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城市交通大数据技术及智能应用系统2015年两会上,“大数据(bigdata)”一词首次写入政府工作报告。在交通领域,大数据一直被视作缓解交通压力的技术利器。应用大数据有助于了解城市交通拥堵问题中人的出行规律和原因,实现交通和生活的和谐,提高城市的宜居性,为政府精准管理提供基于数据证据的综合决策。同时,大数据的挖掘和使用还有利于催生信息消费新模式,促进信息消费产业发展。随着手机网络、全球定位系统(globalpositioningsystem,GPS)/北斗车载导航、车联网、交通物联网的发展,交通要素的人、车、路等的信息都能够实时采集,城市交通大数据来源日益丰富。在日益成熟的物联网和云计算平台技术支持下,通过城市交通大数据的采集、传输、存储、挖掘和分析等,有望实现城市交通一体化,即在一个平台上实现交通行政监管、交通企业运营、交通市民服务的集成和优化。城市交通大数据的集成与分析技术研究,对我国智慧城市的发展具有战略性意义。交通大数据具有种类繁多、异质性、时空尺度跨越大、动态多变、高度随机性、局部性和有限生命周期等特征,如何有效地集成交通大数据,满足高时效性和知识牵引等城市交通智慧化需求,是各个大中城市所面临的前所未有的发展机遇和挑战。本文首先简单介绍了大数据的发展状况及趋势,然后重点分析总结了城市交通大数据的若干核心技术,并提出城市交通大数据的智能应用系统解决方案,最后重点列举了几种典型应用。2大数据的发展状况及趋势近年来,数据的快速增长成了许多行业共同面对的严峻挑战和宝贵机遇,信息社会正在进入大数据时代。大数据指的是涉及的资料量规模巨大到无法透过目前主流软件工具在合理时间内达到感知、撷取、管理、处理和服务的数据集合。从2009年左右开始,“大数据”开始成为互联网信息技术行业的流行词汇。根据互联网数据中心(IDC)估测,数据一直以每年50%的速度增长(大数据摩尔定律),这意味着人类在最近两年产生的数据量相当于之前产生的全部数据量,预计到2020年,全球将总共拥有35亿GB(35ZB)的数据。大数据处理的数据规模从TB级上升到PB、EB甚至ZB级,人们面临着如何降低数据存储成本、充分利用计算资源、提高系统并发吞吐率、支持分布式非线性迭代算法优化等众多难题。为了应对大数据的发展趋势,更好地为行业用户和个人提供数据分析的服务,亟需构建各类不同的大数据平台,支持用户对数据的多种需求。构建大数据平台就是要将不同渠道、不同来源、不同结构的数据进行有机的整合。与传统数据平台不同的是,大数据海量的规模、多样的类型、快速的流动和动态的体系以及巨大的价值是大数据平台构建需要重点考虑的几个因素。除此之外,数据的分类存储、数据平台的开放性、数据的智能处理以及数据平台与用户的交互都为大数据平台的建设带来前所未有的挑战。大数据平台处理的数据类型是多种多样的。目前这些平台的搭建已经有了一些有代表性的成果,如Google公司的Freebase、微软公司的Probase、国内著名的中文信息结构库——中国知网。在商用数据平台方面,IBM公司的Infosphere大数据分析平台、Teradata统一数据环境以及由国内天猫、阿里云、万网联合推出的国内首个电商云工作平台聚石塔是3个典型的数据平台。“大数据”本身是一个现象而不仅仅是一种技术,这是信息科技历史发展的必然结果。大数据的采集、传输、处理和应用所需的相关大数据处理技术,是通过系列地使用非传统工具来对大量的结构化、半结构化和非结构化数据进行处理,从而获得分析和预测结果的一系列大数据处理技术。大数据技术的战略意义也不仅在于掌握庞大的数据信息,而更在于对这些含有意义的数据进行专业化处理。换言之,如果把大数据比作一种产业,那么这种产业实现盈利的关键在于提高对数据的“加工能力”,通过“加工”实现数据的“增值”。