基于GIS和GPS的交通状态参数估计仿真分析

1、第 34 卷第 1 期同 济 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版)vol . 34 no . 1 基于 gis 和 gps 的交通状态参数估计仿真分析童小华1 ,3 ,陈建阳2 ,吴淑琴1( 1 . 同济大学 测量与国土信息工程系 ,上海 200092 ; 2 . 同济大学 交通工程系 ,上海 200092 ;3 . 同济大学 现代工程测量国家测绘局重点实验室 ,上海 200092)摘要 : 在行程时间参数估计的模型和方法研究的基础上 ,探讨了地理信息系统 ( gis) 环境下仿真出租车全球定位系统 ( gps) 信息的系统实现和关键技术 . 提出了系统评价的指标 ,包括信息的准确性 、信

2、息的及时性 、信息的广泛性 和信息成本等 ,对路网连通性拓扑结构的构建 、gps 坐标与城市平面直角坐标的转换模型以及仿真过程中的关键 问题给出了解决方法 . 应用开发的 gps 交通仿真系统进行了模拟试验的计算结果表明 ,提出的模型和方法是可行的和有效的 .关键词 : 交通仿真 ; 拓扑连通性 ; 坐标转换 ; 全球定位系统 ; 地理信息系统中图分类号 : u 491 . 113 文献标识码 : a 文章编号 : 0253 - 374 x(2006) 01 - 0047 - 06tra vel time estimatio n simulatio n analysi s ba se d o

3、n ta xi2ba se d gp s and gist o n g x i aoh u a1 , 3 , c h en j i a n y a n g2 , w u s h u qi n1( 1 . depart ment of surveying and geo2informatics , to ngji u niversit y , shanghai 200092 ,china ;2 . depart ment of traffic engineering , to ngji u niversit y ,shanghai 200092 ,china ; 3 . key laborato

4、ry of advancedengineering survey of t he state bureau of surveying and mapping , to ngji u niversit y , shanghai 200092 ,china)ab stra ct : based o n t he p ropo sed t ravel time estimatio n mo del and met ho d by using taxi - based glo bal po sitio ning system ( gps) , t he key issues of t he t raf

5、fic simulatio n system o n t he basis of geo grap hic in2 fo r matio n system ( gis) are st udied. the indicato rs are first p resented to app raise t he simulatio n sys2 tem , including info r matio n accuracy , info r matio n betimes , info r matio n universality and info r matio n co st . the est

6、ablishment of road net wo r k co nnectivity topolo gy is t hen discussed ; t he t ransfo r matio n mo del bet ween gps coo rdinates and city plane rectangular co rrdinates is f urt her derived , and t he im2 plementatio n of t he simulatio n mo del is t herefo re illust rated. thro ugh t he simulati

7、o n experiment s based o n t he system , t he mo del and met ho d are tested , w hich p roves t hey are feasible and effective . ke y wo rd s : t raffic simulatio n ; co nnectivit y topolo gy ; coo rdinate t ransfo r matio n ; glo bal po sitio ningsystem ; geo grap hic info r matio n system文献 1 探讨了在

8、 gis 环境下仿真出租车 gps信息来估计和推算行程时间参数的模型和方法 ,本文是仿真实现与分析部分 ,将首先探讨信息仿真的系统要求和评价指标 ,提出了从信息的准确性 、信息收稿日期 : 2004 - 07 - 20基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 ( 40301043) ;上海市青年科技启明星计划资助项目 ( 05qmx1456) ; 测绘遥感信息工程国家重点实 验室开放研究基金资助项目 ( w kl ( 03) 0301)作者简介 : 童小华 ( 1971 - ) ,男 ,江西东乡人 ,教授 ,博士生导师 ,工学博士. e2mail :to ngxhtj yeah . net48

9、同 济 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版) 第 34 卷 的及时性 、信息的广泛性和信息成本进行评价 ,以保 证仿真系统估计结果的有效性. 其次探讨了在 gis环境下的仿真过程的实现与关键技术 ,包括路网电表 1 道路使用者对行程时间不同精度的接受水平ta b. 1 acceptance level of travel time estimation accuracy f or roa d users子地图数据库的设计 、基于路网拓扑结构的连通性相对误差( 2030 min) / %5 515 1525 > 25的构建方法 、gps 坐标与城市平面直角坐标的转换模型以及 gis 环

