基于ＰＤＡ的公共交通系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：系統(tǒng)研究了以PDA（個(gè)人數(shù)字助理）為平臺(tái)的公共交通系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，詳細(xì)闡述了各模塊的功能和關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法。最后利用組件技術(shù)在Dotnet環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了基于PDA的公共交通系統(tǒng)的原型系統(tǒng)。以北京市公交數(shù)據(jù)為實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠很好地滿足城市公交信息的查詢，為以后的公共交通系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)提供了理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：公共交通系統(tǒng)； 個(gè)人數(shù)字助理； 公交模型；公交換乘算法； 組件技術(shù)

中圖法分類號(hào)：TP311．52文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001－3695(2007)01－0280－03

1引言

自20世紀(jì)80年代以來，世界上一些發(fā)達(dá)國家紛紛投入智能交通系統(tǒng)（Intelligence Transport System，ITS）的研究與開發(fā)，并已形成了21世紀(jì)交通運(yùn)輸系統(tǒng)的發(fā)展方向。我國是一個(gè)發(fā)展中國家，隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展以及城市化、汽車化的急速發(fā)展，導(dǎo)致交通擁擠、事故增多、環(huán)境污染等問題日益惡化。為了解決我國城市的交通問題，改善城市交通系統(tǒng)的性能，一方面需要通過改造路網(wǎng)系統(tǒng)、拓寬路面、增添交通設(shè)施以及道路建設(shè)等城市交通所必需的硬件建設(shè)來實(shí)現(xiàn)；另一方面需要通過采用科學(xué)的管理手段，將現(xiàn)代高新技術(shù)引入到交通管理中來提高現(xiàn)有路網(wǎng)的交通性能，從而改善整個(gè)道路交通的管理效率，提高道路設(shè)施的利用率，實(shí)現(xiàn)城市交通科學(xué)的和有效的管理。地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，ＧＩＳ)作為一種綜合處理和分析空間數(shù)據(jù)的技術(shù)系統(tǒng)，能夠有效地對(duì)地球空間數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、檢索、建模、分析和輸出。其獨(dú)特之處就在于能夠把地理位置和相關(guān)屬性信息有機(jī)地結(jié)合起來[1]。眾所周知，交通信息與地理位置密切相關(guān)，利用ＧＩＳ技術(shù)構(gòu)筑智能交通管理系統(tǒng)的共用信息平臺(tái)，不但能夠使交通信息在空間上直觀明了地顯示出來，并能為這些信息的深層次挖掘和后續(xù)信息服務(wù)及輔助決策提供空間屬性上的支持。

公共交通系統(tǒng)是GIS與ITS結(jié)合的重要產(chǎn)物。優(yōu)先發(fā)展城市公共交通，不僅是緩解城市交通擁堵的有效措施，也是改善城市人居環(huán)境，促進(jìn)城市可持續(xù)發(fā)展的必然要求[2]。同時(shí)也為外出旅游、出差、就醫(yī)等急需了解本地道路情況的人提供方便、快捷、經(jīng)濟(jì)、高效的公交信息，減少不必要的交通流量，提高交通運(yùn)輸?shù)男屎统鞘械牡匚弧＊?/p>

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展和不斷進(jìn)步以及ITS的不斷發(fā)展，人們對(duì)公交信息服務(wù)的需求也日益增大。目前公交信息服務(wù)的終端已經(jīng)不再局限于計(jì)算機(jī)，手機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理（Personal Digital Assistant，PDA）等均可以。由于PDA的小巧輕便性以及集中了計(jì)算、電話、傳真和網(wǎng)絡(luò)等多種功能，已經(jīng)越來越受到人們的青睞。當(dāng)前研究公共交通系統(tǒng)設(shè)計(jì)的文獻(xiàn)很多[3~8]，但研究以PDA為平臺(tái)的公共交通系統(tǒng)設(shè)計(jì)的文獻(xiàn)卻很少[9]。由于PDA的內(nèi)存小，處理速度遠(yuǎn)不如臺(tái)式機(jī)，而文獻(xiàn)[3~8]所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)均對(duì)內(nèi)存的要求高且處理速度慢而很難適用于PDA。但PDA具有多線程、多任務(wù)的特點(diǎn)，所以在設(shè)計(jì)基于PDA的系統(tǒng)時(shí)可以利用這些特點(diǎn)，運(yùn)用并行技術(shù)設(shè)計(jì)高效的信息查詢算法。本文詳細(xì)介紹了基于PDA的公共交通系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，對(duì)系統(tǒng)模塊的功能和關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了分析。最后我們以北京市的數(shù)據(jù)為例在網(wǎng)速為10kbps的互聯(lián)網(wǎng)中對(duì)我們所設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的公共交通系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)完全能夠滿足城市公交信息的查詢。

