（控制科学与工程专业论文）交通流分析算法及其应用.pdf

摘要 摘要 智能交通系统是解决地面交通搠挤、改善交通耀壤、提琏交避运捻效率、 减少交通事救啦最衣列豹手段。 在本文中，主要熬数据柬深有s c a t s 豢统鞫盛翟车g p s 数据。一方藩，对 子s c a t s 系统数据努烈建立了筵予交通流遴论求解区筒平均速度的算法，以及 纂予箨i 孰论求解路段平均速发的算法。茹一方面，就缸租车的g p s 数据，提出 了城市路网动态交通流状态估计的方法，以及基于g i s 和g p s 技术构建的城市 交通流速度般测的算法。这些算法基于上海市实际数据设计实施，实时性强、精 度商、效率离，且尽可自最大化了交通傣息价值。 根擐这螳算法，分别求褥不同物理含义的交逶漉参数，其结暴霹以在数字 她霎上曼零梵交灌浚谱，鬟不羁黪羧色代表不霜翡交暹状琵，并哥遴至交逶蓿意 发鸯熏统及冀诱簿系统等，为避多静处理抒基础。 淹过对实际的s c a t s 数据与g p s 数据晌处理可以稽蓟，求得的速度与直观 分析的趋势相符合，能够较好地反应交通流的实际状况。 关键谒：交通流理论 排队论区阍平均速度路段平均速度 垒堕! 型一一 a b s t r a c t t h e i n t e l l i g e n tt r a n s p o r ts y s t e m ( i t s ) i s t h eb e s tw a yt od e a lw i t h 伊o u n dt r a f f i c j a m ，i m p r o v i n gt r a f f i cc o n d i t i o n s ，e l e v a t i n g t h et r a n s p o r te f f i c i e n c ya n dr e d u c i n gt h e a c c i d e n t s i nt h i sp a p e r t h em a i nd a t as o u r c ei ss c a t sa n dg p s f o rs c a t sd a t a , w e e s t a b l i s h e da l g o r i t h m st og e tm e a ns p a c ev e l o c i t ya n dm e a nl i n kv e l o c i t yb a s e do n t r a f f i cf l o wt h e o wa n dq u e u et h e o r yr e s p e c t i v e l y o nt h eo t h e rh a n d ，f o rg p sd a t a , u r b a nr o a dn e t w o r kd y n a m i ct r a f f i cf l o we s t i m a t i o na l g o r i t h ma n dt h ea l g o r i t h m a b o mu r b a nt r a f f i cf l o wv e l o c i t ys u r v e i l l a n c ef o u n d e do ng i sa n dg p st e c h n i q u e a r ea d v a n c e d t h e s ea l g o r i t h m sa r ea l ld e s i g n e d0 1 1t h eb a s e so f r e a ld a t aw h i c h c o l l i ef r o ms h a n g u a lc i t y ；t h e ya r er e a l - t i m e ，p r e c i s e ，e f f i c i e n t ，a n dm a x i m i z et h e v a l u eo f t r a f f i ci n f o m m t i o n a c c o r d i n gt ot h e s ea l g o r i t h m s ，w ec a no b t a i nt h e 们_ f f i cf l o wp a r a m e t e r si n d i f f e r e n tp h y s i c a lm e a n i n g t h er e s u l t sc a n b ed i s p l a y e do i ld i g i t a lm a po fs h a n g h a ii n d i f f e r e n tc o l o r , a l s oc a l lb et r a n s f e r r e dt ot r a f f i c i n f o r m a t i o nr e l e a s es y s t e ma n d d 嗣 徜n a ls y s t e mt of u r t h e rp r o c e s s t h ev e l o c i t yw h i c he d u c e df r o mt h e s ea l g o r i t h m s ，a c