（管理科学与工程专业论文）基于GPS历史数据分析对交通基础信息处理优化的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文基于g p s 历史数据分析对交通基础信息处理优化的研究 摘要 随着全球定位系统( g p s ) 在车载导航系统中的日益广泛应用，智能交通系 统( i t s ) 在国内已逐渐成为现实然而，由于g p s 车载导航系统所产生的信息 量十分庞大，以至于现有的交通信息处理技术要花费大量的时间，从而严重影响 了交通信息的实时性和有效性。因此，如何从海量的g p s 交通信患中挖掘出有效 信息，以支持短时交通预测，并且快捷、有效的将信息服务于公众出行、从而实 现对交通状态的有效管控等，这将是一个十分有意义的研究领域。 论文以浙江省交通厅2 0 0 7 年科技计划项目基于g p s 、g i s 技术的交通实时 路况系统分析与研究的子课题“g p s 历史数据的分析与推理”为研究背景，从 以下几个方面对基于g p s 历史数据挖掘的交通基础信息处理优化问题进行了研 究：首先对交通流量预测、交通信息采集和交通数据处理的国内外研究现状进行 了综述( 第二章) ；然后在此基础上提出了本研究的研究框架和研究模型( 第三 章) ；进而以浙江省杭州市市内两条主干道和市区外绕城高速公路上连续十二个 月的g p s 历史交通数据为研究对象，验证了本文所提出的研究模型的有效性( 第 四章) ；第五章则给出了本研究的结论和研究展望，从而为未来的进一步研究做 出了铺垫 关键词：交通信息优化；统计周期；变异系数；典型样本；全球定位系统( g p s ) ； 智能交通系统( i t s ) 浙江大学硕士学位论文基于g p s 历史数据分析对交通基础信息处理优化的研究 a b s t r a c t a sg l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e mi s w i d e l yu s e di no n b o a r dn a v i g a t i o ns y s t e m ， i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e mh a sg r a d u a l l yc o m et r u ei nc h i n a h o w e v e r , a st h e g p so n b o a r dn a v i g a t i o ns y s t e mw i l lc r e a t eh u g ea m o u n to ft r a f f i ci n f o r m a t i o nw h i c h w i l lt a k es om u c ht i m et op r o c e s sa l lt h ei n f o r m a t i o na n dw i l la f f e c tt h ee f f e c to f t r a f f i cf o r e c a s t i n ga c c o r d i n g l y s od a t am i n i n gf r o mh u g ea m o u n to fg p st r a f f i cd a t a w h i c hw i l lg e te f f e c t i v ei n f o r m a t i o nt os u p p o r ts h o r t - t e r mt r a f f i cf o r e c a s t i n g ，s e r v et h e p u b l i ct oh a v ean i c et r a v e la n dc o n t r o lt r a f f i cc o n d i t i o nf o rt h ed e p a r t m e n ti nc h a r g e ， w i l lb eam e a n i n g f u lf i e l d t h ep a p e ri ss e ti nt h eb r a n c ho ft e c h n o l o g yp r o j e c ti t e m ：a n a l y s i sa n dr e a s o n i n go fg p sh i s t o r i c a ld a t a ，a n dd o e ss o m er e s e a r c ho n o p t i m i z a t i o no ff u n d a m e n t a lt r a f f i ci n f o r m a t i o nb a s e do nd a t am i n i n gf r o mg p s h i s t o r i c a ld a t ai nt h ef o l l o w i n gr e s p e c t s t h ep a p e rf i r s to v e r v i e wc u