（交通运输规划与管理专业论文）基于浮动车的交通信息获取关键技术及应用分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 我国多数城市存在着“无效的交通供给和无序的交通需求 的局面， 引发了交通拥挤、交通事故等城市交通问题。国内外关于浮动车技术的研 究是智能交通系统领域的重要方向，并在国内许多大城市用于解决城市交 通问题。但目前在浮动车的车型选择、采集数据的格式、精度等均无统一 的规范，信息资源很难实现共享。本文对浮动车交通信息获取的采集、编 码、传输、共享等关键技术进行了研究，并采用粗糙集理论将浮动车交通 信息用于交通状态的判别中。 首先，本论文总结了国内外浮动车交通信息系统、交通状态判别的研 究现状；介绍了浮动车技术的相关基本概念和原理，从车型、车载设备采 集原理两方面对浮动车进行分类；从浮动车技术的特点、优缺点论证了该 技术在交通信息采集领域的地位，并归纳了浮动车技术在交通领域的应用。 其次，从浮动车交通信息系统内涵出发，划分系统的用户主体，对各 类用户进行了需求分析，细化系统的主要功能，并从系统逻辑功能和数据 交换的角度出发，分析系统的逻辑框架、数据流图以及物理框架。 再次，分析g p s 接收机采集浮动车交通信息的原理及误差，定义了浮 动车交通信息的格式，探究信息采集设备的技术参数要求，比选出信息编 码的算法，并选定了信息传输的信道和格式，建立了浮动车数据传输协议 ( p t p ) 以确保数据传输的安全性，分递阶共享和同阶共享两种形式探 讨了浮动车交通信息的共享机制。 最后，选取由浮动车样本计算得到的路段平均速度、最高速度、最低 速度作为模型的条件属性，路段交通状态作为决策属性，采用粗糙集理论 建立交通状态判别的模型和算法，并进行了案例分析，得到基于浮动车交 通信息的交通状态判别的规则，从而实现路段交通状态的自动判别，为交 通状态判别方法提供一定的理论参考。 关键词浮动车；交通信息；信息获取；交通状态；粗糙集 西南交通大学硕士研究生学位论文 第l i 页 i - _ _ _ - l i _ _ _ l _ i _ _ - _ _ l _ _ _ l - i i i _ - - - i l - l _ - l _ _ - - l i _ - l i l _ - _ - - i i _ _ - l l l - - a b s tr a c t m o s to fc h i n e s em a j o rc i t i e sh a v ep l u n g e di n t oas i t u a t i o no f ”p r o v i d i n g i n e f f e c t i v et r a n s p o r ts u p p l yf o rd i s o r d e r e dt r a n s p o r td e m a n d ，”w h i c hl e a d st o u r b a nt r a f f i cp r o b l e m s ，s u c ha st r a f f i cc o n g e s t i o n ，t r a f f i ca c c i d e n t sa n ds oo n r e s e a r c ho np r o b ev e h i c l et e c h n o l o g yi sb e i n gas i g n i f i c a n tf i e l do fi 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 ( i t s ) a n di sa p p l i e di nt h es o l u t i o n so fu r b a nt r a f f i c p r o b l e m si nm a n ym e t r o p o l i s e s f i r s t l y , t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ec u r r e n ts i t u a t i o no fp r o b ev e h i c l e i n f o r m a t i o ns y s t e ma n dt r a f f i cs t a t ed e t e c t i o n t h e nt h eb a s i c c o n c e p t sa n d m e c h a n i s mr e l a t e dt op r o b ev e h i c l et e c h n o l o g y , a n dt y p e sd i v i d e db yv e h i c l e t y p e sa n dc o l l e c t i n ge q u i p m e n t s m e c h a n i s m sa r ep r e s e n t e d a n di t ss t a t u si nt h e a r e ao fi n f o r m a t i o nc o l l e c t i o na n d a p p l i c a t i o n s a r er e a s o n e di nt e r m so f t e c h n i c a lf e a