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上海交通大学硕士学位论文 摘要 城市道路实时交通信息采集与分析 二，一一 摘要 本文以一个城市交通流量采集系统为对象，介绍该系统中的硬 件结构和软件组成。 在硬件方面，主要介绍了城市流量信息的一些采集设备，以及 这些设备所能够检测的具体数据。这些数据作为城市道路流量信息 分析的基础，重点介绍了各个数据的具体定义、量纲以及统计上的 意义。产t 在软件方面，本文首先介绍了估算交通流量信息的一些基本算 法。然后，重点提出了两个的动态估算算法和两个针对历史数据的 分析算法。动态算法为：车辆的行驶状态估算算法和路口排队长度 估算算法。而静态算法为：道路网络瓶颈分析以及城市交通o d 阵 的推算。最后，提出了一些能够利用流量信息分析系统所提供的数 据的一些i t s 应用。 在车辆行驶状态的估算中，主要是分析车辆的速度和加速度。 ( 车辆在道路上行驶时，它的速度和加速度主要受到周围环境的影 响，比如道路的设计通行能力、路段中车流的密度、周围车辆的速 度以及交通控制信号灯等。根据车辆跟驰的基本原理，推算车流中 车辆的启动速度、加速度， 在路口排队长度的估算中，主要是通过对上下游路口的流量分 析，来确定在路口上可能的排队长度。在文中，不但给出了路口排 队长度的算法，同时利用实际采集的流量数据来分析算法的结果。 并且，通过对计算结果的分析，得到了算法的一些不足和改进之处。弘 道路网络瓶颈分析则通过图论的方法，对道路网络的交通瓶颈 进行分析。随过对一个实例的介绍，给出了算法的实际运算过程， 并给出算法的结果 i 海交通大学硕士学位论文 摘要 城市交通路网的o d 阵自动生成，是基于对道路的流量信息进行 统计，并根据一些交通流发生和吸引的规律模型，推算o d 阵。由 于城市交通路网o d 阵对于城市道路的规划和设计有着重要的指导 意义，而且人工的o d 阵统计工作量相当庞大，因此通过算法自动 生成o d 阵的意义也是非常大的。 在文章的最后，介绍了两个实际开发的i t s 应用。交通流量信 息发布系统和交通仿真系统。这两个系统都是基于城市交通信息采 集系统的输出数据，针对各自的用户需求开发的。在这一点上，也 充分展示了i t s 这个快速发展的产业前景。少。 关键宇i t s 系统，检测器，车流，排队长度，o d 阵 = 圭丝塑堕塑型丝苎 塑 u r b a nt r a f f l cr e a l t l m el n f o r m a t l o n c o l l e c tf0 na n da n a l y z a tio n a b s t r a c t i nt l l i sa r t i c l e w ei n t r o d u c ea nu r b a nt r a f f i ci n f o r m a t i o nc o l l e c t i n g s y s t e m ，i n c l u d i n gi t sh a r d w a r e a n ds o f t w a r es t r u c t u r e i nt h eh a r d w a r e f i e l d ，w e i n t r o d u c es o m et r a f f i ci n f o r m a t i o n c o l l e c t i o nd e v i c e i na d d i t i o nt ot h ed e v i c ei t s e l f , w ea l s oi n t r o d u c et h e r a wi n f o r m a t i o ni tc o l l e c t s i nt h es o f t w a r e f i e l d ，w e i n t r o d u c es o m eb a s i c a l g o r i t h m s f o r e s t i m a t es o m et r a f f i cd a t a t h e n ，w ep r e s e n tt w ok e yd y n a m i ct r a f f i c c o n d i t i o ne s t i m a t i o na l g o r i t h m sa n dt w ok e ys t a t i ca l g o r i t h m s a tl a s t ， w es h o ws o m ei t s a p p l i c a t i o n s v e h i c l es t a t u si n c l u d e sv e h i c l e s p e e d a n da c c e l e r a t e d s p e e d v e h i c l e sr u n n i n go nt h er o a dm a yb ea f f e c t e d b yt h ee n v i r o n m e n t ， i n c l u d es e c t i o nc a p a c i t y , v e h i c l es t r e a md e n s i t y , t h es p e e do fv e h i c l e s a r o u n da n dt r a f f i cc o n t r o ls i g n a l s e s t i m a t i o no fq u e u el e n g t ho nt h ei n t e r s e c t i o n ，w e a n a l y z e t h e t r a f f i cv o l u m eo fu p p e ra n dl o w e ri n t e r s e c t i o n i na d d i t i o nt ot h e a l g o r i t h m ，w ea n a l y z et h er e s u l t ，a n dg e ts o m ei m p r o v e m e n to ft h e a l g o r i t h m i nt r a f f i cr o a dn e t w o r kb o t t l e n e c ka l g o r i t h m ，w eu s ea ne x a m p l et o s h o wt h ea l g o r i t h mf l o w o d a r r a y i s i m p o r t a n t i n f o r m a t i o nf o rt r a f f i c p l a n n i n g a n d p r o j e c t i o n n o r m a l l y , o da r r a yi s e s t i m a t e db ym a n u a li n v e s t i g a t i o n h e r e ，w ei n t r o d u c ea n a u t o m a t i c g e n e r a t i n ga l g o r i t h m o fo d a r r a y i nt h ee n do ft h i sa r t i c l e ，w ei n t r o d u c et w oa c t u a li t sa p p l i c a t i o n s ： t r a f f i ci n f o r m a t i o n p u b l i s h i n gs y s t e m a n dt r a f f i cs i m u l a t i o ns y s t e m 上海交通大学碗士学位论文摘要 k e yw o r d s ：i t ss y s t e m ，d e t e c t o r , v e h i c l es t r e a m ，q u e u el e n g t h ， o d a r r a y 附件五 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密日。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：冬姻指导教师签名：嘲j 新 日期：妒1 年1月1 v 日日期：们，年f 月扩日 附件四 上海交通大学 学位论文原创性声明 鼽6 4 1 j 6 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 谰 j绎朋 ：口月 名 签 u j 桃 年 作 哆 文 妒 坡 一 位 期 上海交通大学硬士学位论文第一章t s 系统简介 第一章it s 系统简介 智能运输系统( i t s ，i n t e l l i g e n tt r a n s p o r ts y s t e m s ) ，在2 0 世纪9 0 年代随着 计算机技术以及人工智能技术的迅速发展，日益为世人所瞩目。早在2 0 世纪 的3 0 年代，当时美国通用汽车公司和福特公司倡导和推广的“现代化公路网”， 可以认为是现代智能运输系统的雏形。在2 0 世纪6 0 年代出现的静态路径诱导、 计算机交通控制技术等都可谓是i t s 最早的应用。不过，由于当时科学技术， 特别是计算机技术并不成熟，i t s 的实用性并不明显，它的发展前景也未受到 人们的足够重视。 进入2 0 世纪9 0 年代以后，i t s 开始以惊人的速度发展，许多发达国家争先 恐后的投以巨资进行i t s 的研究与开发。经过十余年的激烈竞争，国际i t s 领 域已形成美国、欧洲和日本三强鼎立的局面。“美国智能运输协会( i t s a m e r i c a ) ”，“欧洲道路运输通信技术实用化促进组织( e r t i c o ) ”和日本的“道 路、交通、车辆智能化推进协会( v e r n s ) ”成为了世界上最有影响力的i t s 推进组织。 1 1 智能运输系统的基本概念 在各种i t s 的研究组织中，对i t s 的定义也各不相同，至今也没有一个明 确的定义。各个组织对i t s 的理解虽然各有差异，但共同点是主要的。