城市公交线路车联网路侧通讯设备布设方法分析

■陈文娇

（苏州建设交通高等职业技术学校，苏州 215009）

国家“十二五”规划明确提出，要发展宽带融合安全的下一代国家基础设施，推进物联网的应用[1]。车联网正是物联网分支中最容易形成系统标准、最具备产业潜力的应用之一。 所谓车联网，是指利用先进的传感技术、网络技术和无线通信技术，通过汽车收集、处理和共享大量信息，实现车与路、车与车、车与人、车与城市网络的互相连接，达到智能化识别、定位、跟踪、监控和管理目的的一个网络[2]。

智能交通系统 （Intelligent Transportation System， ITS） 是将先进的信息技术、 数据通信传输技术、电子控制技术以及计算机处理技术等有效地运用于整个运输管理体系，将驾驶员、交通工具和道路、环境三位一体统筹考虑，从而建立起一种在大范围内全方位发挥作用的实时、准确、高效的运输综合管理系统[2]。 公共交通智能集成系统的最底层是交通信息的协同，它通过实现运营相关信息的采集与存储、 采集的实时信息与历史信息相互配合，一方面为公交运营调度过程中计划编制、实时调整提供决策支持，另一方面为乘客出行提供实时的诸如候车时间、发车间隔、车辆位置等相关信息。 在国际上， 美国的智能车辆公路系统（Intelligent Vehicle and Highway System， IVHS）、日本的车辆信息与通讯系统 （Vehicle Information and Communication System， VICS） 等系统通过车辆和道路之间建立有效的信息通信，已经实现了公共智能交通管理和信息服务[3]。

随着汽车和道路的日益智能化，越来越多的汽车和路侧交通基础设施装备了通讯设备，整个物联网及其相关应用的发展更使得车联网成为大势所趋。路侧信息采集与服务平台组网示意图见图1[3]。在这种大趋势下， 作为公交车辆在线路上运营信息的重要中介，路侧设备的布设位置显得尤为重要。如何科学合理地在公交线路沿线布设路侧设备， 做到既能保证一定程度要求的通讯效果， 又能保证一定合理的经济成本投入， 这是车联网在服务我国城市公共交通系统过程中有待解决的重要问题。 针对该问题，本研究将重点探讨路侧通讯设备的布设方法。

首先给出了城市公交线路路侧通讯设备布设的具体步骤，指导进行具体完成设备布设前的各项准备工作，包括布设线路考察、道路的坐标量化等。然后针对多种情况建立覆盖模型，解决不同条件下的问题，重点研究了路侧通讯设备的布设方法。

1 路侧通讯设备布设的具体步骤

实际道路中的公交线路情况十分复杂， 城市、郊区、 乡村之间公交系统的软硬件条件相差甚大。结合实际应用需求，路侧通讯设备的布设主要分为两步：线路的实地考察与路侧通讯设备安装的可行性区域划分。

1.1 布设线路的实地考察

公交实际线路考察对于路侧通讯设备的布设意义重大。 道路宽度，辅道及人行道、非机动车道宽度，道路交叉口复杂程度，道路已有公交站台或路侧基础设施， 道路周边大型障碍物等都需要在考察中被详细记录， 为后期道路模型简化及布设方法选择提供依据。 实际考察过程中可以摄取重要交叉口信息，同时搜集资料获得道路基本图像。本研究以为南京市玄武区共11 条常规公交线路为例。

1.2 可行性布设区域划分

在划分前需实际测量包括路宽、车道数、人行道情况、车站牌、交通信号设施、已有路侧设备及基础设施等数据，再将路段上的区域分为一级、二级和不可行3 种区域，供后期模型结合实际总结布设方法时使用，优先考虑一级可行区域，排除不可行区域。 （1）一级可行性区域：部分已有的路侧设备（如配电站旁、公交站台上、花圃内）。 这些地点布设设备起来简单方便，而且不易受到周围复杂因素如行人、车辆的破坏，具有良好的稳定性和安全性，也不会对道路交通造成干扰， 故设为一级可行区域。（2）二级可行性区域：通过改变基站等通讯设备的形态，可以将设备架在支架上，类似于路灯、路边测速桩杆。 由于具体改变设备形态的方式在不同情况可能比较复杂， 而且架设在一定高度的地方需要一定技术支持，有相应难度，故考虑为二级可行区域。 （3）不可行区域：路面中央及其低高度周边设施，这些区域容易造成设备遗失或损坏，故为不可行区域。

