低頻GPS標線逆反射亮度系數采集系統應用研究

□文/趙 林

道路標線具有引導交通、分流車輛等功能，對駕駛員和行人都具有極其重要的作用，一直以來對道路標線監測，都是持續保障交通安全的重點內容[1]。對道路標線各方面指標的測定一般參照JTG H10—2009《公路養護技術規范》的規定進行，包括形狀、顏色、線型、逆反射亮度系數等指標。其中逆反射亮度系數是否達標直接關系到夜間交通參與者的行車安全，是監測的重難點內容[2～3]。

傳統標線逆反射亮度系數采用定點采樣、人工記錄的采集方式，將現場數據帶回，再輸入電腦中進行統計分析；這種操作流程效率低下、實時性差、難以有效監管，不利于數據分析以及數字化信息接口的集成。隨著物聯網和信息技術的不斷發展，可以構建一種新型的標線逆反射亮度系數采集展示平臺，采集人員安裝手機軟件，通過藍牙通訊獲得逆反射亮度系數采集專業設備的測量值并由GPRS 網絡將測量數值、地理位置及其他信息傳回遠端服務器，從而實現數據的實時上傳功能，但傳回的是低頻GPS 信號，需要優化算法將數據與GIS系統進行匹配，從而實現準確顯示的功能。

1 采集平臺設計

1.1 需求

移動采集端要便于操作人員上傳使用，可以方便完成藍牙匹配與數據顯示確認的功能，具有必要的提示，指導現場人員使用。遠端客戶端可以方便的分析歷史采集數據與趨勢，以地圖顯示為主體，便于養護人員發現問題，配有的下載接口，可以直接下載Excel可編輯數據，方便監測人員定期上傳匯報。

1.2 邏輯體系

平臺的搭建要充分考慮到養護人員和監管部門對于養護業務開展的需求，滿足實時更新、快速解析、正確顯示、快速表達的要求，具有較強的可擴展性和魯棒性。通過調查研究發現，養護人員需要通過平臺實時查詢到采集信息并根據歷史數據做出趨勢預測，結合地理位置信息，分析、預測標線磨損程度，從而形成標線重新施畫的依據并指導巡查路線規劃。

平臺的前端設備需要在操作人員的手機安裝，作為采集設備；數據的更新、存取采用MySql數據庫并結合web 端將處理分析結果在GIS 系統[4～6]上進行顯示。見圖1。

圖1 系統結構

從圖1可以看出，逆反射亮度系數采集平臺主要由數據采集和傳輸層、數據解析和存儲層、數據使用和共享層組成。數據采集和傳輸層中專業的逆反射亮度系數采集設備，在經過矯正后準確獲取標線逆反射系數，經藍牙通訊模塊發送給移動設備端，移動設備再通過GPRS網絡將信息傳輸至遠端。數據解析和存儲層包括數據處理服務器和數據庫服務器；數據處理服務器接收數據后對傳回的數值和低頻地理位置地理信息數據在GIS系統上進行匹配并存入數據庫服務器。數據使用和共享層包括web 應用服務器與客戶端、web services服務、實時顯示服務；用于在移動設備上、遠端移動端、遠端web端實時更新的測量數據。養護人員和遠程分析人員通過web 網頁和專用手機應用程序（APP）查看每條道路逆反射亮度系數變化情況，為制定標線養護計劃給出建議。

1.2.1 數據采集客戶端

該模塊主要實現的是專業設備與移動設備端之間的通訊，采用的是StripeMaster 2 Touch 型標線逆反射亮度系數采集設備，其與外部通訊的方式主要有兩種：有線傳輸與藍牙傳輸。由于在實際檢測過程中，操作人員需要不斷推動儀器，如果采用有線方式不便利，故采用藍牙方式實現數據的傳輸。見圖2。

圖2 傳輸內容與流程

從圖2 可以看出，移動設備端接收到實時測量值和時間信息，整合操作人員填寫的道路信息，有效判定后，將從移動端獲取到的GPS信息發送到遠端服務器并存儲至數據庫中。

1.2.2.數據解析與GIS匹配

由于遠端服務器獲取到的是低頻離散GPS 信號[7～8]，所以要在地圖上實時顯示、更新較為準確的信息就需要進行數據修正與匹配。首先要對數據進行預處理，即根據整條道路劃定包圍輪廓延長3 km以內的矩形區域為候選區域，如果獲取數據偏離出候選區域則判定為錯誤值進行標記，如累計錯誤值達到一定次數，則由平臺給出報警信息。

使用地圖服務商提供的路網數據構建拓撲關系節點；將存在誤差的GPS信息與拓撲節點進行匹配需要進行一系列運算。見圖3。

圖3 地理坐標與拓撲節點匹配

首先計算測量GPS 信號在道路首尾連線上的投影，根據道路起點P1至P2的拓撲節點，選取節點中上下左右點坐標并向外擴展2 km 作為包圍域。C1點在包圍域R之外，所以拋棄；向道路兩端連線做垂線，令投影點為P0。由于P0、P1、P2都在同一直線上，可得到

式中：K為比例因子；設V1=C2-P1，V2=P2-P1，V1·V2=|P0-P1|·|P2-P1|；由式（1）推導出

最終可以求得直線C2P0。在求臨近點時分兩種情況：

1）垂線與道路拓撲連線沒有交點，則計算拓撲點到垂足P0的距離，取最小值拓撲點C2’作為地理坐標信號近似點；

2）垂線與道路拓撲有交點，則計算交點C0及拓撲點到C0的距離，取最小值拓撲點C2’作為地理坐標信號近似點。

1.3 系統組成

整套系統有三大模塊：現場采集端、服務器和客戶端。見圖4。

圖4 系統模塊

1）現場采集端主要將設備信息采集至移動端。首先要進行藍牙配對連接并將信息發送至移動端，手動填寫的必要信息，包括線道數、道路名稱和是否有效；與地理坐標位置一同由GPRS網絡發回服務器。

2）服務器使用GPS 拓撲結構匹配算法將采集值與地理坐標點一一對應，同時將信息存入MySql 數據庫。

3）客戶端實時顯示采集信息，對歷史數據進行匯總和趨勢分析；具有歷史數據下載功能與搜索功能。

2 試驗分析

為驗證本系統采集信息的精確性，采集延時情況及采集位置的準確性，采集多條道路9個標線點位的逆反射亮度系數信息，與人工記錄的信息進行對比，結果見表1。

表1 系統采集指標與人工記錄信息對比

從表1 可以看出，系統獲取信息穩定，獲取信息延時＜40 s，坐標誤差＜80 m，符合平臺設計要求。

3 結論

基于低頻GPS數據的逆反射亮度系數采集平臺，可以為道路標線養護管理人員提供實時在線標線逆反射亮度信息，對現場人員所在位置、采集值以及附屬信息進行統一采集，通過優化匹配算法等手段，建立了快速、方便、準確、實時展示的逆反射亮度系數采集統計平臺，后續可以開發出更為準確的可視化平臺[9～10]。