云計(jì)算模型在智慧交通系統(tǒng)中的應(yīng)用研究
——以深圳市為例

張愛國(guó)，范文強(qiáng)，張迎婭

(1.湖北中醫(yī)藥高等專科學(xué)校，湖北 荊州 434020；2.深圳市城市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究中心有限公司，廣東 深圳 518000；3.深圳市都市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 深圳 518000)

0 引言

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程和汽車保有量快速增長(zhǎng)，城市交通擁堵、交通安全以及環(huán)境污染等問題越來越嚴(yán)重，人們出行品質(zhì)也受到嚴(yán)重影響。政府通過交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)在一定程度上緩解了交通擁堵、交通安全等問題，但是由于城市道路建設(shè)用地有限且建設(shè)周期較長(zhǎng)，單一的設(shè)施供給已難以滿足日益快速增長(zhǎng)的出行需求，因此，必須通過現(xiàn)代化的智慧交通管控手段，與交通設(shè)施建設(shè)形成組合拳，確保城市交通系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

城市交通系統(tǒng)是由人、車、路、環(huán)境等各個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成的復(fù)雜巨系統(tǒng)。新時(shí)期的城市交通規(guī)劃轉(zhuǎn)向移動(dòng)性規(guī)劃，即城市交通系統(tǒng)中人和車的移動(dòng)規(guī)劃，包括各類人群在一天中的出行軌跡，如出行時(shí)間、出行目的、出行起訖點(diǎn)位置屬性、出行方式等。為了實(shí)現(xiàn)交通管理部門的精細(xì)化管理要求，滿足出行者更加精準(zhǔn)、及時(shí)的個(gè)性化出行服務(wù)需求，交通大數(shù)據(jù)信息的收集、處理、分析和發(fā)布將面臨巨大的挑戰(zhàn)。云計(jì)算作為一種商業(yè)計(jì)算模型，具有規(guī)模龐大、虛擬化、高可靠性、通用性、高可伸縮性、按需服務(wù)、廉價(jià)的優(yōu)勢(shì)，能彌補(bǔ)目前智慧交通系統(tǒng)中各子系統(tǒng)間共享困難、數(shù)據(jù)分析處理不及時(shí)、信息傳遞延緩等問題。因此，有必要結(jié)合云計(jì)算和智慧交通系統(tǒng)的特點(diǎn)，研究構(gòu)建智慧交通云計(jì)算系統(tǒng)，提升交通信息化管理水平、改善城市交通運(yùn)行狀況[1]。

1 智慧交通系統(tǒng)發(fā)展研究

智慧交通系統(tǒng)(Intelligent Transportation Systems,ITS)是以交通需求為導(dǎo)向，將信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、大數(shù)據(jù)通信技術(shù)、電子傳感技術(shù)以及控制技術(shù)等現(xiàn)代化技術(shù)手段充分運(yùn)用到交通運(yùn)輸領(lǐng)域的綜合管理系統(tǒng)。因其能有效地提高城市交通運(yùn)行效率，一直受到歐美國(guó)家的廣泛關(guān)注。

1.1 國(guó)內(nèi)外智慧交通發(fā)展趨勢(shì)

智慧交通正在全球范圍內(nèi)蓬勃發(fā)展，美國(guó)、新加坡、日本和歐盟是智慧交通的四大研發(fā)與應(yīng)用陣營(yíng)。

美國(guó)2015年最新發(fā)布的《智慧交通戰(zhàn)略計(jì)劃 2015—2019》 (The Strategy Plan of ITS)，確定了最新一輪戰(zhàn)略優(yōu)先方向，主題為“建設(shè)更加安全的車輛和道路、提高交通系統(tǒng)效率和出行便捷性、減少環(huán)境影響、促進(jìn)創(chuàng)新、支持交通系統(tǒng)信息共享”。日本在《科技創(chuàng)新戰(zhàn)略2015》中提出“10～20年內(nèi)，實(shí)現(xiàn)政府和官方共建的ITS 框架，建設(shè)交通最安全、環(huán)境最友好、通行最高效的社會(huì)”；新加坡注重智慧交通系統(tǒng)的整合以及圍繞電子道路收費(fèi)系統(tǒng)(ERP2.0)的主動(dòng)需求調(diào)控功能實(shí)現(xiàn)，近期提出智慧交通建設(shè)i-Transport2.0，在原有整合平臺(tái)基礎(chǔ)上，增加更多新的ITS 系統(tǒng)平臺(tái)，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析、共享、傳輸、應(yīng)用開發(fā)、數(shù)據(jù)融合和預(yù)測(cè)上將有所突破；歐洲關(guān)注可持續(xù)移動(dòng)性和出行即服務(wù)(Mobility-as-a-Service, Maas)系統(tǒng)，以服務(wù)人的出行需求為核心價(jià)值，Maas更多強(qiáng)調(diào)服務(wù)的政府-市場(chǎng)-企業(yè)-市民合作和共同參與。

與歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家相比，中國(guó)智慧交通發(fā)展較晚。1995年，原交通部將衛(wèi)星定位技術(shù)應(yīng)用于車輛管理標(biāo)志著交通信息化建設(shè)的開始[2]。當(dāng)前，交通信息服務(wù)平臺(tái)、不停車收費(fèi)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智慧誘導(dǎo)系統(tǒng)、出行服務(wù)APP、公共交通智慧化管理技術(shù)開始全面推廣。

1.2 發(fā)展瓶頸

智慧交通發(fā)展迅速且效果顯著，然而，目前智慧交通系統(tǒng)中的通信系統(tǒng)、發(fā)布系統(tǒng)等子系統(tǒng)相互獨(dú)立，存在較為嚴(yán)重的信息傳導(dǎo)障礙，傳導(dǎo)成本較高，整個(gè)系統(tǒng)相對(duì)封閉，系統(tǒng)之間信息共享困難、信息傳遞延遲[3]，這些都嚴(yán)重制約著交通信息傳導(dǎo)的可達(dá)性、實(shí)時(shí)性和可靠性，影響決策支持、管理調(diào)度的效率，影響了智慧交通系統(tǒng)的普及。而云計(jì)算技術(shù)具有的動(dòng)態(tài)資源調(diào)度、超強(qiáng)計(jì)算能力、海量信息集成化管理機(jī)制、互動(dòng)開放效應(yīng)以及按用戶需求提供定制服務(wù)等特點(diǎn)恰好能解決智慧交通系統(tǒng)發(fā)展存在的問題[4-6]。

2 云計(jì)算技術(shù)

云計(jì)算是近幾年開始流行的概念，是利用計(jì)算機(jī)處理龐大數(shù)據(jù)的一種商業(yè)計(jì)算模型，根據(jù)用戶需求提供數(shù)據(jù)獲取、存儲(chǔ)、快速處理、分析、信息發(fā)布服務(wù)。云計(jì)算內(nèi)部框架是集成核心服務(wù)、服務(wù)管理以及用戶訪問的綜合系統(tǒng)(見圖1)[7]。

云計(jì)算具備超強(qiáng)的交通大數(shù)據(jù)高效快速處理能力、多用戶個(gè)性化服務(wù)能力、動(dòng)態(tài)的負(fù)載均衡能力、良好的擴(kuò)展能力和軟件冗余機(jī)制[8]，這能很好地解決智慧交通的發(fā)展瓶頸問題，云計(jì)算與智慧交通系統(tǒng)有著天然的高度契合。在智慧交通發(fā)展過程中，應(yīng)充分結(jié)合云計(jì)算技術(shù)，在云架構(gòu)上實(shí)現(xiàn)交通大數(shù)據(jù)組織與挖掘、交通信息快捷處理與分析、交通信息實(shí)時(shí)發(fā)布與共享。

3 智慧交通云計(jì)算系統(tǒng)的基本框架

圖1 云計(jì)算框架結(jié)構(gòu)Fig.1 Cloud computing framework

智慧交通云計(jì)算服務(wù)集交通信息采集、處理、分析和應(yīng)用為一體，為城市交通管理部門和人們?nèi)粘３鲂刑峁┲腔鄯?wù)。智慧交通云計(jì)算基本框架包括三層結(jié)構(gòu)(見圖2)，即基礎(chǔ)設(shè)施層(Infrastructure as a Service,Iaas)、平臺(tái)層(Platform as a Service, Paas)和應(yīng)用層(Software as a Service, Saas)。基礎(chǔ)設(shè)施層整合所有交通信息資源，構(gòu)建交通大數(shù)據(jù)資源池，同時(shí)存儲(chǔ)、預(yù)處理交通大數(shù)據(jù)。平臺(tái)層基于基礎(chǔ)設(shè)施層，提供大數(shù)據(jù)管理、分布式并行計(jì)算、交通軟件運(yùn)行和開發(fā)等服務(wù)。應(yīng)用層服務(wù)對(duì)象主要為交通管理部門、企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)和出行者等。為城市交通管理部門提供計(jì)算能力快、保密性高、彈性強(qiáng)的云服務(wù)，為企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)和出行者提供交通信息共享、出行選擇引導(dǎo)等服務(wù)。