10、境下出租车 gps 信息的仿真过程 中需要处理的问题和相应的解决方法 . 在此基础上 , 介绍了基于 gis 开发的一个车辆 gps 交通仿真系 统 ,包括系统的总体结构和各个模块的功能. 最后应 用开发的 gps 交通仿真系统 ,以上海市某区的部分 真实路网电子地图数据为例进行了模拟试验 ,通过 模拟仿真之后采用 ho useholrer 变换解算出车辆在 每条路段上行驶所用时间 ,同时将解算结果数据与 最初确定的每条路段上行驶的时间相比较 ,计算结 果表明 ,各个路段行驶时间的估计值与真实值大部 分是比较接近的 ,相对误差小于 10 %的结果占了绝 大部分 ,由此验证模型和方法的有效性.1

11、 gis 环境下出租车 gps 信息仿真 的系统要求和评价指标在利用出租车 gps 信息推算路网交通信息的 整个过程中 ,由于受到诸多因素的影响 ,在各个过程接受程度 评价 非常满意 基本满意 部分参考 基本无用信息的广泛性是使用移动区段信息推算路段交 通信息的前提 ,包括了三个方面的要求 ,样本量的要 求 、通信间隔的要求 、估算路段数的要求 ,以及样本 量和采样周期所需满足的遍历条件的要求 . 其中估 算路段数要求估算路段占所有路段的比例大小应为85 %90 %. 为了达到这一要求. 必须满足如下两个 条件 ,即车辆的样本量为 5 0006 000 辆 ,通信间隔 应保证 2 5 min

12、. 同时在采用周期内 , 样本车辆能 遍历路网的主要路段 ,在考虑车辆的随机分布的影 响时 ,样本量和采样周期所需满足的遍历条件为q v t l ( 1)式中 : q 为样本车辆总数 ; v 为路网的平均速度 ; t 为采样间隔时间 ; 为满足一定精度要求的遍历次 数 ; l 为路段总长度 .为了保证推算结果的有效性 ,同时尽可能地降 低成本和数据量 ,需要考虑数据通信费用问题. 通信 费用的计算可采用统计通信次 数 和 通 信 量 两 种 方式 . 采 用 通 信 次 数 计 算 , 其 单 位 时 间 的 通 信 次 数中产生各种误差. 为了保证系统估计结果的有效性 ,应从信息的准确性 、

13、信息的及时性 、信息的广泛性和 信息成本来进行评价 . 这也是仿真系统必须考虑的( c t1 )公式为c t = 60 q / t ( 2)1问题.交通信息的准确性通过精度这个指标度量 . 影 响行程时间估算精度主要有以下四个因素引起的误 差 :定量及坐标变换误差 、路径确认误差 、取整误差 , 即将移动区段取整形成非特定区段造成的误差 、推 算误差 、由部分非特定区段行程时间推算所有路段 行程时间的误差 、包括样本误差 、时变特征误差 、不 定方程的求解误差和未覆盖路段的预测误差等 ,样 本误差是由样本特征差异引起的误差 ,包括车辆性 能差异 、通过交叉口延误的随机性误差以及相互影 响随机干

14、扰 (表 1 给出了道路使用者对行程时间不 同精度的接受水平) .信息的及时性是指系统提供交通信息的时延特 性 ,即道路交通网中实际交通状态或事件的出现时 间与道路使用者感知到的时间之间的间隔 . 交通信 息的总时延包括检测时延 、采样时延 、通信时延 、处 理时延和发布时延.采用通信量计算 , 其单位时间的通信量 ( c t ) 公 式2为c t = 60 q m c/ t ( 3)2式中 : m c 为样本车辆通信一次的字节数.2 cis 环境下出租车 gps 信息仿真 系统的关键技术2 . 1 基于路网拓扑结构的连通性的构建在车辆交通仿真系统中 ,基于 gis 的路网电子 地图数据库及其

15、拓扑关系的构 建 是 系 统 应 用 的 基 础 . 路网电子地图中的数据可分为空间数据和非空 间数据两大类 , 空间数据又叫几何数据. 在 gis 中 为了真实地反映地理实体 ,记录的数据不仅要包含 实体的位置 、形状 、大小和属性 ,还必须反映实体之 间的相互关系 ,即拓扑关系 ,它具有在图形连续状态 下变形但其性质不变的特性. 另外通过拓扑关系 ,将第 1 期童小华 ,等 :基于 gis 和 gps 的交通状态参数估计仿真分析49 道路的全局搜索变为局部搜索 ,可以大幅度地提高 数据的搜索速度 ,为数据的实时处理提供了良好的 数据结构 . 在车辆仿真过程中 ,由于只考虑地图中的 道路网信

