无线光伏智能交通信号灯的设计与研究硕士学位论文.doc

分类号：470.4054 密级：天津理工大学研究生学位论文 无线光伏智能交通信号灯的设计与研究 （申请硕士学位） 学科专业：电力系统及其自动化 研究方向：计算机控制与应用作者姓名：蒋 斌 指导教师：王云亮 教授2014年1月Thesis Submitted to Tianjin University of Technology for the Masters Degree The Design and Research of Intelligent Wireless Solar Traffic Light ByJiang BinSupervisorProf.WangYunliangJanuary, 2014独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 天津理工大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解 天津理工大学 有关保留、使用学位论文的规定。特授权 天津理工大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编，以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子文件。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名： 导师签名：签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日摘要随着城市建设步伐的不断加快，地铁以及一些路政建设造成了许许多多个临时路口，这催生了一个亟待解决的需求：无线智能交通灯。本文主要对此进行了设计和研究。本文首先对智能交通灯的研究现状进行综述，由此阐明其在现代交通控制领域的重要地位，进而提出了以单片机作为控制器的光伏无线智能交通灯的设计思想。为了更好的阐释本设计，本文对交通信号灯相关的研究背景和基础知识进行了相应的介绍。在此基础上设计的智能交通灯包括以下功能：1、GPRS通信功能；使用AT指令控制GPRS模块与上位机建立数据连接并完成数据传输。2、车流量预测和动态时间调整功能；在比较分析几种车流量预测方法的基础上对其中一种方法进行了改进，使其对车流量的预测具有更强的针对性。3、人机交互功能；给系统制定了更人性化的应用平台，使人们能够更直观，更方便的了解交通灯运行的状态及路口状况。另外，本文还对系统包含的一些配套硬件设备进行了介绍和设计，包括温度传感器、LED交通灯驱动电路、车流量检测电路、光伏电池等。在本文的最后，完成了对系统的测试，结果证明系统可以完成稳定的数据传输，预测结果准确，控制合理。关键词： GPRS 车流量预测 Visual Basic 远程监控 动态配时方案AbstractWith the accelerating pace of urban construction, the subway and Highways transformation cause many temporary intersections, which has spawned an urgent need for wireless intelligent traffic lights. It has been designed in this paper.Firstly, the research status of intelligent traffic lights has been reviewed, which clarify the important role of traffic lights in the field of modern traffic control, and then propose a design idea which use the MCU as wireless intelligent traffic light controller. In order to show a better