卫星定位不停车收费中基于决策圈的路径识别方法.pdf

第2 8 卷第5 期 2 0 1 1 年5 月 公路交通科技 J o u m a lo fH ig h w a y 蚰d1 m s p o r t a t io nR e s e a r cha I I dD e v e l 叩m e n t V 0 1 2 8N o 5 M a v2 0 1 l 文章编号 1 0 0 2 一0 2 6 8 2 0 1 1 0 5 一O 1 0 2 0 6 卫星定位不停车收费中基于 决策圈的路径识别方法 王东柱1 2 宋向辉1 李亚檬1 2 1 交通运输部公路科学研究院 北京1 0 0 0 8 8 2 国家智能交通系统工程技术研究中心 北京1 0 0 0 8 8 摘要 首次提出在复杂区域使用决策圈的方法进行地图匹配 并提出一种cP S 地图匹配和设置决策圈结合的新的路 段识别方法 用于解决高速公路卫星收费系统或车栽导航中复杂路段地图匹配不准确的问题 对常规地图匹配算法 G P s 由于精度难以匹配的路段区域设定决策圈 对决策圈内路段进行特殊匹配处理 在处理方法上利用预先采集到 的路段上的准确点代替电子地图上的路段 把传统匹配中点与线的匹配变为点与多点的匹配来减小传统匹配中的误 差 通过计算G P S 点与精确点的关系来确定点与线的关系 最后通过两步法判断车辆所在路段 达到路段识别的 目的 关键词 交通工程 卫星定位收费 地图匹配 决策圈 决策点 G P s 车载收费地图 导航系统 中图分类号 U 4 9 l文献标识码 A AL in kI d e n t if ica t iO nM e t h O dB a s e dO nD e cis iO nC ir C I ef O rGP S B a s e dE T CS y s t e m W A N GD o n g z h u l S O N GX ia n g h u il UY a m e n 9 1 2 1 R e 8 e a r chI I l s t it u t e H ig I l w a y M 0 I B e ij if I g1 0 0 0 8 8 C h in a 2 N a t io n a lI n t e l l ig e n t7 I s p o nS y 8 t e 嬲C e n t e ro fE n g in e e r in g 肌d h n o l o 盯 B e ij in g1 0 0 0 8 8 C l l i眦 A b s t r a C t T h em e t h o d0 fd e cis io ncir cl ew 鹊p r o p o s e df 打m a p m a t ch in gint h eco m p l e xr e 舀o no fI 0 a d n e t w o r k a n dan e wl in kid e n t if ica t io nm e t h o dw h ichco m b in in gm 印 m a t ch in g 诮t l ld e cis io ncir cl ew 鹊 in t r o d u ce dt or e l v et h ein a ccu r a cyo fm 印一m a t ch in ginco m p l e xr e 舀o n 五D rG P S b 鹊e dE T Co rr o a dn a v ig a t io n s y s t e m T h ed e cis io ncir cl ew 鹊s e tint h ep a n icu l a rr e g io n st h a tw e r ed im cu l tt om a t chb yco n v e n t io n a lm a p m a t ch in g 粕dap a n icu l a rm a p m a t ch in gm e t h o dw 勰a d o p t e d T h ea ccu r a t ep o s it io n in gp o in t so nt h er o a d l in k sw e r eco u e ct e db e f o r e h a n din s t e a do fl in k so ne l e ct m I l ic m 印t om a k ep o in tt om u l t i p o in tm 印 m a t e h in g in s t e a do ft r a d it io n a l p o in t t ol in k m 印 m a t ch in gt or e d u ce