大数据领域已经涌现出了大量新的技术,它们成为大数据采集、存储、处理和呈现等功能的有力武器。大数据发展呈现以下趋势。(1)基于云计算的数据分析平台云计算为大数据提供了可以弹性扩展、相对便宜的存储空间和计算资源,使得中小企业也可以像亚马逊公司一样通过云计算来完成大数据分析。云计算IT资源庞大、分布较为广泛,是异构系统较多的企业及时准确处理数据的有力方式,甚至是唯一的方式。大数据要走向云计算,还有赖于数据通信带宽的提高和云资源池的建设,需要确保原始数据能迁移到云计算环境以及资源池可以随需弹性扩展。(2)数据分析集逐步扩大,企业级数据仓库将成为主流当人们从大数据分析中尝到甜头以后,数据分析集就会逐步扩大。目前大部分的企业分析的数据量一般以TB为单位。按照目前数据的发展速度,数据量很快将会进入PB时代。特别是目前在100~500TB和500+TB范围的分析数据集的数量会成倍增长。随着数据分析集的扩大,以前部门层级的数据集将不能满足大数据分析的需求,它们将成为企业级数据库(EDW)的一个子集。因此,企业内的数据分析将从部门级过渡到企业级,从面向部门需求转向面向企业需求,从而也必将获得比部门视角更大的益处。随着政府和行业数据的开放,更多的外部数据将进入企业级数据仓库,使得数据仓库规模更大,数据的价值也更大。(3)Hadoop对MapReduce的依赖程度越来越小Hadoop是一个能够对大量数据进行分布式处理的软件框架,能够处理PB级数据,具有高可靠性、高扩展性、高效性和高容错性等特点。其新版本不只为MapReduce服务,而是和Cloudera的Impala一样用一个SQL查询引擎或者其他的方法来替代MapReduce。HBaseNoSQL数据库就是Hadoop离开MapReduce约束后的一个很好的例子。未来Hadoop平台将在大数据处理中发挥越来越重要的作用。3城市交通大数据3.1城市交通大数据的主要研究内容城市交通大数据的研究内容主要包括以下方面。(1)时效约束的大数据多尺度汇聚计算和动态图谱交通大数据存在多源、异质、局部性、时空关联、异步性、信息稀疏性和并发性等特点,而城市交通系统存在着对大数据汇聚处理的高时效性以及对“大而信息稀疏”的交通大数据的领域知识牵引要求。现有的数据融合、计算理论与方法难以满足高时效性的大数据处理和基于数据的知识构建与转换等需求,亟需提出时效约束的大数据多尺度汇聚计算和动态图谱的交通大数据处理新理论与新方法。(2)高维空间的隐性知识序贯挖掘与演化模型交通主体、行为、态势、路网拓扑和环境形成了高维生态系统闭空间,相互之间存在着高度非线性、随机性和动态的耦合关系。交通态势及其演化是交通系统的宏观体现,具有约束条件下的动态性、序贯性、自组织、随机性等特点,交通态势机理解释对解决城市交通的难题非常重要。传统的交通理论难以发现隐含在如此高维空间的知识,对交通出行规律及其时空演化、大面积交通拥堵演变规律、环境与交通行为等进行综合知识和数据支撑的解释与评价,高维空间的隐性知识序贯挖掘与演化将为此提供坚实的理论与技术支撑。智慧交通引领智慧城市建设在城市化高速发展的今天,城市人口高速增长,现有道路已无法满足人们的出行需求。智慧交通作为智慧城市建设的重要组成部份,对现代都市当中交通拥堵现象有着非常积极的作用。2月29日,30位国内外智慧城市智能交通领域的专家学者,围绕解决城市交通拥堵等城市发展难题进行研讨,破解技术难题,共商发展规划。智慧交通为城市疏通“血脉”交通被形象地称为城市的“血脉”。然而,随着人口和车辆的迅速增长,仅靠多建道路车场、增添“血管”已不能解决城市交通拥堵的痼疾。因此,疏通现有血脉,增加“血流”的速度,是提高交通效率的重要方式。“发展智慧交通的最终目的,是为市民提供便捷的生活。”