2PDA系統(tǒng)簡(jiǎn)介

PDA集成了計(jì)算、電話、通信、存儲(chǔ)、娛樂、電子商務(wù)和網(wǎng)絡(luò)等多種功能，除可用來管理個(gè)人信息外，更重要的是可以上網(wǎng)瀏覽、收發(fā)Email、收發(fā)傳真，甚至還可以當(dāng)手機(jī)用[10]。PDA是個(gè)嵌入式系統(tǒng)，所使用的主流操作系統(tǒng)是Windows CE，它具有多線程、多任務(wù)、完全搶占式的特點(diǎn)。Windows CE與Windows 2000的最大區(qū)別在于文件存儲(chǔ)區(qū)域，它并不依賴于像軟盤或硬盤驅(qū)動(dòng)器那樣的強(qiáng)磁性存儲(chǔ)介質(zhì)，而是實(shí)現(xiàn)了一種獨(dú)特的、基于RAM的文件系統(tǒng)，稱為對(duì)象存儲(chǔ)庫(Object Store)。一臺(tái)Windows CE嵌入式PDA可能只有16MB或8MB，甚至4MB的RAM，而RAM又被分成兩個(gè)區(qū)域，即程序內(nèi)存(Program Memory)和對(duì)象存儲(chǔ)庫。對(duì)象存儲(chǔ)庫存儲(chǔ)文件的同時(shí)也存儲(chǔ)著系統(tǒng)的注冊(cè)表和Windows CE數(shù)據(jù)庫。對(duì)象存儲(chǔ)庫和程序內(nèi)存的邊界是可以變動(dòng)的，用戶可以移動(dòng)對(duì)象存儲(chǔ)庫與程序內(nèi)存間的分界線。在低內(nèi)存的情況下，系統(tǒng)會(huì)要求用戶允許其占用部分對(duì)象存儲(chǔ)庫來用作程序RAM，以滿足應(yīng)用程序?qū)Ω郣AM的要求。總地說來，PDA具有小巧輕便、多線程、多任務(wù)、完全搶占式但內(nèi)存小的特點(diǎn)，非常適合隨身攜帶。

3基于PDA的公交換乘系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著城市的發(fā)展，交通問題日益嚴(yán)重，高效地解決城市交通問題不但能夠節(jié)約資源，也能保障人身安全。小巧輕便的手持PDA為人們的生活提供了很多方便，使得人們可以隨時(shí)隨地通過無線通信網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)方便地獲取信息。 

3．1系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

交通信息是與方位相關(guān)的非結(jié)構(gòu)化地理空間信息，表現(xiàn)形式多樣，如道路信息、商店信息和公交信息等的表現(xiàn)形式是不一樣。用戶對(duì)公交信息的查詢方式也是多樣的，提供快速方便的查詢接口直接決定用戶對(duì)系統(tǒng)的選擇。PDA的大眾化和無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展使得信息獲取更加方便，也就更需要設(shè)計(jì)更靈活的公共交通系統(tǒng)。針對(duì)交通信息的特點(diǎn)、用戶查詢的方便性、數(shù)據(jù)管理的靈活性和系統(tǒng)的可擴(kuò)展，我們采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)Oracle Spatial數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)來管理交通空間信息。為了使數(shù)據(jù)顯示快速，我們采用地圖分塊的技術(shù)。為了使各系統(tǒng)模塊能夠更好地重用和通信，利用COM技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

