位置信息在智能交通中的應用研究

南京市公安局交通管理局 南京 210019

引言

隨著經濟的快速發展，城市機動車擁有量急劇增加，交通擁堵問題日益嚴重，由此引發的交通安全和環境污染等問題，已嚴重影響了人們的日常出行，并成為制約城市社會和經濟發展的瓶頸。采用先進的交通管理與控制手段，調節出行需求和出行行為，是應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揮的作用越來越顯著。

隨著手機以及其他移動終端的不斷普及，基于位置信息的空間數據量快速增長。較早進行位置信息應用的是谷歌地圖，通過地圖上的標記功能，對用戶興趣點進行挖掘并有針對性地推出商業廣告。在智能交通領域，與地圖相結合的交通誘導、交通控制等問題也逐漸得到了廣泛的應用。國內外對位置信息的研究主要有利用手機信令、車載GPS(北斗)、RFID等數據獲取道路交通狀況[1]，提供車路協調的車輛位置信息[2]，用戶行為軌跡分析[3]，車輛通行路徑分析與預測[4]等。

本文對交通系統中的位置信息進行了定義和分類，介紹了常見的位置信息獲取方法，結合智能交通管理的實際需求和目前位置信息技術的發展現狀，分析提出位置信息在交通信號控制、公交信號優先控制、輔助安全駕駛等方面的創新應用。

1 交通系統中位置信息的定義

交通系統中的位置信息是指道路交通系統中動靜態目標和設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。與交通流三參數相結合，空間特征描述體現在交通系統中車輛的密度和流量參數，時間特征描述體現為速度參數。

2 位置信息的分類

2.1 按對象目標分類

交通系統中的對象目標包含人、車、貨物和交通設施，根據這些不同的目標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施位置信息。

2.2 按獲取的空間間隔分類

在交通系統中，根據獲取地點之間是否連續將空間位置信息劃分為兩類：單點的空間位置信息，即獨立的點位置信息；連續的空間位置信息，即具有連續關系的點的位置信息。

2.3 按獲取目標信息分類

把交通系統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，根據獲取目標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

在交通系統中，依據獲取位置信息范圍可以劃分為三類。1)點位置信息，即某一點的時間、空間信息；2)線位置信息，即某一段路的時間、空間信息；3)網絡位置信息，即某一區域路網的時間、空間信息。

3 位置信息的獲取方式

隨著無線網絡技術的迅速發展，獲取位置信息的技術手段日益完善。在交通系統中常用的有7種方法。

1) 衛星定位。衛星定位即使用衛星對人或物進行準確定位的技術。通過在車輛上安裝車載終端，實現對車輛的行駛位置、狀態信息等智能化采集，從而實現車輛業務管理以及數據交換和共享，如圖1所示。

圖1 衛星定位示意圖

2) 射頻識別(Radio Frequency Identification Devices，RFID)。RFID技術通過無線射頻方式進行非接觸雙向數據通信[5]，對目標加以識別并獲取相關數據。長距射頻產品多用于交通系統中，識別距離可達幾十米，如車輛跟蹤識別和自動收費(ETC)等，如圖2所示。

3) 手機信令。在移動通信網絡中傳輸著各種信號，其中一部分是用戶的需要(如電話語音、上網數據包等)，另一部分是使全網有序地工作、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。通過基于手機信令的采集技術利用現有的移動網絡資源，以車輛內的手機作為“探針”[6]，通過手機信令進而可以獲取車輛在道路上的位置、移動速度等信息，進而獲取實時交通數據和動態交通出行數據。

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

5) 無線保真技術(Wi-Fi，Wireless Fidelity)。Wi-Fi指不需要布線就可以實現各個設備之間的網絡連接，是目前無線網絡的主要技術標準[7～8]。比如公交車內布線不方便，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獲取位置信息數據示意圖

6) 正向微波。如圖4所示，和現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，其雷達天線將雷達波投射在路面上，遇到物體反射回來連續回波信號，經過分析，系統就能得出準確的目標信息，并開始對這些目標進行跟蹤和測量，直至目標離開檢測區域。正向微波檢測器不僅能實現大區域大范圍檢測、提高檢測精度，而且能擴大檢測功能，并具備事件檢測功能。

圖4 正向微波示意圖(左側為非正向，右側為正向)

