（系统工程专业论文）基于浮动车技术的路段交通流量推算研究.pdf

些塞銮塑盔堂亟堂僮论塞主塞遁墨 中文摘要 摘要：城市道路交通流研究是城市交通规划与管理的研究重点和热点，特别是城 市道路交通流量等参数，为城市路网规划、城市交通管理与控制提供依据。但传 统的获得城市交通流量的方法存在着投资大、覆盖面有限等问题。 g p s 技术因其定位速度快、低成本等特点，已成为当今应用最为广泛使用的 卫星定位系统。通过载有g p s 设备的浮动车可实时采集速度、位置等信息。 本文研究以“国家十五科技攻关项目”：杭州市道路和交通管理应用浮动车 技术示范工程为依托，对应用浮动车技术实现城市道路交通流量推算进行了研 究：论文综述了城市交通流研究现状及浮动车数据的处理方法，提出了浮动车数 据筛选方法及速度拟合算法；论文对传统的交通流模型进行了分析比较，以三段 式速度密度模型为基础，建立了以速度为划分依据的三段式速度流量模型，并给 出了参数标定的方法；最后，应用本文所提出的方法，进行了杭州市环城北路的 路段交通流量推算，以验证模型的有效性。 关键词：交通流量；城市交通；浮动车；g p s ；交通流模型；速度 韭富銮道太堂亟堂焦监塞 垦s 王基：l ： a b s t r a c t a b s t r a c t ：t h er e s e a r c ho fu r b a nt r a f f i cf l o wi st h ei m p o r t a n tr e s e a r c h i n gf i e l do f t h eu r b a nt r a f f i cp l a n n i n ga n dm a n a g e m e n t ，e s p e c i a l l y , t h er e s e a r c ho ft h ep a r a m e t e r s u c ha su r b a nt r a f f i cf l o wh a sb e e nt h eh o tf i e l di nt h ew o r l d ，s u p p o r t i n gt h eb a s i so f u r b a nr o a dn e tp l a n n i n g ，u r b a nt r a f f i cm a n a g e m e n ta n dc o n t r 0 1 b u t ，t h et r a d i t i o n a l m e t h o do f o b t a i n i n gt h eu r b a nt r a f f i cf l o we x i s t ss o m ep r o b l e ms u c ha sl a r g ei n v e s t m e n t a n dl i m i t e dc o v e n n e n t n o w a d a y s ，d u et or a p i dv e l o c i t ya n dl o wc o s t ，g p sb e c o m e st h em o s tw i d e l yu s e d g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m i n f o r m a t i o ns u c ha ss p e e d 1 0 c a t i o nc a nb ec o l l e c t e db yp r o b e c a r o nt h eb a s i so f t h ed e m o n s t r a t i o np r o j e c tw h i c ha p p l yf l o a t c a rt e c h n o l o g yt ot h er o a d a n dt r a f f i ca d m i n i s t r a t i o ni nh a n g z h o u ，t h ep a p e rr e c o u n t st h er e s e a r c hc o n d i t i o no f t h eu r b a nt r a f f i cf l o wa n dt h em e t h o do f d a t ap r o c e s so f p r o b ec a r , a n dp u t sf o r w a r dt h e m e t h o do fc h o o s i n gd a t ao fp r o b ec a ra n da r i t h m e t i co fs p e e d o nt h eb a s i so ft h r e e p h a s es p e e d d e n s i t ym o d e l ，t h ep a p e ra n a l y z e sa n dc o m p a r e st h et r a d i t i o n a lt r a f f i cf l o w m o d e l ，e s t a b l i s h e st h r e ep h a s es p e e d f l o wm o d e ld i v i d e