基於物聯網的城市交通流誘導系統的製作方法
2023-12-05 05:08:27
本實用新型涉及智能交通技術領域，尤其涉及一種基於物聯網的城市交通流誘導系統。
背景技術：
改革開放以來，中國經濟走上了快速發展的軌道，城市化進程不斷加快，不僅為中國城市交通發展提供了良好的契機，同時也對中國城市交通提出新的挑戰。如何從我國國情出發，借鑑國外先進經驗，制定城市交通的戰略性決策，使城市交通擺脫擁擠和遲緩，走向健康、長遠、可持續發展的正確軌道，是當前亟待解決的重要課題。
智能交通系統的開發與應用，標誌著交通管理工作正朝著智能化、科技化的方向邁進。但隨著城市經濟的不斷發展，交通問題不斷增加，逐漸暴露出該系統中存在的不足之處。目前，我國智能交通系統的建設存在如下幾點不足:
(l)信息自動採集系統還不完善(如流量檢測系統)，使得管控中心相應的信息發布工作和決策相對滯後，並且更加缺少強有力的數字作為依據。
(2)管控中心所用的計算機系統沒有完全與外部設備聯網(如可變情報板、交通信號燈)，導致管控中心不能在短時間內做到及時進行信息發布和流量調整等。
(3)交警支隊各部門尚未完全實現辦公自動化和網絡化，從而不能完全做到提高效率、信息共享。
(4)管控中心的計算機監控系統未與交通、市政、公交公司、規劃等其它相關部門進行網絡互聯，使得管控中心對於整個決策工作，缺乏豐富的信息基礎。
(5)管控中心各子系統的相關軟、硬體沒做到有機的結合，導致各子系統之間相互獨立，某些相關信息不能真正的、及時的進行融合匯總，從而增加了工作人員的工作強度，降低了其工作效率，並且影響了工作的科學性、準確性。
引導城市路網中的交通流在不擁擠的路段和交叉路口中運行，要解決這個問題，首先必須解決動態的和隨機的交通流量在路段和交叉路口的分配問題，在學術上稱之為「實時動態交通分配」(Real-Time-Dynamic Traffic Assignment)。實時動態交通分配問題(DTA)是智能交通系統(ITS)的核心技術之一。目前國內外還未真正解決這個理論問題。傳統的交通分配以OD量為基礎，運用圖論、數學規劃、計算機模擬等方法求解，計算量大，優化時間長。
技術實現要素：
本實用新型所要解決的技術問題是提供一種基於物聯網的城市交通流誘導系統，所述系統可以精準的誘導車輛行駛，有利於改善日益惡化的交通狀況，提高城市的整體效率。
為解決上述技術問題，本實用新型所採取的技術方案是：一種基於物聯網的城市交通流誘導系統，其特徵在於：包括交通流誘導服務系統和車載誘導信息系統，所述交通流誘導服務系統包括若干個攝像機、若干個交通信號機、若干個可變標識牌、交通流和信息發布中心、交通控制中心、導航衛星和基準臺，所述攝像機布置於各條街道上，用於採集車流信息和可變標識牌信息，攝像機的視頻信號通過物聯網上傳至車載誘導信息系統及交通流和信息發布中心，交通流和信息發布中心信號輸出端與所述交通控制中心的信號輸入端連接，用於將實時動態交通信息傳送至交通控制中心進行處理；交通控制中心的交通信息輸出端分別與所述交通信號機以及可變標識牌的信號輸入端連接，所述交通信號機用於控制交通，所述可變標識牌用於動態顯示交通信息；所述基準臺的信號輸出端分別與所述攝像機的信號輸入端以及衛星的差分定位信號輸入端連接；所述導航衛星為所述車載誘導信息系統提供導航服務。
進一步的技術方案在於：所述車載誘導信息系統包括雙向通信裝置、車載電腦、人機互動模塊和車載接收機，所述車載接收機與所述車載電腦的輸入端連接，用於接收導航衛星的導航信號，所述雙向通信裝置與所述車載電腦雙向連接，用於接收並發送數據；所述人機互動模塊與所述車載電腦雙向連接，用於輸入並顯示數據。
進一步的技術方案在於：所述人機互動模塊為觸控螢幕。
