基于智能導向的城市交通空間規劃系統設計＊

侯碩,郁楓,王倚天

(中國建筑科學研究院有限公司，北京100013)

1 引言

城市是人類生存的主要棲息地，已經成為一個綜合性的生存系統，包括自然環境、社會變遷以及經濟變化，是人類物質財富和精神財富的中心，同時也成為了人類文明的基礎象征[1]。城市交通空間規劃在為居民提供便利的同時，也會存在很多弊端，城市交通空間規劃不僅會影響城市交通布局，還會影響居民的出行效率。國外針對城市交通空間規劃的研究比較先進，法國在2011年的時候就開始實施城市交通空間規劃，后來德國在2016年也展開了城市交通空間規劃研究，2017年時，美國對300個專用路線進行了交通空間規劃，大大提高了居民的出行效率[2]；國內隨著城市交通問題的不斷凸顯，在2016年時上海政府就開始開展城市交通空間的規劃研究，為城市交通提供了政策支持，同時也減少了車輛的能耗，解決了生態環境惡化的問題[3]。

文獻[4]從內涵定義、指標分析、模型構建等角度，提出基于交通通行和生活空間二維功能的街道規劃和設計方法，對傳統以車行為導向的街道規劃理論進行了有益的拓展；文獻[5]以韓城市為例，在總結慢行交通系統現狀的基礎上，通過對步行道和自行車道的分級組合，提出合理的橫斷面寬度要求，從而優化城市道路空間，從規劃層面保障慢行交通路權，并將其應用到公交線網的分層規劃中，為城市公交線網的分層規劃提供了有利依據。

基于以上背景，本文將智能導向應用到了城市交通空間規劃系統設計中，從而提高了城市交通空間規劃效果。

2 城市交通空間規劃系統硬件設計

2.1 數據采集模塊

在城市交通空間規劃系統的數據采集模塊中，采用飛利浦系列控制器[6]作為數據采集模塊的主控芯片，使該模塊與上位機之間相互構成了多條鏈路的數據采集和處理?？刂破鞑捎猛ㄓ玫?2 位微型處理器，在應用過程中具有較高的控制性能，且消耗的功率也比較低。

數據采集模塊的多路電壓信號是通過A/D信號經過轉換之后，到控制器中再進行傳輸，從而實現數據的處理，本文設計采用TLC736MCB2為數據采集模塊的開關電容逐次接近的轉換器[7]。數據采集模塊的轉換器需要具備三個控制輸入端以及模擬輸入通道，采用串行接口便于該模塊與微型計算機進行連接。數據采集模塊的硬件結構如圖1所示。

圖1 數據采集模塊的硬件結構

在數據采集模塊中，利用BM32-98DF 芯片將模塊中的串口轉換成USB 接口，BM32-98DF 芯片內部包括振蕩器、USB收發器以及全速功能控制器，在使用時不需要與外部其他元器件進行相互連接，只要滿足USB 規范就可以提高串口數據的傳輸速率，還能使數據采集模塊的工作效率得以提高。數據采集信號經過轉換之后，通過轉換器使獲取到的數據到達上位機再發送。

2.2 Web服務器設計

WEB 服務器一般都是應用在硬件端口受到限制的系統中，通過瀏覽器使用圖形界面來訪問城市交通空間規劃系統。WEB服務器的設計是基于因特網絡，用戶端在任意地方都可以訪問WEB服務器來查詢各種信息，為城市交通空間規劃系統的維護和管理帶來便利。

傳統的WEB服務器是以用戶端口為中心，由多個計算機組成，主要用于響應用戶端口的服務請求[8]。在城市交通空間規劃系統中，由于城市交通空間資源非常有限，傳統WEB 服務器不能對資源占用量大的程序提供緩沖支持，因此就需要設計一種新型WEB 服務器，其體系結構如圖2所示。

圖2 WEB服務器的體系結構圖

WEB 服務器向城市交通空間規劃系統發送連接請求時，通過TCP/IP協議審核并經由因特網，最后將連接請求發送到WEB服務器，當WEB服務器檢查通過之后，就會與瀏覽器端建立TCP/IP連接。連接建立完成之后，瀏覽器就會開始向城市交通空間規劃系統發送HTTP請求，并將請求發送到WEB 服務器端。當WEB 服務器接收到HTTP 請求后，就會根據HTTP 協議規范對請求進行解析，并判斷請求的內容是動態CGI 程序還是靜態網頁，最后返回給瀏覽器不同的結果。當WEB瀏覽器接收到WEB服務器返回的數據之后，就會將網頁的具體內容顯示在屏幕上。

