毕业论文-基于动态车载导航系统的浮动车信息采集技术.doc

北京城市学院2012届毕业设计（论文）基于动态车载导航系统的浮动车 信息采集技术学生姓名： 学 号： 班 级： 08交通本2 专 业： 交通工程 学 部： 信息学部 指导教师： 二一二年五月摘 要随着经济的发展和科技进步，城市化进程的加快，我国很多城市存在着“无效的交通供给和无序的交通需求”的局面，交通拥堵现象普遍发生，道路基础设施的建设无法满足出行需求，引发了交通拥挤，交通事故，环境污染等城市交通问题。 过去，市场上的GPS车载导航，实现了路径指引的功能，但是随着汽车保有量的增加，交通拥堵的频率增加，出行时间变长，静态车载导航已经不能满足出行需要。目前，市场上逐渐出现了一些与动态导航有关的系统和产品。如手机为终端的实时路况信息显示系统；高速公路上的实时路况显示屏等，使交通参与者通过动态信息的接收，减少出行时间，降低危险率，减少油耗和二氧化碳排放。动态车载导航系统的关键部分是实时交通信息的采集和路径优化，本文主要研究动态车载导航系统的交通信息采集部分。首先通过动态信息采集技术的对比，得出一种高效的信息采集技术基于浮动车技术的道路交通信息采集。然后介绍基于浮动车技术的交通信息采集方法的概述。最后介绍浮动车信息采集技术的关键部分。关键词：浮动车；信息采集技术；动态车载导航AbstractWith economic development and technological progress, the process of urbanization accelerated in many cities of China there is invalid traffic supply and disorderly traffic demand situation, the widespread occurrence of the phenomenon of traffic congestion, road infrastructure can not meet the travel demand, causing traffic congestion, traffic accidents, environmental pollution, urban transport problems. In the past, GPS car navigation market to achieve the function of the path guidelines, but with the increase of car ownership, traffic congestion increase in the frequency, time longer static vehicle navigation can not meet travel needs. Currently, the market, gradual emergence of a dynamic navigation systems and products. Such as the mobile phone terminal real-time traffic information display system; highway real-time traffic display. Traffic participants, reducing the travel time through the reception of dynamic information and risk reduction rate, reduce fuel consumption and carbon dioxide emissions. A key part of the dynamic vehicle navigation system is a real-time traffic information collection and path optimization, the paper studies the dynamic vehicle navigation system traffic information acquisition part. First, by comparison of the dynamic information acquisition technology to arrive at an efficient information acquisition technology - based on the floating vehicle