t u r e s ，a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s s e c o n d l y , b a s e do nt h em e a n i n go fp r o b ev e h i c l ei n f o r m a t i o ns y s t e m ，t h e p a p e rd e t e r m i n e si t sm a i nf u n c t i o n sb ya n a l y z i n gu s e r sa n dt h e i rv a r i o u sn e e d s o fp r o b ev e h i c l ei n f o r m a t i o ns y s t e m sa n df i g u r e ss y s t e m sl o g i c a lf r a m e w o r k ， d a t af l o wd i a g r a m ，a sw e l la st h ep h y s i c a lf r a m e w o r ko u tf r o mt h ev i e wo f s y s t e ml o g i cf u n c t i o n sa n dd a t ae x c h a n g e t h i r d l y , t h i st h e s i sc o n s i d e r st h ep r i n c i p a l sa n dc o l l e c t i n ge r r o r so fg p s r e c e i v e r sc o l l e c t i n gp r o b ev e h i c l ed a t a ，d e f i n e st h ef o r mo fp r o b ev e h i c l ed a t a ， a n a l y z e st e c h n i c a lp a r a m e t e r so fc o l l e c t i n ge q u i p m e n t s ，c h o o s e sa no p t i m i z e d i n f o r m a t i o ne n c o d e da l g o r i t h m ，b u i l d st r a n s m i s s i o nm e d i u m ，f o r m a t ，a n dp r o b e v e h i c l ed a t at r a n s m i s s i o np r o t o c o l ( p v d t p ) t oe n s u r ed a t as e c u r i t y , a n ds t u d i e s d i f f e r e n ti n f o r m a t i o n s h a r i n gm e c h a n i s m so fh i e r a r c h i c a ls h a r i n ga n dh o m o c l a s s s h a r i n g f i n a l l y , am o d e la n da l g o r i t h mo ft r a f f i cs t a t ed e t e c t i o nw i t hr o u g hs e t t h e o r yi se s t a b l i s h e d ，w h i c hc h o o s e sa v e r a g es p e e d ，m a x i m u ms p e e da n d m i n i m u ms p e e da sc o n d i t i o na t t r i b u t e s ，a n dt r a f f i cs t a t ea sd e c i s i o na t t r i b u t e a c a s es t u d yi sc a r r i e do u tt og a i nd e t e c t i o nr u l e so ft r a f f i cs t a t eb a s e do nt h ep r o b e v e h i c l ed a t a ，a c h i e v er o a ds e g m e n tt r a f f i cs t a t ei d e n t i f i c a t i o na n d p r o v i d ec e r t a i n t h e o r e t i c a lr e f e r e n c e 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 fi 页 k e y w o r d sp r o b ev e h i c l e ：t r a f f i ci n f o r m a t i o n ：i n f o r m a t i o nc o l l e c t i n g ；t r a f j f i c s t a t e ；r o u g hs e t 西南交通大学 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。