毕业设计(论文)基于浮动车的实时路况分析算法.doc
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1、基于浮动车的实时路况分析算法摘 要交通拥挤已成为困扰世界各大城市的主要社会问题之一,严重影响城市的可持续发展和人们的日常生活与工作。在当前的交通控制系统中,交通状态数据的采集越来越被重视,目前用于交通状态获取的手段主要有微波雷达、感应线圈、视频摄像头等,这些检测器主要部署在关键路段和主要路口。由于这种检测器有限范围的布局,导致了城市道路上存在大量的信息盲点和“真空”地带,并且在固定检测器分布的地方,也会因检测器故障导致交通信息缺失。如何全面准确地获取实时的城市道路的全路交通信息这个问题亟待解决。准确的判断道路的交通状态并及时发布对于制定有效的出行策略很重要。本文以GPS浮动车为依托,采集路网的
2、交通参数,并通过分析判断路网中的交通状态,为交通管理者和出行者提供准确的信息。本论文主要介绍GPS浮动车交通信息采集系统的构成,采集数据预处理以及各种交通状态判断方法所采用的模型,并提出区间速度与瞬时速度融合的路段平均速度估计模型,最后通过实验测试本文提出的方法。本文研究的重点是如何充分利用GPS信息计算路段的平均速度,涉及到路段的平均速度计算模型的建立,最终根据路段的平均速度以及交通状态判别标准得到交通状态。关键词:GPS浮动车,交通状态,平均速度,模型,算法ABSTRACT Traffic congestion has become one of the major social prob
3、lems plagued the worlds major cities, seriously affecting the sustainable development of cities and peoples daily life and work. In the current traffic control system,the acquisition of traffic condition data is taken more and more seriously.Currently,the means to acquire the state of transportation
4、 mainly contain microwave radar,induction coils,video camera and so on.These detectors are mainly deployed in key sections and main road intersections.Due to the limited scope of the layout of the detectors,there are plenty of blind spots of information and vacuum zone on the city road.Besides,in th
5、e places distributed with fixed detectors,there is also traffic information loss because of the failure of the detector.The problem of how to obtain real-time traffic information of the whole city road accurately and totally demands prompt solution.It is very important for the development of effecti
6、ve travel policy to determine the traffic state Accurately and the timely release.The GPS floating vehicles collect network traffic parameters and traffic state in the road network,through the analysis and judgment,it can provide accurate information for traffic managers and travelers.This paper int
7、roduces the composition of the traffic information acquisition system based on GPS floating car, acquisition of data preprocessing and model various traffic state judgment method, and proposed sections of the integration interval speed and instantaneous speed, average speed estimation model, and fin
8、ally in this article the experimental tests are done for the proposed method. The focus of this paper is how to take full advantage of the GPS information to calculate the average speed of road sections, related to sections of the average speed calculation model, and the final it get the traffic sta
