（交通信息工程及控制专业论文）面向交通信息采集的移动通信仿真平台研究.pdfVIP

中山大学硕士学位论文 论文题目：面向交通信息采集的移动通信仿真平台研究 专业：交通信息工程及控制 硕士生：林科 指导教师：张辉讲师何兆成副教授 摘要 基于移动通信系统的交通信息采集方法，可以为智能交通的建设提供海量的基础数 据。本文着重对该技术的仿真研究平台展开研究，为下一步技术方法研究奠定基础。 文章首先回顾分析了国内外在面向交通信息采集的移动通信系统仿真方面的研究 成果，根据已有的研究经验，给出了结合交通仿真与移动通信行为仿真的平台框架。在 此框架上，选用微观交通仿真软件p a r a m i c s 作为交通仿真的核心建模工具，并着重改进 了p a r a m i c s 的路网建模流程，给出了把m a p l n f o 电子地图转换成p a r a m i c s 路网的快速 建模方法，通过编写p a r a m i c s 插件，完善了交通事件仿真功能。以g s m 移动通信系统 为参考，通过提炼简化位置更新、通话、切换及收发短信这四种通信行为的实现流程， 建立了适用于不同交通状态的移动通信行为仿真模型，并通过问卷调查的方式获得了模 型的基本输入参数。然后基于上述研究，利用面向对象的软件设计方法设计并开发了移 动通信仿真系统。最后文章选择广深高速东莞段作为实验路网，以实测的交通流数据和 调查所得的移动通信行为参数作为输入，对仿真平台进行分析验证，实验结果显示仿真 平台具有较好的合理性与稳定性，能够满足通信息采集的研究需要，具有良好的适用性。 关键词：交通信息采集；移动通信行为；仿真平台；p a r a m i o s 面向交通信息采集的移动通信仿真平台研究 t i t l e ：as t u d yo nm o b i l ec o m m u n i c a t i o nsi m u l a t i o np l a t f o r m f o rt 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 m a j o r ：t r a f f i ci n f o r m a t i o ne n g i n e e r i n ga n dc o n t r o l n a m e l i nk e s u p e r v i s o r ：l e c t u r e rz h a n gh u i ，a s s o c i a t ep r o f e s s o rh ez h a o c h e n g a b s t r a c t t h em e t h o dt oc o l l e c tt r a f j f i ci n f o r m a t i o nb a s e do nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mc a i l p r o v i d eh u g eb a s i cd a t af o ri 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 t 1 1 i sd i s s e r t a t i o nc h o o s e st h e s i m u l a t i o nr e s e a r c hp l a t f o r m 嬲i t sr e s e a r c ht a r g e t ，b u i l d su pas i m u l a t i o np l a t f o r mf o rf u r t h e r s t u d yo nt r a f f i cc o l l e c t i o n i l lt h i sp a p e r , t h ec u r r e n ts t u d i e so nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns i m u l a t i o ns y s t e mf o rt r a 筒c c o l l e c t i o na r ef i r s t l yr e v i e w e d o nt h eb a s i so fe x i s t i n gr e s e a r c he x p e r i e n c e s ，as i m u l a t i o n p l a t f o r mi sp r o p o s e d , w h i c hc o m b i n e st r a f f i cs i m u l a t i o nm o d u l ea n dm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s i m u l a t i o nm o d u l e t h e nm i c r ot r a f f i cs i m u l a t i o ns o f t w a r ep a r a m i c si sc h o s e na st h ec o r e m o d e lf o rt r 世i cs i m u l