（交通运输规划与管理专业论文）北京市浮动车交通信息采集系统规模研究.pdf

摘要 摘要 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。运用智能交通系统技术来解决交通问题，已经成为了交 通工程未来发展的重要方向。实现高效交通运行的前提是必须有准确翔实的动态 交通信息，但现有的动态交通信息采集基本上是通过一些固定的信息采集设备和 人工方式获得的，存在着安装和维护成本高、覆盖范围小、只能检测固定位置的 数据等不足。因此，随着城市安装g p s 接收机的车辆逐渐增多，浮动车技术已经 成为一种新型的交通检测的方法。 。 浮动车作为系统中提供样本的载体，它对系统的影响可以说是直接的，它的 规模会直接影响系统的交通信息采集的精度以及系统效率。随着浮动车信息采集 系统的广泛应用，如何确定一个合理并且能够达到交通信息检测需求的浮动车规 模就显得十分必要。 ， 目前国内外对浮动车信息采集系统中浮动车规模的研究比较单一，大多单纯 地考虑是否满足交通流参数精度或者一定的道路覆盖率要求方面，并没有形成一 个统一的整体的思路；并且在路段或者路网的浮动车数量计算模型中，尚存在一 些没有考虑到的影响因素。 本文将从同时满足交通流参数精度要求以及道路覆盖率两个方面分别对路 段以及路网两个层面的计算模型加以完善和改进，而后利用现有的浮动车信息采 集系统的浮动车数据对路段模型进行了试实验验证，得到了较高的精度；此外， 利用改进后的路网浮动车数量模型，依据北京市基础交通数据，计算出了北京市 不同道路等级不同时段，在满足一定交通信息精度要求和覆盖率要求下，所需要 的浮动车数量。最后，引入了由于出租车作为浮动车可能造成的浮动车时空分布 不均的影响因子，进一步完善了路网浮动车数量计算模型。 关键词浮动车；规模；信息采集；智能交通 北京工业大学工学硕士学位论文 一all 曼 i 鼍曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼皇! 曼曼量曼曼曼鼍曼皇曼曼曼曼罡量曼曼曼曼鼍舅皇曼皇曼曼 a b s t r a c t w i t ht h er e q u i r e m e n t sf o rs a f e t y ，e f f e c t i v ea n dc o m f o r t a b l eo ft r a n s p o r t a t i o n ，i t s b e c o m e su s e dm o r ew i d e l y i t si sa ni m p o r t a n tt o o lt os o l v et r a f f i cp r o b l e mi nt h e f u t u r e t h eb a s i sf o ra ne f f e c t i v et r a f f i ci sf u l la n da c c u r a t ei n f o r m a t i o n h o w e v e r , t h e e x i s 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 nc o l l e c t i n gs y s t e mi sb a s i c a l l yt h r o u g han u m b e r o ff i x e de q u i p m e n ta n di n f o r m a t i o no b t a i n e da r t i f i c i a l l y ，a n dt h e r ea r es e v e r a l d i s a d v a n t a g e so ft h ee x i s t i n gs y s t e m ，t h ec o s to fi n s t a l l a t i o na n dm a i n t e n a n c ea r e s i g n i f i c a n t ，t h er a n g eb fc o v e r a g ei ss m a l l ，a n dt h ee q u i p m e n t sc a nb ei n s t a l l e di n f i x e dl o c a t i o n t h u s ，s i n c et h ev e h i c l e st oi n s t a l le q u i p p e dw i t hg p sr e c e i v e rg r a d u a l i n c r e a s e ，t h ef l o a t i n gc a l t e c h n o l o g yh a sb e c o m ean e wt y p eo f ：t r a f f i cd e t e c t i o n m e t h o d f l o a t i n gv e h i c l ew o r k i n ga sac a r r i e rt op r o v i d es a m p l e si nt h ei t ss y s t e m ，i tc a n d i r e c t l ya f f e c tt h es