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段 保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密团，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：关手跨于 日期：1 妒r 7 指导老师签名一 日期：f 弘呵再加 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究 工作所得的成果。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研究成果。对本文的研究做出贡献的 个人和集体，均已在文中作了明确的说明。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：关平拉， 日期：1 妒吵 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 本学位论文是以国家高技术研究发展技术( 8 6 3 计划) 课题基于信息 提取计算的路网动态交通分析技术( 课题编号：2 0 0 6 a a l l z 2 0 6 ) 和成都市 科技攻关计划项目基于浮动车技术的动态交通信息系统研究( 立项编号： 0 7 g g y b 3 3 3 g x 0 1 0 ) 为依托撰写完成的。 1 1 选题的背景 城市从诞生到发展一直与交通存在着千丝万缕的联系【i 】。随着我国社会经 济的持续、健康、快速发展，城市化进程不断推进、城市化率显著提升、机 动车保有量迅猛增长，促使机动化水平的日趋提高，同时，城市规模的无序 扩大引起了居民活动空间、时间的膨胀，产生了“无序的交通需求；交通 供给的增长速度远不及交通需求增长步伐的规律己被广泛接受，交通供需矛 盾日益突出，片面增加交通供给来满足交通需求，导致了“无效的交通供 给”，致使我国多数大城市陷入“无效的交通供给和无序的交通需求”的局 面。 城市交通供需失衡在国内许多大城市导致了严重的交通拥挤问题。如北 京机动车从建国初期的2 3 0 0 辆发展到1 9 9 7 年的1 0 0 万辆，用了4 8 年的时间； 而从1 0 0 万辆发展到2 0 0 7 年的3 2 0 万辆，只用了1 0 年时间。1 9 9 4 年，北京 二、三环之间部分路段的汽车时速为4 5 k m h ，1 9 9 6 年一般城市干道上的行驶 车速只有1 5 k m h - 2 0 k r n h ，城市中心区的车速已降至l o k m h ；而到了2 0 0 3 年， 北京市区部分主要干道高峰期的车速已降至1 2 k m h ，部分道路机动车时速只 有不到7 k m h t 。综上，交通拥挤问题严重影响了公众的正常出行，同时，由 城市交通问题衍生的能源消耗、空气污染、噪声污染等，恶化了城市的人居 环境，甚至阻碍了城市功能的正常发挥，降低了城市生产效率。因此，准确 掌握城市交通运行状况、解决城市交通拥堵成为破解城市交通问题的关键。 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 ，i t s ) 能有效缓解交通 拥堵、提高路网利用率、减少交通事故等目的，已成为交通规划和管理者研 究的重要课题。实施i t s 的关键在于动态交通信息的采集、分析和应用，其 中，交通信息采集是i t s 的基础，交通信息分析、处理是i t s 的手段，而交 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 通信息应用则是i t s 的根本。传统的人工调查方法和以感应线圈为代表的固 定检测方法依然是当前交通信息获取的主要手段，但固定式交通信息采集方 式一般在重要道路、关键断面布设，路网上的覆盖率比较低，且得到的数据 往往具有较大的误差，多数采集设备的安装和维护过程会影响正常交通流。 同时，由于数据处理周期的原因，已不能满足i t s 对交通信息的需求，基于 浮动车的移动检测技术已经成为交通数据获取重要的研究方向。 2 0 世纪9 0 年代初，国外就开始使用浮动车采集数据的可行性进行研究， 其中以日本的p d r g s 系统和v i c s 系统、美国的a d v a n c e 实验项目t 3 l 和a m i - c 系统、德国的f c d 系统等最具典型性【3 】。国内部分大城市如北京、 上海、广州、杭州、成都等纷纷建立了浮动车交通信息系统，将采集到的浮 动车交通信息应用于解决城市交通问题的实际应用中。因此，针对基于浮动 车技术的交通信息获取的采集、编码、传输、共享等关键技术以及交通信息 的应用研究成为浮动车技术在交通领域充分发挥其作用的关键。 1 2 研究的目的和意义 尽管国内外的许多城市已经或者正在建设浮动车交通信息系统，配合其 他交通信息采集方式获取动态交通信息，致力于应对日趋严重的城市交通问 题，为公众出行提供信息服务等，但目前在浮动车数据的获取、处理等领域 仍存在以下问题： 1 在浮动车车型、工作原理及设备型号的选择上，目前主要是以出租车 为主，兼有公交车等其他车型，但对于车型的适用性仍未有统一的定论，且 在采集设备的选型上也有较大的差别，使采集数据的精度差异较大； 2 在浮动车数据采集的格式、传输网络及其协议、数据共享的形式等均 没有统一的标准，使得浮动车交通信息系统的建设缺乏指导性，不利于数据 在不同层次、不同部门之间的共享和交换。 