（交通运输工程专业论文）交通信息采集方法研究.pdf

摘要 i t s ( 智能运输系统) 是有效地解决地面交通问题的最佳途径和发展方向。i t s 系统能否高效的运行，关键取决与获得全面、准确和实时的动态交通信息。传统 的动态交通信息采集方式大都需在交叉口铺设固定的采集设备，花费巨大，而且 一次性投入及后期持续性投入都非常高。因此，在交通信息采集方面，如何在降 低成本的同时，尽量提高采集效率就成为一个非常有挑战性的课题。 本文以重庆市科技攻关项目交通出行行为信息智能收集与处理系统关键技 术研究为依托来进行研究。基于国内外动态交通流信息采集系统的研究现状， 系统和全面分析了传统的固定型交通信息采集方法及一些交通参数的算法，典型 的检测器的性能、可提供的交通参数、适应条件和综合成本费用等内容。由于固 定型检测器成本较高，且受铺设范围的影响。因此，本文更详细的分析了移动型 的交通信息采集方法。由于移动型检测器可以获得整个道路网络任一路段的区间 交通流数据，是未来信息采集技术的主要发展方向，也是国内外研究热点。因此， 有必要对移动型检测器应用的关键问题进行深入研究。介绍了动态交通信息采集 技术的工作原理，对比分析了g p s 和g s m 网络在交通信息采集方面的可行性和可 实施性。最后部分综合联通公司g p s o n e 技术，提出基于g p s o n e 技术的手机采集 交通信息的模式，并以交通仿真的方式予以分析。 首先介绍了论文的课题来源，国内外研究背景，提出了对动态交通流信息采 集系统进行研究的必要性和意义。介绍了智能交通及其框架，然后分析交通信息 在智能交通中的地位和作用，突出了交通信息在智能交通系统的关键性地位。进 而对交通信息进行分类及分析其需求。将交通信息采集方法按固定型和移动型分 类，然后对传统的固定型检测方法做出了详细的分析和研究，对比了各类方法的 优缺点，以及各自所能得到的交通参数，性能比较。介绍了无线定位的方法，然 后是对方法的分析及比较。进而对g p s 浮动车的交通信息采集模型进行了深入探 讨，对浮动车数据处理、交通参数计算进行了详细的论证。接下来，对g s m 网络 定位的可行性做了探讨，给出了详细流程。介绍了g p s o n e 技术，结合联通公司星 图业务，给出了利用g p s o n e 技术进行交通信息采集的方法模型。分析了此模型下 的一系列关键技术。最后给出模型仿真实验实例。通过分析各种交通信息采集方 式，并作出一定分析比较。提出基于手机的采集方式并给出基于联通公司的g p s o n e 星图业务的采集方法模型。给出了交通信息平台的定义，分析涉及的网络传输的 各种方法及相关安全措施。 本论文力图从i t s ( 智能运输系统) 需求的角度出发，以研究交通的立场来思考 问题和解决问题。在深入分析当今无线定位方法的情况下，结合课题实际采取实 施方案，以期获得更加丰富、及时、可靠、准确的交通信息。 关键词：i t s ；交通信息；浮动车；g p s ；手机定位 a b s t r a c t i t sf 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 ) i st h eb e s ts o l u t i o nt ot h el a n dt r a f f i c p r o b l e m sa sw e l la st h ed i r e c t i o no fi t sd e v e l o p i n g i t sc a nr u ne f f i c i e n t l yo nc o n d i t i o n o ft h ec o m p r e h e n s i v e ，a c c u r a t ea n dr e a l t i m ed y n a m i ct r a f f i ci n f o r m a t i o n b ym o s t t r a d i t i o n a lm e t l l o d so fc o l l e c t i n gd y n a m i ct r a f f i ci n f o r m a t i o n , p e o p l eh a v et ol a yf i x e d e q u i p m e n tc o s t l y ；b e s i d e s ，t h e i ro n e t i m ea n dc o n t i n u i n g - p u ti n v e s t m e n t sa r ev e r yh i 曲 t h e r e f o r e ，i th a sb e c o m ea l lu n u s u a l l yc h a l l e n g i n gt a s kt h a th o ww e c a l lr e d u c et h ec o s t w h i l ei m p r o v e 也ee f f i c i e n c yw h e nd o i n gt r a 伍ci n f o r m a t i o nc o l l e c t i n g i nt h eb a s i so ft h ep r e s e n tr e s e a r c ha c q u