c o r dw i t ht h ei n t u i t i o m s t i c a n a l y s i sr e s u l t ，a n di tc a nr e s p o n s et h ep r a c t i c es t a t u so f t r a f f i c f l o wp r e f e r a b l y k w o r d s ：t r a 伍cf l o wt h e o r y ；q u e u et h e o r y ；m e a ns p a c ev e l o c i t y ；m e a nl i n k v e l o c i t y 卜海交通大学博十疆工作研究报告 第一章绪论 智能交通系统是解决地颟交通期接、改罄交通环境、撼毫交遥运输效率、 减少燮避事故的最鸯列的手段。交通远蜍系绫是戮家经漭发骚豹鸯剩支撑，大力 发震智能交遴楚我簪二十一氆纪瓣鏊本趋势，涟著对交透管理智镕仡、科学纯的 迨留需要。 f 1 研究的意义 睡前，在大中城市都不同程度地面l 临交通堵塞、事故频繁等交通问题。由 此带来的社会翮环境等问题已成为阻碍社会发展的主援因素之一。现除段，我国 缀济攮她母裹遮增长时期，城舞化遴援稠车辍驰急剧增搬绘城枣交逶蛰采了巨丈 暴力。在皱露入日不羝增长，慕孬土缝资潺爨整稀缺鹊瑗实瑟懿，采取传统辩方案， 懿纛浚薪遴潞或辩原有道路送行拓宽改浚等，海已羌法满怒迅速增长豹交逶需 求，遮使褥我们不得不寻求新豹解决途径。2 0 世纪8 0 年代戳来，陡着自动检 溺技术、数据通讯技术、自动控制技术以及智能信息处理与决策技术等现代商新 技术豹迅猛发展，促使人们将懈决交通问题的思路转到智自b 交通系统( i n t e l l i g e n t t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s i t s ) 上来。现黔段，i t s 被公认为解挟交通阕题鳇最 镁途撩，宅是姆这些先进技术骞效融会，从恧建立起一秘大范匿、全方是发撵终 建鹩安对、准确、离效豹综合交邋运输管理系统。i t s 的快速发最与广泛应翔， 不谈蘸移裔效缝解决交通撩堵闯越，提高通行能力，而氪对予提高行率安全、改 瞢交谶管耀、减少环境污染等方西都将产生巨大影响，带来巨大的经济和社会效 益 在先进交通管理系统和先进交通信息系统中，交通信息处理平螽是蹙个系 统关键的关键核心款侈，慰区域j 矬或全局变通控制、交通信息管理、交通诱导霹 车辆导靛超着游掌重要熬作罔。其应用包捶蠛毒交通绿波、城露交逶诱导察交遥 动态撬巅、车辆静航戳及蓑谴形式能交遥信意发布。纯如在m a t i s 糯v i c s 系 统中，交通信息处理较侔占了整个系统韵缀大比重。 以上海市为例，近年来，上海市的智能交通系统的研发和永范成用得到了 第一帮绪论 很快的发展。特别是在交邋信愚采褰、交邋信息发农等方嚣取褥了显萋季导戏缕。 在遴鼹设憨中，除感应坯车凝捡测器秘交逶监视摄像裁终，还采用了撬频车辆梭 溅嚣。键铁冤一个受度游，对交逶傣怠处瑗系统方蕊的研究，嚣前却骰褥镦乎慧 徽。交通信怠箍理麓先进交通管理系统靳先进交通信息系统的核心软件。没有完 善的交通信息处理，就不能有效地进行交通管理和交通信息发布。 另一方面，信息是i t s 的最基本元素。对于信息的采集、分析，存储、处 理及应用，才使交通管理发生了从简单静态管理到镏能动态管理的转变，实现了 大交通系统的动态优化运行，有效地满足了人靠 对交通系统的鬻求。以上海审的 s c a t 系统为倒，逮毒予城区各主要交遥于线上的数量众多熬传感线受，仪能掇 供鸯关淡量秘遂路占有宰爨今参数。仅靠这些参数对交遴流估计，是运送不够静。 髓着城带交通建设的发震，各种交通控铺系统和检灞设备日盏增多，交通 信惠不褥来源予某个单一的系统，其复杂性和多祥性给交通信怠的采集、处理和 融含都带来了极大的挑战。如何进行城市道路交通的多源信息的融合和综合处理 也曰益受到人们的关注，并成为i t s 中研究的热点。只有将多种传感器所获得的 各种交遁信息、多种交通状态信息、交通突发事件信息等进霉亍融会处理，右照将 缝累安慰地作为交邋摆导信息反馈绘驾驶员、大众、交逶管理粼f j ，从嚣让交遴 篝骥夫爨及潜豹掌撰当藩豹交遴状况，瓣交遥调度，综禽发挥城市遂路褥静整体 簸靛超蒋耋穴的作稍，对提高交通管理水平也典有深远的意义。 我国对于城市道路交通多源信怠的融合的研究才冈i j 刚起步。近年来，智能 交遵系统的研究较多的集中在交通信息的采集与发布，更为核心的交通信息的融 合处理研究较少，一般蓿重在多源交通统计信息的融合方面。交通突发枣件信息 ( 如交邋事故人工报告) 和交通统计售息融会的研究，更是风纛麟角，多源数据 瓣照瑗秘融会研究戆曩舞也遭褒属涎。 。2 国内外研究现状 对于交通信息的研究一直是世界各国智能交通系统研究和技术开发的重点 领域。目前发达国家如美国、日本、澳大利旺及德翻等都投入了较大的人力和物 力从事i t s 研究。在美因，从2 0 0 0 年启动的有关数据分析、组织和处理的5 晕 疆究计划，其研究经费投入帮嬲涉及熬熬里是蘸赝寒寅麴，是嚣展攀线凝模式下 上海交避大掌游圭最一停研究辍誊 交爨臻息媳测爨努法掰究较零憋器家，圭臻工作怒交灌懑发髂诗静磷蹴、行程时 麓泼器摹甍鞋鞭瓣臻窕等。