鉴于上述分析，对于浮动车交通信息获取相关技术的研究，分析浮动车 交通信息采集、编码、传输、共享中的技术问题，从而获取海量的浮动车交 通信息，并用于解决城市交通问题的实际应用中，有助于交通管理部门在短 期内实施交通管制和制定交通政策、交通规划等，有利于交通运输企业确定 运行线路的开行、运力的投放、运输路线的优化选取等，有利于社会公众出 行前制定出行计划、途中换乘衔接等，具有重要的社会效益和经济效益。 本论文将从浮动车技术本身出发，综合分析国内外发展历程、趋势和研 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 究现状，建立浮动车交通信息系统的框架，研究基于浮动车的动态交通信息 的采集、编码、传输、共享等信息获取的关键技术，并基于粗糙集理论将浮 动车交通信息用于交通状态判别中，建立了相应的模型，最后结合实际案例 进行了分析。 13 国内外研究现状综述 l31国内外浮动车交通信息系统研究现状 1 日本 日本制定的i t s 框架体系中由先进的车辆导航系统、自动收费、安全驾驶、 交通组织优化、商效的道路路政管理、公共交通信息系统、专业运输车辆的 管理、行人辅助系统和紧急车辆运行系统等9 个系统组成。2 0 0 3 年，由名古屋 大学、口本电气株式会社、日本电装、丰田m a p m a s t e r 、日本a w o r k s 、日本 气象协会等机构组成了产学协作团体，合作实施“基于p r o b e 数据的动态路径 引导系统的研究开发”( p d r g s 系统) 。p - d r g s 系统的结构图如图1 - 1 所示。 该系统能够实现交通状态实时判别，提供换乘公共交通的出行信息等，具体 的功能包括：地图显示功能、实时交通信息显示功能、详细的交通信息参考、 用户目前位置的自动显为 功能、路径搜索功能、使用记录和登陆点等的管理、 打印预览功能以及用户的认证等【4 。 向中心传送信息要求 图1 - 】p - d r g s 系统的结构圈 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 v i c s ( 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 ) 系统在交通信息 采集方面采用了浮动车系统与固定检测器相结合的方式，将检测器信息与浮 动车信息融合，从而预测交通流状态信息，并以文字、图形、地图三种格式 可视化地向驾驶员发布道路交通状态信息，实现动态交通诱导【5 】。 2 英国 英国i t i s 拥有着世界上规模最大的浮动车系统，2 0 0 2 年初整个系统有 1 3 万个f v d 单元。f v d ( f l o a t i n gv e h i c l ed a t a ) 系统中浮动车安装有车内数 据采集单元( d c u ) ，用于存储3 5 0 多个小时的数据( 包括车辆的位置、车速 等) ，最高存储频率达每分钟一次。该系统采用“主动监控 ，即在用户最需 要的时间和地点提供数据。同时，系统处理后的出行信息不是向所有用户发 布，而是在出行者最需要交通信息的地点和时间发布，其他时段或地点的信 息由历史数据估算得到，从而使系统的费用大大降低，且有针对性地提供高 质量的出行信息和拥堵信息，该系统可以实现路网监控、交通紧急状况警报、 拥堵调度、车队监控等功能 6 】。 3 美国 美国a d v a n c e ( a d v a n c e dd r i v e ra n dv e h i c l ea d v i s o r yn a v i g a t i o n c o n c e p t ) 项目的前身是芝加哥西北郊区的动态路线诱导项目，主要由联邦高 速公路管理局、伊利诺斯大学交通研究协会、摩托罗拉公司、美国汽车协会 和伊利诺斯交通局完成。该项目拥有3 0 0 0 辆配有车载计算机和通讯设备的浮 动车，利用浮动车技术并融合了环形检测器采集的数据及历史事故检测报告 识别交通事故、预测旅行时间，驾驶员可以从系统获得实时的动态路线诱导 信息。a d v a n c e 系统研究表明，在行程时间估计方面，基于浮动车技术比 环形线圈更精确，在5 0 0 0 0 个检测报告中，9 9 4 是可靠的m 。 t r a n s m i t ( t r a n s c o m ss y s t e mf o rm a n a g i n gi n c i d e n t sa n dt r a f f i c ) 系统起初在联邦公路管理部门r r s 运行测试项目下执行的，覆盖了纽约州高速 公路和新泽西州景区道路的一段长1 8 英里的公路。系统把安装通信机的车辆 作为浮动车，记录浮动车的行程时间，并报告由交通事件引起的异常交通状 况，从而实现路网行程时间估计、o d 信息估算、监控公交车辆等功能。该项 目研究显示，为了较准确地预测路段的行程时间，浮动车在交通流中的覆盖 率应达到3 5 ，且随着流量的增长而增加。 4 德国 2 0 0 5 年，德国汉堡建成了出租车f c d 系统( f l o a t i n gc a rd a t a ) ，覆盖了 整个城市的路网。