i s i t i o no ft h ed o m e s t i ca n df o r e i g n d y n a m i ct r a 珩c f l u x i o n i n f o r m a t i o n c o l l e c t i n gs y s t e m t h i s a r t i c l e a n a l y z e s t h e t r a d i t i o n a lf i x e d t y p et r a 珩c - i n f o r m a t i o nc o l l e c t i n gm e t h o d s s o m et r a f f i cp a r a m e t e r a l g o r i t h m s ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h et y p i c a ld e t e c t o r ，t h et r a f f i cp a r a m e t e r s ，s u i t a b l e c o n d i t i o n sa n do v e r a l lc o s t , e t c d u et ot h eh i 曲c o s to ft h ef i x e dd e t e c t o ra n dt h el a i d r a n g e t h i sa r t i c l em a k e sam o r e - d e t a i l e da n a l y s i so fm o b i l e t y p e 咖m c i n f o r m a t i o n c o l l e c t i n gm e t h o d s m o b i l ed e t e c t o rc a no b t a i na l lt h et r a f f i c - f l u x i o nd a t ao fa n ys e c t i o n o ft h ee n t i r er o a dn e t w o r k i ti st h em a i nd e v e l o p i n gd i r e c t i o no ff u t u r ei n f o r m a t i o n c o l l e c t i n gt e c h n o l o g y 嬲w e l la s ah e a t e dr e s e a r c h p r o j e c tt h r o u g h o u tt h e w o r l d t h e r e f o r e i t sn e c e s s a r yt oi nd of r t h e rr e s e a r c h i n go nt h ep o i n t e di s s u e so fm o b i l e d e t e c t o ra p p l i c a t i o n t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e st h ew o r kp r i n c i p l eo ft h ed y n a m i ct r a f f i c i n f o r m a t i o nc o l l e c t i n gt e c h n o l o g ya n dg i v e sac o n t r a s t i v ea n a l y s i so fg p sa n dg s m n e t w o r ki nt h ea s p e c t so ff e a s i b i l i t ya n di m p l e m e n t a t i o n i nt h ef i n a lp a r t t h i sa r t i c l e p r o p o s e st h em o b i l ep h o n et r a 伍c i n f o r m a t i o nc o l l e c t i n gm o d e lb a s i n g o ng p s o n e w h i c hh a si n t e g r a t e dt h eg p s o n et e c h n o l o g yo fc h i n au n i c o r n a n dt l l e nt h i sa r t i c l e a n a l y z e st h i sm o d e lb yt r a n s p o r t a t i o ns i m u l a t i o n t 1 l i sa r t i c l et r i e st oa n a l y z ea n ds o l v e sp r o b l e m si np e r s p e c t i v eo fi t sd e m a n d i n g a n df r o mt h es t a n d p o i n to fe x p l o r i n gt h et r a n s p o r t a t i o n i te x p e