3．2系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于PDA的公共交通系統(tǒng)體現(xiàn)了傳統(tǒng)的公共交通系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)，它采用B/S與C/S相結(jié)合的模式構(gòu)建。由于交通信息是具有坐標(biāo)的空間信息，為了在PDA上將交通信息完整顯示出來就必須設(shè)置好投影坐標(biāo)系統(tǒng)。交通信息的變化更新速度快，為了迅速將最新交通信息反映給用戶，必須要有一個(gè)對(duì)公交信息存儲(chǔ)、管理和更新的數(shù)據(jù)庫接口。為了將所查到的信息更高效顯示給用戶，必須要有一個(gè)能夠分塊顯示的圖形顯示接口。總地來說，一個(gè)完整的公共交通信息應(yīng)包含用來對(duì)所采集到的公交數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理的數(shù)據(jù)處理子模塊、管理變化的公交數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)管理子模塊、將數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行恰當(dāng)投影變換的投影變換子模塊、將公交線路及公共設(shè)施和所查找到的換乘方案顯示出來的圖形顯示子模塊、查詢用戶周圍公交信息的公交信息查詢子模塊、按用戶要求查找換乘方案的公交換乘子模塊、與GPS通信的GPS通信子模塊、與Internet通信的網(wǎng)絡(luò)通信子模塊。整個(gè)系統(tǒng)的組成模塊如圖1所示。本文采用基于服務(wù)器端/客戶端混合技術(shù)B/S模式，構(gòu)建基于PDA的公共交通系統(tǒng)。主要基于以下幾個(gè)方面考慮：

(1）基于服務(wù)器/客戶端混合技術(shù)模式可以兼顧基于服務(wù)器技術(shù)和基于客戶端技術(shù)兩種方式。

(2）公交道路公共場(chǎng)所數(shù)據(jù)是公共交通系統(tǒng)中最重要的數(shù)據(jù)源，支持客戶端顯示和瀏覽圖形數(shù)據(jù)，同時(shí)在多用戶訪問的情況下具有較快的響應(yīng)速度，是公共交通系統(tǒng)一個(gè)不可忽視的需求，因而需要客戶端，即PDA的功能。

(3）由于PDA的系統(tǒng)內(nèi)存小、處理速度慢，而服務(wù)端的內(nèi)存大、處理速度快。服務(wù)端技術(shù)可以最大限度地發(fā)揮服務(wù)器的潛力，充分利用服務(wù)器資源。

圖1公共交通系統(tǒng)組織模塊圖

整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系由分布在PDA上的客戶端、Web應(yīng)用服務(wù)器、公交換乘和信息查詢組件、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器組成。圖2給出了系統(tǒng)的邏輯功能體系結(jié)構(gòu)圖。

圖2系統(tǒng)的邏輯體系架構(gòu)圖

服務(wù)器端主要包括空間數(shù)據(jù)的組織與管理、數(shù)據(jù)查詢處理組件和應(yīng)用服務(wù)器。空間數(shù)據(jù)主要由Oracle數(shù)據(jù)庫的Spatial模塊管理，部分?jǐn)?shù)據(jù)由文件系統(tǒng)管理，為應(yīng)用服務(wù)器和公交換乘及公交信息查詢組件提供數(shù)據(jù)服務(wù)。數(shù)據(jù)查詢處理組件主要是向數(shù)據(jù)庫和文件系統(tǒng)提取數(shù)據(jù)及響應(yīng)來自應(yīng)用服務(wù)的請(qǐng)求。應(yīng)用服務(wù)器主要負(fù)責(zé)控制與響應(yīng)客戶端的數(shù)據(jù)查詢與請(qǐng)求操作。

