（控制理论与控制工程专业论文）面向出行者信息服务的动态路径规划研究.pdf

a b s t r a c t t om a k eu pf o rt h es h o r t a g e so fc u r r e n tt r a f f i ci n f o r m a t i o n ，w h i c hh a sab a d i n s t a n t a n e i t ya n da c c u r a c y , t h er e s e a r c ho nd y n a m i cr o u t ep l a n n i n gf a c i n gt o t r a v e l e r s i n f o r m a t i o ns e r v i c ea d o p t sav a r i e t yo fi n f o r m a t i o ni n t e r a c t i o nm o d e s ，w h i c hc a np r o v i d e d i f f e r e n ts c h e m e so fd y n a m i cr o u t ep l a n n i n gf o rd i f f e r e n tc l a s s i f i e dt r a v e l e r s t h u s t r a f f i ci n f o r m a t i o nc a nr e l e a s et ot r a v e l e r sm o r ec o n v e n i e n t l ya n ds p e e d i l y f i r s t l y , t h et r a f f i cm e a s u r e dd a t aa r ep r o c e s s e da n d t h ed a t ao ft r a f f i cf l o w , s p e e da n d o c c u p a n c yw h i c ha r eg a t h e r e do ne a c hc o l l e c t i o np o i n ta r ea n a l y s e d t h ed i f f e r e n c eo f t r a f f i cf l o wa m o n ge a c hc o l l e c t i o np o i n ti sc o m p a r e d t h ed a y l o n gd a t ao ne a c hc o l l e c t i o n p o i n ta r ea l s oa n a l y s e d ，t h r o u g ht h ea n a l y s i s ，t h es h i 竹r u l e so ft r a f f i cf l o wd a t ac a nb e f o u n da n dt h ei n t e r r e l a t i o n s h i pa m o n gt r a f f i cf l o w , s p e e da n do c c u p a n c yc a nb e d i s c o v e r e d a f t e rt h a t ，t h ed e s i g no ft h ew h o l es y s t e mi sg i v e ni nd e t a i l ，i n c l u d i n g c o m p o n e n t ，f u n c t i o n ，t h es p e c i f i c r o l e sa n dt h ed e s i g n p r o c e d u r e o fe v e r yp a r t m e a n w h i l e ，t h ec h a r a c t e r i s t i cw h i c hs u p p l yi n f o r m a t i o ns e r v i c ef o rt r a v e l e r si se m b o d i e d a n df i v ep l a n n i n gm o d e sa r eg i v e nf o rc a r s b e s i d e s ，t h ed e s i g no fd y n a m i cr o u t ep l a n n i n g e n g i n e i si l l u s t r a t e da b u n d a n t l y a tl a s t ，t h ei n f o r m a t