（管理科学与工程专业论文）基于浮动车技术的道路交通特性分析及系统实现.pdf

中文摘要 近年来，由于城市车辆的快速增多，城市交通拥挤与交通堵塞现象也越来越 严重，如何对城市交通进行有效控制和管理就显得非常重要。道路交通特性分析 是城市交通管理管理研究中的基础性研究课题之一，尤其是路段平均速度和交通 流量等参数是城市交通诱导和控制的重要依据。同时，伴随着g p s g i s 技术的 推广应用，浮动车技术正成为交通流研究领域新的热点。因此，基于浮动车技术 的道路交通特性分析对城市交通管理具有重要的现实意义。 本文重点研究了基于浮动车技术的道路交通特性分析方法，提出了基于浮动 车数据的路段平均速度估算方法和基于交通流特性的分段式速度一流量模型，并 基于v b 和m a p o b j e c t s 相结合的组件式开发方式，实现了系统基本功能开发及 实例分析工作。论文主要工作如下： ( 1 ) 分析了道路交通特性分析工作流程，设计了系统结构和功能模块，分析 了各功能模块的内容和相互关系，确立了系统开发技术路线，即选择v b 与 m a p o b j e e t s 相结合的组件式开发方式。 ( 2 ) 实现了g p s 信息接收与处理、电子地图管理等基本功能的开发。 ( 3 ) 设计并实现了基于m a p o b j e c t s 组件技术的综合地图匹配算法，并通过实 例验证了算法的有效性。该算法将最短距离匹配方法、阈值判断和道路拓扑关系 相结合，能够较好地实现投影点的判断和处理，同时，结合轨迹跟踪方法，提出 了不确定点的处理方案，较好地保证了匹配算法的准确性。 ( 4 ) 提出了基于浮动车数据的路段平均速度计算方法，并能够根据平均速度 判断路段交通状态。 ( 5 ) 建立了基于交通流特征的分段式速度一流量模型，给出了参数标定方法， 从而能够根据路段平均速度推算路段交通流量，最后通过实测浮动车数据验证了 模型的有效性。 关键词：浮动车技术；g p s ；g i s ；地图匹配；交通特性 a b s t r a ct r e c e n t l y ，b e c a u s eo ft h er a p i di n c r e a s eo ft h eu r b a nv e h i c l e s ，t h ep r o b l e mo f u r b a nt r a f f i cc o n g e s t i o ni sb e c o m i n gm o r ea n dm o r es e r i o u s s oi ti sv e r yi m p o r t a n tt o c o n t r o la n dm a n a g et h eu r b a nt r a f f i ce f f e c t i v e l y a n a l y s i so ft r a f f i cc h a r a c t e r i s t i c si sa f o u n d e dp r o b l e mi nt h er e s e a r c ho fu r b a nt r a f f i cm a n a g e m e n t p a r t i c u l a r l yt h ea v e r a g e s p e e da n dt r a f f i cf l o wa r ei m p o r t a n tf a c t o r sf o rt h ei n d u c e m e n ta n dc o n t r o lo ft h e u r b a nt r a f f i c a tt h es a m et i m e ，w i t hg p s g i s sw i d e n i n gu s e ，f l o a t i n gc a rt e c h n o l o g y i sc o m i n gt ob eah o tp o i mi nt h er e s e a r c ho ft h eu r b a nt r a f f i cs t u d y t h e r e f o r e ，i ti s v e r yi m p o r t a n tt oa n a l y z et h er o a dt r a f f i cc h a r a c t e r i s t i c so nt h eb a s i so ft h ef l o a t i n g c a rt e c h n o l o g yf o rt h eu r b a nt r a f f i cm a n a g e m e n t t h i sp a p e rm a i n l yr e s e a r c h e si nt h ea n a l y t i c a lm e t h o d so ft h er o a dt r a f f i c c h a r a c t e r i s t i c sb a s e do nt h ef l o a t i n gc a rt e c h n o l o g y i tp u t sf o r w a r dam e t h o do f c a l c u l a t i n gt h ea v e r a g es p e e