一种基于位置服务的动态虚拟交通诱导系统

陈金龙,夏莹杰

(杭州师范大学杭州国际服务工程学院,杭州311121)

一种基于位置服务的动态虚拟交通诱导系统

陈金龙,夏莹杰

(杭州师范大学杭州国际服务工程学院,杭州311121)

交通诱导系统将经过处理的交通状态数据发布在公共平台上,供人们作为选择路径的参考。在一定时间内用户接收过多的信息,不仅影响到所需信息的辨别率,而且分散驾驶员的注意力,从而产生安全隐患。针对该问题,采用交通路网动态规划方法,提出一种基于位置服务的动态虚拟交通诱导系统,利用用户所处环境数据以及地图匹配算法提高用户定位精度;通过交通路网动态规划,过滤多余的道路交通状态信息,精简发布信息量;运用数据交换层技术以及坐标转换算法,扩大系统在移动设备上的适用范围,提高交通状态信息的发布效率。实验结果表明,该系统定位准确率达到95%以上,平均减少了70%的信息发布量。

可变信息板;交通诱导;虚拟;地图匹配;移动终端

1 概述

智能交通系统(Intelligent Transportation Systems,ITS)[1-2]是利用信息技术提高道路系统使用效率,解决城市交通堵塞问题的重要方式,提供实时准确的路网交通状态信息是城市智能交通监控系统的主要任务之一。城市交通诱导系统是ITS的重要组成部分,它能提供实时的交通状态信息,有效缓解交通拥堵,在很大程度上提高交通运输效率[3]。目前,实时交通状态发布方式主要有可变信息板(Variable Message Signs,VMS)、具有实时路况功能的移动终端以及网页。

(1)VMS发布方式。VMS是一种可编程的交通控制设备,主要安置在高速公路和城市主干路网的关键位置[4]。能够提供实时、准确的交通状态信息。其特点是所发布信息具有较高的针对性,通常为驾驶人行驶前方的交通状态[5],以及一条双向道路中其所能通过的路段,从而发布有限数量与用户最为相关路段的交通状态,使驾驶人员能够迅速获取所需要的信息,避免分散驾驶员的注意力,或显示信息的遗漏[6]。然而,这种发布方式由于成本的原因,一般布置在关键道路上,这也使得其发布受众受到限制。

(2)移动终端发布方式。移动终端主要包括手机和导航仪。近年来,手机的广泛使用以及基于位置服务(Location-based Services,LBS)[7-8]技术的成熟,用户可以随时随地获取周围路段的实时交通状态,特别是智能手机的普及,这种发布方式变得更加智能化和友好,从而更容易被用户接受。然而其发布的内容针对性较低,含有过多的无用信息,如驾驶方向后方路段以及双向道路中与用户无关路段的信息等。过多的无用信息不仅会导致传递的数据量过大,要求移动设备具有较高的处理能力,同时也会影响用户对路段交通状态的判断。

(3)网页端发布方式。网页端发布方式是利用Web GIS技术[9-10],在网页端的电子地图上发布交通状态信息的方式,类似于移动设备中的地图软件。用户只需要一台连接网络的计算机甚至手机,通过主流的浏览器均可以查询交通状态信息。然而,由于计算机较低的移动性,从而不适用于行驶中的驾驶人员。而手机端的发布方式,不仅存在与地图软件发布方式相同的缺陷,同时会消耗更多的计算、内存和电池资源。

针对上述各种发布方式的不足之处,本文提出一种基于位置服务的动态虚拟诱导屏系统DVVMS (Dynamic Virtual Variable Message Signs)。首先利用LBS技术获得用户位置,然后根据地图匹配算法得到用户所在路段,通过VMS路网拓扑规划算法,确定发布与用户最为相关的路段,经过处理后在移动设备的屏幕上绘制相应的虚拟VMS。该系统通过LBS技术、地图匹配技术及VMS路网拓扑规划技术,可保证DVVMS中的路网拓扑具有较高的针对性,减少用户信息的接收量,从而快速对当前的交通状态作出反应,同时也减少系统处理的数据量,降低系统对移动设备和网络环境的性能要求;通过坐标转换算法,解决不同坐标系之间的坐标转换问题,减小系统对路网数据所使用坐标系的依赖性;通过数据交换技术,解决不同移动设备与服务器间的数据交换问题,提高系统的适用性。