7) 監控視頻。監控視頻系統由攝像、傳輸、控制、顯示、記錄5部分組成。攝像機通過同軸視頻電纜將視頻圖像傳輸到控制主機，控制主機再將視頻信號分配到各監視器及錄像設備，同時，可將需要傳輸的語音信號同步錄入到錄像機內。通過控制主機，操作人員可發出指令，對云臺的上、下、左、右的動作進行控制及對鏡頭進行調焦變倍的操作，并可通過控制主機實現在多路攝像機及云臺之間的切換。利用特殊的錄像處理模式，可對圖像進行錄入、回放、處理等操作。通過監控視頻，能夠判定車輛的運動狀態(路線、位置、速度)[9]。

4 位置信息的應用研究

通過各種技術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用價值。

4.1 交通信號控制

交通信號控制系統的主要功能是自動協調和控制整個控制區域內交通信號燈的配時方案[10]，均衡路網內交通流運行，使停車次數、延誤時間減至最小，充分發揮道路系統的交通效益。

1）單點信號控制。單點信號控制又稱為“點控制”，應用在城市郊區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，可獲取交叉口進口道渠化段內的車輛到達規律、通行狀態、排隊長度、離開停車線的規律等信息，優化交叉口信號配時，提高信號控制的適應性和效果，進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。干道交通信號的協調控制，也稱“線控制”或“綠波帶控制”，通過調節主干道路上各信號交叉口之間的相位差，使干道上按規定車速行駛的車輛每到達一個交叉口時獲得盡可能不停頓的通行權。本文提出，在常規綠波信號相位差協調的基礎上，通過車輛在干道各交叉口的進口道的位置信息，進一步實時、動態分析每一個交叉口所需要的綠波帶寬和實際的車輛通行指標，提高干道綠波控制效果。

3）區域交通信號控制。區域交通信號控制是以整個網絡內的主要交叉口的信號為控制對象，根據需要，系統的控制目標可以有所不同，所以它的目標函數可以用網絡的總延誤和停車率的加權和表示，也可以用平均車隊長度或總的油耗作為系統的目標函數。

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下游交叉口的時間等)對信號配時優化至關重要。本文提出通過無線通信、衛星定位等技術獲取車隊的位置和速度等信息，對將要經過單一交叉口、主線交叉口鏈以及區域交叉口群的時間進行計算、預測，是科學合理確定周期、相位差以及綠信比等關鍵信號控制參數的基礎與前提。

4) 公交信號優先控制。公交信號優先控制是在保障交叉口交通暢通的前提下，實現公交車輛的優先通過，其技術基礎是對公交車輛到達下游交叉口的時間進行預測。目前常用的方法是通過車載定位設備(如GPS、北斗系統等)，實時高頻率地獲取公交車輛位置、速度等信息，并在關鍵點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。以公交車輛距離下游交叉口的距離、行駛速度以及到達下游交叉口的時間等參數作為下游交叉口信號配時參數確定的重要依據，以保證實現公交車輛優先通過。南京已經實現了基于公交車輛亞米級定位數據的區域性公交信號優先控制，控制范圍內公交車在信號燈控路口的停車次數和停車時間減少15%以上。

近幾年，學者們發現現有的交通信號控制方法對常發性擁堵的緩解具有顯著的效果，但是處理非常發性擁堵的效果不盡人意。針對這種情況，國內外學者通過構建智能化的自適應信號控制系統，根據實際的道路交通狀態，實時調整信號配時方案。Han等[11]根據位置信息，把區域交通信號控制歸結為動態Stackelberg博弈問題，構建雙層均衡約束模型，有效地緩解了非常發性的交通擁堵。

4.2 輔助安全駕駛

不按規定車道行駛、頻繁變換車道、占用應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因素。宋向輝等[12]依據車輛的精確位置進行車輛安全預警服務，提出一種用于車輛安全預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，在提高運算效率的同時保證了車輛與車輛或車輛與基準參照物間相對位置的判定精度。

2014年9月，豐田公司[13]發布了最新版的自動高速公路駕駛輔助系統，新版AHDA根據美國公路的實際環境進行了改進，可達到時速110km/h。利用前置攝像頭和77GHz毫米波雷達的數據來檢測道路標志線和前方車輛，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行駛，且更加輕松安全地保持行駛路線。

采用先進的多種車載傳感技術和移動寬帶通信技術[14]，獲取高精度的車輛位置信息，可以對車輛的行駛狀態以及駕駛人的不良駕駛行為進行智能分析，實現駕駛行為的遠程、實時識別與監控，從而及時提示駕駛人規范駕駛行為，為從根本上杜絕不良駕駛行為提供先進技術手段和有效管理途徑。未來的安全輔助駕駛技術將采取多種傳感器融合的方法[15]，結合毫米波雷達和激光雷達系統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的應用和推廣。