db ys p e e d ，a n dg i v e st h e m e t h o do fp a r a m e t e re n a c t m e n t i nt h el a s t ，t h ep a p e rr e c k o n st h et r a f f i cf l o wo ft h e n o r t hc i r c l er o a do fh a n gz h o uc i t ya n dv a l i d a t e st h ee f f i c i e n c yo ft h em o d e lb y a d o p t i n gt h em e t h o dp u t t e df o r w a r di nt h ea r t i c l e k e y w o r d s ：t r a f f i cf l o w ；p r o b ec a r ；s p e e d ；g p s ；u r b a nt r a f f i c 致谢 在硕士论文完成之际，首先要非常感谢我的导师尹相勇教授，近三年来跟随 老师学习，无论是在学业上，还是在思想、工作和生活上都受了导师莫大的教益。 老师严谨的学风、渊博的学识、对学术的敏锐洞察力及宽厚正直的品格都是我学 习的榜样，其人生理念也潜移默化的影响、教育着我，时时刻刻鞭策着我，必将 惠及一生。本文从选题、构思、搜集资料到行文结构的改进，都得到老师的悉心 指导。在此，谨向导师致以崇高的敬意和衷心的感谢，并祝取得更加辉煌的科研 业绩! 衷心感谢尹相勇老师对我将近三年时间的谆谆教诲，您的治学精神和广博胸 怀永远是我一生的榜样。 在本篇论文开题报告时，吕永波教授、王喜富教授都曾提出宝贵的意见和建 议，对他们的热心指导表示深切的敬意。 感谢交通运输学院的各位领导和老师，在北京交通大学近三年的学习生活， 处处都体现了他们的辛勤培养和殷切帮助。 感谢室友肖增斌、王义祥两位同学给于我的关心和帮助。感谢各位学友及其 他好友，很幸运能与他们共同探讨与切磋，从他们身上我学到了很多，也得到了 他们各方面的关心与帮助。 最后，特别献给我深爱的父母! 你们是我的生命的力量和源泉，感谢你们为我 做的一切! 在接下来的漫漫人生长路上，我将继续戒骄戒躁、积极进取，以我的所学所 能，报答师长、报答母校、报答社会! 实现自己的人生价值! 韭塞窑适厶堂亟堂焦论塞绪论 1 绪论 1 1 论文背景及选题意义 城市交通是城市社会活动、经济活动的纽带和动脉，对城市经济的可持续、 稳定发展和人民生活水平的提高发挥着重要的作用。城市交通的高速发展，一方 面促进了物质交流和人们的往来，大大缩短了出行时间，提高了工作效率；但另 一方面也带来了许多弊端。近半个世纪以来，交通拥堵、道路阻塞和交通事故频 繁发生，不论是在发达国家还是发展中国家，都存在不同程度的问题。尽管各国 政府在道路建设上投入了大量资金，城市及其周边修建了大量的交通设施，但是 交通拥堵状况在全世界许多国家仍然十分严重，已成为非常突出的世界性难题【1 1 。 近年来我国进人了城市化的高速发展阶段，随着我国国民经济的高速发展， 城市化进程不断加快，城市人口急剧增长，各类车辆拥有量不断增加，大多数城 市也不同程度地出现了交通拥挤与交通堵塞现象以及由此而引起的日益严重的交 通事故、交通噪声及尾气污染等问题。城市交通问题正越来越严重地困扰着我国 各大城市并成为牵动城市千家万户的热点问题。但是，能够用于修建道路的土地 有限，不可能持续大规模建造道路来满足交通供给，出行需求和交通供给存在难 以解决的冲突。因此，发展可协调的策略来解决城市交通拥塞问题，得到了广泛 的重视。 路段交通流量的实时采集，是实现交通流量控制的重要手段，也为城市路网 设计、城市交通控制与管理提供着依据。以往的城市路段交通流量的采集，主要 是通过线圈、微波、视频等技术来采集，需要大量的固定设施的投资。 浮动车( 即安装有定位和无线通信装置的普通车辆，如出租车、公交车、警 车等) 在道路上行驶时，可以获得车辆的行驶时间、速度及位置三方面的信息， 利用这三方面信息通过交通流建模，可以推算交通流量。而诸如线圈、微波等技 术只能获得交通流量信息。 与在道路基础设施设置交通固定监测设备相比，利用浮动车技术监测路网动 态交通流不仅具有更大的灵活性，而且还具有低成本的优势。目前我国大部分城 市的交通检测基础设施都很薄弱，通过浮动车技术来推算交通流量恰好解决了该 问题，具有良好的社会效益和经济效益【2 】。然而，利用浮动车技术获取路段交通流 量的相关研究，在国内外还处于起步阶段。 本文的研究就是在参加“国家十五科技攻关项目”：杭州市道路和交通管理 j e 塞窑适太堂亟堂僮论塞绪论 应用浮动车技术示范工程的基础上撰写的。 1 2 论文完成的主要工作 本论文所做的主要工作为： ( 1 ) 浮动车数据处理方法的研究 载有g p s 设备的浮动车可以实时采集该车的地理坐标、行驶速度、行驶方向 等信息。但原始的g p s 数据并不能直接用于交通流量的推算，需要经过一系列的 处理。本文选取了原理简单且效果良好的坐标转换和地图匹配算法来确定浮动车 在路网中的具体位置，并建立了数据筛选和速度拟合方法以获得路段浮动车平均 速度，应用平均速度推算路段交通流量以减少误差。 ( 2 ) 基于浮动车数据的路段交通流量推算模型研究 根据浮动车数据信息特点，建立了适用于城市交通特性的三段式速度流量模 型。以往的速度流量模型都是根据观测数据统计得到的，并且大多只适用于连续 交通流。本文从交通流的三要素驾驶员、车辆和道路的特性出发，结合城市道路 交通流的特性，以三段式速度密度模型为基础，建立了以速度特性为分段依据的 三段式速度流量模型，并给出了模型参数的标定方法。 ( 3 ) 以杭州市环城北路浮动车与线圈数据为基础的示例分析 本文以杭州市环城北路为例，对路段交通流量推算进行了示例分析。本文选 取了杭州市环城北路1 0 4 0 路段，分别对该路段2 0 0 6 年8 月1 1 日早高峰时段 8 ：0 0 , - - 9 ：0 0 、下午平峰时段3 ：0 0 - - - 4 ：0 0 两个时段的浮动车数据进行数据处理、数据筛 选、速度拟合等工作，并应用本文提出的速度一流量模型推算了该路段的交通流量。 1 3 论文的结构 本论文共分为六个部分，各部分内容安排如下： 第一部分为绪论，介绍论文的研究背景及选题意义、主要研究内容、论文结 构和论文的新意。 第二部分为国内外研究现状综述，综述了城市道路交通流研究现状、城市交 通流量采集方法以及g p s 技术的研究状况及其在交通领域的应用，g p s 技术应用 于交通流量推算的优势及现状。 第三部分为浮动车数据采集及处理。论文分析了浮动车数据的特点、性能及 数据的采集方法，对所选取数据的坐标转换、地图匹配算法及本文建立的数据筛 选及速度拟合的方法也进行了分析。 2 j e 塞交适太堂亟堂僮j 金塞 绪论 第四部分为基于浮动车数据的城市道路交通流量推算建模。分析了城市道路 交通流的特性和几种主要的交通流模型，在此基础上建立了以速度特性为分段依 据的三段式速度流量模型，基于浮动车数据推算城市道路交通流量，给出了参数 标定的方法并论述了其优缺点。 第五部分为示例分析。以杭州市环城北路1 0 4 0 路段为例，应用本文研究的方 法推算交通流量，并用实测数据对所得结果进行校验。 第六部分为需要进一步研究的问题，指出了论文中可进一步研究的问题。 论文的结构图如下： 1 4 论文的新意 图1 - 1 工作框图 f i g 1 1b l o c kd i a g r a mo f t h e j o b 过去获取来自交通出行者的数据和信息主要是交通量和速度，监测手段主要 是采用定点观测方式，如线圈、微波等。本文的新意是： ( 1 ) 基于浮动车数据的路段交通流量推算 以往的城市路段交通流量的采集，主要是通过线圈、微波、视频等技术来采 集，本文以浮动车为信息来源，通过浮动车数据( 即浮动车的速度、位置、时间 等信息) 来推算交通流量，获得路网流量信息。与在道路基础设施设置交通固定 监测设备相比，利用浮动车技术监测路网动态交通流具有更大的灵活性和低成本 的优势。 ( 2 ) 建立了适用于城市道路交通流量推算的速度流量模型 目前，国内外大量的交通流模型都只适用于连续流，本文以基于交通流特性 的三段式速度密度模型为基础，建立了以速度特性为分段依据的三段式速度流量 模型，并给出了模型参数的标定方法。 3 e 塞奎逼太堂亟堂僮i 金塞亘凼2 班究现迭蕴述 2 国内外研究现状综述 2 1 城市道路交通流研究现状 2 1 1交通流理论研究发展现状 交通流理论是应用数学或物理学原理对交通流的各参数及其之间关系进行定 性和定量的分析，以寻求道路交通流的变化规律，从而为交通规划、交通管理和 道路及运政、路政管理提供理论依据1 3 】。 现代交通流理论研究始于2 0 世纪3 0 年代，首先将交通车流看作随机独立变 量、运用概率论分析交通量与车速间的关系；4 0 年代起，在运筹学和计算技术等 学科发展的基础上又获得新进展；5 0 年代，随着汽车工业和交通运输业的大发展， 造成道路行驶车辆数量急剧增长，产生车队现象，车流中车辆的独立性越来越小， 相继出现了跟驰理论、波动理论( 流体力学模拟理论) 和车辆排队论( 随机服务系统 理论) 。1 9 5 9 年1 2 月在美国底特律举行了首届国际交通流学术讨论会，1 9 6 4 年由 美国公路研究委员会出版了“交通流理论入门”专题报告汇编，美国一些大学陆 续编写了交通流理论方面的书籍，从此交通流理论逐步形成，相关的研究也进入 一个迅速发展的时期【4 】。 2 0 世纪8 0 年代以来至今，交通流理论研究的主要出发点是基于流体力学模拟 的方法和思想。比较有代表性的有将交通流堪称不可压缩流体的p a y n e 模型 ( 1 9 7 1 ) 、p a p a g e o r g i o u ( 1 9 8 3 ) 模型，“与流体力学相一致”的d a g a n z o 的元胞传输 模型。b i h a m 、m i d d l e t o n 及l e v i n e 于1 9 9 2 年建立了二维元胞自动机模型( b m l 模型) 。 2 0 世纪9 0 年代以前，我国的同济大学、吉林大学等单位的交通工程学者作了 一定的工作，侧重于探讨经典的概率论模型和跟车模型及其应用。此后，在国内 交通迅速发展的背景下，我国的交通流理论研究步入了快速发展时期，大量的物 理学界、数学界的学者也加入了交通流理论的研究队伍。