進一步的技術方案在於：所述人機互動模塊包括與所述車載電腦的輸入端連接的按鍵模塊和與所述車載電腦的輸出端連接的液晶顯示模塊。
進一步的技術方案在於：所述交通控制中心內設有交通誘導信息服務子系統，交通誘導信息服務子系統包括交通信息採集模塊以及行程時間預測模塊，所述交通信息採集模塊用於採集各種交通信息；所述行程時間預測模塊，用於預測規劃路線的行程時間。
進一步的技術方案在於：所述交通信息採集模塊所得到的信息包括:路段交通流量、交叉路口信號配時、車道佔用率、車速、交通管理措施、道路施工信息以及突發交通事件。
進一步的技術方案在於：行程時間通過通信鏈路傳遞到車載誘導信息系統，並且按照一定刷新頻率來更新車載誘導軟體中的路阻資料庫。
進一步的技術方案在於：所述車載電腦內設置有車載用戶端交通路徑誘導子系統，所述車載用戶端交通路徑誘導子系統包括地理信息對象化模塊，用於完成地理實體的對象化工作，將要進行控制的目標地理實體進行對象化，相應的對象有自己特有的屬性、方法和函數；小區識別模塊，該模塊在一定歷史條件下對用戶輸入的起點及目的地所處的區域編號，兩個分別代表起點及目的地的對象將兩個交叉口的編號傳遞給小區識別模塊，該模塊根據交叉口與小區的路網拓撲關係資料庫來確定生成路網小區；路網重建模塊，用於根據小區識別模塊所確定的小區位置，把這個區域所包含的交叉口號合併成一個交叉口序列，作為搜索最優路徑的路網節點；路阻建立模塊，用於按照出行者所要搜索的道路交通網絡中交叉路口在路網簡化圖中所對應的序列建立路阻矩陣，並將路阻矩陣中的所有元素初值設置為某一定值X，再根據所要查找的交叉路口與相應路段的拓撲關係資料庫，利用路段實時行程時間資料庫對此矩陣進行相應的數值填充，最後，被填充完畢後的矩陣就成為了所要最終得到的最優路徑的路阻矩陣；最優路徑搜索模塊，採用基於多目標約束最優路徑算法，以動態路阻為各路段的權值，計算出起點與目的地的最優路徑，並將所經路段存於可變路阻資料庫中；最優路徑顯示模塊，用於將搜索到的最優路徑對應的地理實體對象路段，令其高亮顯示在人機互動模塊上，當更新最優路徑時，自動調用最新的最優路徑，重新顯示在屏幕上；路徑引導模塊，用於引導機動車的司機沿著路徑規劃模塊所提供的路線進行行駛。
採用上述技術方案所產生的有益效果在於：1)所述系統可以根據系統中儲備的路網信息，實時地規劃出最優或次優的路徑。路徑誘導的目的在於幫助駕駛員從起始點到目的地之間按照自己的優先原則選擇一條「最短」路徑(時間最短，路徑最短、耗能最少或者路況最好等)，有利於改善交通問題的日益惡化。
2)所述系統基於物聯網，對緩解當前的交通擁擠、堵塞現象具有重要意義，有利於提高整個城市的效率。
3)交通管理人員可以通過所述系統，降低國家在交通管理硬體設施方面的投入，為出行人員、交管人員等不同類型的人更加準確的提供相應的交通信息，進一步提高現代化的交通管理水平，進而緩解交通壓力，合理利用各種交通資源，提高城市交管能力。
4)由於該系統能夠有效的減少人們找車位和停車排隊的時間，從環境維護和節約能耗的角度來看也有非凡的意義。由於找車位和停車排隊的時候，車輛行駛速度都很低，此時正是車輛最耗油和尾氣排放最多的時候，如果能夠縮短尋找停車位和停車入庫的時間，無疑是對從環境維護和節約能耗做了很大的貢獻，有利於節能減排。
附圖說明
下面結合附圖和具體實施方式對本實用新型作進一步詳細的說明。
圖1是本實用新型所述交通誘導系統的原理框圖；
圖2是本實用新型中交通誘導信息服務子系統的軟體架構圖；
圖3是本實用新型中車載用戶端交通路徑誘導子系統的軟體架構圖；
圖4是本實用新型中車載用戶端交通路徑誘導系統的原理框圖；
圖5是本實用新型中的路網簡化圖。
具體實施方式