4.3 交通誘導

根據路網中大量車輛的位置信息，可以掌握區域動態交通流的分布特征，進行運行態勢的短期預測；基于路網層面短期態勢預報的結果，為出行者在途誘導方案優化提供依據[16]，從而為出行者提供實時的交通信息和建議出行信息。路網級大規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勢，根據未來路網服務水平的變化情況，不斷調整、優化誘導方案，避免陷入布雷斯悖論。即當所有車輛都在尋找最有效的移動路線時，實際上會降低整個網絡的運行效率。

實時交通信息在交通誘導中有著重要的作用，針對大量的實時語言交通信息沒得到有效應用的問題，張水艦等[17]分析了自然語言交通信息的表達特點，得出自然語言交通信息中地理位置的表達方式，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航軟件結合，準確地對出行者進行誘導。

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的動態虛擬交通誘導系統，利用用戶所處環境數據以及地圖匹配算法提高用戶定位精度，通過交通路網動態規劃，過濾多余的道路交通狀態信息，精簡發布信息量，運用數據交換層技術以及坐標轉換算法擴大系統在移動設備上的適用范圍，提高交通狀態信息的發布效率。本文提出在現有的交通誘導基礎上，根據車輛的位置信息，可以為駕駛人員提供分時段、分路段的實時加預測的交通誘導信息服務。

4.4 交通安全實時引導

近些年來，隨著無線網絡通信技術和智能交通領域中信息化技術的快速發展，車載自組織網絡(Vehicular Ad Hoc Network，VANET)[19]逐漸發展起來。VANET網絡主要是通過實現車輛與車輛之間通信(V2V)、車輛與道路旁基礎設施之間的相互實時通信(V2I)以及V2V與V2I相結合的通信體系，并利用這些通信方式來改善道路交通的安全，構成了一種適用于交通通信環境的無線移動網絡。

VANET網絡利用高精度的車輛位置信息，精確掌握運動車輛之間的間距、實時判定車輛間的安全距離；如果發現車間距過近有發生碰撞的可能時，及時告警并立即剎車減速，同時通過VANET網絡向后方跟馳車輛發送預警消息。該系統可以彌補駕駛員受視界因素影響(特別是在惡劣天氣環境下)的反應延時，對駕駛員進行實時引導，從而有效避免車輛碰撞事故發生。

4.5 車輛電子車證

電子車證是RFID技術、衛星定位技術及無線通信技術在智能交通領域的典型應用[20]。在電子車證系統中，包含電子標簽的電子車證通常安裝在車輛的前擋風玻璃上，電子標簽包含車輛的號牌、歸屬等信息；包含讀寫器及天線的數據采集設備安裝在道路上方或停車場的出入口處。當車輛經過讀寫器天線作用區域時，車輛上的電子車證被讀寫器識別，電子標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時計算行程時間，Lee等[22]改進定位算法，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，能夠為道路交通管理部門提供實時的交通流運行狀況信息，為交通運行狀況評估、短期預報與事件自動檢測等服務。

5 位置信息在交通管理中的可發展方向

隨著時間的推移，歷史交通流數據呈PB級增長。這些數據不僅可以用于交通管理、控制、誘導等實時應用，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。

隨著移動互聯網的快速發展，移動終端的位置信息也將是位置信息服務的重點，出行者的手機、平板電腦等數據的位置信息可以為傳統的位置信息數據作補充。

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，出行者的起訖點信息(生活、辦公等區域)、個人隱私等數據在發布之前需要進行加密，提高出行安全性。

6 總結

本文分析位置信息在交通系統中的空間和時間特點，結合智能交通管理系統的建設需求，闡述基于位置信息的智能交通管理技術的發展趨勢；提出基于位置信息的智能交通技術應用方向，為進一步深化位置信息在智能交通管理系統中的應用提供了參考。

智能交通系統是一項龐大復雜的系統工程，涉及城市交通運行管理的多個領域。目前有關位置信息服務的相關標準仍需要不斷成熟與規范，但基于位置信息的智能交通管理技術無疑順應未來的技術發展趨勢，必將帶來交通管理手段的創新和能力的提升。當前基于位置信息服務交通管理的發展重點不僅應著眼于平臺的建設，更應注重拓展服務與管理需求，加強位置信息服務在實際的交通管理中由點及面的深入推廣。

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