a t i o nm o d u l ea n dan e wm e t h o di su s e dt oi m p r o v eb u i l d i n gp a r a m i c s s i m u l a t i o nr o a dn e t w o r kb yc o n v e r t i n gd i g i t a lm a pi n t op a r a m i c sr o a dn e t w o r k a n dt r a f f i c i n c i d e ms i m u l a t i o ni sp e r f e c t e db ya d d i n gp a r a m i c sp l u g i np r o c e s s t l l i sp a p e rr e f e r st ot h e g s m s y s t e mt ob u i l du pam o b i l ec o m m u n i c a t i o nb e h a v i o rs i m u l a t i o nm o d e l w h i c hr e a l i z e s t h ek e yp r o c e s s e so fp e t i o l el o c a t i o nu p d a t e ，c a l l i n g ，h a n d o v e ra n ds e n d i n g r e c e i v i n gs h o r t m e s s a g e sa n dc a nb ea p p l i c a b l et od i f f e r e n tk i n d so ft r a 】陆cc o n d i t i o n as u r v e yh a sb e e nd o n e t og e tt h eb a s i ci n p u t s b a s e do nt h ea b o v ew o r k am o b i l ec o m m u n i c a t i o ns i m u l a t i o ns y s t e m i sd e s i g n e da n dd e v e l o p e do na no b j e c t e d o r i e n t e db a s i s f i n a l l y ，a l le x p e r i m e n tu s i n g d o n g g u a ns e g m e n to fg u a n g s h e nf r e e w a ya ss i m u l a t i o ns c e n a r i oi sg i v e nt oi n s p e c ta n d v e r i f yt h es i m u l a t i o np l a t f o r m ，明1 er e s u l t ss h o wt h es i m u l a t i o np l a t f o r mi sc o r r e c ta n ds t a b i l e a n dc a l lb eu s e da sr e s e a r c hp l a t f o r mf o rt r a f f i ci n f o r m a t i o nc o l l e c t i o nb a s e do nm o v i e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m k e yw o r d s ：t 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 ；m o b i l ec o m m u n i c a t i o nb e h a v i o r ； s i m u l a t i o np l a t f o r i l l ；p a r a m i c s i i 中山大学硕士学位论文 论文原创性声明内容 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己经发表或撰写过的作品成 果。对本文的研究作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。 学位论文作者签名：杯孑针 日期：加7 年月7 日 中山大学硕士学位论文 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文 的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论 文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他 方法保存学位论文。 学位论文作者签名：幸李剥 日期：卅年月7 日 -l 畎 孵 1 ) 日 y 留月 莎钐 z ， 年 轹彬 墅汜币甥师期 导目 中山大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 随着社会经济的发展，城市化、汽车化速度的加快，交通拥挤、交通事故、环境污 染、能源短缺等问题已经成为世界各国面临的共同问题。