da n de s t a b l i s h e st h r e ep h a s es p e e d f l o wm o d e lb a s e do n t r a f f i cf l o wc h a r a c t e r i s t i c s ，a n dg i v e st h em e t h o d so fp a r a m e t e re n a c t m e n t t h e nt h e c o m p o n e n t b a s e dd e v e l o p m e n tm e t h o dw h i c hc o m b i n e sv bw i t hm a p o b j e c t s i s c h o s et od e v e l o pt h eb a s i cf u n c t i o no ft h es y s t e ma n dm a k es o m ee x a m p l ea n a l y s i s d e t a i l sa r ef o l l o w i n g ： 1 f i r s t l y ，t h ew o r k f l o wo fr o a dt r a f f i cc h a r a c t e r i s t i c s i sa n a l y z e d ，t h e nt h e s n u c t l ea n df u n c t i o nm o d u l e so ft h es y s t e ma r ed e s i g n e da n dt h ec o n t e n ta n d r e l a t i o n s h i p sb e t w e e nd i f f e r e n t f u n c t i o n a lm o d u l e sa r ee s t a b l i s h e d a l s o ，t h e c o m p o n e n t - b a s e dd e v e l o p m e n tm e t h o dw h i c hc o m b i n e sv bw i t hm a p o b j e c t si s c h o s ea st h em a i n m e t h o dt od e v e l o pt h es y s t e m 2 t h ef u n c t i o n sm o d u l e so fg p si n f o r m a t i o nr e c e i v i n ga n dp r o c e s s i n ga n d e l e c t r o n i cm a pm a n a g e m e n ta r ed e v e l o p e d 3 a ni n t e g r a t e dm a p - m a t c h i n ga l g o r i t h mb a s e do nm a p o b je c t si sd e s i g n e da n d d e v e l o p e d a n dt h ee f f e c t i v e n e s so ft h ea l g o r i t h mi sv e r i f i e db ye x a m p l ea n a l y s i s t h e a l g o r i t h mc o m b i n e st h es h o r t e s td i s t a n c em a t c h i n gm e t h o dw i t ht h er o a dt o p o l o g ya n d i tc a nd e a lw i t ht h ep r o j e c t i o np o i n t sb e t t e r a l s o ，t h et r a j e c t o r yt r a c k i n gm e t h o di s p r o p o s e dt o d e a lw i t hu n c e r t a i np o i n t st oe r l s u r et h ea c c u r a c yo ft h em a t c h i n g a l g o r i t h m 4 t h em e t h o do fc a l c u l a t i n gt h ea v e r a g es p e e db a s e do nf l o a t i n gc a rd a t ai s i n t r o d u c e d ，a n dt h et r a f f i cs t a t eo fs e c t i o n sc a nb ec a l c u l a t e db ya v e r a g es p e e d 5 at h r e ep h a s es p e e d - f l o wm o d e lb a s e do nt r a f f i cf l o wc h a r a c t e r i s t i c si s e s t a b l i s h e d ，a n dt h em e t h