PDA客戶端由瀏覽器、查詢顯示組件和公交換乘及信息查詢組成。瀏覽器負(fù)責(zé)響應(yīng)用戶的請(qǐng)求，并把請(qǐng)求發(fā)給查詢顯示組件。查詢顯示組件在接到請(qǐng)求后把請(qǐng)求傳給公交換乘及公交信息查詢組件，并負(fù)責(zé)對(duì)底圖、公交線路、公交站及周圍的信息等空間數(shù)據(jù)渲染及顯示。公交換乘及公交信息查詢組件分為兩部分:①公交信息查詢。它負(fù)責(zé)查詢公交車的票價(jià)，首班車時(shí)間、末班車時(shí)間、離公共場(chǎng)所的最近公交站點(diǎn)等信息。②公交換乘。利用下面介紹的快速并行公交換乘算法為用戶提供可選的公交換乘方案。PDA客戶端與服務(wù)器端主要通過HTTP和SOAP協(xié)議來進(jìn)行通信與調(diào)用。

4關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

4．1服務(wù)器端數(shù)據(jù)組織

基于PDA的公共交通系統(tǒng)的目的是為用戶提供快速方便的公交信息。為了提高系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，有必要對(duì)服務(wù)器端的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的組織和處理。服務(wù)器端的數(shù)據(jù)包括兩部分，即城市的底圖和公交信息數(shù)據(jù)。其處理流程如下：(1）由于PDA的運(yùn)算速度較低、屏幕尺寸較小，任意時(shí)刻PDA屏幕顯示的圖形圖像只是全部圖形圖像的一小部分，因此我們把底圖按柵格方式劃分成若干對(duì)象子集，這可適當(dāng)減少PDA讀入非屏幕顯示區(qū)域的數(shù)據(jù)。在不影響屏幕圖形圖像信息顯示的同時(shí)，可以大大提高其顯示性能及占據(jù)盡可能少的內(nèi)存空間，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)柵格方式的漸進(jìn)式傳輸，彌補(bǔ)PDA內(nèi)存小運(yùn)算速度較低的缺點(diǎn)。為方便數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)一存儲(chǔ)和快速查詢，將城市的底圖用二維網(wǎng)格覆蓋整個(gè)連續(xù)空間。網(wǎng)格采用大小相同的方格區(qū)域，每個(gè)區(qū)域在經(jīng)度和緯度上有相同的跨度。底圖的網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格編號(hào)如圖3所示。

(2）公交信息數(shù)據(jù)主要包括公交車的信息，公交站點(diǎn)的信息，主要公共場(chǎng)所的位置等。我們?cè)O(shè)計(jì)了三個(gè)數(shù)據(jù)表，即公交車信息表、公交站點(diǎn)信息表和主要的公共場(chǎng)所信息表。公交車信息表包括公交車所經(jīng)過的站點(diǎn)的ID號(hào)、起末班車的時(shí)間、公交車的費(fèi)用等。因?yàn)楣痪€路既有單向的，也有雙向的。雙向的有來回所走的線路一樣，也有不一樣。為了節(jié)省存儲(chǔ)和加快公交換乘算法的速度，我們用一個(gè)屬性來標(biāo)志這些情況。公交站點(diǎn)信息表包括公交站點(diǎn)的位置、名稱等。主要公共場(chǎng)所信息表包括主要公共場(chǎng)所的名稱位置等。為了提高所查到的站點(diǎn)和公共場(chǎng)所的信息在PDA上盡快顯示出來，我們?yōu)槊恳粋€(gè)站點(diǎn)及主要的公共場(chǎng)所記錄了所處的底圖網(wǎng)格編號(hào)。

4．2公交換乘及公交信息查詢組件實(shí)現(xiàn)