r r e n ts t u d i e so n t r a f f i cf l o wf o r e c a s t i n g ，c o l l e c t i o no ft r a f f i ci n f o r m a t i o na n dp r o c e s s i n go ft r a f f i c i n f o r m a t i o n ( c h a p t e r2 ) a n dt h e na d v a n c et h ef r a m ea n dm o d e l so ft h i ss t u d yb a s e d o nc u r r e n ts t u d y ( c h a p t e r3 ) a f t e rt h a tt h ep a p e rt e s t e sa n dv e r i f i e se f f e c t i v e n e s so f 幢r e s e a r c hm o d e l sb yaw h o l ey e a r sg p st r a f f i cd a t ao ft h r e em a j o rt r u n kr o a d si n h a n g z h o u ，z h e j i a n gp r o v i n c e ( c h a p t e r4 ) ，a n df i n a l l yc o m et ot h ec o n c l u s i o n sw h i c h 1 3 f i v e sg o o dw a y sf o rf u t u r er e s e a r c h e s ( c h a p t e r5 ) k e yw o r d s ：o p t i m i z a t i o no ft r a f f i ci n f o r m a t i o n , s t a t i s t i c a lc y c l e ；c o e f f i c i e n to f v a r i a t i o n ；t y p i c a ls a m p l e ；g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ；i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m 浙江大学硕士学位论文 基于g p s 历史数据分析对交通基础信息处理优化的研究 图目录 图1 1论文研究技术路线图9 图2 1 交通流预测演示图1 2 图3 1 研究框架2 9 图3 2g p s 历史数据差异性分析流程1 1 图3 3g p s 历史数据典型性分析流程1 1 图3 4“峰区”划分与“统计周期”选取的决策优化流程1 1 图4 1 环城西路和庆春路路线图“4 2 图4 2 南庄兜一杭州北路线图4 2 图4 3 环城西路车辆数折线图4 4 图4 ，庆春路车辆数折线图，4 4 图4 5 绕城车辆数折线图4 4 图4 6 坏西周车辆数图4 5 图4 7 庆春路周车辆数折线图4 5 图4 8绕城周车辆数折线图4 6 图4 9 环西周车辆数图4 6 图4 1 0 庆春路周车辆数折线图4 7 图4 1 i 绕城周车辆数折线图4 7 图4 1 2 环西周车辆数折线图4 8 图4 13 庆春路周车辆数折线图4 8 图4 1 4 绕城周车辆数折线4 8 图4 1 5 环西周车辆数折线图4 9 图4 1 6 庆春路周车辆数折线图：4 9 图4 1 7 绕城周车辆数折线图：4 9 图4 1 8 环西不同流向之车辆数对比图5 1 图4 1 9 庆春路不同流向之车辆数对比图5 1 图4 2 0 绕城不同流向之车辆数对比图5 1 图4 2 1 周状态值汇总图6 1 图4 2 2 正常日时段数据直方图6 1 图4 2 3 高峰日时段数据直方图，6 2 附图3 1 正常日时段数据直方图13 6 附图3 2 高峰日时段数据直方图13 6 附图3 3 正常日时段数据直方图二13 6 附图3 4 高峰日时段数据直方图：13 6 附图3 5 正常日时段数据直方图13 7 v 浙江大学硕士学位论文基于g p s 历史数据分析对交通基础信患处理优化的研究 v l 附图3 6 高峰日时段数据直方图13 7 附图3 7 正常日时段数据直方图13 7 附图3 8 高峰日时段数据直方图13 7 附图3 9 正常日时段数据直方图13 8 附图3 1o 高峰日时段数据直方图13 8 附图3 1 1 正常日时段数据直方图13 8 附图3 1 2 高峰日时段数据直方图13 8 附图3 13 正常日时段数据直方图13 9 附图3 1 4 高峰日时段数据直方图13 9 附图3 1 5 正常日时段数据直方图13 9 附图3 1 6 高峰日时段数据直方图13 9 附图3 1 7 正常日时段数据直方图1 4 0 附图3 1 8 高峰日时段数据直方图1 4 0 附图3 1 9 正常日时段数据直方图一1 4 0 附图3 2 0 高峰日时段数据直方图1 4 0 附图3 2 1 正常日时段数据直方图1 4 1 附图3 2 2 高峰日时段数据直方图1 4 1 附图3 2 3 正常日时段数据直方图1 4 1 附图3 2 4 高峰日时段数据直方图1 4 1 浙江大学研究生学位论文独创性声明 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及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝塑太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谢意。 