o d so fp a r a m e t e re n a c t m e n ta r eg i v e n t h e nt h et r a f f i cf l o w c a nb er e c k o n e db yt h ea v e r a g es p e e d a tl a s t ，t h ef l o a t i n gc a rd a t ai su s e dt ov 耐f y t h ev a l i d i t yo ft h em o d e l k e yw o r d s ：f l o a t i n gc a rt e c h n o l o g yg p s ；g i s ；m a p m a t c h i n gt r a f f i c c h a r a c t e r i s t i c s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤壹苤堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位敝储躲忿霉气签字吼叫年6 月1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗基鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 寿寻婶 i 1 日 导师签名： 签字日期w 尹年乡月2 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文研究背景及研究意义 城市交通是城市社会活动、经济活动的纽带，对城市经济的可持续、稳定发 展和人民生活水平的提高发挥着重要的作用。城市交通的高速发展，一方面促进 了物质交流和人们的往来，大大缩短了出行时间，提高了工作效率；但另一方面 也带来了许多弊端。近半个世纪以来，交通拥堵、道路阻塞和交通事故频繁发生， 不论是在发达国家还是发展中国家，都存在不同程度的问题。尽管各国政府在道 路建设上投入了大量资金，城市及其周边修建了大量的交通设施，但是交通拥堵 状况在全世界许多国家仍然十分严重，已成为非常突出的世界性难题【l j 。 在中国，自改革开放以来，城市化步伐逐步加快，人们对交通的依赖程度越 来越深。起初人们简单通过增加交通基础设施的方式来满足城市交通需求的上 升，而随着城市人口数量的不断攀升，土地资源日趋紧张，道路面积在总量上难 以大规模增加，过去那种以加大交通基础设施建设来满足交通需求的平衡被打 破。继而出现了交通拥挤与交通堵塞现象以及由此而引起的日益严重的交通事 故、交通噪声及尾气污染等问题。值得庆幸的是，国内的交通主管部门及时调整 了策略，认识到中国大城市交通发展不能照搬发达国家的老路，应当借鉴其他国 家交通发展的经验教训，并及时确立了：一方面优先发展并引导使用公共交通， 控制不断上升的低效不合理的私家车交通需求：另一方面利用一切先进的科技手 段提高现有交通的效率，即大力发展i t s 技术。作为发展中国家，我国大城市的 交通需求在一段时间内仍会增加，因此在有效控制交通需求的同时，大力发展i t s 技术将成为其另一重要选择。 在城市交通管理研究中，对道路交通特性的分析和研究是一个基础性研究课 题，及时获取道路交通状态是对交通实现有效控制和管理的重要环节。以往路段 交通流状态获取多是采用定点采集方式，比如车头时距、断面流量等。这些采集 方式主要是通过线圈、微波、视频等技术实现，需要大量的固定设施的投资，且 设备安装、维修工作量大。自2 0 世纪9 0 年代初以来，随着g p s g i s 技术引进 到交通研究与应用领域，一种全新的交通流数据采集方式在交通领域广泛应用。 浮动车( 即安装有定位和无线通信装置的普通车辆，如出租车、公交车、警车等) 在道路上行驶时，可以获得车辆的行驶时间、速度及位置三方面的信息，利用这 三方面信息通过交通流建模，可以推算交通流量。与固定交通监测设备相比，利 第一章绪论 用浮动车技术监测路网动态交通流，一方面不仅具全方位、全天候、动态、实时 等特性，另一方面还具有低成本的优势。目前，我国大部分城市的交通检测基础 设施都较薄弱，利用浮动车技术估计交通流状态，能够较好解决该问题，具有较 好的社会效益和经济效益。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 城市道路交通流理论研究现状 交通流理论是应用数学或物理学原理对交通流的各参数及其之间关系进行 定性和定量的分析，以寻求道路交通流的变化规律，从而为交通规划、交通管理 和道路及运政、路政管理提供理论依据【2 j 。 现代交通流理论研究始于2 0 世纪3 0 年代，首先将交通车流看作随机独立变 量、运用概率论分析交通量与车速间的关系；4 0 年代起，在运筹学和计算技术 等学科发展的基础上又获得新进展；5 0 年代，随着汽车工业和交通运输业的大 发展，造成道路行驶车辆数量急剧增长，产生车队现象，车流中车辆的独立性越 来越小，相继出现了跟驰理论、波动理论( 流体力学模拟理论) 和车辆排队论( 随机 服务系统理论) 3 1 。1 9 5 9 年1 2 月在美国底特律举行了首届国际交通流学术讨论会， 1 9 6 4 年由美国公路研究委员会出版了“交通流理论入门”专题报告汇编，美国 一些大学陆续编写了交通流理论方面的书籍，从此交通流理论逐步形成，相关的 研究也进入一个迅速发展的时期【4 】。 