2 系统结构

本文将系统分为3个层次:(1)采集与发布层,该层是整个系统与用户交互的接口,主要用于用户环境信息的采集以及交通状态的发布;(2)数据交换层,是整个系统中不同层之间数据交换的接口,该层制定了信息的统一的封装格式,主要解决服务器与不同类型移动设备之间的数据交换问题,提高系统的适用性;(3)信息匹配层,利用地图匹配来完成用户位置的修正,以及确定用户所在的路段,并以此作为VMS路网规划的基础,从而确定虚拟VMS上的发布内容,同时通过查询数据库,确定发布路段的交通状态。

首先采集与发布层采集用户的环境数据,所谓用户环境数据,即用户位置、速度、方向等数据,进行统一封装后发送给信息匹配层;信息匹配层经过解析后,根据用户环境数据查询数据库获得相应的路网信息以及交通状态信息,统一封装后返回给采集与发布层;采集与发布层对返回的信息经过解析后,再对这些数据进行坐标转换处理,从而匹配到虚拟 VMS的坐标系,最后绘制出相应的虚拟VMS,显示在移动设备的屏幕上,最终完成交通状态的发布;数据交换层是采集与发布层和信息匹配层的中间层次,是数据的统一封装和解析接口,用于这2个层次之间的数据交换。图 1所示为DVVMS系统结构。

图1 DVVMS系统结构

(1)采集与发布层:包括信息采集模块、信息处理模块和VMS绘制模块。信息采集模块负责用户环境数据的采集,是整个系统的信息输入模块。信息处理模块主要对服务器返回的原始路网数据进行坐标转换等处理。VMS绘制模块主要完成虚拟VMS的绘制,是系统的信息输出模块,用于交通状态信息的最终发布。

(2)数据交换层:包括用户环境数据封装、解析模块,分别用于采集与发布层和信息匹配层对用户环境数据的封装和解析;路网数据封装模块、解析模块分别用于信息匹配层和采集与发布层对路网数据的封装和解析。

(3)信息匹配层:该层包括地图匹配模块、VMS路网拓扑规划模块和路网信息查询模块。地图匹配模块通过地图匹配对用户的坐标进行修正,同时确定用户所在路段。VMS路网拓扑规划模块通过规划算法,获得与用户位置相关的路网。路网信息查询模块主要负责查询数据库获得路段的几何轮廓信息以及交通状态信息。

3 实现方案

3.1 地图匹配

地图匹配技术是信息匹配层的关键技术,是一种基于软件技术的定位修正方法,其中的关键是找到用户当前行驶路段,然后在路段上找到匹配点[11]。

地图匹配有多种算法,本文采用最近邻匹配算法[12],即通过计算用户位置坐标到周围路段的距离,其中距离最短为匹配路段,然后计算出用户坐标在该路段的匹配点。由于GPS定位误差的存在,当用户在一条双方向的道路上时,匹配的准确性会大大降低,因为一条道路两个相反方向的路段之间的距离很小,从而用户位置点到这2条路段的距离也会很相近。此外,这种情况在路段的交汇点处也会出现。所以,本文中在最近邻法的基础上,将用户运动方向与路段的方向进行比较,差距最小者为用户所在路段。算法的具体实现过程如图2所示。

图2 地图匹配过程

首先对路网数据作如下约定:

(1)路网中所有路段集合为R;

(2)组成路段的所有节点集合为P,节点p∈P的坐标为(xp,yp);

(3)对任意路段Ri∈R,其组成节点的集合为Pi⊆P。

图2中整个匹配过程由3个阶段组成:

(1)查询用户周围的路段:设定阈值δ,对于任意路段Ri(Ri∈R),若存在节点p∈Pi符合条件locx-δ＜xp＜locx+δ,且locy-δ＜yp＜locy+δ,则将该路段加入候选集U1中,其中,xp,yp为节点p的坐标。