2.3 MapObject組件設計

MapObject 組件是一個以COM 技術為基礎的地圖應用組件，由45 個自動化對象和OCX 組成，在標準的編程環境下，可以與WEB服務器和數據采集模塊組成一個完全獨立的應用軟件。MapObject 組件是計算機產品中最簡潔的一種GIS組件，它以接口數量少的特性為城市交通空間規劃系統提供了GIS功能，同時還具有結構合理、容易擴展的優勢。與MapObject組件相比，其他的GIS組件，會由于提供的功能較多，而破壞了組件的結構美，從而影響用戶在擴展上的靈活性。

從MapObject組件對城市交通空間規劃數據的組織方式來看，具有清晰的概念且便于更多人理解。MapObject組件認為一個城市交通地圖是由多個圖層共同構成的，每一個圖層的數據來源非常廣泛，不僅可以作為CAD圖層，還可以作為GIS矢量圖層，甚至還可以作為影像數據。對于前兩個圖層來講，圖層的內部都用Recordest來表達，這樣就將不同格式的城市交通空間規劃數據在內存中的表達抹平了，同時還簡化了程序員對城市交通空間規劃數據的觀點。

從MapObject組件為城市交通空間規劃系統提供的功能接口來看，在城市交通空間規劃系統的所有程序上都可以實現，主要體現在以下幾個方面：

(1)統計城市交通空間

(2)城市交通空間地圖的縮放和漫游

(3)創建新的城市交通空間規劃文件

(4)顯示城市交通空間遙感影像

(5)匹配城市交通空間地址

通過調用上述程序接口，可以在城市交通空間規劃系統中開發出比較簡單的城市交通地圖應用，甚至更加復雜的3S應用。利用城市交通空間分析算子，構造出一個具有復雜度的城市交通空間分析模型。由于MapObject 組件為城市交通空間規劃系統提供了數據的更新接口，用戶在訪問系統時就可以擴展出登錄系統的編輯工具。

在MapObject 組件設計中，對以往的MapObject 組件中增加以下幾個功能：

(1)光滑處理城市交通空間影像的圖層

(2)在MapObject組件運行過程中隨時打包功能

(3)適當增加規劃標簽的整理功能

(4)改進城市交通空間規劃的投影引擎

(5)增加Bug 修補功能，改進城市交通空間規劃系統性能

(6)提高MapObject組件裝載數據集的性能

在城市交通空間規劃系統的硬件設計中，采用飛利浦系列控制器作為數據采集模塊的主控芯片，設計了數據采集模塊的硬件結構，在傳統WEB 服務器的基礎上，設計了WEB 服務器的體系結構，根據WEB 服務器的運行原理，完成WEB 服務器的設計，結合MapObject 組件設計，實現了系統的硬件設計，從而提高了城市交通空間規劃效率。

3 城市交通空間規劃系統軟件設計

3.1 預測城市交通空間分布格局變化

在城市交通空間規劃方面，預測城市交通空間分布格局的變化可以反映出城市交通空間的結構特性，依據城市交通空間設計、交通意向、行為活動等相關理論，對城市交通空間分布格局的變化情況進行預測。城市交通空間的智能導向所針對的目標用戶是城市交通空間內的所有群體，而并不是針對特定的人群進行智能導向的，將智能導向的通用性設計應用到城市交通空間分布格局變化的預測中，就是將所有用戶都看成是不同程度的智障患者，以用戶為核心，不需要進行復雜的操作就可以預測出城市交通空間分布格局的變化。

預測城市交通空間分布格局的變化主要從城市交通空間斑塊的凝聚度、交通空間散布與并列指數、交通空間斑塊占城市面積的比例幾個指數來進行，具體預測方法如下：

(1)城市交通空間斑塊的凝聚度

城市交通空間斑塊的凝聚度COHESION 的表達式如下：

(2)交通空間散布與并列指數

交通空間散布與并列指數的表達式為：

公式中，m表示城市交通類型數量，eik表示城市交通i與k的相鄰邊長度。交通空間散布與并列指數可以反映出不同的城市交通類型之間的總體散布與并列情況。

(3)交通空間斑塊占城市面積的比例

交通空間斑塊占城市面積的比例表達式為：

公式中，n表示交通空間斑塊的數量，i表示城市交通類型，aij表示城市交通類型i中空間斑塊j的面積，A表示城市交通的總面積。交通空間斑塊占城市面積的比例可以表示出城市交通的組成成分，反映出某城市交通類型在整個城市的比例。

