（信号与信息处理专业论文）道路交通状态自动判别系统的设计与实现.pdf

摘要 摘要 智能交通系统( 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 ) 的发展 和建立是2 1 世纪城市交通发展的趋势，它作为解决交通问题的全新方式， 在国内外迅速发展。车辆导航系统是智能交通系统的重要组成部分，也是 目前国内i t s 的开发应用热点之一。利用车辆导航系统为交通出行者提供 道路交通状态信息和动态路径诱导也是目前i t s 研究的一个热点。本文首 先介绍了g p s ，g i s 系统以及它们在车辆监控系统中的应用，对基于 g p s g i s 的道路交通状态自动判别系统功能进行了设计和仿真，论文的主 要工作包括： 介绍了现有车辆监控系统组成和各部分功能，指出监控终端功能的不足，分 析了基于g p s g i s 的浮动车系统原理及功能。 研究了道路交通判别算法。主要工作包括：从“浮动车数量与交通流 信息检测准确性关系”、“浮动车样本数量与路网全方位信息检测需求关 系”两方面对浮动车数量确定方法进行研究，给出了算法模型；同时，分 析了基于行程时间的道路交通判别算法，提出了基于指数平滑法的平均瞬 时速度道路交通判别算法，并对两种算法的有效性进行分析比较。 设计和实现了实时道路交通状态的自动判别系统。主要工作包括：分 析g i s 电子地图的制作流程。针对现有的车辆导航系统监控终端软件系统 功能不足，建立了城市道路交通状态自动判别仿真系统，在该系统上设计 了静态最优路径的选择、实时道路交通状态的自动判别以及根据实时道路 交通状态进行动态最优路径的自动选择三项功能。同时，采用模拟数据在 该仿真系统上进行仿真。 关键词：g p s g i s ，道路交通状态，自动判别，最优路径， 浮动车 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ee s t a b l i s h m e n ta n dd e v e l o p m e n to fi 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 t s ) i s t h et r e n do f2 1 “c e n t u r yu r b a nt r a f f i c i ti sac o m p l e t e l yn e ww a yo fs o l v i n gt r a f f i c p r o b l e m ，s oi t h a sd e v e l o p e dq u i c k l yb o t ha th o m ea n da b r o a d v e h i c l en a v i g a t i o n s y s t e mi sa ni m p o r t a n tp a r to fi t s i ti sa l s oo n eo ft h eh o t s p o t si ni t sa p p l i c a t i o n i ti s ah o t s p o ta n dd i f f i c u l t yt op r o v i d et r a v e l e r sw i t hr o a dt r a f f i cs t a t u si n f o r m a t i o na n d d y n a m i cr o u t eg u i d a n c eb ym a k i n gu s eo fv e h i c l en a v i g a t i o ns y s t e m t h i st h e s i sf i r s t i n t r o d u c e sg p s 、g i sa n dt h e i ra p p l i c a t i o ni nv e h i c l en a v i g a t i o ns y s t e m t h ea u t o m a t i c i d e n t i f i c a t i o ns y s t e mo fr o a dt r a f f i cs t a t u sb a s e do ng p s g i si sd e s i g n e da n ds i m u l a t e d t h et h e s i si sc o m p o s e do ff o l l o w i n gp a r t s f i r s t l y , p r e s e n tv e h i c l en a v i g a t i o ns y s t e mi si n t r o d u c e di n c l u d i n gi t sc o m p o n e n t s ， f u n c t i o n sa n ds h o r t c o m i n g s f l o a t i n gc a ra p p l i e ds y s t e mb a s e do ng p s g i si sa n a l y z e d i nt h et h e s i s s e