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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: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82.2 GPS系统82.2.1 GPS系统92.2.2GPS系统的交通建模优势92.3 GPS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15第六章 在高速公路安全中的实例应用15致谢16参考文献16附录17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。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,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数据需求研究是数据检测方法研究的基础,根据数据需求可以确定检测方法研究的主要方向。动态交通数据需求分析首先从高速公路管理的功能需求入手,由功能需求确定数据需求,并在此基础上对高速公路的动态数据采集系统进行设计。3.运用聚类分析和神经网络算法对采集的数据进行分析和预测指导高速公路交通安全4.实时数据采集技术在高速安全中的实例应用1.4论文主要结构第二章 智能交通系统与GPS系统信息采集技术和方法研究2.1智能交通系统的基本知识主要讲述国内外智能交通的情况,智能交通的发展前景,以及只能交通的技术术语。2.2 GPS系统即全球定位系统(Global Positioning System)。简单地说,这是一个由覆盖全球的24颗卫星组成的卫星系统。这个系统可以保证在任意时刻,地球上任意一点都可以同时观测到4颗卫星,以保证卫星可以采集到该观测点的经纬度和高度,以便实现导航、定位、授时等功能。这项技术可以用来引导飞机、船舶、车辆以及个人,安全、准确地沿着选定的路线,准时到达目的地。 全球定位系统(GPS)是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统 。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、 全天候和全球性的导航服务,并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的,是美国独霸全球战略的重要组成。经过20余年的研究实验,耗资300亿美元,到1994年3月,全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。 GPS全球卫星定位系统由三部分组成:空间部分GPS星座;地面控制部分地面监控系统;用户设备部分GPS 信号接收机。2.2.1 GPS系统2.2.2GPS系统的交通建模优势2.3 GPS信息采集技术数据采集效果如下表显示,该采集技术将用于聚类分析和神经网络预测。2.4信息采集方法研究第三章 实时信息采集系统的结构3.1信息采集的结构3.2信息采集工作流程与原理第四章 实时交通状况数据分析4.1聚类分析讲述聚类分析的主要种类和自己的改进,以便应用到下面的预测中。4.2对数据进行聚类分析主要运用模糊聚类和K-均值聚类对GPS采集的高速公路数据进行分析,为交通信息预测(bp神经网络)作准备。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5.1神经网络神经网络技术是模拟人脑而产生的一种信息处理技术,近年来得到了飞速发展和广泛应用。神经网络使用大量的神经元处理信息,神经元按层次结构的形式组织,每层上的神经元以加权的方式与其它层上的神经元联接,采用并行结构和并行处理机制,因而网络具有很强的容错性以及自学习、自组织及自适应能力,能够模拟复杂的非线性映射。神经网络的这些特性和强大的非线性处理能力,恰好满足了多传感器数据融合技术处理的要求,可以利用神经网络的信号处理能力和自动推理功能实现多传感器数据融合技术叫。人工神经网络有很多种:BP神经网络、径向基(RBF)神经网络、模糊神经网络、自组织神经网络等等,本文选择使用广泛的BP神经网络、径向基神经网络和广义回归线行网络进行数据融合。5.1.1BP(Back-Propagation)神经网络即神经网络是至今为止应用最广泛的一类神经网络,也是人们研究最多、认知最清楚的一类网络。它是Ru.elhart和McClelland等人提出的一个监督训练多层神经网络,BP神经网络算法是由两部分组成:信息的正向传递与误差的反向传播。在正向传播过程中,输入信息从输入层经隐含层逐层计算传向输出层,每一层神经元的输出作用于下一层神经元的输入。如果在输出层没有得到期望的输出,则计算输出层的误差变化值,然后转向反向传播,通过网络将误差信号沿原来的连接通路反传回来修改各层神经元的权值直至达到期望目标。BP算法有很强的数学基础,扩展了神经网络的使用范围,产生了应用成功的实例,对神经网络研究的再次兴起,起过很大作用。BP神经网络的数学模型即神经网络由输入层、隐含层和输出层三层组成,第一层是输入层,最后一层是输出层,中间的是隐含层,隐含层可以有一层也可以有几层。网络中相邻层之间采用全互连方式连接,同层各神经元之间没有任何连接,文献43证明了三层前馈神经网络可实现任意函数逼近。5.2基于改进的BP神经网络的交通信息预测模型用人工神经网络预测目前有2种方法。 (1)前馈预测方法。设需要预测的物流量为y(t ),各个相关因素用 x(t )= (t),(t),, (t)表示,其数学公式为 Y(t )= (t),(t),, (t),m=8或9该公式是高度非线性模型,需要采用神经网络的前馈模型、BP算法确定权重,通过计算对具体交通量进行预测,具体计算过程不作论述。该方法对时间性没有考虑,所以模型简单易算,但无法实现动态性预测。(2)简单时间序列预测。有效方法之一就是设法发现时间系列观察值中一些经验规律 ,可用非线性多变量函数描述y(t)= fy(t-1),y(t-2),y(t-n )其中,y(t)=(t=N,N-1,)为给定的时间序列样本值;f为高度非线性函数,若为线性时使用传统AR模型进行预测即可。这里需要采用包含大量的非线性的神经网络进行预测,在通过样本训练后,神经网络能近似任意的非线性连续函数,f是非常灵活的。当所有的已知值被用于神经网络的输入时,神经网络仅给出一步预测,为了用神经网络进行多步预测, y(t)预测值被反馈到输入端,相 应其他数据做一步移位,从而可预测 (t+1),依次类推。图1为训练状态框图。该方法由于没有考虑到因果关系 ,当具体某几项因果因素变动较大时,尤其对中国经济发展的非常规性应用时,预测效果较差。 结合上述两种方法的优缺点,将两种方法综合来考虑,即采用综合预测方法。神经网络预测训练方框图对神经网络算法做改进,对权重进行实时变化,保证数据的准确性。交通延时预测单元预测网络图5.3实验第六章 在高速公路安全中的实例应用经过对高速公路数据的预测,就可以对车流进行预先引导,同时可以对不符合标准的车辆进行限制和控制,保证高速的安全和正常运营。致谢参考文献1 朱玉全编著.数据挖掘技术.南京:东南大学出版社,20062 彭佳、何杰等. 基于GIS的果蔬直接配送物流商务平台研究.物流技术.2007(10):106-1083 张宇宾.GPS与GIS及其在现代物流中的应用.实用物流技术.2002(4):13-144 罗铮.物流链安全保障体系研究.物流科技.2005 (1O)5 杨 改、许茂增. 物流安全研究综述. 物流技术.2007(173):33-356 李炯.物流安全管控技术分析物流技术与应用.2005(4)7 刘运通编著.道路交通安全指南.北京:人民交通出版社,20048 徐维祥,苏晓军基于频繁模式树的一种关联规则挖掘算法及其在铁路隧道安全管理中的应用中国安全科学学报,2007(3)9 杨波,刘海洲.基于聚类分析的交通小区划分方法的改进.交通规划,2007(7)10 叶海军模糊聚类分析技术及其应用研究合肥:合肥工业大学,200611 李雄飞,李军数据挖掘与知识发现北京:高等教育出版社,2003 12 Song YQ,Zhu YQn algorithm and its updating algorithm based on fp-tree for mining maximum frequent itemsetsj.journal of software ,2003,14(9):1586-159213 Fisher D.improving inference through conception c of 1987 AAAIConf ,1985(9):75-11214 LIX
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