糊黼鲐彰彩槲期：帅年月z 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝塑太堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权浙婆太堂 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和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存，汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) _、4 学位论文作者张扔诈导师始钏 签字日期：d - o f l o 年f 月6 e t 签字日期：占旧l 。年1 月弧日 浙江大学硕士学位论文 基于g p s 历史数据分析对交通基础信息处理优化的研究 致谢 论文至此，虽然终于可以暂时松一口气，然而心中意犹惶惶然本研究所涉 及的内容及庞大的数据都是本人之前所不曾想过的，也是我一个人之力所很难达 到的，然而这些现在竟逐一解决，并已成就此文 然而，本文的形成凝聚了诸多师长及亲朋好友们的热切帮助，我在此要表示 我真诚的感谢! 首先就是我的导师刘南教授，刘教授在我两年半的研究生生涯中， 不仅在学术上悖悖不悔的教导了我，让我在学术之路上迈出了重要的一步，并且 使我慢慢具备了一个研究者的思维和活力，而且在生活上也给了我无微不至的关 怀，对此我要对刘老师表示我最真诚的感谢! 再就是沈祖志教授，沈教授虽然不 是我的直接导师，然而沈老师那严谨的为学作风，渊博的知识架构，开放的思维 和包容的胸怀深深影响了我，本论文的很多思路也都是受沈老师的启发下产生出 来的，在此要对沈老师致敬并表达我深深的感谢之情! 其他还有我的爸爸和妈妈， 他们对我无尽的包容和理解支持给了我不停上进的信心和动力，他们为了我的成 长付出了无数的心血，父母之情无法以言语表达，只能化作无声的行动来孝顺父 母还有那些或在我身边，或远在他乡的同学们、朋友们，每当我遇到困难的时 候，你们总能帮助我化解所有的困难，正是你们的理解和支持，正是你们的永远 不变的信任和鼓励才支撑着我一直坚强的走到现在，对此我也要表示最诚挚的感 谢! 谢谢你们，谢谢我身边所有的入! 最后，要感谢各位专家在百忙之中抽出时间来评阅这篇论文，文中多有不足 之处，还请诸位指点和帮助，谢谢1 2 0 0 9 年于杭州 浙江大学颂士学位论文绪论 1 绪论 1 1 研究背景 1 1 1 实现动态交通管理的紧迫性 现代社会的发展带给人们高度发达的经济和丰富多彩的物质生活得同时，也 带来诸多负面影响，如交通拥堵由于城市交通基础设施建设速度远远跟不上交 通需求增长速度、城市规划和土地利用不合理、路网规划不合理，城市公共客运 发展滞后、小汽车增长速度过快以及停车场容量不足等诸多原因( 赵玉肖等， 2 0 0 6 ) ，我国城市交通遇到了前所未有的拥堵问题，尤其在一些瓶颈路段或交叉 口，拥堵已成为高峰时段的规律性现象，这一问题已经日益成为困扰各大城市发 展的头痛问题；交通拥堵会给社会运行造成多方面的影响，包括旅行时间增加、 交通事故增多、运营成本上升空气污染和噪声污染恶化，并严重影响相关产业 的发展等；根据欧美的经验，交通拥堵所造成的负面影响中，交通事故、燃油过 量和时间成本各约占三分之一；有人根据这个标准计算得出，广州人为交通拥堵 所付出的经济代价总值约为每年耗费1 5 亿小时，生产总值减少约1 1 7 亿元( 相 当于整个g d p 的7 ) 。交通拥堵不仅使人们浪费大量的时间资源用于等待，还 很容易引发交通事故，严重影响人们的心情并进而降低生活质量，以及导致严重 的空气污染等；另外据有关专家估计：2 0 0 0 年美国因交通事故、交通拥堵和噪 声污染等造成的社会成本高达4 0 6 0 亿美元，其中交通事故损失、交通拥堵损失 和噪声污染损失分别占8 4 、15 和l ；截止目前，在我国的城市污染中，机动 车造成的污染己占一半以上的比例，就北京市而言，机动车造成的污染已经十分 严重，即使只考虑污染对北京市民的影响，每辆汽车平均每年也大约应承担数千 元以上的污染成本，此外，交通拥堵会对我国汽车和旅游等产业造成较大的影响； 资料显示，我国大多数城市的平均行车速度已降至2 0 k m h 以下，有些路段甚至 只有7 8 k m h ；同时，由于车辆速度过慢、尾气排放增加，使得城市的空气质 量进一步恶化( 杜宏川，2 0 0 9 ) ；与此同时，人们生活和工作节奏在不断加快， 高节奏的生活和工作使得人们对于出行的安全，高效和舒适性提出了更高的要 求然而，城市交通拥堵和人们日益提高的交通出行要求是一对很难调和的矛盾， 据有关专家指出，这一矛盾在近些年里已经变得越来越尖锐，越来越难以调和了， 因此各国专家学者都已开始致力于解决这一难题，并已经取得一些积极的成果。 ，1 塑兰奎兰里主兰篁堡壅 ： 堑堡 为了解决城市交通拥堵问题以及因为拥堵而带来的频发的交通事故，很多国 家都尝试过多种办法，比如进一步修建大量道路设施等。然而当斯定律表明：建 设新道路在投入使用初期能够有效降低出行时间，但同时会逐渐吸引其他交通方 式和其他道上路的交通量转移，经过一段时间后最终还是会恢复到甚至超过原来 的拥堵水平。由此可见，增加道路建设缓解交通拥堵只能在短期内起作用，而并 不能从根本上改变原来的交通拥堵水平。多年来国内外实践经验也证明，解决城 市交通问题单纯依靠修建道路基础设施是不能奏效的，一方面要有相应的宏观交 通政策予以支持，同时也必须进行现代化的交通管理。电子技术、计算机技术、 通信技术等高新技术的快速发展为交通管理提供了解决交通问题的新思路和新 手段，对提高交通的机动性、安全性和有序化，最大限度地发挥现有道路系统的 交通效率提供了技术支持。发达国家交通发展实践表明，采用智能交通系统是解 决交通拥堵、提高交通管理水平、减少交通事故、防止交通污染的最有效的方法 和手段。 对于当前全世界各大城市所面临的道路交通拥挤问题，借用经济学的观点来 说，交通拥挤是交通供需之间存在矛盾的体现，即交通供给无法满足交通需求。 因此，针对这一矛盾可以从以下三条思路着手解决：一是增加各种设施，增加交 通供给；二是通过政策等手段来调整和降低交通需求；三是运用动态交通管理 ( d y n a m i ct r a f f i cm a n a g e m e n t ，简称d t m ) ，即通过各类动态、实时的交通管 理策略来提高交通供给与需求之间的配对，提高交通供给的使用效率和服务水 平 在当前交通需求增长速度高于交通供给增长速度的情况下，增加交通供给 己不足以解决拥堵问题，降低交通需求更是难以实现，因此动态交通管理成为当 前解决交通拥堵问题最主要和最有效的思路。动态交通管理主要是针对当前的实 时交通状态和预测的近期可能出现的路网交通流状况中的供需不平衡，给出优化 的交通流管理措施的交通管理方法。这些调节措施首先要针对路网当前的交通流 状况，即实时追踪的，然后在充分掌握当前交通状况的情况下对下一阶段可能出 现的交通供需情况进行预测，并且对于预测到的供需矛盾预先采取一定的措施来 诱导交通流发展趋势，从而达到缓解甚至化解交通拥堵的目的。d t m 是一种主动 控制和诱导的动态交通管理手段，这种手段在动态交通管理中起到越来越大的作 用。由此可见，采用当前的实时交通数据对未来一段时间的交通流状况( 交通流 量、路程旅行时间等) 发展趋势进行预测，是进行动态交通管理的重要先决条件。 2 浙江大学硕士学位论文绪论 而这一重要先决条件的实现有赖于智能交通系统( i t s ) ；全球定位系统1 ( g p s ) 和地理信息系统( g i s ) 等先进科技的不断完善和发展 1 1 2 智能交通系统( i t s ) 的发展现状 智能交通系统是将信息、通信、控制，计算机网络等高新技术有效地综合运 用于地面交通管理体系，将人、路、车有机结合起来，从而建立起一种大范围、 全方位发挥作用、实时、准确，高效的交通运输管理系统( 杜宏川，2 0 0 9 ) 它 是当前世界交通运输领域内研究的前沿课题，也是国际公认的当前用来解决城市 交通拥挤、提高运行效率、改善行车安全、减少空气污染等问题的最佳途径。国 内外相关专家曾指出，智能交通系统将成为2 1 世纪全球各国现代化地面交通运 输体系的应用模式和发展方向，也是交通运输体系进入信息时代的重要标志 当前，世界上正在发展的智能交通系统技术多种多样，但其核心技术大体可 以归纳成五个方面：一是先进的交通管理系统i t s 是一种主动控制和诱导的综 合交通管理系统，由六个子系统组成，包括智能交通管理系统、路径诱导系统、 交通信息系统、公共交通运行系统、车辆运行管理系统、交通公害减轻系统；二 是先进的交通信息系统。这里包括无线数据交通信息通道，路由引导系统、车 载移动电话接收信息系统和选择最佳路由的电子地图；三是先进的车辆控制系 统该系统主要是对车辆本身而言的，包括行车安全警报系统、行车自控和自动 驾驶系统两部分组成；四是先进的公共交通系统该系统包括公共交通车辆定位 系统、行驶信息诱导系统、客运量自动检测系统、公交计费系统、视野支持系统、 自动调度系统和旅客服务系统等；五是先进的电子收费系统。该系统包括不停车 自动收费系统、电子自动收费设备、停车引导和收费系统其实现过程即通过电 子卡、电子标签由系统终端和计算机自动完成行驶或进出停车场车辆的收费，从 而实现地面交通费用的自动收缴，该系统的实现能够有效减少停车延误、大幅度 提高交通动态、静态化能力和运营效率 从以上内容可以看出，智能交通系统的诞生和应用将是交通运输领域的一大 变革。