c t st oo b t a i nt r a f f i c i n f o r m a t i o nm o r ea b u n d a n t l y , p r o m p t l y , r e l i a b l ya n da c c u r a t e l yu n d e rt h et h o r o u g h a n a l y s i so ft h ep r e s e n tm e t h o d so ft h ew i r e l e s sl o c a l i z a t i o nb ym e a n so fc a r r y i n go u t e x p e r i m e n t sw i t ht h ec o m b i n a t i o no ft h ei s s u e s k e yw o r d s ：i t s ，t r a f f i ci n f o r m a t i o n , f l u c t u a t i o nv e h i c l e ，g p s ，m o b i l ep h o n e l o c a l i z a t i o n 重庆交通大学学位论文原创性声明 小人郑重声明：所呈交的学位论义，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 h 艾褂的成果。除文中已经注明引用的内容外，本沦文小包含任何其他个人或集体已经发 表或攒。；过的作品成果。埘本义的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方j ，j ：明。本人完全意识剑小声明的法律结果由本人承担。 纠碰文作肯虢蓬确许 h ! f i ：2 0 0 9 年1 1 月2 5 | f 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 小学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的觇定，i 司意学校保留并向 幽家仃天门玎j 或机构送交论义的复印件和电子版，允许论文被食阅和借阅。本人授卡义重 厌交通人学u r 以将本学f 步论文的全部内容编入有关数毅库进行检索，呵以采用影印、缩 印或 = i 批等复制手段保存和汇编奉学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本人 。学f t 论文收采剑t t 图学位论文全文数据库，并进行信息服务( 包括但1 i 限r 汇编、 复；叭发 ，、信息h 络f 冬播等) ，川寸本人保留在其他媒体发表论义的权利。 制口沦文作者阮彦确许 r l 期：2 0 0 9 年1 2 月3 同 指导栅隧名：飞也b 川 1 3 期：2 0 0 9 年1 2 月3 同 小人川意将本学位论文提交至中曰! 学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系列数据 i 扣f t 个艾发伽，爻：按中幽优秀博硕士学位论文全义数圳库：i 5 版章程规定享受相关权 a & 。 徘沦文作者繇蓬厕斤 f i 如 ：2 0 0 9 年1 2 月3f 1 船删n 答名：佻飞川 h 期：2 0 0 9 年i2 月3 几 i 第一章绪论 第一章绪论 本章将对论文的课题来源做出简要介绍，对国内外研究现状做出简要说明， 对本文的研究内容和思路做详细的分析。 1 1 课题来源 本学位论文主要基于以下科研项目进行： 重庆市科技攻关项目交通出行行为信息智能收集与处理系统关键技术研究 1 2 国内外研究背景 近年来，随着经济的发展和社会进步，世界各国大中城市交通流量迅速增长， 城市的交通拥挤和交通阻塞现象日趋严重，这使得人们出行受到一定程度的限制， 同时也给城市带来很多负面影响。在美国，随着人口和经济活动的郊外化，人们 更加依赖于私人小汽车。道路交通量的不断增加，引起交通拥挤，交通事故也在 增加。美国德克萨斯州运输研究所以美国3 9 个主要城市为对象进行了研究，估算 出美国每年因交通堵塞而造成的经济损失约为4 1 0 亿美元，1 2 个最大城市每年的 损失均超过1 0 亿美元。预测到2 0 2 0 年，因交通事故造成的经济损失每年将超过 1 5 0 0 亿美元。为此美国相继采取了一系列对策。其中包括提高由州际高速道路及 干线道路组成的全国干线道路网的规格，设置供多乘员车( h o v ) 优先行驶的车 道，建立以保全交通环境为主要目的的地区交通管理委员会等。在欧洲，英国实 施了鼓励民间进行道路建设和经营的政策，伦敦确立了红色路线( 通过禁止路边 停车等交通规则来缓解交通拥挤) 等。此外，在法国则采取了建设完善巴黎的环 状线，改善公共交通等对策。德国也在采取强化高速道路网等措施。在日本，交 通拥挤日趋严重。仅首都圈严重拥挤地点就达2 1 9 处，在首都高速道路拥挤严重 的路段，其拥挤时间长达1 7 h ，拥挤长度达9 8 7 k m 。东京每年因交通拥挤造成的 交通时间价值损失约为1 2 3 0 0 0 亿日元。日本东京都的专业运输成本1 9 8 5 年和1 9 8 0 年相比，年度成本增加8 4 2 亿日元。这主要是由于交通阻塞的加剧，货车每日行 驶距离缩短，成本上升造成的。