下面結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型的一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本實用新型保護的範圍。
在下面的描述中闡述了很多具體細節以便於充分理解本實用新型，但是本實用新型還可以採用其他不同於在此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本實用新型內涵的情況下做類似推廣，因此本實用新型不受下面公開的具體實施例的限制。
城市交通流誘導系統(Urban Traffic Flow Guldance System，UTFGS)是以動態交通分配為理論基礎，實時對複雜多變的路網交通動態進行分析，綜合運用3G(GIS、GPS、IMS)技術、先進的通信技術和計算機技術。所述城市交通流誘導系統包括交通流誘導服務系統和車載誘導信息系統。交通流誘導服務系統完成交通流誘導數據的採集、處理與發布。車載誘導信息系統完成信息通信、路徑優化與信息查詢等功能。
如圖1所示，本實用新型公開了一種基於物聯網的城市交通流誘導系統，包括交通流誘導服務系統和車載誘導信息系統，所述交通流誘導服務系統包括若干個攝像機、若干個交通信號機、若干個可變標識牌、交通流和信息發布中心、交通控制中心、導航衛星和基準臺，所述攝像機布置於各條街道上，用於採集車流信息和可變標識牌信息，攝像機的視頻信號通過物聯網上傳至車載誘導信息系統及交通流和信息發布中心，交通流和信息發布中心信號輸出端與所述交通控制中心的信號輸入端連接，用於將實時動態交通信息傳送至交通控制中心進行處理；交通控制中心的交通信息輸出端分別與所述交通信號機以及可變標識牌的信號輸入端連接，所述交通信號機用於控制交通，所述可變標識牌用於動態顯示交通信息；所述基準臺的信號輸出端分別與所述攝像機的信號輸入端以及衛星的差分定位信號輸入端連接；所述導航衛星為所述車載誘導信息系統提供導航服務。
進一步的，所述車載誘導信息系統包括雙向通信裝置、車載電腦、人機互動模塊和車載接收機，所述車載接收機與所述車載電腦的輸入端連接，用於接收導航衛星的導航信號，所述雙向通信裝置與所述車載電腦雙向連接，用於接收並發送數據；所述人機互動模塊與所述車載電腦雙向連接，用於輸入並顯示數據。
所述人機互動模塊由兩種選擇，第一種，所述人機互動模塊為觸控螢幕；第二種，所述人機互動模塊包括與所述車載電腦的輸入端連接的按鍵模塊和與所述車載電腦的輸出端連接的液晶顯示模塊。
車載誘導信息系統是在單個車輛上安裝定位裝置、信息接收裝置和路線優化裝置，對車輛進行實時誘導。該系統的誘導機理比較明確，更容易達到誘導目的。出行者信息系統主要根據其它的方式為用戶提供動態交通信息和提示方案，對其進行交通誘導。
城市交通誘導系統的實時控制和科學決策等功能，使交通管理更加科學化和規範化。所體現的功能如下：
加強了管理的超前性。根據資料庫記載的歷史信息、現狀信息通過相應的變換處理，轉換成未來預測值，為交通管理的科學決策提供服務依據。
加強了管理的綜合控制能力。在管理過程中，通過調出當事人的歷史紀錄，如事故情況、違章情況及從其他部門調出的如戶籍、犯罪記錄等信息，與當前信息相結合，再確定對當事人最為合理和有效的教育和控制方法。
加強各部門協同工作。計算機網絡信息處理技術最大的優勢就是數據共享、通信和數據交換，這樣使多個單位、多個部門之間一起協同工作成為可能。
在執法服務中的作用。交警支隊各職能部門通過其辦公自動化網絡化建設，使得執法工作與辦事程序都嚴格按照規定信息流程進行，並且能夠實時的監控，即提高了工作效率又減少各環節中的人為因素，真正體現了嚴格執法、熱情服務。