虽然不断增加交通基础设施建 设，可以一定程度缓解交通阻塞，但是各国的经验皆表明，在资源与能源及环境矛盾日 显突出的今天，持之以恒且理性地发展公共交通，城市与交通协调发展和有机整合，构 建“和谐及“节约型交通系统才是改善交通的必由之路。另一方面，现代高新技术 的进步与发展，为最大限度地挖掘利用交通系统资源提供了可能，奠定了坚实的技术基 础 1 1 。智能交通运输系统( 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 s ，简称i t s ) 正是在此背景 下产生的。 i t s 是指利用先进的信息技术、通信技术、传感技术、控制技术、系统工程技术和 人工智能技术等，对传统的交通运输系统进行改造，建立全方位、适时准确、高效安全 的交通运输系统。根据国家i t s 技术框架，i t s 包括交通控制、在途驾驶员信息、公共 交通管理、危险品及事件通告、事故管理、路径指引及导航、电子收费交易等1 0 项核 心服务。其中，交通信息系统被认为是i t s 的关键子系统，是发展i t s 的基础，i t s 进 程较快的国家和地区都无不将构筑和建立先进的交通信息系统作为重中之重加以开发 研究【l 】。交通信息采集作为先进的交通信息系统的首要环节，为交通引导、交通规划、 交通管理等交通信息服务提供了信息源和基础。 传统的交通信息采集主要是利用各种路面检测器( 如线圈、微波检测器、视频检测 器等) ，或人工调查报告( 如电话报警、交通巡逻报告等) 手段来实现。然而，传统的 交通信息采集方式，要么需要消耗大量的人力资源，要么需要大量的投资，受入力、资 金等因素的制约，我国各城市的交通管理部门仅在关键路段和主要交叉口安装了固定检 测器，安装的数量还不到所需的十分之一1 2 】，这一瓶颈将会制约交通信息服务的有效开 展。 从2 0 世纪8 0 年代开始，欧美国家便开始对浮动车技术进行研究及试验【3 j 。传统采 集技术相比，浮动车检测技术更加灵活，具有覆盖范围广、数据实时性强等优点。但是 浮动车检测需要在车辆上加装g p s 和无线通信模块，初期投资较高；另外实际操作中 面向交通信息采集的移动通信仿真平台研究 浮动车运行路线比较分散，容易导致检测样本不足，难以分析道路交通信息，因此基于 浮动车的交通信息采集范围还是会受到限制。 2 0 世纪9 0 年代，蜂窝移动通信迅速发展，无论是移动电话的用户数量还是无线蜂 窝网络的覆盖区域都达到了前所未有的高峰。1 9 9 6 年美国联邦通信委员会( f c c ) 发布 e 9 1l ( e n h a n c e d9 1 1 ) 通知，要求移动通信运营商能够对拨打9 1 1 紧急电话的手机进行 定位【4 】。手机定位的实现使得利用手机等移动通信设备作为浮动探测器进行交通信息采 集成为可能，这一技术原理与g p s 浮动车技术相似，不同的是把定位设备换成随车移 动的手机或其他移动通信设备。随着研究的深入，移动通信系统中的其他数据如手机通 话计费清单【5 1 、手机切换信息【6 】等都可以用来进行交通信息的分析采集。 比较而言，利用移动通信系统进行交通信息采集，既没有固定检测器的局限，又弥 补了g p s 浮动车检测技术由于车辆分散导致检测失效的不足，原则上只要在移动通信 信号覆盖的区域都能够实现交通信息的采集，同时，基于移动通信系统的交通信息采集 技术利用已有的通信设施，具有投资少收效快的特点。 2 0 0 9 年2 月中国互联网络信息中心( c n n i c ) 发布的中国手机上网行为报告( 简 版) 的数据显示，至2 0 0 8 年底，中国手机用户已超过6 4 亿【9 】，手机普及率呈逐年上 升趋势。广阔的移动通信网络覆盖区域，庞大的手机用户群，使得基于移动通信的交通 信息采集技术具在十分巨大的发掘潜力和广阔的应用前景。因此，对该项技术的研究具 有很好的理论价值和实用意义。 1 。2 论文的研究内容与目标 早期学者们对基于移动通信系统的交通信息采集技术的研究，多是通过实地试验进 行的。实地试验需要在移动通信系统中加入手机定位模块或信息采集模块，并对相关的 软件系统进行更新，以收集手机位置信息或手机通信信息。实地试验采集的数据无疑是 最具说服力的，但这种方法也存在一定的风险：一是前期投资高，但产出成果不明朗； 二是对移动通信系统的稳定性造成定影响。 利用计算机仿真技术来进行相关研究是一种更经济更稳妥的办法。与实地试验相 比，仿真实验具有成本低、操作简易灵活、实验可重现等优点。国内外采用仿真实验手 段进行研究的机构和学者很多，但研究重点多集中于信息采集技术本身，对所采用的仿 真系统的框架体系、模型及实现流程却描述甚少【l o 】。因此，在利用仿真手段进行基于移 动通信系统的交通信息采集技术方法的研究之前，有必要对需要搭建的仿真实验平台进 行研究。 中山大学硕士学位论文 基于上述原因，本论文旨在总结前人研究经验的基础上，建立起具有普适性的移动 通信仿真平台框架体系，提出一套简捷易用的建模实现流程，为基于移动通信的交通信 息采集技术的进一步研究奠定基础。 1 3 论文的组织结构 论文共分为六章，具体的组织结构安排如下： 第一章是绪论，即本章。