安全技术及工程硕士论文-基于GPS系统的实时交通信息采集与分析预测及其在高速公路安全中的应用研究.doc

北京交通大学硕士学位论文北京交通大学硕士学位论文基于GPS系统的实时交通信息采集与分析预测及其在高速公路安全中的应用研究姓名:申请学位级别:硕士专业:安全技术及工程指导教师:北京交通大学硕士学位论文目录文摘.3英文文摘.4授权书与声明.4第一章绪论.41.1研究背景.41.2国内外高速公路信息采集技术现状.51.2.1国外研究现状.51.2.2国内研究现状.61.3本文主要工作.71.4论文主要结构.8第二章智能交通系统与GPS系统信息采集技术和方法研究.82.1智能交通系统的基本知识.82.2GPS系统.82.2.1GPS系统.92.2.2GPS系统的交通建模优势.92.3GPS信息采集技术.92.4信息采集方法研究.9第三章实时信息采集系统的结构.103.1信息采集的结构.103.2信息采集工作流程与原理.11第四章实时交通状况数据分析.114.1聚类分析.114.2对数据进行聚类分析.11第五章改进的BP神经网络高速公路交通状况实时预测研究.135.1神经网络.135.1.1BP(Back-Propagation)神经网络.135.2基于改进的BP神经网络的交通信息预测模型.145.3实验.16第六章在高速公路安全中的实例应用.16致谢.17参考文献.17附录.18北京交通大学硕士学位论文文摘近年来，我国高速公路建设发展迅速，高速公路交通运行状况的准确分析与提高运营管理效率对路网动态交通数据的采集提出了迫切的要求。本文通过分析动态交通数据的采集方法与技术，在交通数据采集的需求分析、检测点布设方法、检测技术优化组合与多检测器数据融合方面进行了深入的研究，以便为高速公路交通调度动态数据采集系统的建设提供技术路线与数据采集方法。论文首先进行动态交通数据采集的需求分析。在全面分析高速公路管理功能需求的基础上，应用由功能需求确定数据需求的方法，给出了高速公路动态交通数据采集的需求分析，明确数据采集的内容.其次进行交通检测技术评估和组合研究。在确定数据需求后，从检测参数、检测精度、购买费用、对环境适应性和安装、调试及维护五个方面对交通检测技术评估，并进一步设计交通检测技术的组合方式，给出了筛选应用交通检测技术的方法。论文接着进行了检测点布设方法的研究。在总结数据检测点布设方法的基础上，对适用于高速公路的微观布设方法进行重点研究，分别改进了基于交通流波动原理和基于行程时间估算的方法.为了对多检测技术组合应用的数据进一步处理、挖掘，本文进行了多检侧器数据融合研究，将自适应加权法、BP神经网络及其改进算法、径向基神经网络和广义回归线行网络应用于相同时间、同一断面的数据融合。最后，以江苏省沿海高速公路为例，应用交通检测技术的组合、检测点的布设和多检测器数据融合方法，进行了实例验证。通过实例验证，说明本文研究的检测方法可行实用，能够改善目前的动态交通数据采集状况，可以应用于江苏省路网调度管理系统的建设。北京交通大学硕士学位论文英文文摘授权书与声明第一章绪论1.1研究背景近年来，我国高速公路建设发展迅速，截至到2006年底已建成高速公路通车里程达到4.54万公里，位列世界第二。高速公路路网规模不断扩大，联网监控的需求也不断增长，如何采集整个路网的交通参数整合相关的基础资源，提高路网运营水平及更好更安全地服务社会已成为高速公路交通管理者亟待解决的关键问题。高速公路建设的快速发展对促进我国经济发展起到了十分重要的作用，但是高速公路的交通管理并未跟上高速公路的发展建设，使得高速公路的交通拥挤和交通安全等问题也逐渐表现出来。其中主要原因是交通数据采集的不充分，正是由于缺乏实时采集动态交通数据，交通参数的分布特性和规律难以分析，交通控制策略难以实施，当前路网的交通信息难以及时发布，紧急事件无法实时检测、处理与发布。因此，提高动态交通数据采集的准确性和实时性是高速公路管理者致力于实现的目标。动态交通数据采集的实时性差、不能及时上传:交通数据准确性差、检测精度不高；动态交通数据采集设备数量不足、布设位置不合理；交通数据采集设备损坏严重，部分数据已经失效等是目前高速公路动态交通数据采集系统普遍存在的现象。