y s t e m i tw i l lb et h en u m b e ro f d i r e c tt r a f f i ci n f o r m a t i o nc o l l e c t i o n s y s t e mo nt h ea c c u r a c ya n de f f i c i e n c y w i t ht h ef l o a t i n gc a ri n f o r m a t i o nc o l l e c t i n g s y s t e mw i d e l yu s e ，h o wt od e t e r m i n ear e a s o n a b l en u m b e ro ff l o a t i n gc a r st om e e tt h e n e e d so f t r a f f i ci n f o r m a t i o n ，i ti sn e c e s s a r yt os c a l e m o s to ft h er e s e a r c h e sn a t i v ea n da b r o a do nt h es c a l eo ff l o a t i n gv e h i c l e i n f o r m a t i o nc o l l e c t i n gs y s t e ma r es i m p l yc o n s i d e r e d t h e yj u s ti n v o l v eo n ea s p e c to f t r a f f i cf l o wp a r a m e t e r ss a t i s f yc e r t a i np r e c i s i o no rc o v e r a g er e q u i r e m e n t so nt h e s e g m e n t t h e r ei sn o tac l e a rn o t i o nf o rh o w t os c a l et h ef l o a t i n gv e h i c l es y s t e m a n d t h er e s e a r c h e sd i dn o tc o n s i d e ra n yp r a c t i c a li n f l u e n c ef o rt h ec a l c u l a t i o nm o d e lo ft h e n u m b e ro ff l o a t i n gv e h i c l eb o t ho ns e g m e n ta n di nr o a dn e t w o r k t h i sp a p e rw i l la l s om e e tt h et r a f f i cf l o wp a r a m e t e r sa c c u r a c yr e q u i r e m e n t s ，a sw e l l a s t h er o a dc o v e r a g en e e d s t h e nm ys t u d yr e f i n e sa n di m p r o v e st h ec a l c u l a t i o n m o d e l sb o t ho nt h ea s p e c to fs e g m e n ta n dn e t w o r ks e p a r a t e l y s i n c ew eh a v eg o ta n e wc a l c u l a t i o nm o d e l ，w ed i dt h em o d e lv e r i f i c a t i o nf o rs e g m e n tm o d e lb yu s i n gt e s t d a t af r o mf l o a t i n gv e h i c l ei n f o r m a t i o nc o l l e c t i n gs y s t e mi nb e i j i n g ，a n dg o tah i g h a c c u r a c y i na d d i t i o n ，t h et h e s i sg a i n e da na p p r o x i m a t en u m b e rf o rd i f f e r e n tr o a d ， d i f f e r e n tp e r i o do ft i m ea n dd i f f e r e n tc o v e r a g en e e d si n s i d et h e5 t hr i n gr o a di n b e i j i n ga c c o r d i n gt o t h eb a s i ct r a f f i cd a t ai nb e i j i n gb yu s i n gi m p r o v e dm o d e lf o r n e t w o r k f i n a l l y ，o nt h eb a s i so fu n e v e nd i s t r