在我国，随着城市建设的加快和公路里程的增加， 交通拥挤阻塞以及由此引发的交通事故，环境污染已经成为严重制约经济发展的 因素。我国百万人1 2 1 以上大城市每年因交通拥挤造成的经济损失约1 7 0 0 亿元。近 几年来，每年因交通事故死亡的人数在1 0 万人左右、受伤人数为5 4 万人左右， 直接经济损失约为3 0 多亿元。按每万辆车死亡人数计算，我国死亡人数是美国的 2 第一章绪论 2 5 倍【1 1 。随着国民经济的高速发展和城市化进程的加快，我国机动车拥有量及道 路交通量急剧增加。尤其是在大城市，交通拥挤阻塞以及由此导致的交通事故的 增加，环境污染的加剧，是我国城市面临的极其严重的“城市病 之一，已成为 国民经济进一步发展的瓶颈问题。 汽车化社会带来的诸如交通阻塞、交通事故、能源消费和环境污染等社会问 题日趋恶化，交通阻塞造成的经济损失巨大，使道路设施十分发达的美国、日本 等也不得不从以往只靠供给来满足需求的思维模式转向采取供、需两方面共同管 理的技术和方法来改善日益尖锐的交通问题，这些国家在探索既维护汽车化社会， 又要缓解交通拥挤问题的办法中，旨在借助现代化科技改善交通状况达到”保障安 全，提高效率、改善环境、节约能源”的目的的i t s 概念便逐步形成。 城市化生产力发展的一个必然结果，按世界经济发展的规律，城市化水平达 到3 0 以上，将出现经济的飞速发展阶段，美国、日本、英国等发达国家，在1 9 9 0 年城市化水平达到了7 5 、7 7 、8 9 ，这些国家针对交通发展对资源和环境的影 响，逐步调整交通运输体系与结构。这些国家都经历了为满足车辆发展的需求， 而大力开发建设交通基础设施( 如美国1 9 4 4 年规划的7 万k m 高速公路规划，经 过5 0 年一基本完成，但仍产生拥挤和阻塞) ，在大量土地、燃油等资源占用和消 耗的同时，不但交通需求没有完全满足，而且还造成汽车尾气由于道路拥挤排放 量剧增，不仅经济造成巨大损失，而且给环境带来恶劣影响。可见光靠修路是不 能解决交通问题的，单从某一方面去着手都无法解决交通问题。 8 0 年代后期以来，世界范围内的冷战结束，工业化国家用于军事和国防领域 的卫星导航系统，信息采集与提供系统，计算机控制与管理系统，电子与电子通 讯技术等高新技术转向民用化，军事上的投入也大部分转移到民用技术的开发和 应用上，与此同时，包括我国在内的广大发展中国家借助和平、稳定的国际环境 加快本国的经济发展，发展中国家经济的迅速发展促进了世界范围内产业结构发 生巨大的变化，工业化国家的传统工业领域由于劳动力密集型的产业向发展中国 家集中而失去明显竞争优势，开始酝酿开辟高新技术含量的产业市场，在这种国 际环境背景下，代表一场信息革命到来的信号，引起全球的极大关注，这就是“信 息高速公路”信息技术得到飞速发展，尤其是国际信息网络”i n t e m e t ”建立，加快了 全球经济一体化的进程，1 9 9 4 年开始，世界经济逐步进入信息革命阶段。信息产 业应运而生，i t s 以信息技术为先导，融其它相关技术应用到交通运输智能管理上 有其广大市场，工业化国家和民营企业纷纷投入到这一新兴的产业。美国政府于 第一章绪论 3 1 9 9 1 年开始投资对i t s 的开发研究，仅美国高速公路安全局1 9 9 3 年的投资预算就 达2 0 1 0 万美元；欧洲1 9 个国家投资5 0 亿美元到e u r e k a 项目。信息技术应用 到交通领域，以解决广泛存在的交通难题成为趋势。 1 3 国内外智能交通系统发展历史与现状 美国在2 0 世纪六十年代就开始了i t s 方面的研究，当时叫做电子路径诱导系 统( e r g s ：e l e c t r o n i cr o u t eg u i d a n c es y s t e m ) ，到8 0 年代中期开展了智能化车辆 一道路系统( i v h s ：i n t e l l i g e n tv e h i c l e - - h i g h w a ys y s t e m ) 方面的研究，1 9 9 4 年w h s 更名为i t sa m e d c a ( 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 mo f a m e f i c a ) 。美国于19 9 5 年 开始开发统一的国家i t s 体系结构，并在接下来的几年中不断完善和扩充。根据 美国国家i t s 体系，美国智能交通系统的研究内容包括了7 个基本系统( 大系统) 、 2 9 个用户服务功能( 子系统) 和6 0 个市场包，它们共同构成了未来美国i t s 的研 究领域。 日本二十世纪七十年代开始i t s 的发展，目前日本i t s 研究与应用开发工作 主要围绕三个方面进行，它们分别是：汽车信息和通信系统( v i c s ：v e h i c l e i n f o r m a t i o na n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 、不停车收费系统( e t c ：e l e c t r o n i ct o l l c o l l e c t i o n ) 、先进的道路支援系统( a h s - a d v a n c e dh i g h w a ys y s t e m ) 。