路侧通讯设备的布设方法包括上文介绍的面对具体路况和布设任务时的解决思路，以及将设备布设至道路上的数学算法。 本研究将路侧通讯设备布设的具体算法抽象为以设备覆盖不同道路的数学模型。

2 路侧通讯设备的覆盖方法分析

面对日趋多元化的道路及城市状况，需要的覆盖方法不应仅仅追求完善的体系，而更应具有普适性，以及在多样化的模型中都能保持灵活而易于修改的特点。 本研究的布设方法主要是基于不同道路条件的基站覆盖模型，分为纯面积覆盖和考虑多种限制条件的覆盖模型。 纯面积覆盖考虑实际条件较少，理论简单易于理解，在研究理想情况下（障碍物较少，道路状况良好，通信畅通）的路侧设备布设方法时易于推广；考虑多种限制条件的覆盖模型添加了符合实际情况的条件以及单行道情况，更加贴近实际应用。

2.1 纯面积覆盖模型

在进行具体道路布设方法研究时，有很多需要考虑的环境因素，如道路路况、布设点可设立位置、路旁建筑状况等，考虑因素繁杂，不易得到普适的方案。 因此，在研究有限制条件的具体道路的布设方法前， 首先考虑较为抽象的纯面积覆盖问题，即通讯设备抽象为以安装点为圆心的一个圆，要覆盖的区域抽象为一个二维图形，问题便转变为用等大的圆覆盖大区域面积的问题。 以典型的圆形区域覆盖为例。

2.1.1 模型概况

定义：有效覆盖区域面积S，圆面积q，最少需要圆个数n，

有效覆盖率能够很好地反映某种布局方法对应的覆盖性能。η 值越大，说明该布局方法在覆盖度上的效果越好；有效覆盖率越高，并不代表有效覆盖区域面积越大； 当总覆盖面积一定时，η 值越大，有效覆盖区域面积越大[4]。 基站布设的矛盾之处：若要尽可能覆盖全部区域， 就要布设较多的基站，有效覆盖率会降低。 若要尽可能提高有效覆盖率，则必然不能覆盖全部区域。

2.1.2 圆形区域覆盖（半径R）

当r≥R 时，显然n=1，η 无保证。

图2 n=3 时

图3 n=4 时

这些时候虽然存在很讲究的最优覆盖方案，却都算不上良好的覆盖方法，即不存在良好的覆盖方法。 但这些都是非常特殊的情况，在实际工程应用中不必苛求整个圆的每个部分都一定要覆盖，可以作适当的取舍。 例如r→R 时， 用1 个小圆覆盖大圆，大圆边缘位置会有无法覆盖的情况，但是损失的仅仅是很小一部分面积，仍可认为η=100%。具体如何实施要看具体的要求。

显然，当R＞＞r 时，这种覆盖方法的效率稳定在63.5%附近。 因此，该方案适用于密集地带，覆盖率在63%左右，优点是覆盖区域无死角。

2.2 考虑多种限制条件的覆盖方法

实际应用中，道路条件十分复杂，纯面积覆盖法常常难以满足要求。 不同应用模式下需要纳入考虑的限制条件也不同。 将所有限制条件一并放入统一覆盖方法中显然难以实现，即使实现得到的成果也缺少推广价值。 因此本研究考虑的覆盖方案，逐步增加限制条件，层层递进，由简至繁，并且在实际应用时可结合案例的特殊性继续增加限制条件，从而获得较为满意的答案，考虑多种限制条件的覆盖方法如下。