explain of the design, the background of related research and basics of traffic signal control for the corresponding presentation have been introduced. The design of intelligent traffic lights includes the following functions:1. Communication function based on GPRS; we have completed the data connection and transfer between GPRS module and remote PC with the using of AT commands.2. The function of traffic flow prediction and dynamic timing plan; we have compared several traffic flow prediction methods and chose one of them, then we made some improvement of the method to ameliorate its adaption of traffic flow.3. Interactive features between human and machine; we have developed an application platform for people to get the information of the traffic lights, the crossing more intuitive and easier.In addition, the article have introduced and designed some supporting hardware systems, including a temperature sensor, the drive circuit of LED traffic lights, the detection circuit of traffic flow, photovoltaic cells and so on.At the end of this article, we have finished some testing of the system, which prove that the system can complete the data transmission stably, predict the traffic flow accurately, and run reasonably.Key words：GPRS, Traffic Flow Prediction, Visual Basic，Remote control，dynamic timing plan目 录第一章 绪论11.1 课题研究的目的和意义11.2 智能交通灯的国内外研究现状11.3 本文主要工作与章节安排3第二章 交通信号灯相关研究背景和基础42.1 交通信号灯起源与发展42.2 交通灯的基本情况42.3 交通信号控制的主要参数52.4 本章小结8第三章 车流量预测及动态配时方案设计93.1 车流量数据的特点93.2 车流量预测103.2.1 车流量预处理方法103.2.2 车流量预测原则113.2.3 车流量预测模型概述113.2.4 车流量预测模型改进123.3 交通信号动态配时方案设计153.3.1 周期配时方案153.3.2 相位配时方案163.4 本章小结16第四章 无线通信的实现174.1 协议分析174.1.1 TCP/IP协议分析174.1.2 TCP/IP协议栈的精简184.2 GPRS技术的应用194.2.1 GPRS网络技术简介194.2.2 AT指令简介194.2.3 GPRS模块串口通信的实现214.2.4 