可以归 纳为：智能运输系统是人们将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子控制 技术、传感器技术以及计算机处理技术等有效地综合运用于整个运输体系，从 丽建立起的一种在大范围内、全方位发挥作用的实时、准确、高效的运输综合 管理系统。其目的是使人、车、路密切的配合、和谐的统一，极大的提高交通 运输效率、保障交通安全、改善环境质量和提高能源利用率。 1 1 1 智能运输系统的主要内容 目前发达国家的i t s 项目很多，i t s 又正处于开发试验阶段，其功能和规模 不断的发展扩大，对其构成的描述也不尽相同。日本和美国都对i t s 进行了明 确的分类。 兰型型丝墼 塑坠墨型 曰本把i t s 分为九个领域。 先进的导航系统。为了使驾驶员在驾驶中可以采取最佳的行动、分散交 通流、为驾驶员提供便利，通过可进行双向通信的导航器系统或信息提 供装置，将经由路径的堵塞信息、所需时问、交通管制信息、停车场的 满空信息等及时提供给驾驶员。 自动收费系统。为了解决收费道路收费站的堵塞，以及通过实现无现金 化、为驾驶员提供更多的便利和减少管理费用，在收费道路的收费站实 施无需停车的自动收费。 协助安全驾驶。为了将事故防患于未然，通过车辆及道路的各种传感器 收集道路和周匿车辆的状况等驾驶环境信息，通过车载机、道路信息提 供装置等适时地将这些信息提供给驾驶员，并进行危险警告。此外，通 过在车辆上设置自动控制功能，判断自身车辆及周围车辆的位置、动向、 障碍物等信息，危险时自动的实施速度控制、驾驶控制等辅助驾驶动作， 为驾驶员的驾驶提供帮助。 交通管理优化。为了提高交通的安全性、舒适性及改善环境，不仅限于 堵塞和环境显著恶化的地区，而且要在道路网络全体范围内实现最优信 号控制。 道路管理效率化。为了维持适应各地区的自然、社会条件的安全、通畅、 舒适的道路环境，准确掌握道路状况，实施作业时间的判断、作业车辆 配置的最优化。在发生灾害时，掌握道路设旌及周围的受灾情况，实施 道路修复车辆的高效配置、建立迅速且切实的修复体制。 协助公交车辆运营。将各公共交通部门的运营情况、拥挤情况、乘车费、 停车场等信息发送至出发前的家庭、办公室的终端，或移动中的车载机、 携带终端机及设置在道路、终点站、公共汽车站、高速公路服务区等的 信息提供装置上，以帮助公共交通利用者选择最佳的出行、换乘方式及 出发时间，同时使各个交通部门实现最佳调度。 商用车效率化。为了提高运输效率、降低业务交通量、提高运输安全性， 实时地收集卡车、观光车辆的运行状况，作为基础数据提供给运输者， 为运行管理提供支援。 协助行人。通过使用便携式终端、磁、声音等各种设施和道路引导设备， 保证老弱病残的旅行安全。此外，在行人横穿道路时可通过便携式终端 延长绿灯时间，为行人提供帮助。 协助紧急车辆运营。在灾害、事故等发生时，车辆自动的将紧急信息通 知有关部门，以大幅缩短确定灾害、事故发生地点所需的时间，实时迅 上海交通大学硕士学位论文 第一章t s 系统简介 速且有效的救援活动。 在日本，针对社会老龄化的现象，特别在i t s 中强调了保障行人安全。 而在美国，智能运输协会把i t s 分为7 个大系统。 先进的交通管理系统( a t m s ，a d v a n c e d t r a f f i cm a n a g e m e n ts y s t e m s ) 。 主要指先进的监测、控制和信息处理系统。 先进的旅行者信息系统( a t i s ，a d v a n c e d t r a v e l e ri n f o r m a t i o ns y s t e m s ) 。 主要是对交通出行者提供及时的信息服务。 先进的公共运输系统( a p t s ，a d v a n c e d p u b l i ct r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ) 。 采用各种智能技术促进公共运输业的发展，包括公共车辆定位系统、客 运量自动监测系统、行驶信息服务系统、自动调度系统和电子车票系统 等。 商用车辆运营( c v o ，c o m m e r c i a lv e h i c l eo p e r a t i o n ) 。是专为运输企业 ( 主要是经营大型货运卡车和远程客运汽车的企业) 提高盈利而开发的 智能型运营管理技术，目的在于提高商业车辆的运营效率和安全性。 先进的车辆控制( 和安全) 系统( a v c s 或a v c s s ，a d v a n c e dv e h i c l e c o n t r o la n ds a f e t ys y s t e m s ) 。主要指智能汽车的研制。先进的车辆控制 系统包括事故规避系统和检测调控系统等。 自动公路系统( a h s ，a u t o m a t e d h i g h w a ys y s t e m s ) 。自动公路系统是更 高级的智能车辆控制系统和智能道路系统的集成汽车自动驾驶系 统。 先进的乡村运输系统( a r t s ，a d v a n c e d r u r a lt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ) 。 