t h ee r m rin 吣d it io n a lm 印 m a t ch in g B y co m p u t in gr e l a t io nb e 附e e nG P sp o in t s 锄da cc啪t ep o in t s od e cid et h er e l a t io nb e 附e e np o in t sa n dl in k s t w os t e p sw e r e 印p l ie dt oid e n t if yt I I el in kw h e r et I l ev e h icl e sl o ca t e d K e yw o r d s t r a m ce n 百n e e r in g G N S S b a s e dE T C m a p m a t ch in g d e cis io ncir cl e d e cis io np o in t G P S o n b o a r dm 印 n a v ig a t io ns y s t e m 引言 套至差茎袁萎耋誊警雯誓墓曩萋袭主i 主望篱童 基于卫星定位和无线接入技术的不停车收费技常速度行驶中完成收费过程 可以极大的提高通行 收稿日期 2 0 1 0 一I l 一0 2 基金项目 十一五 国家科技支撑计划项目 2 0 0 6 B A G 0 1 A 0 4 作者简介 王东柱 1 9 6 6 一 男 河南郑州人 高级工程师 研究方向为智能交通 糊n g d 瑚r 1 6 3 o 锄 第5 期I 东柱 等 定位T 停车收费中基于陕策嚼舶路径识别方法 和收费效率 并具有减少土地占用 降低污染等不 可替代的优势 其中系统对收费路段的精确识别 技术保证了收费的准确性 是该收费技术的核心 卫星定位收费系统路 讽别部分运行于安装在 车辆L 的车载设备中 车载设备主要包括G P s 定位 模块 cs M G P R s 无线通信模块 车载收费电子地 图等 车辆行驶时车载终端以每秒一次的频率接收 G P s 车辆位置信息同时和车载地图上的收费路段相 匹配进行路段识别 如果识别路段为收费路段 系 统开始车辆进行计费 当系统判断车辆离开收费道 路时 车载设备会将车辆经过的收费路段信息和通 行费用信息通过无线通信发送到后台管理中心 1 因此路段识别成功与否非常重要 在实际高速公路路阿中存在一些平行 相近且 行驶方向相同 而收费类型不同的路段 如在高速 公路入口附近 收费主路和非收贽辅路即存在同向 平行 相近的情况 一者距离经常在5m 左右 G P s 精度现有精度通常在1 0 一1 5m 左右 受到G P s 精 度误差的影响 采用常规的地图匹配方法难以识别 区分车辆所在路段 容易出现路段识别错误 目前车辆导航中常用的地图匹配方法有两类 一是通过G P s 点与路段相对位置的计算结合道路方 向 车辆行驶方向及路段拓扑关系等方法判断行驶 车辆所在的路段35 但对于距离方向均帽近的平行 道路 难以使用这种路段匹配方法来区分 二是在 路侧加标示站醴备的方法 即通过车载设备和路侧 标示站设备通信 直接获取路段I D 达到路段旺配的 目的 虽然这种方法能够较好解决匹配不准的问 题 但是需要额外在现场架设路侧设备 花费r 人 力和韧力 通过观察分析得知在实际高速公路路网中地图 匹配方法容易混淆的情况所占的比例不大 对于难 以进行路段匹配的地方 本文率先提出匹配央策罔 的概念 即划定决策区域 对区域内采用小同于路 网中其他路段匹配方法的特殊处理方法进行地图匹 配 从而克服常规算法路段识别匹配不准确的问题 通过对相关地图匹配算法的国内外文献 龟索 没有 发现类似在地用匹配中划定决策区域进行特殊匹配 方法的描述 本文描述的基于决策圈的匹配方法包括以下3 个步骤 分析路阿的具体情况 在难以进行地图匹 配的部分定义决策罔区域 2 在决策圈内各个路段上各预先采集相等数 量的精确位置点 即决策点 标示各个点所属路段 的属性值 3 在车辆进人决策圈后 采用与决策圈内各 个路段上精确位置的决策点点点匹配的方式进行匹 配识别 本文描述包括两个方面的内容 一是决策躅 决策点定义及殴定方法 二是决策圈内路段擞别匹 配方法 1 捷策圈 决策点的定义殛设定方法 11 决策圈定义及设定方法 决策圈是对路阿中难以用常规地图匹配方法区 分路段划定的区域 决策圈可以根据具体情况采用 圆形 多边形或其他形状 但必须是闭合区域 以 图l 为例 收费路段l 和非收费路段2 距离相近 平 行 同向 且在高速公路起点处 在卫星定位收费系 统中人口的判断尤为重要 1 而采用常规地斟匹配难 以将这两条路段区分开 因此需要对该区域采取与其 他匹配方法的特殊处理 