GPRS模块与上位机通信的实现224.3 本章小结23第五章 无线光伏智能交通灯系统的实现245.1 系统总体结构设计245.2 交通灯硬件设计245.2.1 温度测量电路设计255.2.2 LED交通灯驱动电路设计265.2.3 车流量检测电路设计275.3 远程监控系统功能设计285.3.1 数据通信功能设计295.3.2 数据处理功能设计315.3.3 人机交互界面设计315.3.4 数据保存功能设计315.4 光伏系统选型315.5 无线智能交通灯系统程序流程设计335.6 系统测试36第六章 总结与展望39参考文献41发表论文和科研情况说明43致 谢44第一章 绪论1.1 课题研究的目的和意义随着我国经济发展步伐的不断加快，人们的生活水平得到了巨大的改善，与此同时，人们的工作与生活节奏也在不断加速，这使得人们对机动车的需求度呈增长迅猛1，致使城市常出现道路拥堵的状况。与此同时，我国正在大力发展城市轨道交通事业，地铁建设的规模以及发展速度均居世界第一2。在建设过程中，需要大量占用路面空间，这必然导致许多城市道路的拥堵，并且产生许许多多临时路口。在这种路况复杂多变的十字路口，及时可靠增加临时交通灯成为了交通顺畅运行的关键，它的效率决定着周围整片区域的交通状况。另一方面，处于偏远郊区的十字路口，架设交通灯布线困难，费用昂贵。所以，一种稳定、方便的无线交通灯成为了解决这一难题的突破口。然而，缺少了导线这一媒介，无线交通灯失去了与外界的通信通道，无法对交通灯实现数据采集，致使其陷入独立运行的状态，与周围交通系统配合性差，检修成本高，故障发现难度大。因而有必要增加在现有交通灯的基础上增加无线通信的功能，这样既可以对交通灯实现监视和控制，同时又能及时发现交通灯存在的隐患和故障，方便了对交通灯的维护。目前，中国许多城市依然采用传统的交通灯控制模式，但随着城市汽车保有量的不断增加，交通灯智能控制模式逐渐成为民众关注的热点问题3。传统交通灯采定时控制模式，比如每一分钟或者两分钟改变一次红绿灯的状态，此类方式主要存在以下三方面的问题：1、车辆放行时间固定，这容易致使机动车较多的方向出现车辆堆积，造成附近路口的交通拥堵；2、当某方向无等候车辆是，若恰好该方向为绿灯，则此时段会出现交通盲指挥，浪费道路的运载能力；3、当某方向车流量很大时，交通灯不能自动调整该方向的通行时间，可能导致路口拥堵。为了解决上述问题，本文提出了无线智能交通灯的设计方案，在现代远程监控技术的基础之上，以无线通信技术为载体，完成交通现场设备的数据采集和存储，进而实现对交通现场的分析与控制的目的，并且能动态改变交通信号灯的时间，灵活方便的应对各种临时交通路口和偏远路口。1.2 智能交通灯的国内外研究现状在国外，城市智能交通系统很早就开始了一系列相关的研究和应用，美国、欧洲和日本等国家目前已经在此方面有了一定的研究基础和应用效果4。交通信号灯配时的思想最早诞生于十九世纪的英国，随后，紧接着二次世界大战，一些较为发达的国家，普遍出现不同程度的交通拥堵，于是各国通过改进与吸收开始实施对各大城市交通信号的控制，并形成了各自的交通控制系统。其中比较成熟的有以下几个系统：1、澳大利亚的SCATS系统"SCATS"(Sydney Coordinated Adaptive Traffic System)即“悉尼自适应交通控制系统”，这套系统采用了分层的递阶式控制结构。它的功能相当强大，可以实现数据的实时测量和运算，并且可以自动调整工作状态以疏导交通流，如果遇到公交车、紧急车辆等经过路口，则会使其优先通过，并且可以切换到手动控制模式，同时该系统还具有自诊断和远程维护功能。但SCATS系统并不是完美无缺的，主要以下几个方面的表现也不尽如人意：第一，这个系统只是对几种控制模式进行了选择，在其设计过程中没有使用交通流模型，因此，其配时方案还没达到最优；第二，由于系统运算量过大，所以它对硬件的要求非常苛刻，成本高，这将使系统的推广受到限制；第三，对控制方案的选择不当，以至于系统的实时反馈信息及可靠性不高5,6。2、英国的SCOOT系统"SCOOT"(Split-Cycle-Offset Optimization Technique)即“绿信比-信号周期-相位差优化技术”，这是一种具有自动调节能力的交通灯控制系统。