i b u t i o no ft h ei m p a c to ft e m p o r a la n d s p a t i a lf a c t o r so ft a x i ，t h es t u d yg i v e so u ta na p p r o x i m a t en u m b e ro ft h ei n f l u e n c e f a c t o ri nb e i j i n g ，a n df u r t h e ri m p r o v e st h ec a l c u l a t i o nm o d e lf o rr o a dn e t w o r k k e yw o r d sf l o a t i n gc a r ，s c a l e ，i n f o r m a t i o nc o l l e c t i n g ，i t s i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，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，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 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。 躲扯吼迎丛：f 3 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：皿导师签名：咝日期：垒丝叫 第1 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 首都经济的快速发展，加快了北京城市化和道路交通机动化的步伐，突出表 现是建成区面积不断扩大，全市机动车社会保有量持续高速增长。作为一个发展 中的特大城市，北京的城市交通管理出现了前所未有的机遇和挑战，特别是2 0 0 8 年在北京举办奥运会，将对北京交通带来巨大的压力n 3 1 。近年来，北京市机动 车保有量急剧增加，截至n 2 0 0 8 年3 月底，北京市机动车保有量达到了3 2 0 万辆。 道路资源和交通发展不平衡的矛盾越来越突出。随之而来是，交通拥堵情况日益 加剧，交通事故频发，交通服务水平急剧下降，居民出行怨声载道。尽管北京市 一 加大了道路基础设施建设的步伐，初步形成了以快速路为主骨架的城市道路交通 网络，但随着机动车保有量的迅猛增长，交通矛盾依然十分突出。单纯通过道路 建设，提高道路供给的方式已经远不能满足交通出行的需求，智能交通系统作为 城市交通管理中重要的途径，对于改善交通组织具有不可忽视的作用h 吖】。 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，即通过各种信息采集及 发布手段向出行者提供相关道路的交通信息，使出行者在出发前、途中、直至到 达目的地的整个过程中都能够及时获得有关道路状况、最佳换乘方式、到达目驹 地所需时间和所需费用等信息，指导出行者选择合适的交通方式和路径，以最高 效率完成出行过程叫们。 实现高效交通信息服务的前提是必须有准确翔实的动态交通信息，但现有的 动态交通信息采集基本上是通过一些固定的信息采集设备和人工方式获得的，存 在着安装和维护成本高、覆盖范围小、只能检测固定位置的数据等不足。因为人 力、资金等因素的制约，固定式信息采集设备不能大范围的覆盖路网。因此，对 于城市路网上的大部分地区都存在着不能检测到的“盲点 。对于这样采集上来 的交通信息很难支持高效的交通管理和控制的需求。 浮动车是一种新的、有前景交通信息采集工具。它对于交通信息的采集来说 是非常有效的工具，浮动车可以采集它本身的定位数据，并把数据上传到信息采 集中心。信息采集处理中心将浮动车数据转化成交通状况和运行时间等有效的公 众信息发布给大众u 引。 但是如何确定符合北京市路网交通状况的浮动车样本数量相关问题的研究 将为目前北京市的浮动车信息采集给予指导性的意义。 北京工业大学工学硕士学位论文 - i i i 曼曼曼曼曼! 兰曼曼量曼曼曼舅曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼 1 2 研究意义 浮动车对于交通信息的采集来说是种非常有效的工具。它针对于其他系统而 言，拥有覆盖面广、投资省、采集数据多样、准确等突出特点n 州u 。目前，这种 系统已得到世界各国的普遍承认，成为交通界人士研究的热点。而其中浮动车的 规模研究是浮动车信息采集系统中最基本的问题，它可以为规划和决策部f - j 锘, j 定 合理的浮动车信息采集系统提供理论依据。 对于浮动车规模研究共有以下几个意义 第一、浮动车系统是一个信息采集系统整体，而系统中浮动车的规模是 最基本也是最基础的问题，只有将浮动车系统的样本量确定好， 才能确定整个系统的容量规模。对于今后各个地方发展浮动车系 统的相关建设及研究都有着指导性的意义。 第二、浮动车规模的研究可以为今后浮动车系统的相关问题研究提供基 础，拓展研究的思路。北京市目前有了一定的浮动车信息采集系 统的相关建设，进行了一些相关的研究和试验，但大都针对于浮 动车信息采集系统中交通流相关参数的估计、系统通信效率等其 他相关问题研究。