达到正确匹配的目的 抉策罔的划定方法央第圈内相近的每个路段 不易识别路段 上仅包含包含路段起点 不包肯路 段终点划幽 决策圈尽可能不要包括其他不相关的 路段 决策圈之问小能有交集 决策圈的划定n n 常用的G J s 软件平台编辑完成 围1 虚拟捷簟圈 决簟点女量i意图 n I 峨 n 叫山d 如口d r 山州出出硫p 曲 决策圈如图l 所示 路段l 和路段2 为同向相近 路段 路段l 起点为 终点为B 路段2 起点为c 终点为D 决策圈选取仅包鲁路段起点 c两节 点 选取范围不包含口 D E F 节点 但尽可能 选取路段 和路段2 的绝大部分 1 2 挟策点定义及设定方法 1 央策点定义及路段分布设定 决策点是预先通过精碲定位设备采集得到的决 公路交通科技第2 8 卷 策圈内各个易混淆路段上的准确点 将精确点布设 于相近的不同路段上 并赋予路段的属性值及所属 决策圈的属性值 作为与车辆实际位置点相比对参 照的基准点 这些点包含有各个路段上的精确点数 量相同 且沿各自路段均匀分布 统一标号 决策点 的个数不宜过多 该路段正常行驶速度1 2s 距离 点为宜 决策点分布情况如图1 所示 两平行相近收费 路段1 和非收费路段2 图l 中决策圈内共有l o 个 决策点 黑点所示 决策点编号从1 到1 0 统一标 号 在每条路段上各有5 个数量相同的决策点 沿 路段分布均匀 其中 路段l 和路段2 属于决策圈 1 决策点1 2 3 4 5 属于路段l 决策点6 7 8 9 1 0 属于路段2 2 决策点多车道设置方法 路段通常有多条车道的情况 当两条相近路段为 多车道时 决策点的设置应设置在两条路段内车道的 中心线上 即决策点处在两路段横向最短距离上 这 样设置能够使车辆在两路段最近路径上易于区分 图2 所示路段1 和路段2 均为同向两车道路段 车辆行驶方向如图所示 图中黑色圆点编号1 至8 是路段l 上的决策点 位于路段l 车道2 内车道 的中心线上 图中小圆圈编号9 至1 6 是路段2 上的 决策点 位于路段2 车道l 内车道 的中心线上 路段l 路段2 图2 决策点多车道设置及G P s 车辆搜索范围示意图 F i孚2D e cis io np o ms d ct in g 蚰m I l l 髓 I in ea n d G P S 辩a r chm n 髀 1 3 决策圈属性定义 决策圈属性定义包括决策圈内G P S 车辆搜索范 围 所包含决策点等信息 1 G P S 车辆搜索匹配范围定义 由于每个决策圈内易混淆路段情况不同 所以 搜索范围也不相同 需根据情况分别设定 车辆行 驶过程中以每秒一次的频率进行搜索匹配路段 搜 索匹配范围的大小直接关系到搜索匹配的准确率和 效率 搜索匹配范围过大 匹配误差较大 路段识 别难度加大 搜索匹配范围越小 容易漏点 匹配 效率较低 对于相近路段识别而言 搜索范围值与 两条路横向距离有关 由于精确点在道路中心线上 因此G P s 搜索范围一般应为收费路段车道总宽度的 2 倍 这样能够保证车辆在路段任何位置都能够覆盖 收费路段上的精确点 图2 中所示在路段1 上的车 辆G P S 搜索匹配范围大于路段l 总宽度的2 倍 这 样车辆在车道l 或车道2 上行驶搜索匹配范围都能 够覆盖路段l 保证了和路段l 上决策点匹配的准 确性 2 决策圈属性定义 路网通常有多个决策圈 需要对各个决策圈的 属性进行定义 属性定义包括编号 决策圈范围 G P S 搜索匹配范围及和路段 决策点的所属关系 这些信息存储在车载存储单元中 供路段匹配识别 时调用 如表l 所示 表l决策圈属性定义及所属关系表 T h b 1A t t r ib u t ed e 丘I I i6 0 no fd e cis i仰d r d e a n dt h em e m b e r s l I ip 如表l 所示 决策圈1 包括范围 圈内搜索匹配范 围 包含路段有路段1 和路段2 路段1 有决策点 l 2 3 4 5 路段2 有决策点 6 7 8 9 1 0 2 决策圈内路段识别匹配方法 本文提出的地图匹配方法与常规匹配方法中点 与线 路段 的匹配识别方法不同 将路段由沿着 线路段均匀分布的多个位置精确点代替电子地图上 的路段 从而减小电子地图路段位置不准确带来的 误差 将点与线的匹配变为点与多点的匹配 通过 计算得到G P s 点与精确点的比对匹配率来确定点与 线的关系 这样可以大大减小传统匹配中误差 提 高匹配的准确性 一 以两条相近路段为例说明具体的匹配方法 按 第5 期王东柱 等 卫星定位不停车收费中基于决策圈的路径识别方法 照上述方法对决策圈 决策点及搜索范围定义 共 有n 个决策点 各有 以个决策点分别在两条路段 上 下面进行决策圈路段匹配的工作 