technology, road traffic information acquisition. And then describes the overview of the traffic information acquisition method based on floating car technology. Finally, the key part of the floating vehicle information collection technology.Keywords：Floating car;Information collection technology;Dynamic Vehicle Navigation 目 录绪论11 动态车载导航系统21.1 动态车载导航系统的现状及关键性21.2 动态车载导航系统的组成22 交通信息采集子系统数据采集方法的比较22.1固定型采集技术22.1.1磁频采集技术32.1.2波频采集技术32.1.3视频车辆检测器42.2移动型采集技术42.2.1基于GPS的采集技术42.2.2基于电子标签的采集技术42.2.3基于手机定位的采集技术43 浮动车信息采集技术的准备工作53.1 探测车的选择54 浮动车信息采集的关键技术64.1 适用于浮动车信息采集系统的方法及误差分析64.1.1信息采集的方法64.1.2信息采集的误差分析84.2 信息采集格式94.3浮动车交通信息编码分析104.3.1信息编码的方式选择104.3.2信源编码的算法比较104.4浮动车交通信息传输分析114.4.1数据传输的信道选择114.4.2数据传输的格式124.5 数据传输的协议及安全性144.5.1 建立数据传输协议144.5.2数据传输的安全性144.6信息共享155 浮动车信息采集技术国内外应用现状155.1浮动车信息采集技术的国外应用现状155.1.2德国浮动车数据系统FCD155.1.2美国ADVANCE155.1.3日本新一代VICS系统165.2国内浮动车技术的研究现状165.2.1北京浮动车信息采集技术的应用现状165.2.2杭州浮动车信息采集技术的应用现状16结论16参考文献18致 谢20北京城市学院2012届毕业设计（论文）绪论随着我国社会经济的发展和城市化进程的加快，越来越多的人将汽车作为代步工具，汽车需求日益增加。随着汽车拥有率的不断上升和小轿车出行的增加，交通拥堵现象普遍发生。出行难成为了制约城市可持续发展的重要原因。“出行难”的问题，主要体现在道路资源和机动车快速增长的不匹配上，因此，解决交通拥堵已经成为目前亟待解决的重要问题。多年来，国内外的实践证明，解决交通拥堵问题，不能仅仅依靠建设路网等道路基础设施，而是应该从可持续发展的角度，利用现代化交通管理设备提高路网通行能力。随着电子技术、通信技术等高新科技技术的发展，交通管理手段和思路逐渐多样化，发达国家采用智能交通系统，提高交通的机动性、安全性、提高了道路资源的利用率；同时减少了交通事故、交通污染和出行时间。 智能交通系统（Intelligent Transport System简称ITS）是将先进的信息技术、通讯技术、传感技术、控制技术以及计算机技术等有效地集成运用于整个交通运输管理体系，而建立起的一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合的运输和管理系统。经过国内外的一系列实践证明，ITS在解决城市交通拥挤、改善行车安全、提高路面运输效率、减少空气污染等方面非常有效果。伴随ITS技术的应用，市场出现了GPS车载导航，实现了路径指引的功能，但是随着汽车保有量的增加，交通拥堵的频率增加，出行时间变长，能够实时播报路径信息的动态车载导航，越来越被人们关注。动态车载导航的关键技术在于实时交通信息的采集和动态路径优化，本文重点分析浮动车交通信息获取的关键技术，展开研究。具体各章内容安排如下：第一章主要概述动态车载导航系统及其重要意义进行简述。第二章针对动态车载导航系统的信息采集子系统进行简述，并对信息采集子系统的信息采集技术方法进行对比，选择出先进的浮动车信息采集技术作为本篇论文的重点。第三章分析浮动车信息采集技术的探测车。第四章为本篇论文的重点，对浮动车信息采集技术的关键技术进行研究，定义了浮动车交通信息的格式，分析数据采集设备的技术参数要求，比选信息编码的算法，选定了数据传输的信道、格式。第五章通过国内外的浮动车信息采集技术应用案例，证明了浮动车信息采集技术的先进性和可实施性。1 动态车载导航系统1.1 动态车载导航系统的现状及关键性ITS系统主要由交通管理系统（ATMS）、先进的交通运输系统（ATS）、先进的公共交通系统（APTS）、先进的交通信息系统（ATIS）、先进的车辆控制系统（AVCSS）几部分组成。