9、te according to the sections of the average speed and the traffic conditions criterion.Keywords: GPS floating cars, traffic status, average speed, model, algorithm目录第一章 绪论11.1 城市交通现状11.2 交通参数采集技术21.3 国内外浮动车技术现状31.4本论文研究内容4第二章 GPS浮动车采集交通信息技术62.1 GPS浮动车交通信息采集系统构成62.2 GPS浮动车采集交通信息原理72.2.1 GPS系统组成72.2.2
10、 GPS定位原理92.2.3 GPS浮动车采集交通信息原理10第三章 GPS浮动车数据采集及预处理123.1 GPS浮动车采集车辆参数配置123.1.1 数据采样时间间隔的确定123.1.2 浮动车样本容量的确定123.2 GPS浮动车数据预处理133.2.1 丢失及错误数据识别143.2.2 数据弥补及修复143.2.3 车辆行驶方向判断14第四章 基于GPS浮动车的交通状态判断164.1 交通流参数164.2 交通状态判别标准174.3 路段划分184.4 基于GPS浮动车的交通状态判别算法184.4.1 模糊推理模型194.4.2 多元回归模型194.4.3 速度积分模型204.5 路段
11、平均速度估计模型建立214.5.1多车区间速度计算234.5.2 多车瞬时速度计算254.5.3 路段平均速度计算26第五章 实验及结果分析285.1 实验设计285.2 实验数据及结果285.3 实验结果分析31总结与展望32致谢33参考文献34附录35第一章 绪论1.1 城市交通现状 随着经济和社会的发展,城市规模日益扩大,城镇居民的出行要求也进一步增加,使得困扰世界各大城市的交通拥挤问题变得更加严峻。交通拥挤不仅使道路通行能力降低、行车速度下降、交通延误增大,还造成巨大的经济损失。加拿大交通部2005年发布的一份城市交通报告表明,加拿大每年因交通拥挤造成的经济损失达60亿加元。据美国德州
12、运输研究所对美国39个主要城市的研究,估计美国每年因交通阻塞而造成的经济损失约为410亿美元,12个最大城市每年的经济损失均超过10亿美元。日本东京每年因交通拥堵造成的时间损失以货币单位计算高达123000亿日元。欧洲每年因交通事故、交通拥堵造成的经济损失分别为500亿欧元、5000亿欧元。同世界其他发达国家一样,我国的机动车增长速度迅猛,交通拥挤是一个不争的事实。根据国家统计局的数字,截至2008 年3月,全国机动车保有量超过16亿辆,一季度全国机动车保有量与2007年底相比增长185;全国汽车保有量与2007年底相比增长365。其中,全国私人机动车保有量与2007 年底相比增长508。同时
13、,中国社科院的报告也显示,在全国31个百万人口以上的特大城市中,大部分交通负荷接近饱和,有些城市中心地带的交通已接近半瘫痪状态。交通堵塞如长期困扰以汽车为交通骨干的城市体系,久而久之会麻痹城市功能,加大城市运行成本,严重阻碍城市的社会经济发展。 解决城市交通拥挤问题的传统方法是增加城市道路,修建高架桥等交通基础设施。但实际中对任何城市来说,道路都不能无限制的拓宽和增加,随着对交通问题研究的深入,人们开始意识到必须采取增加道路基础设施和提高路网的通行能力相结合的方法来解决交通拥挤问题,由此逐渐产生了交通控制技术。从1914年美国出现现代交通信号控制以来,城市交通控制技术经历了点控、线控、面控的发
14、展,进入二十世纪八十年代,着眼于整个系统控制的智能交通系统(ITS),将先进的电子通信、自动控制、计算机处理、信息融合等技术有效集成,综合运用于道路交通管理,提高了路网的通行能力。 实现良好的交通控制必须对道路的交通状态进行实时监测与分析,及时发现道路网中存在的交通问题,这是改善道路交通运行效率,减小路网交通阻塞的前提和基础。在现代交通工程技术中,交通参数是表征道路交通状态的标量,因此,无论是智能交通系统,还是现代交通工程,都是以采集可靠而准确的交通参数为基础的。目前交通工程中常用的交通参数包括:路段车流速度或行程时间、交通量、交通流、密度等。交通参数在交通规划,设计、运营、管理和研究等方面有
15、着广泛的用途,对现代交通工程技术有着重要的意义。1.2 交通参数采集技术 目前交通参数的采集方法可以分为固定型采集技术和移动型采集技术两种。固定型采集技术是指运用安装在固定地点的交通检测设备对移动的车辆进行监测和采集交通参数数据的方法总称。目前主要包括磁频、波频和视频三种采集技术。下面对几种固定型采集技术的检测设备进行对比,如表1.1所示:表11固定型采集技术对比表采集技术检测参数特点环形感应线圈检测器交通流量、占有量、车辆存在信息和点速度点测量技术,设备安装和维护不便,会影响道路及交通。超声波检测器交通流量、占有量、车辆存在信息和排队长度点测量技术,设备安装需增加道路设施,易受天气影响。红外