是根据乡镇运输的特殊需要，其他各类i t s 系统在乡村环境下有选择性 地运用。 从日、美两国对i t s 系统的分类来看，在基本的内容上是相同的。从世界 范围看，i t s 所涵盖的内容也大体相同。 1 1 2 我国的智能运输系统体系结构 虽然我国的i t s 推进组织还没有明确建立，国家i t s 体系结构开发尚未完 成，但不等于说我们就没有开展系统体系结构开发和i t s 标准化工作。 从用户的分类来看，中国i t s 用户可以基本分为7 个大类，如下表所示： l类别用户 l 基础设施建设与管理部门各级政府公路管理部门 i 高速公路管理公司 = 圭塑塑型兰丝丝苎 星! 塑型壅坠 货运部门 汽车愿输公司 铁路货运机构 航空货运机构 港口运输机构 客运部门汽车运输公司 铁路客运机构 航空客运机构 水路客运机构 公共安全负责部门公安机关 消防部门 急救中心 产品，服务提供部门汽车制造商 汽车维修商 通信和信息产品制造商 系统集成商 普通消费者驾驶员 过往客商 旅游观光者 老弱病残等特服人员 相关团体规划部门 学术机构 环境保护组织 c h a r t 1 1i t su s e re l a s s i f i c a t i o n 这些用户所希望i t s 能提供给他们的服务就是中国i t s 需提供的服务功能。 按照目前的国内研究水平，可以把众多的服务功能归纳为5 个子系统。 系统名称服务功能 交通监控与管理交通监视 交通控制 城市出入口控制 信息服务路线引导服务 旅行者信息服务 出行信息服务 兰型壁丝丝 塑坠塑丝 驾驶员信息服务 安全保障 事故报警 事故响应 应急车辆管理 行车安全警报服务 纵向、横向防撞 自动驾驶 电子收费人工收费 半自动收费 不停车收费 运输管理快速客货运服务 电子数据交换 运营车辆调度管理 自动调度系统 公共交通服务 表1 - 2 i t s 服务分类 c h a r t 1 2i t ss e r v i c ec l a s s i f i c a t i o n 这5 个子系统实际构成i t s 的逻辑功能结构。功能的请求与实现伴随着信 息流动，按照信息的采集、传递、处理、利用过程，可将i t s 划分为4 个层次： 物理层、传输层、处理层和服务层。 物理层包括各种基础设旌。根据5 个功能子系统，可以粗略的判明他们所 可能以来的物理基础。 服务功能物理基础 交通控制与管理环形检测器、摄像机、紧急电话、标志、标线、交通 信号机、信息处理计算机、通信网络和设备、巡逻车 电子收费车载标志卡、微波读写设备、摄像机、收费处理计算 机、通信网络和设备、银行结算网络 集成信息服务可变信号标志、语音广播接收机、数据终端、车载数 字地图导航设备、电子公告牌、双向信标 运输服务无线通信网络设备、g p s 车辆定位设备 安全保障紧急电话、环形检测器、摄像机、清障车、巡逻车、 车载报警设备、车辆数据记录仪、防撞雷达 表1 - 3 i t s 物理层 c h a r t 卜3i t sp h y s i c a ll a y e r 兰塑塑堑型墼堑二茎里型 传输层负责信息的双向( 有时是单向) 传递，是信息层与处理层之间流动 的桥梁，它将物理层和处理层紧密联系起来。借助传输层可以实现信息的充分 利用和共享。 处理层是体系结构中最活跃的个层次。信息经物理层采集后传递到处理 层，处理层负责信息的再加工，包括信息的检索、分类、转储和更高级的自适 应控制、模式识别、人工智能、辅助决策、事故预测等。处理后的有效信息和 指令再通过传输层传递给物理层，物理层响应之后就体现出某种具体的服务功 能。 服务层是一个抽象的层次，它体现i t s 的服务功能，而服务功能的具体完 成是依靠物理层、传输层、处理层来实现的。当i t s 中的用户请求某项服务功 能时，请求信息经物理层采集之后由传输层传递给处理层，处理层在识别出请 求信息后向服务层发出服务请求，服务层针对申请服务的种类给处理层发出相 应的指令，处理层受到服务层的指令后，从信息库中取出相应的信息，随同指 令经传输层到物理层后，物理层向用户提供它所请求的服务。服务层是体系结 构中集中反映服务功能的层次。 1 2i t s 系统中的主要技术 i t s 是人们将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子控制技术、传感器 技术以及计算机处理技术等有效的综合运用于整个运输体系所得到的新型运 输系统。在这里，我们选择一些i t s 中最常用的技术，介绍其最基本的概念和 与i t s 关系最密切的内容。 计算机网络。计算机网络是计算机技术和通讯技术紧密结合的产物。在 i t s 系统中，由于各种交通信息和管理信息分布于各处，它们通常通过 计算机网络来实现信息的汇总和集中处理。 通讯技术。通讯技术被用来传输i t s 系统中的各种信息，是计算机网络 的底层硬件实现。 传感器技术。许多交通信息的检测都需要使用传感器技术。它将各种非 电量的参量，如磁、频率、波等转化为电量，然后通过点的方法进行检 测和控制。 显示技术。