i o ne x c h a n g em o d e sw h i c hc a n t r a n s f e rt h et r a f f i ci n f o r m a t i o nb e t w e e ns y s t e ma n dt r a v e l e r sa r ed e s i g n e dp a r t i c u l a r l y t h ei n f o r m a t i o ne x c h a n g em o d e si n c l u d es h o r tm e s s a g es e r v i c e ，v o i c es e r v i c ea n de m a i l s e r v i c e t h u s t h es y s t e mc a np r o v i d em u l t i c h a n n e la n da l l - s i d e dt r a f f i ci n f o r m a t i o n s e r v i c ef o rt r a v e l e r s t h er e s e a r c ho ft h es y s t e mh a st h ei m p o r t a n tr o l ei ni m p r o v i n gi n f o r m a t i z a t i o na n d i n t e l l i g e n c eo ft h ei 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 tc a nm a k eb e s te f f o r tt om a x i m i z e t h ee f f e c t i v e n e s so ft h et r a f f i cb a s ei n s t a l l a t i o na n di m p r o v et h eq u a l i t yo ft r a f f i cs e r v i c e t h er e s e a r c ho ft h es y s t e mi sp r o p i t i o u st or e a l i z et h ed i v e r s i f i c a t i o no ft h ei n f o r m a t i o n s e r v i c e i tc a nm a k et r a v e l e r sm a k eu s eo ft h et r a f f i cb a s ei n s t a l l a t i o na n de n e r g ys o u r c e s e f f i c i e n t l y t h er e s e a r c hn o to n l yi sag r e a th e l pt os o l v i n gt h et r a f f i cj a m ，b u ta l s oh a sa p o s i t i v er o l ei nd e a l i n gw i t ht h et r a f f i cs e c u r i t yp r o b l e m s k e y w o r d s ：d a t ap r o c e s s i n g ；d y n a m i cp a t hp l a n n i n g ；t r a v e l e r ；i n f o r m a t i o ne x c h a n g e j i 目录 第一章绪论l 1 1 课题的应用7 了景1 1 1 1 智能交通系统介绍1 1 1 2 出行者信息服务系统介绍1 1 1 3 动态路径规划研究的必要性2 1 2 课题的研究意义：一2 1 3 国内外研究动态3 1 3 1 国外研究发展动态3 1 3 2 国内研究现状4 1 3 3 路径规划的方法5 1 4 论文的研究思路和f ：作要点6 第二章交通实测数据处理9 2 1 交通数据的采集一9 2 1 1 数据采集设备9 2 1 2 数据采集的内容1 l 2 2 交通数据的分析1 2 2 2 1 不同采集点的交通流量分析13 2 2 2 同一采集点同一检测器交通流量分析1 4 2 2 3 同一路段驶入驶出车流量分析15 2 3 交通数据的处理17 2 3 1 车流量数据处理1 7 2 3 2 道路 有率数据处理18 2 3 3 平均车流量与平均道路占有率的关系2 0 2 3 4 车速数据处理2l 2 4 本章小结2 3 第三章面向出行者信息服务的动态路径规划系统设计2 5 3 1 面向出行者信息服务的动态路径规划的意义2 5 3 2 系统设计2 5 3 2 1 系统总体结构一2 6 3 2 2 系统功能一2 6 3 2 3 静态数据计算模块设计2 7 3 2 4 动态数据计算模块设计一2 8 3 2 5 数据库设计2 9 3 2 6 交通数据处理中心设计3 1 3 3 本章小结3 3 第四章路径规划引擎设计。