同济大学交通运输工程学院院长陆健教授认为,“出入难、寻位难、找车难、缴费难、管理难”是城市交通的通病,智慧交通是青岛未来的一个发展方向,“广州已实现了智能停车,停车时通过手机软件来查询车位,减少了车主寻找车位的精力和时间……”“发展智慧交通是疏通日趋恶化的城市交通血脉的有效途径。”国家职能交通系统工程技术研究中心主任钱越认为,随着经济快速发展和城市化进程的加快推进,城市交通不畅已经成为城市可持续发展的一个重要障碍。在这样的前提下,智慧交通可以有效地利用现有交通设施,减少交通负荷和环境污染,保证交通安全,提高运输的效率。“智慧城市的建设为智慧交通提供了巨大的发展的契机,不管是交通工具还是交通设施,城市智能化建设的效能有所改善,会给智慧交通的发展提供很好的基础条件。”青岛理工大学汽车与交通学院院长王丰元说,智慧交通的发展对交通的管理水平要求更高,交通的智能化会涉及到数据的采集、处理等,管理不再是一种盲目的方式,需要科学的决策和数据的支撑。改善城市交通重在预防“解决城市拥堵问题,预防比改善更重要。”陆健认为,造成交通拥堵、停车难、污染等问题的主要原因在于城市经济发展过快。比如说交通拥堵,经济的发展给城市引入大量人口,车辆增加,从而引起城市的交通拥堵,但通过降低人口密度和减少车辆等手段来解决拥堵问题并不现实,所以最有效的解决办法是“预防”,以降低发生问题的概率。“解决城市的交通问题很重要的一点是找出问题的源泉,分析它可能发生的概率,然后来预防它的发生或者降低发生的概率。”陆健说。“解决城市交通问题不能仅从交通本身着眼,而是要从整个大的交通系统,整个社会来着眼。”王丰元表示,交通不只是车在路上跑,而是包括停车、基础设施建设、环境控制等,因此要更多的考虑控制和管理,综合建设一个好的交通环境。比如,交叉路口、监控设施,以及一些强制性的手段,提高交通系统运行的效率,整体改善交通环境。“交通的问题,首先是规划的问题。交通的建设应该放宽视野,从综合角度来考虑拥堵问题、停车问题等。”王丰元说,从全国来看,青岛的交通处于比较靠前的层次,但是青岛现在很多道路的衔接是不顺畅的。要加强区域间的有效衔接,更多是人员的交流和管理问题。同时,利用监控得到的数据及时的纠正对交通信号的控制和改善,有效改善城市的交通环境。新技术驱动城市交通变革随着我国智慧产业的不断推进,智能交通这一细分领域的发展也在加速。“新技术的发展是城市交通变革的一个重要驱动因素。智慧交通是交通运输领域发展的前沿之一,智能汽车的发展带动了智能交通产业的形成,推动了交通运输产业的革命。”同济大学教授章桐说,面对汽车工业所带来的诸多“城市病”,智能化将是汽车未来发展方向。在未来,汽车产业能够从性能、排放、安全等方面带给消费者更好的体验。“目前,通过智能手段预测交通事故、交通拥堵等问题的发生有很多技术手段,但应用并不广泛。”陆健表示,从技术层面上,交通问题的发生可以促进智能汽车的发展和应用。比如,预警装置、驾驶员辅助设施、驾驶员疲劳驾驶的预警等。但这些技术在应用上有很多局限性,技术越复杂,对驾驶员的操作能力要求就越高,技术的应用往往会受到限制。“电动车是汽车行业新的领域,汽车的智能化从长远来说是无人驾驶,从近期来说就是辅助驾驶。”王丰元说,智能汽车的发展会促进智慧交通发展,不但可以有效解决交通问题,更能解决交通安全。为城市的可持续发展,积极开发替代性能源、倡导更环保的驾驶行为。王丰元介绍,智能汽车的发展面临着前所未有的问题和挑战。道路基础设施建设和智能汽车缺乏协同发展,导致智能驾驶难以实现。此外,道路环境复杂度高,道路的适用性验证难度比较大。针对这些问题,王丰元认为,迎接智能汽车为汽车技术产业发展带来的挑战,要根据城市发展的状况、交通的流量和国民的经济状况来统一布局。同时,结合智能交通技术发展,来加快智能汽车的研发。
本文标题:交通大数据与智能应用系统
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