16、息 ,因此只建立了道路网中的结点与弧段 的关联关系 .gis 中空间实体通常抽象地定义为以下几种特 征的实体2 : 结点 ( no de) : 有三条或多于三条通 路 经过的点 ; 顶点 ( vertex) : 仅有一条或两条通 路 经 过的点 ;线段 (line) :连接两个点 ( 结点或顶点) 之间 的通路 ;线串 ( chain) : 连接在两个相邻结点之间的 通路. 图 1 为道路拓扑示意图.表 2 路网点表ta b. 2 point ta ble of the roa d net work 点坐标表 id x / m y / m 1 204 2172 239 1793 167 113

17、4 316 1335 371 1336 125 747 253 62 8 279 47 表 3 路网线表id起点点号终点点号单行限制等级12n123n224n145n136n247n137y3ta b. 3 route ta ble of the roa d net work线表图 1 道路拓扑示意图fig. 1 illustration of roa d net work topology如图 1 所示 ,1 ,2 ,3 , 表示道路网中每条道路 (起 点 和 终 点 ) 的 编 号 ; , 表 示 道 路 的 编 号 ( id) . 对该图建立路段拓扑关系步骤如下 .2 . 1 . 1 建

18、立点表 、线表 读出图形数据库中的道路信息. 从第一条道路开始 ,对道路的两个端点从 1 开始顺序编号 ,同时对单行道设置一标志位 ,依次读取剩余的道路 ,通过点 位坐标比较判断该道路的端点是否已经编号 ,若已 编号 ,则取原来的编号. 否则对其顺序编号. 所有道 路读取完毕即生成点表和线表. 表 2 是路网点表 ,表 结构包括路段上各点的 id 号 ,点的空间位置 ( x 和 y 坐标 ,这里为城市平面直角坐标) . 表 3 是路网线 表的结 构 , 主 要 包 括 路 段 的 id 号 , 路 段 的 起 点 点 号 、终点点号 、单行限制和路段等级等 .2 . 1 . 2 建立结点表对于

19、点表中的每个点 ,在线表中搜索起点或终 点与之相同的道路 ,即可得到结点表 ,注意单行限制 为“y”的只搜索起点 ,如结点 7 相连的道路应不包 括路段 . 道路结点表结构如表 4 所示 ,包括结点的 id 和与之相连的路段 id .车辆行驶所经过的路段具有连续性 ,当前时刻 车辆要么继续在前一时刻所处路段上行驶 ,要么在 其后继路段上行驶. 结点表记录了道路的连通性信 息 ,如当车辆经道路 行至交叉口 3 时 ,根据结点表 信息 ,即可判定车辆可能驶向道路 或 . 7 8 n 3 表 4 道路结点表ta b. 4 node ta ble of the roa d net workid 与之相

20、连的道路 id1 2 3 4 5 6 7 8 2 . 2 gp s 坐标与城市平面直角坐标的转换出租车 gps 为导航性 gps 接收机 , 一般输出 符号 n m ea - 0183 导航协议格式的 gps 数据 , 其 中以 gprmc 开头的是所需要的 gps 定位信息 , 须对其进行解析 ,以获取车辆位置的大地经纬度. 由 于在仿真实验中所采用的路网电子地图坐标系统为 城市 地 方 独 立 坐 标 系 ( 高 斯 平 面 直 角 坐 标 系 ) , 而 gps 测量得到的是 w gs - 84 地心坐标系下的空间 坐标 ,因此需要将 gps 定位结果转换到平面坐标. w gs - 84

21、 坐标转换成地方坐标 ,根据精度要求的不 同 ,有不同的转换方法. 在高精度 gps 测量中采用 7 参数空间转换模型 ,由于路网电子地图范围相对较 小 ,平面转换模型具有方便快捷等特性而被广泛用50同 济 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版)第 34 卷 于 gps 导航等领域 . 坐标转换主要过程如下 :(1) 由 w gs - 84 的椭球参数及椭球长半径和 扁率 ,由式 ( 4) 将经纬度坐标 ( b 84 l 84 h81 ) t 换 算至空间直角坐标 ( x y z) t :x = ( n + h) co s b 84co s l 84中 ,系统根据路段的等级预先设定该路段的行

22、驶速 度 (最大速度) ,同时为了模拟真实情况 ,在不同的时 间段车辆经过该路段的速度也不同 ,系统通过加入 服从正态分布的速度误差来确定某个时间段内车辆 经过某个路段的仿真速度 . 在系统实现时 ,车辆行驶y = ( n + h) co s b 84 sin l 84z = n ( 1 - e2 ) + h sin b 84( 4)位置的变化通过设置时钟 ( timer) 来实现 ,即每隔一 个时钟时间 (10 ms ,20 ms 等) 来反映一次车辆的移动情况. 而在车辆移动过程中 ,存在两种情况 ,一种其 中 : n = a/ 1 - e2 sin2 b ; a = 6 378 137