其中，先进的交通管理系统（ATMS）和先进的交通信息系统（ATIS）是ITS系统的核心。ITS系统的各个组成部分都是以交通信息应用为基础展开的，因此，交通信息的数量和准确性非常重要。如何能够获取实时、动态、全面、准确的道路交通信息成为了关键问题1。日本、美国、欧洲等国家在发展智能交通系统的过程中，将动态道路交通信息系统的建设放在十分重要的位置，实践表明，出行者凭经验出行远远没有凭动态交通信息出行的效率高。因此，动态信息的充分利用成为道路交通实现安全畅通的关键和基础。1.2 动态车载导航系统的组成动态车载导航系统，对出行者出行起着诱导作用，主要由交通信息采集子系统、车辆定位子系统、交通信息服务子系统和行车路线优化子系统组成。其中交通信息采集子系统进行实时路况的采集，是动态导航实现路径诱导的前提和关键。通过实时数据采集，可以使交通参与者掌握实时、动态、准确、多面的交通信息，减少乃至避免交通拥塞和交通事故的发生，提高路网利用率2。2 交通信息采集子系统数据采集方法的比较交通信息按信息变动的频率可分为静态交通信息和动态交通信息。静态交通信息主要包括路网信息、机动车保有量信息、驾驶员信息等在一段时间内稳定不变的信息；动态交通信息则是指：在时间和空间上不断变化的交通流信息3。如：交通流、车速、占有率等。静态交通信息的采集一般可以通过交通管理部门、道路设计规划院等途径获取，因此，动态交通信息采集才是本文重点。动态交通采集技术根据交通检测器工作地点不同，可以划分为固定型采集技术和移动型采集技术。其中，固定型采集技术是利用安装在固定地点的交通检测器设备对交通流信息进行采集；移动型采集技术则是运用安装特定设备的移动车辆通过检测道路上的固定标识物采集交通流信息的方法总称。2.1固定型采集技术固定型采集技术根据检测器的工作方式和工作时电磁波波长的不同，可以划分为：磁频采集技术、波频采集技术和视频采集技术三类4。2.1.1磁频采集技术当车辆通过检测区域时，在电磁感应的作用下交通检测器内的电流会跳跃式上升，当该电流超过指定的阈值时会触发记录仪，实现对车辆数及通过时间的检测。使用磁频技术采集动态交通信息的设备主要有环形线圈检测器、磁力检测器等。环形线圈检测器是传统的交通检测器，是目前世界上用量最大的一种检测设备。车辆通过埋设在路面下的环形线圈时，会引起线圈磁场的变化，检测器据此计算出车辆的流量、占有率。借助环形线圈的平均有效长度，还可计算出车辆速度。如要准确地直接测量速度，可采用两组线圈的方案，间距约为6m，跟其他方法相比，环形检测器技术相对成熟，易于掌握，并有成本较低的优点。但是，线圈在安装或维护时必须直接埋入车道，这样交通会暂时受到阻碍；埋置线圈的切缝会软化路面，容易使路面受损，尤其是在有信号控制的十字路口，车辆启动或者制动时损坏可能会更加严重；感应线圈易受冰冻、路基下沉、盐碱等自然环境的影响；感应线圈由于受自身的测量原理所限制，当车流拥堵，车间距小于3m的时，其检测精度大幅度降低，甚至无法检测。磁力检测器是被动接收设备，当铁质物体通过检测区域时，会引起磁场强度的变化， 磁力检测器就是通过检测磁场强度的异常来确定是否有车辆出现的。当车辆进入并通过磁力检测器的检测区域，且检测器的磁场强度发生超过预设的阈值时， 说明有车辆被检测到。2.1.2波频采集技术波频采集技术可分为两大类：主动式和被动式采集技术。主动式采集技术是由交通检测器向检测区域发射具有一定波长的能量波束，当有车辆通过检测区域时，该波束经车辆反射后被检测器接收，然后经过处理分析获得所需的交通参数。该采集技术的主要设备有微波检测器、超声波检测器、主动红外线检测器等。被动式采集技术是检测器对通过检测区域的车辆本身发射的具有一定波长的能量波束进行接收，经过分析处理后获得所需的交通参数。该采集技术的主要设备有被动红外线检测器、被动声学检测器等。两种波频检测技术的差别主要在于所依据的波束来源不同，主动式检测技术由检测器发射波束，经车辆反射后由检测器接收；被动式检测技术由车辆发射波束， 并由检测器接收,检测区域内的车辆数。被动声学检测器通过感知来自车辆内部及车辆轮胎与地面接触等多个来源的声音信号，可检测车辆出现、速度、占有率等交通参数。当车辆通过检测区域时，信号处理器感知到声音能量的提高，产生车辆出现信号；当车辆驶离检测区域时，声音能量减小，且当声音能量小于检测器的检测阈值时，车辆出现信号消失。被动声学检测器一般安装于路旁或车道的上方，适用于桥梁及需要安装悬挂型检测器且不出现低速（小于32km/h）行驶车流的道路上。2.1.3视频车辆检测器基于视频图像处理的交通检测技术是近年来在视频监视技术基础上逐步发展起来的一种新型的车辆检测方法，视频检测相比其它检测技术，能收集更多和更全面的数据。