基于ArcGIS Engine的高速公路車輛軌跡查詢與回放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

顧倩文，曾獻(xiàn)輝，沈振一

(東華大學(xué) a.信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院；b.數(shù)字化紡織服裝技術(shù)教育部工程研究中心，上海201620)

基于ArcGIS Engine的高速公路車輛軌跡查詢與回放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

顧倩文a，b，曾獻(xiàn)輝a,b，沈振一a,b

(東華大學(xué) a.信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院；b.數(shù)字化紡織服裝技術(shù)教育部工程研究中心，上海201620)

針對(duì)高速公路全程監(jiān)控系統(tǒng)中車輛流水?dāng)?shù)據(jù)的多源異構(gòu)特點(diǎn)，提出了采用同步復(fù)制技術(shù)將各監(jiān)控子系統(tǒng)的車輛流水?dāng)?shù)據(jù)匯總至監(jiān)控中心，利用數(shù)據(jù)同步復(fù)制技術(shù)形成車輛完整軌跡數(shù)據(jù)庫.采用C#開發(fā)語言，結(jié)合ArcGIS Engine技術(shù)，開發(fā)出基于VS 2012平臺(tái)的車輛軌跡查詢與回放系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)查詢車輛的行車路線，并在地圖上動(dòng)態(tài)回放各個(gè)時(shí)段的車輛運(yùn)行軌跡.經(jīng)實(shí)際項(xiàng)目測(cè)試驗(yàn)證了該系統(tǒng)在交通管理中有很好的實(shí)用性.

車輛； 多源異構(gòu)； ArcGIS Engine； 同步復(fù)制； 軌跡回放

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和城市化水平的不斷提高，機(jī)動(dòng)車數(shù)量也迎來了飛速的增長(zhǎng).在社會(huì)公共交通管理中，因交通擁堵、交通事故頻頻發(fā)生，對(duì)機(jī)動(dòng)車輛進(jìn)行合理的監(jiān)控管理已經(jīng)成了極為重要的部分，高速公路作為一種現(xiàn)代化的公路運(yùn)輸通道，在交通管理中發(fā)揮著越來越重要的作用.

目前高速公路全程監(jiān)控系統(tǒng)正在不斷完善，高速公路的全程安裝了數(shù)量巨大的視頻監(jiān)控設(shè)施，基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)高速公路全線無盲點(diǎn)監(jiān)控，建設(shè)了全程視頻監(jiān)控系統(tǒng)和輔助交通檢測(cè)系統(tǒng).隨著全程監(jiān)控各系統(tǒng)不斷地上線投入運(yùn)營(yíng)，各高速公路公司的管理人員也逐步體驗(yàn)新監(jiān)控系統(tǒng)帶來的便捷服務(wù).在全程監(jiān)控系統(tǒng)中，可以通過獲取各斷面所經(jīng)過車輛的車牌、時(shí)間、車型等車輛的流水?dāng)?shù)據(jù)，利用這些端口采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入的分析，規(guī)劃整理出有效的車輛信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)過往車輛行駛路徑的全程檢測(cè)，為高速公路的交通管理提供更加有效的手段.本文針對(duì)高速公路全程監(jiān)控系統(tǒng)中的車輛流水?dāng)?shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了將各監(jiān)控子系統(tǒng)的車輛流水?dāng)?shù)據(jù)匯總至監(jiān)控中心，利用數(shù)據(jù)融合技術(shù)形成車輛完整軌跡數(shù)據(jù)庫，結(jié)合ArcGIS Engine技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)查詢車輛的行車路線，并在地圖上動(dòng)態(tài)回放各個(gè)時(shí)段的車輛運(yùn)行軌跡.

1 系統(tǒng)技術(shù)框架

本文的車輛軌跡查詢與回放系統(tǒng)由3部分組成，即數(shù)據(jù)層、技術(shù)服務(wù)層、應(yīng)用層.數(shù)據(jù)層用來存放所需要的系統(tǒng)數(shù)據(jù)，包括監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫、地圖數(shù)據(jù)庫；技術(shù)服務(wù)層提供各種服務(wù)組件來訪問數(shù)據(jù)層和響應(yīng)系統(tǒng)界面所發(fā)送的請(qǐng)求；應(yīng)用層則提供給管理人員數(shù)據(jù)查詢并發(fā)送請(qǐng)求，實(shí)現(xiàn)電子地圖的瀏覽、車輛軌跡的回放.其系統(tǒng)框架如圖1所示.在VS 2012開發(fā)環(huán)境中，采用C#開發(fā)語言，通過Ado.net連接與訪問數(shù)據(jù)庫， 采用Geo database管理ArcGIS地圖數(shù)據(jù)庫，調(diào)用ArcGIS Engine提供的接口實(shí)現(xiàn)訪問和操作電子地圖[1].