日本特别 重视i t s 技术的商品化发展，以自动导驶系统为例，已开发出了以现有交通管理 系统为基础，配以数字地图和红外b e a c o n 双向短程通信的道路交通情报通信系统 ( v i c s ) ，目前已经开始在日本许多地区服务。另外日本十分重视自动电子收费系 统( e t c ) 的开发，9 0 年代初期许多大公司就开始进行研究，1 9 9 5 年建设省正式 立项，1 9 9 5 1 9 9 6 年度拨款7 0 亿日元对e t c 进行开发，并制定了e t c 的统一标 准，在这一标准下根据各大公司的研究成果和特长组织各大公司、研究所开展研 究工作，并且计划在1 9 9 9 年3 月开始在日本全国使用。根据1 9 9 7 年1 月举行的 第1 1 次中日公路会议上日本建设省的介绍，预计整个i t s 将在日本形成5 0 万亿 日元的市场1 2 6 j 。 二十世纪8 0 年代中期欧洲国家联合执行了旨在完善道路设施提高服务水平的 全欧车辆安全专用道路基础设施( d r j v e ：d e d i c a t e dr o a di n f r a s t r u c t u r ef o rv e h i c l e s a f e t yi ne u r o p e ) 研究计划，研究内容主要有：需求管理( d e m a n dm a n a g e m e n t ) 、 交通和旅行信息系统( t r a f f i ca n dt r a v e li n f o r m a t i o n ) 、城市综合交通管理( i n t e g r a t e d u r b a nt r a f f i cm a n a g e m e n t ) 、城市间综合交通管理( i n t e g r a t e di n t e r - u r b a nt r a f f i c m a n a g e m e n t ) 、驾驶支援、协调系统( d r i v e ra s s i s t a n c ea n dc o o p e r a t i v ed r i v i n g ) 、货 4 第一章绪论 运车队管理( f r e i g h ta n df l e e tm a n a g e m e n t ) 、和公共交通管理( p u b l i ct r a n s p o r t m a n a g e m e n t ) 。从研究的结果看，其研究领域和系统功能与美、日大致相同。目前 正在进行t e l e m a t i c 的全面应用开发工作，欧洲计划在全欧范围内建立专门的交通 ( 以道路交通为主) 无线数据通信网，i t s 的主要功能如交通管理、导驶和电子收 费等都围绕t e l e m a t i e 和全欧无线数据通信网来实现。现在世界上已经形成了以美 国、日本和欧洲为主的三大i t s 研究基地，不过其他的一些国家和地区也开始i t s 的全面开发和研究，如韩国在1 9 9 9 年制定了“交通体系效率法 ，新加坡已经在 全国开始推行不停车电子收费。智能交通系统是当前世界交通运输领域研究的前 沿，它可以使交通基础设施能发挥出最大的效能，提高服务质量，使社会能够高 效地使用交通设施和能源，从而获得巨大的社会经济效益【3 】。 二十世纪九十年代以来，随着我国经济的快速发展，交通问题已经成为困扰国 家经济发展的巨大问题。我国在上世纪7 0 年代开始在交通运输和管理中应用高科 技的电子信息技术和自动控制技术，在北京、上海和广州等大城市开始了交通信 号信号控制技术的研究。二十世纪八十年代后期，我国开始了i t s 基础性的研究 开发工作，包括优化道路交通管理、交通信息采集、驾驶员考试系统、车辆动态 识别等。二十世纪九十年代开始建设交通指挥控制中心。虽然我国i t s 起步较晚， 研究相对较弱，但是现在已经得到了国家和社会的全面重视。在中国政府的支持下， 国内一些院校、研究机构和公司在投入大量人力和财力进行研究的基础上，通过 广泛的国际交流和合作，在i t s 领域进行深入的理论研究、产品研究开发和应用 示范，并取得了重要的研究成果。近几年来，交通部组织了多次的关于智能交通 系统学术交流会和产品展示会，极大地推动了我国i t s 的研究与开发。 1 4 本文的主要内容和研究思路 交通信息是城市交通规划和交通管理的重要基础信息，通过全面的、丰富的、 实时的交通信息不但可以把握城市道路交通的发展状况，而且可以对未来发展进 行预测，为城市交通规划和交通管理部门的正确决策提供科学依据。交通信息服 务也是智能运输系统( i t s ) 功能的一个重要方面，未来智能运输系统中先进的交 通管理系统( a t m s a d v a n c e dt r a f f i cm a n a g e m e n ts y s t e m ) 和先进的交通信息系统 ( a t i s - a d v a n c e dt r a m ci n f o r m a t i o ns y s t e m ) 等都离不开交通信息。因此，交通信 息采集与处理技术无论对城市的交通规划、路网建设、交通管理，还是对未来智 能运输系统功能的实现都非常重要，是城市交通发展规划和道路交通科学管理的 最重要的基础和前提。 