16、线检测器交通流量、占有率、车辆分类、车辆存在信息和点速度点测量技术,设备安装需增加道路设施,易受天气影响。微波检测器交通流量、车辆存在信息和点速度点测量技术,设备安装需增加道路设施,会损害人体健康。视频检测器交通流量、占有率、车辆分类、车辆存在信息和点速度数据计算量大,设备安装需增加道路设施,空间覆盖面有限。如表所示,固定采集技术采集的交通参数主要包括交通流量、占有率、点速度等,基本上都是点测量技术,检测覆盖面较小,检测设备的安装都需要改造或增设道路设施,维护时会影响道路及交通。这种采集技术适用于对固定点、某一交叉路口或特定路段的交通状态检测。当要实现整个道路路网的交通状态检测时,采用这种技术
17、就意味着在要在路网中安装大量的检测设备,不仅安装和维护费用高,而且会影响交通环境。同时,考虑天气对检测效果的影响,后期的维护费用会更大。移动采集技术指运用安装有特定设备的移动车辆(Floating Car)接收卫星信号或检测道路上的固定标识物来采集交通参数数据的方法总称。目前主要有基于GPS的采集技术、基于电子标签的采集技术和基于汽车牌照自动识别的采集技术。下面对移动型交通数据采集技术的性能进行比较,如表1.2所示。表1.2移动型采集技术对比表采集技术采集的交通参数优点缺点基于GPS的采集技术直接提供交通流量、瞬时车速;间接提供行程时间、行程速度;采集的数据有很强的连续性;可全天候工作;提供的
18、交通信息多样;要获得全路网的精确交通信息必须有足够多的装有GPS接收设备的车辆运行在道路网络中。基于电子标签的采集技术直接提供交通流量;间接提供行程时间、行程速度;采集的数据有很强的连续性;可全天候工作;可用于自动收费;必须有足够的安装有电子标签的车辆运行在路网中才能获得精确的路网交通信息;数据处理时要运用良好的滤波算法,消除个别车辆运行故障引起的数据误差。基于汽车牌照自动识别的采集技术直接提供交通流量;间接提供行程时间、行程速度;采集的数据有很强的连续性;可全天候工作;车辆不需安装其他设备;检测精度易受天气和光源影响;检测精度汽车牌照清晰度影响。 通过综合比较各种采集技术的特点,本文采用基于
19、GPS浮动车的交通信息采集技术进行交通参数采集。1.3 国内外浮动车技术现状近年来,浮动车交通信息采集与处理技术在世界范围内得到了积极的研究开发和推广应用,其中,国际上比较典型的浮动车项目有美国的ADVANCE和PATH,德国的XFCD和DDG,英国的FVD和Trafficmaster,日本的JARI和IPCar等。其中英国的FVD是目前世界上最典型的GPS浮动车数据系统。其运用范围覆盖英格兰的主要路网。它采用了一个优化的数据采集模式,在系统中,浮动车除安装GPS 接收机外还安装了数据采集部件(DCU),可存储350h的浮动车位置数据。通常,数据中心每周定期对各浮动车的DCU通信,采集数据,并
20、自动对数据进行地图匹配,记录特定时间段行驶在特定路段的浮动车。当需要对路网中某一路段进行实时交通参数检测时,根据车辆出行具有规律性这一经验事实,数据中心与系统挑选出的当时可能行驶于该路段的浮动车通信,连续采集数据进行实时交通参数估计,从而有效地提高了系统的运行效率并节约了通信费用。日本的JARI项目利用出租车集团车辆实现实时的浮动车信息处理的方法。浮动车与信息中心之间通过Intemet连接,主要提供出行时间信息服务、车辆管理和天气信息服务等。IPCar浮动车系统利用出租车和公交车作为浮动车,通过车辆轨迹和状态参数的分析区别出道路交通的状态模式,并可根据出租车乘客起讫点数据估计出OD流量。归纳起
21、来主要是浮动车的样本量和覆盖率问题及浮动车数据应用两个方面的研究。在GPS浮动车数据应用方面,国外大部分是运用GPS浮动车数据对行程时间进行估计和交通事件进行检测,并逐步进行了验证和补充完善。浮动车技术在我国起步比较晚,同样也在经历一个数据应用研究在先、数据采集优化研究在后的过程。目前我们在应用浮动车采集交通数据方面取得了显著的成绩。2004 年10月由北京市交通委开始浮动车研发,己自主研发了浮动车数据采集发布系统,目前有12万辆车浮动车在运行,是国内外城市应用方面最大规模的一套系统,并且这套系统申请了多项专利。经过国家软件质量监督检测中心的评测,系统在五环内可导航道路的覆盖率已经达到了742
22、3,路况的信息准确率接近85。2007年11月,建设了动态导航示范系统,实现了动态交通信息向车载导航的发布和接收,同时与国内外汽车厂商导航仪厂商和信息服务商开展了一年的测试工作,已经达到可推广使用的条件。目前该系统已成为北京市交通委进行路网运行速度、拥堵点段和拥堵程度、出租车运营状况、路网可靠性、大型活动路网运行的分析工具,为北京市交通委及时采取交通管理和保障措施、制定年度疏堵方案提供了依据,并为交通信息发布和辅助决策支持系统开发提供了良好的平台。除此之外上海、杭州等城市也在利用GPS浮动车积极建立实时交通信息系统平台。在浮动车的行程时间预测研究方面,我国吉林大学、天津大学和北京交通大学的一些
23、学者教授取得了较为卓越的成就。但我们也要清醒地认识到,我们对浮动车的研究深度和系统性都不如发达国家,尤其在交通信息的采集优化和处理方面。因此需要借鉴国外经验进一步深入研究,推广普及GPS浮动车的应用。1.4本论文研究内容本论文主要研究的是以GPS浮动车为依托,实时地采集动态路况信息,将采集的数据信息经过处理,快速准确的判断出道路中是否有拥挤发生,为城市道路的管理者和出行者提供及时可靠的信息。主要内容如下:(1) 绪论部分阐述GPS浮动车采集信息技术在国内外的发展历程及现状,说明本论文研究的意义及主要内容;(2) 第二章介绍了GPS浮动车交通信息采集系统的构成,采集交通信息的原理;(3) 第三章
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