此外，目前的动态交通数据采集还只是依靠单一的交通检测技术，当现代高速公路管理对动态交通数据的需求越来越大，对检测设备的可靠性、抗干扰性、数据精度和时效性要求越来越高，单一的检测技术己经不能满足各种交通条件下的动态交通数据采集要求。如何科学有效的应用动态交通数据检测方法，采集实时准确的交通数据问题应运而生，也是高速公路联网监控所必须解决的基本问题。随着高速公路交通运输的快速发展，路网调度管理对整个路网交通的数据有了更高的需求。这些新的需求主要体现在:如何改善和加强动态信息与数据采集，满足对路段和路网交通流的实时分析评价:如何扩大数据采集的范围和内容，满足对路网指挥调度和向社会发布路网信息的需求:如何提高数据采集的实时性和可靠性满足对路网中随机拥挤段和交通异常情况的快速响应和实时调度信息的发布。为此，江苏省实施公路路网交通调度指挥系统的建设，北京交通大学硕士学位论文在全国率先启动了公路路网调度管理工作，对包括高速公路在内的干线公路网的运行实施统一的交通管理。本文正是从国家高速公路安全角度出发，将GPS数据采集技术应用到交通信息预测中来以指导交通引导，起到控制和管理交通安全，论文围绕这一宗旨展开。1.2国内外高速公路信息采集技术现状1.2.1国外研究现状欧美发达国家对高速公路动态交通数据检测方面的研究开展得比较早，他们的高速公路网络已经成熟和完善，为了对整个路网进行有效的监视和控制，需要采集动态交通数据，近些年正在开展的ITS研究，更是依靠实时准确的动态交通数据进行分析和决策。因此，国外很重视动态交通数据检测方法的相关研究，这主要体现在三个方面:第一，重视数据需求研究；第二，重视各种检测技术的检测效果评估研究，以确定合理的检测方法:第三，重视检测点布设方法研究。国外的高速公路管理发展迅速，促使他们对数据的需求研究越来越重视。文献通过调研用户(机构)不同使用目的的交通数据需求，总结了不同类型用户(机构)对交通数据的需求，但是没有专门对动态交通数据的需求做出整理。文献给出的交通数据需求是从美国国家运输部、大都市规划机构、县及城镇四个层次调查不同使用目的对交通数据的需求，根据统计结果可以明显地看出交通量和车型数据需求较大，而车重、行程时间(或行程车速)和占有率数据需求较少，但是并没有将数据需求对应到具体的功能上。文献研究了交通数据的分类并列出了不同使用目的的交通数据需求.正是因为有了明确的数据需求，才有检测技术的使用，国外在交通检测技术的使用效果方面做了很多评估，特别是近些年逐渐开始使用的非接触式检测技术，国外的高速公路管理部门为了更好的使用这些检测技术对其作了很多的专门的研究.1996年在城市道路和高速公路在不同的交通量、车速及环境条件下进行试验，考察七种交通检测技术的抗干扰性能.1995年两位专家共同研究分别在高速公路路段和信号交叉口对七种检测技术的交通量和车速进行评估，并在检测技术安装的方便性、检测精度、受环境和交通条件的影响几个方面做出评估。在高速公路路段对微波等四种检测技术进行研究，分别在安装维护的方便性、安装花费、车速和交通量的检测精度四个方面做出比较。分别在高速公路和城市交叉口针对视频等九种检测技术在流量、车速和车辆存在三个方面检测的精度做出评估。此外，文献中提到使用将被动式红外检测技术与超声波检测技术或者多普北京交通大学硕士学位论文勒雷达检测技术组合检测，可以克服组合的两种交通检测技术的各自缺点，发挥各自的检测优势，是检测技术应用的一种新思路，但是没有深入研究如何进行交通检测技术组合，对于组合后同一个交通参数的两个检测数据择其优者作为检测数据输出，没有进一步对多检测器数据进行挖掘。另外，国外对检测点的布设方法也有研究，最新的数据检测点布设研究是基于行程时间(或者行程车速)检测的，等人于1994年和Thomas在1999年分别在这方面做出很有意义的研究，他们的研究是通过仿真的手段来选择检测点的布设密度，但是他们研究的是城市路网，其结论还不能直接用于高速公路。总体来看，国外在动态交通数据检测方法的研究很全面，近些年在检测技术的评估上作了大量的研究工作，但对应用于高速公路管理的动态交通数据需求分析和检测点布设的研究还有不足，特别是新出现的将两种检测器组合使用的研究值得进一步深入。