2 0 世纪8 0 年代以来至今，交通流理论研究的主要出发点是基于流体力学模 拟的方法和思想。比较有代表性的有将交通流看成不可压缩流体的p a y e e 模型 ( 1 9 7 1 ) 、p a p a g e o r g i o u ( 1 9 8 3 ) 模型、“与流体力学相一致”的d a g a n z o 的元胞传输 模型。b i h a m ，m i d d l e t o n 及l e v i n 于1 9 9 2 年建立了二维元胞自动机模型( b m l 模型) 【5 1 。 2 0 世纪9 0 年代以来，随着浮动车技术的出现，一批基于这种新的交通数据 采集方式的理论研究不断出现并成为国内外的研究热点。早期进行此方面研究的 多是西方发达国家，他们率先建立了浮动车信息采集系统，并进行了探测车合理 样本规模以及与网络覆盖率的关系及实时道路交通流参数估计等基础性研究，在 s n a w a l 、w a l r a n d 、y i m 等人的研究中浮动车数据估计的速度与环形线圈数据符 合得很好，仿真分析得出在公路上当浮动车占到3 一5 时可得到很好的旅行时 间估计【6 】，c h e a 、x i e 、l e e 研究用浮动车数据估计主干道平均车速的可靠性，表 明如满9 5 时间内绝对误差小于5 k n g h ，需要4 5 的浮动车或者采样周期内 2 第章绪论 至少有1 0 辆浮动车通过该路段。由于国外研究较早，现在已经处于应用阶段， 在旅行时间预测，事故探查，交通诱导方面应用较多。 在国内，2 0 世纪9 0 年代以前，我国的同济大学、吉林大学等单位的交通工 程学者作了一定的工作，侧重于探讨经典的概率论模型和跟车模型及其应用。此 后，在国内交通迅速发展的背景下，我国的交通流理论研究步入了快速发展时期， 大量的物理学界、数学界的学者也加入了交通流理论的研究队伍。如今，我国交 通科学家在流体力学模型、跟驰模型和元胞自动机等研究方向产生了具有实用价 值的理论成果 1 】。浮动车方面的研究国内尚处于起步阶段，尚无大面积应用。国 内研究集中在地图匹配、速度拟合及旅行时间的预测等方面。 1 2 2 交通流模型及特性分析研究现状 交通流特性研究的内容非常广泛，大致可以分为以下几个方面【7 j ： ( 1 ) 交通流宏观特性：包括三大参数各自的特性以及三者之间的关系； ( 2 ) 交通流微观特性：即单车的跟驰行驶行为； ( 3 ) 特殊交通流特性：如混合交通流特性、交汇地段交通流特性等。 描述交通流特征有一个主要参数：交通量、速度和密度【8 】。速度和密度反映 交通流从道路获得的服务质量，而交通量可度量车流的数量和交通设施的需求状 况。上述三个参数是交通流最基本的度量指标，其变化规律反映交通流的基本性 质。由于密度难以观测，因此除三大参数外，通常还用车头时距、车头间距、车 道占有率等参数来间接描述密度特征。 对交通流模型的研究始于2 0 世纪3 0 年代，1 9 3 3 年g r e e n s h i e l d s 根据当时的 观测数据提出了速度一密度线性模型，对速度与密度关系做了开创性的研究。第 一次世界大战以后，随着汽车拥有量和公路里程的快速增长，交通流模型的研究 得到了飞跃的发展。自5 0 年代末出现了多种新的模型，如1 9 5 9 年g r e e n b e r g 提 出了速度一密度的对数模型，1 9 6 1 年u n d e r w o o d 提出了自由交通流模型( 即指数 模型) ，1 9 6 1 年e d i e 在g r e e n b e r g 和u n d e r w o o d 的研究基础上提出了在分段的组 合模型，1 9 6 7 年d r a k e 等人提出了钟形模型等。 2 0 世纪8 0 年代以后，许多学者将注意力集中到对交通流到达或接近通行能 力时交通流状况的研究，h o u n s e l l 4 】认为自由流速度几乎可以保持到当流量接近 通行能力时。1 9 9 2 年h a l l 指出对应于高速公路的不同区段，速度流量曲线应 分为3 部分：第1 阶段为非饱和状态，第2 阶段为排队释放状态，第3 阶段为过 饱和状态。 目前，交通流模型仍主要用于连续交通流( 即没有外部固定因素影响的不间 断交通流，如交通信号灯等) 的研究【7 1 。近年来，随着新思想、新观点、新技术和 第一章绪论 新方法的不断涌现使得交通流模型的研究充满生机，交通流模型和方法日臻完 善，使用范围越来越广。交通流模型已成为交通运输理论研究的重要组成部分， 为交通运输系统的规划、设计和管理提供依据和方法。 1 2 3 基于车载g p s 系统的交通数据采集技术 在i t s 中，有关车辆定位的信息不但对于想要知道其位置以便出行或获取定 位相关信息的驾驶员很重要，而且对于那些出于管理车辆的目的而想要跟踪车队 的车队运营商也很重要。车辆定位在帮助公共行政机构确定遇到麻烦的车辆的位 置以便营救、寻找盗窃车辆或寻找运输危险物品车辆方面的价值更是无可衡量。 此外，当获知移动车辆在线路上两个不同时间的位置时就可直接测得车辆在 该线路上的行驶时间。用作该目的的车辆被称作“探测车”或“浮动车。