介绍了交通信息采集技术的发展脉络，指出了基于移动通 信系统的交通信息采集技术的研究前景，以及进行仿真平台研究的目的及意义。 第二章回顾基于移动通信系统的交通信息采集技术的发展历程，并从技术方法和研 究手段两个方面着重介绍国内外的研究现状及已取得的研究成果。 第三章详细介绍移动通信仿真平台的整体建模流程。首先提出了交通仿真与移动通 信行为仿真相结合的平台框架结构，介绍各模块的主要功能及模块间连接关系；接着介 绍改进交通仿真模块建模的方法流程，对移动通信行为仿真模块进行详细设计，建立计 算机仿真模型：最后介绍平台的基本输入参数及获取方法。 第四章承接第三章的研究工作，介绍移动通信仿真平台的软件系统设计及实现。本 章运用面向对象的程序设计方法把仿真平台的功能和模型转换成计算机能够解析的算 法程序及对象模型，从软件系统架构到对象设计，到最后实现等各个步骤流程都进行了 详细阐述。 第五章是本论文仿真平台的应用实例分析。选用广深高速公路东莞段路网作为实验 路段，分别仿真了顺畅、缓慢、拥堵三种交通状态下车载手机用户的通信行为，并对仿 真平台输出结果进行分析研究，验证了仿真平台的合理性和适用性。 第七章是本文的终篇，总结论文的主要研究成果，并对移动通信仿真平台的进一步 研究工作及扩展研究进行了展望。 面向交通信息采集的移动通信仿真平台研究 第二章国内外研究现状 基于移动通信系统的交通信息采集技术是近年来智能交通系统领域新兴的技术，具 有广阔的应用前景和重要的研究意义。在进行本论文的讨论之前，有必要先了解整个技 术体系的发展脉络、技术细节，研究的重点及存在的难点等。本章将从技术方法和研究 手段两个方面详细介绍国内的研究进展及已取得的成果。 2 1 主要技术方法 为了提高9 1 1 紧急电话的处理效率，1 9 9 6 年美国联邦通信委员会( f c c ) 发布e 9 1 1 ( e n h a n c e d9 11 ) 通知，要求移动通信运营商能够对拨打9 11 紧急电话的手机进行定位， 并对定位精度进行要求，见表2 1 【4 】。由此，美国各大移动通信运营商、各政府部门， 以及欧美各高校纷纷开展手机定位方法的研发工作，极大推动了定位服务( l o c a t i o n b a s e ds e r v i c e s ) 发展。随着手机定位技术的日渐成熟，逐渐有学者将交通流中随车辆运 动的手机作为探测器进行交通信息采集，并对这项技术进行探讨与研究3 。 表2 1 联邦委员会对手机定位技术精度的要求( m ) t a b 2 - 1f c cg u i d e l i n e sf o rl o c a t i o na c c u r a c y ( m ) 早期基于移动通信系统的交通信息采集技术研究多以手机定位技术为基础，以手机 定位取代g p s 定位，把处于运动车辆中的手机作为浮动探测器，其主要技术思想受g p s 浮动车技术的影响较深。随着研究的深入和技术的发展，能够从移动通信系统中获取到 的信息越来越来丰富，例如手机通话计费信息、切换信息等，基于移动通信数据的交通 信息采集技术也得到较大的发展。 一4 一 中山大学硕士学位论文 2 1 1 基于手机定位的交通信息采集技术 手机定位技术有多种，根据定位参数测量和位置计算在哪个设备上进行，可以将其 分为基于移动终端和基于网络以及两者混合的定位方案。常用于进行交通信息采集的手 机定位技术主要有以下几种： ( 1 ) 基于c e l li d 的定位方法 在移动通信网络中，小区( c e l l ) 的i d 是唯一的，因为各个c e l l 的坐标位置已知， 所以如果测得c e l li d 则待定手机的位置也可以确定【1 2 - 1 4 。这种定位方法的精度很大程 度上依赖于移动通信基站( b a s es t a t i o n ) 的分布密度，定位精度在几十米到几公里。一 种改进的办法是将c e l li d 与时间提前量t a ( t i m ea d v a n c e ) 相结合。t a 是基站与手 机之间的传输时延，可以用来估算t a 与m s 之间的距离。基于c e l li d 的定位方法原理 图如图2 1 所示。 o 可能的定位区域计算得到的位置 图2 1 基于c e l l i d 的定位原理图 f i g 2 1p r i n c i p l eo fc e l l i db a s e dp o s i t i o n i n gt e c h n i q u e ( 2 ) 基于信号到达角的定位方法( a o a ，a n g l e o f - a r r i v a l ) a o a 定位方法是由两个或更多基站通过测量接收信号的到达角来估计m s 的位置 【1 2 ，1 5 , 1 6 1 。到达角等于两个基站方位角之差，由于两个基站的坐标已知，m s 的位置问题 转化为求解三角形顶点坐标。定位原理图如图2 2 中图( a ) 所示。由于多径效应的影响 该方法的定位精度一般在5 0 3 0 0 m t l 7 1 。 ( 3 ) 基于到达时间的定位方法( t o a ，t i m e o f - a r r i v a l ) t o a 的定位方法由三个或三个以上的基站的信号到达时间计算m s 与基站的距离， 以基站为圆心距离为半径，计算三圆交点坐标即为m s 的坐标【1 6 】。