3.2 DVVMS路网拓扑规划

VMS路网拓扑规划技术是一种基于用户所在路段,确定虚拟VMS中有限数量与用户位置相关的路段的技术,是信息匹配层中的关键技术,如图3所示。

假设路段1为用户所在路段,在传统的发布方式中,发布路段包括路段1周围一定范围内的所有路段,即从路段1到路段44的所有路段。但在用户实际的行驶过程中会发现,用户实际会关心的路段只有路段8、路段4、路段5、路段9、路段16、路段14、路段18、路段19、路段22,即图中粗线部分。这是因为,当用户在路段1上时,其可能选择的路段只能是路段4、路段5以及路段16,而当用户在路段4上时,其可能选择的路段只能是路段 12、路段 8和路段24,其他路段依次类推。通过图3可以看出,与传统发布方式相比,虚拟VMS可以有效减少发布的路段数量。

图3 VMS路网拓扑规划过程

在实际的实现过程中,路网信息包含了路段与路段之间的连接关系,实际上可以看成是以路段为节点,以路段与路段之间的连接关系为边的图Mrn,如图4所示。图3中的发布路段可以通过对Mrn从路段1出发进行广度遍历并设置阈值n=2获得。

图4 图3中路网对应的部分路网图Mrn

3.3 虚拟VMS坐标转换

虚拟VMS坐标转换技术是一种坐标系匹配技术,是采集与发布层的关键技术。路网数据中节点的坐标所使用的坐标系有多种类型,如WGS-84坐标系、地心坐标系、以及北京54坐标系等,而移动设备上虚拟VMS的所使用的是直角平面坐标系。在绘制虚拟VMS之前,需要对原始路网数据进行坐标转换。坐标转换分如下3个阶段:

(1)坐标旋转

坐标旋转的目的是为了从用户的角度查看路段交通状态。如图5所示。

图5 坐标旋转过程

经过坐标旋转后,虚拟VMS中用户的行驶方向与VMS坐标系中的正北方向相同。

(2)坐标缩放

缩放的目的是为了将要发布的路网能够绘制在大小有限的虚拟VMS上,如图6所示。

图6 坐标缩放过程

其中,scalex,scaley分别为水平和竖直方向上的缩放幅度,图6右边的路网中,假设在所有节点坐标中,x最大值与最小值的差为ΔX,y的最大值与最小值的差为ΔY,虚拟VMS的宽为W,高为H,通过如下计算:

(3)坐标平移

经过坐标缩放后,路网节点中的坐标均能绘制在虚拟VMS中的路网绘制区域中。

3.4 数据交换技术

数据交换技术制定了数据封装的统一标准,系统采用Client/Server模型,其中客户端为手机或者GPS导航仪,不同类型的设备,其所采用的系统以及所使用的开发语言均会有所不同,导致了服务器需要为不同设备分别编写不同的代码,从而加大了开发人员工作量,同时也不利于以后系统的升级维护。在数据交换层中,制定数据封装标准的目的就是为了解决这一问题。

数据的交换包括2个方向:客户端发送给服务器端的用户环境数据,以及服务器端发送给客户端的路网数据。数据交换层对数据的封装主要是将不同的数据转换成字符,然后按照一定的顺序组成字符短报;而对数据的解析也是对封装的字符短报的分析,根据封装时数据安排的顺序,从而提取出相应的数据。

(1)在客户端中,用户环境数据包括用户的位置坐标loc(locx,locy),用户的速度v以及方向θ等,其封装格式如:

其中,Rcount为封装的数据数。

(2)在服务器端,发送给客户端的数据包括匹配后的位置坐标、交通状态信息、以及路网信息。对于路段,其包含的信息有:路名,路段编号,路段交通状态,以及路段节点坐标。对于任一路段,其封装格式如下:

其中,Rname为路段名;RID为路段编号;Rstatus为路段的交通状态;xi,yi(i=1,2,…)为路段的节点坐标。对于整个路网信息的封装格式如下:

其中,Mlocx,Mlocy为通过地图匹配后用户坐标; Rcount路段数目;offset为路网数据的偏移位置,即TR1的位置。

3.5 整合实现

图7为系统的实现模型,本系统客户端以Android系统手机为平台。

图7 DVVMS实现模型

客户端通过传感器获得用户所处环境的数据,对这些数据进行封装发送给DVVMS服务器。服务器对这些数据经过解析,根据其中的位置和方向信息进行地图匹配确定用户所在路段,并以此为基础,进行虚拟VMS路网规划,确定有限数量与用户最为相关的路段,并分别从路网数据库和交通状态数据库中查询路段的几何轮廓信息和交通状态信息,封装后发送个手机客户端。手机客户端对返回的信息进行解析,从而得到原始的路网数据,进行坐标转换处理后,利用高德地图覆盖层API在高德地图图层上绘制出相应路段信息的虚拟VMS,最终完成实时交通状态在虚拟VMS上的发布。