第一章绪论 5 传统的交通信息采集方法，以固定型的采集器为主，这一类的采集方法存在 难以大面积应用的问题，如比较突出的铺设成本高，维护代价高，应用复杂程度 高。这一系列的问题导致了这一类的采集器很难在城市里广泛的铺设并应用。随 着城市的快速发展，交通问题越来越突出，交通信息的采集成为目前i t s 一个重 要的研究方向。如何在交通信息量巨大的城市里完成对信息的采集，并合理的控 制成本成为一个重要课题。按传统的采集方式，我们需要在城市里布满足够多的 采集器，当然我们可以根据适当的算法模型，在保证数据可靠的情况下，将采集 器的数目尽可能减少，但无论哪一种采集器在应用上都受到成本的限制，这是因 为，对于位置固定的采集器来讲，要将城市路网的交通信息准确的记录下来，必 将因为铺设数目过多，数据后期处理难度高，设备维护量巨大而难以实施。 为此，我们结合无线定位在这一方面的优势，参考国内外最新研究，深入探 讨了目前比较成熟的基于g p s 定位的浮动车采集方法的模型，详细研究了在此模 型下的一些算法；结合目前广泛流行的手机定位的应用，在详细了解手机网络定 位原理的前提下，提出基于手机网络定位的方法来采集交通信息。根据联通公司 的g p s o n e 定位服务，给出基于手机的交通出行调查及信息采集框架结构，根据 目前的网络通信环境，模拟了此种交通信息采集方法的完成过程并对可行性进行 探讨。对比传统的采集方式，基于无线定位的采集方法将在成本上具有很大的优 势，采集的数据将更能直观的反应交通状态，对于交通信息研究者，基于无线定 位的采集方式的应用将是一次历史的突破。 本文前三章将主要研究传统的动态交通信息的采集方法，给出各方法的原理， 比较各方法的优劣，后续章节将深入探讨现阶段时兴的无线定位技术，以及基于 无线定位的交通信息采集方法，提出一种基于手机定位的动态交通信息采集方法， 给出新方法的物理架构及实现方式，手机软件效果示例图，以及依据此模型的数 据采集样本展示。 6 第二章智能交通与交通信息需求分析 第二章智能交通与交通信息需求分析 2 1 智能交通及其框架 i t s 是在关键交通基础理论研究的前提下，把先进的信息技术、数据通信技术、 电子控制技术及计算机处理技术等有效地综合运用于地面交通运输体系，从而建 立起的一种大范围、全方位发挥作用、实时、准确、高效的交通运输管理系统。 智能交通是一个汇集了众多高新技术的大系统，内部又包含了许多个子系统，在 这些子系统中，又要用到各种各样的技术，包括传感器技术、电子视野技术、测 量技术、判断处理技术、数据库技术、控制以及伺服机构技术、计算机技术、通 讯技术、网络技术、人机联系技术、人体机理学、交通规划理论以及交通工程学 等，只有将这些技术加以灵活和综合应用，才能保证智能运输系统的各个子系统 实现，直至整个系统实现，从而彻底改变现在交通运输的模式。 根据国际标准化组织i s o 的分类，i t s 服务领域共划分有8 个大的服务领域， 包含3 2 项大的服务。具体分类如表2 1 所示【2 】。 表2 1 国际标准化组织i t s 用户服务划分 i t s 服务领域服务名称 1 ) 交通规划支持 2 ) 交通控制 3 ) 事故管理 1 交通管理( a t m s ) 4 ) 需求管理 5 ) 警力巡逻执法 6 ) 设施维护管理 7 ) 出行前信息 8 ) 出行途中驾驶员信息 2 交通信息( a t i s ) 9 ) 出行途中公共交通信息 1 0 ) 个性化信息 1 1 ) 路径诱导和导航 1 2 ) 视野扩展 1 3 ) 车辆自动驾驶 1 4 ) 纵向防撞 3 车辆系统( a r c s ) 1 5 ) 横向防撞 1 6 ) 安全预警 1 7 ) 碰撞前乘员保护 第二章智能交通与交通信息需求分析 7 1 8 ) 商用车辆运营 1 9 ) 商用车辆管理 4 商用车辆( c v o ) 2 0 ) 路旁安全自动监测 2 1 ) 商用车辆安全状况自身检测 2 2 ) 商用车队管理 2 3 ) 公交管理 5 公共交通( a p t s )2 4 ) 需求响应管理 2 5 ) 共乘交通管理 2 6 ) 紧急情况通告及个人安全 6 应急管理( e m s )2 7 ) 紧急车辆管理 2 8 ) 危险品及事故的通告 7 电子支付( e p )2 9 ) 电子收费交易 3 0 ) 公共出行安全 8 安全 3 1 ) 易受伤害道路使用者的安全措施 3 2 ) 智能交叉口 智能运输系统包含很多的子系统，各子系统里又都采用了各种各样的技术， 如集中体现的信息、通信和控制技术，它们和交通工程技术相结合，形成了智能 运输系统中所特有的各项技术手段。从信息处理的角度看，i t s 系统涉及到数据采 集、数据处理、信息发布和信息利用，上述这些环节构成了i t s 的信息链。如下 图所示1 1 2 2 交通信息在智能交通中的地位 智能交通是以信息技术为核心的，无论是在智能交通框架中的哪一个研究方 面，我们都能看到一个基本的特征，那就是对信息，更确切的讲是交通信息的处 理。以先进的交通管理系统为例，它主要由四部分组成，即交通信息采集子系统、 交通信息处理子系统、交通信息传输子系统和交通信息发布子系统。系统本身涉 及信息采集、传输、处理、加工、利用和发布以及采取控制措施等各项技术手段， 这些技术手段以信息为纽带联系在一起，通过对信息的处理加工和优化算法，提 出优化控制方案和管理措施，并通过传输技术将指令传递到各种控制的终端，实 现对交通流的控制。