3 5 4 1 基本概念3 5 4 2 类简介3 5 4 2 1 路径搜索初始化参数类u g s e a r c h p a r a m 一3 6 4 2 2 路径搜索输入参数类u g s e a r c h l n p u t 3 6 4 2 3 路径搜索结果数据类u g s e a r c h o u t p u t 3 6 4 2 4 路径搜索类u g r o u t e a n a l y s t 3 6 4 3 动态视图3 6 4 4 初始化搜索环境3 7 4 5 执行路径搜索3 8 4 5 1 设置搜索起点和终点3 8 4 5 2 路径搜索输入参数3 8 4 5 3 执行路径搜索3 9 4 6 自定义路径搜索3 9 4 7 路径搜索结果3 9 4 7 1 道路显示信息4 0 4 7 2 行车引导信息4 0 4 8 本章小结4 0 第五章面向出行者的交通信息交互4 1 5 1 交通信息的短信获取与发布4 1 5 1 1 功能设计4 2 5 1 2a t 指令4 3 5 1 3 短信编码方式4 3 5 1 4 交通信息短信的获取发布实现一4 5 5 2 交通信息的语音获取与发布4 8 5 2 1 语音信息获取发布原理4 9 5 2 2 出行者语音识别模块设计4 9 5 2 3 交通信息语音的获取发布实现5 0 5 3 交通信息的电子邮什获取与发布5 2 5 3 1 电子邮件系统设置一5 2 5 3 2 交通信息电子邮件的获取发布实现5 3 5 4 本章小结5 7 结论与展望5 9 参考文献。6 1 攻读学位期间的研究成果6 3 至定谢6 5 学位论文独创性声明6 7 i v 第一章绪论 1 1 课题的应用背景 第一章绪论 随着世界经济的快速发展和综合服务质晕的逐步提高，各国的城市化进程都在加 速前进，城市中机动车的拥有量也在逐年增加，然而城市交通基础设施的建设却相对 滞后，在这种情况下，必然加大了城市交通的压力，引起了交通拥堵等一系列问题。 因此，在现有交通资源条件下尽可能的为人们提供一个更加舒适的交通环境成为全世 界普遍关注的问题。实现交通的智能化和现代化管理成为解决这一问题的重要途径。 在这种背景下，把车辆和道路综合起来系统地解决交通| 、口j 题的思想油然而生，这就是 智能交通系统( i t s ) 。 1 1 1 智能交通系统介绍 智能交通系统( i n t e l l i g e n c et r a n s p o r ts y s t e m ，i t s ) 是目前世界交通运输领域的前沿 研究课题，融合了电子信息技术，数据通信技术，自动控制技术，计算机技术和传统 的交通工程学理论等多个学科的理论技术，并将其应用在现代的交通运输管理体系中， 从而实现交通运输服务和管理的智能化。 智能交通系统的目的在于提高通行效率、减少交通对环境的污染、增进交通安全， 在减少拥挤、污染和对环境影响的同时，使交通更安全有效地进行。基于位置的服务 可以使出行者在任何时问、任何地点都能够通过移动终端设备来获取与出行者所在地 理位置相关的服务。 智能交通系统是在比较完善的交通基础设施条件下，利用智能技术以及出行者的 趋利性，通过大范围密集的信息集成与交换，进行交通运输的组织管理。它的本质是 以服务促进管理，让出行者知道周边道路发生的一切，在系统最优的条件下使他们获 得更多的选择，以便为出行者提供一个更加安全更加快捷的出行方案【lj 。 1 1 2 出行者信息服务系统介绍 出行者信息服务( 简称a t i s ) 是智能交通系统的一项重要研究内容。a t i s 是建 立在完善的信息网络基础上的。交通信息中心通过装备在道路上、车辆上、停车场上、 换乘站上以及气象中心等处的传感器和传输设备，获取实时的交通信息。a t i s 得到这 些信息并通过处理后，实时地向出行者提供道路交通信息、公共交通信息、换乘信息、 交通气象信息、停车场信息以及与出行相关的其他信息。出行者根据这些信息确定出 行方式、选择出行路线，从而达到规划出行、选择最优路线、避免交通拥挤和节约出 青岛人学烦l j 学位论文 行时间的目的。出行者信息服务系统按照数据中心、服务中心职能分立的原则建设， 这种分立模式可以使系统兼顾不同规模的服务需要，使系统在服务管理和运作上有充 分的弹性。 