1.2.2国内研究现状我国的高速公路建设起步晚，而且出现了重建设轻管理的观念严重制约了动态交通数据检测方法的相关研究，但是也有一些研究成果，国家科技重点攻关项目，智能交通系统关键技术开发和示范工程-“基础交通信息采集与融合技术研究”对交通数据检测的研究起到了巨大推动作用。该项目以先进的交通管理系统(ATMS)作为研究对象，对基础交通信息作了定义，分析了ATMS对基础交通信息的需求，并提出交通检测计数的优化选择方法，研究了基础交通信息融合系统结构和融合方法图。交通部从2004年起在全国开展“黄金周”交通调查工作，目前己经在全国建立了20多个连续式观测点，调查全国高速公路和干线公路的交通量、平均车速和车型比重等，并对黄金周期间全国高速公路网和京沪高速公路运行状况进行分析。为了更好地采集交通数据、分析路网的运行状况，交通部规划研究院正在开展“国家高速公路网交通量调查观测点布局规划”项目，该项目将深入研究高速公路交通量调查观测点的布局方法和管理体系等。关于各种检测技术的优劣及适应性国内开展了一些相关的研究:广州新机场高速公路监控系统实施中，对AntoscopeZO04视频车辆检测器在现场使用中存在的问题进行了深入研究，并针对车辆偏离车道行驶、摄像机杆晃动、车辆阴影干扰提出了解决办法101:天津市快速路智能交通系统信息采集子系统建设中对RTMS(远程微波检测器)的车流量检测精度进行了实验验证，并对影响检测精度的干扰因素作了分析；江苏省公路局在宁高高速公路上安装了微波车辆检测器.目前正在进行微波车辆检测技术车流量和平均车速检测精度试验。为了更好地采集交通数据，国内开始探索将交通检测器组合使用的方法，设北京交通大学硕士学位论文计了交通检测器的组合优化的步骤，并以城市快速路和城市主干道组成的局部路网为例说明其应用，但是没有在高速公路上的应用说明，并且只是定性的说明应该选择哪种检测器，而并没有定量地说明需要布置的检测器数量和具体的布设位置。“江苏省公路路网调度管理动态数据采集技术的应用研究”课题组已经在江苏省宁高高速公路上安装了微波检测器，并和环形线圈检测器组成交通检测站，用于交通检测技术组合应用实验研究。国内在交通数据检测点的布设方法方面做了很多研究，文献提出了一种基于OD推算的布设方法，这种方法可以在宏观上给出需要布设检测点的路段，并给出了在城市道路网中的应用.文献提出了一种聚类分析的方法，并以城市道路为例说明其应用。文献给出了一种基于交通流波动原理的布设方法。提出基于行程时间检测的检测点优化方法，分别给出了不用道路服务水平下的检测点布设密度。与国外相比，国内的研究相对落后，在数据需求和检测技术应用方面的研究很有限，缺乏系统的需求研究和对检测技术的全面评估，但在检测点布设方法上作了很多有意义工作。综合来看，国内外在检测技术的评估和检测点的布设作了大量的研究工作，但在高速公路管理的动态交通数据需求分析、检测技术选择和检测数据处理上还有很多空白。本论文要充分借鉴上述研究成果，但是不能盲目照搬，还要结合我国的高速公路管理的实际情况，进行动态交通数据检测方法研究,最后要应用到高速公路安全中去。1.3本文主要工作1.交通检测技术的评估及组合高速公路路网的全局性、复杂性以及路网管理的全天候、全时段和实时性要求，决定了单的交通检测技术很难满足动态交通数据采集的需求，这就需要多种检测技术组合使用，通过发挥不同的交通检测技术的优势弥补单一检测技术的不足，保证动态交通数据采集的实时准确。交通检测技术的组合要从检测技术的评估入手，动态交通数据的检测依赖于各种交通检测技术，不同的交通检测技术能够检测的参数、精度、时效的都有差异，而且每种交通检测技术都有其优缺点和使用条件。这里在研究常用交通检测技术检测原理的基础上，主要从检测的参数类型、检测精度、对环境的适应性、安装维护的方便性及价格等几个方面对交通检测技术做出比较，总结它们的优缺点。最后在评估的基础上设计检测技术组合的方法，根据数据需求、路段特点和交通状况等选择交通检测技术组合方案。2.高速公路管理的动态交通数据需求分析