初始化设置G P S 车辆位置点到各个决策点的距 离为一大值 酗 f l o o i 1 2 n 1 1 通过G P S 点与决策圈范围的位置关系判断 车辆是否在决策圈内 车辆行驶时通过安装在车上的车载终端以每秒 一次的频率接收G P s 车辆当前位置信息 通过车辆 点与决策圈的位置关系 判断车辆是否进入决策圈 内 如果没有在决策圈 采用常规路段匹配算法 2 车辆进入决策圈 G P s 车辆点与决策点进 行匹配 记录匹配成功点标号 并在匹配范围内计 算车辆点与匹配成功决策点间最短距离 根据该决策圈的编号 提取车载存储单元上该 决策圈内各个路段的决策点 及该决策圈的匹配范 围 G P s 车辆搜索范围改变为该决策圈指定的搜索 范围冗 车辆在行驶中与该决策囤内的决策点 点 点匹配 判断是否有决策点位置在G P S 车辆搜索范围R 内 G P s 点到决策点i的距离 酗 i 置一茗酗 2 y i y g p s 2 2 有L 0 i R 则决策点i位于G P S 搜索范围内 与i 点匹配成功 记录该决策点i的标号 更新G P S 点到决策点i的距离值 五二 i和原存储 的G P S 点到该点的距离值 肼 i相比较 取小值 如 果L 辨 i P 则车辆所在 的路段为路段l 如果P s 2 则车辆属于路段1 如果S I s 2 则车辆属于路段2 至此匹配完成 基于决策圈路径识别流程框图如图3 所示 G P S 接收模块 銎野k 瞬愿 f 是 运箩 丽岛孵黑 路段备铲所在 譬敲磊欺 路段I 垦里墨鱼型 基于决策圈匹配 方法结束 选取决策点距离之和 最小的路段为车辆所 在路段 开始 系统初始化 载入收l 费地图 初始化参数I 二二 二二 女收G P s 位置数据 搜 索地图路段 I 是 11 一 车辆进入决策圈 G P s 车辆点与决策点进行 匹配 果G P s 点与决策 匹配成功2 一 记录匹配成功点标号 匹配范围内计算并记录 车辆点与匹配成功决策 点间最短距离 图3 基于决策圈路径识别流程框图 F 嘻3网o wch a no f H n l id e n 鲕 b a s e d 蚰d e d s io nd r cI e 3 基于决策圈匹配识别方法实例 以八达岭高速公路靠近上清桥附近主辅路为例 说明匹配方法的试验情况 八达岭高速公路在此处 路段主路和辅路通向 距离相近 此处主路为3 车 道 辅路为2 车道 对车辆在进入高速公路和走辅 路两种情况下 对车辆行驶的路段进行识别 公路交通科技 第2 8 卷 首先在八达岭高速公路主路 辅路上用精确定 位G P s 以正常匀速行驶速度 采集频率为1 次 s 双 各采集2 0 个精确决策点 共4 0 个精确点 主路采 集的决策点位于主路最外车道 辅路采集点位于主 路最内车道 在图4 中靠左一侧黑色方块为主路上的决策点 右侧黑色圆点为辅路上的决策点 为了进行比较 图中黑色小点为车辆在主路行驶时的实际行驶轨迹 点 由图中可以看出 电子地图路段 灰色线条 和实际路段上的点存在误差 因此依靠电子地图进 行主辅路匹配识别是比较困难的 在图中可以看出 车辆实际行驶轨迹点 黑色小点 与主路精确点 方块点 是比较接近的 主路和辅路上部分决策点坐标及序号如表2 所示 图4 八达岭高速实际路段基于决策圈地图匹配示意图 F 培4M a p 删I t ch i雌o fl in l 帅B a d a U 嘴镧p r I 粥w a y b a s e do nd e cis i蚰d r cI e 表2 决策点坐标举例列表 T 铀 2 S 锄p I e 壮酣0 fd e cis i蚰p o in tco o 妇t 鹤 由于主路为单向3 车道 所以为保证车辆在任 何车道都能覆盖3 车道 搜索范围应为3 车道宽度 范围为2 3 3 7 5 2 2 5m 在试验中 试验车 辆分别在主路内侧车道 主路中间车道 主路外侧 的2 倍 假如单车道宽度为3 7 5m 则取搜索匹配车道各行驶5 次 路段识别计算结果见表3 表3 基于决策圈地图匹配路段识别计算结果表 T a b 3C a l cI l I a 廿蚰懈I l I to fI in l id e n t if i 廿o nb ym p m t ch i赡b 雠d 蛳d e d s io nd r d e 第5 期王东柱 等 卫星定位不停车收费中基于决策圈的路径识别方法 表3 中 如果第1 步匹配成功直接得到识别结 果 则不需要第2 步判断 第2 步相应表格为空 由表3 可知采用本方法在主路任何车道上行驶 道 路识别计算的结果全部正确的识别出车辆所在道路 为主路 但是从识别的过程来看 识别的难易程度 和车辆行驶车道有关 距决策点越远的车道 第1 步识别成功的可能性越大 