数据中心足整个出行者信息服务系统的基础，负责交通信息的采集、融合和管理， 提供高性能计算能力，支持海量数据管理，交通状态预测，动态路径规划等。数据中 心包括从智能交通各个子系统采集的公共数据，例如城市基础地理信息、静态交通数 据、动态交通数据、图形数据、统计数据等，这些数据用于支持信息发布。服务中心 主要包括交通信息门户网站、交互发布、数据广播发布、交通时问采编等，是信息的 发布中心，主要的服务内容有实时路况服务、路况预测服务、历史路况查询、公交车 换乘查询、最短时间出行方案服务、地图服务、公共设施查询等。两个中心之间通过 交通服务总线实现数据交换。 1 1 3 动态路径规划研究的必要性 研究基于实时交通信息的动态路径规划理论与方法，可以解决无检测器路段交通 量预测和交通趋势预测问题，建立路段行程时间预测模型，可以为自驾车出行提供时 间最短、距离最短等诱导策略，为乘坐公共交通工具的出行者提供多种换乘模式。 静态最短路径算法已经几乎达到理论上的时间复杂度极限。在实践中，道路网络 特征可能会时刻发生变化，这就要求系统的路径规划算法能够及时地反映当前的交通 状况，静态的最短路径算法在此类问题上无能为力。在动态路径规划中，以出行时间 来度量道路权值，反映实时路况。以出行时间度量的道路的权重分两部分考虑：路段 行程时间( 路段权重) 和交叉口延误( 结点权重) 。采用表征路段行程时间与交通流 量间关系的路阻函数模型来估计路段行程时间。通过大量的历史数据，运用统计回归 方法，标定模型中的待定参数，得到该路段在该特定时段使用的路阻函数模型。再将 实时的交通流量数据代入该模型，即得到该路段当前的路段行程时间。此外，交叉1 ：3 延误是一个不容忽略的问题。在实际出行中，拥堵、延误往往发生在交叉口。因而交 叉口的畅通与否在很大程度上决定了出行时间的长短。和路段行程时间的研究方法类 似，可以采用交叉口延误模型来确定交叉口延误等级。 动态路径规划的研究不仅可以提供实时准确的交通路况信息，更重要的是可以对 交通道路的拥堵情况进行预测，从而避免了大量的出行者盲从地选择当前通畅的道路 而导致的下一时刻该道路的拥堵。 1 2 课题的研究意义 现代城市交通系统变得越来越发达的同时也变得越来越复杂。一个城市的交通系 2 第一章绪论 统往往是由多种交通工具构成的，如火车、地铁、公交车、有轨电车、出租车、自驾 车等。这些交通j 具的服务线路密如蛛网般地分布于城市的道路网中，重叠交错，延 伸到城f 再的各个角落。现代城市交通系统中，多种交通工具线路混合并存，各种转乘 站点繁杂林立，出行者很容易就会迷失在各种交通工具令人眼花缭乱的指示牌中。在 这种情况下，人们很难知道如何选择一条“最省时间”或“最经济的出行线路。乘 坐公共交通工具的出行者想知道如何乘车才能最快捷最经济地到达目的地，自己驾车 的出行者则在出行前想知道当时的路面交通状况如何，是否通畅。因此，面向出行者 信息服务的动态路径规划研究迫在眉睫，将对智能交通事业起到重要的推动作用，同 时也具有重要的经济价值和社会价值。 1 3 国内外研究动态 动态路径规划是智能交通系统的重要组成部分，也是车载导航系统中的核心技术 之一。基于实时交通信息的动态路径规划技术，将交通信息数据与实时通信有机结合， 以动态交通地理信息( 如路网中的动态交通分配信息、交通事件信息等) 为主，以物理上 的道路距离为辅设计动态交通路网模型，主要以旅行时间最少作为规划准则。它可以为 不断地根据选定路线上的交通信息，动态地规划最优路径，从而为出行者出行带来极 大的方便。目前，国内外的研究都很多，也涌现了很多方法【2 】。 1 3 1 国外研究发展动态 上世纪6 0 年代末，美国公路局首先提出了电子路径引导系统e r g s ( e l e c t r o n i c r o u t eg u i d a n c es y s t e m ) 。这是一种用于交通控制的无线路径引导系统，它利用短距离 信标网络作为通信媒介。驾驶员可以通过车载控制台输入目的地代码，当车辆接近主 要交叉路口时，目的地代码经车载无线收发机发出，通过埋设在路面下的环形天线接 收并传送到路边的控制器中。控制器与中央计算机相连，可以获得实时的交通信息。 在接收到目的地代码后，控制器将其与交通数据结合为车辆规划出最佳的行驶路径， 并在车辆驶离环形天线区域前将路径引导指令发送到车上。e r g s 的试验系统获得了极 大成功，但最终还是由于资金的限制未能实现。不过，此项目首先提出了中央动态导 航概念，为以后类似系统的发展打下了良好基础。七十年代前期，美国出现了自制导 航系统，该系统采用推算定位的技术并辅以地图匹配的算法对车辆进行定位，从此许 多车辆定位与导航技术开始走向成熟。继六十年代后期出现的导航系统之后，一个称 为n a v i g a t o r 的自主导航系统于八十年代中期投入到市场。