4 云計(jì)算在智慧交通系統(tǒng)中的應(yīng)用模式

4.1 短時(shí)交通量預(yù)測(cè)

云模型指的是某個(gè)用自然語(yǔ)言值表示的定性概念與其定量表示之間的不確定性轉(zhuǎn)換模型[10]。交通量預(yù)測(cè)指的是對(duì)歷史出行大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、綜合處理，預(yù)測(cè)下一個(gè)時(shí)刻路網(wǎng)的交通量。以全日交通量為例，早晚高峰時(shí)段與平峰時(shí)段的交通量數(shù)據(jù)平均值存在較大差異，高峰時(shí)段的交通量受前一時(shí)段交通量的影響，因此數(shù)據(jù)應(yīng)該以前一時(shí)段的交通量作為當(dāng)前云，根據(jù)云模型的推理機(jī)制，循環(huán)處理到具有足夠的云滴為止，最后以所有云滴的平均值輸出。運(yùn)用迭代預(yù)測(cè)法和直接預(yù)測(cè)法的組合預(yù)測(cè)方法可實(shí)現(xiàn)連續(xù)時(shí)間差的短時(shí)交通量預(yù)測(cè)。迭代預(yù)測(cè)法通過迭代當(dāng)前的交通數(shù)據(jù)生成預(yù)測(cè)值，然后根據(jù)預(yù)測(cè)值迭代生成當(dāng)前云。直接預(yù)測(cè)法用當(dāng)前云作為當(dāng)前預(yù)測(cè)的趨勢(shì)，結(jié)合歷史云和當(dāng)前云來生成預(yù)測(cè)云，對(duì)未來值進(jìn)行預(yù)測(cè)。

4.2 最優(yōu)出行路徑誘導(dǎo)服務(wù)

智慧交通誘導(dǎo)服務(wù)以交通大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用云計(jì)算數(shù)據(jù)中心對(duì)人-車-路-環(huán)境等交通子系統(tǒng)的處理、分析和融合，快速判斷路況發(fā)展趨勢(shì)，通過電視、廣播、電子地圖、實(shí)時(shí)手機(jī)通訊、車載終端等媒介發(fā)布出行信息(擁堵路段、事故路段、停車場(chǎng)分布、停車位數(shù)量)，為出行者提供最優(yōu)路徑誘導(dǎo)服務(wù)，引導(dǎo)出行者合理選擇出行時(shí)間、出行路徑、出行方式等，避開交通擁堵、事故路段。

5 應(yīng)用案例——深圳智慧交通云服務(wù)平臺(tái)

圖2 智慧交通云計(jì)算系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)Fig.2 Framework of cloud-based ITS

隨著深圳市智慧交通系統(tǒng)建設(shè)不斷推進(jìn)，系統(tǒng)越來越多，規(guī)模越來越大，投入服務(wù)器等硬件設(shè)備也成倍增長(zhǎng)，系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量更是呈幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)，海量交通數(shù)據(jù)的快速綜合挖掘分析應(yīng)用需求日益增加，迫切需要通過搭建智慧云平臺(tái)滿足海量交通數(shù)據(jù)的計(jì)算與存儲(chǔ)。基于此，深圳市依托現(xiàn)有智慧交通系統(tǒng)，結(jié)合云計(jì)算超強(qiáng)的交通大數(shù)據(jù)高效快速處理能力，按照基礎(chǔ)設(shè)施層、平臺(tái)層和應(yīng)用層三層架構(gòu)，率先構(gòu)建了智慧交通云服務(wù)平臺(tái)，以適應(yīng)深圳市智慧交通發(fā)展的需求。

1）基礎(chǔ)設(shè)施層：交通云資源集成管理。

智慧交通云服務(wù)平臺(tái)以深圳市綜合交通運(yùn)行指揮中心為主體，借助中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院云平臺(tái)、騰訊云計(jì)算平臺(tái)等一系列云平臺(tái)的計(jì)算和存儲(chǔ)能力，構(gòu)建了服務(wù)于深圳市交通運(yùn)輸局的一體化交通云平臺(tái)和數(shù)據(jù)中心。目前，智慧交通云服務(wù)平臺(tái)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量近500 TB，服務(wù)器集群總規(guī)模超過300 臺(tái)，鋪設(shè)數(shù)據(jù)共享專線20 余條，實(shí)現(xiàn)交通大數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接入、高效運(yùn)算、安全存儲(chǔ)。