c o n d l y , t h ei d e n t i f i c a t i o na l g o r i t h m so fr o a dt r a f f i cs t a t u sa r es t u d i e di n c l u d i n g m e t h o d so fd e t e r n f i n i n gf l o a t i n gc a rs a m p l es i z e sw h i c ha r eb a s e do n “t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nf l o a t i n gc a rs a m p l es i z e sa n da c c u r a c yo ft r a f f i ci n f o r m a t i o nd e t e c t i o n ”a n d “t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nf l o a t i n gc a rs a m p l es i z e sa n dr e q u i r e m e n to fr o a dn e t w o r k i n f o r m a t i o nd e t e c t i o n ”t h er o a dt r a f f i ci d e n t i f i c a t i o na l g o r i t h mg r o u n d e do nt h e j o u m e y t i m ei sa n a l y z e d b e s i d e s ，r o a dt r a f f i ci d e n t i f i c a t i o na l g o r i t h mb a s e do na v e r a g e s p e e di sp u tf o r w a r da n d t h ev a l i d i t yo ft h e s et w om e t h o d si sa n a l y z e di nt h et h e s i s f i n a l l y ，a u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o ns y s t e mo fr e a lt i m et r a f f i cs t a t u si sd e s i g n e da n d e s t a b l i s h e d f l o wo fg i se l e c t r o n i cm a pi sa n a l y z e d b e c a u s eo fs h o r t c o m i n g si n c u r r e n tm o n i t o rt e r m i n a l s y s t e m ，s i m u l a t i o ns y s t e m o fu r b a nr o a dt r a f f i cs t a t u s i d e n t i f i c a t i o ni se s t a b l i s h e d f u n c t i o n si n c l u d i n gs t a t i co p t i m a lp a t hs e l e c t i o n ，a u t o m a t i c i d e n t i f i c a t i o no fr e a lt i m et r a f f i cs t a t u sa n dd y n a m i co p t i m a lp a t hs e l e c t i o nb a s e do nr e a l t i m et r a f f i cs t a t u sa r ed e s i g n e d b e s i d e s ，i ti ss i m u l a t e do nt h eu r b a nt r a f f i cs i m u l a t i o n s y s t e mu s i n ga n a l o gd a t a k e yw o r d s ：g p s g i s ，r o a dt r a f f i cs t a t u s ，a u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o n ，o p t i m a lp a t h ， f l o a t i n gc a r l i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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 为获得电子科技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 确的说明并表示谢意。 