该系统运用了数字地图数据 库，可以进行地图显示，其中当前车辆位置和目的地位置分别用图标表示出来。此后 加入了g p s 导航仪的自主导航系统于1 9 9 4 年投入了市场。此外，评估动态导航、车载 青岛人学硕l ：学位论文 导航、出行信息以及各种通信媒体可行性和实用性的项目也陆续建立了起来。 日本是当今智能交通系统发展最为成功的国家之一，它的研究计划始于1 9 7 1 年综 合车辆交通控制系统c a c s ( c o m p r e h e n s i v ea u t o m o b i l et r a f f i cc o n t r o ls y s t e m ) ，该计划 与美国的e r g s i 常相似。8 0 年代，同本制造出t i i 备彩色显示器并使用c d r o m 存放 数字地图的自主导航系统。1 9 9 6 年7 月，提出了智能交通系统综合促进规划，将所有应 用研究项目和发展计划综合到了一起，并提出了“智能车智能道路智能枢纽”的概念， 期望推动包括先进交通管理系统、道路电子收费系统、动态实时引导系统、安全驾驶 系统等在内的核心技术的发展，共同开创新兴的智能交通产业。 欧洲的智能交通系统的研究计划始于7 0 年代的a l l 3 二程，类似于美国的e r g s 并1 日 本的c a c s 计划。8 0 年代，名为c a r i n 和e v a 的自主车辆导航系统先后推出。c a r i n 是首先使用c d r o m 来存储数字地图的导航系统，使用了推算定位技术和地图匹配技 术，并采用彩色显示屏显示地图。e v a 早在1 9 8 3 年就成功地进行了演示，除了能使用 推算定位和地图匹配技术之外，还可以用图形化的指令和合成语音为出行者提供路径 转向引斟引。 1 3 2 国内研究现状 和国外发达国家相比，我国车辆导航的研究起步较晚，其应用主要是集中在车辆 的监控调度方面。自上世纪7 0 年代，我国丌始在交通运输和交通管理中应用电子信息 技术及自动控制技术。8 0 年代初开始，陆续引进了国外的先进交通控制系统。8 0 年代 后期，我国开始了i t s 基础性的研究开发，包括优化道路交通管理和交通信息采集等。 9 0 年代中期以来，开始研究i t s 发展战略矛i g i s 、g p s 、e d i 等在交通中的应用，重视交 通信息网络的建设。2 0 0 1 年，我国将i t s 的开发应用列为“十五”期间国家重点科技攻 关优先发展的专题项目，北京、上海、重庆等1 0 个城市被确定为示范城市，加速了我 国智能交通系统从技术研究到工程示范应用在全国范围内的开展。目前，在部分领域 我国的技术水平已处于世界领先位置，但在整体的规模和层次上同发达国家相比还有 不小差距【4 1 。信息化的浪潮已经扑面而来，对交通系统而言，一方面要求大力建设交通 基础设施以满足交通出行的需要，另一方面要发展i t s ，使交通基础设施服务能力和效 率尽可能地提高。我国智能交通的主要发展趋势：城市智能化交通管理和公交智能化 管理仍然是大中城市主要的建设和应用内容；交通安全成为智能交通关注的重点；集 各种运输方式于一体的区域性综合交通信息平台是综合交通体系的重要支撑。第十四 届智能交通大会已于2 0 0 7 年1 0 月在北京举行，这是智能交通大会首次在发展中国家举 办。2 0 0 8 年的北京奥运会和2 0 1 0 年的上海世博会也为智能交通系统的试验和应用提供 了重要的机遇。 4 第一章绪论 1 3 3 路径规划的方法 路径规划是智能交通系统的基础，对出行者能够根据自己的需要快速选择出合适 的路线有管非常重要的意义。目前，路径规划的方法非常多，根据指标特性、静态还 是动态、研究背景等不同情况，算法也有很大差别。下面介绍几种常用的、比较成熟 的路经规划算法。 ( 1 ) d i j k s t r a 算法 d i j k s t r a 算法足典型最短路算法，用于计算一个节点到其他所有节点的最短 路径。这是荷兰计算机科学教授d i j k s t r a 在1 9 5 9 年发现的一个算法【5 j 。主要特点 是以起始点为中心向外层层扩展，直到扩展到终点为止。d i j k s t r a 算法能得出最 短路径的最优解，但由于它遍历计算的节点很多，所以效率比较低1 6 , 7 1 。 ( 2 ) a s t a r 算法 a 木( a s t a r ) 算法是一种静态路网中求解最短路最有效的方法。公式表示为： f ( n ) = g ( n ) + h ( n ) ，其中f ( n ) 是节点n 从初始点到目标点的估价函数，g ( n ) 是在状态空间中 从初始节点到n 节点的实际代价，h ( n ) 是从n 到目标节点最佳路径的估计代价。