使交通誘導及時、準確。交通信息採集系統通過電子監控、流量檢測等系統，將路面信息實時搜索，集中利用各種媒體及時向上級主管部門、駕駛員發布實時信息，同時推薦最佳路線的選擇，從而達到交通組織均衡的目的，並提高交警隊伍的快速反應能力。
在偵破交通肇事逃逸案件中的作用。偵破逃逸案件一直是交警部門工作中的難點。一旦具備了功能完善的智能交通系統後，就可以通過車輛信息、駕駛員信息、人口戶籍信息、盜搶車輛信息等與現場證據、線索相聯繫，進行篩選，縮小偵破範圍。
交通流誘導系統中的軟體系統包括交通誘導信息服務子系統及車載用戶端交通路徑誘導子系統，系統是利用車載用戶端交通路徑誘導子系統進行路徑誘導的計算，這樣的設計即可以使交通流誘導服務系統的伺服器運作更高效，又可以使車載用戶端的軟體能夠被有效地利用。如果所有的車載用戶都向信息處理中心發出同樣的路徑誘導請求，由於交通狀況是動態變化的，那麼對於交通誘導信息服務子系統而言，需要進行巨量的數據處理，而能夠處理如此繁重工作的系統對硬體性能的要求也非常高，並且由交通誘導信息服務子系統反饋給車載用戶的信息在時間上也很難保證其時效性。交通信息中心的誘導信息服務軟體的功能是完成實時交通信息數據的採集、誘導信息處理以及交通流誘導信息的發布等。因此，選擇在車載用戶端進行最優路徑的計算。其中交通誘導信息服務子系統需要包括三部分基本數據:(l)實時的路段行程時間；(2)路況實時信息；(3)誘導路線數據。
交通誘導信息服務子系統的基本數據實時的路段行駛時間是由行程時間預測軟體根據交通設施採集的路段車流量而生成的。車載用戶端交通路徑誘導子系統的最終誘導信息是由數據通信軟體從交通誘導信息服務子系統發布到車載端。關於交通誘導信息服務子系統的軟體體系結構如圖2所示，車載用戶端交通路徑誘導子系統的軟體體系結構如圖3所示。
交通誘導信息服務子系統及車載用戶端交通路徑誘導子系統的功能模塊：首先從宏觀上明確了各個模塊的功能，再相應地設計好上述的軟體系統的體系結構，與之相對應的模塊功能就明確了。為降低開發、測試、維護等階段的開銷，需要遵循軟體工程的開發過程中模塊功能的獨立。系統中的模塊需要保證系統滿足以下主要技術指標:全路網路段行程時間數據下發周期<10秒:實時行車路徑優化時間<0.5秒；交通流量的預測誤差控制在6％-8％左右；行程時間預測誤差為低於10％:定位精度<3米；車輛的動態跟蹤更新頻率為1次/秒。
(l)交通誘導信息服務子系統的主要功能模塊
①交通信息採集模塊:為了使駕駛員能夠及時得到最新的交通情況，必須要求系統提供及時、準確的交通信息。這些交通信息可來源於城市路網交通控制系統的交通信息採集子系統，也可來源於城市智能交通系統共用信息平臺的交通誘導信息服務接口。所得到的信息包括:路段交通流量、交叉路口信號配時、車道佔用率、車速、交通管理措施、道路施工信息以及突發交通事件等交通信息。交通流誘導系統能夠實現動態誘導的基礎就是上述交通信息的及時匯總集成。
②行程時間預測模塊:在進行路徑規劃時，本文設計了行程時間、幾何距離、安全性和花費四種路阻，以供不同目標的出行查詢者參考。行程時間是路阻函數中唯一的一個動態交通參數。行程時間要通過通信鏈路傳遞到車載用戶終端，並且需要按照一定刷新頻率來更新車載誘導軟體中的路阻資料庫。行程時間的預測按照相應的理論模型在信息中心服務端的誘導信息服務軟體裡完成。
(2)車載用戶端交通路徑誘導子系統
①地理信息對象化模塊:此模塊完成了地理實體的對象化工作，將要進行控制的目標(例如交叉口、路段、人文、景觀等)地理實體進行對象化，相應的對象有自己特有的屬性、方法和函數。
②小區識別模塊:該模塊在一定歷史條件下對用戶輸入的起點及目的地所處的區域編號。兩個分別代表起點及目的地的對象將兩個交叉口的編號傳遞給小區識別模塊，據此，該模塊根據交叉口與小區的路網拓撲關係資料庫來確定生成路網小區。