由于 公共行政机构意识到在广泛开展的i t s 应用中，道路基础设施使用的交通传感器 的成本相当高，所以车辆检测就变得更重要t t 9 【l o 】。目前，世界上最大的浮动车 数据( f v d ) 网络是i t i s 公司营运的横跨包括英国在内的欧洲的一个高速路网络， 其探测车数超过3 0 0 0 辆。 严格说来，车载g p s 系统不能对交通流量的数据信息进行直接的采集，但 其可以通过路段上的浮动车获取交通流状态特征，进而推算出流量等交通流特性 参数【1 1 】【1 2 1 ，因此，可以将其看作是短时流量的一种新的数据获取技术方式。 1 2 4g p s 技术在城市道路交通特性分析中的应用现状 1 2 4 1g p s 在交通领域的主要应用 现阶段g p s 在交通领域的应用主要包括以下几个方面： ( 1 ) 车辆跟踪：利用g p s 和电子地图可以实时显示出车辆的实际位置。并任 意放大、缩小、还原、换图；可以随目标移动，使目标始终保持在屏幕上；还可 实现多窗口、多车辆、多屏幕同时跟踪。利用该功能可对重要车辆和货物进行跟 踪运输。 ( 2 ) 提供出行路线规划和导航：提供出行路线规划是汽车导航系统的一项重 要辅助功能，它包括自动线路规划和人工线路设计。 自动线路规划是由驾驶者确定起点和目的地，由计算机软件按要求自动设计 最佳行驶路线，包括最快的路线、最简单的路线、通过高速公路路段次数最少的 路线等的计算。 人工线路设计是由驾驶者根据自己的目的地设计起点、终点和途经点等。自 动建立线路库。线路规划完毕后。显示器能够在电子地图上显示设计线路，并同 4 第一章绪论 时显示汽车运行路径。 ( 3 ) 信息查询：为用户提供主要物标，如旅游景点、宾馆、医院等数据库， 用户能够在电子地图上根据需要进行查询查询资料可以文字、语言及图像的形式 显示，并在电子地图上显示其位置。同时，监测中心可以利用监测控制台对区域 内的任意目标所在位置进行查询。车辆信息将以数字形式在控制中心的电子地图 上显示出来。 ( 4 ) 话务指挥：指挥中心可以监测区域内车辆运行状况，对被监控车辆进行 合理调度，指挥中心也可随时与被跟踪目标通话，实行管理。 ( 5 ) 紧急援助：通过g p s 定位和监控管理系统可以对遇有险情或发生事故的 车辆进行紧急援助。监控台的电子地图显示求助信息和报警目标。规划最优援助 方案，并以报警声光提醒值班人员进行应急处理。 ( 6 ) 在道路工程中的应用：g p s 在道路工程中的应用，目前主要是用于建立 各种道路工程控制网及测定航测外控点等。随着高等级公路的迅速发展，对勘测 技术提出了更高的要求，由于线路长，已知点少，因此，用常规测量手段不仅布 网困难，而且难以满足高精度的要求。目前，国内已逐步采用g p s 技术建立线 路首级高精度控制网，然后用常规方法不设导线加密。 ( 7 ) 其他应用：由于g p s 系统的空间卫星上载有的精确时钟可以发布时间和 频率信息，因此，以空间卫星上的精确时钟为基础，在地面监测站的监控下，传 送精确时间和频率是g p s 的另一重要应用。应用该功能可进行精确时问或频率 控制，为许多工程实验服务。此外，据国外资料显示，还可利用g p s 获得气象 数据。 1 2 4 2g p s 用于道路交通特性分析现状 g p s 技术因其定位精度高、速度快、低成本等特点，已成为当今应用最为广 泛的卫星定位系统，将g p s 技术与交通流量这两个词联系在一起已屡见不鲜【l3 1 。 将g p s 技术与城市交通管理系统相结合可实现交通状况的实时检测，主要具有 如下几方面优势： ( 1 ) 测量范围广，精确度高。g p s 系统的空间部分是由分布在互成6 0 度的6 个轨道面上( 轨道夹角为5 5 度) 的2 4 颗卫星组成的通信网络，每颗卫星都不断的 向地球表面发送自身星历参数和时间参数。由于卫星在地球上空2 1 万k m 的轨 道上均匀分布，所以地面上任一点都可以接收到不少于3 颗卫星信号，保证了数 据的精确性。因此，g p s 可得到精确到o 1 r r d s 的速度信息，精确到1 0 0 千秒的 时间信息以及精确到1 0 米的位置信息。 ( 2 ) 数据统计处理方便快捷。g p s 定位系统由空间卫星、地面控制站和用户 第一章绪论 接收机三大部分组成，g p s 用户接收机通过接收卫星信号算出自身的位置、速度、 时间，实现数据的自动采集：而采集数据的后续处理，用户可根据需要编程实现。 ( 3 ) 具有良好的兼容性和后续开发潜力。g p s 系统可由多种语言开发，并可 与其它软件( 例如g i s ) 结合，优势互补。 ( 4 ) 效率高，造价低。由于该测量方法基于车载g p s 系统，从信息的采集到 最后的数据处理，可完全由计算机控制实现，因此节约了大量人力物力，在提高 效率的同时降低了成本。 如今，g p s 技术在交通流仿真、交通流诱导、事故探查等方面应用较多， g p s 技术应用于获得城市道路交通特性分析的研究相对较少【l4 】。在美国，由美 国的导航协会提出了通过g p s 技术运用神经网络的方法来预测交通流量，原理 是将载有g p s 设备的浮动车运行轨迹与电子地图做匹配，通过训练神经网络获 得交通量的预测，实验证明其预测是有效可行的1 6 j 。 在国内，也出现了通过应用g p s 技术实现对交通流特性及状况的分析( 即反 映道路拥挤状况) ，如在文献 1 5 忡给出了应用交通流模型，由实地观测确定参数， 利用g p s 数据来获得平均速度，通过交通流模型推算交通流量。