该系统的架构分为两个层次，上级由中央计算机构成，下级由路口信号机构成；系统从路口的传感器测得数据之后，上传到上级计算机中，由中央计算机根据现有的模型完成对信号灯的控制，因为模型是固定的，所以操作相对来说会简单不少。该系统具有综合事故检测和交通信息数据库模块，这就使系统能够对交通事故进行实时检测7。它的缺陷主要表现在：相位无法自动根据车流量实现调整；独立控制子区的划分不能通过计算机控制实现，只能依靠人工操作；对使用者的操作水平具有很高的要求8,9。3、英国的TRANSYT系统"TRANSYT" (Traffic Network Study Tool) 即“交通网络研究工具”，这个系统是由英国的D-L罗伯逊先生提出的，这是一个固定时长的多交通灯相互协调的控制系统，具有离线的时间分配优化方案。它所具有的主要特点有以下几个方面：系统选用静态控制模式；系统所有性能参数都有数学算式作为基础；系统选用的算法是“瞎子爬山”法，选取其中的最优解。主要的不足是：第一，用于运算的工作量过高；第二，无法对周期进行自适应调整；第三，无法在线对数据进行优化计算6,8,10。而国内对城市交通灯控制系统的开发与设计较国外相比开始得迟了一些，直到20世纪70年代后期，北京市才率先开始采用DJS-130型计算机进行了主要干线道路的协调控制工作研究。20世纪80年代以后，我国进行了以改善城市市中心交通为核心目标的UTSM (Urban Traffic System Manage)技术的研究，在引进的同时注重系统开发，逐渐搭建起了一些自动化的交通控制系统。如在北京、上海、广州等一线城市，其交通信号控制系统主要采用简易的单点信号灯与上述几种国外的交通控制系统的组合使用；而对于成都、西安这种中小城市，主要采用的仍然是国产的简易单点信号灯以及集中协调式信号灯11。交通信号控制系统基本上都属于基础设施建设，若完成建设后再进行大型化的调整就会非常困难，而交通控制又具有相当大的复杂性，因此，随着交通信。号控制系统的发展，很多问题便逐渐展现出来，例如无法灵活的依据实际情况合理地对控制方案进行配置；随着交通的变化发展，先前的信号控制方案规划已不适用，若再进行重新调整和建设成本十分巨大。如今我国交通灯控制系统还需进行改进，包括：降低成本、使其安装及维修方便；提高交通灯控制系统的实时性；加强对混合交通流问题的合理解决；完善对实现区域网络的协调控制；对于小型的交通路口，应设计并研制出能够监控车流量的交通灯系统12,13。1.3 本文主要工作与章节安排GPRS技术的无线交通灯监控系统的研究和设计。目的是设计实现一个拥有车流量预测功能的交通灯控制系统，并通过GPRS接入Internet网络，实现系统的无线通信和远程监控。根据主要研究内容，本文结构上分为六章展开介绍，具体章节安排如下：第一章主要对本课题研究的目的意义以及国内外研究现状做了简要介绍。第二章简要介绍了目前交通信号灯的基本情况、相关参数和基本控制类型。第三章介绍车流量数据的特点，然后对比分析了几种常见的预测方法，并在此基础上针对车流量的特点提出了一种改进型车流量预测方法，最后完成交通灯配时方案的设计，其中包括周期配时方案和相位配时方案两个部分。第四章对GPRS技术及其控制指令进行了介绍，重点介绍了GPRS模块与上位机的通信实现过程，实现了系统的无线通信。第五章完成了系统的总体结构设计，并对系统的各部分展开了详细的设计与说明，包括上位监控系统的设计、主要硬件电路的设计、光伏系统的结构设计等，据此设计了系统程序流程。第六章对本文所作的工作进行了总结，提出了文章的不足之处及以后的工作展望。第二章 交通信号灯相关研究背景和基础在道路控制领域，信号灯是一种最普遍使用的沟通方式，如果失去了交通信号灯协助，交通系统的顺畅运行将是一个非常难以逾越的障碍。一个完整的交通灯通常是由一个红灯、一个绿灯和一个黄灯构成，并按照控制策略相互交替点亮，其功能是用来指挥车辆或者行人通行。按照交通灯的使用范围，可以分为指挥机动车的信号灯、指挥非机动车的信号灯、指挥行人的信号灯、指示方向的信号灯、闪光警告灯及道路与铁路平面交叉道口警告灯等14。