保证找 到最短路径的条件，关键在于估价函数h ( n ) 的选取。当估价值h ( n ) d x 于等于n 到目标 节点的距离实际值时，搜索的点数多，搜索范围大，效率低，但能得到最优解。如果 估价值大于n 到同标节点的距离实际值时，搜索的点数少，搜索范围小，效率高，但不 能保证得到最优解。估价值与实际值越接近，估价函数取得就越好【8 1 。 ( 3 ) 遗传算法 遗传算法属于人工智能方法，应用遗传算法的一般步骤为：( 1 ) 针对待优化的问 题设计染色体编码方案；( 2 ) 根据染色体编码方案生成初始群体，并在一定条件下( 如 在规定的进化代数之内) 用遗传算子对群体进行进化操作【9 j 。遗传算子主要包括选择、 交叉、变异三种。其中，选择算子的主要作用是根据个体的适应度选择种群中的优良 个体进入下一代种群，交叉算子的主要作用是产生比双亲更好的个体，而变异算子的 主要作用是防止遗传算法过早收敛于局部优化解【1 0 】。 ( 4 ) 蚁群算法 蚁群算法是一种源于大自然生物界的新型仿生类算法。作为通用型随机优化算法， 它借鉴了蚂蚁的行为特征，通过其内在的搜索机制，已在一系列的组合优化问题的求 解中取得了成效1 1 , 1 2 】。通过昆虫学家的研究和观察，蚂蚁在运动中，会在经过的路径 上留下信息素，信息素随时间推移会逐渐挥发消失。周围蚂蚁能感知这种物质的存在 青岛人学硕l ：学位论文 及浓度，并倾向于朝信息素浓度高的方向移动。即选择该路径概率与当时这条路径上 该物质的浓度成讵比。信息素浓度越高的路径，选择它的蚂蚁就越多，则在该路径上 留下的信息素的浓度就更大，而浓度大的信息素又吸引更多的蚂蚁，从而形成一种正 反馈。通过这种正反馈机制，蚂蚁最终可以发现最佳路径，并且绝大部分的蚂蚁都会走 此路径，这就是蚁群算法的原理。正因为蚂蚁具有这样的功能使得它们在搬家、觅食 等群体活动中能找到最短的路径，并使得整个蚁群都趋向于走这条路径l l j ，h j 。 1 4 论文的研究思路和工作要点 本课题的来源属于科技部8 6 3 项目“面向出行者的综合交通信息服务”( 课题编号 2 0 0 7 a a l1 2 2 2 9 ) 的子课题“综合交通信息获取、融合与发布关键技术研究”。针对动态 路径规划在出行者信息服务系统中的实际应用情况，论文以提高出行信息的实时性和 准确性为目标，对交通流量实测数据进行分析处理，建立表征路段行程时间与交通流 量问关系的路阻函数模型，运用统计回归方法，标定模型中的待定参数，得到该路段 在该特定时段使用的路阻函数模型。再将实时的交通流量数据代入该模型，即得到该 路段当前的路段行程时间。在此基础上，开发了面向出行者信息服务的动态路径规划 系统，为出行者的出行提供了便利的交通信息服务。 基于以上所提到的研究工作，本文按照数据分析处理、系统没计、规划引擎设计、 信息交互实现的思路作如下编排： 第一章：绪论。介绍了课题研究的背景、意义及国内外的发展现状。其中阐述了 智能交通系统以及出行者信息服务系统的概念和重要作用；介绍了动态路径规划的重 要性以及当前路径规划的一些研究方法；最后介绍了论文的主要研究思路和章节内容 安排。 第二章：主要研究了交通实测数据的分析处理。针对采集到的青岛市城市交通实 测数据，运用m a t l a b 对交通实测数据进行了分析，去除了异常点，寻找数据间的数 量关系，将处理后的数据存入o r a c l e 数据库，为下一章系统设计以及模型算法的建立奠 定基础。 第三章：主要研究了面向出行者信息服务的动态路径规划系统的设计。全面地介 绍了系统的总体设计结构、实现的功能以及系统各部分的详细设计过程及作用。在系 统各个部分的设计中，尤其体现了面向出行者信息服务的特点，给出了自驾车出行的 五种可选模式。 第四章：主要研究了动态路径规划引擎的设计，针对动态路径规划的特点，介绍 了路径规划引擎设计过程中的一些基本概念、类库介绍、动态视图以及基本的设计思 想等。 第五章：主要研究了交通信息多模式交互的设计。包括交通信息的短信获取发布、 6 第一章绪论 语音获取发布、电子邮件获取发御等模式。详细介绍了每一种模式的工作原理、设计 需求、数据交互格式以及具体的实施方式。 7 青岛人学硕f j 学位论义 8 第_ 二章交通实测数据处理 第二章交通实测数据处理 课题以青岛市城市交通为背景，充分研究分析了青岛市交通实测数据，通过对交 通实测数据的处理，可以对小同的道路划分等级，进而建立相应的道路模型以及时间 预测模型。 2 1 交通数据的采集 交通数据的采集是交通领域各项技术研究的基础，快捷、精确、高效的交通数据 采集技术是人类永恒的研究课题。