该系统使用7 0 0 辆装有g p s 接收机的出租车作为浮动车， 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 与行程时间预测系统相连，用户对于数据的质量和路网覆盖率比较满意。2 0 0 7 年，系统增加1 5 0 0 2 0 0 0 辆出租车采集车辆速度、状态和位置等信息，大大 提高浮动车数据的覆盖率，从而应用浮动车数据通过公众信息网为出行者提 供行程时间服务，也为道路管理部门的相关规划提供数据基础。 5 北京 2 0 0 5 年，北京交通发展研究中心承担的科技部十五攻关计划浮动车交 通信息采集关键技术研究课题，建立了1 万多辆出租车规模的北京市浮动 车交通信息采集系统。每辆浮动车每分钟上传一个g p s 点数据，每天接收到 的数据量约9 0 0 万条，使五环内( 含五环) 次干路以上路网的覆盖率达到9 0 以上。系统主要用于实时路况显示、路网运行评价、拥堵评价、出租车运营 分析等方面，为交通决策、管理和交通信息服务提供有力的数据支持，其成 果包括实时路网运行状态显示与分析、交通决策支持分析、疏堵方案制定、 交通拥堵评价、交通政策措施影响分析、路网可靠性分析等 8 】。 6 杭州 2 0 0 5 年，杭州市公安交警支队和北京交通大学共同承担杭州市道路和交 通管理应用浮动车技术示范工程。该示范工程课题采集由公交车、出租车、 旅游车组成的浮动车系统的数据，系统包括了杭州市公交总公司6 9 条线路 1 2 0 0 辆车和3 3 0 0 辆出租车、客运旅游车。该示范工程可以实时采集城市路 网动态交通信息，建立路网动态交通数据库和软件平台，实现城市道路交通 流动态信息的数据整合，自动汇总、自动分析、自动报告、自动预警等功能， 实时生成交通流预报图，发布旅行时间和预测交通流的状况【9 】。 7 广州 “十五”后期，广州市以已有的出租车综合管理服务系统为基础，建立 了包含1 3 0 0 0 多辆出租车、覆盖全广州的浮动车数据采集示范系统。系统由 车辆终端系统、数据交换系统、后台存储系统组成( 图1 2 ) 。车载信息终端 由g p s 定位模块、g p r s 数据传输模块等主要模块组成，采用u d p i p 通信 协议，并采用c r c 算法校验数据保证数据传输的正确性。该系统可以实现为 乘客提供出租车电召服务，以网络、手机、广播、呼叫中心等形式提供出行 服务信息，为司机提供防劫报警保障，通过车辆监控、轨迹分布等为出租车 企业提供科学的管理手段，通过车辆行驶轨迹回放，分析司机违章情况与车 辆安全事故分布，为行业管理部门提供有效的执法依据【l o 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 ”机5 留移目 通信景统 岛 ”撒自 图1 2 浮动车采集系统总体方案图 13 2 国内外交通状态判别研究现状 早期用于道路交通状态判别的经典算法主要包括加州算法、标准偏差法、 双指数平滑算法、贝叶斯算法、m c m a s t e r 算法、m o n i c a 算法等，备种算法的 特点如下e 。l ： 最早用于道路交通状态判别的算法是开发于1 9 6 5 1 9 7 0 年的加利福尼亚 算法，朋于洛杉矶公路管理控制中心判别检测突发交通事件。加州算法主要 是接入相邻检测站的环形感应线圈采集的占有率数据，进而判断可能存在的 交通事件。 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，即通过比较交通参数的变化率与相应闯值 来实现对突发交通事件的判别。标准偏差值s n d h j 通过简单的统计分析得到， 即削当前交通参数值减去平均值，再除以标准偏差得到的。如果在连续两个 采样周期内s n d 值都大于预定闽值，则认为发生了突发交通事件。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 1 9 7 4 年，c o o k 开发了一种双指数平滑算法( d e s ) ，该算法用于对突发交 通事件的判别，以交通参数采集数据的双指数平滑值作为预测值，通过比较 预测值和实测值的差异构造一个跟踪信号，当跟踪信号大于预定的阈值时， 触发突发交通事件警报，预示突发事件的发生。 1 9 7 8 年，l e v i n s t l k r a n s e 开发了贝叶斯算法，使用临近两个检测站之间占 有率的差值判别交通拥挤，并计算突发事件或常发性拥挤所引起占有率变化 的条件概率自动判别交通状态。 19 9 0 年，p e r s a u d 等根据突变理论开发了m c m a s t e r 算法，该算法使用大量 拥挤和非拥挤交通状态下的流量占有率历史数据，开发了流量占有率分布关 系模板，把观测数据之间的关系与模板进行比较，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。 1 9 9 1 年，莫尼卡算法( m o n i c a ) 用于欧盟d r i v e 项目中的一个子项目。 该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阈值时，启动突发交通事件的报警系统。 近年来，国内在利用浮动车交通信息判别交通状态问题有一定的研究。 文献 1 2 1 通过构建行程速度变化率1 ，的概念，即单位路段长度的延误时间， 把延误转换成与行程速度有关的拥挤度量指标，并通过为v 设定阈值进行交 通状态等级划分。