它把人工智能技术，全球定位系统和检测器技术、网络通信技术，电子收 费技术等最新技术整合运用于交通领域，从而能够有效的达到调整交通需求、改 善服务水平、提高道路通行能力、增加交通安全、减少环境污染和燃油损耗等目 的，可以说，智能交通系统是解决道路交通问题的最现实、最有效的方法 我国在智能交通系统领域的研究起步较晚，但是进入2 0 世纪9 0 年代以来， 3 浙江大学硕士学位论文 绪论 随着全球范围智能交通系统研究的兴起，我国也明显加快了对智能交通技术研究 的步伐。1 9 9 9 年1 1 月，国家科技部批准并成立了中国智能交通系统工程技术研 究中心；国家交通部在“九五”期间就曾指出：“要结合我国实际情况，分阶段 地开展交通控制系统、驾驶员信息系统等5 个领域的研究开发、工程化和系统集 成工作，并在此基础上，使成熟的科技成果转化为可供实用的技术和产品，该工 程研究中心也将逐步发展成为我国智能公路运输系统产业化基地。”1 9 9 8 年1 1 月，国家科委在北京举办了我国首届i t s 应用研讨会；国家建设部与欧洲的i t s 组织e r t i c o 联合建立了e u - c h i n a 计划；1 9 9 9 年4 月，国家计委在科技立项会 议中将i t s 列为1 0 0 个重点科研领域之一；2 0 0 0 年3 月，国家科技部联合全国 各大科研院所和高校，组织全国交通运输领域的专家组成课题专家组，制定了我 国的( ( 国家i t s 体系框架，其中规定了我国i t s 的发展主要集中在不停车收费、 城市交通管理、出行者信息服务、公共交通系统、智能公路系统等9 个方面目 前，我国已取得了包括智能导航技术和先进的交通管理系统( a t m s ) 等在内的一 大批拥有自主知识产权的智能交通技术新成果。 ， 为推动智能交通技术的推广和应用，国家在“十五”科技攻关重大项目“智 能交通系统关键技术开发和示范工程”中确定了包括杭州、上海、北京、深圳、 广州等在内的国内1 0 个示范城市，到目前为止，北京和广州在智能交通技术的 推广使用中走在我国前列。 ( 1 ) 北京 目前北京市已初步建成四大类智能交通系统，包括道路交通控制、高速公路 管理、公共交通指挥与调度和紧急事件管理，一共约3 0 个子系统，分别分散在 各交通管理和运营部门。 北京市在已颁布的北京交通发展纲要中明确提出，到2 0 1 0 年初步实现 智能交通管理，这是其近期目标，而其远期目标则是建立以智能交通系统为技术 支持的“新北京交通体系”在“十一五”期间，北京市更是将投资2 0 0 0 亿元 用于交通基础设施建设，其中1 5 将用于智能化交通专项建设中来 ( 2 ) 广州 广州作为全国首批的智能交通示范城市之一，其智能交通系统的构建包括物 流信息平台、广州市交通信息共用主平台、静态交通管理系统等智能交通管理系 统的主体框架到目前为止，广州市交通信息共用信息平台已具备一定规模，其 交通基础设施建设在“十五”期间进行了有力的投资，因此也取得了很大的成绩， 4 浙江大学硕士学位论文绪论 然而由于受到经济基础、地理位置和环境保护的约束，广州市在相当长的一段时 问内，其道路交通网络建设将仍然难以满足交通运输增长的需求当前，广州市 对智能交通系统的建设目标是：一方面要满足广州市城市发展和道路交通发展的 要求，另一方面要满足2 0 1 0 年亚运会交通的需求。 另外，我国各省的交通和测绘主管部门也在陆续完善各地的公路管理电子地 图。甘肃省依靠地理信息系统、遥感技术和全球定位系统为主的空间信息技术， 建立了甘肃省交通地理信息系统，分别完成了甘肃省1 ：1 0 0 0 0 0 以及兰州市1 ： 5 0 0 0 的交通电子地图；安徽省建立了公路地理信息系统，主要用于公路沿线设 施的管理养护机构等相关数据；从2 0 0 1 年开始，广东省采用组合式电子不停车 收费技术( e t c ) ，并在广韶公路、虎门大桥完成e t c 示范工程，从而使得组合 式e t c 技术真正进入了可操作阶段；长沙机场则于2 0 0 3 年在高速路开通了当时 最先进的路桥不停车收费系统；北京机场于2 d 0 5 年将其高速公路收费站“升级 版”不停车收费系统投入运行，该新系统增加了抓拍取证和违章稽查等新功能。 北京市于2 0 0 7 年底在1 1 条高速公路的5 6 条车道上实现了不停车收费，在其余 2 2 3 个收费站的1 0 0 6 条车道上则安装了一卡通读卡机，实现刷卡电子付费；上 海市虹桥国际机场也于2 0 0 7 年7 月1 0 日试验开通组合式电子不停车收费系统 ( e t c ) ，也已经取得了很好的效果 谈起我国的智能交通系统的建设和发展，北京奥运智能交通系统( i t s ) 是 最具代表性的一项杰作，该系统作为科技奥运行动规划的一个组成部分，应用了 我国及国外在智能交通系统方面的诸多研究成果从北京市交通管理部门的职能 分工来划分，奥运智能交道系统可以分成两个部分：一是北京市公安交通管理局 负责推进并落实的十大智能交通系统，即现代化的交通指挥调度系统、自动识别 “单双号 的交通综合监测系统、交通事件的自动检测报警系统、闭环管理的数 字化交通执法系统、高清数字化的奥运中心区综合监测系统、智能化的区域交通 信号系统、公交优先的交通信号拉制系统、灵活管控的快速路交通控制系统、交 通实时路况预测预报系统、连续诱导的大型路侧可交情报信息板。