此种方法直接 使用连续流交通流模型，缺乏理论依据，并有可能造成较大误差。文献【1 6 给出 了用一段时间的浮动车数据去拟合一个交通流模型，从而得到路段上的速度。通 过对速度分级，用获得的路段速度来表示该时段道路上的交通状态，反映路网状 况。该应用实例虽然将g p s 数据与交通流状况联系在一起，但只是通过g p s 数 据反映了交通流量状况。利用浮动车数据进行流量推算的研究文章较少，因此很 有必要在这方面做探索性研究。 1 3 本文主要研究内容和论文结构 1 3 1 主要研究内容 1 道路交通流特性分析总体结构设计和功能模块分析 分析了系统实现的工作流程及总体结构，在此基础上将系统划分为四个功能 模块，即g p s 信号接收模块，电子地图管理模块，地图匹配模块，路段特性分 析模块等，并描述了各功能模块间的关系。 2 电子地图管理基本功能的开发 基于m a p o b j e c t s 组件技术和v b 实现了电子地图的分层显示、放大、缩小、 漫游、鹰眼、图层标注、鼠标提示、路段实时状态显示等功能。 3 地图匹配算法研究与实现 6 第一章绪论 地图匹配是道路交通特性分析过程中的非常重要的一环。本文研究并开发了 一种基于m a p o b j e c t s 组件技术综合地图匹配算法，并基于浮动车数据进行了实 例分析。 4 基于浮动车数据的路段交通特性分析 本文基于浮动车采集的有效速度数据拟合得到路段的平均速度，建立了以速 度特性为分段依据的分段式速度一流量模型，根据平均速度推算城市道路车辆交 通流量，并给出了参数标定的方法并论述了其优缺点。最后，通过采用实际采集 的速度和流量数据进行了实例分析和比较，取得了较好的效果。 1 3 2 论文结构 本论文分为六个部分。各部分内容安排如下： 第一部分为绪论，介绍论文的研究背景和研究意义、国内外研究现状综述、 主要研究内容、论文结构等。 第二部分为g p s 、g i s 相关技术的介绍，包括g p s 概念、定位原理等：g i s 简介、g i s t 技术；导航电子地图概念及数据结构等。 第三部分为系统实现总体方案的研究，包括系统工作流程分析、系统总体结 构设计、系统功能模块划分及相互关系、系统开发技术路线的选择等。 第四部分为地图匹配算法研究。论文在分析和研究了地图匹配算法原理和常 用的地图匹配算法的基础上，结合实际项目需要，提出并实现了基于m a p o b j e c t s 组件技术的综合地图匹配算法，该算法将最短距离匹配方法、阈值判断和道路拓 扑关系相结合，能够较好地实现投影点的判断和处理，同时，结合轨迹跟踪方法， 提出了不确定点的处理方案，较好地保证了匹配算法的准确性。最后，基于卫津 路和鞍山西道上实际采集到的浮动车数据进行了示例分析，证明了算法的可靠 性。 第五部分为基于浮动车采集数据的路段特性分析，包括速度拟合和城市道路 交通流量推算建模等。论文分析了交通流的特性和几种主要的交通流模型，在此 基础上建立了平均速度拟和模型和以速度特性为分段依据的分段式速度一流量 模型，给出了参数标定的方法并论述了其优缺点，从而能够基于浮动车采集的有 效速度数据拟和路段平均速度，并根据平均速度推算路段交通流量。最后，基于 卫津路8 ：0 0 9 ：0 0 时段和气象台路1 6 ：0 0 1 7 ：0 0 采集到的速度数据进行了实例分 析。结果表明，所得结果与实际情况非常符合，证明了模型的可靠性。 第六部分为总结与展望。在总结论文研究结果的基础上，指出了论文的一些 不足及今后的研究方向。 第二章浮动车相关技术 2 1 浮动车技术 第二章浮动车相关技术 浮动车技术是近年来国际智能交通系统中所采用的获取道路交通信息的先 进技术手段之一。其基本原理是：根据装备车载全球定位系统的浮动车在其行驶 过程中定期记录的车辆位置，方向和速度信息，应用地图匹配、路径推测等相关 的计算模型和算法进行处理，使浮动车位置数据和城市道路在时间和空间上关联 起来，最终得到浮动车所经过道路的车辆行驶速度以及道路的行车旅行时间等交 通拥堵信息。如果在城市中部署足够数量的浮动车，并将这些浮动车的位置数据 通过无线通讯系统定期、实时地传输到一个信息处理中心，由信息中心综合处理， 就可以获得整个城市动态、实时的交通拥堵信息。 浮动车是指安装有定位和无线通信装置、能够与交通信息中心进行信息交换 的普通车辆。浮动车信息采集系统是通过已安装的g p s 车载装置和无线通信设 备，将车辆信息( 如时间、速度、经纬度坐标、方向等参数) 实时的传送到浮动车 信息中心，经过汇总、处理后生成反映实时道路路况的交通信息，并通过互联网 和公众移动网络对外发布，为公众出行提供帮助，同时也为交通管理部门在交通 控制、诱导方面提供决策支持。浮动车系统车辆一般由出租车或公交车构成。 浮动车信息采集系统通常由车载设备、车辆定位技术( 如g p s 等) 、无线通信 网络、交通信息中心四个部分组成。车载设备主要包括g p s 模块、无线通信模 块等，g p s 模块接收卫星定位信号并运算出车辆的坐标和瞬时速度，无线通信模 块负责将车辆坐标、速度等数据传送到交通信息中心，并接收交通信息中心发送 的指令和数据。无线通信网络主要是指通信运营商提供的通信基站和数据传输服 务。交通信息中心主要包括无线通信设备、基于g i s 的交通信息处理系统及计 算机设备等。