签名：日期：2 0 0 6 年5 月8 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 率 导师签名：益噻二_ 丝、- e l 期：2 0 0 6 年5 月8 日 第一章概论 1 1 车辆导航系统概述 第一章概论 在当前信息时代的社会中，交通运输的合理调度和管制是一个从实际出发的 重要问题，也是促进社会生产和人类生活的关键环节。例如，出租汽车的监测和 调度，公共汽车的合理调度，公安警车的调度和指挥、运钞车的监控、各专业运 输公司车辆的监控等等，都需要实时向总部报告自己所在的位置，或者总部实时 查询各车辆的位置，以便随时指挥调度和处理所发生的事件。现在普遍使用的车 辆监控系统中：一方面车辆向总部报告其位置，总部则把它标明在电子地图上： 另一方面总部根据需要指引车辆到达目的地。以前要做到这一点必须用无线电来 导航和定位，但这样精度差，一次性投入大，而且维护费用大，不是可取之策。 取而代之的是相对比较廉价但精度又高的g p s 定位系统。g p s 移动跟踪系统在我 国的发展主要从9 0 年代初期开始，至今有十几年的时间。在这期问g p s 移动跟踪 系统的发展经历了两次起落，第一次在1 9 9 4 1 9 9 5 年，但由于市场尚未形成，而 且技术上尚未完善，因此在这一阶段g p s 应用产品一直未形成规模。从1 9 9 9 年开 始，随着作为系统瓶颈问题的通讯网络通过采用g s m 公众网的s m s 的应用而找 到了新的出路，g p s 应用产品的发展走上了快速发展的道路。 g p s 应用的发展方向主要有两个方向，一是相对独立的自主导航系统，它自 各电子地图，主要目的地寻找、路经引导、信息查询等一系列功能，这一系统的 主要的应用在日本，在国内的市场时机尚未成熟。二是g p s 移动跟踪系统，该系 统在我国的市场需求日益明显，而且也初具规模。这种系统的应用主要在一些精 确位置需求的行业，如银行、公安、消防、交通、货运、出租和矿山等行业。g p s 的这种应用已经逐步形成一个潜在需求巨大的市场，而且随着g s m 、g p r s 、 w c d m a 等通讯技术的发展，g p s 在这方面应用的潜力将显露无疑。 现有的监控终端系统从功能上可分为五大基本模块i l j ： ( 1 ) 电子地图数据库模块 按照预设的格式存储与路网有关的数字地图信息，使计算机能够处理与地图 有关的功能，它是整个车辆导航系统的基础。 ( 2 ) 车辆定位模块 运用g p s 和d r ( 推算定位) 等定位技术，确定车辆的实时位置，并运用地 电子科技大学硕士学位论文 图匹配( m a pm a t c h i n g ) 技术，对车辆实际行驶路线与电子地图上道路位置之间的 误差进行修正，从而提高定位的精度。 ( 3 ) 路线优化模块 在已知路网上根据选定的最优目标，按照一定的算法，确定两地间的最优路 线。也即根据电子地图数据库模块所提供的地图，如果可能的话，再加上从无线 通信网络收到的实时交通信息来实现的。通常采用的技术是找到最小旅行代价路 线，旅行代价可以是时问、距离或选择路线的复杂度等等。 ( 4 ) 人机接口模块 允许用户与导航计算机及装置进行人机交互。地图显示、路线优化、路径引 导和其他活动的各种不同要求通过人机接口送到计算机中，然后再通过此接口反 馈给用户。 此外，为了实现车辆与实时交通信息源之间的单向或双向通信，还应增加无 线通信模块。 但是由于交通行业的不断发展，车辆的不断增多。现有的监控终端在功能上 已经不能满足人们日益增长的需求。所以，在本文中将研究和尝试在现有的监控 终端的功能上增加道路交通状态自动识别以及能根据道路交通状况自动进行路径 选择等功能，来完善现有监控终端的功能和提高监控终端的工作效率，为使用者 带来更大的便利。 1 2 道路交通状况识别技术概述 道路交通状况识别技术有很多种方法，从简单的人工巡逻判别方法到紧急电 话、移动电话判别方法，从闭路电视判别方法到全自动电子监视判别方法等等。 这些方法都能在一定程度、一定范围上发现道路上存在的交通拥挤，对提高道路 交通的效率和安全性具有重要意义。然后这些方法各有不同的特点和适用范围。 从总体上来分，主要可分为人工判别方法和自动判别方法。人工判别方法主要用 于早期的交通状况判别，主要针对道路上已经发生的交通事件进行判别，它的大 部分技术也适用于一般交通拥挤的判别。主要包括如下7 种：( 1 ) 驾驶员移动电 话呼叫；( 2 ) 事件管理员观看闭路电视监视图像；( 3 ) 驾驶员求助电话或路边紧 急电话；( 4 ) 交通警察巡逻队；( 5 ) 交通部门或其他单位工作人员通过对讲机的 报告；( 7 ) 车队报告。但是以上7 种方法的弊端在于非常耗费人力，而且局限性 很大，缺乏灵活性和机动性。但是自动判别方法却可以弥补人工判别方法的不足 具有比较好的灵活性和机动性。其最直接的方法就是基于视频图像识别的方法， 第一章概论 间接的方法有两种：( 1 ) 基于固定型交通检测器的方法；( 2 ) 基于移动型交通检 测器的方法。本研究将会在后面的文章中对这两种自动判别中的间接方法进行详 细的比较，从而选择出最适合道路交通状态判别系统的方法，建立实时道路交通 状态判别仿真系统。 1 3 国内外道路交通状态判别算法历史和现状2 最早开发并投入使用的道路交通判别算法是以判别突发交通事件为主要功能 的加利福尼亚算法。