（系统工程专业论文）基于GPSGIS的浮动车技术在北京市路网评价中的应用.pdf

摘要 道路网络整合、优化是交通工程和交通规划学科共同关注的重大 交通问题，尤其在城区受经济、社会、环境制约的情况下，道路网络 功能的优化越发体现出它的技术重要性和经济合理性。一个层次清 晰、功能明确的城市路网，是在既有资源条件下提高道路通行能力的 重要基础和保障。 近年来，北京的经济迅速发展，交通需求也急剧膨胀，交通问题 日益严峻。随着2 0 0 8 年奥运会的日益临近，在奥运会召开以前，完 善交通规划方案，以实现奥运会期间的交通顺畅，创造首都的良好经 济运行环境，变得越来越刻不容缓。完善北京市路网的功能层次划分 问题是其中的重要课题。 相对于传统的数据采集和路网评价方法，本文引入了新兴的 g p s g i s 技术，采用浮动车的方法采集交通数据，制定路网的层次划 分方案，用动态数据对路网功能层次进行评价。本文重点讨论了g p s 数据记录仪的研制、数据的采集、g p s 的地图匹配方法、评价指标体 系的建立等几个方面问题，提出了一个基于g p s g i s 浮动车技术，评 价路网功能层次的系统的解决方案。 本文深入研究了基于g p s g i s 浮车技术评价路网功能层次的各个 技术细节，为城市路网评价提供了一个新的思路，同时也具有较好的 推广意义。 【关键词】路网功能层次、g p s 、g i s 、地图匹配、评价方法、浮动车 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eo p t i m i z a t i o no ft h er o a dn e t w o r ki sa ni m p o r t a n ti s s u ei n t r a n s p o r t a t i o ne n g i n e e r i n ga n dt r a f f i cp l a n n i n g ，e s p e c i a l l yw h e nt h e e c o n o m y , s o c i e t y , e n v i r o n m e n ts y s t e m a r er e s t r i c t e d t h er o a d n e t w o r ko fac i t y , c l e a d y a r r a n g e d a n dh a v i n g e x p l i c i t f u n c t i o n h i e r a r c h y , i st h e b a s i st oi n c r e a s et h et r a f f i cc a p a b i l i t y i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h eq u i c kd e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m y , t r a n s p o r t a t i o nr e q u i r e m e n t h a si n c r e a s e dg r e a t l y ，a n dt h et r a f f i c p r o b l e m i sm o r e r i g o r o u s w i t ht h e2 0 0 8o l y m p i cg a m ec o m i n gu p ，i t b e c o m e sm o r ea n dm o r eu r g e n tt oo p t i m i z et h er o a dn e t w o r ka n d e n s u r et h et r a f f i ci no r d e rt oc r e a t eag o o de c o n o m ye n v i r o n m e n ti n b e i j i n g t h eo p t i m i z a t i o no ft h er o a dn e t w o r ki sai m p o r t a n tl e s s o n a m o n g t h e m c o m p a r e d w i t h t r a d i t i o n a r y m e a a so f c o l l e c t i n g d a t aa n d e v a l u a t i n g r o a dn e t w o r k , w ea d o p tt og p s g i s t e c h n o l o g y a n d f l o a t i n g v e h i c l ea n de v a l u a t et h ef u n c t i o n h i e r a r c h y o ft h er o a d n e t w o r kw i t hd y n a m i cd a t a t h i st e x td i s c u s s