基于智能手机的交通导航系统
【摘要】：基于智能手机的导航系统将移动手机与道路交息结合，无论何时、何地，随时都可以获得最短路径信息服务。该系统分为三个层次五大模块，采用分层数据存放、分级网路拓扑架构、仿OSPF的动态信息更新等技术，提高系统运行的效率与速率。
【关键词】：智能手机;分层;动态更新
1. 引言
我国迅速发展，随着城市规模的扩大和交通信息的增加，道路网规模越来越庞大。公众最为关注交通出行信息，要求在出行前和出行中都能够及时地发送和接收相关交通信息。目前手机的增值服务多是以娱乐（彩信、移动QQ等）为主，而诸如交通路网信息、购物信息等与人们日常生活密切相关的服务却很少，不能满足人们获取实时信息的需求。
智能交通系统（ITS）是信息系统（GIS）在交通领域的延伸，已逐渐完善，但仅局限于为交通部门提供实时的数字交通信息。ITS只有与人们的出行信息相结合才能为广大社会公众提供实时、便利的服务。
2. 系统简介
2.1 系统功能
该系统主要功能是在出行前或出行中为用户提供实时、与出行目的相关的候选信息（包括娱乐场所，机构，医院等），并以用户所在地为起始点根据当前的路况信息为用户提供最佳的的交通导航。该系统的具体功能包括准确定位、信息查询、地图显示、方案生成等。
2.2 系统框架
该系统主要分五大模块实现：地图操作模块、信息查询模块、信息采集模块、方案生成模块和后台数据库管理模块。其中前两个模块处于客户端（手机），后三个模块是在服务器端实现。
地图操作模块：提供地图的放大、缩小、拖动等。还包括当前位置的地图显示，地名映射及地点分层或叠加显示。
信息查询模块：选择分层地图上显示出的任一相关地点，便可查询该地点相关信息（住宅区的、娱乐场所的设施或医院的联系电话等）及从起始点到该地点的路况信息（拥塞与否、可搭乘公交车车次、估计抵达时间等）。
信息采集模块：采集的信息包括地点的更新及实时路况。此信息作为系统程序的参数，及时传递给数据库并对数据库中的数据进行更新操作。
方案生成：根据数据库中数据为基础采取适当的路径选择算法生成若干可供选择方案。
数据库管理模块：为保证系统的安全性定期对数据库的数据进行备份，对冗余数据进行清理。
2.3 系统模式
采用三层C/S（客户端/服务器）模式，将手机作为客户端独立于服务器端的大量数据和中间件的复杂程序代码。当用户提出查询请求时，客户端只需将请求信息传送到中间件，作为参数经过程序的处理，再将处理过的查询信息传送到服务器端，服务器端接收到查询信息后，将符合条件的数据再次传送到中间件部分，中间件部分对数据经过加工处理，以用户需要的形式传送回客户端。采用此模式降低了对手机性能的要求，增强了系统数据的独立性。，减少了数据传输量，增强了处于服务器端数据库的安全性，减少了服务器端的工作量。
3. 系统设计
3.1 系统整体结构
以系统的五大功能模块为依据，根据系统三层模式的特点，将系统分为数据层、业务层、客户显示层。其中数据层支持数据库管理模块，处于服务器端；业务逻辑层负责信息查询模块、信息采集模块和方案生成模块的功能实现，处于连接服务器端和客户端的中间件；客户显示层主要支持地图操作模块的功能实现。
3.2 数据层的实现
本系统涉及信息种类繁多，合理的分层管理是提高系统响应速度的关键。按照数据性质的不同我们将数据分为以下几类，即地理框架数据、道路数据、节点数据。
3.2.1 地理框架数据
在一个城市区域范围内分布着不同的地理元素，地理框架数据就是基础地形图数据，包括区域、湖泊、河流、居民区、物等，它们主要是面类数据。
3.2.2 道路数据
道路数据包括路面数据和路网数据。路面数据是以面的形式所表现的道路,为用户提供直观、形象的道路走向图。对于系统来说更重要的是路网数据，关系到用户出行的路线选择，要进行特殊的处理。道路网本身分为国道、省道等不同的级别；依附道路网存在的交通信息包括静态交通信息（如交通规则、道路通行条件等）及动态交通信息（如实时路况信息）。