文献 1 3 1 禾u 用g p s g i s 行程时间数据，根据当前行程时间和 设定的路段行程时间阈值，比较同一路段相邻时段和不同路段同一时段的行 程时间，从而判断交通拥挤的发生及其性质。文献 1 4 禾l j 用采集路段浮动车样 本的瞬时速度，运用指数平滑法求得路段平均速度，根据设定的平均速度阀 值和速度等级划分有关标准判别路段的交通状态。文献【1 5 采用模糊综合评判 的方法，建立以路段平均速度、速度变化系数、低速行程时间为因素集的服 务水平- u 另u 模型，各因素的隶属度函数通过专家分析法确定。文献 1 6 】将隶属 度函数作为神经网络的输入，利用获得的数据进行训练，并将输出的函数作 为模糊推理系统的推理准则，计算交通拥挤度，从而判别交通拥挤的类型。 综上，早期的算法是以突发交通事件为研究对象，且主要以感应线圈采 集的流量、占有率和地点速度等信息为基础，主要采用统计分析、平滑滤波 等常规方法：而现阶段主要采用阈值或隶属度函数方法判别交通状态的发生， 引入人为因素较多，且在处理海量数据方面具有一定的局限性。粗糙集理论 是可以不需要先验知识，基于数据本身进行分析，通过知识约简，导出问题 的决策或分类规则，具有较强的分析海量、异构数据的能力，因此，本论文 将基于浮动车交通信息采用粗糙集理论构建交通状态判别的模型和算法。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 1 4 论文的主要内容 本论文基于城市交通现状的分析，在综合分析国内外浮动车技术的研究 及应用现状的基础上，建立浮动车交通信息系统的框架，重点分析浮动车交 通信息获取的关键技术，建立了采用粗糙集理论进行交通状态判别的模型及 算法，并进行了相应的案例分析。论文的主要工作包括：( 1 ) 建立浮动车交 通信息系统框架；( 2 ) 基于浮动车的交通信息获取关键技术研究；( 3 ) 基于 浮动车交通信息的交通状态判别。 本论文共分为六章，各章的内容安排如下： 第一章：绪论。分析论文选题的背景和研究的目的及意义，综述国内外 浮动车交通信息系统及交通状态判别的研究现状，并提出论文的研究内容。 第二章：浮动车技术概述。介绍了浮动车技术相关的概念、原理，从车 型、车载设备采集原理对浮动车进行分类，从浮动车技术的特点及其优缺点 方面阐述了该技术在交通信息采集领域的地位，并归纳浮动车技术的应用情 况。 第三章：浮动车交通信息系统的框架研究。在分析浮动车交通信息系统 面向的用户主体，进行各类用户需求分析的基础上，研究系统的功能定位， 构建系统的逻辑框架和物理框架。 第四章：基于浮动车的交通信息获取关键技术研究。分析基于g p s 的浮 动车交通信息采集的原理及信息的格式，确定了g p s 接收机的建议参数要求， 对比确定了浮动车交通信息编码的算法，并分析数据传输的信道选择及格式， 建立了浮动车数据传输协议，最后分析了浮动车交通信息共享的机制。 第五章：基于浮动车交通信息的交通状态判别。选取交通状态度量的指 标，分析粗糙集理论处理海量数据的特点及流程，采用粗糙集理论建立基于 浮动车交通信息的交通状态判别模型和算法，最后进行案例分析对模型进行 验证。 第六章：结论。对论文全文的内容进行总结，回顾论文的研究过程及主 要的研究内容，并指出亟待进一步深入研究的问题。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 1 浮动车技术 2 1 1基本概念 第2 章浮动车技术概述 浮动车是目前i t s 领域中的一种先进的道路交通信息采集设备，它是指 装载有定位设备和无线通信装置 1 7 1 ，可以接收定位信息，用作道路交通信息 采集工具的普通车辆。使用的车辆可以是出租车、公交车、长途汽车、私家 车或者货运车辆【1 8 h 9 】等。浮动车技术是指在行驶于交通流中的车辆上安装辅 助仪器和其他远程传感设备，在不妨碍车辆本身的运行目的情况下实时采集 道路交通流信息的移动采集技术，即通过已安装的卫星定位、蜂窝无线定位 等车载装置和无线通信设备，将车辆的信息( 如时间、速度、坐标、方向等 参数) 实时传输到浮动车交通信息中心的动态交通信息采集方式。浮动车系 统是将运行于交通流中一定比例的浮动车辆作为采集设备，并把获取的动态 交通信息实时、定期与浮动车交通信息中心交换的一种交通信息采集系统。 2 1 2 基本原理 采用卫星定位、信标定位、射频信号定位等方法在浮动车行驶过程中实 时记录车辆位置、速度等信息，将分布运行于路网上大量的浮动车采集的数 据，应用地图匹配算法把浮动车交通信息匹配到城市道路网上，用于推导路 网中的o d 出行矩阵、路段行程时间、车辆的行程速度，从而生成反映整个 路网实时运行状况的交通信息，并以文字、图片、影像等形式通过互联网、 公众移动网、可变情报板、交通广播等方式向公众发布，为公众出行提供引 导，同时为交通管理部门和出租车、公交车调度部门在交通控制、诱导方面 提供决策支持；对于地区的历史浮动车交通信息的采集、分析、处理还有助 于制定区域交通规划方案、管理策略以及交通建设计划等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 2 2 浮动车的种类及分析 2 2 1 按车型划分 目前，在大多数城市交通系统中担当浮动车功能的主要包括出租车、公 交车、长途汽车、私家车、货运车辆等。 