基于云服務的交通量計算系統(tǒng)的設計

馮惠英，林宇洪

(1.福建林業(yè)職業(yè)技術學院 人文社科系，福建 南平 353000;2.福建農林大學 交通與土木工程學院，福建 福州 350002)

基于云服務的交通量計算系統(tǒng)的設計

馮惠英1，林宇洪2

(1.福建林業(yè)職業(yè)技術學院 人文社科系，福建 南平 353000;2.福建農林大學 交通與土木工程學院，福建 福州 350002)

為了提高交通量數(shù)據(jù)采集與計算能力，基于云服務設計了一個交通量計算系統(tǒng)，集中處理全市交通量數(shù)據(jù).應用了Windows Mobile智能設備開發(fā)技術編寫了手機端交通量計數(shù)器程序，通過3G網(wǎng)絡實現(xiàn)了交通量原始數(shù)據(jù)的上傳.在云服務中心，應用了Excel VBA二次開發(fā)技術生成了各種統(tǒng)計圖表，調查員在工作中，隨時可下載統(tǒng)計圖，了解交叉口的實時交通流量、流向等數(shù)據(jù).實踐證明，該交通量計算系統(tǒng)擴展性良好，能應對大城市交通量計算需求，能夠推進智慧交通、智慧城市的建設.

云服務;交通量;Windows Mobile;VBA

0 引言

交通量處理是對調查獲得的原始交通量數(shù)據(jù)通過復雜的計算與分析后，獲得高峰小時流量流向圖、交通量時量變化圖、分車型流量比例表，從而分析交通量時空變化及分布規(guī)律，為交通規(guī)劃、交通控制提供依據(jù)[1].交通量處理的計算量較大，科研機構通常采用專業(yè)軟件來完成，例如TransCAD.TransCAD將交通量計算分析、交通需求預測與GIS系統(tǒng)相結合[2- 3]，功能強大，但是軟硬件成本高，操作難，因此基層人員較少使用此類專業(yè)軟件.基層往往希望能使用輕量級、便攜、操作簡單的分析軟件，基于此需求，課題組基于云服務架構開發(fā)了一套交通量計算系統(tǒng).

1 云服務架構的設計

1.1 研究現(xiàn)狀

學術界在交通量計算與分析領域展開了廣泛、深入的研究.長沙理工大學胡立輝等人開發(fā)了“公路交通量調查數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)”，應用TCP/IP傳輸協(xié)議實現(xiàn)了交通量的傳遞，應用SQL Server存儲交通量數(shù)據(jù)，應用Visual CJHJ.net計算，輸出Excel格式報表[4]；福建農林大學丁藝應用Visual FoxPro(VFP)進行交通量的計算與分析，并在福清市“暢通工程”規(guī)劃中投入了使用[5]；衡陽市公路管理局歐陽偉實現(xiàn)了不同公路的交通量時變圖的統(tǒng)計學分析[6].以上研究均屬于非實時計算的數(shù)據(jù)處理方式，即調查員采集全部交通量數(shù)據(jù)后，提交給系統(tǒng)分析，獲得分析結論.

“智慧交通”要求建立道路交通信息實時監(jiān)測網(wǎng)絡，實時分析交通量，及時調整疏導策略、優(yōu)化紅綠燈配時、調配警力[7]，因此傳統(tǒng)的非實時計算方法已不能滿足基層需求.

1.2 架構設計

課題組嘗試應用云服務理念，把計算進程提升至云端[8]，對調查端的軟硬件、操作技能的要求均降低，以方便一線人員的使用[9].

基于云服務理念，設計系統(tǒng)架構如圖1所示.編寫手機端交通量采集程序，調查員在現(xiàn)場對車輛按車型計數(shù)，每個調查周期結束后，手機端后臺進程自動通過3G網(wǎng)絡上傳本周期的車輛數(shù)據(jù)，并清空本周期各車型現(xiàn)有數(shù)量，開始下一輪的計數(shù)工作.云服務中心接收到本周期各調查點發(fā)來的交通量采集數(shù)據(jù)，存入SQL SERVER數(shù)據(jù)庫，并隨機指定一臺計算服務器完成一個交叉口的計算分析工作.計算服務器調用Excel的VBA功能生成分析圖表，并將統(tǒng)計圖導出為JPG格式的圖片，存至數(shù)據(jù)庫[10].各調查點可以通過手機下載統(tǒng)計圖，實時獲得各交叉口的分析結論.

圖1 系統(tǒng)架構圖

2 手機端開發(fā)

選擇Microsoft Visual Studio 2008的C#.net開發(fā)工具，新建Windows Mobile“智能設備”項目，編寫“交通量采集”手機端程序，提供“計數(shù)”、“下載”、“設置”三項功能.

