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GIS开发应用于城市交通控制及管理

 

1  城市交通控制系统和地理信息系统
1.1  城市交通控制系统
    城市交通控制系统在交通管理中应实现如下功能:一是控制参数的输入及人工调整,系统自动控制,能够实现绿波控制、单点控制、区域控制、手动控制、自动控制等多种交通控制方式;二是交通数据自动采集与处理,通过检测器可对路口每个车道的车流量、噪音等环境参数进行自动采集、存储和处理,在数据分析处理的基础上,提出改进方案,为改善城市交通控制提供决策依据;三是对系统硬件、软件的工作状态和故障情况进行全面监视。
    随着计算机技术和自动控制技术的发展、以及交通流理论的不断完善、交通运输组织与优化理论技术、水平的不断提高,交通控制系统的功能得到增强,控制手段将越来越先进,城市交通控制系统也将不断的得到提高和完善。
1.2  地理信息系统
    地理信息系统GIS)是20世纪60年代发展起来的一门具有空间数据分析功能的计算机系统。从图1中我们可以看到GIS的系统构成,它是一个以计算机为工具、具有地理图形和空间定位功能的空间数据管理系统,是一种特殊又非常重要的信息系统。GIS是伴随着电子计算机的发展和社会需要而逐步发展起来的,并成为信息产业重要一环,其应用广度与科学内涵远远超过过去以制图自动化与图形分析为主体的初级水平,逐步形成跨学科的多层次、多功能的区域综合与空间分析工具。GIS已不仅仅局限于研究物质流与能量流的信息载体,而且包括研究地学信息流程的地球动力学机理与时空特性、地学信息传输机理的不确定性(多解)与可预见性(多维)以及制定对地观测与数字模拟的特定技术手段与分析研究方法。近年来,随着计算机的发展,特别是计算机互联网技术的高速发展和广泛普及,使得GIS的应用越来越广泛、越来越普及、越来越深入,GIS的发展前景也越来越广阔。
    地理信息系统软件有很多,比较典型的有:国外的 MapInfo、ArcGIS以及国内的TopMap、SuperMap等。这些软件基本都具备如下功能:电子地图组织与整理;地图浏览、实体选择与编辑;图层的实体分级显示;图层属性数据管理及其与空间数据的关联;专题分析;空间查询与操作;栅格分析;等值线、等值面分析;拓扑分析;网络分析等。
2  在交通控制系统中引入地理信息系统的必要性
    交通数据包括各种静态、动态数据,其中静态数据包括路网结构、道路几何形状、车道数、路口参数、交通标识设施、公共汽车站、停车场及对交通流有很大影响的机构、场所等;而动态数据则主要涉及交通流量、车流密度、配时方案、道路的占有率、拥挤路段、路口排队状况以及绿波带状况等。这些数据都有很大的地理位置依赖性,如果只是简单地将这些数据存储到系统中,再和地图对照或者将其与地理信息隔离开,都将破坏数据的关联性,从而导致数据的孤立,降低交通控制系统的有效性。只有当这些数据和地理信息系统有效地整合在一起时,这些数据才会变得更有价值,从而对交通控制起到指导、检测和优化的作用。
    随着当前道路交通建设规模的扩大、交通设施现代化程度的提高以及路网复杂程度的日益增加、交通流变化频率的加快,交通部门的各项工作正日趋紧张和繁忙。如仍沿用几十年以来的分析、绘图和现场采集方法去解决各种数据的收集与处理工作,将大大限制他们应付当今各种复杂问题的能力;同时还会遇到各种交通控制和管理中解决不了的问题。引入GIS后,可以利用微机与系统主机相连接,通过电子地图的各种显示标志,实时显示以下内容:控制区域范围内全部信号灯的显示状态、路口拥挤程度、信号控制机工作状态的显示等。另外,地理信息系统的引入还可以支持远程监视、控制和维护功能。在该系统中,可以实现建立、编辑、显示、查询、分析和管理空间数据库,对交通控制和管理具有以下作用:交通数据的地理依赖性分析处理;交通控制实时模拟仿真;交通设施的系统化管理;在对大量历史数据进行分析的基础上进行数据建模,从而提供诱导方案和控制方案;结合路网提出未来交通控制参考模型。