e dd e v e l o p m e n to fg p s r e c e i v e r , t h e c o l l e c t i o no ft h eg p sd a t a ，m a p m a t c h i n g a n d f o r m u l a t i n g t h ee v a l u a t i o n s y s t e m t h i st e x th a sar e s e a r c ho na l ld e t a i l sa b o u te v a l u a t i o nt h er o a d n e t w o r k t h r o u g hf l o a t i n gv e h i c l e ，w h i c hb r i n g sf o r w a r d an e w w a y t o e v a l u a t er o a dn e t w o r ko fa c i t y ，a n dc a n b e g e n e r a l i z e dw i d e l y 【k e y w o r d s 】f u n c t i o nl e v e l o fr o a dn e t w o r k , g p s ，g i s ，m a p m a t c h i n g ，e v a l u a t i o nm e a n s ，f l o a t i n g v e h i c l e 1 概述 1 1 项目背景 1 1 1 亟待角翠决的北京市路网功能层次划分问题 道路网络整合、优化是交通工程和交通规划学科共同关注的重大交 通问题，尤其在城区受经济、社会、环境制约的情况下，道路网络功能 的优化越发体现出它的技术重要性和经济合理性。一个层次清晰、功能 明确的城市路网，是在既有资源条件下提高道路通行能力的重要基础和 保障。功能混乱、不合理的道路系统必然会影响交通流的顺畅，降低道 路的服务水平。因此，在现有资源条件下形成一个合理的道路网络是城 市交通规划与管理中的一个重大课题。 传统交通规划理论的基本指导思想是交通基础设旋建设应该满足日 益增长的交通需求。其基本做法是从人口、各种社会经济指标和土地利 用出发，进行客流预测，以此进行各种代替方案的规划与评价。这种规 划理论体系的总体特征是属于被动满足型规划，仅仅注意了满足交通需 求，无法从供求两个方面着眼，主动引导需求发展，使社会效益最大化。 近年来，北京的经济迅速发展，交通需求也急剧膨胀，交通问题日 益严峻。随着2 0 0 8 年奥运会的日益临近，在奥运会召开以前，完善交 通规划方案，以实现奥运会期间的交通顺畅，创造首都的良好经济运行 环境，变得越来越刻不容缓。完善北京市路网的功能层次划分问题是其 中的重要课题。在研究这个问题时，我们引入了新兴的g p s g i s 技术， 收集交通数据，制定路网的层次划分方案。 北京交通大学硕士学位论文 1 1 2 把新兴g p s g i s 技术引入交通研究领域 i t s 技术的出现，尤其是g p s 系统的应用，为我们掌握更多、更有 效的基础数据信息提供了技术保障，同时也为我们提供了更加科学的优 化路网的途径和手段。 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 g p s ) 是美国从2 0 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功能的新一代卫星导 航与定位系统。自动车辆定位导航系统是i t s 中非常关键的部分，通过 该技术可以实现对交通运输系统整个过程的控制及交通信息、道路应急 等多种信息服务。 在我国交通运输和道路工程中，g p s 技术的运用已经开始得到重视 和发展，并开始步入深层和普遍运用阶段。许多城市的出租车、车辆租 赁、物流配送等行业已经开始利用g p s 技术对车辆进行跟踪、调度管理， 合理分布车辆，以最快的速度响应用户的需求，降低能源消耗、节省运 行成本。在车辆导航方面，通过g p s 系统和数字化交通电台，实时播发 城市交通信息。车载设备通过g p s 进行定位，结合电子地图以及实时的 交通状况，自动匹配最优路径，并实行车辆的自动导航。 现阶段g p s 在交通运输系统中的应用主要包括以下几个方面： ( 1 ) g p s 在0 d 调查中的应用 汽车导航系统是在全球定位系统g p s 基础上发展起来的- f o 新型技 术。汽车导航系统由g p s 导航、自律导航、微处理器、车速传感嚣、陀 螺传感器、c d - - - r o m 驱动器、l c d 显示器组成。g p s 导航系统与电子 地图、无线电通信网络及计算机车辆管理信息系统相结合，可以实现车 辆跟踪。通过抽样分布，安装车载系统，可以进行城市o d 出行调查。 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、 2 概述 缩小、还原；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。 