每位調查員負責觀察城市干道的交叉口的1個路口，通過計數(shù)界面采集原始的交通量數(shù)據(jù).其中調查周期、調查車型、交通流向參數(shù)根據(jù)路口的實際情況可任意設置.

計數(shù)界面見圖2，調查員觀察途經(jīng)車輛的車型，點擊對應車型按鈕.程序按調查周期向云服務中心的IP地址的指定端口發(fā)送各車型的數(shù)量，每周期結束時，清空數(shù)據(jù)，開始新的一輪計數(shù).以圖2數(shù)據(jù)為例，向云服務中心上傳的TCP/IP數(shù)據(jù)包內容為“20121207068,3,075953,2,4,3,0,0,0,0,2,3,0,0,0,18,31,22,2,4,3,0,0,0,0,0,0,”，其格式為“調查任務編號,觀察位置的道口編號,當前時間,(各方向、各車型數(shù)量)”，其含義是“第20121207日的第068個調查任務，本調查員處在交叉口的3號道口，周期結束時間為07∶59∶53，本周期大型客車左轉2輛、直行4輛、右轉3輛，……”.云服務中心收到該數(shù)據(jù)包后，返回“20121207068,3,075953,OK”，表明數(shù)據(jù)已接收.若云端未回應，手機端每隔10 s重發(fā)一次.

圖2 交通量采集

3 云端的開發(fā)

云服務中心申請固定IP：59.79.234.249，向外網(wǎng)開放端口86.在通訊服務器上應用Socket控件編寫監(jiān)聽程序，收集各調查員上傳的交通量數(shù)據(jù)，存入SQL SERVER數(shù)據(jù)庫.某交叉口的全部路口當前周期的數(shù)據(jù)包接收完畢后，通訊服務器將隨機指派一臺計算服務器承擔該交叉口該周期的計算工作.計算服務器按指令順序，逐個完成計算任務，生成相應的統(tǒng)計圖表.統(tǒng)計圖表按調查任務編號命名，回存至數(shù)據(jù)庫，供各調查員下載閱讀.

3.1 數(shù)據(jù)流分析

按數(shù)據(jù)流向及計算過程繪制數(shù)據(jù)流圖(圖3).數(shù)據(jù)處理階段分為兩個層次，第一個層次為路口數(shù)據(jù)處理階段，第二個層次為交叉口數(shù)據(jù)處理階段，最后獲得一系列分析圖表.

3.1.1 生成VEH表

一個交叉口的多個路口手機端上傳的本周期實時數(shù)據(jù)轉換為“15 minVEH表”，形成了整個數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)源.VEH表指車輛觀測數(shù)量按調查周期記錄的原始數(shù)據(jù)表.表中的調查時段、調查車型、調查周期根據(jù)不同城市特點作適當調整.

3.1.2 單路口計算階段

將VEH表相鄰4個周期數(shù)值相加，取最大峰值獲得“單路口高峰小時VEH表”.將VEH表按小時累加生成“單路口流量流向小時VEH表”，并按車型系數(shù)折算成“單路口小時PCU表”.將VEH表各數(shù)值按相應車型系數(shù)換算成標準車型數(shù)值，并求出每15 min時段各標準車型數(shù)值之和，得到15 min PCU折算值，建立“單路口15 min PCU表”.將這個表中的連續(xù)4個15 min的數(shù)值相加，選取其最大值即得“單路口高峰小時PCU表”.PCU表指各車型觀測值按車型系數(shù)換算后成標準車型數(shù)值的計算數(shù)據(jù)表.

3.1.3 交叉口計算階段

NCA中變換矩陣A的獲取是通過優(yōu)化留一法交叉檢驗,并通過優(yōu)化留一法優(yōu)化NCA分類結果.在優(yōu)化過程中,通過約簡維數(shù)以減少計算復雜度.

以十字交叉口為例，將四個路口的“單路口高峰小時VEH表”匯兌，計算獲得“交叉口高峰小時流量流向表”，計算獲得可得“交叉口各車型交通構成表”，再計算獲得“原始車型流量比例表(VEH/h)”.將四個路口的“小時PCU計算表”交叉計算“交叉口流量流向表”、“交叉口時量分布表”，最后根據(jù)“交叉口時量分布表”繪制“交叉口時量變化圖”.

圖3 交通量計算數(shù)據(jù)流圖

3.2 軟件開發(fā)

通訊服務器的監(jiān)聽程序采用Microsoft Visual Studio 2008的C#.net開發(fā)，該語言的網(wǎng)絡通訊功能較強.監(jiān)聽程序采集手機端上傳的交通量調查數(shù)據(jù)，并存入數(shù)據(jù)庫.通訊服務器還承擔分解、分配計算任務的工作.計算服務器的計算程序選擇Microsoft Visual FoxPro 9.0開發(fā)，按通訊服務器給出的指令順序完成計算任務，調用Excel的VBA二次技術生成各種統(tǒng)計圖表，壓縮為JPG圖片.可以脫機閱讀和傳送，便于手機端下載查閱.