如今，我国交通科学家 在流体力学模型、跟驰模型和元胞自动机等研究方向产生了具有实用价值的理论 成果【1 】o 2 1 2交通流模型研究现状 交通流特性研究的内容非常广泛，大致可以分为以下几个方面： 4 j 立窑道厶堂亟堂位熊塞国凼筮班荭埋丛堡述 交通流宏观特性：包括三大参数各自的特性以及三者之间的关系； 交通流微观特性：即单车的跟驰行驶行为； 特殊交通流特性：如混合交通流特性、交汇地段交通流特性等。 描述交通流特征有一个主要参数：交通量、速度和密度。速度和密度反映交 通流从道路获得的服务质量，而交通量可度量车流的数量和交通设施的需求状况。 上述三个参数是交通流最基本的度量指标，其变化规律反映交通流的基本性质。 由于密度难以观测，因此除三大参数外，通常还用车头时距、车头间距、车道占 有率等参数来间接描述密度特征。 对交通流模型的研究始于2 0 世纪3 0 年代，1 9 3 3 年g r e e n s h i e l d s 根据当时的 观测数据提出了速度密度线性模型，对速度与密度关系做了开创性的研究。第二 次世界大战以后，随着汽车拥有量和公路里程的快速增长，交通流模型的研究得 到了飞跃的发展。自5 0 年代末出现了多种新的模型，如1 9 5 9 年g r e e n b e r g 提出了 速度密度的对数模型，1 9 6 1 年u n d e r w o o d 提出了自由交通流模型( 即指数模型) ， 1 9 6 1 年e d i e 在g r e e n b e r g 和u n d e r w o o d 的研究基础上提出了在分段的组合模型， 1 9 6 7 年d r a k e 等人提出了钟形模型等等。 2 0 世纪8 0 年代以后，许多文献将注意力集中到对交通流到达或接近通行能力 时交通流状况的研究，h o u n s e l l 5 1 认为自由流速度几乎可以保持到当流量接近通行 能力时。1 9 9 2 年h a l l 指出对应于高速公路的不同区段，速度一流量曲线应分为3 部 分：第1 阶段为非饱和状态，第2 阶段为排队释放状态，第3 阶段为过饱和状态 6 】。 目前，交通流模型仍主要用于连续交通流( 即没有外部固定因素影响的不间 断交通流，如交通信号灯等) 的研究。近年来，随着新思想、新观点、新技术和 新方法的不断涌现使得交通流模型的研究充满生机，交通流模型和方法日臻完善， 使用范围越来越广。交通流模型已成为交通运输理论研究的重要组成部分，为交 通运输系统的规划、设计和管理提供依据和方法。 2 1 3 城市交通流量采集技术现状 城市交通流量信息是制定城市道路发展规划，安排道路养护经费规划和养护 生产作业的主要依据，也是向交通城建规划与环保以及公安交通管理部门提供改 善、优化道路交通的实际参考资料和数据。获得交通状况信息在城市道路网络中 的分布情况，可以确定道路网络密度是否能够满足现在和未来的交通需求，解决 文通设施的供给与需求的矛盾，使城市道路网络布局合理化。其统计数据的准确 与否直接影响着城市道路质量与运转效能。 目前交通状况信息采集的常用方法归纳起来有非自动采集与自动采集两种， j e 塞銮适太堂亟堂焦逾塞国出处班冠现达绽述 都通过直接测量来获得交通状况信息【”。 1 非自动采集方法有：人工计数法、浮动车法、摄像法等。 人工计数法，指由一个或几个调查人员，在选定的地点及时问，计测和记录 通过实测段面的车辆数，使用工具除必需的计时器外，还需手动计数器、测量仪 器和其他记录用的记录板、纸和笔等。 浮动车法，由英国道路研究试验所的w a r d r o p 和c h a r l e s w o r t h 于1 9 5 4 年提出， 需一辆调查小车，在测定区域内反复行驶测量，由调查人员在车中作相关记录， 求出区间内段面交通参数。 摄像法，是在测定路段做出标记，对其作定时摄影，最后对照片进行处理， 得出交通信息。 前两种方法运用较灵活，不需要复杂的设备，资料整理方使，易于掌握，但 需占用大量人力，劳动强度大，培训等费用较高。后一种方法的特点是资料直观， 可反复使用，但费用高，整理资料花费人工多。更重要的是，它们都无法实现交 通状况的实时采集，不适合交通的实时控制和交通流的诱导。 2 自动采集方法 目前交还状况的自动采集技术己经有了很大发展，使用的方法主要有：环形 线圈检测器、超声波检测器、磁性检测器、红外线检测器、微波检测器以及视频 图像处理技术。 ( 1 ) 环形线圈检测器。环形线圈检测器是目前使用最为广泛的交通流量检测器。 它是利用埋设在车道下的环形线圈对通过线圈或存在于线圈上的车辆引起电磁感 应的变化进行处理而达到检测目的，当车辆通过线圈时产生电感量的变化引起相 位的变化，通过相位比较器获得一个相应的信号，它可以用来检测交通流量，车 道占有率和车速。其造价较低，检测精度较高，但安装时对路面有破坏，安装和 拆除不方便，线圈易损坏。 ( 2 ) 超声波检测器。超声波检测器是通过接收由超声波发生器发射的超声波束 并经车辆反射的超声回波来检测车辆，它由设置在车道上方的超声波探头向下反 射一束超声波，车辆通过这些波束时，引起波束反射回发送部件通过判断信号与 原反射回波信号在时问上的差异来检测车辆数和车辆类型，用双探头还可以检测 车速。其车型分类交易实现，但检测距离较短。 ( 3 ) 磁性检测器。磁性检测器是通过磁场变化来进行检测。