显示技术可用于公共场所的信息显示，如车站站牌、车内信 息显示板，也可以通过大屏幕为管理、决策人员提供信息显示，如在调 度中心，有相当一部分信息需要及时、快捷、直观的提供给生产调度人 i 海交逶大学碗士学位论文 第一章t s 系统简介 员和经营决策人员。 人工智能。人工智能在控制领域中的应用，产生了智能控制技术，如专 家控制、知识控制、神经控制及模式控制等。它为各种交通应用的自动 控制提供了基础。 自动车辆定位。自动车辆定位的主要目的在于自动地找出某部车辆在特 定时间的位置，主要应用于车载导航系统、车队管理系统，提供公共运 输的吸引力、方便性及可靠性。 自动车辆识别。自动车辆识别( a v i ，a u t o m a t i cv e h i c l ei d e n t i f i c a t i o n ) 是当车辆通过某一特定地点时，自动将该车的身份识别出来的技术统 称。车辆的身份，指车辆本身的代表符号以及固有的属性。在a v i 系 统中，有些采用传统的车牌识别，但更多的采用条形码、电子车牌、电 子识别卡和智能卡等技术。 地理信息系统。地理信息系统( g i s ，g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ) ， 也称为土地资源信息系统，是以地理空间数据库为基础，采用地理模型 分析方法，实时提供多种空间的和动态的地理信息，为地理研究和地理 决策服务的计算机技术系统。 i c 卡技术。i c 卡( i n t e g r a t e d c i r c u i tc a r d ) 是一种微电子类产品，将一 个集成电路芯片镶嵌在塑料基片中，封装成卡的形式。i c 芯片具有写 入数据和存储数据的功能。在i t s 系统中，i c 被使用在高速公路收费 系统、公共交通收费系统、动态限速管理及车辆数据存储等各种需要进 行数据存储和交换的场所。 e d i 技术。e d i 技术( e l e c t r o n i cd a t ai n t e r c h a n g e ) ，是计算机到计算机 之间的结构化的事务数据交换，是通讯技术和计算机技术发展的结晶。 1 3 本文内容简介 在本文中，我们以一个交通信息采集系统为框架，介绍该系统的各个组成 部分，包括硬件组成、数据库构造、算法实现以及前台的应用等。 交通信息采集系统，包括了对城市道路的信息收集、城市交通路口动态信 息的采集、交通状况的动态分析、交通历史数据的静态分析以及信息发布等各 个部分。 在后面的各个章节中，将对该系统的硬件设施和软件系统进行介绍，并重 点描述了些对城市交通状况进行评估以及对交通历史数据进行分析的算法。 上海交通大学硕士学位论文第一章t s 系统简介 并以实际采集到的数据为基础进行计算，给出各种算法的结果。同时，在最后 一个章节中，将介绍一些基于该信息采集系统的i t s 实际应用。 i 海交通大学硕士学位论文 第二章信息采集系统的机掏层次 第二章信息采集系统的结构层次 流量采集有广义和狭义之分。狭义的流量采集，指对道路上的交通流量信 息进行采集的过程。而广义的流量采集，可以包括各种采集手段，以收集到陆 上交通流量信息作为目标，并对采集的流量信息进行处理和分析，最后提供给 各种不同种类和目的的用户。本文所指的流量采集，是后者。 在这一章里，我们首先对整个采集系统的结构进行介绍，并提出一些系统 实现中的关键部分。 2 1 软件结构层次介绍 交通流量采集系统，分为硬件采集和软件处理两个部分。硬件采集，主要 是通过各种传感器以及交通信息收集装置，对道路上的交通信息以及车辆的信 息进行收集。而软件处理，它的主要功能是对城市或者高速公路的交通流量数 据进行分析和存储。 整个系统的结构可以分为四个层次，其中硬件为一层，而软件分为三层。 如图： 流量聚集地竹 一 艇n 絷垃 菊：联 第：i 继 坎卅 图2 - 1 采集系统层次结构 f i g 2 - 1c o l l e c t i n gs y s t e ms t r u c t i o n 在软件部分中，三个层次分别为：原始数据层、流量分析层和应用层。其 中，前两层提供了对交通流量数据的采集、分析和存储的方案，而第三层是各 种交通应用程序，而这些应用都是基于前两层得到的交通流量数据的。 兰塑鲨型丝坐丝釜三兰笙鲨型丝型 与i t s 系统以信息处理阶段所划分的四个层次比较，可以如下图来理解： t t s 最篾藏融来黎乐统 物艘坯 壤伟最缝 镗翰毯 驻娘数据层 处理罄 数据分昕挝 弼羽菇j - j 啊屡 表2 - i 采集系统与i t s 系统的层次关系 c h a r t 2 - 1r e l a t i o nb e t w e e nc o l l e c ts y s t e ma n d i t ss y s t e m 我们把物理层和传输层都归为硬件系统中，而把处理层分为原始数据层和 数据分析层，而最后的应用层不变。 之所以把信息处理分为原始数据层和数据分析层，是因为在对交通流量数 据进行分析时，由硬件系统提供的数据会因为采集手段的不同，使交通数据在 量纲和统计意义上产生差别。因此，我们设立原始数据层，对这些数据进行换 算，使数据分析层能够得到在格式、量纲和统计意义上都统一的数据。而分析 层在得到了经过初步加工的数据后，使用各种算法对交通信息进行分析，或者 把数据存入数据库。 