至今还没有给出一个明确的，满足北京市一定 区域范围内的信息采集要求的浮动车数量研究。 第三、浮动车系统的规模研究能够解决目前出现的浮动车样本数量与信 息之间的矛盾关系。在浮动车系统中，浮动车样本数量与得到的 交通信息之间有着一定的关系。样本数量越多，得到的交通信息 越多，那么相对的，交通流信息的精度就较高；但是通过一些研 究可以证明，样本数量持续增多，超过一定值以后，样本数量再 增多，得到的交通信息的精度不会显著的提高，但是带来了系统 压力的增大，成本加剧等不良影响。所以，通过本文的研究，可 以解决这个矛盾，找到一个合理的浮动车的规模，更加利于浮动 车信息采集系统的发展和应用。 1 3 研究思路与技术路线 本文的研究思路主要是通过对现有的浮动车数量研究的总结，加入可以进一 步影响浮动车数量的相关影响因素，对现有模型进行改进，并分别对路段和路网 的浮动车数量模型进行研究。在模型改进后，对现有的大量的浮动车数据进行处 理，对所得到的模型进行数据实验的验证。然后，根据北京市的相关基础交通信 息，利用路网浮动车数量的模型，计算出北京市一定范围内所需的浮动车数量。 第1 章绪论 最后，由于浮动车大部分是由出租车承担这一特点，利用北京市出租车的分布等 相关规律，对北京市所需浮动车数量加以改进。 1 4 研究内容 图l 一1 研究思路 f i g u r e 1 1r e s e a r c hc l u e 本研究共分为5 章：第一章绪论，简单介绍了本研究的研究背景、研究意义 以及技术路线、研究内容等；第二章国内外研究现状，对动态交通信息采集系统、 浮动车信息采集系统以及浮动车信息采集系统中浮动车数量研究的国内外研究 状况进行了介绍；第三章路段浮动车规模模型，针对同时满足两个方面需求的路 段浮动车数量模型，引入了浮动车到达可靠度、数据有效率等影响因素，并将模 型加以改进；第四章实验数据处理及模型验证，通过对现有的浮动车数据的处理， 得到相关的交通信息参数，利用这些实验数据对路段浮动车数量的交通流参数估 计模型进行验证、对路段浮动车改进模型精度进行验证；第五章北京市浮动车规 北京工业大学 学硕士学位论文 皇曼曼舅舅! ! ! 皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼苎曼曼曼! 曼曼曼曼i 量曼! 曼! ! ! 曼曼曼皇皇曼曼曼曼曼罡曼! 曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼皇! ! ! 曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼 模研究，由于不能单纯的将路段浮动车规模模型推广到路网上，所以本章将先对 路网浮动车规模模型进行研究，建立满足路网覆盖率以及交通流参数估计精度的 路网浮动车规模的模型，并根据目前北京市五环以内的基本交通状况给出浮动车 数量的估计值，最后利用出租车的相关特性对给出一个由于出租车的时空分布所 造成的浮动车数量的影响率。为今后北京市浮动车交通信息采集系统的规模研究 提供基础。 1 5 本章小结 本章概括性的介绍了本文的研究背景、研究意义、研究思路以及国内外研究 现状。浮动车信息采集系统是目前动态交通信息采集系统的研究热点，而浮动车 规模的研究则是浮动车信息采集系统的基础。 本章从各个角度阐述了本研究的必要性和可行性，介绍了明确的技术路线和 研究内容，为解决浮动车信息采集系统的后续研究打下了基础。 第2 章浮动车信息采集统及规模研究介绍 第2 章浮动车信息采集系统及规模研究介绍 2 1 动态交通信息采集现状 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，以各种固定式检测器为代表；而移动型采集技术可提供路段交通流 参数数据乜幻，以浮动车交通信息采集系统为代表。 2 1 1 固定交通信息采集及检测技术简介 ( 1 ) 感应线圈检测器检测技术 感应线圈可以测量流量、车速、车辆分类、车道占有率和车辆是否出现，它 安装在路面下，而相应的计数器或者检测器安装在离旁或控制箱内。不同型号的 感应线圈测量误差也不相同。一般在车辆计数中的误差在2 3 ，在对车速的 测量中，误差区别比较大，开槽布线式的误差率较大，在5 1 0 的范围内。 对比于其他的交通参数检测器来说，感应线圈的计数成熟且技术容易理解和 掌握，有多种设计，可以满足多种实施状况的需求，并且感应线圈的设备价格比 较便宜。另外，感应线圈检测器不会受到恶劣天气的影响。当然也有相应的缺点， 感应线圈设备的安装和维护对交通流的干扰非常大，有较高的损坏率，并且需要 定期维护。 ( 2 ) 磁力检测器检测技术 磁力检测器基本上也都可以检测出基本的交通流参数( 流量、车速、车辆分 类、占有率和车辆出现) 。此种检测手段对于车辆计数的基本误差范围在5 1 0 左右；对车速检测的误差在1 8 左右。它一般安装在路面下1 8 。3 4 英寸的管道 中，并且某些型号可以不需要刨开路面即可安装于路面下，可以有效地取代某些 感应线圈不适用的地方( 桥面等) ，一些型号可以通过无线电传输数据。 磁力检测器的缺点是：它的安装和维修也会给交通流造成很大的干扰，需要 关闭车道，它会减低公路的寿命，对静止车辆检测时需要借助特殊的传感器设计 或者信号处理软件。