交通信号灯的其中一个最重要的作用是指挥参与交通的人们的通行状态，防止发生交通事故，保证道路顺畅。2.1 交通信号灯起源与发展19世纪后期，社会经济有了翻天覆地的变化，机动车的迅猛增长使得十字路口的交通问题日趋严重。1868年，英国在其国内一个十字路口最先完成红绿两种颜色的燃气信号灯的安装，这一措施确实使交通事故发生率得到了有效的降低。1917年，美国也投入运行了一种联合控制交通指挥系统，该系统把6个路口作为一个整体，使用一个总的控制器对其进行联合控制，得到了不小的成功。1918年，美国政府出于改善十字路口通行能力的考虑，在纽约市街头投入了具有一个改进型交通信号控制系统，该系统具有了如今广泛使用的红绿黄三种颜色的信号灯，并且可以对红绿灯的时长进行适当的人工调整，它的出现标志着人类实现信号灯控制的开端。1922年，没过休斯研发出了一款具有同步功能的控制系统，并且将控制系统的控制范围从6个路口扩大为12个路口，对整个系统进行集中控制。1926，英国再次对交通灯进行了改进，开发出了自动化的控制器来对红绿灯进行控制，这一创举成为了交通自动控制的开端。 15。此后，人们在这个系统的基础上不断的改进其控制方式，形成了目前使用广泛的交通灯协调控制系统。经过了长期的研究和改进，交通灯指挥系统的执行手段完成了从雇佣工人进行手动操作到使用计算机进行自动控制，从没有信号采集系统到完善的信号采集系统，从周期时长不可变到周期时长可以完成自动调整的转变 16。可控区域也正在向多点控制方向发展。自从21世纪以来，微机控制技术蓬勃发展，相应的控制领域方面的理论也在不断完善，整个行业正在向网络化和信息化的方向前进。随之出现了本文之前指出的几种高效率的城市路口智能控制系统。2.2 交通灯的基本情况交通信号灯的规则虽然在每个国家都会有着自己的一种法律规定，然后纵观所有的交通灯，构成他们的最基本的规则是大同小异的。我国现行的交通管理规则在1998年3月9日由国务院颁布的中华人民共和国道路交通管理条例中作出了详细的阐述，其具体阐述如下17：指挥信号灯规定：(1)若某个方向的指示灯显示绿色，则说明这个方向上的行人和车辆允许通行，另外直行优先于转弯，即转弯车辆不许干扰直行车辆；(2) 若某个方向的指示灯显示黄色，则说明这个方向不允许的行人和车辆通过，但是如果机动车已经超过了停止线、行人已经进入人行道，应该迅速通过路口；(3)若某个方向的指示灯显示红色，则说明这个方向禁止任何行人和机动车通行；(4)若某个方向的指示灯显示绿色箭头，表示机动车和行人允许按照箭头所指的方向行驶；(5)若某个方向的指示灯显示黄灯闪烁，表示允许这个方向的机动车与行人通行，但是必须保证安全。车道信号灯规定：(1)绿色箭头，表示所指示的方向上允许机动车通行；(2)红色叉形，表示信号灯所在车道禁止机动车通行。2.3 交通信号控制的主要参数1、相位在交通信号控制系统中，为了避免交叉路口的车辆发生冲突，而影响路口的通行能力，甚至发生交通事故，使有车辆冲突的方向按一定的规律间隔放行 18。因此提出了相位这个概念：在一个周期的时间内，十字路口中某个方向或者某几个方向上的机动车允许通行，这个通行权称为交通信号控制中的相位；通常可以用有方向的箭头来指示相位，箭头所指的方向表示机动车的前进方向。二相位的十字路口交通灯系统如图2-1所示，它的两个相位分别是为东西向直行和南北向直行。四相位交叉路口如图2-2所示。图2-1 两相位交叉路口示意图图2-2 四相位交叉路口示意图本设计针对的是临时路口和偏远路口，多为小路口，使用两相位红绿灯更加适合这样的路口，因此，后文设计中使用两相位交通灯作为设计对象。2、车道流量比率车道流量比率指的是某个确定方向上的某个车道上选取一个截面，通过这个截面的车流量的实际值和饱和值的比值。车道流量比率对十字路口的红绿灯时间分配起着至关重要的作用。3、绿信比绿信比红绿灯在一个信号周期内，绿信号长度（允许通行时间）与总周期时间的比值，一般用符号表示。 (2-1)式中：代表绿信比，是指周期时长，表示有效绿灯时长；通过绿信比可以很直观的看出一个路口的车辆通行效率。4、饱和流量饱和流量指的是在理想状态下，绿信号存在的时间段内，可以通过的最大车流量，这个参数是在十字路口系统中，用来测量机动车通行能力的重要指标 19。