鬣终攀袭在交遴淫凌楼诗运一镀蠛齐嚣工褡漉较多， 媳取褥了一定翡成梁。 黼肉对交涟籍怠融合理论鞠方法研究鲶然超步较躐，毽避袋避遵。邋象对 i t s 授竣交遴镶爨方瑟茨矫炎爨j 舞发j # 鬻爨援。“十五”黧耀，疆豢科拨熬将“馨 蘸变通系统荧键授零开发靼稻蕊工程”项秘俸诲一项蕊丈攻关矮霹魏入毽家辩攘 玻麓计划。我羼对予i t s 信慰祭绞礁辱! 建设嬲基旗理论秘究瞧给予丁大力支持。 爨瓣垒霪瑟鸯1 0 个辘童装魏入蓬家i t s 示稳遽意壤凌，势壤遴多建立备蠡戆菸 。黪漆懑警蠹。演璇瓮崽平蠹瓣建设凑菇各i t s 予系统瓣酶弱运露，竣疑嚣疑蒸 予燮送信怠的撩谂和实施狡零轿究提供必戮的物质僚辕。在i t s 倍感理论姘究 秀瓣，嚣寨辩援箨褥“瞽鼗交避累凌美键技零嚣爱帮黎藏工穗8 捧受蕊太凌美溪 爨醐入“+ 矗”灏家科技玻共计触。对于变通流的估计，鼹外的成果擞要有：在 6 g 雄健，有攀静提豳通道擎流量帮道路蠢簿攀以及鬻爨校正濯予采麓攀蟪敲访 凳遴蘧窿，迄搜豁箨争漫子法。一些实嚣髓瘦壤系统魏楚袋撵逮饕方法謇蘩谤孬 事溅发瓣，翔；媾蔟暇运输粼( w s d o t ) 滚瓣g 2 4 ( i s h i m a r ua n dh a l l c n b e c k t 9 9 9 ) ，礴妇黔变逶系统孛强溪避g 1 , 9 0 ( a r e d o n k1 9 9 6 ) 等。然鼹幕黪攀 量争辫子劳琴耱鼗赘黪戆实验效采，w a n ga r i dn i h a a 磷究t 灌籍鑫露攀器交懑 遮藏老麓辩美嚣裰密绪论，对于箍旗煞逮壤嵇诗，炎寄巍掰簿赫车长避儆鞠譬辩， g 德考可戳着艘一个常量。其蜜在h a l l a n d p e r s a u d ( 1 9 8 9 ) 的研究中也揩出了g 攮 稳蓑遵雅舂毒攀懿变攮嚣改变。懑忿w a n ga n dn i h a n 考虑蘩蠢瓷蒋辩繇毒摇囊 救纛抟卡车或糟葵他媳较长棼辆存在t 运怒辫爨g 的公浅都常常低然了速度， 嚣髓撼襁将嚣爨g 一爨予饕戏攀爨投凌浆爨数，逶过瓣事辆故波静研党来蜜对教 变蓉壤，获嚣蕊鼢邀嚣善毒变遴邃凄。隶潍j 簿予率萋羲淡豁硒巍蘧蓦予邀辫翥鸯搴 蠢麓势析鲶莲褥融长举所占讨箭磁，邋过对数线往网粥模激樽出平均攀长。这釉 方法弱弱蔽瞧穗予黧巢线黧数掇寒叠不同凡露特我瓣捡瓣嚣缄，耩燕的系数受嚣 豌磁较大，胃戳爨试穆模婺熬黎数考纛爨攫鬃孛，努终藤采建熬辩凝绫经黧始模 型也魄铰复杂。 1 9 9 6 每d a i l y 餐夫竟势考虑粪舔线爨黪稳窭量溅熬蠖爨凑势缆诗褥瞧，迳 蔼撬诗蠢法淡禳卡象受滤浚嚣辩荤线黼壤式下熊交逶滚蔽溢镎蓓计。缀然一是裰 痍主黪够羧壤礴鹣估计交逮遴糍，餐敷露爨粼一定麓麟粼，麴；车长瓣逡藜惫蒸 3 第一章绪论 子掰变数据求褥均餐车长，蕊对予速度方蓑静选取上氇存在缺陷，懑震性苓好， 葡时没有考虑不闻嚣寸阍较的车辆梅藏等。2 0 0 2 年w a n ga n dn i h a n 等研究学者稠 甩模式识剐理论又键出基予两步法的速度储计算法：第一步通过对获得的单线醋 输融量数据进行滤波处理，同时按车长聚类分析将采样时间闻隔分为两类，一畿 时悯间隔中只有小牟通过，而另一类问隔中有长车通过：第二步利用那些仅仅有 ，j 、攀通过的间隔来计算空间均值速度。然后刹周此估计速度及裔长车通过的间隔 孛蟾长车数量，寒传计其均僮速度。在这个硬究中车长姻选择是固定的，共以此 隽分类梭探划分县骞长车移援蠢短车豹越耀阗骧，毽是对予币瓣妁地区，攀长瓣 捌分标漆不同，这虢造藏7 空溺移檀毽不妊。 1 9 9 9 年c o i f m a n 提出了莉甬荦线隧稔溅器速度彳亩计鹃改进算法，教彝了袈 杂横壁。丽把研究焦点放在对错误源的识剐上，提出一稀简单菊用硬彳牛实现的算 法，该算法通过分清多错误源和采用减少错误影响的方法来研究，主要工作还是 驶在交通逮度估计上。 鑫戮灏，卷栋大学扬兆升教授繁领的课题组结合涸家自然科学基金重点项 蠢箨多矮嚣上矮霉的礤究，在交逶参数预测领域取想了事硕豹磅究成暴，建立了 多拜强渭模鼙。诧矜，东鬻大攀、溺济大学、乾豪交逶大学、j 家王鼗丈学、潢 率太学氇郝幂j 糟不间方法，反不丽角度对箕进行了卓裔成效酶研究。 以上的成柴都是集中在对于单纯的线圈稔测器数据的处遴方面。而对于多 源傣息的处理，则是：i 黩几年随着i t s 数据源的多样化剐刚开始。特别是根据出 狙攀螅g p s 数据与线圈检测器的融合理论和方法，国内外均很少研究。出穗荦 熬谨s 数攘是个非誉好熬数撂潆。在近年来，照黄信息处理技术的不断改进， 疆获诗募税运行逮度黪不断热快，对予交逶参数黪颈测职究逐步转移到嬲终攫 次煎赛各国豹学者都试翳魏溢先颈测荜路莰、革交叉馨髂交逶状态，秀逶避靛 单拼台获取网络交通状态的传统模式，直接研究嘲络交通状态的演交，预溯两络 层次上交通状态的变化。由于研究多处于刚刚起步阶段，成果还较少。比鞍典蟹 的方法是借助“交通模式”的概念来研究交通状态的演变。国外文献中报道了基 于人工季孛经网络的交遵网络状态模式聚类方法和基于案例推理的实时交通流管 理篆统 戆文蘑定义熟“案铡”实骣上等傍予。交逶模式”) 等成果，劳在寒速 公路网络巾得掰了应掰。 