但一般不会首恶劣天气的影响。 ( 3 ) 道路管检测器检测技术 道路管检测器可以测量车速、流量和进行车辆分类，它将道路管沿道路横向 布置，将道路管连接到路旁的计数器上，比较易于安装，使用耗能低，价格也比 较便宜，易于维修和管理。由于，这种检测方式安装较为方便，可适用于临时性 北京丁业大学工学硕士学位论文 的交通数据采集。但是，车辆轮胎会对道路管造成损害，并且当交通量较高时， 车轴计数的准确度下降，同时，潮湿的路面会妨碍道路管检测器的使用。 ( 4 ) 压力检测器检测技术 压力检测器是横过车行道上并排放置的两根橡胶管，一端密封，另一端与计 数器相连，当车辆通过橡胶管时，管中空气压力发生变化，以此传递来车信息。 压力检测器安装时，要使橡胶管与车辆行驶方向正胶，避开车辆转向处，以 免由于车辆与橡胶管斜交而发生重复计数。该检测器价格便宜，便于移动，安装 和维修简便，因此使用比较广泛。其主要缺点是不能分出各车道的交通量，由于 橡胶管直接放置在路面上，受来往车碾压，易于损毁。长期使用，橡胶易于老化， 使精度下降，冰雪以及温度变化较大时，也会影响其精度。 ( 5 ) 压电式检测器检测技术 压电式检测器可获得车辆运行的速度、车型、到达时间及所在车道、交通流 量、车辆间隔及车头时距等其它交通流参数。它是将动能转换成电能的检测装置， 其工作原理是压电效应，它由金属编织芯线压电材料和金属外壳制成同轴结构， 其中的压电材料在受机械力冲击或震动时产生电荷( 电压) 。当车轮滚过时，检测 器承受荷载而输出，每通过一根车轴，就会出现一个脉冲，故常用来检测车辆的 轴数。脉冲的峰值越高，轴载也越大，因此，也可检测轴载和车载。隔一定距离 埋设两根压电检测器，测出时间和已知距离，车速也就被测出。压电检测器的优 点是性能良好、可靠性高、安装简单，缺点是不能检测静止车辆。 ( 6 ) 电容式检测器检测技术 电容式检测器是一条横过车行道的内有两组接点的电橡胶带，靠带内的电极 是否接通来传递来车信息。 电容式检测器安装时，要使电橡胶管与车辆行驶方向正胶。该检测器价格便 宜，便于移动，安装和维修简便，可以分车道、分方向、分车型的检测交通量、 车速、车头时距等数据。而缺点则是由于橡胶管直接放置在路面上，受来往车碾 压，易于损毁，长期使用，橡胶易于老化，使精度下降，对温度变化比较敏感。 ( 7 ) 光电式检测器检测技术 光电式检测器是由光源和光电管组成，通过光源是否被遮断时光电管感知车 辆的有无。 其主要优点是结构简单，可以和各种类型的计数器相连接。缺点是不能区分 各车道的交通量，同时，停止的车辆以及行人或自行车遮断光源都会计数，在大 交通量时精度降低。另外，光电检测器的安装高度不宜选择，其距地面的高度既 不能是大型车的车轴，又不能是小型车的车窗。 ( 8 ) 红外线检测器检测技术 红外线检测器分为主动式和被动式两大类，二者测得的交通流基本参数能力 各不相同，在被动式中的a s i m i r 2 5 4 可以测出上文提到的全部交通流基本参数。 第2 章浮动车信息采集统及规模研究介绍 曼i o i ii i _ _ i r a= ei , i 皇曼曼! ! 曼曼鼍曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼皇 其中被动红外线检测器中s i e m e n sp i r - 1 还可以检测车辆排队长度， e l t e c m o d e 8 4 2 可以检测小于4 5 k m h 的车速。不同型号的红外线检测器的测量误 差的差异很大，但一般都高于前两种检测手段。 红外线检测器必须在一定高度顶置安装，安装操作比较简单，可以实现多车 道检测，并且多检测区域的被动式红外线传感器可测量车速，主动式红外线检测 器发射多光束的红外线，基本可以保证对车辆位置、速度以及车辆类型的准确测 量。它的主要缺点是对气候的要求较强，当雾天的能见度低于2 0 英尺，或者大 雨大雪的天气时，检测性能会下降。 ( 9 ) 微波雷达检测器检测技术 不同型号的微波雷达检测器可以检测不同的交通参数，l o r e n 型号除可以检 测流量、速度外还可以检测车辆分类和道路占有率，r t m s 型号则可以检测流量、 车速、车辆分类、占有率、车辆出现和车头时距。在安装方面，检测参数和检测 区域的位置由专门的设置软件设置，基础设备也比较易于安装，不需要关闭车道 就可以完成安装、设置和校准的工作，并且以后的维护工作量不大。它可以实现 对速度的直接测量和多车道检测，并且对恶劣天气不敏感。但是应用较多的多普 勒微波雷达不能检测静止的车辆，并且在交叉口的车辆计数效果也不好，可能会 出现周期性的漏检。 ( 1 0 ) 超声波雷达检测器检测技术 超声波雷达检测器的工作原理与雷达检测器类似，检测器发出高频波并由 ( 驶近) 车辆以变化的频率返回，通过换能器记录下车辆存在或通过的信号，属复 合型检测器。它可以直接安装在要检测车道的上方或路侧，而且可以使用数字 ( 声波) 测距技术确定所有被检车辆的位置，可以检测流量和车辆的出现 超声波雷达检测器对车辆计数的测量误差较小，在1 2 一2 范围内，还可以 实现多车道检测，非常易于安装和校准。但是，在人听觉范围内和超声波范围内 的噪声会对超声波检测器的工作造成电磁干扰。 ( 1 1 ) 声学检测器检测技术 声学检测器可以检测流量、车速、车辆分类、占有率和车辆出现，它一般安 装在车道上方，安装过程中需要专门的工程车辆，并且对施工区域进行交通控制， 对交通流有很大影响，检测误差比较大。但是可以实现多车道测量，并且对降水 天气不敏感，只是对较低的温度可能会影响其准确度。 ( 1 2 ) 视频检测器检测技术 视频检测器可以说是检测的全才，几乎目前所有的视频检测器都可以对基本 的交通参数( 流量、车速、车辆分类、占有率和车辆出现) 进行检测并且大部分 型号的视频检测器还可以检测密度、车头时距、延误、车辆间隙和其他一些参数。 最简单的视频车辆检测器类似于电视监视系统，仍是以记录车辆图像为主， 它由检测器、摄像机和简单的图像处理单元来构成。例如当雷达检测器或其它类 北京工业大学工学硕士学位论文 型检测器探测到超速车辆时，摄像机获得该车的图像，经过计算机处理后得到该 车的牌照号，然后在前面的可变情报标志板上显示该车的牌照号码和速度，并 给出该车超速的警告信号。 较先进的视频检测器在被检测区域内，借助全天候红外摄像机，可以记录 该区域内的车辆数量、排队规模和车速等，将以上信息反馈到控制中心进行处理 以确定交通信号周期和控制方式，并利用可变情报标志给上游车辆提供有关阻塞 和事故的建议信息，以完成交通的自适应控制、车辆诱导等功能。 目前最先进的车辆检测器是车辆的自动识别系统和高速公路上的事故自动 测报系统。在基于图像的车辆自动识别系统中，采用计算机视觉( c o m p u t e r v i s i o n ) 和图像处理技术可以获得车辆的外形三维数据及车辆的轴数、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。基于图像 处理的高速公路事故测报系统目前正处在研究开发阶段，它利用计算机视觉、神 经网络、模糊逻辑等技术和先进的计算方法进行事件检测、车辆识别和公路监控， 可以获得车辆数量、车速、道路的空间占有率及车辆的前进程度等重要交通参数， 从而可以预测和发现事故。 视频检测器的优点：无需破坏路面；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；可提供现场录像，供专家事后分析； 可进行多车道检测。其缺点是误差相对较大；还需要定期的擦拭和维护；并且需 要安装在5 0 6 0 英尺的高度上；对恶劣天气的影响比较敏感；不能检测到静止状 态的车辆；价格高。 2 1 2 浮动车信息采集系统现状研究 浮动车交通数据采集系统就是基于全球定位技术( g p s ) ，地理信息技术g i s 无线通信技术( 女h g s m ，c d m a 或专网) ，计算机网络通信与数据处理技术， 利用安装在运行车辆上配备g p s 定位模块和内置无线通信装置的浮动车终端， 实时回传所经过的路网纵断面的交通流数据，所采集的信息可以作为传统交通检 测数据的重要补充，并且为车载导航系统提供动态的路网交通信息口钔。系统组成 见图2 1 。 2 十 # 功* 日* 撵绩m 麟 究介m 图2 一l 浮动车信息采集系统。 q g u r e2 1s k c t c ho f t h ef l o a t i n g c a r d a t a c o t i e c t i o ns y s t e m 基于g p s 拄术的交通浮动车信息采集方式，避免了传统变通检测方式的高 投入、数据精度和实时性差等缺点，既可以显著地降低成本，又可以有效地利用 现有的运行车辆，获取较高精度的道路交通信息。木研究中所采用的交通信息采 集方法就是赫于浮动车技术的方法( 包括通信模块和块终端的车载设备) 。 浮动车通常是指具有定位和无线通信装置的车辆。浮动车系统一般由3 个部 分组成：车载设备、无线通信网络和数据处理中心。浮动牟将采集所得的位置和 时间数据上 给数据处理中心，由数据处理中心对数据进行存储、预处理，然后利 用相关模型算法将数据匹配到地刚t ，计算或预测车辆行驶速度、路段行程时间 等道路运行参数。浮动车系统的基本依据是车辆的实时地理坐标，校准时间和行 驶速度。这些数据反映了车辆在城市中的相对位置以及运行状态。由于装载了 g p s 系统的车辆在城市道路上的运行状态是取决于其所 于驶的路段的遵路状况、 拥挤程度、交通流量等交通状况。可以认为，当系统拥确一定数量规模的浮动车 情况下，将有效、实时地采集包括点车速、路段平均车速、路段交通流量等在内 的道路交通信息。 g p s 浮动车技术具有以下特点”： t ) g p s 浮动车技术检测覆盖面较大 在道路路网中，凡是浮动车行驶过的路段，都可根据其检测数据实时估计路 段的交通参数，监测路段的交通状态。因此，它适合于对整个路网交通状态的实 时监测 北京工业大学工学硕士学位论文 2 ) g p 浮动车的定位精度高 3 ) 继承g p s 定位的优点，g p s 浮动车交通检测不受天气条件影响。 4 ) 通过无线通信网络，借助车载g p s 设备，浮动车可以与监控中心进行信 息交互 5 ) 主要不足在于：因树木、高大建筑及隧道对卫星信号的遮挡，会在一些 固定的地点造成g p s 检测盲区，由此影响检测的效果。尽管如此，根据美国 a d v a n c e 系统研究表明，在对交通参数进行估计时，采用g p s 浮动车技术可 提供比环形线圈更精确的行程时间估计，在5 0 0 0 0 个检测报告中，9 9 4 是可靠 的。 