t o a 定位方法要求 面向交通信息采集的移动通信仿真平台研究 基站间有精确的同步时钟。定位原理图如图2 2 中图( b ) 所示。无线信号受反射、散 射和多径效应的影响，该方法的定位精度一般在5 0 2 0 0 m t l 7 1 。 b s 2 ( a ) s t a t i o n 图2 2 基于网络的定位原理图 f i g 2 - 2p r i n c i p l e so f n e t w o r k - b a s e dp o s i t i o n i n gt e c h n i q u e s ( 4 ) 基于到达时间差的定位方法( t d o a ，t i m e d i f f e r e n c e o f - a r r i v a l ) t d o a 定位是t o a 方法的改进，它计算得到m s 与两个基站之间的距离之差，根 据几何知识可知m s 必在以这两个基站位置点为焦点的双曲线其中的一条之上，用同样 的方法可以获得其他的双曲线，m s 的坐标转化为求解多条双曲线交点的坐标【1 6 1 。定位 原理图如图2 2 中图( c ) 所示。该方法的定位精度可达5 0 1 6 0 m 。 以上a o a 、t o a 和t d o a 三种方法都是基于网络的定位方案。 ( 5 ) 辅助g p s 定位( a g p s ，a s s i s t e dg p s ) a g p s 定位是通过利用无线网络提供的辅助信息( 这些信息是从一些g p s 参考站 取得的) 来帮助手机进行定位。由于卫星扫描、捕获、伪距信号接收及定位运算等工作 都放到服务器端运行，所以a g p s 具有定位速度快、抗干扰能力强等特点【l 引。a g p s 的定位精度一般在1 0 2 0 m 。 基于手机定位的交通信息采集技术的方法描述如下：通过手机定位方法获得车载手 机的位置坐标，利用地图匹配算法将定位点匹配到道路上，结合历史定位点、定位时间 间隔以及定位点间的路段长度等信息推算车辆的行驶速度、道路旅行时间等信息，进而 推断道路的交通状态。这种技术方法的关键问题主要包括定位精度、定位更新频率、定 位数据样本以及地图匹配技术等。 中山大学硕士学位论文 近期国外研究机构和学者应用手机定位手术进行交通数据采集的典型研究项目如 表2 - 2 1 2 1 所示。 表2 2 近期国外手机定位技术应用于交通信息采集概况 t a b 2 2r e c e n td e v e l o p m e n to f m o b i l ep h o n el o c a t i o nb a s e dt r a f f i cd a t ac o l l e c t i o n 2 1 2 基于移动通信数据的交通信息采集技术 移动通信数据指移动终端在通信过程中产生的各种计费信息( 如通话计费单) 、以 及移动终端与无线网络间信令交换产生的各种中间数据( 如切换信息、位置更新信息 等) 。计费信息可通信系统中有一定的保留时间，而中间数据由于对通信运营商来说没 有太大意义一般都不予保留。目前用于交通信息采集的移动通信数据主要有切换信息、 通话量、计费信息等。 面向交通信息采集的移动通信仿真平台研究 切换( h a n d o v e r ) 是指在通话过程中，为了保持通话的连续性，当手机当前服务区 基站信号强度衰减到一定程度时，手机选择新的基站作为当前服务区基站的过程。基于 切换的交通信息采集技术的基本思想是利用连续的两个切换点( h a n d o v e rp o i n t ) 和切 换点之间的路段长度，估算路段的行程速度【6 ，1 9 j 。基于切换的技术方法原理描述如图2 3 所示。当处于通话中车载手机从基站b s l 到b s 3 的过程中，在b s 2 内发生两次切换，b s2 覆盖的路段的长度除以两次切换的时间差就可以估算行程速度。 图2 3 基于切换的行程速度估算原理图 f i g 2 3p r i n c i p l eo fs p e e de s t i m a t eu s i n gh a n d o v e r s m i c h a e la l g e r 在文献 1 9 】中探讨了基于手机切换的方法获取道路交通信息的原理及 可行性，分析了切换率与道路交通速度的关系，但由于数据不足作者建议加入通话量进 行综合考虑，并与线圈数据相融合以互补不足。 r a f f a e l e 和m a t t e o 1 0 】通过仿真研究发现，手机的切换与交通流状态有关。当道路状 态为顺畅时，切换量的变量曲线比较平稳；当道路中车流缓慢时，相关路段的小区切换 量呈上升趋势。通过分析切换量的变化趋势预测道路的交通状况。另外r a f f a e l e 等人的 研究发现小区内新发起的通话量与交通量也存在类似关系。 杨飞、惠英【1 2 2 0 】等人在文献【1 2 】及文献 2 0 】中对基于手机切换定位的交通数据采集 技术中的关键技术路网标定方法进行专门研究。研究提出了一种基于切换序列分析 的切换路网标定方法，并利用实测数据分别从切换序列稳定性、切换位置精度和实际手 一8 一 中山大学硕士学位论文 机样本量三个方面对标定方法的适用性进行分析，结果表明该标定方法在开阔区域的道 路适用性较好。 