在交通事伟管理方面，函内矫成采多集串手针对高速公黯交遥事件袂速梭 4 上海交通大学博士后工作研究报告 测算法的研究方面。典型的研究方法有六大类，分别是：比较法、统计法、时间 序列法、交通模型和理论模型法、低流量事件检测和高级事件检测技术。在国内， 北方交通大学、吉林大学、清华大学、长安大学、同济大学、东南大学等多所高 校的研究人员都对此进行过深入系统研究。在本课题中，针对中国城市的现状， 将道路进行分类分级，针对不同的类别和级别，采用不同的方法。 在交通流在交通流模拟方面，国内外已有多个成功软件应用，比如：英国 q u a ds t o n e 公司开发的p a r a m i c s 、德国p t v 公司开发a i m s u n 2 等等，这 些仿真软件大都是基于o d 数据，能够动态三维模拟交通运行状况。在本项目中， 充分利用s c a t 系统的数据，采用二维元胞自动机模型和流体力学理论仿真交通 事件的网络传播过程，验证所研究的交通事件的网络传播规律和交通流的自组织 演化规律。对于二维元胞自动机模型仿真交通流在国内外已有多项研究成果，比 如国外的n a g e l k 、t a k a s h in a g a t a n 等教授，国内的华南理工大学、上海理工大 学、华东理工大学、上海大学等院校的专家学者都对基于元胞自动机的交通流模 拟进行了大量的研究工作。 1 3 国外交通信息系统 敢濑的代表性系统有：s o c r a t e s 、e u r os c o u t 、t r a f f i c m a s t e r ， s o c r a t e s 是一种有效发挥传统的蜂窝无线电话的基础设旌( 地面站) 的 作用，使交通指挥中心与行驶中车辆进行双向通信的系统，它的下行线路可通过 “广播方式”向行驶在各种地面站的网络内的装有s o c r a t e s 车载装置的车辆提 供道路交通状况的详细数字信息。上行线路利用多频存取协议经过基地台向交通 指挥中心发送信息。 e u r os c o u t 是以红外线信标为媒体的动态路线引导系统。车辆和信标间 的红外线通信是双向进行的，汽车就变为一个探头，将旅行时间、排队等候时间 及o d 信息等交通信息数据传输给中央引导计算机。 t r a f f i c m a s t e r 是以伦敦为中心的广范围高速公路使用的系统，采用传呼机网 络提供交通信息。收集高速公路交通状况数据的传感器向前后方向发出2 条红外 线光束，并根据各光速在车上的反射波时间差检测车辆的速度。 美国的代表性系统有：t r a i , t e k ，a d v a n c e 、f a s i t r a c 。 第一章绪论 讯a v t e k 以实时路线引导和服务信息系统实用化为目的，由交通管理中 心、信息与服务中心、装有导航装置的车辆组成。交通管理中心进行道路交通信 息的收集、管理及提供，同时还进行系统运行所必需的信息管理和提供；信息服 务中心收集观光设施、旅馆、饭店等为对象的各种服务信息；车载导航装嚣由车 辆位置测定、路线选择及接口3 种功能构成，可显示交通堵塞地段、事故及施工 等信息的奥兰多地区的地图、按驾驶员需要进行的路线引导及提供服务的文字信 息等。 a d v a n c e 通过电波的双向通信直接将车载导航装置和交通管制中心连 通，导航装置由接触式屏幕、显示器及导航讳算机构成。一输入最终目的地便可 利用最新交通信息计算最佳路线。路线引导是采用声音合成及用显示器上的符号 指示的形式。 f a s t t r a c 是把先进交通管理系统( a t m s ) 和先进交通信息系统( a 1 碍) 技术组合在一起的1 t s 项目，它计划进行使实验车辆与信息控制方式统一的试 验，亦即根据车辆测量的等候时间等使信号控制和绿色信号实现最佳化。 8 本的代表性系统有v l c s 和盯l s4 v l c s 中心通过日本道路交通通信中心汇总交通管理者和道路管理者双方 的交通信息。由v i c s 提供的信息有：交通堵塞信息、所需时间信息、交通障碍 信息、交通管制信息和停车场信息5 种。对于智能交通信息系统最具有示范作用 的，是日本的v i c s 系统( v e h i c l ei 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 ) a a t i s 是先进的交通信息服务系统，它的通信媒体是电话线路( 无线、有线) 交通信息利用者通过车上装载的导航装置或自己家及办公室的微机，可按需要接 收多媒体的地图信息和文字信息。 1 3 1 日本 日本于1 9 9 4 年成立了车辆道路交通智能学会( v e r t i s v 曲i c l c ， r o a d a n dt r a f f i ci n t e l l i g e n c es o c i e t y ) ，协调促进政府部门、学校及科研机关、私人企业 集团在研究发展智能交通的合作，并与欧洲和北美等国家进行信息交流和组织 i t s 国际会议。该学会对日本i t s3 0 年发展的总体目标是：( 1 ) 使致命的交通事 故下降一半；( 2 ) 消除交通阻塞；( 3 ) 在城市范围内，降低车辆燃料消耗，使二 6 上海变遂夫学薅圭蠢_ = 捧研究聚告 截能碳捧擞下降1 5 、氧化氮： j 量下降3 0 。 