下面，对软件部分的三个层次分别作个介绍。 2 1 j 原始数据层 原始数据层统计从各种流量采集硬件中得到的交通信息，并以统一的形式 提供给分析层。 原始数据层主要完成的功能有： 提供基于s c a t s 系统的流量采集方案。s c a t s 系统是一个使用相当广 泛的城市交通控制系统，国内以及国外许多城市都使用s c a t s 系统。 提供基于s c a t s 系统的流量采集方案，能够充分利用s c a t s 原有的采 集装置，可以节省大量的时间、人力、物力，使流量采集系统能够在安 装了s c a t s 系统的城市非常便捷的使用。 提供各种交通数据采集硬件的通讯接口。不同的路口可能受到周围环 境、经济条件、路口本身限制等各种因素的影响，而必须采用不同的流 量采集方案和硬件系统。因此，原始数据层必须能够为现有的各种采集 装置提供接口，并为将来可能出现的各种采集装置预留接口。 把各种不同类型的交通数据转换为标准的数据。相同的检测对象，采用 不同的采集装置可能得到不同的数据，它们之间可能是单位换算的差 别，也可能是统计意义上的区别。采集系统应该为这些数据提供换算的 方法，使分析层得到的是统一的数据单位和意义。 上海交通大学硕士学位论文 第二章信息采集系统的机构层次 人工或者半人工的交通数据配置。作为分析层的数据提供者，原始数据 层不但应该提供从道路上实时采集的各种交通数据，还需提供用于分析 算法的各种道路基本信息。由于这些信息可能会发生一些变化，比如道 路的拓宽、双行道改单行道等，都会对道路的数据以及分析算法产生影 响。这些信息，可以通过人工输入的方法，使系统能够及时修改变更了 的道路信息，使软件易于维护和使用。 定义一个交通数据基本集和一个交通数据扩充集。所谓基本集，是交通 流量分析所必需的基本数据，是分析层进行交通状况分析的必要数据。 而扩充集则是除了基本集所需要的数据以外，采集系统能够为分析层提 供的其他有助于进行交通状况分析的数据。定义这两个集合，主要是为 了给分析层提供标准的数据接口。 原始数据层提供给流量分析层的数据，可以有： 路口实时相位信息。即城市中各个路口实时的运行情况，包括信号灯状 态、周期长度、线性控制偏移量等信息。 路口车道车流信息。可以包括路口上各条车道当前的平均车流量、车流 速度、车道密度、排队长度等信息。 路段中的车流信息。在路段中的车道当前的平均车流量、车流速度、车 道密度等信息。 静态交通信息。包括各个路口的地理信息、车道数、车道通行状态、公 路车速限制等。 2 0 ! 2 数据分析层 数据分析层是软件的核心部分。它完成对动态流量数据的分析，给出当前 交通状况的各种评估；同时，他以标准的格式对流量数据进行存储，使这些数 据能够作为历史数据，提供给决策者或决策系统。 数据分析层的主要功能有： 接收原始数据层的动态数据集，包括基本集和扩充集。如果原始数据层 没有提供完整的扩充集数据，那么根据已有的数据，计算并填充扩充集 中没有提供的那些数据的估计值。 根据基本集和扩充集中的数据，以及原始数据层提供的静态道路信息数 据，采用简单但快速的算法，对动态交通状况进行分析。 整理收集到的交通数据，并把这些数据存放入数据库，作为历史数据存 储。 上海交通大学硕士学位论文 第二章信息采集系统的机构甚次 规划和维护历史数据库。由于实时交通信息数据种类繁多，数据量也比 较庞大。因此，作为历史数据库，不可能把所有的数据都记录下来。系 统应该根据数据的时效性、可利用性等，选择适当的数据进行存储。 数据分析层使用各种理论和算法，对交通状况进行评估。对应不同的目标， 以及不同的数据，分析层应该选择不同的算法。同时，如果原始数据层不能提 供一些扩充集中的数据，分析层就必须根据现有的数据，计算出扩充集中必需 的一些数据的估计值。 下面列出的是一些估算流量数据的基本算法。 路段入口流量统计。许多采集系统的流量收集方案是在路口的出口处放 置检测器，因此采集系统不能确切统计路段的输入车流量。所以，一般 采用统计上游路口主要车道的流量，或者对上游路口各个输出车道进行 加权平均，作为当前路段的输入车流量。 时间平均速度转换为空间平均速度。空间平均速度在流量分析中比较常 用但不易于测量，而时间平均速度交易与测量。因此，通常能够从原始 数据层得到的是时间平均速度，而分析层则再转换成空间平均速度。 道路最大车流量。虽然道路最大车流量可以根据道路设计的流量来确 定，但是随着时间的推移，道路可能因为路面状况、周围环境等因素而 使得车道的最大流量已经达不到设计时的流量。因此，每过一段时间( 比 如一天或者一个星期) ，就要根据这段时间内实际的流量变化来估计车 道的最大流量。 车流密度。所谓车流密度，指车道单位长度上的车辆数。由于车流密度 不是对应于一个点上的流量数据，一般的定点流量采集装置不能够测 量，因此通常需要以车道时间占有率来进行估算。 路口排队长度。车辆在路口的排队长度，能够较真实的反映路口的通行 状况，也是交通状况的重要参数。但是，同车流密度一样，定点流量采 集装置不能够测量。因此，也需要提供适当的算法估计路口的排队长度。 在有了基本集和扩充集中的数据，分析层就能够对当前的交通状况进行分 析，他的动态数据输出可以有： 车道饱和度d s 。