間的距離di，進(jìn)而可以計算出該車在該路段的平均速度為

(1)

如果該時段在該路段上有m輛浮動車同時運行，則通過每輛浮動車的平均速度，就可以更為精確地計算出該時段該路段的平均行車速度為

(2)

根據(jù)文獻(xiàn)[13]，車輛的行車速度V與車流密度K之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，經(jīng)典的關(guān)系模型如下

(3)

式中，Vf代表路段車流密度K=0時的暢行速度，取值近似為道路的限行速度；Kj為交通完全堵塞即V=0時的交通密度，可以根據(jù)單位路段長度與每輛車平均占用的車道長度(車身長度加上一定的車間距)之比估算出來。由此，當(dāng)平均行車速度V被計算出來后，根據(jù)式(3)，可以估算出路段的實時車流密度為

(4)

相應(yīng)的，設(shè)路段長度為L，則可以估算出該路段的實時交通量Q=KL。根據(jù)各路段的平均行車速度和交通量，就可以對各路段的交通狀態(tài)作出實時準(zhǔn)確的評估。

2.2　交通熱點的實時獲取

交通熱點指交通流強度大、人員往來頻繁密集的區(qū)域和時段。雖然通過對交通歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，可以對城市交通熱點的一般區(qū)域和時段作出大致判斷，但是這種判斷只是一種統(tǒng)計意義上的分析結(jié)果，而不能對交通熱點作出實時的精細(xì)判斷。而且，在現(xiàn)實生活中，存在許多由一些突發(fā)性事件或非常規(guī)性活動造成的交通熱點，特別是由一些重大災(zāi)害造成的嚴(yán)重交通熱點等，還需要作出及時響應(yīng)。這些交通熱點僅僅通過交通的歷史數(shù)據(jù)無法作出分析判斷。

以泛在測繪為基礎(chǔ)，通過對多種實時定位技術(shù)手段的應(yīng)用和相關(guān)數(shù)據(jù)的實時獲取與分析，就可以對交通熱點路段進(jìn)行實時提取。

例如，通過浮動車的運行狀況對路段交通運行狀態(tài)的估計，可以對各路段的實時交通狀態(tài)作出判斷。當(dāng)然，由于浮動車數(shù)量有限，以及車載GNSS系統(tǒng)在城市空間中容易受到信號遮擋，導(dǎo)致信號丟失或定位精度差等問題，單純的基于浮動車技術(shù)進(jìn)行路段實時交通狀態(tài)的評判還不夠。

而在當(dāng)前泛在測繪的技術(shù)形式下，還包含許多新型定位手段，如基于無線移動通信基站的定位、手機的QQ或微信等登陸地址的記錄定位、公交卡刷卡數(shù)據(jù)的記錄和定位等，都可以從不同側(cè)面提供交通的狀態(tài)信息[14]。

目前，百度地圖等在融合了多種定位技術(shù)方法的基礎(chǔ)上，都已經(jīng)能夠提供較為精細(xì)和準(zhǔn)確的實時路況狀態(tài)信息。從這些狀態(tài)信息中，就可以實時提取各交通熱點路段。

2.3　交通誘導(dǎo)服務(wù)

隨著新型交通信息采集技術(shù)和大數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)的發(fā)展，為了實現(xiàn)現(xiàn)代交通的更有效管理和交通流的優(yōu)化，道路交通管理控制越來越追求過程的主動化和動態(tài)化。其中，交通誘導(dǎo)服務(wù)作為一種新型有效的手段，越來越受到重視。

從服務(wù)過程看，交通誘導(dǎo)服務(wù)包括出行前誘導(dǎo)和出行中誘導(dǎo)。出行前誘導(dǎo)是在用戶出行前，系統(tǒng)通過對道路網(wǎng)絡(luò)信息、公交網(wǎng)絡(luò)信息、交通狀態(tài)信息等匯總分析后，根據(jù)用戶的出行需求，向用戶發(fā)送當(dāng)前路況、推薦出行路徑和出行方式等誘導(dǎo)信息；出行中誘導(dǎo)，是在用戶出行過程中，根據(jù)交通系統(tǒng)狀況的實時變化，對先前的誘導(dǎo)信息不斷進(jìn)行調(diào)整，發(fā)布路徑導(dǎo)航、道路擁堵、停車等信息，對用戶出行進(jìn)行動態(tài)誘導(dǎo)[1]。

顯然，無論哪種交通誘導(dǎo)服務(wù)形式，誘導(dǎo)服務(wù)系統(tǒng)都必須能夠?qū)崟r準(zhǔn)確采集處理交通狀態(tài)信息，并根據(jù)用戶的出行需求，向用戶發(fā)送當(dāng)前路況信息和交通系統(tǒng)狀態(tài)的實時變化，向用戶推薦出行路徑等。因此，交通誘導(dǎo)服務(wù)的實現(xiàn)離不開泛在測繪技術(shù)的支撐。

以出行路徑的選擇為例，如圖1所示，要選擇一條從起點1到終點2的最佳路徑。傳統(tǒng)的方法主要基于道路網(wǎng)絡(luò)的幾何分析，把1、2兩點之間的最短路徑作為兩者之間的最佳路徑，如圖1(a)所示。很顯然，把最短路徑作為最佳路徑，無所謂起點和終點的差別。但是，如果考慮各路段在不同行車方向的實時路況信息，以車輛的實時平均行車速度為依據(jù)，以到達(dá)時間最短的路徑為最優(yōu)路徑，則計算出來的1、2兩點之間的最優(yōu)路徑不再是兩點之間的最短路徑，而且最優(yōu)路徑與行車方向也直接相關(guān)。如圖1(b)與(c)所示，就是考慮了各路段的雙向?qū)崟r路況信息，在ArcGIS軟件平臺上，通過網(wǎng)絡(luò)分析，計算出不同狀態(tài)下的最優(yōu)路徑。

3　結(jié)　語

泛在測繪是伴隨著移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等新技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的一種以提供實時、泛在、智能、多維位置信息為主要內(nèi)容的新的技術(shù)形式和服務(wù)形式。泛在測繪的發(fā)展為解決城市交通領(lǐng)域存在的許多問題提供了新的方法和技術(shù)的支持，開辟了位置大數(shù)據(jù)和位置信息服務(wù)在交通領(lǐng)域的新的應(yīng)用方向和前景。但同時城市交通問題是一個相當(dāng)復(fù)雜的系統(tǒng)問題，不可能隨著某種新技術(shù)形式的出現(xiàn)就可以得到徹底解決，也不存在一勞永逸的解決方法。

圖1　1與2之間的路徑選擇

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