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。自动线路规划是由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和运行方法。 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、语音及图像的 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。 ( 9 车辆调度 g p s 定位技术的出现给车辆的导航定位提供了具体的实时的定位能 力。通过车载g p s 接收机驾驶员能够随时知道自己的具体位置。通过车 载电台将g p s 定位信息发送给调度指挥中心，调度指挥中心便可及时 掌握各车辆的具体位餮，并在大屏幕电子地图上显示出来。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。 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日标，规划最优援 3 北京交通大学硕士学位论文 助方案，并以报警声光提醒值班人员进行应急处理。 ( d 自动驾驶与防撞系统 利用g p s 导航、自律导航、微处理器、车速传感器、陀螺传感器的 设备和处理系统，可以实现汽车车辆的自动驾驶与自动防撞。 ( d g p s 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，己知点少，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，然后用常规方法布设导线加密。 可以预见，g p s 和g i s 在智能交通系统中将发挥越来越大的作用。 1 2 国内外研究的状况 虽然在交通运输领域对城市路网评价已经进行过大量的研究，但目 前还没有专门针对城市路网的上述功能层次的使用状况进行考察分析 方面的研究。总的概括，我国城市路网分析评价一般都采用传统的基于 静态路网数据的指标评估方法，即对路网的一些静态固有特征进行计 算，如路网长度，路网面积、路网密度、非直线系数等，以考察路网结 构的水平。 近来，对城市路网评价的研究项目有所改进，主要侧重点放在以下 两方面：一方面是对城市路网评价的指标进行改进，提出了一些新型的 指标，如考虑城市总体水平的相对性指标：结合车辆出彳亍o d 数据的动 态指标，路网交通状况的交通质量指标等；另一方面是在处理指标的评 价上采用新技术，如模糊数学，层次评价法( a h p ) 等。 由于静态数据无法满足更深入、细节的路网功能层次划分评价，本 方法需要收集路网运行的动态数据。而随着智能交通系统技术的不断发 4 展，利用浮动车系统( p r o b ev e h i c l es y s t e m ) 采集交通动态数据( 如旅 行时间、旅行速度等) 的概念越来越被人们所接受。另外，相比在道路 基础设施设置线圈、感应器、闭路电视等获得相类似数据的数据采集方 式而言，浮动车系统一方面不仅具有更大的灵活性和数据精确度，另一 方面也有很大的成本优势。 目前浮动车记录数据的收集技术有两种主要方式：一类是基于空间 分布的方式，如按一定的间隔在道路旁设立信标，另一类是基于时间分 布的方式，即车辆按一定的时间间隔传输数据。9 0 年代中期的浮动车数 据采集研究都集中在信标采集系统，近几年，随着g p s 系统的价格下调， 越来越多人开始将研究兴趣转移到后一类浮动车数据采集技术。 目前国外已有一些将浮动车技术作为基本数据采集方式的项目，如 美国芝加哥市在9 0 年代中期就开发的大型i t s 系统a d l n c e ( a d v a n c e d d 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 nc o n c e p t ) ，近期的包括 荷兰鹿特丹市的p r e l u d ep r o j e c t ，以及英国的r o a dt r a f f i ca d v i s o r f r t a ) 系统。 浮动车采集数据有许多方面的应用，主要可归纳为以下三类：一是 利用浮动车数据为路网动态信息实时预测提供数据基础，或者作为某一 条主干道运行状况的实时测量手段；第二类是用于探测路网交通事件的 发生，如排队的发生或者监测到交通事故；第三类是将浮动车数据作为 某些路段或者高速公路的旅行时间预测的数据基础。 北京交通大学硕士学位论文 1 3 研究的技术框架及流程 i g p s 蓟啼隙仁劬研锘4 i q s 数据库建设l 基于g l n a s 技术的交通数据采集j 蓠桶蓖路网几伺菲南玢析 。 i 旆湖价体磊路网蝴l i i 路障黜，班龇 图1 - 1 项目的研究框架 1 g p s 数据记录研制 为配合本项目的需要，项目小组为本项目专门研制特殊的数据采集 设备g p s 数据记录仪。 2 数据采集 数据采集是本项目的重要的基础性工作。采集的数据为每秒钟一次 的经度、纬度、角速度、卫星数目、速度等。 