二是北京市交 通委员会负责推进并落实的七大智能交通系统，包括智能公交系统、电子收费系 统、轨道交通信息系统、公众出行动态交通信息服务系统、出租汽车调度及信息 采集系统、长途客运联网售票系统和交通综合信息平台 浙江大学硕士学位论文绪论 1 1 3 。g p s 和g i s 技术的发展现状 在国家智能交通发展战略的目标下，全球卫星定位系统( g p s ) 技术得到了 广泛的应用和发展；同时，地理信息系统( g i s ) 技术以其强大的图形处理能力 和空间数据分析能力成为服务交通指挥的最有力的工具。g p s 的应用集中在车辆 调度管理方面，该技术采用现代信息处理技术、定位技术、通信技术和控制技术， 从而大大提高了道路交通的通行效率和安全性，改善了环境，并为公众出行和交 通管理当局提供实时、准确的信息服务。 全球卫星定位系统( g p s ) 是美国国防部于上世纪7 0 年代在“子午仪卫星导 航定位”技术的基础上发展起来的具有全球性、全能性( 即陆地，海洋、航空和 航天) 和全天候优势的集导航定位、定时、测速等功能与一体的系统，它由空间 卫星系统、地面监控系统和用户接收系统三大子系统构成，现在已广泛应用于军 事和公众日常出行等众多领域。g p s 技术在交通管理中的应用包括管理的车辆端 和车辆监控中心两个部分。g p s 的运行时通过1 个主控站、3 个注入站、5 个监 测站对地面车辆进行监控，其中主控站负责卫星的运行轨迹，及时调整卫星运行 中遇到的问题，同时还负责地面车辆的检测，并把检测数据实时的发给检测中心； 注入站负责把从主控站接收到的导航电文注入到相应卫星的存储器内，同时它还 能每分钟向主控站自动发射一次信号，以报告自己的工作状态；监测站的主要任 务是观测卫星数据，并将观测到的数据提供给主控站。车载终端的信息反馈是由 车载系统对应的接收卫星来完成，接收卫星一共2 4 颗，均匀分布在四条轨道上， 即每条轨道上分布6 颗卫星，监控中心接收机只要根据其中任意三颗卫星发来的 经度和纬度等具体空间信息就可以精确定位车辆位置了接下来，交通管理中心 把接收到的位置数据与电子地图进行匹配，并将数据信息进行还原，这样就可以 清楚地掌握每一个车辆的位置、速度等具体运动状况。在发达国家，全球定位技 术已经广泛应用于交通运输和道路建设工程之中，我国在这方面的起步较晚，但 是由于经济和社会的快速发展，我国在这方面已经取得了长足的进步。 地理信息系统( g e o g r a p h yi n f o r m a ti o ns y s t e m s ，简称g i s ) 包括g i s 系 统平台、g p s 应用软件和矢量化数字地图库三个部分地理信息系统是一种采集、 存储、描述、管理、分析地球表面及空间上与地理分布有关的地理数据的信息管 理系统，它以地理空间数据库为基础，在计算机软件和硬件环境的支持下，对空 间相关的数据进行采集、操作、分析、管理、模拟和显示，采用地理模型分析方 6 浙江大学硕士学位论文 绪论 法适时提供多空间和动态的地理信息，从而为地理数据研究、管理、定量分析， 综合评价和决策等服务而建立的一类计算机应用系统。该系统主要包括空间数据 输入子系统、数据处理与分析子系统、空间数据存储与管理子系统以及输出子系 统。g i s 的功能主要有数据输入，存储、编辑、操作运算、数据查询、检索、痘 用分析、数据显示、结果输出以及数据更新 智能交通系统( i t s ) 就是在g p s 和g i s 技术发展到一定阶段的基础上发展 起来的，正是基于g p s 和g i s 所获取的全球实时定位数据和实时地理匹配数据使 得智能交通成为可能。 1 2 问题提出 然而，作为当前最有效的解决交通拥堵问题的技术之一的智能交通系统，它 是在综合运用了各项先进技术的前提下才得以实现的。要实现智能交通系统，首 先要具备以下几个条件：一是对道路上交通及相关信息的采集应该尽可能完整和 实时；二是所有交通相关方( 包括驾驶员、乘客、行人等、交通管理者、交通工 具、道路管理设施等) 之间的信息交换能够做到实时和高效；三是交通信息中心 具备快速自组织、自学习和自适应能力的信息管理和发布系统。因此，交通信息 的实时采集、及时处理与快速应用服务是城市智能交通系统建设的关键环节，也 是决定智能交通系统能否服务于城市公众出行、交通管理、物流运输等领域的核 心环节。然而我国城市道路交通信息的采集、处理与服务多少年以来一直面临着 以下三方面的难题：一是交通信息采集传感器的空间覆盖率低；二交通信息数据 实时处理的优化定量研究太缺乏；三是交通信息难以及时且有效的发布到交通参 与者手中，不能很好的服务于公众出行和交通实时管理。 