将高导磁材料套上 线圈，用绝缘管封装埋设在车道下面来感应车辆，当车辆靠近或通过线圈时，穿 过线圈的磁场发生变化，这样即可检测车辆的信息。磁性检测器的优点是价格便 宜，安装容易，特别是地磁检测器，但其无法检测静止车辆。 ( 4 ) 红外线检测器。红外线检测器一般采用反射式和阻断式检测技术。反射式 6 j e 塞窑适塞堂亟堂鱼迨塞国内2 e 硒塞现挞堡堕 红外线检测器使用反射接收器，用来反射光束和接收反射光束，通过记录路面和 车项反射率的变化对车辆进行检测。阻断式红外线检测器由位于道路一侧的反射 接收器和车道另一侧的强反射板组成，车辆通过时，反射波被切断而检测车辆。 红外线检测器性能较好，还能采集车辆速度信息，但设备较复杂。 ( 5 ) 微波检测器。微波检测器是按照多普勒效应原理工作。该检测器向行驶的 车辆反射1 0 m c 的微波束时，波束被车辆阻挡而产生反射波，引起频率变化，经 过接收放大，输入一个检测信号，以检测流量和速度。其可全天候工作，但检测 距离较短。 ( 6 ) 视频图像处理技术。视频图像处理技术是通过视频图像处理的方式获取交 通流数据的采集系统，它通过将一段道路的交通状况摄成图像，并将原有的道路 和路旁景物图像负迭加在图像上检测出交通流量和车速，从而提供一段道路上的 交通状况数据，其可以在采集交通信息的同时提供交通的实时视频图像，便于观 察监视，但受外界光线变化影响较大，对摄像机拍摄角度有较高要求。 这些方法各有优势，但都需固定安装，一是硬件投资大且易损坏，不易修理， 更重要的是检测器只能在固定路口或路段安装，受安装空间的限制或覆盖范围受 到一定的限制，无法实现任意路段的数据采集。利用浮动车技术可以较好地、经 济而有效地解决这一问题。 2 2 将先进的g p s 技术引入交通流领域 g p s 是全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 的简称，它是美国从本世纪 7 0 年代开始研制，历时2 0 年，耗资2 0 0 亿美元，于1 9 9 4 年全面建成，具有在海、 陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。经近 1 0 年我国测绘等部门的使用表明，g p s 以全天候、高精度、自动化、高效益等显 著特点，赢得广大测绘工作者的信赖，并成功地应用于大地测量、工程测量、航 空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、 地球动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命【8 】。 随着全球定位系统的不断改进，硬、软件的不断完善，应用领域正在不断地 开拓，目前己遍及国民经济各种部门，并开始逐步深入人们的日常生活。 g p s 系统的特点： ( 1 ) 全球、全天候工作：能为用户提供连续、实时的三维位置、三维速度和精 密时间，不受天气的影响。 ( 2 ) 定位精度高：单机定位精度优于1 0 米，采用差分定位，精度可达厘米级和 毫米级。 7 j e 塞窒道盘堂亟堂鱼逾塞国凼处婴塞现丛绽蕉 ( 3 ) 功能多、应用广：随着人们对g p s 认识的加深，g p s 不仅在测量、导航、 测速、测时等方面得到更广泛的应用，而且其应用领域不断扩大。 2 2 1g p s 在交通领域的主要应用 目前，几乎全世界所有需要导航、定位的用户，都被g p s 的高精度、全天候、 全球覆盖、方便灵活和质优价廉所吸引。g p s 系统己在日本、美国、德国、英国 等国家获得了极大发展。英国的交通管理部门甚至还希望在此系统基础上实现收 费功能，由记录的车辆行驶路线和距离，计算该车该年度应缴纳的道路使用费。 我国的g p s 应用发展势头迅猛，短短几年，g p s 在我国的应用己从少数科研单位 和军用部门迅速扩展到民用领域，g p s 的广泛应用改变人们的工作方式，提高了 工作效率，带来了巨大的经济效益。可以说，g p s 在我国有着广阔的应用前景【9 】。 现阶段g p s 在交通领域的应用主要包括以下几个方面： ( 1 ) 车辆跟踪：利用g p s 和电子地图可以实时显示出车辆的实际位置。并任意 放大、缩小、还原、换图；可以随目标移动，使目标始终保持在屏幕上；还可实 现多窗口、多车辆、多屏幕同时跟踪。利用该功能可对重要车辆和货物进行跟踪 运输。 ( 2 ) 提供出行路线规划和导航：提供出行路线规划是汽车导航系统的一项重要 辅助功能，它包括自动线路规划和人工线路设计。 自动线路规划是南驾驶者确定起点和目的地，由计算机软件按要求自动设计 最佳行驶路线，包括最快的路线、最简单的路线、通过高速公路路段次数最少的 路线等的计算。 人工线路设计是由驾驶者根据自己的目的地设计起点、终点和途经点等。自 动建立线路库。线路规划完毕后。显示器能够在电子地图上显示设计线路。并同 时显示汽车运行路径。 ( 3 ) 信息查询：为用户提供主要物标，如旅游景点、宾馆、医院等数据库，用 户能够在电子地图上根据需要进行查询查询资料可以文字、语言及图像的形式显 示，并在电子地图上显示其位置。同时，监测中心可以利用监测控制台对区域内 的任意目标所在位置进行查询。车辆信息将以数字形式在控制中心的电子地图上 显示出来。 ( 4 ) 话务指挥：指挥中心可以监测区域内车辆运行状况。