这种算法开发于1 9 6 5 1 9 7 0 年之问，最初用于洛杉矾公路管理 控制中心。加州算法通过比较邻近检测站之间的交通参数数据，主要是比较环型 线圈检测器获得的占有率数据，对可能存在的突发交通事件进行判别。 德克萨斯州交通协会( t t i ) 在1 9 7 0 1 9 7 5 年期间开发了以判别突发交通事件为 主要功能的标准偏差算法，用于休斯顿海湾公路( i 一4 5 ) ( d u d e k ，m e s s e r ，a n dn u c k l e s 1 9 7 4 ) 的交通监视和控制中心。d u d e k 等人认为可以通过判断交通参数的变化率是 否大于指定的闽值来实现对突发交通事件的判别。标准偏差值s n d 可通过简单的 统计分析得到，即用当前交通参数值减去平均值，再除以标准偏差得到的。如果在 连续的两个采样周期内的s n d 值都大于预定的阈值，则认为发生了突发交通事件。 c o o k ( 1 9 7 4 ) 开发了一种双指数平滑法，用于对突发交通事件的判别。这种方法 以交通参数数据的预测值和实测值来构造一个跟踪信号，通过比较交通参数数据 的预测值和实测值来构造一个跟踪信号，当该跟踪信号超过预定的闽值时，可触 发突发交通事件警报。 p e r s a u de ta 1 ( 1 9 9 0 ) 根据突变理论开发了m c m a s t e r 算法。使用大量的拥挤和非 拥挤交通状态下的流量一占有率历史数据，开发了一个流量一占有率分布关系模 板，通过将观测数据之间的关系与模板进行两次比较，判断是否发生了交通拥挤 以及发生的是偶发性拥挤还是常发性拥挤。这种算法第一次将过大交通需求引起 的常发性拥挤作为分析判断的对象。 莫尼卡算法( m o n i c a ) 开发于1 9 9 1 年，属于欧盟d r i v e 项目中的一个子项目。 这种算法以连续车辆之间车头时距的测量值和方差、连续车辆之间的速度差为基 础，当这些参数超过预定的闽值时，启动突发交通事件的报警系统。 a n t o n i a d e sa n ds t e p h a n e d e s ( 1 9 9 6 ) 开发了一种单检测站交通事件判别算法 ( s s m ) ，运用统计分析中的t 检验方法分析单个检测站占有率数据差异实现对突 发交通事件的判别。以前1 0 个采样周期占有率的平均值和标准偏差作为比较的基 电子科技大学硕士学位论文 础，在当前实际数据计算出的平均值和标准偏差与之存在较大的差异时，会发生报 警。 波动分析算法o v a ) 是由a d e l i 和k a r i m ( 2 0 0 0 ) ， ：发的一种交通拥挤判别算法。 该算法以上下游检测站的累计占有率之差作为判别的基础。在正常交通条件下，累 计占有率之差应该在零值附近波动，如果存在连续的偏差，则说明有拥挤发生。 综上所述，早期的道路交通状态判别算法主要以突发交通事件为研究对象， 大部分都以感应线圈采集的交通流量、占有率和地点速度等交通数据为基础，所采 用的数据技术主要包括统计分析、平滑滤波等常规方法。随着时问的推移，道路交 通判别的研究内容和研究手段都有了很大的变化。一方面，交通需求和交通供给之 间的矛盾不断变化，常发性交通拥挤也成为交通管理的重点之一；另一方面，信息 采集技术和信息处理技术的进步，为道路交通状态判别研究提供了更有力的技术基 础。除了常规交通检测器能够提供的交通量、地点速度和占有率外，间接算法设计 的信息基础还包括车头时距、车辆的瞬时速度与行程时间、交通流的平均行程时 间和平均行程速度等。 1 4 课题研究的意义 随着经济的迅速发展，车辆的普及率越来越高，交通需求量越来越大，车辆 和道路的矛盾越来越尖锐，车辆在扩大人们的活动范围、给人们的生活带来方便 的同时也带来了更多的困惑：复杂的交通网络使人们无所适从；频繁发生的交通 堵塞使人们难于选择正确的行车路线；外在陌生的地理环境中无法准确了解周围 的交通条件和自己的准确位置；需要服务时却不了解周围服务设施的分布等等。 2 0 世纪末的一项研究发现，仅美国的主要城市每年因交通拥挤而造成的浪费就己 超过4 7 5 亿美元，每年的交通拥挤浪费了多达1 4 3 5 亿升的燃料和2 7 亿个工作小 时，而且这些数字还将以每年5 1 0 的速度递增【3 】。目前我国城市的机动车保有 量正以1 5 的高速增长，而城市道路的增长率则仅为3 左右，经济的高速发展 和城市化进程的加快，使我国的城市交通基础设施承受着巨大的压力。同时，低 效率利用及管理技术落后并存的现象又加剧了交通设施短缺造成的困难。我国大 中城市普遍存在着人车混行、运输效能低下的现象。因此，发展智能交通系统， 来获取更多，更全面，更科学的实时道路交通信息是非常必要的。而道路交通状 态自动判别技术作为智能交通系统的组成部分，也具有很大的发展前途和重要的 科学意义。通过实时采集和处理道路交通信息，使出行者和交通管理者能及时了 4 第一章概论 解道路状况，作出合理选择，减少车辆在道路上的逗留时间，并最终实现交通流 量在网络中各路段上的最优分配。 本研究的设计思想就是研究道路交通判别技术，建立实时道路交通状态自动 判别仿真系统。