p e n gc h e n 9 1 2 l 】等人利用贝叶斯网络的方法对手机切换数据进行分析，预测交通流的 状态。p e n gc h e n g 设计了两种贝叶斯网络：一种只考虑切换数据，另一种同时考虑切换 数据和流量数据，文中比较了两种方法的可行性，但未对预测精度进行校验。 y i m l 2 2 j 等在美国加州的p a t h 项目中通过实测试验发现通话量与交通量之间存在一 定的相关性，当有事故发生，事故路段呼出的通话量有上升趋势，据此可以对交通状态 进行观测。 w h i t e 和w e l l s 在文献【5 】中探讨了利用手机计费信息进行o d 调查的可行性并给出 应用实例，但由于获取的数据量有限调查效果有待进一步验证。 2 1 3 技术方法小结 上述两种方法都被证明是可行的，不同的技术思路决定两者有不同的研究重点和难 点，归纳如表2 3 ，基于移动通信系统的交通信息采集的发展成熟还需要针对这些重点 与难点进行深入研究。 表2 3 基于移动通信系统的交通信息采集技术的重点与难点 t a b 2 3t h ed i f f i c u l ta n di m p o r t a n tp o i n t so f t h et r a f f i ci n f o r m a t i o nc o l l e c t i o nt e c h n o l o g yb a s e do n m o b i l ep h o n es y s t e m 技术方法重点与难点 1 ) 提高手机定位的精度 基于手机定位2 ) 稳健高效的地图匹配方法 3 ) 定位采样间隔对交通信息估算精度的影响 1 ) 切换路网匹配 2 ) 切换量与交通信息估算精度的关系 基于移动通信数据 3 ) 切换的不稳定主孬主釜蓓：估算磊度的影响 4 ) 通话量与交通流之间的关系研究 2 2 主要研究手段 针对基于移动通信系统的交通信息采集技术的研究，包括技术可行性、主要受影响 因素、技术方法比较等【1 1 】，主要有实地试验和计算模拟仿真实验两种研究手段。 面向交通信息采集的移动通信仿真平台研究 2 2 1 实地试验 2 0 世纪9 0 年代中期，马里兰大学交通研究中心在美国华盛顿州进行实地试验【2 3 】。 试验能够获得手机的坐标，定位精度达到l o o m 以内。但是由于他们采用了过于简单的 地图匹配算法，使得路网中只有2 0 的手机的定位数据能够用来进行速度预测，预测效 果并不理想。 2 0 0 0 年，美国无线运营商( u s w c ) 在奥克兰进行实地测试获得了4 4 h 的定位数据 样本。y g n a c e 牙 n d r a n e 2 4 该数据进行分析，结果显示：如果定位精度在6 0 m 左右，则 能够得到较为理想的手机运行轨迹。而实际获取的许多定位样本误差大于6 0 m ，在所获 得的3 7 5 6 条手机运行轨迹中，6 6 的轨迹都含有一个或多个定位样本误差超过2 0 0 m 。同 时，由于手机用户平均通话时长仅为3 0 s ，定位样本过于分散，因此未能将手机定位点 很好地匹配到路段上，约有6 0 的定位样本未能正确匹配，且定位数据无法用于较长距 离的路段行程速度估算，因此也未能得到路段行程速度或行程时间。 2 0 0 0 2 0 0 1 年，p a t h 项目联合伯克利大学、法国i n t r e t s 、加利福尼亚运输局调查 研究了将手机作为浮动车用于行程时间等交通信息采集的可行性【2 2 1 。在8 0 m i l e 的路段上 布置2 1 个线圈检测受交通事件影响的车辆排队长度，同时检测呼出通话量与呼入通话 量。实测结果显示，以1 2 分钟为检测周期，随着检测到拥堵的线圈数量增加，即事件严 重程度增高，呼出通话量随之增长，二者相关系数达到o 2 6 3 ，而呼入通话量与交通状态 之间没有明显关系。 2 0 0 4 年s m i t h 【z 5 】等人在华盛顿州进行了一次实地试验，采用手机定位数据对道路的 行程速度进行预测，结果显示日间的高速公路行程速度预测值比较合理，但夜间的高速 公路行程速度预测结果较差，同时主干路的速度预测也不理想。 综观上述实地试验，虽然每个项目都取得一定的成果，但没有一个能够很好地获取 到高精度的交通状态数据【2 6 】。 2 2 2 仿真实验 与实地试验相比，仿真实验的实现更加灵活成本更低，被学者广泛用于评价基于移 动通信系统的交通信息采集技术的可行性，分析相关参数的敏感性等。 法国交通研究机构( f r e n c ht r a n s p o r t a t i o nr e s e a r c ho r g a n i z a t i o n ) 的y g n a c e l 2 7 】等人 于2 0 0 0 年采用基于离散事件驱动的交通流模型结合手机定位模型进行仿真，仿真系统 提供的手机定位精度在1 5 0 m 内，实验分析在相同交通流条件下，用不同车载手机样本 量估计路段行程时间。实验结果表明，当交通流中有5 的车载手机提供样本量时，简 中山大学硕士学位论文 单路网的路段行程时间估算误差在5 以内，复杂路网的路段行程时间估算误差在8 以 内。 