对被监控车辆进行合 理调度。指挥中心也可随时与被跟踪目标通话。实行管理。 ( 5 ) 紧急援助：通过g p s 定位和监控管理系统可以对遇有险情或发生事故的车 辆进行紧急援助。监控台的电子地图显示求助信息和报警目标。规划最优援助方 韭塞交适盍堂亟主堂僮诠塞国凼2 e 班壅现丛绽述 案，并以报警声光提醒值班人员进行应急处理。 ( 6 ) 在道路工程中的应用：g p s 在道路工程中的应用，目前主要是用于建立各 种道路工程控制网及测定航测外控点等。随着高等级公路的迅速发展，对勘测技 术提出了更高的要求，由于线路长，已知点少，因此，用常规测量手段不仅布网 困难，而且难以满足高精度的要求。目前，国内已逐步采用g p s 技术建立线路首 级高精度控制网，然后用常规方法不设导线加密。 ( 7 ) 其他应用：由于g p s 系统的空间卫星上载有的精确时钟可以发布时间和频 率信息，因此，以空间卫星上的精确时钟为基础，在地面监测站的监控下，传送 精确时问和频率是g p s 的另一重要应用。应用该功能可进行精确时间或频率控制， 为许多工程实验服务。此外，据国外资料显示，还可利用g p s 获得气象数据。 g p s 是近年来开发的具有开创意义的高新技术之一，必然会在诸多领域中得 到越来越广泛的应用。相信随着我国经济的发展和g p s 技术应用研究的逐步深入， g p s 在交通领域中的应用也会更加广泛和深入，并发挥出更大的作用。 2 2 2g p s 技术应用于交通流量推算的优势 g p s 技术因其定位精度高、速度快、低成本等特点，已成为当今应用最为广 泛的卫星定位系统，将g p s 技术与交通流量这两个词联系在一起已是屡见不鲜。 将g p s 技术与城市交通管理系统相结合可实现交通状况的实时检测，主要具有如 下几方面优势： ( 1 ) 测量范围广，精确度高。g p s 系统的空间部分是由分布在互成6 0 度的6 个 轨道面上( 轨道夹角为5 5 度) 的2 4 颗卫星组成的通信网络，每颗卫星都不断的向地 球表面发送自身星历参数和时间参数。由于卫星在地球上空2 1 万k i n 的轨道上均 匀分布，所以地面上任点都可以接收到不少于3 颗卫星信号，保证了数据的精 确性。因此，g p s 可得到精确到o 1 m s 的速度信息，精确到1 0 0 千秒的时间信息 以及精确到1 0 米的位置信息( 若采用差分技术可进一步提高定位精度) 。 ( 2 ) 数据统计处理方便快捷。g p s 定位系统由空间卫星、地面控制站和用户接 收机三大部分组成，g p s 用户接收机通过接收卫星信号算出自身的位置、速度、 时间，实现数据的自动采集；而采集数据的后续处理，用户可根据需要编程实现。 ( 3 ) 具有良好的兼容性和后续开发潜力。g p s 系统可由多种语言开发，并可与 其它软件( 例如g i s ) 结合，优势互补。 ( 4 ) 效率高，造价低。由于该测量方法基于车载g p s 系统，从信息的采集到最 后的数据处理，可完全由计算机控制实现，因此节约了大量人力物力，在提高效 率的同时降低了成本。 9 j e 夏窑遁厶堂亟堂焦迨塞国由处盟盔塑丛绽述 2 - 2 3g p s 技术应用于交通流量推算研究现状 如今，g p s 技术在交通流仿真、交通流诱导等方面应用广泛，将g p s 技术应 用于获得城市道路交通流量的实例相对较少。 在美国，由美国的导航协会提出了通过g p s 技术运用神经网络的方法来预测 交通流量，其原理是将载有g p s 设备的浮动车运行轨迹与电子地图做匹配，通过 训练神经网络获得交通量的预测，实验证明其预测是有效可行的【1 0 】。 在国内也出现了通过应用g p s 技术实现对交通流状况的分析( 即反映道路拥 挤状况) ，如在文献【1 1 】中给出了应用交通流模型，由实地观测确定参数，利用g p s 数据来获得平均速度，通过交通流模型推算交通流量。此种方法直接使用连续流 交通流模型，缺乏理论依据，并有可能造成较大误差。文献 1 2 给出了用一段时间 的浮动车数据去拟合一个交通流模型，从而得到路段上的速度。通过对速度分级， 用获得的路段速度来表示该时段道路上的交通状态，反映路网状况。该应用实例 虽然将g p s 数据与交通流状况联系在一起，但只是通过g p s 数据反映了交通流量 状况，并没有具体量化的方法。 o j e 峦銮适太堂亟堂僮途塞 淫动奎堑握丞篡皇熊堡 3 浮动车数据采集与处理 3 1 概述 浮动车数据采集与处理主要包括两部分：浮动车数据的采集和浮动车数据的 处理。 浮动车数据采集即获得载有g p s 设备浮动车的g p s 数据。车载g p s 设备将 g p s 数据实时传输到g p s 数据接收中心。 浮动车数据处理主要有以下几个步骤： 图3 - 1 浮动车数据处理步骤流程图 f i g ，3 - 1d a t u mt r e a t m e n ts t e pf l o wc h a r to fp r o b ec a r 带有车载g p s 设备的浮动车可以实现实时的信息传播( 实时地理坐标、行驶 速度、行驶方向) ，这些数据能够详细反映车辆在城市路网中的相对位置以及浮动 车的运行状态。 其优点主要有以下几个方面： ( 1 ) 灵活性强、使用方便。由于浮动车可以在路网中自由行驶，因此浮动车数 据的采集具有很大的灵活性，且使用方便。 ( 2 ) 信息量、数据量大。浮动车不仅可以提供速度、时间和位置三方面信息， 还可以推算流量等相关信息。 ( 3 ) 成本低。浮动车技术相对于固定检测设施具有低成本的的优势。 3 2g p s 数据的采集 j e 立銮道盍堂亟堂僮i 坌塞翌蛰王筮堡苤篡当处堡 3 2 ，1g p s 的定位原理 g p s 接收机可接收到可用于授时的准确至纳秒级的时间信息：用于预报未来 几个月内卫星所处概略位置的预报星历：用于计算定位时所需卫星坐标的广播星 历，精度为几米至几十米( 各个卫星不同，随时变化) ；以及e 限s 系统信息，如卫 星状况等【1 3 】。 g p s 接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离，由于含有接收机卫星 钟的误差及大气传播误差，故称为伪距。对o a 码测得的伪距称为u a 码伪距，精 度约为2 0 米左右，对p 码测得的伪距称为p 码伪距，精度约为2 米左右。 g p s 接收机对收到的卫星信号，进行解码或采用其它技术，将调制在载波上 的信息去掉后，就可以恢复载波。严格而言，载波相位应被称为载波拍频相位， 它是收到的受多普勒频移影响的卫星信号载波相位与接收机本杌振荡产生信号相 位之差。一般在接收机钟确定的历元时刻量测，保持对卫星信号的跟踪，就可记 录下相位的变化值，但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值是不知道的， 起始历元的相位整数也是不知道的，即整周模糊度只能在数据处理中作为参数解 算。相位观测值的精度高至毫米，但前提是解出整周模糊度，因此只有在相对定 位、并有一段连续观测值时才能使用相位观测值，而要达到优于米级的定位精度 也只能采用相位观测值。 按定位方式，g p s 定位分为单点定位和相对定位( 差分定位) 。单点定位就是根 据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量，可 用于车船等的概略导航定位。相对定位( 差分定位) 是根据两台以上接收机的观测数 据来确定观测点之间的相对位置的方法，它既可采用伪距观测量也可采用相位观 测量，大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。 在g p s 观测量中包含了卫星和接收机的钟差、大气传播延迟、多路径效应等 误差，在定位计算时还要受到卫星广播星历误差的影响，在进行相对定位时大部 分公共误差被抵消或削弱，因此定位精度将大大提高，双频接收机可以根据两个 频率的观测量抵消大气中电离层误差的主要部分，在精度要求高，接收机间距离 较远时( 大气有明显差别) ，应选用双频接收机。在定位观测时，若接收机相对于地 球表面运动，则称为动态定位，如用于车船等概略导航定位的精度为3 0 - 1 0 0 米的 伪距单点定位，或用于城市车辆导航定位的米级精度的伪距差分定位，或用于测 量放样等的厘米级的相位差分定位，实时差分定位需要数据链将两个或多个站的 观测数据实时传输到一起计算。在定位观测时，若接收机相对于地球表面静止， 则称为静态定位，在进行控制网观测时，一般均采用这种方式由几台接收机同时 观测，它能最大限度地发挥g p s 的定位精度，专用于这种目的的接收机被称为大 j e 塞銮垣太堂亟堂焦诠塞 淫动主数据丞塞墨丝堡 地型接收机，是接收机中性能最好的一类。目前，g p s 已经能够达到地壳形变观 测的精度要求，i g s 的常年观测台站己经能构成毫米级的全球坐标框架。 3 2 2g p s 性能指标 1 卫星轨迹 这里有2 4 颗g p s 卫星沿六条轨道绕地球运行( 每四颗一组) ，一般不会有超过 1 2 个卫星在地球的同一边，大多数g p s 接收器可以追踪8 1 2 颗卫星。计算 l a t i l o n g ( 2 维) 坐标至少需要3 颗卫星。再加一颗就可以计算3 维坐标。对于一 个给定的位置，g p s 接收器知道在此时哪些卫星在附近，因为它不停地接收从卫 星发来的更新信号。 2 并行通道 一些消费类g p s 设备有2 5 条并行通道接收卫星信号。因为最多可能有1 2 颗卫星是可见的( 平均值是8 ) ，这意味着g p s 接收器必须按顺序访问每一颗卫星来 获取每颗卫星的信息。市面上的g p s 接收器大多数是1 2 并行通道型的，这允许它 们连续追踪每一颗卫星的信息，1 2 通道接收器的优点包括快速冷启动和初始化卫 星的信息，而且在森林地区可以有更好的接收效果。一般1 2 通道接收器不需要外 置天线，除非你是在封闭的空间中，如船舱、车厢中。 3 定位时间 这是指你重启动你的g p s 接收器时，它确定现在位置所需的时间。对于1 2 通道接收器，如果你在最后次定位位置的附近，冷启动时的定位时间一般为3 5 分钟，热启动时为1 5 3 0 秒，而对于2 通道接收器，冷启动时大多超过1 5 分钟， 热启动时为2 5 分钟。 4 定位精度 大多数g p s 接收器的水平位置定位精度在5 m 1 0 m 左右，但这只是在s a 没 有开启的情况下 5 d g p s 功能 为了将s a 和大气层折射带来的影响降为最低，有一种叫做d g p s 发送机的设 备。