3 g i s 数据库设计 本项目采用的g i s 数据库，分为点线两个图层，基本反映了北京路 网的结构，基本符合g p s g i s 数据融合的需要。 4 几何指标分析 为保证评价的完备性，本项目采用根据g i s 能够计算出来的几何指 标。 5 综合评价 6 概述 这一部分是在g p s 数据和北京路网现状的基础上进行的。对北京路 网的评价分析分为两个宏观和微观两个层次。 宏观层次主要分析北京路网的主体结构上存在的问题，这一部分采 用的方法主要是路网综合评价技术，在其中加入了来自于动态的交通数 据的评价指标。 微观层次评价是指在确定需要重点分析的路段以后，对驾驶员的路 段选择行为、速度、时问、距离等分析，以期确定微观层次上重点道路 或局部路网中存在的问题。 6 制定路网的优化方案 路网的优化方案是根据对现状路网的诊断基础上得出的。路网的优 化方案同样来源于宏观评价和微观评价两个层次。宏观评价的结论一般 形成制定新方案的指导原则，微观层次评价的结论构成路网优化方案的 具体部分。 图1 - 2 项目的工作流程 7 g p s 数据记录仪设计 2g p s 数据记录仪设计 2 1 研究开发g p s 数据记录仪的意义 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 g p s ) 是美国建成的具有 在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位功能的新一代卫星导航与 定位系统。采用g p s 技术的自动车辆定位导航系统是i t s 中非常关键的 部分，通过该技术可以实现对交通运输系统整个过程的控制、交通信息 服务、道路应急及多种信息服务。 随着我国汽车保有量的增长，人们对车辆监控系统的要求也越来越 迫切，交通事故也越来越多，为了达到能够精确的了解车辆运行的轨迹， 对车辆运行的成本进行控制以及对交通事故的处理，甚至对城市道路在 路网中的地位、功能进行评估规划，一种能够把车辆运行情况记录下来 的设备应运而生，这就是g p s 数据记录仪。 g p s 数据记录仪利用g p s 技术，可以得到车辆运行的各种数据。通 过对这些数据进行分析综合，可以得出车辆运行时候的各种信息，从而 为事故处理、车辆运行成本核算等等提供依据。可以广泛应用于物流公 司、公交等交通运输行业，配合辅助的软件，可以实现对车辆和人员的 运输计划管理、成本管理、效率分析、数据统计等等功能。 在对城市道路在路网中的地位、功能进行评估规划的过程中，需要 得到路网状态的各种信息。采用g p s 技术，可以得到车辆运行的各种数 据。通过对这些数据进行分析综合，可以得出路网状态的信息，从而为 道路优化等提供最基础的依据。 数据记录仪的开发主要有以下几个部分：确定所需g p s 数据的类型， 如经度、纬度，速度，角度等数据：g p s 数据导出、存储的技术和方法 的研究。 g p s 数据记录仪设计 2 2 背景知识 本记录仪适用于各种客货运输车辆。国内外研究的行车记录仪的主 要功能有：车辆监控、通信调度、数据记录、紧急报警、超速报警、免 提电话等等，这些功能随应用场合的不同而组合变化。国内外采用的车 辆位置追踪技术一般都是利用g p s 技术。g p s 数据记录仪内部采用嵌入 式微处理器，可以随时记录车辆行驶过程中的各种参数，利用g s m 模 块等等通信模块达到与监控中心进行信息沟通的功能。通常在这个基础 上，配合车载电话，数据提取装置，导航系统等等，行车记录仪可以实 现数据全程记录、智能监控调度、人车统筹管理、信息实时交互、超速 超时预警、紧急情况报警、卫星定位跟踪和车载免提电话等主要功能。 目前国内外的g p s 数据记录仪主要注意力都集中在调度监控上和 信息发布上，所以对于大容量的车辆信息采集和分析没有进一步的研 究。本实用新型的研究方向主要就是大容量的数据采集，为交通信息分 析和城市交通规划提供数据。 本记录仪综合了各种技术方案的优劣，采用g p s 接收机+ 嵌入式处 理器+ f l a s h 存储卡的结构。完全能够满足各种单位进行车辆管理的要 求，而且非常适用于采集大量数据，对道路交通进行评估和规划的应用 场合。 通常的g p s 数据记录仪有几种结构，分别举例说明如下： 1 g p s 接收机+ 嵌入式处理器+ 通信模块 此种记录仪现在运用最多，利用通信模块将车辆数据发到监控中 心，以飞鹰航太公司的t f a - 2 0 0 0 系统为例，系统采用g s m 模块作为通 信手段，将车辆位置数据实时发送到懿控中心，同时车辆配有报警控制 面板，可以将车辆的报警信息发送给监控中心，这种系统的缺点是基本 没有数据记录功能，它的数据记录完全靠通信手段完成。而且通信运营 成本高。 9 北京交通大学硕士学位论文 2 g p s 接收机+ 嵌入式处理器+ 大容量存储芯片( i c 卡) 此种记录仪足考虑了国内绝大多数用户的实际需要和经费，强调对 车辆行踪数据的记录、分析和任务管理。同价格昂贵的g p s 实时监控系 统相比，本方案最大的优点在于注重实效、节约开支。但是这种方案的 存储容量仍然有限，对于长期的数据采集无法满足要求。而且数据的导 出需要专用软件和硬件，使用不便而且繁琐。