2）平臺(tái)層：交通云數(shù)據(jù)采集分析。

智慧交通云服務(wù)平臺(tái)主要用于車載GPS數(shù)據(jù)，公共汽車、地鐵、出租汽車、長(zhǎng)途客運(yùn)、鐵路、民航等營(yíng)運(yùn)數(shù)據(jù)，深圳通刷卡數(shù)據(jù)、手機(jī)信令數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)等大數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與計(jì)算分析服務(wù)。

以基于出租汽車GPS數(shù)據(jù)的路網(wǎng)行程車速計(jì)算為例，路網(wǎng)行程車速反映車輛通過特定道路的效率，易于公眾感受和理解，是出行選擇的重要依據(jù)，也是反映道路交通運(yùn)行狀況、用于交通技術(shù)評(píng)估分析的最有效指標(biāo)之一[11]。考慮到出租汽車運(yùn)營(yíng)時(shí)間連續(xù)性強(qiáng)、強(qiáng)度大、覆蓋范圍廣，涵蓋全市各主要區(qū)域和主要道路，因此利用出租汽車GPS數(shù)據(jù)和浮動(dòng)車技術(shù)，能夠不間斷地收集全市絕大部分區(qū)域的行程車速數(shù)據(jù)。該技術(shù)與傳統(tǒng)固定檢測(cè)器相比具有實(shí)時(shí)性好、覆蓋范圍大、采集成本低等顯著優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也帶來了需快速存儲(chǔ)和處理、分析數(shù)據(jù)量大等問題。智慧交通云服務(wù)平臺(tái)因具備超強(qiáng)的交通大數(shù)據(jù)高效快速處理能力，能較好地解決上述問題，其計(jì)算原理和方法已比較成熟，包括GPS數(shù)據(jù)接收清洗、地圖匹配、路徑搜索判別、樣本車速計(jì)算、平均車速估計(jì)等步驟[12](見圖3)。

3）應(yīng)用層：智慧交通云服務(wù)應(yīng)用。

深圳市交通運(yùn)輸局通過利用超算中心的巨型計(jì)算資源，對(duì)全市1.9 萬輛出租汽車的GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，實(shí)時(shí)得出的行程車速以電子地圖形式在深圳市道路交通運(yùn)行指數(shù)系統(tǒng)(見圖4)、交通在手APP(見圖5)和全景大交通電視直播頻道等渠道發(fā)布，方便市民查詢實(shí)時(shí)路況信息，指導(dǎo)出行選擇。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，私人小汽車出行者擁堵避行和錯(cuò)峰出行意識(shí)顯著增強(qiáng)，月均市民出行服務(wù)投訴次數(shù)下降52%，社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益顯著。

圖3 基于GPS數(shù)據(jù)的路網(wǎng)行程車速估計(jì)技術(shù)流程Fig.3 Techniques of estimating road network operating speed based on GPS data

圖4 基于出租汽車GPS數(shù)據(jù)的行程車速分布Fig.4 Travel speed distribution based on the taxi vehicles'GPS data

圖5 交通在手APPFig.5 Traffic in Hand APP

6 結(jié)語(yǔ)

中國(guó)諸多城市交通管理部門均聯(lián)合科研機(jī)構(gòu)、互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)、通信企業(yè)等嘗試構(gòu)建城市智慧交通云平臺(tái)，推廣云計(jì)算技術(shù)在智慧交通系統(tǒng)中的應(yīng)用。云計(jì)算技術(shù)具有超強(qiáng)計(jì)算能力、動(dòng)態(tài)資源調(diào)度、大數(shù)據(jù)信息集成化管理機(jī)制以及按需提供服務(wù)等優(yōu)勢(shì)，將成為推動(dòng)智慧交通系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，有利于提升交通信息化水平、改善城市交通運(yùn)行狀況。然而，云計(jì)算在智慧交通領(lǐng)域的研究尚處于起步階段，各大城市的應(yīng)用也處在摸索階段，如何將云計(jì)算的超強(qiáng)計(jì)算能力、快速處理分析能力和智慧交通系統(tǒng)數(shù)據(jù)收集平臺(tái)、發(fā)布平臺(tái)緊密結(jié)合將是下一步工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)，城市交通管理部門和科研人員還需進(jìn)行大量的研究和嘗試。