车道饱和度是反映车道当前的利用情况的。当d s 为 1 0 0 时，表明车道已经达到饱和。当d s 超过1 0 0 时，车道上的拥塞 现象应该就比较严重了。 车辆行程时间。车辆行程时间可以有车辆在两个相邻路口之间的预计行 程时间和车辆在起迄点之间的预计行程时间。前者加入了路径信息后就 能够根据车辆的行驶路径计算后者的行程时间。这对于诱导系统和信息 上海交通大学硕士学位论文 第= 章信惑采集系统的机构罄次 发布系统有实际的意义。 路口通行能力评估，即对各个平面交叉路口的通行能力进行评估，得出 是否通畅，或者分等级来反映路口的通畅或拥塞程度。 主干道通行车辆的各种参数，比如车辆通过主干道的平均停车次数、平 均排队等待时间、平均车速、行程时间，甚至平均尾气排放量等等。这 些数据能够给各种管理部门提供有效的数据支持。 除了上面介绍的对动态交通数据的处理，数据分析层还有一项工作就是对 存放历史数据的数据库进行构造和维护。历史数据与实时动态数据的主要区别 在于数据的时效性。把实时动态数据存放在数据库中，那么这些数据就成为了 历史数据的一部分。 保存历史数据是为了对交通数据进行横向的比较，或者以历史数据对道路 的改建等各种行为进行分析决策。因此，作为数据的使用目标来说，动态交通 数据和历史数据也有着较大的差异。数据库的构造主要考虑以下几个方面： 对不同时效的数据，提供不同的存储方案。比如，对一个月以内的数据， 可以按照原始采集系统的时间间隔来存放。而一年以内的数据，可以以 5 分钟或者更长的时间间隔来存放。 提供面向决策支持的数据仓库。可以把作为历史数据保存和维护的数据 库系统和作为决策者决策支持的数据仓库分离开来。这样做是因为这两 种数据库的应用1 i l 标完全不同，所完成的功能也不同。因此，分开存储 和维护能够更有目的性。 2 1 3 应用层 应用层，是对交通流量数据的实际应用部分。用户可以根据自己的需求， 完成不同的应用模块。 应用层可以分成两类：动态的应用和静态的应用。所谓动态的应用，就是 基于实时流量信息和实时交通状况的应用。比如，交通流量信息发布、以最短 行程时间为目标的导航系统、交通控制系统等。而静态的应用，是基于分析层 所提供的静态历史数据，进行数据分析和挖掘。 下面列举的是一些动态应用： 实时交通信息报告：这个应用面向的是交通管理部门，能够对预先设定 的特殊事件，l p 女i 道路拥塞、突发事故、控制系统故障等，向交通管理 部门进行及时报告。同时，可以利用摄像头等手段将图像等直观信息提 供给管理人员。 兰塑巡丝墼 笙兰笙壁堑丝丝燮 实时交通信息发布：这个应用面向的是出行者。实时的流量信息，是对 当前城市交通状况的反映。因此，如果能够把这些交通信息通过各种手 段发布给出行者，就能够使出行者了解各个路口的交通状况，并选择较 为通畅的路段行驶。 交通诱导系统：这个应用面向的同样是出行者。交通诱导比实时信息发 布更进一步，系统通过对当前各个路口的交通状况以及出行者提供的当 前位置和目的地的分析，动态的提供最佳行驶路径。如果结合g p s 、 g i s 、车载电脑等系统，就能使交通诱导系统广泛应用在各种车辆上。 交通控制系统：这个应用面向的是交通系统本身。控制系统的运作方式 一般为，首先对路口的交通状况进行分析，然后对路口的控制方案进行 决策，给出适合当前交通状况的控制方案。因此，流量采集系统所提供 的动态数据，可以为交通控制系统提供实时的交通状况。 对于分析层所提供的历史数据，同样有丰富的应用： o d 调查：所谓o d 调查，就是对交通流的发生和目的地进行调查。通 过o d 调查，就能够大致了解不同时间交通流的流向、流量以及目的地。 以往的o d 调查通常采用问卷调查的方式。历史数据库中对流量的纪 录，也能够反映出o d 情况。这种调查方式不但能够节省大量的人力物 力，而且比人工调查更全面、更具体。 主干道瓶颈分析：主干道是城市交通的命脉。在主干道上发生拥塞，通 常都是因为在个别路口上存在交通瓶颈。通过对历史数据的分析，找出 主干道上车辆通行的瓶颈所在，就能够有针对性地对瓶颈进行改造，使 主干道的通行能力上一个台阶。 交通规划系统：交通规划，是在公路交通进行建设或改造前，对将要建 造的交通模型进行规划设计。如果能够对历史数据进行分析，并在仿真 系统上论证，就能够更好的观察新建模型的实际效果，拟定出适合的方 案。 交通仿真系统：交通仿真系统，是运用计算机模拟的方法，以数字或者 图像模拟的手段，对交通进行仿真。仿真系统能够对交通状况进行模拟， 并作出评估，所以在规划和预测方面有一定的使用价值。分析层提供的 历史数据，能够提供给仿真系统，作为真实流量数据，使仿真系统更加 切合实际情况。 上海交通大学硕士学位论文 第三章采集硬件系统及数据 第三章采集硬件系统及数据 本章介绍的是采集交通流量信息的一些硬件设施，以及这些硬件设施所能 够采集到的交通信息。 3 1 硬件结构 一个城市的交通信息采集系统，包括设置在路口的流量采集硬件、流量收 集服务器、流量分析服务器、存放流量数据的数据库服务器以及为终端用户提 供的显示的服务器。而当一个城市规模比较大，路口比较多时，可以把城市分 成一些较小的子区。每个子区有各自的路口流量采集硬件和流量收集服务器。 