视频检测处理技术通过数码照相机或摄像机来进行现场数据采集，采用图像识别技术分析交通数据。其基本原理是在很短时间间隔内，由CCD(半导体电荷藕合器件)摄像机连续摄得两幅图像，然后对两幅图像的全部或部分区域进行比较，如有差异则说明有运动物体。视频检测技术能够采集的数据很广，一个摄像机能够采集几个车道的数据，使得检测交通动态行为和各种空间交通参数成为可能，包括交通流量、车型分类、占有率、速度、排队规模等，还可以获得车辆的外形三维数据甚至车辆的轴数、轴距、轮距和车辆组成等交通参数，这是以前传统的车辆检测器所不能做到的。此外，视频检测能提供辅助信息，如路肩交通、停车交通、车道变化、速度差异和其它方向的交通拥堵的现场场景。视频检测的优点有：能在任何路况系统正常工作;检测器易于安装和调试；视频信号能通过同轴电缆、光纤、双绞线、无线射频或微波等多种方式进行传输；系统维护费用低；系统可提供现场录像，供专家事后分析；可进行多车道检测，能检测更大的交通场景面积。视频检测的缺点是：采用可见光进行检测时易受现场光明条件限制；目前图像处理的实时性较差；车辆的检测精度受整个系统软、硬件的限制；价格较高5。2.2移动型采集技术移动型采集技术是指运用安装有特定设备的移动车辆（Floating Car）来采集交通参数数据的技术的总称。目前主要有基于GPS（全球定位系统）的采集技术、基于电子标签的采集技术和基于手机定位的采集技术6。2.2.1基于GPS的采集技术GPS是一个能够实现全方位、实时定位和导航的卫星系统，在交通领域已得到越来越广泛的应用。基于GPS的交通信息采集技术是在车辆上配备GPS接收装置，以一定的采样间隔记录车辆的三维位置坐标（经度坐标、纬度坐标、高度坐标）和时间信息，这些信息传入计算机后与地理信息系统（GIS）的电子地图相结合，经过重叠分析可计算出行程时间和行程速度7。2.2.2基于电子标签的采集技术基于电子标签的采集技术是将电子标签安装在车辆上（电子标签中有一个微型无线电发射器， 它能发射出车辆自身特征识别码），并在道路两侧安装高灵敏度的接收天线，天线接收由电子标签发出的车辆特征码信息，并将信息传输给计算机进行处理后可得到交通流量、空间平均速度、行程时间和车辆分类等信息8。2.2.3基于手机定位的采集技术基于手机定位的采集技术的基本原理是利用手机与基站之间的相互关系来确定手机位置坐标信息，并通过路径匹配估算出路段行程车速9。这种采集技术与基于GPS的采集技术类似，只是得到位置坐标的原理不同。获取手机位置坐标信息的方法一般有两种：测量手机移动台发射信号到达不同基站的时间差；在手机内加装GPS定位芯片，通过卫星信号确定手机位置。基于手机定位的采集技术投资小、覆盖范围广、采集数据量大，因而日益受到交通机构的关注，也将是未来交通数据采集的一个重要发展趋势。传统的交通信息采集技术的有关设备主要固定安装在高速公路、快速路、主干路和次干路的关键交叉口处，对关键节点的交通管理与控制起到了有效的作用，但由于设备是局部覆盖的，使传统的交通信息采集方式存在“空白区”，无法提供路网全天候的交通信息。与传统的交通信息采集技术相比，浮动车技术具有空间上的整体性、移动性和时间上的实时性、便利性的特点。浮动车运行于整个城市道路网上，可以实时采集路网上的动态交通信息；与固定检测设备(如：感应线圈检测器、雷达检测器、视频检测器、红外检测器等)仅能采集断面或者某个车道交通信息相比，浮动车可“移动”采集路网的动态交通信息；浮动车采集的交通信息通过无线网络实时传输至交通数据中心，数据传输间隔与浮动车的样本量及应用目的等有关；浮动车交通信息采集除了固定设备安装外，交通信息能够自动采集并上传至中心，设备维护简单、费用较低。综上所述，浮动车技术作为一种新兴的交通信息采集技术，弥补了传统交通信息采集技术的不足，尤其是在选取出租车、公交车等作为浮动车时，能够作为传统采集技术的有力补充，有效、海量、实时采集动态交通信息。通过固定交通信息采集方式与浮动车信息采集方式的比较，不难看出，要满足动态导航系统的需要和实时道路交通信息的需求，必须采用更加灵活，信息量更加丰富的交通信息采集方法。浮动车信息采集技术是目前国际上交通信息采集技术研究的前沿，是获取大面积实时交通信息的有效手段。3 浮动车信息采集技术的准备工作3.1 探测车的选择探测车是浮动车信息采集技术的基础工具，能够反映交通流的总体特征。探测车样本的种类和数量非常重要。大多数城市交通系统中，由出租车、公交车、私家车担任浮动车的功能。