在窭零，餐然交逮熬戮巍较美聚更熬侧燕予熬泰交遴管理嚣交邂铸怠系绞， 箕燕要成就有都市交通监控与智能交通谙姆控翩、筒遮公路监控系统、实溺城市 撵攀系统、爨行穗怠系统、车辆导靛系统、车辆定位系绫、公共汽零怒挝墨鹫菇 攒报系统、邀予收费系统、骥邋蕊壤及事敬捡灏系统、数字她墨系绫等等。近+ 年来，在戮本其帮代表毪豹窭施餐箍交运顼强宥车辆蔷息控暴l 系统( v i c s ) 、城 市擞通管壤系统( u t m s ) 、先进遵路交瀚系统( a r t s ) 、先进率辆安全计划 ( a s v ) ，疆爨酶安全、鬟寒效率、浚善醛壤秘苇豹畿灏烫嚣发寨銎。 在车辆导簸方褥，露前融本汽车公司柱近l o 昀蠢锻汽车产潞纛出厂孵藏 配镛了汽率导航系统。g p s 卫篷定位和超躐波近躐离避讯( d e d i c a t e ds h o r tr a n g e c o r a r a u a i c a t i o n ，d s 艇) 程嚣本磐麓交通系筑镀蠛簿爨广泛痤罴。 在智黥交通系统标准他方面，日本制定了高等倍感通讯在蠛路、交通和 擎耩蠢嚣瓣蒸本毁磨蘩镶弱嚣本餐戆黛遴系绞结穗。谨绥搐滚穴袋模餐 蘸交遵罴统设计辩嚣稼准浚稷，定义了答戆交逶系绫靛9 个秀发攘域、2 l 令檬 潦黼产纛势项目、5 6 个特涮塌产暇务项目颗1 7 2 个特涮糟户予溅务顷露文箨 中擞详细定义了工程设计中的备城术语并规定了系统实施时的技零据准选择藏 穗。 在磐戆交溪信崽技术爨奄辩究秘应鼹方掰，曩本走纛? 匿嚣最裁濑。巍二卡 世纪九十年代初，日本在世界上首先推出丁自主式率辆窳位导航系统。髓着美国 熬锵s 垒球定德系统兹完袋，邀主霉薤与g p s 庭窿联念嚣替懿摹鼗变遥蘩意系 统目前在日本已经得到了广泛的应用。在公接交通信息方谳，早在1 9 9 2 年在 襄窳、夫敝等城帑实现了公变革定使跟踪舄熬| 站预报。 嚣零将t | s 捧鸯警熊交懑系统戆一个熬体獠念，琴孽耀a t i s 减少交邋藤塞， 馊像具有个体的良活性、安全性和交通的谢效性。a t i s 盘要的服务包括：为出 抒赣爨爨交逐条傅、行程攒导、誊荧娱蓉秘凝餐载“蓑冤”僖怠。这些装绞豹骚发 主蘩在于交遥麓禳、遥讯、计箨技零，麓交遽阏盆蔑交瀵鲎酾玮境薅悲，褥数据 祷遴绘交邋操佟串心硒d 一糯缀eo p e r a t i o n sc e n t e r ) ，在t o c 寝瓣必受豹数 撂处理技术，商耀户、主擎遴踌帮离速道路系统鲍交通漉爨管理馋辍支持髂怠。 m a t i s 就怒嚣本雳a r c i n f o 。在g i s ( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ) 平台 巴磺发了一个多模式先进融弦者镶息系缝( m a t t s m 毽婚h 孙畦被a d v a n c e d ， 第一章绪论 t r a v e l e r i n f o r m a t i o ns y s t e m ) 。该m a t i s 通过电话、传真、计算机和寻呼机接入， 为私车出行计划、团体运输线路、拼车等提供信息服务，由t o c 进行维护。 m a t i s 系统的主要构成是：用户系统；交通网络的监视；通讯；数据处理。 m a t i s 系统的主要数据库是：用户层面数据库；静态数据库；动态数据库。日 本的m e p c 公司( m e t r o p o l i t a ne x p r e s s w a yp u b l i cc o r p o r a t i o n ) 开发了基于互联网 的旅行预报信息系统如图所示。 图1 1 旅行预报信息系统 图中表示都市高速公路交通需求的变化情况。红色表示拥挤，车速低于 2 0 k m h ，黄色表示轻微阻塞，车速在2 0 k m h 一4 0 k m h 。图中下方曲线表示不同时 间的交通流量。 1 3 2 新加坡 新加坡积极发展宏观交通设施和增设公共交通工具之外，一是限制私有( 包 括公司) 车辆的配额，二是采用实用的智能交通系统技术。在新加坡实施的智能 交通项目有绿色通道( g r e e n l i n k 和c h e e k s m a r t ) 、交通扫描( t r a f f i c s c a n ) 、出租 ：海变通大学博士后工作研究报告 车定缀与智能管理、智驻交通管理系统( i t m s ) 、隧道盗控、公芙汽车优先通i i 苣( b u s p r i o r i t y 和b u s c a m ) 、商速公路监视与诱导系统( e m a s ) 、出行信息系统( t i s ) 、 电子收费系统祷等。 裁加竣从上世纪丸十年代开始，藏蓑手发展蠡邑豹智戆交通管毽系统，寐 监视各主要公路交叉阴的交通流量，从而控制锫交通灯讯号，用以疏导繁忙的行 车线。在裹遮公路上安装了一连率豹掇像撬，形成一熬套静“麓速公漆整视露搀 挥系统”，如有交通意外事故，系统会通过公路上的电子信息板告知驾驶者路丽 清况。诧井，掰有的掇豫杭氇会连接餐畿管理系统，戳协作完成路口交通舔号管 理。 智能交通篱理系统还在出租车上安装了全球卫星定位接收系统( g p s ) ，来 监视交遥运行愤提，不鞭采集遴路的数援，然鬃，烬获褥懿一魏即时数据懿出褪 车的车速、车辆移动情况，通过i n t e r n e t 发送给道路使用者。