l o v e l l t 2 8 】( 2 0 0 1 ) 通过仿真一个单车道的道路来验证基于移动通信网络的交通监控 技术。l o v e l l 的研究发现该技术可以预测交通流状态，但未能准确预测道路的速度。 伯克利大学的c a y f o r d 和j o h n s o n ( 2 0 0 3 ) 通过仿真检验检测周期和样本对预测结 果的影响。c a y f o r d 等结合驾驶员行为模型和换道模型对交通进行仿真，但未对无线通 信模型进行描述【2 9 】。 r a f f a e l e 和m a t t e o 1 0 ( 2 0 0 3 2 0 0 4 ) 设计的无线通信仿真系统由车辆行为仿真模块和无 线通信行为模块组成。车辆行为仿真模块采用宏观仿真模型，无线通信行为模块是一个 与交通密度有关的数学模型，通过定义服务发生率来产生用户新发起通话、结束通话、 切换等行为，发起通话与切换行为是否被服务小区接受只与该小区是否达到的最大服务 量有关。另外他们假设每辆车中只一台手机，手机的状态可能是空闲、忙、关机中的一 种。 f o n t a i n e 和s m i t h 2 9 】( 2 0 0 5 ) 通过仿真进一步研究如何去改进方法才能使基于移动 通信网络的预测结果达到预想的要求。他们仿真测试了四组由直线道路组成的路网，但 采用更加健壮的地图匹配技术，得出的结论是手机定位的精度如果能够达到g p s 的定 位精度才可能提供准确的速度估计。 2 0 0 7 年f o n t a i n e 在此基础上进一步对仿真系统进行研究，从设计思路到系统框架， 详细介绍了移动通信系统的仿真建模过程。他的仿真系统由微观交通软件v i s s i m 和移 动通信定位模块组成，v i s s i m 提供车载手机的运动轨迹，定位模块按高斯分布给手机 定位点加入干扰值，达到模拟现实系统手机定位的功能。文章利用搭建的仿真系统分别 对现实中的简单路网和复杂路网进行对比研究，分析比较地图匹配算法、样本数量对速 度估算的影响。 2 2 3 研究手段小结 从以上回顾分析可以看出，由于技术瓶颈较多和实验场地的限制，实地试验的效果 大多不理想，而各种仿真研究的重点是交通信息采集技术的实现方法、影响因素等，对 系统仿真这一研究手段本身的设计与建模研究并不多。 f o n t a i n e 等虽然对仿真建模提出研究思路，但设计的系统仅适用定位仿真，对用户 通信行为的仿真支持不足。r a f f a e l e 等对用户通信行为进行模拟，但只模拟了发起通话 及切换两种通信行为功能较单一，而且对一辆车上只有一台手机的假设限制太过严格。 面向交通信息采集的移动通信仿真平台研究 根据前文的文献回顾与分析，基于移动通信系统的交通信息采集技术仍有较的技术 难点需要解决，基于计算机仿真的研究手段相对于实地试验具有明显的优势，因此本文 综合f o n t a i n e 及r a f f a e l e 等人的研究，重点对适用于交通信息采集的移动通信仿真平台 进行研究，探讨寻找一个通用的系统框架，细化建模流程，建立稳健的仿真平台，为进 一步的交通信息采集技术研究打下基础。 2 3 本章小结 本章重点回顾了基于移动通信系统的交通信息采集技术的产生及发展历程，介绍了 该项技术的基本研究方向及国内外的研究进展。总结分析采用实地试验和仿真手段两种 不同方式进行研究的成果及其不足，从而提出本文的研究思路。 中山大学硕士学位论文 第三章移动通信仿真建模 由于实地试验耗资耗时，利用计算机仿真的方法对基于移动通信系统的交通信息采 集技术进行研究具有很大的优越性。一个良好的仿真平台对后期的交通信息采集分析研 究至关重要。良好的仿真系统既能模拟路网的交通流特性，灵活仿真各种交通事件，又 能对处于交通流中手机用户的通信行为进行很好的模拟，而且参数输入简单，功能容易 扩展性。本章内容将对这样高效的仿真平台进行详细设计，构建严谨的总体框架，梳理 各模块的功能，细化各模块的建模流程。 3 1 仿真平台总体架构 本文搭建的仿真平台主要由交通仿真模块和移动通信行为仿真模块两大部件组成。 平台总体架构如图3 1 所示。 图3 1 仿真平台总体构架图 f i g 3 - 1a r c h i t e c t u r eo f t h es i m u l a t i o np l a t f o r m 面向交通信息采集的移动通信仿真平台研究 交通仿真模块由路网建模子模块、交通仿真子模块和交通数据采集子模块组成。交 通仿真模块的核心功能是交通流仿真，既能够对宏观的交通状态进行模拟，又能微观地 反映单个车辆的运行状态( 路径选择、换道等) ，同时还能模拟交通事故、道路施工等 交通事件对交通流和驾驶行为的影响。 路网建模子模块以路网拓扑为输入，快速建立交通流仿真子模块需要的路网模型： 交通流仿真子模块以路网o d 数据、交通流中车辆组成类型、交通事件信息等数据作为 输入，仿真开始时加载交通数据采集子模块，定时收集车辆运动轨迹，同时流量、速度 等交通信息作为后期交通信息提取技术分析结果的对比数据。 移动通信行为仿真模块由数据预处理子模块、移动通信行为仿真子模块和通信行为 信息采集子模块组成。 