2.2.1 模型概况

构建一种通用的基础底层算法，在面对实际情况、有不同的限制条件时，可以在底层算法上进行修正补充，得到解决问题的方法。 本研究建模中所有涉及到的方向和角度，都以正东为0°，表示区间为[0°，360°]；所研究道路为直线型。

利用数组存储路口站台位置信息布设基站。 设有n 个路口V，m 个站台T， 构造数组F=[V1，V2，…，Vn，T1，T2，…，Tm]，令初始F 所有元素为0，确定要布设在某个位置就令其值为1， 确定某个位置不布设基站就令其值为-1，最后值为1 的为布设基站的位置。

2.2.2 具体建模

首先建立路口矩阵（矩阵A）用邻接矩阵来存储路口关联信息。 邻接矩阵（Adjacency Matrix）：是表示顶点之间相邻关系的矩阵。设G=（V，E）是一个图，其中V={v1，v2，…，vn}。G 的邻接矩阵是一个具有下列性质的n 阶方阵：（1）对无向图而言，邻接矩阵一定是对称的，而且对角线一定为零（在此仅讨论无向简单图），有向图则不一定如此。 （2）在无向图中，任一顶点i 的度为第i 列所有元素的和，在有向图中顶点i 的出度为第i 行所有元素的和， 而入度为第i 列所有元素的和。（3）用邻接矩阵法表示图共需要n2个空间，由于无向图的邻接矩阵一定具有对称关系，所以扣除对角线为零外，仅需要存储上三角形或下三角形的数据即可，因此仅需要n（n-1）/2个空间[4]。

若路口i、j 间有道路直接相连时，aij=1，否则aij=0。

其次用一个矩阵B 来存储所有的公交车站信息。矩阵B 中的每个元素都是一个数组。保存车站信息具体过程如下：

当路口i、j 不相连时，即aij=0,bij=0。

否则，如果aij=1，bij=[n,θ,l0,l1,l2...ln]n≥0,n 为路口i、j 间公交站台个数，θ 为道路i 至j 的角度。

n=0 时，l0即为路口i、j 之间的距离；

n≠0 时，lk为第k 个公交站台与第k+1 个公交站台之间的距离，0＜k＜n；

特殊的，l0为路口i 与第1 个公交站台的距离，为第n 个公交站台与路口j 间的距离。

规定路口编号从i 到j。

此时，整个道路网路口和站台的信息已经全部以数学形式保存在矩阵和数组中。 可以进一步研究同一个路口所连的任意两个公交站台间的平面位置关系，即距离和角度。

设有3 个路口V0，V1，V2，

若已知b02=[n2,θ1,lp0,lp1,lp2,...,lpn],

b02=[n2,θ2,lq0,lq1,lq2,...,lqn],

b12=0,则可获知V0V1、V0V2为连通路口，V1V2两路口不连通。

V0V1间第p 个公交站台T1（p≤n），与V0V2间第q 的公交站台T2（q≤n）的位置关系。

距离公式：

角度公式：

最后考虑基站布设方案，这里考虑的基站有效通讯半径r 与相邻公交站台间距离l 相当， 一般来说r 略小于l。

（1）情形1：只考虑最基本的覆盖所有路口和公交站台

在城市公交线路上， 信号交叉口和公交站台附近易形成交通流堵塞。 通过布设基站及时采集公交车辆到达及排队信息， 对于有效缓解排队堵塞，加快通行效率，均匀交通流量有着十分重要的意义。

布设方案：在每个路口和公交站台布设基站。

（2）情形2：考虑最覆盖所有路口和公交站台，并且考虑约束条件

在交叉口和公交站台相距较近的情况下， 重复布设基站显然浪费资源， 获取的数据由于时间间隔较小也不具有更新价值。 为了较为及时地获取有效数据，将基站布设在信号前端（及道路上游地区）。

因此设置限制条件：公交站台有方向。 若站台距离路口足够近（x＜r1）：站台为上游（即车先经过站台），则优先在站台布设；路口为上游，则优先在路口布设（r1为一确定数值，显然r1＜r，r1与r 的具体关系要不同情形有所区别）。