5、流量系数流量系数指的是在正常运行情况下，实际车流量与饱和车流量的比值。我们不仅可以根据流量系数来求得红绿灯时长的调整参数，还可以根据这个洗漱来衡量十字路口的拥挤程度。流量系数的数学表达式可以表示为： (2-2)式中，表示某个车道的饱和流量；指的是实际测量出来的机动车流量。6、绿灯时间间隔绿灯时间间隔是指一个相位上，两个相邻绿灯信号之间的时间间隔。它的值等于这个相位上的黄灯所消耗的时间的红灯所消耗的时间的和。假设某个交叉路口的某相位黄灯时间为，红灯的时间为，则该相位绿灯时间间隔为： (2-3)7、有效绿灯时间有效绿灯时间区别于绿信号的地方在于，机动车看到绿信号亮到启动，会有一定的延时，并且在绿信号变黄信号之后路口还会有滞留，它在数值上等于绿灯时间与黄灯时间之和减去头车启动的损失时间。有效绿灯时间其实就是指机动车通过路口实际可以被利用的时间。8、延误延误是车辆通过路口时的时间损失，主要由信号控制设备的失误或者限制造成的。路口的交通流畅度常常由这个参数来衡量。在控制设备的红绿灯时长配置的运算过程中，它也起着至关重要的作用。因此，也常用该参数来衡量信号控制系统的性能。9、灯组灯组指路口交通信号控制器的通行信号输出。它对于机动车和行人来说存在着一定的区别。用于控制机动车的灯组每个方向都有三种颜色的灯，分别是红色、绿色和黄色。而用于控制指挥行人通过十字路口的灯组，每个方向上的信号只有红色和绿色两种，这两种信号灯构成了一个指挥行人的灯组。10、控制方案控制方案说的直白点，就是说如何控制一个路口的交通灯。在控制方案的制定过程中，需要确定这个控制器正常工作时的一些控制参数。包括诸如相位差、过渡时间、相位时间等这样的重要参数，都在控制方案设计过程中计算调整完毕。11、过渡方案过渡方案是对绿灯向红灯转化的一个过渡过程的描述，就是绿灯经过一个过渡方案之后变为了红灯。非机动车和机动车的过渡方案通常被设定为绿闪、黄灯、全红三个部分，一般先进行3秒钟的绿灯闪烁，提醒机动车和非机动车绿灯即将结束，然后点亮黄灯3秒，禁止交通路口外的车辆进入路口，并且提醒路口内车辆尽快驶离路口，最后转变为红灯，禁止车辆通行。而对行人而言，过渡方案通常被设定为绿闪和全红两个阶段，一般绿闪5秒之后直接跳转为红灯。2.4 本章小结本章主要介绍了交通信号灯，是整个系统设计的基础。首先对交通信号灯的起源、发展、以及它的一些基本情况做了详细介绍，然后重点介绍了交通信号控制中的主要参数的定义及功能，为后文的交通信号灯控制打下了基础。第三章 车流量预测及动态配时方案设计本章根据车流量的特点提出了一种车流量预测的改进型方法。运用车流量预测的结果，实现对交通灯周期和相位时长的动态调整。3.1 车流量数据的特点车流量指的是在指定的时间内，以公路上的某点选取横截面，行驶过这一截面的车辆数。一般而言，车流量随空间和时间不断变化，其随机性致使对其分析较为困难。但是人们上下班时间大致相同，这使交通流量有一定的规律可循，因而从对交通流量的分析中可以看出一些明显的规律性特征，主要包括：1、动态性城市道路的车流量瞬息万变，因为它受到了许多不定因素的影响，比如天气条件、广播指挥、名人诱导、交通管理控制方案等。然后伴随着汽车保有量的增加，即便是同一段公路上，不同时期的交通流量也会存在着较大的差异，总体上呈现出增长的趋势。此外，道路上的突发事件常常也会对交通流量进行非常不稳定的影响。总而言之，城市道路的车流量数据变化莫测。2、周相似性现代城市中，人们由于工作的原因，呈现出来一种集群的趋势，即基本都在同一时间段上下班。根据这个规律，我们对一些交通流量进行了研究，从中发现，相同路段的交通量在短时间内虽然呈现出不确定性，但是一旦将测量时间延长，在一个较长的周期内却往往会重复出现一些规律性的特征，将种规律性通常以年、季度、月和周为周期单位。对数据进行对比分析之后发现，在众多周期中，以一个星期作为周期的数据的相似度往往高于以其他单位作为周期的数据。我们称这种以一周作为周期的车流量数据在变动趋势上十分接近的性质为周相似性20。