23、; e2 =0 . 006 694 379 901 3.(2) 由北京 54 椭球或国家 80 椭球的椭球参数 及式 (4) 将 ( x y z) t 换算至大地坐标形式 ( b 80l 80 h80 ) t 或 ( b 54 l 54 h54 ) t ( 这里假定椭球 中心和定向与 w gs - 84 相同) :l = arctan ( y / x )b = arctan ( z + n e2 sin b ) / x 2 + y 2 ( 5) h = x 2 + y 2 sec b - n(3) 根据实际应用的需要 ,确定中央子午线 、投影面高 程 及 北 向 东 向 平 移 量 , 由 高

24、 斯 投 影 正 算 公 式3 ,若采用北京 54 椭球 , 则可将 ( b 54 l 54 ) t 转 换投影为高斯坐标 ( xg yg) t .更严格地 ,由于投影变形的非线性问题 ,将平面坐标转为城市坐标时 ,还应考虑平移 、旋转和缩放问 题 . 假设在 gps 定位点中 ,同时部分点的城市坐标( x g , y g) t 已 知 , 则 这 些 点 的 投 影 平 面 坐 标 ( xg yg) t 与已知坐标存在如下关系 :是车辆位于某个路段的终点 ,这就涉及到在下个时 间段选择哪个路段来继续行驶 ,仿真系统通过设置 相应的行驶规则 (如不能在某条路段上来回循环) 和 随机函数选取下一

25、个路段继续前进 . 另一种情况是 车辆位于某个路段中间 ,则需要考虑在下一个时间 段内车辆是否能够走完剩余的路段长度 ,若能够走 完 ,则又类似于第一种情况 ,需要确定下一条路段 , 并计算在新的路段上行驶的距离. 如图 2 是车辆行 驶轨迹模拟流程图.x g x 0=y g y 0+ ( 1 + r) r ()xgyg( 6)其中 : ( x 0 y 0 ) t 为坐标平移量 ; r 为 缩 放 尺 度 ; 为旋转角 ;且旋转矩阵r () =co s sin - sin co s 为了确定式 ( 6) 中的平移 、尺度和旋转参数 ,至 少需要已知两个平面点 ,如多于两个点 ,可利用最小 二乘

26、法 解 方 程 就 可 得 到 相 应 的 转 换 参 数 , 这 样 将 gps 定位点按式 (4) (6) 即可求得城市平面坐标 .2 . 3 gis 环境下出租车 gp s 信息的仿真过程仿真过程包括以下五个步骤 ,即车辆随机位置 的产生 、车辆行驶仿真 、路段确认 、路段取整和行程 时间参数估计 . 在车辆随机位置产生中 ,仿真系统首 先采用 rando m ( ) 随机函数设置车辆的位置 ,通过 前述的 gps 坐标转换和路段匹配算法 ,投影到平面 路网的某个路段上作为初始位置. 在车辆行驶仿真图 2 车辆行驶轨迹模拟流程图fig. 2 flo w chart of the vehi

27、cle track simulation3 基于 gis 的车辆 gps 交通仿真分 析系统根据上述探讨的模型和方法 ,笔者基于 gis 控51 第 1 期童小华 ,等 :基于 gis 和 gps 的交通状态参数估计仿真分析件 map x4 开发了一个车辆 gps 交通仿真系统 . 系 统分为如下四个主模块 (路网图形数据采集模块 、路 网数据库建立模块 、车辆交通仿真模块以及参数解 算模块) ,每个模块下又分若干个子模块 . 系统模块 图如图 3 所示.在该仿真 系 统 中 , 包 含 了 gis 的 基 本 功 能 , 如地图放大 、地图缩小 、图形漫游 、图层控制 、地图设置 、距离测量

28、 、路网编辑等 . 在路网数据采集模块 ,提 供了点数据 (结点) 和弧段数据 ( 路段) 的采集 、处理 和拓扑化等功能 ,并建立相应的结点数据库 、路段数 据库以及路段转向数据库. 在完成了仿真模块的四 个步骤后 ,系统提供了矩阵解算模块 ,以求得路段的 行程时间 ,并在 gis 环境下进行可视化表达 .图 3 基于 gis 的车辆交通仿真系统模块图fig. 3 architecture of the vehicle simulation based on gis4 仿真试验与结果分析的路段行程时间等级 ,可直接地反映路段的拥挤程度 .应用开发的 gps 交通仿真系统 ,进行了模拟试 验