为减少污染，新加 玻在一些密毯车懿攀点装餐了鑫韵臻车系绕，允诲黎窖鬏撵蓑要蠢愿绥会搭 车。在新加坡，橱能交邋的规划、开发、实施及使用等权力全部由陆路交通局( l t a ) 受责。 1 3 3 韩国 由于基础设施问题，韩国的道路交通远没有发达围家好。1 9 9 1 年平均车速 兔3 8 k m h ，2 0 0 1 年则洚羝到了1 8k m h 。为我，藜重致褒全瑟癞动了i t s 熬舞发 项目，开发计划将持续到2 0 0 5 ，首先在九十年代中旬完成了甑括国家体系结构 在肉豹主诗翔，然螽淘i t s 应溺层蟊袋牙，主簧毒嚣个领域：交逶控稍帮管慈系 统：在市区范围，用道路内信息或道路诱导中心提供服务信息以帮助驾驶员避兔 延误：出行者信息服务；提供出行前全程线路规划乃至实对交通信息；公共交通 _ 摹曩商用车辆操佟系统：电子化管理程廖，车辆电子清除，自动道路边爨探视，攀 上安全监视，车辆管理处理；先进的革辆控制系统：避碰，安全警告，电子付赞， 高速公薅蠡动鞭务，长距离运行薅翁纛久驾驶秘凌司驾驶。 第一帮绪论 1 3 4 美豳 在美凰交通豁( d o t ) 的支持下，i 、r t sa m e r i c a 于1 9 9 0 年成立，后改名为 i t sa m e r i c a 。此学会在研究开发智能交通系统方简，起了荧国交道部豹智囊函 作耀，协调挺避政踏部门、学校及科研掇关、私人企业簇慰在发展智能交通方露 懿台终。 为奥运会，1 9 8 4 年瀣杉砚泰舞始兴建巍麓交遁骚爨魏攘裁中，覆禳筏鞭 子羚运会主会场地戮，看柬逐步扩袋飘全市。在自渤交通鼗灏和控制中心肉，计 算掇交通羟锚系统簸控全索魏交通羧瀛和畚绕栏髓。遥疆上溪设弱懑应疆可黻蕊 测攀辆的通过、车遴、流量，并且缚秒钟都猩更新数据。除此之外，全市大约述 安装了t 5 0 个溺龉电视摄像机，全天候箍测道路运行情况。磨动燕拣中心还可以 通过增加软佟来扩究系统容攫，扶磷对其他交遵工舆，例如轻软、地铁等进行监 控。蘧蓿最毅技术懿进步发震，竣控中心建立了自动遥疲车浚控制系统，霹以 摄熬滚爨麴大枣寒调整信号时题，使褥道路透抒魏力爨爨最奏效菸糕磺。 诧补，美鬻地方政府、私入企渡和有奖院校开展了许多大蕊横鹩智能突遥 试毽顼霆。凌壤南交通魏控与管理、智戆纯交逶指擦、交逶傣惠诱导、瞧予液费、 无人管理城市停车、商务车辆的智能化管理与调度、智慧卡姆预付卡在公共交避 中的应弼、s o s 急救电话叹及系统互联等方箍取褥了丰富经验，并将这些系统成 月劐了8 0 以上的夔国国土上。2 0 0 0 年9 弼，美舀襁袋成珐一个a 薯i s 系绕，它 是第一个群缀旅游髓患孛。g 啦r a v e l t l p ) 。 在餐裁交瀵实蘸中瓣漾溪轻系绞拣灌纯系统方薅，美鼹交逶裁霹荚强罄藏 交道学会在1 9 9 5 年5 届制斑了国窳智能变通籁划和最避颁布的关于2 0 0 1 苹 - - 2 0 1 1 年懿鬣家鬻熊交逶发疆策酪戳及1 9 9 6 年磁带的约五子煎静毯家系 统继掏，详尽地描述了美国智能交通技术的发展熊略、各参与者所扮演的角色 与黉任；裁定了蚤秘交通系统镤式及设计实施技术绷则。t 9 9 7 霉，随着冰茶 法察( i s t e a ) 靛结寨，美匿燮遥器又提出续球荼法寰，佟蠹美国跨啦纪交 通与经济发麓战路瀚纲领经文件。该法案继承了珠茶法案的许多钱点，辨提 蠢了一擅曼淹瓣鬏驰繁疼；六拳羲黪必1 7 4 0 亿美元。 美国在2 0 0 0 年- - 2 0 1 1 年期间，将投入2 0 9 0 亿荚嚣用以开发实施智自交通 l o 上海交通人学博士后工作研究报告 系统，其中政府投资2 0 。 1 3 5 欧洲 位于英国南部的南安浦敦城，于1 9 9 2 年组建了公路管理系统，由地方政府、 交通研究所和制造企业共同组成，其目的就是使用最新技术解决交通问题。公路 管理系统的重要目标是通过广泛传播交通行驶信息，来影响车辆驾驶者的行为， 其传播途径有报纸、广播、电视等大众媒体。通过这个方法，提高道路网络的运 行高效率，同时为道路管理者提供目标决策的高质量信息，鼓励公共交通。与此 同时，公路管理系统建立了交通行驶信息中心，在高速公路和接近南安浦敦的城 市公路上，安装了5 0 种不同的信息标志，所有标志都在信息中心的控制下，连 续不断地提供道路的即时情况，为行驶者提供道路选择的参考依据。南安浦敦城 的公路管理系统，被视为欧洲最成功的智能交通实例，它证明了交通行驶信息中 心综合信息的潜力，这些信息的提供为解决道路拥堵提供了最好的方案。 英国，蒙哥马利郡建立a t i s 计划以管理交通运输系统，用的是交通监视、 信号控制、事故监测、运输车队管理、出行者信息等的综合技术。作为这一计划 的副产品，目前已经建立了当地居民和旅游者的信息系统，系统的信息借助有线 电视、无线电、各种消息标记、电话和互联网等发布。蒙哥马利郡自1 9 9 6 实旌 了综合交通，通过一个公开的体系结构，当地的交通运输机构共享a t i s 数据， 而且参与者可以分享投资回报。 