对于上述三个难题，目前发展很快的g p s 浮动车系统将在一定程度上能够解 决交通信息采集传感器空间覆盖率的问题；对于信息发布方式和途径的问题，已 经有很多国内外专家学者对此进行过大量的研究，并取得一定的成效；虽然对于 交通数据的实时处理的优化，学者们已经作出了很多研究，但是其中大部分研究 还只能停留在理论层面，一旦需要投入工程化使用就会显得力不从心，因此如何 从实际应用的角度进行交通信息的挖掘，从而能够快速有效的实现交通信息的优 化处理和实时发布，这是智能交通系统中十分重要的一个基础性研究课题，对此， 浙江省交通厅作为重大科技计划项目，对基于g p s 、g i s 技术的交通实时路况 系统分析与研究进行立项，该项目的子课题( ( g p s 历史数据的分析与挖掘) ) 就 7 淅江大学硕士学位论文绪论 是本论文的应用背景 更进一步分析，对于智能交通系统的应用来说，其核心是实现道路道路通堵 状况的分析与预报，为此必须建立道路通堵分析预报模型，为支持该模型的构建， 一个十分重要的问题是如何快捷、有效的从海量的交通数据中挖掘出典型样本， 并基于典型样本优选出建模的关键参数：统计周期。所谓统计周期就是计算车流 均速的周期。这是交通信息处理优化最为重要的基础数据，由于统计周期的长短 对交通信息挖掘的准确性和对出行者服务的实时可用性有着显著的影响。当“统 计周期”的长度过小时，由于交通流量变化的随机干扰大等原因，车流均速这一 统计信息的有效性必然不高；而当“统计周期”的长度过大时，虽然可降低随机 干扰的影响，但是势必又将影喃预报的及时性。目前国内学者在对交通信息处理 时，其统计周期的确定往往是定性的，国内学者张存保和杨晓光等( 2 0 0 6 ，2 0 0 7 ) 只是对浮动车数据采集中的采样周期、信息采集系统和处理方法进行了研究，提 出了具有较高精度的交通参数估计方法，涂智和李昊等( 2 0 0 6 ) 只是在交通信息 发布周期方面对基于最小浮动车样本数量的道路覆盖率与交通信息更新周期进 行了研究，并得出浮动车的道路覆盖率与交通信息更新周期之间成正比关系的结 论。然而，都没有科学定量的解决计算车流均速时所需的统计周期的确定问题。 交通信息处理的统计周期，并没有得到很好解决。因此，鉴于浙江省交通厅已建 立g p s 实时数据库这一新的技术背景，如何进一步通过对g p s 历史数据分析j 科学 的确定计算车流均速的“统计周期”是g p s 历史数据分析之最为核心的工作之一。 显然，通过对海量的g p s 历史交通数据的挖掘和分析，挖掘出具有说服力的典型 样本，并进一步研究定量确定该统计周期的优化技术将是十分必要的。 1 3 研究的目的和主要内容 论文从实用的角度研究交通流的时空分布规律特性，并就如何快速从海量的 g p s 数据信息中挖掘出有用信息和如何选定最合适的统计周期长度进行了探索。 具体而言，论文的目的一是提高海量交通信息挖掘的速度和有效性，即在 g p s 历史交通数据的基础上通过统计分析，总结出城市交通特性，并以此为基础 从海量的g p s 交通数据中选取了最有典型性的样本数据，这样地处理方法既能保 证数据处理的有效性，又能大幅提高交通数据处理的速度，对于快速从海量交通 信息中挖掘出有效信息有重要作用。二是研究以“变异系数极小化静为优化目标， 基于典型样本优选出交通信息处理所需的关键参数“统计周期”的优化技术，为 8 浙江大学硕士学位论文绪论 今后进一步研究道路通堵状况分析模型打下坚实的基础。同时，通过对海量g p s 历史数据挖掘所得到的典型样本，为对道路通堵模型有效性检验等工作提供更具 说服力的基础数据 本文的研究思路是，首先基于海量的g p s 历史交通数据，对某地区的交通流 量进行差异性分析，从中挖掘出其交通流规律性；紧接着基于该规律性，对交通 流的典型性进行分析，从中优选出“典型季”和“典型周”；然后在此基础上对 交通流进行高峰日的选取和峰区划分，优选出高峰日和每天的峰区时段；最后， 优化得出交通流预测中的一个十分重要的参数一一统计周期。论文的技术路线如 下图所示： 图1 1 论文研究技术路线图 本论文研究的在主要内容如下： 第一章是绪论，介绍了本论文的研究背景，简要说明了智能交通系统以及 g p s 和g i s 的发展现状，提出所需要研究的问题，该问题研究的目的和意义，以 及本研究的创新点之所在 第二章是基于g p s 历史数据挖掘交通信息处理优化的文献综述。本部分从交 通流预测理论、交通信息采集技术以及交通信息处理等方面进行了回顾，并指出 了现有研究的不足 第三章提出了本研究的研究框架和研究方法。本文首先对基于g p s 历史交通 数据的差异性进行分析，从中挖掘出相应的交通流规律，然后基于该规律性进行 典型性分析，并最终得出交通流预测所需要的重要参数一一统计周期的定量化优 选。 9 浙江大学硕士学位论文绪论 第四章通过浙江省2 0 0 7 到2 0 0 8 年共1 2 各月的g p s 历史交通数据对上述理 论框架进行实证分析，从而验证了本研究所提i 出的模型的有效性。 第五章对全文进行了总结，并对未来的研究进行了展望。 第六章是附录，包括附图和附表。， 1 4 论文的创新点 本研究是在前人大量研究成果基础上进行的进一步研究，然而也是具有开创 性的研究，本研究在理论上和应用上都有新的创新这些创新点主要表现在以下 三个方面： 一是基于g p s 实时数据库，通过数据差异性、典型性分析，从海量g p s 历史 交通数据中挖掘出典型样本的技术。