同时值得注意的一点细节是，一个星期之内，星期六和星期天比较特殊，不论从变化规律来看还是从数值大小比较，都与剩余5天存在着明显的差异，这个差异主要是因为工作日人们出行往往需要赶在规定的上班时间之前所导致的。调查人员经过了对大量数据的分析之后发现，工作日之间，交通流量在数值大小和变化规律上均存在着较大的相似性，而周末和周末之间，也具有非常好的拟合度21。3.2 车流量预测3.2.1 车流量预处理方法在交通系统的实际运行过程中，动态数据的采集将无可避免地受传感器硬件故障、通讯故障以及噪声干扰等问题的影响，而造成数据异常或数据丢失等问题，这会大大影响数据的质量，导致挖掘深层次的交通流量特征和数据变化规则变得更加艰难。同时，道路车流量检测器采集到的车流量数据的质量又与道路车流量预测的准确性有着直接关系，并对实时交通控制和诱导起着至关重要的作用23。因此，为了有效地分析交通数据规律、建立精确的交通流量模型，针对检测设备采集数据时可能出现的一些问题，必须对采集得到的初步结果进行预处理，将异常数据从正常数据中屏蔽出来，防止异常数据对整个采样数据形成干扰。车流量数据的过滤主要分为两个方面：错误数据的剔除和丢失数据的补偿，若根据数据处理的实时性又可以分为两类：非实时车流量过滤和实时车流量过滤。根据不同类型对过滤结果的不同要求，需要采取对应的处理方法。使用实时的车流量控制、预测和事件检测等算法时，需要满足较高的实时性，可以采用较为简单的阀值法，但该方法会对预测的精确性造成一定的影响；对历史数据库中的车流量进行过滤时可以使用非实时交通流量过滤法，用以分析清洗数据，为车流量预测提供基础，但是由于复杂的运算和分析，系统实时性会比较差。而对故障数据的处理需要以故障数据的识别为基础，以下内容对故障数据的识别方法加以介绍。1、异常数据的识别方法对交通系统中的数据采集系统进行分析之后发现，出现异常数据原因虽然很多，但是主要是因为检测电路故障或者传输过程中外界环境对信号造成了干扰导致的。我们将出现故障的数据分为两大类，一类是丢失的数据，另一类是错误的数据。（1）丢失数据的识别实际系统中，交通数据从采集、传输到最后运算的过程中，出现交通数据无法上传而丢失的因素很多，例如两车间隙太小造成的检测器无法分辨、信号传输线路收到干扰或者遭到破坏、检测器故障等情况下会出现某些时刻的数据空白，这种现象会严重干扰下一步进行的数据处理工作。因此，为了排除这种故障，通常将一段时间内的数据记录下来，将其定义为某一时刻的数据。例如如果规定数据累加的时间间隔为15分钟，那么在8:00到8:15之间测得的车流量规定为8:00这一时刻的数据，在此基础上对这些时刻点的数据进行读取，若发现在某一时刻没有检测到数据，则判定为数据丢失。（2）错误数据的识别如果地感线圈或者传输线路出现问题，此时采集到的数据是掩盖了真实的交通状况，这会对交通流量预测造成一定程度上的影响。错误的数据通常表现为异常大或者异常小。阀值法能够有效的处理这方面的问题。它的算法非常简易，只需要设置一定的区间，通过判断所采集的数据是否超越了这个区间即可分析出这个数据是否是错误数据。由于这种方法计算量小，计算速度快，所以一般在线计算的时候常常会采用这种方式进行错误数据的识别，但是这种方法无法准确的排除错误数据 21。2、故障数据的处理方法对于故障数据的处理主要有两种方法：一是将故障数据直接剔除，这种方法应用条件较为苛刻，其需要大量的数据作为基础，而且其中不能有太多的错误数据。二是使用历史平均数据代替错误数据的原则，对错误数据进行弥补。3.2.2 车流量预测原则1、连续性原则所有事物的发展都是有据可循的，连续性原则就是根据事物发展的规律和趋势而总结出来的一般性原则。连续性原则指事物的发展过程中今天是和昨天密不可分的，而明天和今天也是一脉相承的。在这类系统中，连续性原则是一个显而易见的特征。许多交通流量的影响因子都具有一定的连续性。因而影响交通流量的因素连续性的存在为交通预测提供了一种可行的方式和依据。2、相关性原则任何事物都是与周围的事物相互影响着，因此他们之间的变化不会是相互独立的。一件事物的变化必然会引起周围其他事物发生一定的变化，而这件事物的变化必然也是由其他事物的变化引起的。这种事物之间的相互影响就是相关性。