又如交通信息诱导以交通控制系统、交通信息平台所掌握的 交通信息为基础，因此，信息服务系统的信息和交通流诱导核心技术，必须和交 通管理系统的信息加工、处理技术联系在一起h 1 。可以这样说，交通信息是智能交 通的核心要素。而信息的采集、处理、传输、融合和服务利用是i t s 的核心。 !蔓三茎量墼窑望量皇望笪星量鲞佥堑 图2 1i t s 信息链 23 交通信息分类与需求分析 就i t s 而言，交通信息可分为静态和动态两大类。静态交通信息是指交通系 统中一段时间内稳定不变的信息，主要包括道路网信息、交通管理设施信息等交 通基础设施信息，也包括机动车保有量、道路交通量等统计信息以及交通参与者 出行规律在时间和空间上相对稳定的信息。而动态交通信息是指实时道路交通流 信息、交通控制状态信息以及实时交通环境信息等在时间和空间上相对变化着的 信息。 对于i t s 而言，两类信息都是不可或缺。静态交通信息可以通过相关单位如 交通管理部门，交通规划部门，统计局等直接得到。动态交通信息则需要根据不 同的交通大环境，当前的技术手段，人力物力的保障程度选择不同的技术方法来 测得。动态交通信息具有数据量太、采集方式多样化、信息类型复杂、信息的准 确性要求高等特点，因而全面可靠的检测动态交通信息成为i t s 中的一项关键技 术。 第三章智能交通与交通信息需求分析9 第三章固定型交通信息采集方法研究 本章将对传统的动态交通流信息采集技术的工作原理、技术性能、可提供的 交通参数、适用条件和成本费用等进行对比分析，为下一章探讨无线定位方式做 铺垫。 3 1 概述 动态交通流信息采集技术是指能够连续提供地点或区间交通流信息的各种技 术手段，一般分为自动和非自动两种方式。非自动采集技术的主要特点是需要人 工干预才能完成交通流信息的采集，如人工采集法、试验车移动调查等；自动采 集技术的主要特点是完全依靠采集设备( 包括硬件和软件) 自动感知道路使用者 的通过或存在，实现对交通流信息的全方位、实时的采集哺1 。动态交通流信息自动 采集技术是本论文的研究重点。 动态交通流信息自动采集技术可根据交通检测器的工作地点不同划分为固定 型采集技术和移动型采集技术两大类。其中固定型采集技术可提供地点交通流参 数数据，而移动型采集技术可提供路段交通流参数数据。 3 2 固定型采集技术 所谓固定型采集技术是指运用安装在固定地点的交通检测器设备对移动的车 辆进行监视，从而实现采集交通流参数的方法总称，目前主要包括磁频、波频和 视频三种类型嗍。 磁频采集技术。当有机动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流信息的设备主要有环型感 应线圈检测器、磁力检测器等，其中环形感应线圈检测器应用最为广泛。 波频采集技术。波频采集技术有两种工作方式，其一是交通检测器向检测区 域发射具有一定波长的能量波束，当有机动车辆穿过检测区域时，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。这种类型的设备 主要有微波检测器、超声波检测器和主动红外线检测器等。波频采集技术的另一 种工作方式是检测器对通过检测区域的机动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。这种类型的设备主要有被 1 0第三章智能交通与交通信息需求分析 动红外线检测器、被动声学检测器等。波频采集两种工作方式的差别主要在 于所依据的波束来源不同，前者由检测器发射并接收波束，而后者是由车辆发出， 由检测器接收波束。 视频采集技术。这是一种将视频图像和电脑化模式识别技术相结合并应用于 交通领域的新型采集技术。它通过视频摄像机和计算机模仿人眼的功能，将连续 的模拟图像转换成离散的数字图像后，在成熟的物理模型和数字模型的基础上编 制软件进行分析处理。这种技术分被动式采集( t r i p w i r es y s t e m s ) 和主动式采 集( t r a c k i n gs y s t e m s ) 两种工作方式。前者是基于虚拟线圈的采集方式，可以 提供交通流量、平均速度、车头时距、车型分类和车道占有率等数据；后者除了 提供上述参数以外还可以提供车辆的跟踪功能。 3 3 固定型动态交通流信息采集技术分析 各种类型的固定型动态交通流信息技术的工作原理各不相同，但是获得交通 参数的基本方法都是通过分析车辆经过检测区域后引发的传感器的脉冲信号的方 法对交通流信息进行检测。环型感应线圈检测器是较早应用的一种检测技术，也 是目前十分成熟的一种检测技术，在城市道路和高速公路上已经得到了广泛地应 用，本部分重点对环型感应线圈检测器的交通参数采集方法进行分析，而对与其 交通参数采集方法相似的微波检测器、超声波检测器、红外检测器则未作详细介 绍。 3 3 1 环型感应线圈检测器圳 1 ) 工作原理 环型感应线圈检测器是一种基于电磁感应原理的车辆采集技术，它的检测器 是一个埋在路面下面、通过一定工作电流的环型线圈。当车辆通过线圈或停在线 圈上时，车辆引起线圈回路电感量的变化，检测器检测出变化量就可以检测出车 辆的存在，从而达到交通流信息采集的目的。 