③路網重建模塊:該模塊能夠根據小區識別模塊所確定的小區位置，把這個區域所包含的交叉口號合併成一個交叉口序列，作為搜索最優路徑的路網節點。有一個細節需要注意:新的交叉口序列必須是原有各交叉口序列的併集。
④路阻建立模塊:該模塊需要按照出行者所要搜索的道路交通網絡中交叉路口在路網簡化圖中所對應的序列建立路阻矩陣，並將路阻矩陣中的所有元素初值設置為某一定值X，再根據所要查找的交叉路口與相應路段的拓撲關係資料庫，利用路段實時行程時間資料庫對此矩陣進行相應的數值填充，最後，被填充完畢後的矩陣就成為了所要最終得到的最優路徑的路阻矩陣。
⑤最優路徑搜索模塊:採用基於多目標約束最優路徑算法，以動態路阻為各路段的權值，計算出起點與目的地的最優路徑，並將所經路段存於可變路阻資料庫中。
⑥最優路徑顯示模塊:該模塊將找到上述搜索到的最優路徑對應的地理實體對象路段，令其高亮顯示在屏幕上。當更新最優路徑時，程序會自動調用最新的最優路徑，重新顯示在屏幕上。
⑦路徑引導模塊:該模塊可以引導機動車的司機沿著路徑規劃模塊所提供的路線進行行駛。此模塊是在實時的情況下進行的，在行進中向司機以箭頭指向的形式提供實時的轉向指令。此模塊利用路徑規劃模塊和定位子系統來引導機動車行駛。當路徑規劃模塊計算出路徑，並且定位系統己經確定了車輛的當前位置，本模塊與其他模塊配合工作就可以向機動車司機提供有價值的路徑引導。實時路徑引導系統會隨著車輛位置的不斷變化而隨時更新車輛的最新位置、走向以及所行駛的道路信息。
本實用新型所述誘導系統採用基於多目標的動態交通路徑誘導算法進行具體演示實現交通路徑誘導的過程。該算法根據出行者或者機動車駕駛員可以接受的各單目標的上限，利用基於多目標的動態交通路徑誘導算法獲取到達目的地的最優路徑。首先利用全局多目標約束優化算法中的第一步來確定所有可行路徑，然後通過對可行路徑種群進行評價，最後獲得多目標下的最優路徑，即出行者滿意的唯一最優路徑。圖5給出了某一路段從起始點O到目標終點D之間的交通路網的相對應的簡化圖。
考慮到所要求解的是具有多目標約束的最優路徑，為了計算方便，設定3個目標分別為:(l)時間；(2)安全性；(3)距離。根據經驗值，設定3個目標約束對應的權重值分別為0.3，0.5和0.2。根據多目標約束算法的第一步，可以得到基於3個目標的最優路徑的可通行路徑的集合，在這些可通行的路徑中，能夠看出隨著目標上限取值的增加，可通行的路徑數量也會隨之增加。然後，需要利用多目標約束算法的第二步算法進一步在有效路徑中選優，最終得到最優路徑，最後獲得的解即為pareto最優解。
所述誘導系統具有以下優點：
1)所述系統可以根據系統中儲備的路網信息，實時地規劃出最優或次優的路徑。路徑誘導的目的在於幫助駕駛員從起始點到目的地之間按照自己的優先原則選擇一條「最短」路徑(時間最短，路徑最短、耗能最少或者路況最好等)，有利於改善交通問題的日益惡化。
2)所述系統基於物聯網，對緩解當前的交通擁擠、堵塞現象具有重要意義，有利於提高整個城市的效率。
3)交通管理人員可以通過所述系統，降低國家在交通管理硬體設施方面的投入，為出行人員、交管人員等不同類型的人更加準確的提供相應的交通信息，進一步提高現代化的交通管理水平，進而緩解交通壓力，合理利用各種交通資源，提高城市交管能力。
4)由於該系統能夠有效的減少人們找車位和停車排隊的時間，從環境維護和節約能耗的角度來看也有非凡的意義。由於找車位和停車排隊的時候，車輛行駛速度都很低，此時正是車輛最耗油和尾氣排放最多的時候，如果能夠縮短尋找停車位和停車入庫的時間，無疑是對從環境維護和節約能耗做了很大的貢獻，有利於節能減排。