它是一个固定的g p s 接收器( 在一个勘探现场1 0 0 k m 2 0 0 k m 的半径内设置) 接 收卫星的信号，它确切地知道理论上卫星信号传送到的精确时间是多少，然后将 它与实际传送时间相比较，然后计算出“差”，这十分接近于s a 和大气层折射的 影响，它将这个差值发送出去，其他g p s 接收器就可以利用它得到一个更精确的 位置读数( 5 m - 1 0 m 或者更少的误差) 。许多g p s 设备提供商在一些地区设置了d g p s 发送机，供它的客户免费使用，只要客户所购买的g p s 接收器有d g p s 功能。 j e 基銮垣盍堂亟堂僮论塞 淫动至数据墨塞皇丝堡 6 信号干扰 要给予你一个很好的定位，g p s 接收器需要至少3 0 颗卫星是可见的。如果 你在峡谷中或者两边高楼林立的街道上，或者在茂密的丛林里，你可能不能与足 够的卫星联系，从而无法定位或者只能得到二维坐标。同样，如果你在一个建筑 里面，你可能无法更新你的位置，一些g p s 接收器有单独的天线可以贴在挡风玻 璃上，或者一个外置天线可以放在车顶上，这有助于你的接收器得到更多的卫星 信号。 3 3 坐标转换 地面上任点的位置，可以用各种不同的坐标系来表示。目前世界上存在有 许多坐标系，但大体上可以划分为两类：直角坐标系和球面坐标系，常用的坐标 系有地心坐标系、参心坐标系、站心坐标系等，如图所示。 图3 - 2 坐标系统分类图 f i g 3 - 2s y s t e m a t i cc l a s s i f i c a t i o nc h a r to f c o o r d i n a t e g p s 的测量成果，于1 9 8 7 年1 月1 0 日开始采用w g s ，8 4 世界大地坐标系( w o r l d g e o d e t i cs y s t e m ) ，以取代1 9 8 7 年以前所采用的w s 7 2 。w g s8 4 坐标系是由美国 国防部制图局依据t r a n s i t 卫星定位测量成果而建立的一种协议地球坐标系 ( c t s ，c o n v e n t i o n a lt e r r e s t r i a ls y g e m ) ”。它是g p s 卫星广播星历和精密星历的 4 i e 塞窑垣丕堂亟堂焦迨塞 淫动奎錾握丞塞生丝理 参考系。 在我国的测量工作中，坐标变换多是在地面坐标系上进行，一般采用的是北 京5 4 坐标系。但g p s 测量数据是属于w g s8 4 坐标系，因此研究如何将w g s8 4 坐标系转换为地面坐标系有重大的实际意义。国外生产的g p s 接收机一般都装有 w g s8 4 的坐标系和欧美、日本等国家( 地区) 的局部坐标系转换软件。而我国由于 大地测量数据的保密性以及北京5 4 坐标系是局部平差等原因，国外生产的g p s 接 收机软件没有对我国地面坐标系转换的数学模型。 g p s 测量数据坐标转换为地面坐标系有两类转换模式，一类是二维转换f 也称 为平面转换) ，一类是三维转换( 也称为空间转换) 。 在工程应用中常常采用平面和高程分开转换的方法。这种方法的优点在于： ( 1 ) 所需的公共点少。三维转换至少需要3 个公共点，而二维转换只需2 个点 就可以了。 ( 2 ) 可以避免高程系统不一致带来的误差。北京5 4 坐标系是将参考椭球在起算 点上沿法线方向平移n ，使该点与大地水准面相切，使得此参考椭球更符合本地 区实际，因此，局部网的高程是海拔高h 。丽g p s 观测的高程是地面点到w g s 8 4 参考椭球面的大地高。由于地球内部的质量分布不均匀，大地水准面与参考椭球 面之间存在着差异( 称之为高程异常h ) 。参考椭球面可以用数学公式表达出未， 而大地水准面则不可能。这样h 与h 之间不可能建立起严密的关系式。因此，消 除了由于h 和h 不一致而给转换参数引入的误差。 地面坐标系以北京5 4 坐标系为例。在小面积范围内，由于尤拉角很小( 1 ”- 2 ”) ， 可以忽略尤拉角影响的差异，即认为北京5 4 椭球的中心和坐标轴方向与w g s 8 4 椭球相一致。 下面介绍将w g s - 8 4 坐标系向地面坐标系( 北京5 4 坐标系) 进行坐标转换的方 法。其步骤主要为：将w g s 8 4 空间坐标转换为大地坐标，将大地坐标转换为平 面坐标和将高斯平面坐标转换为北京5 4 坐标三步。 3 3 i w g s 8 4 空间坐标转换为大地坐标 g p s 接收机获得的是w g s 一8 4 空间坐标( x ，y ，z ) ，由( x ，y ，z ) 换算大地坐标 ( b ，l ，h ) 的关系如下： i b 立交适太堂亟堂僮迨塞 淫动笙錾握丞塞当丝堡 工= a r c t a n ( - ；) b = a r c t 弋( 万z 鬲+ e 瓦a b 丽s i n 3 0 ) 日：巫一 r c o s 丑 式中：p 口= a 2 i _ r b 2 ，e 为参考椭球的第二偏心率；为卯酉圈的半径 ( 3 1 ) = 。 ： ，口2 为参考椭球的第一偏心率；口为参考椭球的长半轴；b 为参 、1 一e 2s i n 2 b 考椭球的短糊口= a r c t a n ( 赫 3 3 2大地坐标转换为高斯平面坐标 由大地坐称( 大地纬度和大地经厦) 【口，三