圖1 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of system framework

在高速公路監(jiān)控系統(tǒng)中，收費(fèi)站、服務(wù)區(qū)以及其他眾多斷面節(jié)點(diǎn)基本實(shí)現(xiàn)了無盲點(diǎn)監(jiān)控，各地的子系統(tǒng)卡口采集了所經(jīng)車輛的車牌、時(shí)間、車型等信息.高速公路監(jiān)控系統(tǒng)將各地采集的車輛流水?dāng)?shù)據(jù)解析后實(shí)時(shí)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心服務(wù)器上，其監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示.利用數(shù)據(jù)融合技術(shù)形成車輛完整軌跡數(shù)據(jù)庫，用戶通過系統(tǒng)的界面窗口查詢，結(jié)合ArcGIS技術(shù)就能精確地顯示車輛行駛軌跡，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛位置和狀態(tài)的查詢.

圖2 高速公路監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of expressway monitoring network

2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

車輛軌跡查詢系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)管理人員對(duì)車輛行駛軌跡的可視化查詢管理，除了在正常的監(jiān)控管理中起到監(jiān)管作用并防止交通事故的發(fā)生，還能對(duì)法治車輛的監(jiān)護(hù)、犯罪嫌疑車輛的監(jiān)控[2-3]以及配合警務(wù)人員偵查案件起到很好的作用，該系統(tǒng)的功能從以下3方面進(jìn)行詳細(xì)闡述.

2.1 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的同步復(fù)制

由于車輛的信息分散在各地的子系統(tǒng)中，一般高速公路的數(shù)據(jù)源分為3個(gè)類別，即收費(fèi)站、主線卡口、服務(wù)區(qū)，其特點(diǎn)如下：

(1) 各地子系統(tǒng)所選用的數(shù)據(jù)庫類型是多種多樣的，例如存在的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)有SQL Server 2000、SQL Server 2008、Mysql、Oracle等[4].

(2) 數(shù)據(jù)存放的方式也是不固定的，包括單一表、生成表、按日生成表等.

(3) 有些表結(jié)構(gòu)可修改，例如增加sendok字段；有些表結(jié)構(gòu)不能修改，比如按月生成表的情況，因?yàn)闊o法獲得生成表的源代碼.

針對(duì)車輛流水?dāng)?shù)據(jù)的多源異構(gòu)特點(diǎn)，高速公路車輛數(shù)據(jù)采集模塊需要對(duì)全線各個(gè)站點(diǎn)的子系統(tǒng)中的車輛流水?dāng)?shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集，即將各個(gè)數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地同步復(fù)制到上級(jí)監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫中.由地方數(shù)據(jù)庫將動(dòng)態(tài)產(chǎn)生數(shù)據(jù)中的關(guān)鍵信息同步到監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫，其同步復(fù)制結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)同步復(fù)制軟件結(jié)構(gòu)Fig.3 The software architecture of multi-source heterogeneous data replication

監(jiān)控中心根據(jù)地方子系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)地按日或按月生成一張表，表名為“traffic_年月日”，traffic表的字段定義如表1所示.同時(shí)考慮到數(shù)據(jù)存放模式的多樣性，需靈活地處理數(shù)據(jù)源，將來自不同數(shù)據(jù)庫類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并以XML格式配置數(shù)據(jù)源，將各地的車輛流水?dāng)?shù)據(jù)融合后同步到監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器.

表1 traffic表的定義Table 1 The definition of traffic table

2.2 電子地圖瀏覽

在C#開發(fā)環(huán)境下建立GIS(geographic information system)的基本應(yīng)用框架，地圖瀏覽模塊利用ArcGIS Engine地圖引擎實(shí)現(xiàn)圖層的加載、關(guān)閉、移除，以及地圖隨機(jī)放大、縮小、平移、全屏實(shí)現(xiàn)、比例尺等基本功能[1,5].在VS的編譯器中添加“ESRI MapControl”控件，ESRI MapControl 是ArcGIS Engine 的一個(gè)控件，也是電子地圖主視圖區(qū)的構(gòu)成控件.在ArcGIS Engine基本應(yīng)用框架中使用 MapControl 和 ToolbarControl 兩個(gè)控件.MapControl控件主要負(fù)責(zé)從固定目錄中加載地圖的mxd文件、管理控件的數(shù)據(jù)層，并通過監(jiān)聽事件實(shí)現(xiàn)與地圖的交互.通過調(diào)用MapControl控件中的AddLayer、 DeleteLayer、 MoveLayer方法來添加、刪除、移動(dòng)圖層[5].修改MapControl控件的Extent 屬性值來實(shí)現(xiàn)地圖的縮放功能，對(duì)不同的矩形范圍可以實(shí)現(xiàn)不同比例的縮放，地圖的移動(dòng)可以通過調(diào)用Pan方法來實(shí)現(xiàn).