数据预处理子模块包含三方面的功能：( 1 ) 将交通仿真模块传送的车辆行驶轨迹 根据车辆类型产生一定数目的手机，并将轨迹与手机相绑定，( 2 ) 按照移动通信基站 的布设方案产生手机通话过程中可能的切换点，( 3 ) 根据车辆轨迹分析车辆是否受交 通事件影响，受交通事件影响的车辆内的手机在通信行为仿真时将会被赋予不同的通信 行为参数。 移动通信行为仿真子模块是整个模块的核心，它的主要功能是模拟手机用户在随车 辆运动过程中，面对不同的交通状况可能产生的通话或收发短信事件，以及通话过程的 发生切换行为，另外手机主动向网络报告自身所处位置的周期性位置更新事件也在该模 块进行模拟。 通信行为信息采集子模块实时收集各种移动通信数据，包括通信行为发生的时间、 地点( c e l li d ) 、事件类型( 通话、短信、切换、位置更新) 、持续时间、手机标识等 信息，并输出存放于数据库中。 移动通信仿真平台结合了交通仿真和移动通信行为仿真，将两者组合成一个有机的 整体，交通仿真为通信行为仿真提供基础数据，通信行为仿真的结果用以交通信息采集 技术研究，研究结果可以跟交通仿真采集的数据互相比较验证，仿真平台的数据得到高 效利用，形成一个完整的框架体系。 3 2 交通仿真模块 交通仿真模块采用微观交通仿真软件p a r a m i c s 。p a r a m i c s 用于对城市道路和高速公 路路网的单个车辆运动和行为进行建模3 0 1 ，既可以精确模拟单个车辆在复杂、拥挤的交 通路网中的运行，包括车辆换道、跟驰等，又能对整体交通状况路如段平均速度、行程 时间进行宏观把握，此外p a r a m i c s 提供了基于插件( p l u g - i n ) 及其应用编程接口( a p i ) 中山大学硕士学位论文 的解决方案，方便用户读写仿真参数，扩展模型功能【3 1 1 。功能全面，操作简易的p a r a m i c s 跟本文仿真平台交通模块的设计理念十分吻合，因此本文选用p a r a m i c s 搭建交通仿真模 块。 3 2 1p a r a m i c s 概述 p a r a m i c s 是由英国q u a d s t o n e 公司开发的一套高性能的微观交通仿真工具，用于对 城市道路和高速公路路网的单个车辆运动和行为进行建模。p a r a m i c s 被普遍认可为是强 大和实用的交通建模工具，在全世界范围都有广泛的应用，例如美国、英国、加拿大、 新加坡和澳大利亚1 3 2 j 。 完整的p a r a m i c s 工具由六个成分组成：m o d e l l e r 、p r o c e s s o r 、a n a l y s e r 、p r o g r a m m e r 、 m o n i t o r 和e s t i m a t o r 。 m o d e l l e r 是整个软件的核心仿真模块，主要用来提供交通路网建模、二维和三维交 通仿真以及统计数据输出等三大功能。所有这些功能均支持直观的图形用户界面 ( g r a p h i cu s e ri n t e r f a c e ，g u i ) 。m o d e l l e r 的功能涵盖了实际交通路网的各个方面，包 括：混合的城市路网和高速路路网、先进的交通信号控制、环形交叉口、左行和右行道 路、公共交通、停车场、事故以及重型车和高容量车车道等。 p r o c e s s o r 在批处理模式下配置和运行交通仿真，不提供路网的可视化功能及g u i 。 a n a l y s e r 读取仿真模块的输出，提供一个g u i 来比较仿真结果和观测数据并分析不同的 测试结果。p r o g r a m m e r 是一个应用程序接i ( a p i ) ，它为交通建模研究提供扩展p a r a m i c s 软件本身的接口。m o n i t o r 用来计算路网上的交通污染。e s t i m a t o r 是一个特别为微观层 面设计的o d 矩阵估计软件包。 为了应对实际应用需求的多样性，p a r a m i c s 提供了基于插件及其应用编程接口的解 决方案。通过使用插件，用户可以对p a r a m i c s 中的仿真基本参数，如时间步长、时间段、 起始时间等进行读写操作【3 i 】；重载或定制核心仿真模型，如交通分配模型、路径选择模 型、车辆跟驰模型等；自定义算法，获取仿真仿真过程产生的各种动态数据等。 p a r a m i c s 提供4 大类a p i 函数，并以不同的前缀加以区分。以q p 0 开头的函数称 为重载函数，这类函数允许用户自行编写代码修改p a r a m i c s 中的各种核心模型；以q p x 开头的函数称为扩展函数，这类函数被看作是p a r a m i c s 的入口，允许用户用代码来扩展 p a r a m i c s 模型、控制仿真过程、仿真图像的显示等；以q p g 开头的函数称为读取函数， 这类函数允许用户在仿真过程中查询或读取各种不同类型对象的状态及其相关属性值； 以q p s 开头的函数称为设置函数，这类函数允许用户在仿真过程中动态设置各种不同 面向交通信息采集的移动通信仿真平台研究 类型对象的状态及其相关属性值。p a r a m i c s 插件以w i n 3 2 标准动态链接库形式存在，在 仿真的过程中由p a r a m i c s 自动加载运行。 3 2 2 路网建