4 相关实验

4.1 实验环境

在实验中,DVMMS服务器端的基本硬件配置为2.4 GHz酷睿i5 2430M双核CPU,6 GB内存,后台软件为Apache,后台程序用PHP编写。移动客户端使用的设备为google Nexus 7平板电脑,其基本配置为1.3 GHz Tegra3 CPU,1 GB的RAM以及16 GB的ROM,Android 4.1操作系统。此外,地图相关部分的开发采用高德地图 Android API V2.0.4版本。

通过实验,测量地图匹配的准确率以及地图VMS路网规划的有效性,从而证明DVVMS可以准确高效为用户提供实时交通状态信息。

4.2 实验分析

实验1 地图匹配准确率实验

实验1目的是测量地图匹配结果的准确率。实验中,将随机选取的1 000个经过标注的样本点平均分为5组分别进行地图匹配,将匹配结果与实际标注结果进行对比,统计每组匹配的准确率。实验结果如图8所示。

图8 地图匹配实验结果

通过实验可知,这5组实验的结果的准确性均在95%以上,说明大部分都能正确匹配,其中匹配不成功的原因主要是交叉口处样本点的模糊性,所谓模糊性是指当车辆驶出某一路口,通过交叉口进入另一路段前过程中,其所处路段的不明确性,不仅表现在标注过程中的误差,同时也会造成匹配结果误差,从而导致其结果与实际的标注值不同。此外,如果用户所处环境复杂,GPS卫星信号以及移动设备中测量用户运动方向的传感器受到干扰,导致采集结果的出现较大的误差,从而最终导致地图匹配的失败。

实验2 路网规划有效性实验

实验2主要是用来测量DVVMS系统中的路网规划技术能否提供用户有效的信息;当传统移动终端的发布方式包含相同2个路段时,比较两者发布总的发布路段的总数量,较低发布数量说明具有较高的效率。以上海路网为例,如图9所示。

图9 路网规划有效性实验设计的路径

实验路径为图中虚线,起点为永福路和湖南路交叉口,终点为乌鲁木齐中路和长乐路交叉口,途经的路段为永福路1、永福路2、五原路3、乌鲁木齐中路4、乌鲁木齐中路5,路段名后面数字为路段编号。

图10为当用户分别在永福路1、永福路2、五原路3和乌鲁木齐中路4上时,产生的虚拟VMS效果。表1为动态虚拟诱导系统与传统发布方式效率对比。

表1中第1级路段表示用户在当前路段所要通过的下一条路段;第2级路段为经过第一级路段选择的下一条路段;是否有效列表示用户所规划的路段是否包含在虚拟诱导屏内;传统方式发布路段数量是通过至少包含该两级路段时,发布的总路段数量的平均值来测量的。

图10 DVVMS在不同路段产生的效果

表1 路网规划有效性实验

通过表1可以发现,DVVMS发布路段的数量在没有遗漏用户所选择路段的情况下,较传统发布方式平均减少了70%,说明该发布方式具有更高的效率,这是由于DVVMS的路网拓扑规划是有针对性的根据用户所在路段来规划所要发布路段,排除了不必要发布的路段。不仅如此,传统发布方式发布至少上面所述两级路段,需要经过多次的手工调整,否则,其发布路段数量将会更多,而手工调整在驾驶员的行驶过程中是十分不便的。

5 结束语

本文提出了一种虚拟交通诱导屏的动态规划方法。该方法利用终端设备采集用户所处的环境数据,过滤多余的道路,为用户提供更具细粒度、更符合用户需求路段的实时交通状态信息。该方法的主要创新点包括:(1)通过利用用户环境数据和地图匹配算法提高定位精确度;(2)通过路网规划精简发布内容;(3)数据交换技术以及坐标转换保证系统的适用范围;(4)通过地图匹配准确性实验和路网规划有效性实验证明了动态虚拟交通诱导系统较传统交通状态发布方式,在定位精度方面更加精确,在发布内容方面更简洁。基于上述研究,下一步计划引入更多用户环境参数,并与用户历史数据结合,量化用户对每一条道路的需求度,过滤用户不关心的道路数据,更进一步减少发布的信息量,提高系统的发布效率。

[1] Skog I,Handel P.In-car Positioning and Navigation Technologies——A Survey[J].IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems,2009,10(1):4-21.