出租车在机动车保有量中占一定比例，且运行时间长，在机动车出行中占有较高的比例，可以采集大量，全天候的路网交通信息；在交通高峰时段，关键路段的出租车占有比例较高，这就可以更多更准确地获取交通集中路段的信息；另外，考虑营运作用，出租车的GPS设备普及率较高，后期投入相对较少。出租车的路网覆盖率高、所占出行比例较高，因此采集的数据可信度较高。在样本数量的选择上，如果探测车数量过少，采集的数据可靠性则相对较低，容易误导出行者；但是数量过多，虽然信息的时效性和准确度相对较高，可是相对成本高。最近相关研究表明7，对于浮动车信息采集系统，计算周期内在线探测车样本数量至少需要占行驶在路网上的全体车辆总数的5%以上才能满足交通流估计的要求。对比出租车信息可见，出租车作为探测车的主体，是可行的。另外，应加入一定辆的私家车或公家车，以扩大样本的多样性，提高数据精度。4 浮动车信息采集的关键技术 随着国内外许多城市浮动车规模的不断扩大，浮动车交通信息采集技术将广泛应用于解决城市交通问题的实践中，这就对所采集的信息的正确性，实时性和数据传输的及时性，有很大要求。因此，对浮动车交通信息的采集、编码、传输、共享等关键技术的准确性尤为重要。本章在选择GPS接收机采集原理和定位误差的基础上，分析了浮动车交通信息的数据格式以及数据采集设备的技术参数要求，比选了信息编码的算法，选定了数据传输的信道、格式，建立了浮动车数据传输协议，希望实现交通数据的实时共享，为未来出行提供更多便利。4.1 适用于浮动车信息采集系统的方法及误差分析4.1.1信息采集的方法定位技术在浮动车信息采集系统、动态车载导航系统里属于用户接收设备，由于所采集的信息是实时动态的信息，GPS信号接收机能够通过卫星接收实时定位信息，且GPS定位技术目前已非常成熟，因此，本文选用GPS定位技术，确定车辆运动状态参数。GPS地面观测点定位的方法较多，有伪距测量定位法、多普勒定位法、载波相位定位法、伪距测量加多普勒定位法、干涉定位法等。基于成本和测算精度的双重考虑，本文GPS接收机主要采用伪距测量定位法。伪距测量定位法是基于到达时间(TOA)的测距原理，从已知位置上的发射机卫星发射信号到达接收机所需时间间隔乘以信号传播速度，可得到发射机到接收机的距离。卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息，GPS信号接收机通过接收观测范围内的卫星(通常为四颗)得到伪距方程，将方程结合所接收到的卫星星历数据，经过计算，可以求出信号接收机的三维位置、三维方向、运动速度和时间信息10。 具体步骤如下7：记Pu（x，y，z）为用户在地球直角坐标系的坐标，Ps（XK，YK，ZK）为第K颗卫星在空间直角坐标系的坐标，则观测者到卫星的真是距离RK为：Rk=(x-Xk)2+(y-Yk)2+(z-Zk)2（4-1）而观测者测得到第K颗卫星的伪距为：Prk=Rk+ctnk+c（tu-tsk）（4-2）式中 tsk卫星钟差引入的伪距误差； tu用户钟差引入的伪距误差； tnk传播延迟和其他误差引入的伪距误差。经修正卫星钟差、电离层和对流层等系统误差后，剩余误差作为随机误差得到伪距方程:Prk=Rk+ct=(x-Xk)2+(y-Yk)2+(z-Zk)2+ct（4-3）以测量4颗卫星进行定位的基本方法为例，k=1,2,4,导航方程是一个含4个方程，4个未知数的方程组，一定有解，但一般不直接求解。导航方程也可以利用增量关系在用户位置和用户钟差的标称值处展开求解。令Pu（xn，yn，zn）与tn分别为Pu（x，y，z）及t的估值，Prnk是对第K颗卫星测量伪距Prk的标称值，即：Prnk=(xn-Xk)2+(yn-Yk)2+(zn-Zk)2+ct （4-4）记x、y、z、t和Pk，分别是标称值与真值的改正量。求得改变量，也就可以推出实际值：pux，y，z=pu（xn+x，yn+y，zn+z） （4-5）t=tn+t（4-6）及校正后的伪距改进值：Prk=Prnk+Pk（4-7）将这些增量方程代入导航方程组并线性化后可得： （4-8） K=1,2,3,4用矩阵方程表示，可简写为： P=GR（4-9）其中： R=x，y，z，ctT（4-10） （4-11) （4-12） 方程组（4-8）含4个未知数，4个线性方程。所以它的解为： R=G-1P（4-13） 求出R=x，y，z，ctT 后，可用公式（4-5）求出更新的用户位置数值，用式（4-6）求出更新的钟差数值t 。若精度不够，可以用（4-4）求出新值Prnk 作为标称值，重新开始迭代计算直到精度满意为止。 如果观测卫星n4颗，本方法依然有效。即： （4-14）由于观测量的随机误差，方程组可能无解，但可以获得其最小二乘解 R=（GTG)-1GTP （4-15）使得解的残差 =R-（GTG)-1GTP（4-16）的平方和T达到最小。