随着高速公路和交通信号灯的出现，人类已经开始 认识到交通数据获取的重要性和必要性。交通数据是路径规划、交通管理与控制的基 础，尤其对智能交通的建设和运营具有决定性作用【l 引。阐述交通数据采集技术的发展， 分析交通数据采集技术的特点，归类交通数据采集技术的方法，研究新技术在交通数据 采集中的应用，提出适合我国道路交通特点的交通数据采集技术是一项重要并且必要的 任务。 2 1 1 数据采集设备 现有的交通数据采集设备有很多种，常用的设备有线圈车辆检测器、波频车辆检 测器、视频车辆检测器、浮动车检测器等。根据安装方式可以分为埋设式和悬挂式。 ( 1 ) 线圈车辆检测器 线圈车辆检测器又叫环形线圈检测器，是传统的交通检测设备，是目前世界上使 用最多的一种检测设备。车辆驶过埋设在路面下的环形线圈，引起线圈的磁场变化， 检测器会根据磁场的变化计算出车流量、道路占有率、车速和长度等交通参数，并将 参数上传给中央控制系统，以满足交通控制系统的需要。此种方法技术较为成熟，并 且易于掌握，成本也比较低i l6 。 这种方法也有一些不足之处：线圈在维护或安装时必须直接埋入车道，这样交通 会暂时受到阻碍；埋置线圈的切缝会软化路面，容易使路面受到损伤，尤其是在有信 号控制的十字路口，车辆的启动或者制动对路面的损坏可能会更加严重；感应线圈易 受盐碱、路基下沉、冰冻等自然环境的影响；感应线圈由于自身的测量原理的限制， 当交通拥堵车间距小于3 米的时候，其检测精度会大幅度降低，甚至无法进行检测【1 7 】。 ( 2 ) 波频车辆检测器 9 青岛人学硕i ! 学位论文 波频车辆检测器是以微波、红外线和超卢波等对车辆发射电磁波产生感应的检测 器，这里主要介绍微波车辆检测器，它是一种价格低廉、性能优越的车辆检测器，可 广泛应用于高速公路和城市道路的交通信息检测。微波车辆检测器采用侧挂式，会在 扇形区域内发射连续的低功率调制微波，并且会在路面上留下一条长长的投影。微波 车辆检测器以2 米为一“层”，将投影分割成3 2 层。用户可以将检测区域定义为一层或 者多层。微波车辆检测器根据被检测目标返凹的回波可以测算出目标的交通信息，每 隔一段时间通过串口将交通数据发送到控制中心。微波车辆检测器检测车速的原理是： 根据特定区域内的所有车型假定一个固定车长，通过感应投影区域内车辆的驶入与离 开经历的时问来计算车速。一台微波车辆检测器侧挂可同时检测8 个车道的车流量、 道路占有率和车速。 微波车辆检测器也有其自身的缺点，在车型单一，车流量稳定，车速分布均匀的 道路上检测准确度较高，但是在交通拥堵以及大型车较多或者车型分布不均匀的路段， 由于遮挡会导致测量精度受到比较大的影响。另外，微波车辆检测器要求离最近的车 道有3 米的空间，如要检测8 车道，离最近车道也需要7 - 9 米的距离而且安装高度也 有要求。因此，在桥梁、高架路、立交桥上的安装会受到限制，安装比较困难，价格 也比较昂贵【l 引。 ( 3 ) 视频车辆检测器 视频车辆检测器是通过视频摄像机作为传感器，在视频的范围内设置虚拟线圈检 测区，车辆进入检测区时使背景的灰度值会发生变化，从而得知车辆的存在，并以此 来检测车流量和车速。视频车辆枪测器可以安装在车道的上方或者侧面，与传统的交 通信息采集技术相比，视频车辆检测技术可以提供现场的视频图像，可以根据需要移 动检测线圈，直观可靠，安装调试维护方便，价格便宜等优点，缺点是容易受到恶劣 天气、灯光、阴影等因素的影响，汽车的动态阴影也会对检测带来干扰【1 7 - 1 9 。 ( 4 ) 浮动车检测器 浮动车( f l o a tc a r ) ，也被称作探测车，是近年来智能交通系统中所采用的获取道 路交通信息的先进技术之一。其基本原理是：依靠装备了车载全球定位系统的浮动车 在其行驶过程中定期记录下的车辆位置，方向和车速信息，应用地图匹配、路径推测 等相关的计算模型及算法进行处理，使浮动车位置数据和城市道路在时间和空间上关 联起来，最终得到浮动车所经过道路的车辆行驶速度以及车辆的行车旅行时间等道路 拥堵信息。如果能在城市中部署足够数量的浮动车，并且将这些浮动车的位置数据定 期地、实时地通过无线通讯系统传输到数据处理中心，由数据处理中心进行综合处理， 就可以获得整个城市动态的、实时的交通路况信息【2 州。 1 0 第一二章交通实测数据处理 2 1 2 数据采集的内容 该课题采用线圈检测的方法，对每天主要交通路段的车流量等信息进行了采集。 采集内容包括采集点编号、检测器号、采集时间、数据来源、采集时间间隔、流量、 占有率、速度等信息，具体的采集内容、数据类型、字段名称、字段长度等信息如表 2 1 所示。 