[2] Drawil N,Basir O M.Intervehicle-communication-assisted Localization[J].IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems,2010,11(3):678-691.

[3] Zhong Shiquan,Zhou Lizhen,Ma Shoufeng.Effects of Different Factors on Drivers’ Guidance Compliance Behaviors under Road Condition Information Shown on VMS[J].Transportation Research,2012,46(9): 1490-1505.

[4] Lai Chien-Jung.Effects of Color Scheme and Message Lines of Variable Message Signs on Driver Performance [J].Accident Analysis and Prevention,2010,42(4): 1003-1008.

[5] 王建军,徐秀芹,吴海刚.基于动态交通组织的高速公路可变信息标志设计探讨[J].公路,2008,(11): 124-128.

[6] 朱广宇,蔺昊天,魏 婧,等.城市道路可变信息标志的国家标准设计研究[J].北京交通大学学报,2012, 36(6):112-116.

[7] Wilson M W.Location-based Bervices,Conspicuous Mobility,and the Location-aware Future[J].Geoforum, 2012,43(6):1266-1275.

[8] AitCheikBihi W,Bakhouya M,NaitSidiMoh A,et al.A Platform for Interactive Location-based Services[C]// Proc.of the 8th International Conference on Mobile Web Information Systems.Niagara Falls,Canada:[s.n.], 2011:697-704.

[9] 周 牧,谈晓军,左 翔,等.基于AJAX和XML的WebGIS系统研究[J].计算机工程,2009,35(13): 271-273.

[10] Zhong Jiusheng,Jiang Nan,HuBin.Research and Design of a Novel Webgis Framework Based on REST and RIA[C]//Proc.of 2012 International Workshop on Information and Electronics Engineering.Harbin,China: [s.n.],2012:902-908.

[11] Kim S,Kim J H.Daptive Fuzzy-network-based C-measure Map-matching Algorithm for Car Navigation System[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2001,48(2):432-441.

[12] Xia Yingjie,Liu Yuncai,Ye Zhoumin,et al.Quadtreebased Domain Decomposition for Parallel Map-matching on GPS Data[C]//Proc.of the 15th International IEEE Conference on Intelligent Transportation Systems. Anchorage,USA:[s.n.],2012:808-813.

编辑 索书志

A Dynamic Virtual Traffic Guidance System Based on Location Service

CHEN Jin-long,XIA Ying-jie
(Hangzhou Institute of Service Engineering,Hangzhou Normal University,Hangzhou 311121,China)

Traffic guidance system is a method publishing the processed traffic data in a public platform and as a reference for the user to select the path.Amount of information user receiving in a short time,not only a effects the identify rate of information,but also distracts the driver’s attention,threats to their safety.Aiming at this problem,a system is proposed with a method of road network dynamic programming.With the environmental data of users and mapmatching algorithm to improve the accuracy of locate position.the method of road network dynamic programming is involved into this system to reduce the unnecessary road status information,and the data exchange technology and coordinate transformation are used to improve system performance at the application of the mobile terminal.Experimental results show that the system can prove the positioning accuracy rate is above 95%,and compared with the traditional method of publication,which can effectively reduce the amount of information published by 70%.

Variable Message Signs(VMS);traffic guidance;virtual;map-matching;mobile terminal

1000-3428(2014)10-0296-08

A

TP391

10.3969/j.issn.1000-3428.2014.10.055

国家自然科学基金资助项目(61002009);浙江省科技计划基金资助重大项目(2012C01035-1);浙江省自然科学基金资助重点项目(LZ13F020004)。

陈金龙(1988-),男,硕士研究生,主研方向:智能交通系统;夏莹杰(通讯作者),副教授、博士。

2013-07-22

2013-09-29E-mail:kinglong_chen@163.com

中文引用格式:陈金龙,夏莹杰.一种基于位置服务的动态虚拟交通诱导系统[J].计算机工程,2014,40(10):296-303.

英文引用格式:Chen Jinlong,Xia Yingjie.A Dynamic Virtual Traffic Guidance System Based on Location Service[J]. Computer Engineering,2014,40(10):296-303.