这种方案以北斗星通公司 的北斗天权行车记录仪为代表，可以满足3 7 天的记录需求，通过 串口将数据导出。 3 g p s 接收机+ 嵌入式处理器+ f l a s h 存储卡 此种记录仪通常能够达到大容量数据存储的要求，而且配合通信模 块的话，可以组成多功能的行车记录仪，以飞鹰航太公司的g d l - 3 0 5 0 行车记录仪为例，它采用m m c 存储卡，可以定制数据类型，3 2 m 的卡 可以存储9 0 天。这种结构的行车记录仪是比较能够满足实际需求的。 本实用新型采用此种结构，但是采用更适合工业现场使用的存储卡 c o m p a c t f i a s h 卡，可靠性更高。 4 g p s 接收机+ p d a 此种记录仪通常只是p d a 的一个功能扩展，加上一个g p s 模块， 辅以配套的软件也可以实现数据记录。但是这种结构不能符合现场工作 的需要，比如无人值守，长期工作，而且在车内没有g p s 信号，需要外 加信号感应设备。这种方案的成本也比较高。 g p s 导航设备+ 附加的记录器 此种记录仪实际是一个附加的记录器，只有单一的数据记录功能， 它没有g p s 功能，只是从导航设备中取g p s 数据然后记录。比如澳大 1 0 g p s 数据记录仪设计 利亚一个公司的产品d g p s - x m 4 ，它只是一个附加的记录器，连接到 g p s 接收机上进行存储，然后需要把它拿下来，把数据导入到计算机。 它的存储功能利用大容量芯片实现，最大容量3 2 m 。但是它的存储信息 有限，只能单一的位置和时间信息。它利用内置电池进行工作，所以工 作时间受限制。 2 3g p s 数据记录仪的功能要求 2 3 1 功能要求 准确、快速的g p s 定位 能够可靠存储长时间的g p s 信息 向外部设备提供多种接口 方便的将数据导出 显示g p s 的基本信息：经度、纬度、速度、时问等和记录仪本 身的一些附加信息 简单的功能控制界面 便携式的记录仪还应该有电源管理功能 2 3 2 适用范围 适用的范围决定了记录仪的大小体积、安装方式、供电方式等等。 通常的使用方式是安装在汽车、自行车上以及由行人携带。一般要求记 录仪的通用性要强，采用不同的配件以适应不同使用范围。汽车用记录 仪可以采用支架式安装，利用一个支架固定在汽车的座位前方的仪表盘 附近，可以调整俯仰角度便于观察，汽车用记录仪使用车载的点烟器提 供的+ 1 2 v 直流电源供电；可以不考虑节电功能；自行车用记录仪也采用 支架固定在自行车的后架上，使用可充电电池，一般要保证能够连续使 用8 小时；行人用记录仪需要有背包固定，也使用可充电电池，一般要 北京交通大学硕士学位论文 保证能够连续使用8 小时。 2 4 关键技术 2 4 1 数据存储技术 g p s 数据记录仪最关键的一点就是数据存储一定要可靠，而且一定 是大容量的，因为在路网评估系统中，一般都要采集数天甚至数月的数 据，这些数据加起来有几十兆，而且记录仪在汽车或者是行人运动中工 作，有很强的震动。目前可以实现的方案有三种： 大容量的f l a s h 芯片 硬盘 f l a s h 存储卡 采用普通的大容量f l a s h 芯片的话，优点是不怕震动，体积小： 缺点是读写次数有限制，一般在1 万次，而且一旦焊接后，不容易更换； 容量一般为几兆、几十兆，实现大容量的话，成本太高。 硬盘的优点是容量大，几十g 、上百g ；缺点是体积、重量都比较 大，对安装有要求，不能经受太大的震动，耗电也比较大。 f l a s h 存储卡有好多种：p c a i a 卡，c f 卡，s m 卡，s d 卡等等。这 些卡中p c a t a 卡体积较大，使用的不多：s m 卡内不含控制器，存储 格式不统一，而且它的容量目前限制在1 2 8 m ；s d 卡成本比较高。 c o m p a c t f l a s h 卡是基于f l a s h 存储技术的一种便携式的存储设备， 近年来广泛用于数码相机，笔记本电脑，手持数据采集设备，m p 3 播放 器，掌上电脑以及各种移动设备。它存储容量大，体积小，大小为4 3 r a m x3 6 m mx3 3 m m ，只有p c m c i a 卡的1 4 。c f 卡能够适应恶劣的现场环 境，接口简单，因此是一种很有前途的存储设备。它的这些特点很适合 用在g p s 数据采集设备中，满足大容量存储的需要。 c f 卡采用f l a s hm e m o r y 技术，在掉电情况下数据也不会丢失，可 g p s 数据记录仪设计 擦写次数达到1 百万次。c f 卡是固态的，没有活动部件，因此比通常的 磁盘更能保护用户数据，可靠性高，平均无故障时间达到1 百万小时。 c f 卡同时支持3 3 伏和5 伏的电压，任何一张c f 卡都可以在这两种电 压下工作，这使得它具有广阔的使用范围。它的耗电只有磁盘驱动器的 5 。c f 存贮卡的兼容性还表现在它把f l a s hm e m o r y 存贮模块与控制器 结合在一起，这样使用c f 卡的外部设备就可以做得比较简单，减少费 用。而且控制器可以把损坏的f l a s h 单元标记出来不再使用，保证了数 据写入的正确性。