3.2.3 节点数据
节点数据在系统中占有很重要的位置，是重要的定位参考点，并对应用户的各种服务信息。节点数据可分为两大类，一类是节点数据，如：机关；企事业单位；住宅区；交息类：包括公交车站点、长途客运站、火车站、机场等；大型公共：包括体育场、医院；休闲娱乐类：如公园、购物场所等。另一类是特殊节点数据，这些数据不在地图中显示，但在用户查询中作为参数或反馈信息，起到重要作用。包括住宅区门牌号码、特定单位联系电话等。
3.3 业务层的实现
考虑到当前城市拥堵状况严重和道路更新异常频繁的现状，信息查询模块和方案生成模块中，路径寻优算法的时间复杂度与道路网路的拓扑结构的好坏紧密相连；而信息采集模块则需要根据实时路况信息完成路径信息的及时更新。
3.3.1 分级道路网络拓扑结构
构建一个完善且灵活的道路网络拓扑结构是关系到业务逻辑层能否在复杂多变的道路下完成用户要求的关键。完善要求拓扑的构造与实际信息的误差缩为最小，且方便以最佳的算法实现信息查询和方案生成；而灵活则要求拓扑结构易于扩展且使得信息的采集更加灵活。
本系统采用分级的道路网络层次拓扑结构,其涉及基于道路等级的路网分层抽象、道路数据分区组织、以区域为单位的路网层次拓扑关系模型。道路网络本身是分级的，车辆行走时按不同的等级变换路径，算法优先考虑主干道网进行计算分析，符合驾驶者宁愿选择主干道路，避开交通不便的次要道路的愿望，使得路径选择更为合理。考虑到用户从当前位置去往附近区域的概率要远远大于去往距离很远的区域，以区域为单位来组织数据，降低了拓扑的复杂性。
3.3.2 动态信息及时更新
以网络中内部网关协议开放最短路径优先（OSPF）协议的工作原理作为参考。OSPF是一种分层次的路由协议，将网络划分为不同的区域，每个域内部维持本域一张唯一的拓扑结构图，且各域根据自己的拓扑图各自计算路由，域边界路由器把各个域的内部路由后用"洪泛法"在域间扩散。
按照网络拓扑中划分的区域，建立各个区域内部的"路由表"和区域之间的"边界路由表"。当道路网络中的某条道路状态因为拥堵等事件发生变化时，此道路所在的区域中的每个"路由器"重新计算本域"路由表"，而其它域中"路由器"只需修改其"路由表"中的相应条目而无须重新计算整个"路由表"，节省了计算"路由表"的时间。
3.4 客户显示层的实现
在不同的应用中，对于路网拓扑结构的要求是不同的。即使是在同一种应用中，对于不同种类的拓扑关系的要求也不同。例如对于公交车用户来说，重要的是道路网络的拓扑关系，河流、公园等要素只需作为显示背景即可，不必在数据结构中显示地描述其拓扑关系；但是对于自驾车用户来说，不但需要利用道路网本身的拓扑关系，还要知道道路网络与停车场之间的拓扑关系；对于有特定出行目的的用户，还需要知道网络与公园、住宅区等信息服务区的拓扑关系。将不同种类的拓扑关系划分为不同的图层，根据用户的特定需求而单独或叠加显示，既使得地图显示简洁、清晰又满足了用户个性化的需求。
4. 结论
中国目前正处在城市化的高速进程中，城市发展异常迅速。急剧增加，城市地域迅速扩大，道路更新异常频繁，道路交通拥堵状况日益加剧。手机移动服务与交通信息服务的有机结合，充分利用了无线移动通讯的灵活性、方便性，也体现了大部分的信息与用户所处位置有关的特点。基于GPS的定位业务作为我国3G技术移动增值商用业务之一，也促进了基于智能手机的城市导航系统的逐渐完善。
参考文献
[1] 李文年. 基于多层结构的城市智能交通系统. 现代工程研讨会论文集,2006.
[2] 马扩. 基于实时信息的动态路径规划问题研究. 中国优秀硕士论文全文数据库.
[3] 付梦印. 基于分层道路网络的新型路径规划算法. 辅助设计与图形学学报,2005,4.
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