公交換乘及公交信息查詢組件是系統(tǒng)的主要模塊，公交換乘算法是其中的重中之重。在網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境下，獲取信息的速度是制約系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵。在這里我們采用一種快速公交換乘算法，它具有對(duì)內(nèi)存需求小、速度快的特點(diǎn)。該算法的思路是利用了每條公交線的最小外包矩形MBR來進(jìn)行一次過濾。即建立兩個(gè)隊(duì)列分別來存儲(chǔ)公交線的MBR，求公交換乘點(diǎn)時(shí)先判斷兩個(gè)隊(duì)列中的公交線路的MBR是否相交，在相交的情況下才對(duì)這兩公交線路求換乘點(diǎn)。由于是利用MBR來代替公交線路，所以進(jìn)入隊(duì)列的數(shù)據(jù)量大大減少。另一方面，利用MBR來進(jìn)行一次過濾，使得求換乘點(diǎn)時(shí)的運(yùn)算量減少，速度變快。同時(shí)利用PDA的多線程、多任務(wù)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)并行算法，從而使快速公交換乘算法適用于PDA。

公交信息查詢主要是為了查找離某一公共場(chǎng)所最近的站點(diǎn)是什么或由公交站點(diǎn)查最近的公共場(chǎng)所、公交車的起末班時(shí)間及公交車的費(fèi)用等。為了提高效率，我們采用的是分塊查詢，先查到某一公共場(chǎng)所在的底圖網(wǎng)格編號(hào)，然后查找在該底圖網(wǎng)格編號(hào)中的公交站點(diǎn)，分別求距離取最小值。其他的查詢調(diào)用ODBC接口來實(shí)現(xiàn)。

組件對(duì)象模型(Component Object Model，COM)是構(gòu)造二進(jìn)制兼容軟件組件的規(guī)范，它與編程語言和工具無關(guān)，是一種通信規(guī)范[11]。通過COM建立數(shù)據(jù)庫與公交換乘和公交信息查詢之間的接口通信機(jī)制，調(diào)用屬性、事件、方法等接口實(shí)現(xiàn)組件在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的互操作，從而使用不同語言開發(fā)的模塊可以協(xié)同操作。 

5實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

我們以北京市的部分交通數(shù)據(jù)為例，北京市公交車共有703條(包括地鐵)，公交站點(diǎn)共有3 833個(gè)。運(yùn)用前面所設(shè)計(jì)的公交換乘算法，在Dotnet環(huán)境下運(yùn)用組件技術(shù)開發(fā)了一個(gè)基于PDA的網(wǎng)絡(luò)公共交通系統(tǒng)。后臺(tái)數(shù)據(jù)庫為Oracle數(shù)據(jù)庫，所用的PDA配置為：操作系統(tǒng)Pocket PC 2002 處理器類型StrongARM SA1110 32位RISC處理器，處理器主頻為206MHz，RAM容量為64MB。通過這套系統(tǒng)，用戶可以在戶外手持易于攜帶的PDA對(duì)公交信息進(jìn)行查詢。由用戶所在的地方立即可以知道最近的公交站，從最近的公交站到目的站的從多公交換乘方案中選擇最適合自己的換乘方案。圖4所示是北京市公共交通系統(tǒng)的查詢界面。利用該系統(tǒng)對(duì)北京市的公交換乘進(jìn)行查詢，在網(wǎng)速為10kbps的情況下，最長(zhǎng)的響應(yīng)時(shí)間不超過2s。這個(gè)速度是完全能夠滿足城市公交信息的查詢。

6結(jié)論

城市交通和地理信息系統(tǒng)的發(fā)展帶動(dòng)了智能交通系統(tǒng)的發(fā)展。如何方便、快速地獲取交通信息已成為人們工作生活的一部分。PDA小巧輕便性解決了人們出門不再攜帶笨重的臺(tái)式電腦的麻煩。我們研究基于PDA的公共交通系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思路、體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了討論。最后我們?cè)贒otnet環(huán)境下利用ATL庫開發(fā)了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)公共交通系統(tǒng)，為以后的網(wǎng)絡(luò)公共交通系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了思路。將來的研究工作是如何在PDA上結(jié)合GPS對(duì)交通設(shè)施定位和矢量數(shù)據(jù)的漸進(jìn)式傳輸。

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作者簡(jiǎn)介：

汪詩鋒（1980），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)、智能交通系統(tǒng)。

注:本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文