出租车是一种营运的运输车辆，在机动车保有量中占有一定的比例，且 几近全天候在路网上运行，决定了出租车具有运行时间长、在机动车出行中 的比例较高的特点，可以采集全天候的交通信息；高峰时段关键路段的出租 车比例较高，可以更多地获取路网中关键节点的交通信息；同时，考虑出租 车营运中车辆、驾驶员及乘客的安全性，目前已普遍安装g p s 设备，可以不 必大规模地增加设备的投入。因此，出租车在路网中的覆盖率是相当高，选 择出租车作为浮动车可以在很大程度上反映交通流的运行情况。但另一方面， 出租车一次出行的起讫点随乘客的不同而改变，在路网中随机分布，路段的 覆盖率不均衡，必须保证出租车在车流中所占的比例才能使采集的数据具有 较高的可信度。 公交车是一种在特定时段内沿固定线路运行的运输工具，可以以较高的 覆盖率遍布城市道路网，并服务于主要的出行发生点和吸引点，其运行时间 长，交通信息的采集时间跨度长、空间覆盖度广；公交线路较为固定且干线 道路的公交线路多，公交车在交通流中的比例较高，浮动车交通信息的样本 量高；公交部门较为容易建立g p s 系统，相关硬件设备安装后，获取数据的 成本较小 2 0 ；将实时浮动车数据与历史数据对比，可以把握路段交通状态的 趋势。因此，选公交车作为浮动车也可以对路网交通运行状况较为全面地反 映；但公交车遇站停车，在交通流中间断运行，不能完全表征道路交通流的 连续性。 长途汽车在运营、组织方面与公交车有点类似，按照班线时刻表运行于 固定的线路上，且大部分长途客运车辆除了在站停靠时间也是全天运行；长 途汽车主要运行于城市对外公路上，能够在较长时间段内采集城市主要对外 通道的交通流信息；同时，为了保证车辆运行及旅客的安全，大部分长途汽 车已安装定位设备，实现线路监控和安全监控。因此，长途汽车可以作为浮 动车的一种有效补充。 随着社会经济的快速发展和汽车工业的迅猛成长，私家车的保有量也急 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 剧增加，已经是城市交通出行的主要组成部分；出行具有较强的规律性，且 中途一般不存在停车问题，可以形成连续的交通流。但是私家车出行率低， 安装设备的投入较高，且涉及到个人出行的隐私问题。 货运车辆也是机动车的重要组成部分，主要运行于城市外围的干道及主 要对外公路上，可以采集城市中心区以外的交通流信息，且已部分安装了监 控设备。但货运车辆的出行率较低，且属于货物运输公司管理，可以作为浮 动车中的一个有效补充。 综上分析，出租车、公交车适合作为城市内浮动车交通信息系统的移动 采集车辆，长途汽车、货运车辆可以用于采集城市中心区以外及对外通道上 的交通流信息，作为浮动车系统的有效补充。 2 2 2 按采集设备的原理划分 根据车辆上安装的设备及采集浮动车交通信息原理的不同，可以把浮动 车分为以下几种【2 l 】： 1 基于信标的自动车辆定位技术( a u t o m a t l cv e h i c i el o c a t i o n ，a v l ) 基于信标的自动车辆定位技术一般为运输机构所用，其原理如图2 1 所 示。基于信标的自动车辆定位系统通过沿固定线路追踪货运车辆的位置来实 现实时车队监控、行程监视、智能调度等，该系统由电子发射器、车载接收 机、车载里程检测器、车载定位单元( 或信息微处理单元) 、中心控制无线电 接收机和中心控制设备等。 a v l 采集交通信息的基本原理是电子信标发射器发出一个识别代码，该 代码被车辆定位天线接收，存储于车辆定位单元中，并给定一个时间戳、日 期戳、相邻信标间的里程数以及车辆的编号，按一定周期间隔或者按照要求 将这些信息打包后传送到信息中心。该技术的优点在于基础设施建设简单， 可获取车辆运行状况信息、客流量信息。 2 自动车辆识别技术( a u t o m a t icv e hicieid e n tific a t io n ，a v i ) 自动车辆识别系统的组成及数据采集过程如图2 2 所示。该系统包含装 载异频雷达收发机的浮动车、路边天线、路边接收器以及中心计算机设备等。 其基本原理是路边天线发射覆盖一个或更多车道的射频信号，射频捕捉范围 可以固定不变或者由上游线圈检测器触发。当浮动车进入该范围时，异频雷 达收发机反射射频信号，反射信号被标签d 号修改，获得的d 号通过同轴 电缆传输到路旁接收器并给定一个时间戳、日期戳、天线i d 戳，这些信息打 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 包后通过电话线被传送到中央计算机进行处理、存储。该技术具有数据连续、 自动采集、最小的人为误差、数据精度较高，且可以按要求仅采集某个车道 的交通信息。 车辆与计算机中心的通信过程 图2 - 1 信标与车辆、车辆与计算机中心通信过程 图2 2 自动车辆识别的车一信标通信过程 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 3 地面广播导航技术( g r o u n d b a s e dr a d i 0n a y i g a t io n ，g b r n ) 地面广播导航技术的通信过程如图2 - 3 所示。该系统的基础设施主要有 接收天线网络和装有异频雷达收发机的浮动车，其交通信息采集的基本原理 是中心计算机按照要求或既定的定位时间间隔请求浮动车的位置信息。一旦 浮动车接收定位请求，它便由射频信号传输车辆的d 编号和发射时间。