GPS测量用户的速度记为u，可以通过用户位置近似的导数来估计，即 （4-17）4.1.2信息采集的误差分析GPS卫星按照星载时钟发射一种结构为“伪随机噪声码”(即P码或C/A码)的信号，该信号从卫星发射到达接收机天线，从而确定卫星至GPS信号接收机的空间几何距离，由于传播时间包含了卫星时钟误差、大气延迟误差等，所得的距离值并非真正的站星几何距离，称之为“伪距”。对于动态定位要求而言，为了提高定位精度，将一台GPS接收机固定在一个精确位置己知的地点，该固定点接收机即为差分主站(也称基准站)。利用基准站进行GPS观测，通过已知基准站的精确坐标，与观测值进行比较，从而得出误差修正系数，并将该修正系数发送给用户。当用户GPS接收机收到该修正系数后，与自身的观测值进行比较，从而消去对流层延时效应、相对论效应等大部分误差，得到一个比较准确的位置，这就是差分GPS定位(DGPS)技术的基本原理。目前，市场上的GPS接收机普遍采用了差分技术，其定位精度一般可达10米以内。以下为允许的速度绝对误差范围： （1）交通运输规划和高速公路需求研究:4.88.0m/h； （2）交通运营、交通趋势分析和经济评价:3.26.4km/h； （3）交通前后对比研究:1.64.8km/h因此，本文结合文献11所列的GPS信号接收机主要性能参数及现行市场主要的GPS信号接收机型号的技术参数，确定采集浮动车交通信息的GPS信号接收机应该满足的技术指标值及各指标的建议值如表3-1所示。表3-1 GPS信号接收机技术指标值与建议值在保证单个GPS数据满足采集质量的同时，浮动车交通信息的采集周期在30秒时，采集数据的精度可达90%。为了减少数据通信的负荷和成本，每5分钟向浮动车数据中心传输浮动车交通信息。4.2 信息采集格式由于浮动车交通信息来源于GPS信号接收机，随着浮动车类型的不同，信息采集器的不同以及车载接收设备型号的不同，采集到的信息格式也有所不同。为了实现主要浮动车交通信息资源共享，对采集到的信息数据，应尽可能的统一格式。主要包括时间标记、车辆编号、经纬信息、地点车速、加速度、行驶方向。数据的类型及详细描述如表3-2所示。综上，浮动车交通信息的数据格式可以表示为:车牌号，车辆D，时间标记，经度，纬度，车头方向，车辆占用率，速度，加速度10。表 3-2 数据类型及描述4.3浮动车交通信息编码分析4.3.1信息编码的方式选择浮动车将采集的实时交通信息数据传输给交通数据中心，交通数据中心将数据进行资源共享。但是由于浮动车采集的数据量大，因此需要对浮动车数据进行编码，以此压缩数据，提高数据传输的效率。信息编码是对处理中的实时信息赋予代码，利用一组数学符号，将原信息替换成信源符号的序列过程，有利于信息的存储、检索和使用。根据编码的目的不同，信息编码一般可以分为信源编码、信道编码和密码三大类。信源编码即除去信源中多余的信息，从而形成一个适合用来传输的信号的过程，其目的是提高系统传输效率，去除信息的冗余度。信道编码是指为了减小衰落和抑制信道噪声对信号的干扰，把信号编码进行重新排列或是给信号编码增加冗余的纠、检错码的过程，主要解决信息传输的可靠性问题。密码则是为了解决信息安全，提高抗御外界攻击能力而进行的编码。对本文来说，信息的正确性和可靠度相对更加重要，在编码过程中，不允许产生信息损失，从而可以无失真地恢复信源消息，即进行无失真信源编码12。4.3.2信源编码的算法比较浮动车交通信息的信源编码可以由以下几种常用的算法得到: （1）香农编码香农第一定理指出了平均码长与信源之间的关系，同时也指出了可以通过编码使平均码长达到极限值。利用香农第一定理进行编码的方法称为香农编码。香农编码法的理论意义重大，但是冗余度稍大，不够实用。 （2）费诺编码费诺编码属于概率匹配编码，费诺码要比香农码的平均码长小，消息传输速率大，说明编码效率高。费诺码比较适合于每次分组概率都接近的信源，特别是对每次分组概率都相等的信源进行编码时，可达到理想的编码效率。 （3）霍夫曼编码霍夫曼编码是用概率匹配方法进行信源编码，其基本思想完全按照字符出现概率的大小，概率大的字符分配短码，概率小的字符则分配长码；缩减信源的最后二个码字总是最后一位不同，从而保证了霍夫曼码是即时码。霍夫曼码的平均码长最小，消息传输速率最大，编码效率最高。综上所述，香农码有系统的、惟一的编码方法，但在很多情况下，编码效率不是很高。费诺码比较适合于对分组概率相等或接近的信源编码，也可以编m进制码，但m越大，信源的符号数越多，可能的编码方案就越多，编码过程就越复杂，有时短码未必能得到充分利用。霍夫曼码对信源的统计特性没有特殊的要求，编码效率比较高，对编码设备的要求也比较简单，其综合性能优于香农码和费诺码。