越容易识别 而距决策 点近的车道需要进一步比较G P s 与各路段的决策点 距离之和进行比较 在辅路行驶试验中由于搜索范围是按照主路宽 度的2 倍设置的 而辅路车道数少于主路 G P S 搜 索匹配范围较大 试验中几乎两路段匹配成功率相 同 均需要通过第2 步计算得到识别结果 在试验 中发现 当车速较快时 匹配率和距离之和有所降 低 但不影响计算结果 因此可以说本方法匹配的 精度和车道与车速有关 但对识别结果影响不犬 4 结束语 本文首次提出在复杂区域使用决策圈的方法 可以大大减小传统匹配中的误差 提高地图匹配的 准确性 弥补G P s 定位和数字地图准确性的不足 本方法不仅可以应用于卫星定位收费系统及车载导 航系统中 也可应用于其他和地图匹配相关的数据 处理 包括同一条路段不同车道的识别情况 但是 本方法是建立在G P S 信号正常的基础上 提高地图 匹配准确性 不适于G P s 信号漂移 失真 丢失等 情况 此外本方法适用于在目前G P S 精度条件下路 网中少部分难以进行地图匹配识别的复杂路段情况 无需在整个路网中进行该匹配方法的应用 参考文献 R e k 咖ce s 1 G E R A R DC H A R P E N l R G U YF R E M O N T 1 1 l eE 7 I C s y s t e mf o rH G V 彻H ig l l w a y sinG e 珊锄y F i措tI J e s 9 吣 加S 肿0 p e I l iI l g c cD l o t I II I s 删d C o n g 嗍 M a d r id r I S b d dC o r I g 尹娜0 q g a n iz in g G 删t 魄 2 0 0 3 2 1 1 PA S a t e U it eN a v ig a t i彻B a s e dT o l l 吨 n eR e a l C 0 n s t m im C cD 1 3 t h r r sw o r l d co n g r e 鸽 b n d 加 r T S 删C 明伊嘲唧z iI l gC 伽 I n it t e e 2 0 0 6 王东柱 朱书善 李亚蒙 等 卫星收费系统G P S 定 位信息和路段匹配方法研究 J 交通信息与安全 2 0 l O 2 8 3 1 2 一1 6 W A N G 队m g z h u Z H Us h u s h 锄 UY 锄e n g e t a 1 R e s e a r ch 加M 印一m a t ch ir I gA 1 9 0 r it h mf o rG P s b a s e E r C S y s t e m J J o 衄1 a lo f r r 粕s p o nI r 面咖撕 粕ds 出t y 2 0 1 0 2 8 3 1 2 1 6 J O R D d NJ G S O R I A N 0F G R A U L L E R AD e ta 1 A C o m p 撕s 姐o fD i虢陀m h l o g ie 8f o rE F C 舳d0 l l e r r I s A p p H ca t io m c 2 0 0 l I E E E I n t e l l ig e m T r 如s p o r t a t i S y s t e I 璐C o n f e 阳n ceP r o ce e d in 伊 O 池l d C AU S A I E E E 2 0 0 l 2 5 2 9 B E R N S T E I ND K O R N H A U S E RA A nI I m D d u ct i t o M 印M a t ch iI I gf o rP e 啪n a lN a v ig a t i伽A s s is t a I I t s E B 0 L 2 0 l O 7 1 0 h t t p w w w n j t u d e o 日 r e p o r t s m 印m a t ch in t m p d E s mco m p a I l y 妣G I SD e s k t o p H e l p E B 0 L 2 0 1 0 5 9 h 婶 w e b h e l p e s r i co a r cg is d 船k t o p 9 1 in d 啦c硒 T o p icN 锄e 1 州c伽e R e l e 蹴9 1L 艄t M 0 d if ie dM a y2 2 0 0 5 陈艳艳 王东柱 基于标准线路匹配的公交准确定位 方法 中国 2 0 0 8 1 0 1 1 8 0 5 1 9 P 2 0 1 0 一0 8 2 5 C H E NY m l y