多个 天线塔将接收到车辆i d 编号和时间戳，并将这些数据转播给中心计算机。该 技术的优势在于建设成本低，数据采集相对简单。 中心计算扣 图2 - 3 地面广播导航通信过程 4 移动电话追踪技术( c e i p h o n et r a c k in g ，o p t ) 移动电话追踪技术中采用了移动电话报告和移动电话地理定位两种方 式。移动电话报告技术要求驾驶员在驶过检查站时呼叫控制中心，控制中心 记录驾驶员i d 、所在的位置以及通过的时刻。通过计算相邻两次通话之间的 时间，可以确定相邻报告地点间行程时间和行驶速度。该技术适用于对交通 状况的定性评价以及出现交通延误、交通事故时的行程时间估汁。 移动电话地理定位技术( 如图2 - 4 ) 是利用已有的移动电话网络、车辆定 位装置以及中心控制设备采集行程时间的数据。系统自动检测移动电话开始 通话的浮动车并每隔几秒对车辆进行定位，即当移动电话发出讯息时，系统 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 通过处理反向控制路径( 电话至发射塔) 搜寻开始通话的车辆并进行定位， i ；i 】时，前向控制路径( 发射塔至电话) 为通话指派一个通信通道，该区域内 多处安装的方向查找设备n j 以确定通话的发起位置。 陶2 - 4 移动电话地理定位通信过程 5 全球定位系统( g l o b a ip o s i t i o r in gs y s t e m ，g p s ) 基于g p s 定位的浮动车系统如图2 - 5 所示。车载g p s 接收器利用来自至 少4 颗卫星发射的信号确定浮动车的位置，该信息被存储并与差分修正数据 一并处理；接着差分数据在差分数据中心里进行运算，并通过发射塔上的数 字转发器信标发送机发送：该数字转发器又将这些数据向第二个发送塔 或者辐射范围内的所有浮动车发送：浮动车通过无线电数字收发器接收到该 数据，该设备通过数字转发器与发射塔之间实现双向通信；这些数据通过调 制解调器翻译并传给g p s 收信机；将存储的g p s 定位数据与差分数据进行校 对：修止过的定位数据被传送到调制解调器，翻译成数字数据包，传回给发 射塔上的数字转发器，最终数字转发器核实数据的传送，或者将数据传输到 控制中心，或者将数据转播给下个发射塔卣至控指中心。 根据上述各种浮动车数据采集技术在设备购必、安装和数据采集、约减 的成奉及采集数据的精度等方面比较如表2 1 所示。由表2 - 1 分析可知，在一 堕重兰翌奎兰墨圭竺至兰兰竺丝兰兰! ! 墨 定的浮动乍数晕下，基 二g p s 定位的浮动车技术具有较低的成本投入，且能 获取精度较高的交通信息。 圈2 5 媾于卫星的浮动车系统 表2 - 1 浮动车信息采集技术的情况对比 控制，调度中t o 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 2 3 浮动车技术的地位 2 3 1浮动车技术的特点 传统的交通信息采集技术主要包括人工交通信息采集、感应线圈检测、 微波检测、红外线检测、雷达检测、视频检测等，有关设备主要固定安装在 高速公路、快速路、主干路和次干路的关键交叉口处，对关键节点的交通管 理与控制起到了有效的作用，但由于设备是局部覆盖的，使传统的交通信息 采集方式存在“空白区 ，无法提供路网全天候的交通信息。与传统的交通信 息采集技术相比，浮动车技术具有空间上的整体性、移动性和时间上的实时 性、便利性的特点，具体表现在： 1 整体性：浮动车运行于整个城市道路网上，可以实时采集路网上的动 态交通信息； 2 移动性：与固定检测设备( 如：感应线圈检测器、雷达检测器、视频 检测器、红外检测器等) 仅能采集断面或者某个车道交通信息相比，浮动车 可“移动”采集路网的动态交通信息； 3 实时眭：浮动车采集的交通信息通过无线网络实时传输至交通数据中 心，数据传输间隔与浮动车的样本量及应用目的等有关； 4 便利性：浮动车交通信息采集除了固定设备安装外，交通信息能够自 动采集并上传至中心，设备维护简单、费用较低。 2 3 2浮动车技术的优缺点 浮动车技术在实施成本、覆盖范围和采集数据的有效性等方面具有一定 的优势，具体体现在以下方面【2 1 2 2 。3 2 4 】： 1 传统的交通信息采集设备安装、维护成本较高，且设备的寿命短，需 长期的人工维护，还需要经常破坏路面。而浮动车技术的采集设备一般已因 专业运输公司、企业业务需要已经安装，不会增加额外的成本，且完全不影 响交通流运行； 2 相对于固定检测器的“固定性”，浮动车具有“移动性”的优势，遍 布城市的整个路网，信息采集的覆盖范围较广。 3 浮动车技术能够连续不断地自动采集浮动车的速度、位置等信息，且 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 采集的信息不受外界或主观影响，能够较为准确地反映交通流的特点。 同时，应用浮动车技术时也存在一些需要改进的地方【2 1 2 2 】： 1 对于浮动车样本量、数据传输频率等尚未形成统一的认识，浮动车的 规模确定仍需进一步研究； 2 受高大建筑、隧道、地下停车场等的屏蔽，会发生浮动车交通信息丢 星现象 2 5 1 ，检测精度方面还存在一定问题； 3 浮动车技术需要实时追踪车辆的位置，使驾驶员的驾驶习惯、出行路 线受到监控，会侵害车辆驾驶员的个人隐私； 4 浮动车系统拥有大量的浮动车，