因此，本文中的浮动车数据采集系统的的信源编码采用霍夫曼编码12。4.4浮动车交通信息传输分析4.4.1数据传输的信道选择信息的传递过程是信源-信道-信宿的过程，信源就是信息的发布者，信宿是信息的接收者，狭义的信道是指信源与信宿的传输媒介，广义上的信道是指除了信源和信宿的其他部分。由于浮动车是指装载有定位设备和无线通信装置的车辆，正常行驶中获取交通信息，因此，浮动车交通信息的实时传输需要采用无线通信的方式。无线数据通信的信息传输信道的选择方案包括以下几种：常规电台。采用专用信道和无线MODEM，它的特点是实时性最好，支持功能性群呼，但系统容量小，建设成本高，覆盖范围取决于基站的数量。蜂窝移动通信，也称小区制移动通信，是采用蜂窝无线组网方式，在终端和网络设备之间通过无线通道连接起来，进而实现用户在活动中可相互通信。蜂窝移动通信覆盖范围广，系统容量大且实时性好，无需建设成本。卫星移动通信。利用卫星转发信号实现移动通信。卫星移动通信实时性好，但是系统容量大，覆盖范围受限，建设成本较高，且不支持功能性群呼。因此，通过上述对几种方式的对比，本文选择无线蜂窝移动通信作为通信方式。蜂窝网络中可供选择的通信方式及各自的利弊如下:CDPD：无线数据公网，采用了空间分集接收技术，是无线IP网络。但是该网络稳定性存在问题且覆盖度不足；CDMA：现有的CDMA网络设施少，服务质量有待提高;GSM：采用短消息的形式，无需投入设备建设成本，但短消息单次发送数据容量小且GSM网络容量限制，无法保证短信息的接收质量；GPRS：是一种新的分组数据承载业务，其特点是适合间断的、突发性的或频繁的、少量数据的传输，也适用于偶尔大量数据的传输。综合分析系统容量、建设成本和传输特点等，本文将GPRS作为浮动车交通信息系统的通信信道。4.4.2数据传输的格式车载GPS接收机每隔一定采集周期获取浮动车数据，并将数据编码存储于车载设备上，每隔一定的上报周期向交通信息中心传输。在确定数据传输的信道后，为了使数据传输的简单、成本低，本文对以下两种方式做出比较分析:(1)基于对象的数据传输格式。基于对象的数据传输格式是面向对象采用封装、继承、抽象等设计方法，维护简单、效率高，且易扩展的优势。 (2)基于XML的数据传输格式XML是一种标准通用语言，是当前处理结构化文档信息的有力工具。扩展标记语言 XML是一种简单的数据存储语言，使用一系列简单的标记描述数据，而这些标记可以用方便的方式建立。虽然XML占用的空间比二进制数据要占用更多的空间，但XML极其简单易于掌握和使用。综上，利用面向对象的数据传输提供了不同算法，封装了整个数据结构，使之具有更高的通用性；运用XML的数据传输格式使之存在一定的冗余，可以实现不同数据源间数据的存储13。4.5 数据传输的协议及安全性4.5.1 建立数据传输协议(1)通讯协议TCP/IP是指传输控制协议/网际协议，又名网络通讯协议，是Internet最基本的协议、Internet国际互联网络的基础，由网络层的IP协议和传输层的TCP协议组成。TCP/IP 定义了电子设备如何连入因特网，以及数据如何在它们之间传输的标准。协议采用了4层的层级结构，每一层都呼叫它的下一层所提供的网络来完成自己的需求。通俗而言：TCP负责发现传输的问题，一有问题就发出信号，要求重新传输，直到所有数据安全正确地传输到目的地。而IP是给因特网的每一台电脑规定一个地址。该协议定义了电子设备如何连入因特网以及数据如何在它们之间传输的标准。TCP协议是网络互联层的协议，可以使互联起来的许多电子设备进行通信，实现接收由更低层发来的数据包，并把该数据包发送到更高层，也把从更高层接收来的数据包传送到更低层。正数据包中含有发送它的主机的地址(源地址)和接收它的主机的地址(目的地址)。TCP协议是TCP/IP体系中的运输层协议，是面向连接的，从而提供可靠的、按序传送数据的服务，且TCP提供的连接是双向的，即是全双工的;同时，TCP具有保证数据传输可靠、按序、无丢失和无重复的一些保障机制。因此，在IP协议将数据报单纯地分割成分组传送到网络后，TCP可以对数据实现可靠性控制，但仍难实现更高层应用的需要16。 (2)浮动车通讯协议浮动车数据传输协议的主要功能就是提供连接有效性、准确性以及特殊性等，其中，连接有效性是表示进行数据传输的双方，必须先获得建立连接的确认后，方可开始数据传输，以保证数据丢失后可以重新发送；准确性是指准确地将数据传输至目标地址，并确保准确地接收来源地址的数据；特殊性是指根据不同性质的数据的需要，优先、合理地进行数据传输14。