而流量分析服务器通过接受各个子区的流量收集服务器上的信息，综合的对整 个城市的路口以及道路状况进行分析。 一个完整地流量采集系统、子区的具体结构如图所示： 图3 - 1 硬件系统结构 f i g 3 - 1h a r d w a r es y s t e ms t r u c t u r e 上海交通大学硬士学位论文 第三章采集硬件系统及数据 不同的硬件分别负责不同的功能： 流量采集硬件：包括各种不同的传感器，以及把传感器采集的信号转换 成交通信息的硬件系统。 子区的流量收集服务器：每一个子区有一个流量数据的中转服务器，负 责对该子区中所有路口和道路的流量信息进行统计，并完成一些简单的 数据转换工作，然后提交给流量分析服务器。 流量分析服务器：负责对原始的流量信息进行分析。 数据库服务器：把流量数据以及一些分析后得到的状况信息存放在数据 库中，以备作为历史数据使用。 显示服务器：为终端用户提供各种路口信息。比如，大屏幕的数字地图 显示、路口视频信息的显示、路口拥塞程度的显示、交通模拟系统的显 示等。 如图所示，各个硬件从系统的层次上来分，有如下的对应关系： 表3 1 硬件各部分与系统层次的关系 c h a r t 3 - 1r e l a t i o nb e t w e e nh a r d w a r ea n d s y s t e ml a y e r 3 2 流量采集硬件设施介绍 流量采集的硬件设施，指的是在路口或道路上的流量采集设备。随着全球 i t s 产业的不断发展，出现了各种不同种类和不同功能的流量采集硬件设施。 其中比较常用的有感应线圈、超声、激光、摄像头等。这些装置采用不同的原 理对流量数据进行检测，同时，他们所能够检测到的数据种类以及成本也是各 不相同的。 3 2 1 传感器技术 传感器，是指能感受到规定的被测量量并依据一定的规律转换成可用于输 出信号的器件或装置。广义的传感器可以是任意能够感知某一物理量( 或化学 量，生物量，) 的信息，并能将它转化为有用的信息的装置。狭义的传感 器是指能将各种非电量转化成电信号的部件。这是因为现代化技术中电信号是 最适合传输、转换、处理和定量运算的物理量。特别是在电子计算机作为处理 兰垄垄望拦堡兰兰堡墼 笙兰壁鲻垂丝塑 信号的基本工具的时代，总是力图把各种被测量量通过传感器最终转换成电信 号进行处理。 传感器一般是利用物理、化学和生物等学科的某些效应或原理按照一定的 制造工艺研制出来的。因此，传感器的组成将随不同的情况而有较大差异。但 是，总的来说，传感器是由敏感元件、传感元件和其他辅助部件组成的。 i t s 是一个汇集了众多高科技的大系统，传感器技术是其中一个重要的组 成部分。 磁性传感器。磁性传感器主要根据磁性物理量的变化情况，通过对磁 性标记的反应，来测量有关的物理量。如通过埋设在路表的磁钉与镶 嵌在汽车底盘的磁性传感器相互作用力大小的测量可以检测出车辆对 于车道中心的偏移。 图像传感器。图像传感器主要是指有关的图像处理设备，用以辨别道 路的标线、检测前后的车辆和检测道路上的障碍物等。如c c d 摄像机 就是一种图像传感器，它将拍摄到的图像传输到图像处理中心，经过 处理后，可以得到车辆偏离程度和与前面车辆的距离等数据。 雷达检测器。雷达检测器是根据多普勒效应原理工作的。它是由安装 在车上或道路上的检测器发射一微波束，当遇到车辆或其它障碍时， 波束反射回天线，利用车辆进入检测区和离开检测区时所产生的两个 脉冲，即可换算成所需的交通参数，如车速、交通量等。 超声波传感器。超声波传感器的工作原理是这样的，首先由传感器发 射一束能量到检测区，然后接受反射回来的能量束，通过相关的换能 装置，将能量束转换成所需的数据，依据此数据判别被检测物是否存 在或与传感器的相对位置等。 红外传感器。红外传感器使用发射、接收器，发射光束并接受反射光 束，通过反射频率的变化进行对所需数据的检测。 3 2 2 传感器的应用 上面介绍的几类传感器主要应用在以下几个方面； 车辆检测。车辆检测传感器用来检测车辆的存在或通过。这类传感器 可以分成三大类 磁频车辆检测器，包括感应( 环形) 线圈检测器、磁性检测器、地 磁检测器、微型线圈检测器、磁成像检测器和摩擦电检测器。 波频车辆检测器，包括雷达( 微波) 检测器、超声波检测器、光电 上海交通大学硪士学位论文 第三章采集硬件系统及数据 检测器和红外检测器等。 视频车辆检测器，实际是由车辆检测技术、摄像机和计算机图像处 理技术结合构成的视频车辆检测系统。这是更先进的车辆检测技 术。 车辆识别和分类。感应线圈车辆检测器和视频车辆检测系统等用于车 辆检测的传感器也可以应用于车辆的识别和分类。另外，用于车辆识 别的传感器还有光学式传感器和平面音感微波式传感器等。 车辆控制。车辆传感器有控制车辆运行、驾驶状态操纵、检测车辆运 动和异常状态监控等应用。 环境信息检测。这类传感器主要利用超声波、电波、光波等原理制成， 用来检测车辆周围的车辆、行人、障碍物、路面形状和路面湿润状况 等各种情况。 危险驾驶警告。危险驾驶主要是指驾驶员处于瞌睡、过度疲劳、饮酒 等状态时，容易引起交通事故。其中，瞌睡和饮酒过度直接导致的交 通事故率很高。所以，实时检测驾驶员的异常状况并加以防止