由圖3可見，交通量計算軟件的計算過程是對調查獲得原始數(shù)據(jù)進行矩陣計算和矩陣變換.因為各交叉口的路口數(shù)、車型、時段、調查周期不同，因此不能預見矩陣維數(shù).常見的表達矩陣的開發(fā)方法有：數(shù)據(jù)表、數(shù)組、電子表格.其中電子表格最適合表達不可預見維數(shù)的矩陣.而Excel是電子表格類軟件代表，具有VBA二次開發(fā)的能力.所以選擇VFP對Excel進行VBA宏編程[11]，從而動態(tài)完成交通量計算和分析.

Excel提供強大的統(tǒng)計圖二次開發(fā)功能，充分利用該項功能能降低統(tǒng)計分析模塊的難度.云服務系統(tǒng)自動生成的統(tǒng)計圖如圖4所示.

圖4 交通量分析圖

4 系統(tǒng)應用

在南平交警支隊的支持下，系統(tǒng)投入了試用.應用表明，手機端消耗的3G流量小，申請每月5元30 MB的3G流量包，已可滿足需求.在通訊高峰時段18～20時，3G數(shù)據(jù)包會滯后或丟包，滯后通常小于8 s，丟包率小于3.8%.手機端在服務端未回應時，每隔10 s重發(fā)上周期的數(shù)據(jù)包，因此計算結果最大滯后控制在40 s以內，影響不大.系統(tǒng)能夠為臨時手動調整紅綠燈配時、制定應急疏導分流策略提供參考依據(jù).

云服務架構在交通量計算中具有以下優(yōu)勢：①計算能力可彈性調整.“云”的規(guī)模可以動態(tài)伸縮，初期計算量小，兩臺服務器即可滿足需求.投入實用后，計算壓力增大，通過簡單地添加服務器就能提高云端的計算能力;②實現(xiàn)了虛擬化.手機端不承擔實質性的計算工作，只需提交調查數(shù)據(jù)并下載計算結果.因此可選擇價格低廉的硬件，甚至形成了一個手機實時處理整個城市海量數(shù)據(jù)的假象;③保證了高可靠性.在傳統(tǒng)架構中，計算負荷集中在一臺服務器上，服務器損壞則意味著交通控制系統(tǒng)的癱瘓.而在云服務架構中，繁忙或無響應的服務器不會被分配任務，有效地均分了負荷，保證了較高可靠性[12].

5 結論

本研究基于Windows Mobile智能設備技術開發(fā)了手機端交通量采集程序，通過3G網(wǎng)絡上傳調查數(shù)據(jù)，并應用了云服務架構集中處理所有數(shù)據(jù).手機端在調查中隨時可下載統(tǒng)計圖，了解當前路口的交通繁忙狀態(tài).云服務技術保證了系統(tǒng)的計算能力可彈性伸縮，提高了系統(tǒng)的可靠性.未來還可以應用物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感技術感知車型，選用Windows CE操作系統(tǒng)的智能終端，從而實現(xiàn)交通量的自動采集.屆時，系統(tǒng)將能按實時交通量自動優(yōu)化紅綠燈配時，以提高繁忙時段交叉口的通行能力，減少交通延誤，達到智慧交通的要求.

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Design of Traffic Volume Calculation System based on Cloud Services

FENG Huiying1，LIN Yuhong2

(1.Humanity and Sociology Department,Fujian Forestry Vocational College,Nanping 353000,China;2.College of Transportation and Civil Engineering,Fujian Agriculture and Forest University,Fuzhou 350002,China)

In order to improve traffic volume acquisition and computing ability,a traffic volume calculation system based on cloud services was designed to process the urban traffic volume.In this system,the traffic volume counter program at the mobile-terminal was developed by applying Windows Mobile secondary development technology,and the uploading of raw traffic volume was realized through 3G network.The Excel VBA secondary development technology was adopted to generate the various statistical charts.During the working process,the investigators can download statistical charts to understand the real-time traffic volume and traffic flow at any time.The practice proves that this system has a good expansibility to deal with the traffic volume processing requirements of big cities.

cloud services;traffic volume；Windows Mobile；VBA

1673- 9590(2015)01- 0097- 04

2014- 08- 20

福建省教育廳科研資助項目(JA13391);南平市科技局科研資助項目(N2013R03)

馮惠英(1974-)，女，副教授，碩士，主要從事應用數(shù)學，智慧算法的研究

E-mail:redkite@126.com.

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