4.5.2数据传输的安全性浮动车数据传输的安全需要考虑两个方面：一方面浮动车数据传输是采用无线传输媒介，与有线网络相比，无线网络有其自身的特点，也是威胁无线网络传输安全性的重要因素；另一方面，浮动车数据获取的权限以及优先等级等存在非授权访问的风险：为了应对浮动车数据传输可能存在的安全漏洞，需要提出一定的安全策略，对数据传输的安全性进行控制，主要包括以下策略:控制访问量：支持数据的完整性及保密性，旨在防止对网络资源进行非授权的访问，从而阻止非法用户进入系统，允许合法用户进入系统，按照各自的权限使用数据;数据加密：为了防止信息被未经授权泄露、篡改和破坏，使用各种加密算法对传输过程中的数据进行加密;数字签名:从报文中提取一定格式的“报文摘要”，对其进行签名发送，保证发送者无法抵赖发送过该信息的同时确保报文在传送过程中未被篡改15。4.6信息共享浮动车是由出租车、公交车、货运车队等特定群体车辆或社会车辆安装车载定位、通信设备，一般浮动车交通信息是由其相应的管理公司，如出租车管理公司、公交管理公司、运输公司等，或者专业的公司采集、存储、维护、更新16。浮动车交通信息作为一种信息资源，实现其共享可以互通有无，减少固定设备投入，降低数据传输、存储、维护的成本；可以便于上级部门门的运营情况有效监督和管理；可以便于从不同性质、目的对数据进行分析、处理，用于解决实际问题；实现资源的共享。随着交通信息化的不断深入，各个业务部门间的交通信息共享的需求越来越强烈。浮动车数据由浮动车传输至各自的交通数据中心存储、使用，但是浮动车数据的采集、传输、存储并非最终目的，其本质在于实现不同数据中心间的浮动车数据的共享，用于解决实际交通问题中。信息共享，最终使采集的信息实现价值。5 浮动车信息采集技术国内外应用现状5.1浮动车信息采集技术的国外应用现状5.1.2德国浮动车数据系统FCD德国汉堡于2005年建成了浮动车FCD系统，使用700辆浮动车覆盖了整个城市的路网。浮动车装配有GPS接收机和无线通信装置，浮动车系统提供数据的质量和路网的覆盖率对于用户来说比较满意。浮动车数据系统与2007年增加了1500-2000辆浮动车来采集道路上的浮动车信息，从而提供路网中浮动车数据的覆盖率。通过对浮动车技术采集的道路交通信息分析，判断出道路上的交通状态通过公众信息网发布出去，有利于出行者快速得到相关的道路信息为自己出行做出规划，同时也给道路管理者提供最准确的交通信息，为道路管理做出相关规划。5.1.2美国ADVANCEADVANCE系统包括3000辆配有车载计算机和通讯设备的浮动车。该系统利用浮动车技术并融合了环形检测器采集的数据及历史事故检测报告识别交通事故、预测旅行时间，从而为驾驶员提供实时的动态路线诱导信息。 ADVANCE系统研究表明，要得到在未来5分钟的比较准确的行程时间预测，至少要有3辆浮动车在5分钟内通过。在行程时间估计方面，基于浮动车技术比环形线圈更精确，在50000个检测报告中，99.4%是可靠的。5.1.3日本新一代VICS系统VICS(车辆信息和通讯系统)于19%年4月开始应用，截止到2006年3月已经有1800万辆汽车使用VICS系统。目前该系统已覆盖日本全国80%的地区，所有高速公路及主干道均能收到VICS信息。VICS系统能够提供多种信息包括实时路况、旅行时间预测、停车场信息、交通事件和天气状况。而且VICS系统在改善交通安全、通畅和环境等方面作出了巨大的贡献。5.2国内浮动车技术的研究现状我国浮动车技术发展比较晚，但是在浮动车技术用于车辆定位，出租车调度等方面有了一定的研究。目前国内的科研机构、高等院校也先后开始开展浮动车交通信息采集与处理技术的国际合作或自主研发工作。而且北京、上海、杭州、宁波等城市利用现有的浮动车，实时采集路网的交通信息实现交通事件的检测并信息发布等功能。5.2.1北京浮动车信息采集技术的应用现状北京交通发展研究中心自2003年开始与国外知名科研机构、企业进行交流与合作，开始了浮动车交通信息采集系统的项目研究。北京已经建立起1.2万辆浮动车的浮动车系统。目前取得成果包括：确定不同覆盖率要求条件下的浮动车数量规模；开发了基于改进的最优路径选择的浮动车数量实时地图匹配算法；建立了适合不同数据采集间隔的路段速度估计算法。该项目利用现有的调度系统数据，建立了集浮动车实时处理和历史应用分析功能于一体的浮动车交通信息采集示范系统。此外，自主研发了基于RDSTMC的交通信息发布实验系统。该项目的成果应用于实时路网运行状态显示与分析、交通决策支持分析、疏堵方案制定、交通拥堵评价、交通政策、措施影响分析、路网可靠性分析等。5.2.2杭州浮动车信息采集技术的应用现状杭州己经开展了“杭州市道路和交通管理浮动车技术应用示范工程”，通过杭州市出租车与公交车中心，实时采集城市路网动态交通数据，建立路网动态交通数据库和软件信息平台。目前杭州已经拥有4500辆浮动