29、. 试验中以上海市某区的部分真实路网电子地图 数据为例 ,模拟了每隔 5 min 出租车的 gps 位置变 化 、行驶的路段以及行程时间 . 试验中由 255 条路段 组成的路网 ,使用 500 辆车 ,时间间隔为 5 min ,通过 模拟仿真之后采用 ho useholder 变换5 解算出车辆 在每条路段上行驶所用时间 . 表 5 列出了部分路段 行程时间参数的解算结果 (估计值) .将通过系统模拟仿真求得的各个路段行驶时间 的估计值与真实值进行比较 ,这里真实值是指根据 该路段的长度除以路段的等级所确定的该路段的车 速得到. 分析了所有试验区共 255 条路段的数据 ,表5 中也列出了其

30、中部分路段行程时间仿真误差分析 结果 ,表 6 中统计了所有 255 条路段行程时间相对 误差的范围 .从表 5 和表 6 的结果可以看到 ,各个路段行驶 时间的估计值与真实值大部分是比较接近的 ,相对 误差小于 10 %的结果占了绝大部分 ,由此也说明了 通过笔者提出的模型和方法可以对交通流进行有效 仿真模拟 ,推算路段的行程时间 . 系统中将各路段行 程时间的估计值进行分级显示 ,不同颜色表示不同表 5 路段行程时间仿真误差分析ta b. 5 estimation of travel time and error analysis in roa d segments路段号id真实 值/ m

31、in估计 值/ min绝对误 差/ min相对误 差/ %11 . 7921 . 7730 . 0191 . 0621 . 6241 . 6340 . 0100 . 6031 . 0901 . 8490 . 75969 . 6041 . 7891 . 8560 . 0673 . 8051 . 0021 . 3520 . 35034 . 9061 . 2891 . 8200 . 54942 . 5070 . 5790 . 6060 . 0274 . 7080 . 6810 . 7970 . 11617 . 0093 . 4583 . 5720 . 1143 . 30101 . 3821 . 65

32、00 . 27219 . 70111 . 0091 . 0720 . 0636 . 30121 . 1371 . 1740 . 0373 . 30131 . 3421 . 6850 . 34325 . 60151 . 8011 . 8040 . 0030 . 20171 . 0901 . 1710 . 0817 . 40190 . 5890 . 7300 . 14123 . 90211 . 0991 . 1500 . 0514 . 60232 . 0782 . 4080 . 33015 . 80251 . 2991 . 3490 . 0503 . 80270 . 5890 . 6590 . 0

33、7011 . 90292 . 9983 . 0740 . 0762 . 50950 . 3220 . 4410 . 11937 . 001116 . 8357 . 1300 . 2954 . 301492 . 1242 . 1780 . 0542 . 50 237 4 . 780 4 . 961 0 . 181 3 . 79 52同 济 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版)第 34 卷 表 6 路段行程时间相对误差的范围tab. 6 distribution of relative error f or travel time estimation相对误差/ % 路段数/ 条相对误差范围概

34、率/ %< 10 229 89 . 801050 21 8 . 24 > 50 5 1 . 96 5 结论笔者在行程时间参数估计的模型和方法研究的 基础上 ,探讨了 gis 环境下仿真出租车 gps 信息的 系统实现和关键技术 . 提出了系统评价的指标 ,包括 信息的准确性 、信息的及时性 、信息的广泛性和信息 成本等 ,对路网连通性拓 扑 结 构 的 构 建 、gps 坐 标 与城市平面直角坐标的转换模型以及仿真过程中的 关键问题给出了解决方法 . 应用开发的 gps 交通仿 真系统进行了模拟试验的计算结果表明 ,笔者提出的模型和方法是可行的和有效的 .参考文献 :1 童小华 ,

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36、gon g j ianya . fo undatio n of geograp hic info r matio n systemm .beijing : science press ,2001 .3 刘大杰 ,施一民 ,过静王君. 全球定位系统 ( gps) 的原理与数据处 理m . 上海 :同济大学出版社 ,1996 . l iu dajie ,shi yiming , guo j ingjun . principle and data p rocess2ing of gpsm . shan ghai : to ngji u niversit y press ,1996 .4 齐瑞 ,屈韶琳. 用 map x 开发地理信息系统 m . 北京 : 清华大 学出版社 ,2003 . q i rui , qu shaolin . map x2based gis applicatio n develop mentm . be jin