第三章智能交通与交通信息需求分析 方 波 图3 1 单线圈测速法 可以看出，当车辆前沿进入线圈一边时，检测器被触发产生信号输出，而当 车辆后沿离开线圈另一边时，信号强度低于阈值，输出电平降为零。车辆这个实 际对环型线圈作用的长度0 称为车辆有效长度。车辆有效长度数值上约等于车辆 长度与线圈长度之和。 2 ) 系统构成 环型感应线圈采集系统包括埋于路面下面的环型线圈、接线盒、传输电缆、 信号检测处理单元等。检测车辆时，将一个或多个环型线圈按一定的方法埋于路 面下，线头接入接线盒，信号由传输电缆送入信号检测处理单元，该电路单元通 常包括了微处理器，直接处理检测数据， 与控制中心的主控机通过通信电缆连接， 计算交通参数。环型感应线圈采集系统 主控机可发送信号，设置检测器的检测 周期等工作参数，并监测检测器故障；检测器则将采集交通数据如交通量、占有 率等传送至主控机，以便完成控制系统的信息存储、优化配置、方案选择和事件 检测等功能，实现系统的最佳控制效果。 3 ) 交通参数采集方法n 1 1 环型感应线圈能够采集的交通参数包括交通量、占有率、车速和车头时距， 具体的采集方法如下： 1 2 第三章智能交通与交通信息需求分析 交通量车辆通过埋于车道下的感应线圈上方时，检测器产生一个脉冲信号， 检测器的微处理器( 或逻辑部件) 对脉冲进行计数，若将检测器的检测周期定时 为t ，设n i ( k ) 为第k 周期内第i 车道检测器的计数值，则该车道在该周期内的流 且 亘： g j ( 护半( 3 - 1 ) 占有率若将检测器的检测周期定时为t ，设第k 周期内，测得i 车道某一车 辆通过环型线圈的时间为勺( 七) ，则第k 周期t 内，i 车道上车辆的时间占有率为： d f ( 耻秽灿。 c 3 乞， 其中：m ( 七) 为第k 周期内第i 车道检测器的车辆计数。 车速车速检测有单点检测和两点检测两种方法，相对应于环型线圈检测器称 为单线圈检测和双线圈检测。单线圈检测车速的方法是指使用一个环型感应线圈 检测器，当车辆通过该线圈时，电路检测到一个与车辆对应的方波，对方波计数 以统计车辆数，同时计算波型宽度。波宽表示车辆完全通过环型线圈所需时间， 车速高，波宽窄，车速低，波宽宽。以车辆平均有效长度除以波宽就可得到该车 的瞬时速度。对检测周期内的所有通过线圈的车辆的车速求平均值就得到时间平 均速度。 设m ( 后) 为第k 周期内第i 车道检测器的方波计数值，t u ( 后) 为第j 辆车通过 其车辆有效长度0 ( 七) 所需时间，如图3 1 所示，则第k 周期内第i 车道的车辆时 间平均速度1 ，。( 七) 为： 一志篙鬻 3 ， 在实际工程中通常需根据实测结果将0 ( 近似的设置为一个常数，然后利用公式 第三章智能交通与交通信息需求分析 1 3 ( 3 3 ) 计算v 打( 七) 【1 3 】。 单线圈测速精度较低，因为脉冲宽度不但与车速有关也与车的长度有关。我 国高速公路上车辆类型较多，不同的车辆取相同的车辆有效长度显然会造成较大 误差。但是，准确的平均车辆有效长度可以用双线圈检测方法获得。 用双线圈测速的方法检测车速需将两个线圈埋设在同一车道上。检测器能完 成车辆计数和每车速度的检测，而不需要使用平均车辆有效长度的估计值，测速 精度得以提高。如下图 r n i f jk 进入a 信 作用稻 徐 一 号 强 实际结柬 度 ， 计时点 1i，r t时间 t tl 口1 图3 2 双线圈测速方法示意图 当车辆沿车道排列、间距为s 的两个性能相同的环型线圈时，检测器记录下 进入a 环的时刻t 及进入到b 环的时刻t n ，则该车辆的速度就等于s 以一t 一) 。由 此可以求出一段时间内的平均速度。 设m ( j j ) 为第k 周期内第i 车道检测器的车辆计数值，第j 辆车驶过第i 车道 间距为s 的两检测器的时间为t 显然0 = 如一，是检测电路可直接测量的时 间。 设第k 周期i 车道的时间平均速度v m 则根据时间平均速度等于各车瞬时速 度的算术平均值，可得： 1 4 第三章智能交通与交通信息需求分析 啪，= 志鬻 c 3 q v 2 令 ，v ，。既是第j 辆车的瞬时速度，式3 - 4 可写为以下： 1 m ( ) 以d 2 志丢v ( 3 - 5 ) 空间平均速度是指在某一时间内通过某一路段的所有车辆的瞬时速度平均 值。可推导其值为各车瞬时速度的调和平均值。设第k 周期i 车道的空间平均速 度v 。i ，则 以护辫 ( 3 - 6 ) f 二 匀v 由双线圈所检测的单车速度v 舯还可以进一步检测出单车车辆的有效长度l j 。 显然，l j 。等于v ，。与t 。之积，并且，第k 周期内第i 车道通过检测区域的平均时间 t i ( k ) 为： “护志黪 p 7 ， 平均车辆有效长度为平均时间t i ( k ) 乘以空间平均车速速度v s i ，公式如下： 警堕 “栌甏 ( 3 - 8 ， 葛v j l 当用双线圈检测车速时，检测电路必须能够在车通过前后两线圈的很短时间 内产生两脉冲方波，因此设置两线圈时要保持一定的间距。双线圈测速方式的精 确度虽然高，但检测器投资和施工成本费用较高，计算的数据量也很比较大。 第三章智能交通与交通信息需求分析 1 5 车头时距，各相邻车辆之间的时间差计算公式为【1 5 】： h = t j + i 一0 ( 3 9 ) 其中：t j