2.3 空間最短路徑查詢

在空間查詢中著重介紹兩點(diǎn)間最短路徑查詢，計(jì)算最短路徑的算法有Dijkstra算法、Floyd 算法、Moore 算法等，但是在ArcGIS Engine 中，對(duì)象庫已經(jīng)將最短路徑算法封裝，在使用時(shí)只需調(diào)用PathFinder模塊，即可實(shí)現(xiàn)最短路徑分析.

PathFinder模塊主要是由SolvePath 函數(shù)和一些輔助函數(shù)(包括OpenFeatureDatasetNetwork函數(shù)和PathPolyLine函數(shù))等組成.SolvePath函數(shù)主要執(zhí)行過程如下：程序在開始計(jì)算最短路徑時(shí)，首先調(diào)用一個(gè)循環(huán)，該循環(huán)中有兩個(gè)函數(shù)，即GetNearestEdge 和QueryIDs.GetNearestEdge主要是查找輸入點(diǎn)的最近邊線, QueryIDs是以GetNearestEdge 找到的點(diǎn)為基礎(chǔ)，將這些查找到的點(diǎn)變成下一次搜索的起點(diǎn)，通過這兩個(gè)函數(shù)在循環(huán)中交替進(jìn)行計(jì)算，查詢出最短路徑的兩點(diǎn)間的所有路徑，并保存查詢路徑的所有節(jié)點(diǎn)[6].

查詢所有路徑的部分代碼如下：

for (inti= 0;i< intCount;i++)

{

INetFlag ipNetFlag = new EdgeFlagClass() as INetFlag;

IPoint ipEdgePoint = m_ipPoints.get_Point(i);

//查找輸入點(diǎn)的最近邊線

m_ipPointToEID.GetNearestEdge(ipEdgePoint, out intEdgeID, out ipFoundEdgePoint, out dblEdgePercent);

ipNetElements.QueryIDs(intEdgeID, esriElementType.esriETEdge, out intEdgeUserClassID, out intEdgeUserID, out intEdgeUserSubID);

ipNetFlag.UserClassID = intEdgeUserClassID;

ipNetFlag.UserID = intEdgeUserID;

ipNetFlag.UserSubID = intEdgeUserSubID;

IEdgeFlag pTemp = (IEdgeFlag)(ipNetFlag as IEdgeFlag);

pEdgeFlagList[i] = pTemp;

}

在循環(huán)查詢后，所查詢得到的由各個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的路徑并不都是最短路徑，因此要進(jìn)行更深入的分析，通過調(diào)用ipNetSchema.WeightByName(WeightName)設(shè)置邊的權(quán)重，可以將邊關(guān)系中的任何字段作為權(quán)重，通過findpath得到邊線和交匯點(diǎn)的集合，并根據(jù)權(quán)重來選出哪些節(jié)點(diǎn)組成的路徑是最短路徑.

2.4 ArcMap電子地圖的展示

電子地圖是本文系統(tǒng)的基礎(chǔ)，GIS的圖層是通過讀取Geo database數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)來顯示的.在車輛軌跡查詢系統(tǒng)中，為了方便數(shù)據(jù)的管理，將性質(zhì)類似的數(shù)據(jù)放在同一層，并將不同的圖層疊加.在本文系統(tǒng)中，地圖區(qū)域以某省的4個(gè)市級(jí)區(qū)域?yàn)橹鳎瑢⒌貓D劃分為不同的圖層，例如，道路、行政區(qū)域、監(jiān)控點(diǎn)(卡口采集點(diǎn))等部分，以便于地圖的展示和車輛數(shù)據(jù)的管理，展示出更直觀的可視化效果.系統(tǒng)中地圖以市級(jí)區(qū)域矢量圖為主，添加圖層形成后的展示如圖4所示.