布设方案：将原来的数学模型进行改进。

原来的bij=[n,θ,l0,l1,l2...ln]中l 为一个表示距离的数据。 为了解决条件2，将l 改进为1 个二元数组，l=[d，e], d=±1 （站台方向与i→j 方向一致时为1，反向为-1）。

遍历所有的l0，若其元素d＜r1，则判断：

对l0：若e=1，则布设在路口；若e=-1，则布设在站台。

（3）情形3：在条件2 的基础上增加约束条件

在交叉口附近公交站台密集（≥2）的情况下，交叉口作为中心位置， 可作为信息统一采集源，避免信息重复及资源浪费。 这种情况下，显然在交叉口布设基站采集有效数据较为合理。

因此设置限制条件：若路口附近（x＜r1）有大于或等于2 个站台，优先布设在路口。

布设方案： 增加一数组C=[x1,x2,...,xn]，n 为路口个数，用来记录路口附近站台个数。

数组C 所有元素初始值为0。遍历所有的l0，若在bij中的l0子元素d＜r1，则在对应的x1中加1。

遍历完所有的l0,后，遍历数组C 中元素。

对C 中元素：

若xi=0，不做特殊处理；

若x1=1，查询所有的bij中l0，找到附近的站台，若e=1，则布设在路口。 若e=-1，则布设在站台；若x1≥2，则基站布设在路口。

（4）情形4：在情形3 的基础上增加约束条件

限制条件：若路口附近（x＜r1）有大于或等于2个站台，且两个站台间的距离十分接近（x’＜r1），在三点中心位置布设基站（不考虑超过两个站台，因为设定的基站通讯半径不超过两倍的同一道路上的站台间距）。

布设方案： 对情形3 的处理结果进行修正。

对xi=0 或1 的情况不作修改， 主要针对xi≥2的情况进行修正。

若xi≥2， 可找到对应附近的站台T1，T2，...，Tn（n＞1）。

根据上述公式，可以求得任意两个站台间的距离，共得到数据量有。

对每个数据进行判断，若满足条件x’＜r1，则令数组F 中路口、两个站台对应量为-1。

已知路口，两个站台间所构成三角形的所有边角大小（边角计算可利用上述公式），根据三角形中心计算公式，可求得基站布设点位置。

（5）情形5：考虑单行道情况

根据国内外多年实践经验，解决交通拥堵最有效和可行的措施之一就是实行单向交通[6]，实行单向交通可大大提高城市道路的利用率，提高车流速度和车流量，这对解决城市交通拥堵、减少交通流量多集中在少数几条干线上且分布不均等交通难题具有很大作用[7]。

因此设置限制条件： 在上述限制条件的基础上，增加限定条件——单行道仅在靠近路口的站台铺设基站。

布设方案：此时涉及到有向道路。 因此对于道路信息的处理要改为有向图邻接矩阵。

由于在有向图邻接矩阵中上三角与下三角元素不对称，因此在搜索时要遍历整个矩阵。

对于情形2～5 的限制条件，在原来处理过程中在单行道的各个公交站台也布设了基站，因此只需要做补充算法：

①搜索单行道特征：aij=1，aij=0；

②对单行道的基站布设特殊处理：仅在路口附近站台铺设基站，其余站台T=-1（不铺设基站）。

3 结语

车联网的大环境下，智能公交系统的运营正在逐日完善，并且一步步影响着人们的生活。 作为其中的关键技术之一，合理而科学的路侧通讯设备的布设方法为完善公交系统信息资源的高效集成及调度提供可能性。 本研究的创新之处在于提供一种科学的、易于推广、具有普适性的路侧通讯设备布设方法，即结合实际路线考察与通用覆盖方法为一体的思路体系。 在道路状况复杂，城市原有公交线路老化，公共交通信息亟需合理采集并服务于公众出行者，本方法具有重要的参考及借鉴价值。