。 基于浮动车的交通信息采集系统的开发源于特殊车辆的监控管理系统。同检 测器采集方式相比，需要较少的前期投入，运行费用低，而且实时性较强。因此， 由于浮动车采集系统具有上述的低投入，高覆盖率，实时性等特点。目前，国内 外对于浮动车采集系统的研究开展较多，这已经成为当前交通信息采集领域的一 个热点，国内外对浮动车系统都进行了广泛的研究瞄1 。 1 德国的f c d 系统 德国的f c d 系统是交通采集系统中的重要组成部分，主要采集行程时间和平 均速度等交通信息。该系统由德国宇航局交通研究所主要负责开发。f c d 系统联 合出租车监控调度系统( f l e e tm a n a g e m e n ts y s t e m ，f m s ) 采集车辆的g p s 数据， 有效地降低了系统运营地成本，甚至没有额外的通信费用。截至到2 0 0 5 年5 月， 德国的f c d 系统已经在包括伯林、汉堡、纽伦堡、法兰克福、斯图加特、墨尼黑 等六个地区安装了超过4 5 0 0 辆以上的出租车作为探测车采集交通数据，预计到 2 0 0 5 年底，用于浮动车系统的出租车将达到大约9 0 0 0 辆。 2 美国的a d v a n c e 系统 美国的a d v a n c e 项目也是典型的动态交通流信息采集系统，该项目是于 1 9 9 1 年在伊利诺斯州( i l l i n o i s ) 芝加哥市西北郊区实施的动态路线诱导实验项目， 该项目是大规模浮动车的最早应用。该项目中的浮动车配备有基于g p s 的导航系 统和用于传递和接收信息的无线调频模块，其中包括了g p s 、双向通讯、c d r o m 地图存储和数据库平台等技术。该项目包括3 0 0 0 辆配有车载计算机和通讯设备的 车辆，这些车辆自身作为浮动车，所采集的行程时间信息与感应线圈检测器采集 的数据进行融合，提供实时的估计；试验表明，融合后的交通数据在行程时间估 计和预测以及事故检测方面都更加有效。 3 英国的f y d s 系统 英国浮动车数据系统f v d s 是目前世界上最大的商用浮动车系统，是由i t i s 第2 章浮动车信息采集统及规模研究介绍 h o l d i n g sp l c 投资开发的，是英国第一套实现了商业化应用的浮动车系统。f v d s 系统丛2 0 0 0 年二月份最初开始试验的几百台车辆已经发展成为当前超过3 0 ，0 0 0 辆f v d 单元的规模，分别用于实时交通信息采集和历史交通数据积累的交通信 息采集系统。 4 日本的新一代v i e s 系统 日本，由建设省、警示厅和邮电省共同组织的车辆信息与通讯技术( 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 ，v i c s ) 项目中，开发了一种新的远红外检 测器，专门用于交通流信息的采集。这种检测器在采集地点交通流参数的同时， 也可以作为高宽带双向通讯发射与接收器，向车辆提供实时道路交通状态信息， 并从装备了这种检测器的车辆上获取路段行程时间信息，对提高道路交通的管理 与控制水平发挥了重要作用。 目前国内并没有大规模地利用浮动车技术进行交通信息采集，特别是在实时 交通信息采集方面。但是关于浮动车采集的研究和开发工作也正在全面展开。目 前已建成的浮动车系统主要有浙江宁波的城市实时交通信息发布与动态导航系 统。吉林大学、北京交通大学、北京工业大学等高校也在浮动车交通信息采集方 面展开了相关的研究。 2 2 浮动车规模研究现状 = 科 协， s r i n i v a s a n 和j o v a n i s 嚣3 ( 19 9 6 年) 采用仿真的方式，对加利福尼亚的s a c r a n e n t o 的交通网络进行研究，得出经 验型的结论：在1 0 分钟的采样间隔内，为使8 0 的路段上保持至少3 辆浮动车， 则所有车辆中浮动车的比率为5 。 q u i r o g ac a 脚3 等( 1 9 9 8 年) 沿用定点速度调查中计算样本的方法，提出了估计路段平均速度的最小浮动 车样本模型。 h e r z ，c h e nm 啪3 ( 2 0 0 0 年) 引入了相对误差修正系数的概念，对q u i r o g a 的模型进行了进一步的完善 北京工业大学工学硕士学位论文 皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇蔓曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼苎曼皇曼曼寡曼鼍曼曼曼曼毫曼曼ii 鼍罡曼皇曼曼曼! 曼皇! 曼曼曼曼皇曼皇! 曼皇曼雹 d r a l l e ，j e a nl u cy g n a c e 门等( 2 0 0 1 年) 在旧金山地区进行了以蜂窝定位浮动车采集交通信息的实验，利用大量实际 数据，提出了浮动车比率与网络覆盖率的关系模型 r u e y 拈2 3 等( 2 0 0 2 年) 用新加坡c l e m e n t i 镇的数据，利用i n t e r g a t i o n 仿真软件测试了在浮动 车比率为3 8 时，利用浮动车估计路段平均速度的情况，得出了浮动车比率 与计算精度的经验性结论。