车载设备向交通信息中心传输的数据主要包括车载终端d 号、车 牌号、经纬度坐标、瞬时速度、方向、回传时间、有效性标识等字段。交通信息 中心对车载设备上传的数据进行存储、预处理，结合地图，利用相应的计算模型 对交通参数如速度、流量、时间等进行估计和预测，从而得到整个道路网的实时 动态交通信息。 第二章浮动车相关技术 2 2g p s 全球定位系统 2 2 1g p s 综述 g p s 是全球定位系统的简称。它的含义是，利用导航卫星进行测时和测距， 以构成全球定位系统。现在国际上已经公认将这一全球定位系统简称为g p s 。 g p s 接收机接收三颗以上的g p s 卫星发来的定位信号，可得到高精度、全天候、 全球覆盖的经纬度、速度、方向、时间等信息，定位误差小于1 5 米。由于g p s 具有覆盖范围广、精度高、全天候、接收信号免费等优点，在全球范围的各个领 域内得到了广泛的应用。其中车辆及个人导航监控成为发展最迅速、前景最广阔 的应用市场，并在欧美、日本等发达国家形成了规模庞大的产业l l 引。 g p s 系统包括三大部分：空间部分- - g p s 卫星星座；地面控制部分一地面 监控系统；用户设备部分一g p s 信号接收机。三者有各自独立的功能和作用，但 又是有机地配合而缺一不可的整体系统。 g p s 工作卫星及其星座由2 l 颗工作卫星和3 颗在轨备用卫星组成，g p s 卫 星星座，记作( 2 1 + 3 ) g p s 星座。2 4 颗卫星均匀分布在6 个轨道平面内。事实上， g p s 工作卫星的数量要超过2 4 颗，以便在卫星老化或损坏时，保障系统仍能正 常工作。 地面监控系统由均匀分布在美国本土和三大洋的美军基地上的5 个监测站、 一个主控站和三个注入站构成。该系统的功能是：对空间卫星系统进行监测、控 制，并向每颗卫星注入更新的导航电文。 g p s 信号接收机的任务是：能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测 卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的g p s 信号进行变换、放大 和处理，以便测量出g p s 信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出g p s 卫 星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。 g p s 用户使用适当的接收机下载卫星信号码及载波相位并提取传播的信息。 将下载接收到的卫星信息码与接收机产生的复制码匹配比较，便可确定接收机至 卫星的距离。如果计算出4 颗或更多卫星到接收机的距离，再与卫星位置相结合， 便可确定g p s 接收机天线所在的三维地心坐标( 以w g s 8 4 为标准的椭球面坐 标) 。若用于高精度的大地测量，则需记录并处理载波或者信息波的相位数据。 2 2 2g p s 的定位原理 g p s 接收机可接收到可用于授时的准确至纳秒级的时间信息：用于预报未来 几个月内卫星所处概略位置的预报星历；用于计算定位时所需卫星坐标的广播星 第二章浮动车相关技术 历，精度为几米至几十米( 各个卫星不同，随时变化) ；以及g p s 系统信息，如卫 星状况等f 1 8 】0 9 。 g p s 接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离，由于含有接收机卫星 钟的误差及大气传播误差，故称为伪距。对o a 码测得的伪距称为u a 码伪距， 精度约为2 0 米左右，对p 码测得的伪距称为p 码伪距，精度约为2 米左右。 g p s 接收机对收到的卫星信号，进行解码或采用其它技术，将调制在载波上 的信息去掉后，就可以恢复载波。严格而言，载波相位应被称为载波拍频相位， 它是收到的受多普勒频移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号 相位之差。一般在接收机钟确定的历元时刻量测，保持对卫星信号的跟踪，就可 记录下相位的变化值，但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值是不知道 的，起始历元的相位整数也是不知道的，即模糊度只能在数据处理中作为参数解 算。相位观测值的精度高至毫米，但前提是解出整周模糊度，因此只有在相对定 位、并有一段连续观测值时才能使用相位观测值，而要达到优于米级的定位精度 也只能采用相位观测值。 按定位方式，g p s 定位分为单点定位和相对定位( 差分定位) 。单点定位就是 根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量， 可用于车船等的概略导航定位。相对定位是根据两台以上接收机的观测数据来确 定观测点之间的相对位置的方法，它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量， 大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。 