不同的c f 卡都可以用单一的机构来读写，不用担心 兼容性问题，特别是c f 卡升级换代时也可以保i i e i h 设备的兼容性。c f 卡的数据传输率比较高，在5 v 电压下能够达到2 0 m s ，3 v 电压下能够 达到6 6 m s 。 目前c f 卡的容量已经达到1 g ，支持多种接口方式，可以方便的与 8 位、1 6 位系统接口。所以在记录仅中采用了c f 卡，图1 是c f 卡的内 部结构框图。 图2 1 c f 卡内部框图 2 4 2 与外部设备的接口 g p s 数据记录仪必须向外部设各提供接1 ：3 ，除了g p s 数据输入输出 匕京交通大学硕士学位论文 的接e l 以外，还有一些开关量输入，以方便和其他外部设备配合使用， 比如在出租车中，可以由计价器控制记录仪：另外还要提供多种接口方 式，包括串行和并行端口。 2 4 3 抗干扰 车载的设备一般使用车载的直流电源，但是由于汽车上恶劣的电磁 环境，抗干扰措旌是必须的，要抑制车载电源的尖峰脉冲、浪涌等等。 除此之外，采用软件抗干扰技术，使系统能够及时复位，保证可靠的运 行。 2 5 系统结构及功能 2 5 1 系统参数 体积：1 3 4 c m 1 1 4 0 n 4 4 c m ( 长宽高) 重量：3 5 0 9 电源：直流1 2 v ，自动去除电源噪声，自动电压保护 g p s ：精度：5 1 0 米，抗干扰，静态飘移锁定，自动存储快速 定位 功率： 基本上覆盖了北京路网内四环以内的区域，数据量满足 了本项目的对数据的要求； 西北方向的数据相对较多，东南方向的数据相对较少( 看 出大部分车辆在很少去东南方向，但发现其中一辆车主要活动在 北京交通大学硕士学位论文 东南区) ； 环线数据最为集中，其次为主于道、次干道，支路数据 分布相对较少。 3 1 2 数据采集的时间分布 用于本次采用的出租车公司均为一班制，因此，数据采集从 时间分布上主要分布于白天，一般是早6 点到晚1 l 点，平均全天 的工作时问为1 5 个小时左右。数据可以覆盖整个早晚高峰、以 及白天的平峰。能够反映出北京市交通的大体特征。 3 2 样本空间分析 3 2 1 数据规模分析 数据采集的规模能否满足项目的要求是一个必须认真考虑 的问题，下面从时间平均和距离平均的角度分析了，数据量能否 支撑本项目的结论。 警时间角度 本次数据采集采用了1 0 辆探测车，共计进行了6 个月的数 据采集。初步估算有如下的9 7 2 0 0 0 0 0 个数据点。北京市2 0 0 1 年 的电子地图上四环以内约有5 4 0 0 个路段，平均每个路段分配有 1 8 0 0 0 个数据点。考虑每条路段的白天服务时间为1 5 个小时，那 么这个数据量相当于在四环以内每条路段有一辆浮动车以每隔3 秒钟的阃隔对该条路段进行了一天( 1 5 个小时) 的数据采集。 譬距离角度 从2 0 0 1 年北京市路网电子地图上，粗略统计北京四环以内 的路网全长为1 4 1 1 公里。每辆出租车平均一天的行使里程为2 4 0 公里，l o 辆车6 个月总共行使的距离为4 3 2 0 0 0 公里，相当于在 四环以内的道路总共走了3 0 6 遍。 数据采集及分析 3 2 2 数据的准确性分析 本项目中对比了g p s 数据和出租车计价器中的i c 卡数据， 经过比对分析发现g p s 数据完全吻合i c 卡数据，下面是数据对 比的结果。图中的蓝色实线是出租车的平均速度，折线上的每个 跳跃点表明该点是司机启动或停止计价器的时问。由于出租车的 计价器可以记载载客行程、空驶行程、上下车时间等信息，因此， 折线上的速度值是可信准确的。误差的来源主要是设备误差。 红色的折线表明g p s 速度，g p s 速度一秒钟记录一次，其值 根据多普勒效应计算，其值比较准确。 对比根据l c 卡得出的速度数据和g p s 数据，我们可以发现， 在乘客上下车，也就是l c 卡速度发生变化的地方，g p s 数据都 存在着速度为零的区域，但是由于司机启动或停止计价器并不是 在汽车完全停止的地方，因此，l c 卡速度变化点的g p s 速度并 不是恰好为零。 另外，从平均速度的角度，我们可以发现g p s 的速度完全符 合i c 卡的平均速度值。 因此，从实时速度和平均速度，我们都可以确认g p s 和l c 卡的速度都是吻合的，数据是准确的。 卜嫩5 3 1 g p $ 与i 咔遗建羹据对比 图3 1 g p s 数据与i c 数据对比图 北京交通大学硕士学位论文 3 3 出租车运营状况分析 出租车作为城市公交车的一种季卜充，它的作用除了填补公交 车运力不足外，更重要的是它缓和了由于城市出行用车的快速增 长带来的”路”满足不了”车的需求”的矛盾。据2 0 0 0 年的数据显示， 北京市大概8 的出行选择的是出租车，这样对出租车i c 卡的数 据分析在一定程度上反映了目前居民的出行状况，另外出租车在 道路上运行时不会像公共汽车那样每隔一段距离就停车，因此它 的运行状况能反映路网上的车辆运行状况。 