在该仿真系统中对动态最优路径的选择，实时道路交通状态自动 判别等功能进行仿真和实现。 1 5 论文的主要内容 道路交通状态判别系统是车辆导航监控终端的一个分支，一种功能上的扩充。 论文研究了由g p s 车载终端获得车辆信息( 位置、速度、时间) ，进行道路交通状 态判别及路径诱导。本文的主要内容包括以下几个方面： 1 介绍了g p s 、g i s 的原理，同时分析了应用g p s g i s 的浮动车系统原理及其结 构。 2 道路交通状态自动判别算法的研究与设计：对安装有g p s 定位装置的浮动车 样本数量确定方法进行研究，提出了不同条件下浮动车样本数量的确定模型。 对基于行程时间算法和基于指数平滑法的平均瞬时速度算法进行研究和分析 比较，设计出较适合于道路交通状态自动判别系统的算法。 3 对现有的车辆导航监控终端软件系统功能的研究与完善：针对现有的监控终端 的不足，提出道路交通状况自动判别，根据道路交通状况自动进行最优路径选 择等新的功能。建立一个城市交通仿真系统，在该仿真系统上对新建立的功能 进行模拟和仿真。使道路交通自动判别系统能够更适合于实际应用，提供的交 通信息更加科学和全面。 电子科技大学硕士学位论文 第二章g p s g i s 技术及其在车辆监控系统中的应用 卫星导航系统巨大的优势以及它对国民经济建设和国防建设的重大意义，引 起了许多国家的注意。这些国家投入了大量的人力、物力进行研究，并根据自身 的国情建成了或正在建设卫星导航系统，例如美国的g p s 系统、俄罗斯的 g l 4 n a s s 系统、欧洲的g a l i l e o 系统，以及我国的北斗系统。本章主要介绍g p s g i s 技术及其在车辆监控系统中的应用，以及基于g p s g i s 的浮动车应用系统。 2 1 车载g p s 监控系统 1 、监控系统组成 车载g p s 监控系统，采用了世界领先的g p s 全球卫星定位技术、g s m 全球 移动通讯技术、g i s 地理信息处理技术、大容量数据采集技术和大容量数据存储等 计算机网络通信与数据处理技术，同时尽可能多的采集并记录车辆行驶过程中大 量的数据信息，自动生成图形和数据，进行统计、比较、分析、列表，从而提高 车辆营运管理工作的效率。能够实现对车、船等移动目标的精确定位、跟踪及控 制，具有定位精度高、稳定性强、使用效果好的特点【”。 g p s 车辆监控系统由三部分组成，即：定位部分、通信部分和监控部分。定 位部分主要用来确定移动目标的位置，通信部分作为用户和监控中心沟通的媒介， 而监控部分则为用户提供完善的服务。整个系统的结构如图2 - 1 所示。 图2 - 1g p s 车辆监控系统整体结构 第二章g p s g i s 技术及其在车辆监控系统中的应用 系统的工作原理是：安装在车辆上的g p s 接收机根据收到的卫星信息计算出 车辆的当前位置，通信控制器从g p s 接收机输出的信号中提取所需要的位置、速 度和时间信息，结合车辆身份等信息形成数据包，然后通过无线信道发往监控中 心。监控中心的主站接收子站发送的数据，并从中提取出定位信息，根据各车辆 的车号和组号等，在监控中心的电子地图上显示出来。同时，控制中心的系统管 理员可以查询各车辆的运行状况，根据车流量合理调度车辆。 2 、监控中心 在整个系统中，监控部分是最主要的。监控部分即监控中心，包括各类功能服 务器、应用终端和软件、监控设备、报警装置、数据库等，对车辆的位置、速度、 方位、状态进行监控，为用户提供位置查询、电子地图服务、车辆管理、信息提 供等多种服务。监控中心能实时监控网内车辆当前所处的位置，能在监控中心的 电子地图上准确地显示车辆当时的状态，如行驶速度，运行方向等信息。其拓扑 结构如图2 2 所示。 根据用户所需监控目标数量的不同，中心控制系统有着不同的系统结构，通常 可分为单机版和网络版两种。单机版结构，其投资成本低，直接在用户的电脑上 加装g s m 通讯模块和控制中心全套软件即可，主要用于运行初期小规模车辆管理 的车辆监控系统。下面只对网络版系统结构及特点做详细的描述。 为了满足用户同时监控成千上万个移动目标的要求，利用d d n 专线直接连接 g s m 服务商的短消息服务器。并在中心建立一个计算机网络将监控服务台终端， 系统管理员终端，远程磋网终端等都作为工作站上网，以实现数据共享，远程联 网等功能。系统分为三个层次：无线通信接口，服务器，接八服务终端。采用此 三层次结构来构架整个系统的方法，可以保证系统中硬件和软件系统的分离，提 高系统的稳定性，当系统的其中某一模块发生故障时不至于影响整个系统。 图2 - 2 车辆监控系统拓扑结构 电子科技大学硕士学位论文 当控制台接收到基站从串口传来的数据时，需要对数据进行解释，具体实现的方 法是，定义一个循环队列结构数据，长度大于位置信息或短消息的长度，然后根据通 信协议判断包头和包尾，分离出整个数据包，再对数据包进行判断，确定该信息是位 置信息还是短消息。如果该条信息属于位置信息，则将根据通信协议分离出具体 的有用信息，例如经度、纬度、高度、速度、发送时间等，并将完整信息内容转化 为字符串格式，将该条信息记录在数据库中，以便以后数据回放所需，而后再将经纬 度、速度、高度等信息通过s o c k e t 传送至监控端显示，监控端根据信息内容显示车 辆位置；如果该条信息是短信息，则根据通信协议解析出该条信息中的位置信息 部分和短信息部分，其中对于位置信息部分的处理方法同上，对于分离出的短消 息判断它是短消息还是报警信息，并将其保存在数据库中。 