    在交通控制和管理中引入地理信息系统,既符合交通管理者的要求又符合广大交通参与者的要求。在这个综合信息系统中,管理人员不仅可以通过各种检测手段实时监测路段、路况信息及交通状况,并在此基础上实施控制,而且还可以高效管理交通设施。同样,对于交通参与者来说,借助于卫星定位系统可以获取更多的交通信息,从而选择最优行使路线,以提高效率节省时间。
3  交通控制系统与地理信息系统的结合
3.1  系统构架
    系统由各种信息采集/传递设施、综合信息数据库、数据处理平台和操纵控制平台组成,核心是综合信息数据库。信息采集/传递设施是指包括路口控制机在内的各种智能终端,路口控制机主要负责路口信号控制,其他各种终端主要包括用于采集信息的各种线圈、监视设备,以及用于传递信息的各种电子指示牌、显示器。综合信息数据库是指交通控制数据库和地理信息数据库:所有时段、计划等控制方案信息存储在交通控制数据库中,而路段、路况、路口、子区(路网在作区域控制时所划分的控制区域)、交通设施等信息以及路段、路口的动态、静态交通数据存储在地理信息数据库里;二者整合在一起构建交通控制管理中心数据库,对各种路口、子区信息以及对路口的操作等进行统一管理,并能通过该系统实时监测交通设施及交通控制的状况。数据处理平台对数据进行统一管理和计算,并在该平台上由管理员对数据进行系统构建、维护等较高级别的数据库生成、修改、维护操作。操纵控制平台由公路交通管理人员用来调整时段、计划,检测各路口的运行状态,作远程控制。在操纵控制平台与各种交通控制终端设备之间用高速数据链路通信设施进行双向通信。
3.2  系统实现
    系统实现可以分为两个步骤:首先是系统开发,然后是大量数据的采集和录入。
3.2.1  系统开发
    由系统结构图(见图2)可以看出,由交通控制数据库和地理信息数据库组成的综合信息数据库是数据处理平台和操纵控制平台读取、处理、存储数据的基础。下面着重介绍这部分的构架及建设,而数据处理平台和操纵控制平台的开发属于一般的软件编程,稍后只作简单介绍。
综合信息数据库中大量的数据和数据管理人员及交通控制人员之间发生联系是通过平台上的综合信息地图。所谓综合信息地图是建立在交通控制区域地理地图的基础上,将各种静态、动态数据按照对象的方式呈现于其上的综合性电子地图。各种数据对象按照分类建立在不同的图层上,其各种属性按照是否具备地理位置相关性分别存储在地理信息数据库和交通控制数据库中。
    根据数据在实现系统功能上的不同,可将数据(包括数据的相关操作)分为以下三个模块。
i)地理交通信息模块
    建立综合信息数据库,首先需要对一个地理区域乃至一个城市的交通路网结构的实现,这种路网结构包含 路网内的统计概念上交通流分布,即需要历史数据或大量的实时交通流数据作为路网构架的基础。本系统使用了天津市近5年的交通流量调查结果作为历史数据,在TopMop中建立了综合信息数据库中的地理交通信息模块;在GIS中用颜色的变化表示各地理路段在一天的各个时间段中的交通流的大小,并作为各类交通管理手段应用的基础。程序提供了强大的数据接口,并提供交通流检测设备的软件接口,可以实现对交通流数据的动态修改。
ii)交通控制模拟模块
    在交通流覆盖的路网结构上,实现各种交通控制方式,在路网上的道路交叉口应用图层建立交通信号控制对象,并模拟一个子区内的路口信号的协调控制。将控制相关的数据(时段方案,日期设定,相位设置、区域协调控制方式等)存储在控制数据数据库中。
iii)交通设施统计查询模块
    建立交通设施静态信息数据库,对路网中的各类静态交通设施(各种路标、指示牌、红绿灯设备、检测线圈等等)的所属信息进行统计与查询,其数据字段包括所属类别、名称、编号。其编号是惟一的,因此可以由编号在两个数据库中查找该实体的安装日期、产品类型、功能,以及实物图片等信息。