圖4 市級(jí)區(qū)域的矢量地圖Fig.4 Vector map of municipal area

本文系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)車輛軌跡的回放，需要獲取所經(jīng)過路段的監(jiān)控點(diǎn)信息，通過發(fā)送車牌號(hào)信息的查詢請(qǐng)求，調(diào)用GetMinitorPoints函數(shù)得到車輛所經(jīng)過的監(jiān)控點(diǎn)，調(diào)用IgraphicsContainer獲取的線元素中包含了車輛經(jīng)過的監(jiān)控點(diǎn)的位置信息.遍歷所有point名稱取得point的信息，調(diào)用最佳路徑查詢算法PathFinder 模塊，得到穿越point的線，將這些線合并，調(diào)用GetCrossLine函數(shù)將合并的線路集成一條線路，將線集合中線的Geometry存入幾何集合中，在得出最佳路徑后，調(diào)用PathPolyLine 函數(shù)將最佳路徑顯示在電子地圖上.

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本文系統(tǒng)以VS 2012為開發(fā)工具，ArcGIS Engine為GIS的支撐平臺(tái)，中心數(shù)據(jù)庫采用SQL Server 2008.車輛軌跡查詢系統(tǒng)主要從以下幾個(gè)方面來實(shí)現(xiàn)：數(shù)據(jù)同步傳輸、車輛行駛數(shù)據(jù)查詢、車輛軌跡回放.

3.1 數(shù)據(jù)同步傳輸

在本文系統(tǒng)中，監(jiān)控中心實(shí)時(shí)獲取各地的車輛流水?dāng)?shù)據(jù)，并將獲取數(shù)據(jù)的時(shí)間記錄保存在監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫中的track表(同步追蹤表)中，track表的定義如表2所示.track表中詳細(xì)地記錄各地獲取最新數(shù)據(jù)的時(shí)間點(diǎn)，包括最近一個(gè)同步開始時(shí)間、最近一次上傳結(jié)束時(shí)間，通過設(shè)定時(shí)間間隔，保證數(shù)據(jù)同步的實(shí)時(shí)性，上傳的時(shí)間間隔越短，實(shí)時(shí)性越好.本系統(tǒng)設(shè)置時(shí)間間隔為60 s，考慮到網(wǎng)絡(luò)負(fù)載能力，采用動(dòng)態(tài)緩存機(jī)制提高同步的實(shí)時(shí)性，減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，即將已同步數(shù)據(jù)的關(guān)鍵字段保存在緩存中，在同步時(shí)只需判斷緩存中關(guān)鍵字段是否已存在.數(shù)據(jù)同步機(jī)制的效果如圖5所示.在保證數(shù)據(jù)同步效率的基礎(chǔ)上，須保證數(shù)據(jù)同步過程中沒有丟失數(shù)據(jù).

表2 同步追蹤表的定義Table 2 The definition of synchronous tracking table

圖5 數(shù)據(jù)同步機(jī)制的效果圖Fig.5 The rendering of data synchronization mechanism

3.2 車輛行駛數(shù)據(jù)查詢

在完成下級(jí)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同步復(fù)制到監(jiān)控中心之后，在系統(tǒng)的車輛軌跡查詢界面輸入所需查詢車輛的相關(guān)信息，向監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器發(fā)送查詢請(qǐng)求，根據(jù)查詢條件返回車牌號(hào)碼、車輛的行駛時(shí)間、經(jīng)過的高速路段、采集信息的監(jiān)控點(diǎn)、車輛行駛的方向，其操作流程如圖6所示.

圖6 查詢流程圖Fig.6 Flow chart of the query

根據(jù)各地?cái)?shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)生成模式，在監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫中每天自動(dòng)生成一張表，表名為“traffic_年月日”，例如“traffic_20150521”，各地?cái)?shù)據(jù)庫將當(dāng)天的車輛流水?dāng)?shù)據(jù)解析后同步上傳到監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫服務(wù)器.在系統(tǒng)查詢界面上輸入車牌號(hào)碼，并選擇車輛行駛?cè)掌冢巛斎胲嚺铺?hào)碼“浙AA5E76”，車輛行駛?cè)掌凇?0150521”，其數(shù)據(jù)請(qǐng)求返回結(jié)果的界面顯示如圖7所示，其中的字段包括車牌號(hào)碼、車輛經(jīng)過時(shí)間、經(jīng)過的高速路段、采集信息的監(jiān)控點(diǎn)、車輛行駛的方向.ArcGIS Engine通過返回的監(jiān)控點(diǎn)數(shù)據(jù)信息，調(diào)用點(diǎn)圖層，繪制出車行駛軌跡.