3、类推性原则不同事物之间常常存在着许多相似之处，在某些情况下，或者某些方面，一种事物的发展规律常常和与其联系紧密的一种或者几种事物的发展规律表现出相当大的相似性，因此我们可以利用这种相似性从这种事物类推出另外的事物的发展规律，这就是类推性原则。当然，如果有大量的数据进行数据分析，类推性原则也不需要也不适合被用来做预测。当缺乏历史数据时，类推原则就发挥了其重要的指导作用。类推性原则应用的首要条件是类推性，如果两事物之间不存在类推关系，一件事物无法反映出另一事物的变化规律的话，就不能使用这个原则做预测，不然会使预测结果严重偏离实际情况。此外，在应用中需要注意的是，相似与相同存在着一定的差异，不能将两者完全等同起来，就是说，利用这个原则的时候需要同时关注事物的两面性，即被测对象与预测对象之间的相同与不同24。3.2.3 车流量预测模型概述车流量预测方法目前主要有回归分析算法、历史均值算法、时间序列算法、人工神经元网络算法、非参数回归算法、卡尔曼滤波算法等，至今为止已提出了近三十种车流量预测方法25。这些方法当中，既有各自的局限性，又有各自的针对性。利用这一特点，取长补短，将多种预测方法结合，得到的新方法为车流量预测提供了一条可行的捷径，。下面主要介绍了几种国内外常用的预测方法。1、多元线性回归预测方法线性回归预测方法利用的是类推性原则，它先建立一个因变量和几个解释变量之间的相互关系，然后通过这个关系去对因变量进行分析和估计。在应用这种方法之前，必须先确定这些变量之间存在着相互关系，绝对不能是相互独立的。使用这种方法建立系统模型的话，需要分析的因素不用太多，参数的计算方式也较为简单，一般采用的是最小二乘法。建立此模型需要考虑因素相对较为简单，参数计算一般采用最小二乘法估计。但是这种方法只是根据别的因素推到出来的，因此对于交通流量的趋势跟踪和非线性的反映比较乏力，一旦出现不确定的干扰，系统的预测结果将会明显受到影响。因此，采用这种方法进行预测的时候，时间间隔越短，预测结果的准确度就会越低。2、基于人工神经网络的预测方法人工神经网络，顾名思义，就是指利用计算机模仿生物的大脑神经反射，从而实现对信息的处理的系统。由于人工神经网络有着能够同时进行多个复杂问题的解决能力，并且能够自主的学习、记忆甚至能够拥有联想的能力，这使得这种预测算法具备了相当高的对环境的适应能力，对问题的灵活应对能力以及对系统的自动组织能力，正因为它的突出优点，该方法受到各行业应用专家和自然科学领域各专业学者的广泛重视26-29。然而，在分析人工神经网络的优点的同时，必须注意到它也存在诸多的缺点，例如学习速度慢30、样本依赖性高等，因此在应用于嵌入式系统中作为车流量预测算法使用时，对硬件要求太高，故不太合适。3、指数平滑预测方法指数平滑方法31-33是一种利用对预测时刻之前若干实测数据进行加权运算，对得到的结果再进行一系列处理，最终得出预测结果的方法，这种预测模型中利用了车流量的最新实测信息，不断更新的最新数据使预测结果对实际数据的跟踪效果更加理想。其计算公式如下： (3-1)其中，是第k日的t +1时刻的预测值，是第k日的t时刻的实测值，为加权系数。由公式可以看出，应用指数平滑预测方法时，通过人为调整公式(3-1)中的权重值，就可以对最新数据信息在预测结果的中所占的权重进行调整。应用这种算法时，这个平滑系数的取值不同，对预测结果会造成非常大的影响，一般会通过多次迭代计算后分析其误差，选出理想的平滑系数。然而对于像车流量这样具有相似性的数据，历史数据可以在很大程度上反映出当前车流量的特征，如果仅仅是根据指数平滑算法来进行交通流量预测的话，历史数据所反映出来的交通流量的趋势会被弃用，这肯定会对预测的精度造成了或多或少的影响。3.2.4 车流量预测模型改进由于上述几种方法在车流量预测的应用中都有各自的缺陷，直接应用于车流量预测的话会导致数据资源浪费，本文针对指数平滑预测方法无法使用车流量的周相似性特点，提出了一种对指数平滑预测方法的改进方法。1、坏数据的剔除在检测过程中，往往有些时段的数据会因为某些不可控制的因素突然发生很大的变化，并且下一时段就恢复正常水平（例如某车道有重型货车启动较慢，导致整个车道通行量下降；或者某新手在路口启