根据以上数据模块的分类,在综合信息地图中建立若干独立图层。例如,相位层,采用不同的方向标志来代表不同的路口相位,采用与红绿灯相同的色彩来表示路口当前各相位的红绿灯状况。方向标志的具体位置与具体路口在地图中的位置有关,而其参数设置(相位绿灯时间、相位过渡方案等)则与该路口在交通控制数据库中的控制参数有关。
    下面介绍数据处理平台和操纵控制平台的开发。上文中曾经提到过数据的处理和交通控制主要是通过综合信息地图来完成,而综合信息地图的生成及操作是在地理信息系统环境下完成的,因此上述两个平台的开发关键在于地理信息系统软件的植入。在众多的地理信息系统软件中,我们采用了北京慧图公司的TopMap Professional桌面系统及其嵌入式开发组件TopMap ActiveX。这套系统不仅具备良好的中文操作界面而且具备较好的二次开发接口兼容性。TopMap ActiveX是一个集各种数据模块于一体的嵌入式组件,该组件具有各种内部函数,这些函数涉及地图的调入、浏览、修改、保存等操作,以及有关图层、对象的各种操作,在C++ Builder开发环境下可以很方便的使用TopMap ActiveX达到各种操作的目的。具体的开发在这里不做赘述,通过后面的系统运行就可以了解数据处理平台和操纵控制平台的实现机理。
3.2.2  数据采集和录入
    作为系统建设的重要一步,我们应在软件开发完成后采集并录入所有的必要信息,主要有各种地图,各种重要的机构、标志性建筑等的地理位置,路段信息,路况信息及交通标识,路口机红绿灯设置及与交通控制有关的公路标志线。数据的采集过程可以借助各种感应装置、摄像器材、计算机绘图等方式。在数据的采集过程中,值得注意的是数据的空间相关性以及数据的格式兼容性。有了足够的信息,再对数据进行综合处理,并录入到数据库中。
3.3  系统运行
    系统运行时按功能可以分为以下几个模块:第一,信息采集/传递模块,主要是通过线圈、摄像器材、显示器材等采集交通数据、交通设施状态及发布交通信息和诱导信息;第二,管理控制模块,在操作控制平台上交通管理人员通过图形化界面对交通实施感性控制并管理交通设施;第三,控制优化模块,通过各种历史数据及实时数据利用模型对交通控制进行优化,提供及时交通控制建议方案及远期控制建议方案。下面仅以管理控制模块中的一个功能来展示系统的实现过程。
    由交通控制系统进入交通模拟这部分,将看到操作控制平台界面。地图操作菜单项下主要有以下几个选项组成:放大、缩小、点击、漫游、全图显示。“动态显示”下的菜单项是这部分的主要功能之所在,主要有四块:观察路口,观察子区,路口模拟和子区模拟。
“观察路口”菜单项用以实现路口当前状态的实时展示。程序实现上是按照下面的流程进行:在操作控制平台上选取地图上的路口,路口号及当前时间,程序将用户所作的数据选择传到数据处理平台;数据处理平台首先根据当前时间对数据库进行查询,由当前时间可以得到所选路口的详细信息及其所在子区的特殊日信息(特殊日是指路口机上预存的日期及相应日期所采取的计划号)以及工作日类型、时段、计划等信息;根据当前时间还可以判断出当前所处的特定时段区间,然后根据此信息查询对应的计划、过渡方案,再由过渡方案和灯组类型、灯组方案计算路口的每一个灯组所处的状态,处理完成后的数据将反馈到操纵控制平台;操纵控制平台在图形界面下将路口的状态模拟出来,据此交通管理人员不仅能够观察路口的当前状态,还可以结合路口信息采集设备传送来的信息诊断路口的工作状态是否正常。
4  结束语
    地理信息系统与交通控制系统的结合是交通控制系统进一步发展的必然方向,也是解决交通拥挤问题的理想方案。如何高速地采集数据并实时地将控制信息传达给交通参与者,对系统的高效运行有重要影响,值得作进一步的探讨。

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