当控制台传来车辆的位置信息时，监控端首先查找地图中是否已经有该车的位 置，如果有，则清除该车位置，在新位置标出该车符号，并将屏幕显示移至该车处； 如果电子地图中没有该车位置，则在新的位置上标出该车符号即可，并将屏幕移至 该车处。 3 、现有监控系统功能的优势和不足 现有的监控终端主要利用g p s 车辆的位置信息，提供位置查询、电子地图服 务、车辆跟踪、车辆调度等。能为驾驶员提供车辆位置信息、车辆盗抢报警等服 务，可以广泛应用于出租车、旅游车、货车等车辆的导航与管理。然而，上传至 监控中心的信息中还包括车辆速度、时间等信息，如能充分利用这两种信息为交 通出行者及交通管理者提供道路状况信息，则可以更加完善监控终端的功能。论 文在2 4 节中分析了综合利用车辆位置、速度、时间等参数的浮动车应用系统，并 在后续章节分析和研究利用安装g p s 的车辆运行时间、速度信息为出行者提供道 路状态信息以及进行动态路径诱导。 2 2g p s 系统的定位原理 数据采集是实现准确的道路交通状态自动判别系统的前提和关键部分。目前， 动态交通流信息主要通过人工手段或安装在道路上的交通流检测设备( 固定型交 通检测器) ，如感应线圈、雷达和电子摄像头等。这些设备成本高，人工维护费用 也颇为可观，而且容易受气候和光线条件的影响，致使在路网上只能安装有限数 量的检测器，因而，无法全面提供交通状况信息，不能满足交通控制管理和交通 信息服务需求。利用基于g p s 定位的浮动车( 浮动车：即安装了车载g p s 监控系统 第二章g p s g i s 技术及其在车辆监控系统中的应用 的车辆) 进行交通信息采集是目前研究的一个新领域，采用g p s 采集数据，可以实 现对路网范围内多个路段交通状况的全方位、同步、动态、实时检测。 1 、伪距差分原理0 1 伪距差分是目前使用最为广泛的一种差分技术。在基准站上的接收机需要求 得它至卫星的距离，并将此计算得到的距离与含有误差的测量值加以比较，求出 其偏差。然后将所有的卫星的测距偏差传输给用户，用户利用此测距偏差来改正 测量的伪距。最后，用户利用改正后的伪距求解本身的位置，就可以消去公共误 差，提高定位精度。 基准站的g p s 接收机测量出可见卫星的伪距f p ，) 一和收集其星历文件。利用采 集的轨道根数计算出各个卫星的地心坐标kvz ，再由基准站的地心坐标 i xyz l h ，求出每一时刻基准站的真实站星距离p ，： p ，= ( x ，一工。) 2 + ( y ，一y 。) 2 + ( 孑，一z 。) 2 ( 2 - 1 ) 式中，上标j 表示第j 颗卫星，下同。基准站g p s 接收机测量的伪距包括各种 误差，与真实站星距离的偏差为： 印= p 。一( pj ) ， ( 2 - 2 ) 伪距的变化率为： 如，：垡( 2 3 ) 。 a t 基准站将p ，和p ，传送给用户，用户测量出伪距以再加上的改正数，便求 得经过改正的伪距： p ：( 。) = p ：0 ) + p7 + h p o t o ) ( 2 _ 4 ) 利用改正后的伪距d ，、，只要观测4 颗卫星就可以按下式计算用户站的坐标。 ，。i c n 盯l p ：。圳= p ：一c + 6 ：拓二石矿j 了瓦f 汀一c 出，+ 6 ( 2 - 5 ) 这种差分的优点如下： 电子科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 由于计算伪距改正数是直接在w g s 8 4 坐标系上进行的，不用变换坐标。 ( 2 ) 这种改正数能提供o ，和a p ， 这使得在未得到改正数的空隙内，也可 以进行差分定位。 ( 3 ) 基准站提供所有观测卫星的改正数，而用户可以选择任意四颗相同的卫星 进行改正。 这种方法的缺点是，随着基准站与用户接收机的距离的增加会出现系统误差， 这种误差是任何差分方法都不能消除的。 为了在一个广阔的地域内提供高精度的差分定位服务，可以将一个差分基准 站与一个或多个主站组网，即采用扩展伪距差分( 广域差分) 技术。主差分站接 收来自各监测站的差分g p s 改正信号，然后将其组合，以形成在扩展地域内的有 效差分g p s 改正电文，通过卫星通信链路或无线数据链路把扩展g p s 改正信号传 送给用户。这种差分技术不仅加大了差分g p s 的有效上传范围，而且保证了在该 地域的定位精度。 2 、g p s 动态定位 g p s 定位依据待定点运动状态又可分为静态定位和动态定位。广义的g p s 动 态定位即g p s 导航，如用于陆地、水上和航空航天运动载体的导航。根据应用的 目的和精度要求的不同，g p s 动态定位方法也不同。主要分为以下几种【5 】= ( 1 ) 单点动态定位 单点动态定位是用安设在一个运动载体上的g p s 接收机，自主地测得该运动 载体的实时位置，从而描绘出该运动载体的运动轨迹。所以单点动态定位又称为 绝对动态定位。常用于行驶的车辆和火车定位。在单点动态定位的基础上还可以 加入实时差分动态定位来提高定位精度。 ( 2 ) 实时差分动态定位 差分动态定位就是用两台接收机在两个测量站上同时测量来自相同g p s 卫星 的导航定位信号，用以联合测得动态用户的精确位置。其中一个测量站位于已知 坐标，设在该已知点接收机称为基准接收机。它和安装在运动载体上的接收机f 又 称为动态接收机) 同时测量来自相同g p s 卫星的导航定位信号。基准站上的接收机 求得它至卫星的距离，并将此计算得到的距离与含有误差的测量值加以比较，求 出其偏差。然后实时地将所有的卫星的测距偏差传输给用户，用户利用此测距偏 差来改正测量的伪距，再解算出其实时位置，可称为实时差分动态定位。实时差 分动态定位是用于较高精度要求的情形，如飞机着陆和船舰进港等。 ( 3 ) 后处理差分动态定位 第二章g p s g i s 技术及其在车辆监控系统中的应用 后处理差分动态定位和实时差分动态定位的主要差别在于，在运动载体和基 准站之间，不必像实时差分动态定位那样建立实时的数据传输，而是在定位观测 后，对两台g p s 接收机所采集的定位数据进行联合处理，从而计算出运动载体在 对应时间的坐标位置。如航空摄影测量时，用g p s 信号测量每一个摄影瞬间的摄 站位置，就可以采用后处理差分动态定位。 2 3g i s 技术及其在车辆监控中的应用 1 、g i s 的原理 地理信息系统( 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 ，g i s ) ，是一种特定而十分重要 的空间信息系统，它是在计算机硬件、软件系统的支持下，以地理空间数据库为 基础，采集、储存、管理、分析和描述整个或部分地球表面( 包括大气在内) 与空间 和地理分布有关的数据，为地理研究和地理决策服务的空间系统。g i s 软件系统是 g i s 的核心组成，按照g i s 对数据采集、加工、管理、分析和表达，可将g i s 软 件系统中与用户有关的软件分为五大子系统即1 6 】：数据输入与转换子系统、图形及 文本编辑子系统、空间数据存储与管理子系统、空间查询与分析子系统、数据输 出与表达子系统。 2 、g i s 空间数据结构及其数据库设计 ( 1 ) 空间数据结构 数据结构是指数据记录的编码格式及数据间的关系描述。在地理信息系统中， 描述地理要素和地理现象的空间数据主要记录的是空间实体的位置、拓扑关系和 几何特征。地理信息系统空间数据结构就是指这种空间数据在系统内的组织和编 码形式( g i s 数据结构也称为图形数据结构1 ，它是指适合计算机系统存储、管理和 处理地理图形的逻辑结构，是地理实体的空间排列方式和相互关系的抽象描述。 空间数据编码是空间数据结构的实现，是根据地理信息系统的目的和任务所收集 的，并经过审核了的地形图、专题地图和遥感影像等资料，按一定数据结构转换 为适于计算机存储和处理的数据过程。g i s 空间数据结构通常分为：矢量( v e c t o r ) 结构和栅格( r a s t e r ) 结构。 栅格结构是最简单、最直接的空间数据结构，是将地球表面划分为大小均匀 紧密相邻的网格陈列，每个网格作为一个像元或象素由行、列定义，并包含一个 代码表示该象素的属性类型或量值，或仅仅包括指向其属性记录的指针。栅格结 构的显著特点是：属性明显，定位隐含，即数据直接记录属性的指针或属性本身， 1 1 电子科技大学硕士学位论文 而所在的位置则根据行列号转换为相应的坐标。由于栅格行列像元阵列易为计算 机存储、操作和显示，因此容易实现，算法简单，且易于扩充、修改。 矢量数据结构是通过记录坐标的方式，尽可能精确地表示点、线、面等地理 实体，坐标空间设为连续，允许任意位置、长度和面积的精确定义，其精度仅受 数字化设备的精度和数值记录字长的限制，一般比栅格结构精度高得多。 空间数据的栅格结构和矢量结构的模拟地理信息截然不同的方法，栅格结构 十分有利于空间分析，但输出的地图既不美观也不够精确；矢量结构存储量小， 但能够输出精美的地图，但进行空间分析非常不方便。 ( 2 ) g i s 数据库设计原则【7 j g i s 数据库是对空间数据合理存放的一个集合，这个集合存放通常应该满足： 最小冗余原则( 数据尽可能不重复) 、应用程序对数据资源的共享原则、数据独立性 原则以及统一管理原则。同时数据库的设计也应该根据数据库的类型、大小、复 杂程度和使用时间长短等因素来进行，将所有数据有效、合理地存储在数据库中， 并且能够满足不同的要求。其一般设计步骤为：需求分析、原型概念化设计、g i s 数据库的详细设计、自动化方案制定、试点项目实施以及数据库总体实施。其中 原型概念化设计属于g i s 数据库设计环节比较重要的内容，通常包括：决定数据库 的数据内容，选择适当的数据模型，各数据内容如何在库中组织并如何将设计内 容写成报告等。 ( 3 ) g 1 s 与数据库结合的模型 随着g i s 用户对g i s 功能要求的不断提高，g i s 与数据库的结合方式也在不 断的变化。主要有纯关系模型、空间扩展模型、包装模型。 总之，以上介绍的3 种方案各具特色。其中纯关系模型比较适合于空间信息 不太复杂的应用，对象一关系模型比较适合于空间信息比较复杂的应用，而包装 模型适合于用户需求灵活多变的情况“。 