这种技术应用于海量g p s 历史交通数据的挖 掘，不仅快捷有效，更重要的是位实现交通基础信息处理的优化，打下了坚实的 基础。 二是基于变异系数对统计周期进行优选的分析方法利用该定量的方法对智 能交通系统中关于道路通堵模型构建很重要的一个参数一一基础统计周期进行 优选，这样的优选结果不仅能够克服以往确定基础统计周期仅仅靠经验的不足， 而且将使该关键参数的确定更具说服力。 三是基于典型样本，在实际应用中对所优选的基础统计周期进行了科学的实 证分析我国i t s 技术在实际中取得实质性应用还是近几年的事情，而且还是从 少数几个城市( 包括杭州) 先行试验开始的，利用海量的g p s 历史交通数据对于 进行i t s 技术的基础研究在国内还是首次。经实证分析所验证的相关参数的可靠 性和准确性，对具有便捷、有效特点的i t s 的构建有着显著的优势。 1 0 浙江大学硕士学位论文本研究理论框架和研究方法 2 文献综述 随着人们对交通运输安全性、高效性、舒适性等要求的提高，智能交通系统 ( i t s ) 得到广泛的应用。交通信息服务是i t s 的重要分支，具有使出行者在整 个出行过程中都能够及时获得有关道路状况信息、最佳换乘方式以及到达目的地 所需的时间和费用等信息，从而指导出行者选择合适的交通方式和路径，以最高 效率完成出行过程等优越功能。要实现智能交通系统的上述优越功能，i t s 应该 具备以下几个条件：一是道路交通及相关信息的实时采集，并且要保证其准确性； 二是交通参与者( 包括驾驶员、乘客、行人等) 、交通管理者、交通工具、道路管 理设施之间的信息实时和高效交互；三是交通信息中心对于信息的快速处理和实 时发布因此，+ 要实现上述功能，实时交通信息的采集、处理和应用服务成为智 能交通系统能杏成功应用的关键，也是决定城市公众出行和交通管理等的可行性 和效率的关键。然而，当前城市道路交通信息的采集技术、处理能力以及发布途 径等一直面临以下三个方面的问题：一是交通信息采集系统的空间覆盖度低；二 是交通信息数据包含的空间位置比较冗余，且精度不够；三是交通信息难于实 时、有效的发布到交通参与者手中，从而使交通信息难以得到有效的应用。 2 1 交通流预测理论研究现状 交通流预测就是基于动态获取的若干时间序列道路交通流状态数据推测未 来时段的交通流状态数据，即在时刻t 对下一决策时刻t + at 乃至以后若干时刻 的交通流作出实时预测。各交通流预测通常以交通流量、道路占有率和平均速度 等交通流基本参数来反映交通流状态，交通流预测实质上就是对这些交通流基本 参数进行预测，可分为长期预测和短期预测。王雷等( 2 0 0 8 ) 认为长期预测是指 时间序列数据的间隔和预测期均较长的情况，例如3 0 分钟、1 小时、一日甚至 更长短期预测则指时间序列数据的间隔和预测期均较短的情况，一般认为预测 时间跨度不超过1 5 分钟( 甚至小于5 分钟) 的预测为短时交通流预测。如下图 2 1 所示，图中所示为时间一一距离表示的交通流预测概念图，由于交通流状态 随着时间的推移而变化( 图中( 1 ) 过去时段交通状态) ，针对这种变化，交通流 状态预测就是根据过去时段各区段的交通流状态来预测未来时段各区段的实际 交通流状态( 即图中( 2 ) 实际交通状态) ，并且尽可能使得预测值逼近其实际交 通流状态当这里的预测时间间隔较长时，即为长期预测，预测时间间隔较短时 1 1 浙江大学硕士学位论文 本研究理论框架和研究方法 即是短时预测。 皿t i2li + l i 图2 1 交通流预测演示图 本文研究的问题是短时交通流状态预测中的一些基本问题，因此本文将暂且 不研究长期预测的相关问题。短时交通流状态预测则对于公众出行有着直接的影 响，短时交通流状态预测的结果可以直接应用到先进的交通信息系统( a t i s ) 和 先进的交通管理系统( a t m s ) ，为给出行者提供实时和有效的信息，帮助他们更 好地进行出行路径选择，实现路径诱导，从而达到节约旅行时间、缓解道路拥堵、 节省能源、减少污染等目的。国内学者在关于短期交通流状态的可预测性方面做 出了颇有成效的研究，天津大学的贺国光和马寿峰( 2 0 0 2 年) 等从分形理论出 发，通过判断交通流系统是否存在分形的自相似性来确定交通流的可预测性，并 据此得出结论：采样间隔在5 m i n 到1 5 m i n 之间的短期交通流具有自相似性和可 预测性，而当采样间隔进。一步缩短时是否具有可预测性，则需对相应的采样时间 的时间序列数据做进一步分析才能知晓，通过实证数据的验证该结论是有效的。 同时他也指出，分形是短期交通流状态可预测的充分条件，而非必要条件，没有 分形并不能直接否定可预测性的存在，该项研究为短期交通流状态的可预测性提 供了理论依据。 王正武，黄中祥( 2 0 0 3 ) 认为用于短时交通流预测的模型应该具有以下特性： 时间适应性。交通量的预测将会影响出行者的路线选择，出行者的路线选择反 过来会影响交通预测的精度，故预测模型应具有这种适应性。处理时间序列数 据的能力能输出在某精度条件下预测值的变化区间，而不仅仅是某个定值