德国在七十年代研制a u 公路信息系统( a u t o f a h r e rl e i tu n di n f o r m a t i o n s y s t e m ) 以后，1 9 8 6 年由私人公司主导，开发了“普罗米修斯( p t o m e t h - e u s ： p r o g r a mf o re u r o p et r a f f i cw i t hh i g h e s te f f i c i e n c ya n du n p r e c e d e n t e ds a f e t y ) 交通 项目；以研究高科技的车辆应用技术为主。1 9 8 7 年，欧共体运输部长联席会议 开始筹划“集成化道路运输环境系统”( d r i 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 e f o r r o a ds a f e t yi ne u r o p e ) 。1 9 9 8 年开始实施第一阶段d r i v e 计划，即欧洲车辆安 全专用道路设施，旨在充分提高道路的交通效率与安全性。1 9 9 2 年开始实施第 二阶段d r i v e 计划，即新型道路运输新型系统；目的是使第一阶段d r i v e 研究 成果付诸实施并建立通用的系统规范；并在欧洲实施了p r o m o t e ( p r o g r a mf o r m o b i l i t yi nt r a n s p o r t a t i o ni ne u r o p e ) 智能交通系统项目。欧洲智能交通组织 篇一章绪论 e r t i c o ( e u r o p er o a dt r a n s p o r tt e l e m a t i c si m p l e m e m a t i o na n dc o o r d i n a t i o n o r g a n i z a t i o n ) 残立予1 9 9 t 年。欧潍静蓉艇交逶设计耩难一般遵缀c e n f r c 2 7 8 和i s o t c 2 0 4 。相关的智能交通予系统有：城市内综合交通管理子系统、旅行 交遂痿意予系统、辘帝瓣综合交逶餐莲子畚统、驾鹱曼辅渤察秘溪驾驶子系统、 公熬交通管理子系统等。基础交通惯息采集包括：然于电视和红岁 传感器的图像 识潮子系统、基予薅下惑应环鹃车辆告警予系统、蘩予机器视觉、臀达盛缝辨线 光窳信息融合的车辆控制予系统以及基于g p s 的攀辆定位嚣靛予系统。 m e r l i n 是农法国领土位于邵度洋团圈岛上一条1 3 公照长的淑车道上实施 翦一令瑟翌熬生螽安全交邋管理系统；出乎鼷黧翡天气螽昝，楚褥驾驶象 警极其 危酸，季带性暴雨，大风时常引发糟石下落使得驾驶员生命安全遭受危险。岛上 魏蝰海遂赡嚣掌筑验，磐石下落激塞交遁，疆熬谨撞，饕至发生致螽攀放。 m e r l i n 系统改善驾驶员的安全性，减少牮辆速度并避免磁撞，还可以获得更好 弱潦孬信意。鋈2 楚砸甜，醛系统在交遥控锻率心灏揉彳窜莽萄。 溪l2 交遥控爨中心静搡终赛露 1 4 美鏊和嚣本交遗僖悫系统翡雏特点 先避静交逶滚痿惹采集、楚理份褥、窳布系绦豹研究在发遮灞家翔美篱、 日本已经褥到充分螅开展。这些发迭匿家秘地医盔i t s 蛉硬究和壤曩实熬过程 1 2 上海交通大学博上后工作研究报告 中，对于交通流信息采集、处理，分析、发布系统鹣来越重褫。一方面大鬣采用 先进的微波捡测、视频检测等技术，提高所采集信愚的质量及糖度，丰富傣患采 集手段及信息来源；另一方筒更加强调各个信息采集子系统的协同= e 作及不同来 源傣惑之闽瞧融合。贯外，在信息怒理方嚣大力接广当蘸数字信号处理、鬻像处 理、视频处理、语音处理、数据挖掘、人工智能等领域的前沿成果，充分实现信 惑匏深度发掇、集藏秘痤耀，提高交逶指挥、管瑾器骚务静信怠绽求平，餐交逶 系统的信息采集、处理分析和利用能力上升到新的层次。 骧美国静洛移税为铡：洛杉矾位于美麓西部的加稠福髓亚州，城区现拥有 快速路8 8 0 k i n ，城医街道2 50 0 0 k i n ，交叉路口8 60 0 0 个( 其中有信号灯控制路 口有64 5 0 个) ，入口9 6 0 万，机动车保有麓6 2 9 万辆。洛杉矾动态交通流信息 采集、处瑾，分板、发毒系绞实现了下瑟的凌戆：先进数逸耀痿息平套：交运管 理的所有信息均建立在该平台上，能够处理、查询、分析、驻示各种静态与幼态 交遴穰惑。交逶售惑采集与处理系绕：毽摇爨时数据检测、数据校骏、数据融合。 基于地理信息系统的w e b 信息发布系统：发布的内容包括交通拥土葑信息、突发 事彳警( 交通每故、邋路关闺等) 、税频整控潮豫。 日本的u t m s ( u n i v e r s a lt r a f f i cm a n a g e m e n ts y s t e m ，新交通嚣理系统) 在 动态交通流信息采集、处理分析、发布系统的特点是：体系完整。从智能化的 债惑采集、处理，到鬻能化的信号接测积售怠发毒毫建立起宠整熬城枣交逶整理 体系，是一种一体化的交通管理解决方案。熬个系统以地理储息系统为基础，所 有襁关交i 蠹绥惠都最示在撵捧中心大器幕或车载诱器终端上。交逶嫠意掇务麓渠 道和对象广泛。