表2 1 交通实测数据字典 其中采集点编号、检测器号、采集时间字段设置为主键，采集点编号、数据来源 数据类型为字符型，采集时间数据类型为日期型，检测器号、采集时间间隔、流量、 占有率、速度数据类型为数型。数据来源存储0 时，表示为信号系统采集的数据；存储 l 时，表示为电子警察采集的数据；存储2 时，表示为卡口采集的数据。当数据来源存 储的为l 或者2 时，检测器号字段存储的为车道号。 由车辆检测器检测到的交通流量数据上传到交通信息数据中心，并且自动存储在 数据库的表里，现将该表1 月6 日至2 0 日十五天的交通流量实测数据导入e x c e l 表格，如 图2 1 所示。 青岛人学颁j j 学位论文 序号：采集点编号检测嚣号 l 3 0 13 02 0 】 23 0 13 12 0 1 33 0 13 2，2 0 1 4 3 0 1；4 02 0 1 53 0 14 12 0 1 63 0 14 22 0 】 7 2 0 21 02 0 1 82 0 21 12 0 1 92 0 21 22 0 1 1 02 0 22 02 0 1 1 1 2 0 22 12 0 1 1 22 0 22 22 0 1 1 38 0 14 02 0 1 - 1 48 0 14 12 0 1 1 58 0 14 22 0 1 1 68 0 43 0：2 0 1 1 7 8 0 43 12 0 1 1 8 8 0 43 2：2 0 1 1 98 0 23 0：2 0 1 _ 一f 2 08 0 23 12 0 1 2 1 。一8 0 2 。，。 3 2；2 0 1 2 28 0 34 0 ：2 0 1 2 38 0 34 1；2 0 1 2 48 0 34 22 0 1 2 5 5 0 11 02 0 1 2 65 0 1儿2 0 1 2 75 0 11 22 0 1 2 85 0 12 02 0 1 2 95 0 12 12 0 1 采集时问间隔。流量占有率速度数据来源 0 0 3 0 0 ，00：0 2 0 03 0 060 0 24 3 52 0 03 0 00002 0 0 3 0 0 00：0 2 0 03 0 060 0 2 4 0 8 32 0 03 0 0；0002 0 03 0 040 0 1 ：4 2 52 0 03 0 000：02 0 03 0 0o0；02 0 03 0 040 0 13 7 7 5 ：2 0 0 3 0 0 10 5 02 0 03 0 0 ；0 0；02 0 03 0 000 0 。- 一2 一一 0 03 0 040 0 14 92 0 03 0 00002 r 一。 0 03 0 0：0002 0 03 0 030 0 l2 7 6 72 0 03 0 000 02 0 03 0 0：0002 1 - 0 03 0 030 0 14 8 3 32 嫡。，3 0 0 。一0 0 02 0 03 0 0；0002 0 03 0 060 0 25 2 8 32 0 03 0 0，00：0 2 0 0 3 0 0 20 0 1 4 7 52 0 03 0 00002 0 0 。3 0 0：0002 0 03 0 020 6 6 5 ； 2 0 0 ：3 0 0；0002 采集时间 0 - 1 - 70 0 ： 0 - 1 70 0 ： 0 - 1 - 70 0 ： 0 - 1 70 0 ： 0 - 1 70 0 ： 0 - 1 70 0 ： 0 - 1 70 0 ： 0 - 1 - 70 0 ： 0 - 1 70 0 ： 0 - 1 70 0 ： 0 - 1 - 70 0 ： 0 - 1 70 0 ： 0 1 70 0 ： 0 - 1 70 0 ： 0 - 1 70 0 ： 0 - 1 7o o ： 0 1 70 0 ： 0 - 1 70 0 ： 0 - 1 70 0 ： 0 - 1 70 0 ： 0 - 1 70 0 ： 0 - 1 70 0 ： 0 1 70 0 ： 0 - 1 7o o ： 0 - 1 - 70 0 ： 0 - 1 70 0 ： 0 - 1 70 0 ： 0 - 1 70 0 ： 0 - 1 70 0 ： 图2 1 从数据库导出的e x c e l 表格数据 采集点编号包括2 0 1 、2 0 2 、3 0 1 、3 0 2 、5 0 1 、5 0 2 、6 0 1 、6 0 2 、6 0 3 、6 0 4 、8 0 1 、8 0 2 、 8 0 3 、8 0 4 ；检测器号包括l o 、1 1 、1 2 、2 0 、2 1 、2 2 、3 0 、3 1 、3 2 、4 0 、4 1 、4 2 ；采集 时间间隔为3 0 0 秒；数据来源为2 ，表示交通信息采集来自卡口，并且检测器号代表了 不同的车道。以3 0 1 采集点编号为例，1 月7 日0 0 ：o o 有六个检测器采集