该方法主要分析了采样间隔对覆盖率和浮动车比率的 影响，并分析了城市道路和高速公路的不同，给出了计算结论：即高速公路浮动 车比率推荐值3 而城市道路是5 。 f e r m a n 口3 等( 2 0 0 3 年) 利用数理统计方法对浮动车的样本数量进行了分析。结果表明，运行车辆中 高速公路上浮动车的比例应不低于3 地面道路上探测车比例应不低于5 。 x i a o w e nd a i ，m a r t i na f e r m a n 口帕等( 2 0 0 3 年) 首先建立了在直线路段上浮动车系统各因素相互关系模型，定量分析了多个 主要因素对浮动车计算精度的影响；随后结合t r o y 和d e t r o i t 的路网基础数据， 利用c o r s i m 软件进行仿真实验，收集不同因素变化情况下的浮动车系统数据， 假设所有路段的特性相同，通过统计分析得出各因素对浮动车系统准确性、实时 性的影响，进而得出一条路段上所需要的浮动车数量或者比率。 t a k a s h if u j i t a n 5 3 等( 2 0 0 4 年) 以浮动车在有效间隔内通过的路段长度占总路段长度的比例定义路网覆盖 率户，假设浮动车按照相同的车头间隔，均匀分布在道路网上，从而得出理想状 态下覆盖所有路段所需要的浮动车比率： ，：上：土：土( 2 - 2 ) ，= 一= = 一 j 。 磁加r q 丁 然后，再考虑浮动车不均匀分布的情况，设浮动车按照指数分布的规律分布 在路网上，同时，通过微积分方法得出浮动车车头间隔与浮动车覆盖率的关系， 进而得出浮动车覆盖率与浮动车比率的关系： 11 y 5 亩卜h ( 1 一) - 亩 _ h 1 ( 1 一) 2 - 3 其中： 浮动车系统的覆盖率； 第2 章浮动车信息采集统及规模研究介绍 卜表示浮动车系统计算间隔； q 一表示单车道流量； ，表示浮动车比率。 相比于理想状况的公式2 2 ，公式2 3 多增加了卜l n ( 1 一) 的系数因子，它 体现了现实情况下由于浮动车不均匀分布，部分覆盖区间不存在浮动车的实际情 况。但相应的，该算法对由于浮动车不均匀分布或部分覆盖区间重叠的情况考虑 不足，导致算法计算结果与实际情况相比偏小。 通过对公式2 3 的算法进行实际研究，结果如图( 2 1 ) 所示：在相同条件 下，理论计算认为达到9 0 的覆盖率时浮动车比率仅需要2 3 ，而试验证明浮 动车比率达到3 o 时，覆盖率仅为5 0 。 1 0 0 0 0 9 0 o o 8 0 0 0 7 0 0 0 籍6 0 0 0 雌5 0 0 0 警4 0 0 0 l 訇 3 0 o o 2 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 譬；蔷一i 享蓊 萋i j ! 娟而、，! i 。一。7 二 。j _ ：o 、：“，+ ：一，：l 。一”一t + ；。+ o j ：、7 | 一+ ；：； ， ，：7 ，、。9 。：一 。u 哪 ，：，：翟 醣， v。 ，：v 。 ， ? 。 i1 7 | 、。j ? 。、v ，：，| ，一一 1 | ，j ，。，。，秀 羹鳓：1 ，：竺堡臻三裴鸳墨f ，- ，童 参7； “ j ：，一 ： 翟 教，。篓r 藏孑o 。，矗强力缸霹t 锄纛二。蠕摩。o 。旎 蔫，。一。k ；：现躺幺欲尹幺o $ 砒兢三，j 妊。 廖嘞。舒。暂磊溉疡 1 0 0 1 6 1 2 3 0 3 0 0 4 6 1 图2 1 日本浮动车比率理论计算与试验结果对比 f i g u r e 2 1c o m p a r er e s u l tb e t w e e nc a l c u l a t i o na n dt e s tf o rt h er a t i oo ff c dj a p a n n e c 公司 随后，日本n e c 公司考虑地域特性的差异，引入地域特性系数口1 ，对上 述算法进行了改进： = 1 一e 堋，= 1 一g 一咖， ( 2 - 4 ) 王力3 等( 2 0 0 5 年) 在d r a n e 的模型中加入了定位误差因子，并考虑应用成本修正了该模型。 该模型的一个重要思想是：假设路网中不同类型的路段有着各自的交通流密度。 北京工业大学工学硕士学位论文 令 k 为道路种类的数量，b ( f = l ，2 ，3 ，) 为第i 种道路的密度，尬为该种类型 道路的路段数量，并每种类型的道路具有相同的交通流密度，令第k 条路段的交 通流密度为凤= 岛，p 为将浮动车误配到其它路段的概率；当网络中仅有一辆浮 动车时，路网中所有m 条路段中，任意一条路段k 上有浮动车的概率为： 。吼= 乒( 1 一p ) 厶m 辟 f 2 1 ( 2 5 ) 由此，则得到当路网上有q 辆浮动车数，均不在路段k 上的概率为： p k ( q ) = ( 1 一q i ) q ( 2 6 ) 令浮动车的路网覆盖率为有浮动车的路段占总路段的比率：得到： 龇丑( q ) a t r 坂( 1 一鲰) q 历= 1 一点生一= 1 一曼一 。 mm ( 2 7 ) 然后利用极限理论，考虑当q 足够大的时候，路网覆盖率的情况，得出 口：- m 0 - p ) p l ( 1 一p ) ( 2 8 ) 其中： 口交通流所有车辆( n ) 中浮动车的比率，即q = 口n ； p 路网的