在g p s 观测量中包含了卫星和接收机的钟差、大气传播延迟、多路径效应 等误差，在定位计算时还要受到卫星广播星历误差的影响，在进行相对定位时大 部分公共误差被抵消或削弱，因此定位精度将大大提高，双频接收机可以根据两 个频率的观测量抵消大气中电离层误差的主要部分，在精度要求高，接收机间距 离较远时，应选用双频接收机。在定位观测时，若接收机相对于地球表面运动， 则称为动态定位，如用于车船等概略导航定位的精度为3 0 1 0 0 米的伪距单点定 位，或用于城市车辆导航定位的米级精度的伪距差分定位，或用于测量放样等的 厘米级的相位差分定位，实时差分定位需要数据链将两个或多个站的观测数据实 时传输到一起计算。在定位观测时，若接收机相对于地球表面静止，则称为静态 定位，在进行控制网观测时，一般均采用这种方式由几台接收机同时观测，它能 最大限度地发挥g p s 的定位精度，专用于这种目的的接收机被称为大地型接收 机，是接收机中性能最好的一类。目前，g p s 已经能够达到地壳形变观测的精度 要求，i g s 的常年观测台已经能构成毫米级的全球坐标框架。 1 0 第二章浮动车相关技术 、2 3g i s 地理信息系统 2 3 1g i s 地理信息系统简介 地理信息系统( g i s ，g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ) 是一种集计算机科学、 空间科学、信息科学、测绘遥感科学、环境科学和管理科学等学科为一体的新兴 的综合学科，是在计算机软硬件支持下，以采集、存储、管理、检索、分析和描 述空间物体的定位分布及与之相关的属性数据，并回答用户问题等为主要任务的 计算机系统。g i s 从2 0 世纪6 0 年代出现至今只有短短四十几年的时间，但已经 成为多学科集成并应用于各领域的基础平台，成为地理学空间信息分析的基本手 段和工具。与此同时，众多g i s 厂商推出了各具特色的地理信息系统软件，使 用户在针对自己的实际情况开发实用的地理信息系统时多了几分选择的余地。 地理信息系统是以空间地理数据库为基础，以计算机软硬件为支撑，对空 间相关数据进行采集、管理、操作、分析、模拟和显示，并采用地理模型分析方 法，适时提供多种空间和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务而建立起 来的计算机技术系统。地理信息系统具有以下三个方面的特征t 2 0 ： ( 1 ) 具有采集、管理、分析和输出多种地理空间信息的能力，具有空间性和 动态性； ( 2 ) 以地理模型方法为手段，通过空间分析、多要素综合分析和动态预测等 地理研究和地理决策方法，产生高层次的地理信息，从而可以实现快速、准确、 综合地对复杂的地理系统进行空间定位和动态分析等功能； ( 3 ) 由于计算机支持进行空间地理数据管理，并由计算机程序模拟常规的或 专门的地理分析方法，作用于空间数据，产生有用信息，为各种应用服务完成人 类难以完成的任务。 g i s 处理、管理的对象是多种地理空间实体数据及其关系，包括空间定位数 据、图形数据、遥感图像数据、属性数据等，用于分析和处理在一定地理区域内 分布的各种现象和过程，解决复杂的规划、决策和管理问题。 g i s 软件是系统的核心，关系到该系统性能的优劣、功能的多少。从用户的 角度看，g i s 软件系统可分为如下两大类： l 、实用型地理信息系统 或称面向项目的地理信息系统。这是一类有具体应用目标，为特定区域或专 业的管理决策服务的实用g i s 。 2 、工具型地理信息系统 或称面向管理的地理信息系统。这类系统般没有具体的应用目标，基本上 是一种系统支撑软件供建立实用的g i s 之用。它具有对计算机硬件适应性强， 第二章浮动车相关技术 数据管理和操作分析效率高，功能较完善，且易于扩展和商品化等优点。 2 3 2g i s 空间数据的组织方法 在g i s 地理信息系统中，空间数据组织的好坏是一个极为重要的问题。目 前的地理信息系统都是以图层的方法来规划空间数据的【2 1 1 。在g i s 地理信息系 统中，把特征相同或者相近的地理实体，归类为一个图层。例如，在一个城市的 交通电子地图中，所有的建筑物可以构成一个点图层，所有的道路构成一个线图 层，所有的绿地构成一个面图层，通过图层的叠加，形成一个电子地图。 2 3 3g i s t 技术 图2 - 1图层叠加示意图 交通地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e mf o rt r a n s p a r t a t i a n ) 简称 g i s t ，是收集、存储、管理、综合分析和处理空间信息和交通信息的计算机软、 硬件系统，是g i s 技术在交通领域的延伸，是g i s 与多种交通信息分析和处理 技术的集成。g i s t 是交通管理的基础信息数据库，它由静态的道路网、道路宽 度、等级、路名、地形地貌、重要场所等信息和动态的交通组织方案、等时图、 交通拥堵、交通事故多时段、路段、警力配置等信息共同组成。它可以利用多媒 体技术把一张地图分层展开，并按需要配上相应的数据、图形、图像、声音信息， 使我们最大限度地对有关内容得到了解。交通地理信息系统的特点是规模庞大、 结构复杂、功能综合、因素众多。 其主要功能包括【2 2 】【2 3 】： ( 1 ) 数据输入编辑功能：实现输入、修改、编辑城市交通地图及其相关的属 性数据。