i c 卡上的原始数据如下： 车孰工 车号日期 上车下车计空 代码号时问时间 载程等时状态车型车种 价驶 l 兜 00b 8 6 5 2 9加0 3 1 0 0 21 1 ：1 21 1 ：1 90 ：0 1 m1 0往返8夏利小客 00b 8 酷2 91 0 0 21 2 娴1 2 ：加2嘣瑚 i 目挂运2夏捌夺客 ab 8 6 5 2 93 1 0 0 21 2 ：1 31 2 珈7 8o ：0 4 ：睦逗 1 i夏利小客 c0b 8 6 s 2 9a 0 0 3 1 0 蛇 1 2 5 31 3 埘 3 9o ：，伽i l赴运8 j夏利d 、客 c口b b 6 5 2 9a 1 0 0 2 1 3 ：1 51 3 圃 1 6 s0 ：，伽2 7啦程5 一夏利小客 0b 8 6 5 2 9a 1 0 0 2 l 埘1 4 ：1 6 j0 ：= 0 0| 3匪逐9夏利小客 0日b 8 凹j 0 0 3 1 0 0 2 1 4 ：1 41 4 2 45 70 m 瑚l j往运0 正夏利小客 0口b 掰2 9a 瞄1 0 1 4 翔1 4 瑚7 j0 ：0 0 ：o c挂返 1 5蔓刊小容 日b 6 s 2 9砷1 0 0 2 1 4 6 j1 4 掰1 40 m ：珊1 日住运5 j蔓刊小客 00b 8 6 5 2 9a 咐1 0 啦1 5 姗1 5 1 9 j0 ：0 姗如单程0 4夏剩，卜客 日0b 8 舒2 90 1 0 0 2 1 5 0 91 6 ：删9o 埘，伽 2 4簟程 1 2夏捌，卜客 口6b 8 2 9加1 0 由2l 1 6 ：1 44 j0 棚娜l |睦退 1 9夏利寸、客 0日b 8 酷2 9a 瞄1 0 0 2 1 6 ：2 i1 6 渤蝴棚”眭逅3 工蔓利小客 2 4 数据采集及分析 根据j c 卡的数据我们计算出出租车的相关指标如下： 统计指标指标值 日均总行程( 公里，天) 2 0 5 2 9 日均载客行程( 公里厌) 1 1 1 7 7 日均空驶程( 公里厌) 9 3 5 2 平均载客车次( 车次厌) 1 4 5 5 空驶时间率5 4 4 5 空驶( 里程) 率4 5 4 6 里程利用率5 4 5 4 一次载客平均距离( 公里从次)7 6 8 一次空驶平均距离( 公里，次)6 4 3 一次载客平均速度( 公里，小时) 2 6 5 9 一次空驶平均速度( 公里，j 、时)1 7 9 1 表3 2 分出租车类型的相关指标统计 另外我们对i c 卡上的数据还可以从以下及各方面进行分析： 3 3 1 出租车一天的平均速度分布 根据每次载客的l c 卡纪录中的上车时间、下车时间以及载 程可以算出一次载客的平均速度，以乘客的上车时间作出平均速 度的分布图( 1 1 4 0 8 条记录) 如图3 2 。 对相同上车时间的速度进行平均得到一天的平均速度分布 图，并按中值平均做出平滑曲线如图3 3 。 从这两个图中我们可以看出，出租车在上下班高峰时段( 早 上8 ：0 0 左右和下午5 ：3 0 左右) 速度明显偏低，约为2 0 公里 小时。 ：f b 京交通大学硕士学位论文 3 3 2 出租车一天的载程分布 根据每次载客的i c 卡纪录中的载程，以乘客的上车时间作 出一次载程分布图( 1 1 4 0 8 条记录) 如图3 - 4 。 从这个图中我们可以看出，一次载客行程随着时间的变化不 太大，但是在高峰时段也略有偏高。 3 3 3 出租车一天的空驶程分布 根据每次载客的l c 卡纪录中的空驶程，以乘客的下车时间 作出一次载程分布图( 1 1 4 0 8 条记录) 如图3 5 。 从这个图中我们可以看出，空驶行程随着时间的变化不太 大，只是在早上刚出车的时段略有偏高。 o o 西 o o o n 圃梏氛趟艘霜*释丑n矗匝 一墨耋 o o 婚一 o o o 【 互睾求谜潮霉土，摹暴兰 o o c o o oo ( ) 【 o o o _ o o o o 卜 o 车求赵瓣啭寒豁 n 憬求巡喇轷牛联i卅粤习c-n匦 议秘掣扑书隧扑k魁做倏芸 o o 必纠 o o o 团妊求裂柩l卅窭弭寸n匝 o o 西一 蔓晕太乏 o o o 一 | i 曼乏 o o 西 o o o o o _ 【 o o o o b o o v 卜 o 蜷求越球咪骧鞋 o o n o o o n 匦婚求艇蝌都悄l奸寤丑叩n o o 西_ 【 o o o 一 甄=惫ift咩誊f，善军兰 o o 醇 o o o oo c o o o c i o o no 婚no o l o 心e i o o 一 仪秘q扑刊匿扑k鼎俄倏罢 数据处理 4 数据处理 4 1 概述 整个数据处理过程分为四步 4 2 数据转换、导入 主要通过实验室自行开发的软件完成，将由g p s 记录仪得到的原 始二进制文件转换成十进制文件。 g p s 记录仪通过c f 卡记录数据，计时间隔为1 s ，可记录2 个多 月的数据。一条记录2 8 个字节，包括时间、经度、纬度、速度、卫 星数、角度等信息。 通过卡尔曼滤波等算法，剔掉上述数据表里的g p s 粗大误差，主 要是开关机时的数据漂移。 3 l 一。一。一u一一 北京交通大学硕士学位论文 将文本文件数据导入s q l s e r v e r 数据库。 