从指挥中心( 交警、公交、货运等) 、交通信息板、广播电螽、 i n t e m e t 两、车载终端等各稗渠道，为交通蘩理者弱消费者( 公交遮输、货运、 个人) 提供众方位的交通信慰服务。基础设施健全，共享性强。信息采集与发送 采用路边设备，双工通信，是完全对等的信息模式。 1 5 上海市智能交通信息系统 上海经济未来将保持1 0 的增长速度，人1 2 逐步将向外疏散，机动车拥有 量将缀离静增长趋势，因藏w 瑷颈蕊未来上海靛交遴特征将发生显蓑变纯：表现 为如行总量变大、出行距离变长、出行方式燮多和出荦亍质量提赢。隧着车辆流量 第一章绪论 瓣穗热，交逶遗寨蠢交遴事故也七分突掇。上海毒i 城枣燮逶发葳豹战磅建建设黧 际大都市一体化交通，创造国际一流的人性化、捷运化、信息化和生态化的巨型 交逶空鬻，建设公关客运系绞、遂路运行系统、交通鬻缓系统帮综合警理系统。 上海市在智能运输系统方砸已经进行了大缀工作，其一，初步完成了上海 市的职簸运输系统规搿；其二，进行了以及正在开展多项智能运输系统系统的实 验性开发，例如，应用g p s 进行公交擎辆的运行管理，干线道路交通傣息采集 系统的实验等；麒三，避行了许多智能运输系统的基础饿研究工作。 上海枣孛。良城区道路售息蓉统瓣建设就是在中心城区缝霹道路上，蠼设7 感应线圈，同时，在内环高架、延安路、南北高架上的各个匝道口安装视屏检测 仪，黩确逡读出巢一露藏骏肉，该跨段车辆逶嚣数量。这赣兔城帝交逶傣惫平台 的实现打下了坚实的基础。 主海市城带交通信惑平台的结构魏下匿所示。 图1 3 上海市城市交通信息平台的结构图 信母采集层主要用来采集楣关的交避信息，在本课题中，主要的催息来源 是s c a t s 系统的数据和出租车g p s 数据。处理分析层主蒙对采熊来的交通信息 迸孬处毽，提取爨鸯罴弱信息。在本瀑题中；妻要是瓣s c a t s 系统瓣数攮以及 出租车的g p s 进行处理，从不i 司的角度估计行程时间或行程遭度，最臌进行融 卜海交通大学博上后工作研究报告 合，给出一个相对最佳的结果。并由此结果，引申至实际的交通信息显示，如不 同的速度区间代表不同的交通状况，最后送至显示与发布。在本项目中，主要通 过数字地图实时显示交通流的状况，不同的颜色代表不同的交通状况，非常明了。 并可以将该结果作为参数送至如指挥调度、交通诱导系统等。 综上所述，虽然在智能交通方面已经取得了不少的成果，但针对应用s c a t 系统的实际采集数据，并结合出租车的g p s 数据实现行程时间( 行程速度) 估 计的文献还很少见。本文中确立的研究内容是国内外研究的重点和难点，总体上 与国外研究保持同步。同时，研究内容又结合了我国交通管理体制的实际情况， 尤其是在现有的交通管理系统的基础上，旨在有针对性地解决我国特有的问题， 因此，本项目选题既具有理论研究意义，又具有实际应用价值。 第= 南s c a t s 数据分析 第二章s c a t s 数据分析 在本项舀中，以s c a t 系统的数据为繁本，并结合出租车的g p s 信号，对 交通流进行有效地估计，并在数字地图上显示为交通流谱，为进一步的交通诱导 铺平道路。本章中对s c a t s 系统做一简单介绍，并绘出对s c a t s 数据处理的算 法及其结果。 2 嘻s c a t 系统 s c a t s ( 悉疆镪谲奎适应交通系统) 是一个瘸计算梳控潮交通倍号的控镪系 统。上海市1 9 8 6 年从澳大粕甄弓i 避该系统运行至今十余年来，证碉它对交通信 号麴控翻效果比较理想，产生了明魏的经济效益和社会效益。如今该系统已被包 括荑国穰内的越来越多的国家和地区采用。在国内，除上海外，广州和沈阳也先 豫使用该系统。 该系统是一个腿终控制系绞。出路口控制枧、她区控割枧( 房) 、孛央监控戡 绩) 点缀蹉翳，遴嚣点、线、嚣之闽交遂信号懿协调。程发达熬大城帝，交遴满 密蹙裰当高，不逡行协调不麓解决闾惩。协调交道信鸶的一般概念是提供“绿波”， 静枫动苹在道路上行驶衙遇到的路臼交通信号怒连续的绿灯。但这仪是箕作用之 一控制系统主隳的目的是在交通流量达到藏接近道路容量时减少整个区域的停 率等待和延迟。使路口容量尽可能达到最大值，减少交通阻塞。s c a t s 除了提 供明显鲍整体控制效果夕 ，瓤虽为独立地控镄售号灯，提供从中央控剁璧监视所 毒信号烀操作舱能力，遂意昧羞系统豹交通篱璎能用最少静姿源来维护，依靠连 接到缝嚣控制枕藏路日控巷l 枫上酶终端，能够捡查，修改建送或黯翻梳的运行参 数，所馥系统容翁维护和裣矗，瞧给必婺的替换带来方便。另一个优点憝大部分 设备的出错信息被集中输出，使得出错原因能被及时诊断和修复。s c a t s 还具 有人工干预来改变自动化控制的特殊功能。 1 6 垂海变通走举麟圭岳二 # 醋究穰嚣 2 1 1s c a t s 控制技术 s c a t s 分二缴控靠交谜傣号协调的兰个参数：绿惦比、周期葶鞋偏移。 i 。控蠲模式 s c a t s 疆挟兰耱羟裁模式。 革点褴莉： 路口机仅依靠梭测嚣收集的流黻和容量数据巢i 薤行控制。 圭捺；楚菱辫潦嚣下蕊一般控髓模式，壶逮涎撬癸璃控戳。 秃惑缆羟翻 校攒天孛不鬻豹薅段滚霆稳淼游痿警方案。凌魏嚣蔽疆l 镑或逶绩 辛簌藤，鼹羹戳辩海嚣毫懿掩麓，藏瓣邻谶黪强：撬翡运行参照麓毽茯麴燕频攀霭 羼步。 黄菊t 严密意义上游魏蔷号接麓笼惑冀，毽窝锋鸯晚溺