3 、g i s 在车辆监控中的应用 g i s 是集测绘科学技术、数据库技术和计算机图形学技术于一体的一个新兴 的边缘学科。在车辆监控领域的应用，g i s 是一种集城市地理信息系统和物标主题 信息于一体的面向车辆导航、跟踪的信息系统，它可以显示各种比例的电子地图， 能够迅速可靠地为车辆提供各种查询信息，灵活方便地选择车辆道路交通网上任 何两节点问的最佳行车路线，并在监控中心对车辆进行实时跟踪、调度管理。g i s 技术在车辆监控系统中的主要功能有： ( 1 ) 提供良好的图形化人机界面，以不同标记显示路况信息，以提醒驾驶员； 第二章g p s g i s 技术及其在车辆监控系统中的应用 ( 2 ) 在矢量电子地图上，用户可以进行任意地放大、缩小、漫游、旋转、分层显 示等； ( 3 ) 能在电子地图上实时、准确地显示车辆的位置，跟踪车辆的行驶过程，并可 以回放车辆的运行轨迹； ( 4 ) 用户可以进行地理实体的查询； ( 5 ) 在电子地图上，用户可以进行路径规划，最短路径的选择。 2 4 基于g p s g i s 的浮动车系统 2 4 1 基于g p s g i s 的浮动车系统原理和结构 从整个系统的硬件构成来看，浮动车系统与现有的车辆监控系统组成基本相 同。主要区别在于浮动车系统除了可以提供现有监控系统的功能外，还可以提供 道路状态信息、车流量信息以及动态路径诱导信息，丰富了监控终端的功能。 1 、系统组成 浮动车系统主要由卫星、g p s 车载单元、发射塔、差分修正站和监控中心组 成，如图2 3 所示。 图2 3 基于g p s g i s 的浮动车系统组成 电子科技大学硕士学位论文 2 、系统原理 基于g p s 的浮动车系统由现有的卫星定位、交通信息采集单元、信息中心三部 分组成。系统将安装了卫星定位接收机车辆作为动态交通信息检测单元，应用g p s 定位技术和地图匹配技术，在信息中心实现这些车辆的实时定位跟踪，同时监测 车辆在路网上的行驶状况和各路段的旅行时间，然后运用信息融合技术得到整个 交通网络状况的分析和预测，进而为有效进行城市交通诱导提供决策依据。整个采 集过程可分为以下步骤削： ( 1 ) g p s 定位：g p s 定位结合地图匹配技术实现对信息采集单元的定位； ( 2 ) 交通流参数估计： g e s 定位获得的车辆瞬时速度、位置、时间，通过数据 筛选、过滤和参数估计算法转化成信息采集单元所在路段的区间平均速度、交通流 量和行程时间。 ( 3 ) 交通信息分析预测：采用信息融合技术，根据已得参数进行交通状态判别， 并分析预测下一时段路段的交通流量和行程时间等。 根据上述原理，得到基于g p s g i s 的浮动车系统原理框图，见图2 4 。 g p s 数据 图2 4 基于g p s 的浮动车系统原理框图 2 、系统结构 装载于各车辆上的车载终端向车载终端数据接收服务器发送原始的车辆位置 信息、速度信息、状态信息等，所有信息均存入监控调度中心的数据库。浮动车 的数据处理主要可以分为两大部分：地图匹配和数据分析处理。地图匹配主要对 车载终端发送到监控中心的原始的g p s 位置信息进行空间分析和计算，将其由一 个单独的空间坐标点与车辆行驶所在的路线关联起来，确定车辆行驶的道路。地 图匹配模块周期性地扫描监控中心数据库，对未进行地图匹配的数据进行地图匹 配，将成功匹配后的结果存入地图匹配结果数据库，同时也剔除由于g p s 定位误 琴豁令 状 一 掰扑二 骂黼习 、 、l引划f卢， ，一 j、拶、。、引刊f， 一 ，帽慵、 第二章g p s g i s 技术及其在车辆监控系统中的应用 差过大、或者车辆出于非正常行驶状态等原因产生的无效数据。数据分析处理主 要对采集的浮动车速度信息和状态信息进行处理，估算区间平均速度、交通流量， 进而估算整个路段的平均行程时间，进而进行道路交通状态判别等，并将数据分 析处理的结构保存到数据库中。因而，整个结构可以划分为三大部分：车载终端、 车辆g p s 监控系统以及g p s 浮动车数据处理中心。系统的结构图见图2 5 。 。螽据分扒 ，j ，1 仔 、遵据库k ：= $ 数据处理 动 主 区间平均速度估算 交通流量估算 圈 八皇 平均行程时间估算 厂军甄终l 寻 ， i 塑i 车辆g p s1 - 髫 笪 地图匹配 4 石试 i 信息采集路 。k 配结是肛n道路交通状态判别l 唧 f 段地图匹配 飞竺厂 地图匹配结果与原 l 错误数据的 始车辆位置信息的 v 剔除 对比显示 图2 5 基于g p s 的浮动车系统结构图 2 4 2 基于g p s 的浮动车系统关键技术 将g p s 定位技术应用于交通信息的采集，不仅是一个创新性的工程应用，而且 在理论上也存在着诸多难题。需要解决的关键技术有： ( 1 ) 信息检测单元与整个交通流信息之间的内在联系 选取多少信息检测单元可达到对整个交通流信息的准确估计是该技术的理论 基石，也是国际上该领域的难点问题之一，本文在第四章进行了研究。 ( 2 ) 精确定位和道路匹配 在不同条件下利用g p s 定位如何将浮动车单元准确匹配到正确路段甚至车道， 这是该项技术的可行性基础。g p s 结合地图匹配技术构成连续定位系统。 为了对车辆进行监控，就要确定移动目标的准确位置并将其显示在