由原始数据生成的表在数据库中的字段格式如表4 - 1 字段数据类型氏度( 字节)i ；举例描述 2 0 0 3 0 8 0 9 时间d a t e t i m e8 1 1 ：2 2 ：3 3 经度 f i o a t81 1 6 3 2 6 5 4 1 纬度 f i o a t83 9 3 6 5 2 3 1 单位为公里d , 速度f l o a t82 3 5 时 卫星数大于4 表 卫星数i n t45 示正常定位 正北方向为0 角度f i o a t85 7 6 5 度，顺时针旋转 4 3 地图匹配 表4 - 1 数据库中原始数据格式 4 3 1 地图匹配的准备知识 ( 1 ) 电子地图道路信息数据库的建立 为了实现地图匹配算法，一个重要的问题就在于如何为地图匹配 算法建立有效的查询数据库。可以说这个查询数据库的好坏直接决定 了匹配算法的效果。匹配算法再先进，没有糖确而有效的数据库的支 持，也无法实现预期的地图匹配效果。而建立了有效的地图数据库， 则可以使得匹配算法提高运行效率，实现精确匹配。 通常为了建立匹配算法所用的数据库，首先需要采集道路信息， 这对于一种道路情况较为简单的路网或者城市区域是可行的。但是对 数据处理 于大型的复杂路网情况，必然要耗费大量的人力物力来实现道路相关 信息的采集。 本系统中，利用m a p l n f o 的数据导出功能，对城市路网的道路层 进行相应操作，首先导出路网数据，然后用m a t l a b 对数据文件进行相 应处理，然后将数据导入数据库，从而建立了地图匹配算法所必需的 地图数据库。实践证明，此种方法虽然在路网信息实时性更新方面有 一定缺点，但是较为简单可行，避免了路网信息收集等大量重复性工 作。并且由于系统加入了路网信息实时更新模块，可以将路网信息的 更新情况及时的反应在数据库中，从而保证匹配算法的精确性和有效 性。 为了介绍数据库的建立过程，我们首先看下m a p l n f o 表的结 构： 誓m a p l n f o 表的组成 地理信息系统工具必然跟数据库联系在一起，数据库是一种有组 织的数据集合，在m a p l n f o 中，数据库是按表组织的，其中表又可以 分为数据表和“橱格”表两大类。数据表由行和列组成，每一行包含 一个特定的地理特性或事件等信息。每一列包含数据项的特定类型的 信息。用数据库术语来说，即每一行为一个记录，而每一列为一个字 段，数据表可进一步分为包含地理要素的图形对象的数据表和不包含 图形对象的数据，其中包含数据对象的数据表可以按地图方式显示。 与数据表不同，“栅格”表没有记录、字段或索引等表结构，它只是 一种能在地图窗口中显示的图像，在m a p l n f o 中，大多数的表为数据 表。 表是m a p l n f o 的数据与地图有机联系的枢纽，当用户在m a # n f o 中打开一个数据文件时，m a p l n f o 将创建一个表，该表至少由一下两 个独立的数据文件组成： 文件名t a b ：该文件描述表的数据结构，它是一个小的文本 文件，里面包含了数据文件的格式； 文件名d a t 或文件名w k s d b f x l s ：这类文件包含表格数据， 北京交通大学硕士学位论文 原始数据文件的不同产生了扩展名的不同。当为表指定了记 录的x 和y 坐标，表将包含图形对象，此时，该表将具有相 关的另外两个文件； 文件名m a p ：该文件用于描述图形对象； 文件名i d ；这是一个交叉引用文件，用于连接数据和图形对 象。 此外，表还可以包含一个索引文件，索引文件用于查找地图对象， 当用户用s e a r c h 命令查找一个城市或一个地址时，就必须在表中对相 应字段建立索引，该索引就存在于分引文件中，即：文件名i n d 在使用m a p l n f o 时，用户可以直接读取f o x b a s e 、e x c e l 或a s c i i 格式等多种数据库，此外，在创建表、保存工作空间以及转入或转出 数据时，m a p l n f o 可以生成多种具有不同扩展名的文件。本小节详细 给出与m a p l n f o 相关的数据文件的扩展名及其相应的简要说明( 按字 母顺序) ： d a t ：以m a p l n f o 格式保存的表格数据文件； d b f ：d b a s e f q x b a s e 格式的表格数据文件； i d ：m a p l n f o 图形对象文件n m a p ) 的索引文件； 1 n d ：m a p l n f o 表格文件( d a t ) 的索引文件； m a p ：包含描述地理对象的地理数据。 m i d ：用于t a b 表数据的m a p l n f o 转入转出格式； m 1 f ：用于图形对象的转入转出格式： t a b ：m a p l n f o 表的主文件；与d a t 等文件相关联： t x t ：用于存储a s c i i 格式的表格数据。 w o r - m a p l n f o 的工作空间文件，用于保存有关在某次m a p l n f o 交互中所使用的表和窗口的信息。 鬈m i f 与m i d 文件格式 以上简要讨论了m a p i n f o 表的组成，下面我们就地图匹配算法数 据库要用到的