圖7 車輛行駛路線查詢Fig.7 Vehicle route query

3.3 車輛軌跡回放

軌跡數(shù)據(jù)是對(duì)車輛空間和時(shí)間位置序列變化的采集，而車輛行駛軌跡實(shí)際上是車輛在一段時(shí)間內(nèi)行走通過的數(shù)據(jù)所形成的一條曲線，曲線上的每個(gè)點(diǎn)都是道路圖層上的監(jiān)控點(diǎn).在ArcMap中顯示的車輛行駛軌跡就是這些監(jiān)控點(diǎn)所連接成的一條曲線，而每個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的位置就是車輛所經(jīng)過時(shí)刻數(shù)據(jù)采集卡口的車輛位置，將這條曲線描出顯示在電子地圖上就是車輛的行駛軌跡.輸入車牌號(hào)碼“浙AA5E76”，輸入車輛的行駛?cè)掌凇?0150521”，如圖7所示，點(diǎn)擊查詢按鈕，在datagridview控件中顯示查詢返回的結(jié)果.通過讀取datagridview中監(jiān)控點(diǎn)的信息，在圖層遍歷出這些監(jiān)控點(diǎn)，按照順序?qū)⒈O(jiān)控點(diǎn)兩兩之間查詢出空間最短路徑，并調(diào)用PathPolyLine 函數(shù)進(jìn)行軌跡描繪，得到的曲線集就是車輛行駛的完整軌跡路線.在ArcMap圖中，設(shè)置ESRI(environmental systems research institute)Arc GIS符號(hào)庫里的符號(hào)來標(biāo)志車輛行駛的起點(diǎn)和終點(diǎn)，可更方便直觀地顯示車輛行駛的路線，如圖8所示.

圖8 車牌號(hào)碼“浙AA5E76”的軌跡效果圖Fig.8 The rendering of trajectory of license number "zheAA5E76"

由圖8可以詳細(xì)地知道車輛行駛路段、行駛方向，同時(shí)結(jié)合實(shí)際的道路狀況，在某些監(jiān)控卡口的采集信息丟失從而導(dǎo)致車輛線路中斷的情況下，仍舊能夠描繪出車輛的行駛軌跡，保證了數(shù)據(jù)查詢的可靠性、有效性，同時(shí)方便管理人員更有力地監(jiān)控車輛的行蹤.

4 結(jié) 語

本文運(yùn)用ArcGIS Engine技術(shù)，在VS 2012平臺(tái)上成功開發(fā)了車輛軌跡查詢與回放系統(tǒng)，該系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合車輛監(jiān)控采集系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)獲取監(jiān)控點(diǎn)的信息，通過繪制監(jiān)控點(diǎn)的集合路線，實(shí)時(shí)監(jiān)控追蹤車輛的行駛路線及方向，為營(yíng)運(yùn)管理提供更加有效的管理手段.通過結(jié)合高速公路的監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際項(xiàng)目進(jìn)行了測(cè)試，表明該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單、效率高，能滿足用戶在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)車輛監(jiān)控的需求.

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Design of Vehicle Path Query and Playback System for Expressway Based on ArcGIS Engine

GUQian-wena,b,ZENGXian-huia,b,SHENZhen-yia,b

(a. College of Information Science and Technology； b. Engineering Research Center of Digitized Textile &Fashion Technology， Ministry of Education， Donghua University， Shanghai 201620， China)

According to the characteristics of the data synchronization under the multi-source heterogeneous environment in the whole monitoring system on the expressway. Data synchronous replication resolution was used to collect the expressway data and analyse the collected data of the whole monitoring system, and then the synchronous replication data was sent to the monitoring center.A complete vehicle trajectory database was formed by using the data fusion technology. The query and playback system of vehicle was developed by using C# and it was also combined with ArcGIS Engine development tools based on VS 2012 platform. The vehicle track data can be showed each time on the map dynamically by the system. Finally, the actual project test shows that the system has a good practicability in traffic management.

vehicle; multi-source heterogeneous;ArcGIS Engine; synchronous replication; track playback

16710444 (2016)060863-06

20150916

顧倩文(1991—)，女，江蘇鹽城人，碩士研究生，研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)庫應(yīng)用技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘與分析. E-mail:425867297@qq.com 曾獻(xiàn)輝(聯(lián)系人)，男，副教授，E-mail：xhzeng@gmail.dhu.edu.cn

TN 311

A