以上從城市交通空間斑塊的凝聚度、交通空間散布與并列指數、交通空間斑塊占城市面積的比例三個指數，預測了城市交通空間分布格局的變化情況，接下來通過城市交通空間的規劃流程設計，來實現城市交通空間的規劃。

3.2 規劃城市交通空間

基于城市交通空間利用問題以及傳統城市公交空間規劃方法存在的缺陷，引入城市公交乘客需求的智能導向，確定基于智能導向的城市交通空間規劃方法。首先找出智能導向與城市交通空間兩者之間結合發展的關鍵點，基于這一關鍵點，研究城市交通空間的規劃，形成一個基于智能導向功能的城市交通空間規劃方法。最后對智能導向與城市交通空間進行整合，形成智能導向的城市交通空間規劃。城市交通空間規劃流程如圖3所示。

圖3 城市交通空間規劃流程

綜上所述，在智能導向的基礎上，從城市交通空間斑塊的凝聚度、交通空間散布與并列指數、交通空間斑塊占城市面積的比例三個指數，預測了城市交通空間分布格局的變化情況，結合城市交通空間的規劃流程，完成了系統的軟件設計，實現了城市交通空間的規劃。

4 測試分析

4.1 分析城市交通空間格局

在城市交通空間網絡的構建過程中，城市交通類型的選擇與阻力體系的建立時刻影響著實驗結果。利用城市交通空間格局的分析結果，對每一個交通空間的指數進行歸一化處理，在研究區域內選擇200個城市交通空間類型，改變原有類型的主觀性，為實驗測試結果提供保障。由于城市道路對城市交通空間的影響很大，會將原有的空間進行分割，導致城市交通系統紊亂，因此，在選取阻力指標過程中存在很多道路因子影響分析結果。通過分析每一個阻力因子來確定不同道路因子的權重，如表1所示。

表1 阻力賦值表

4.2 城市交通空間規劃效率對比測試

利用城市交通空間格局的分析結果，分別采用基于智能導向的城市交通空間規劃系統、文獻[4]的規劃系統以及文獻[5]的規劃系統，來規劃城市交通空間，得到城市交通空間規劃效率對比結果，如圖4所示。

圖4 城市交通空間規劃效率對比結果

從圖4的測試結果中可以看出，采用文獻[4]的規劃系統來規劃城市交通空間時，由于該系統在硬件端口設計沒有采集到準確的城市交通空間數據，導致系統的硬件的運行過程中經常會出現故障，部分規劃結果在測試過程中丟失，降低了城市交通空間規劃效率；采用文獻[5]的規劃系統來規劃城市交通空間時，該規劃系統雖然采集了城市交通空間數據，也將服務器應用到了系統的硬件設計中，但是由于服務器與瀏覽器之間的數據傳輸缺少連接裝置，造成數據傳輸經常中斷，也使得城市交通空間的規劃效率不高；而采用本文設計的基于智能導向的城市交通空間規劃系統來規劃城市交通空間時，該系統不僅設計了數據采集模塊和服務器，還將MapObject 組件也應用到了系統的硬件配置中，從而提高了城市交通空間的規劃效率。

4.3 城市交通空間規劃精度對比測試

利用城市交通空間格局的分析結果，分別采用基于智能導向的城市交通空間規劃系統、文獻[4]的規劃系統以及文獻[5]的規劃系統，來規劃城市交通空間，得到城市交通空間規劃精度對比結果，如圖5所示。

圖5 城市交通空間規劃精度對比結果

從圖5的測試結果中可以看出，采用文獻[4]的規劃系統來規劃城市交通空間時，由于該系統只從城市交通空間斑塊的凝聚度這一個方面，預測了城市交通空間分布格局變化，導致預測結果存在單一性，使城市交通空間的規劃精度不高；采用文獻[5]的規劃系統來規劃城市交通空間時，雖然解決了預測結果的單一性問題，但是在規劃流程設計中缺少規劃工具，降低了城市交通空間規劃精度；采用基于智能導向的城市交通空間規劃系統來規劃城市交通空間時，該系統從城市交通空間斑塊的凝聚度、交通空間散布與并列指數、交通空間斑塊占城市面積的比例三個指數，預測了城市交通空間分布格局的變化情況，從而提高了城市交通空間的預測精度。

5 結束語

本文設計了基于智能導向的城市交通空間規劃系統設計，在智能導向的基礎上，通過設計城市交通空間規劃系統的硬件和軟件，完成了系統的設計，測試結果顯示，該系統在規劃效率和規劃精度方面，都可以提高城市交通空間規劃效果。但是在今后的研究工作中，還要進一步深入研究，解決不同用戶對城市交通空間的需求問題。