基于3G技術的浮動車交通信息采集系統(tǒng)研究

0 引 言
??? 近年來，第三代移動通信技術(3G)已經在世界上有些國家成功商用，在不同的環(huán)境條件下，它能夠提供384 Kb／s～3 Mb／s的傳輸速度，這樣的速率足以勝任傳遞交通信息的要求，因此通過3G移動通信技術更能實現(xiàn)交通信息的交互和實時傳遞。浮動車信息采集是伴隨著ITS新技術應用而在近幾年發(fā)展起來的一種交通流信息采集技術，浮動車技術研究已經成為我國智能交通系統(tǒng)(ITS)的熱點。
??? 本文從分析浮動車信息采集系統(tǒng)功能人手，提出了基于3G數(shù)字移動通信技術的浮動車信息采集的一種新的解決方案。

1 浮動車信息采集系統(tǒng)功能
??? 浮動車輛通常是指裝有定位和無線通訊裝置的車輛，其所采集的數(shù)據(jù)一般包括時間、位置坐標、瞬時速度、行駛方向、運行狀態(tài)及其他內容。浮動車交通信息采集是指通過采集浮動車輛運行數(shù)據(jù)并進行分析處理，將其應用于交通信息服務、交通管理和停車誘導等方面。浮動車交通信息采集系統(tǒng)主要實現(xiàn)功能如圖1所示。

1．1 浮動車交通流數(shù)據(jù)采集
??? 浮動車輛交通流數(shù)據(jù)采集是指浮動車量通過GPS定位裝置等，采集運行數(shù)據(jù)并通過無線通訊網絡將運行數(shù)據(jù)傳回信息控制中心。為了能夠建立有效的、系統(tǒng)性的交通流運行數(shù)據(jù)，必須確定浮動車數(shù)量規(guī)模、采集頻率和傳輸頻率等參數(shù)。
1．2 交通流數(shù)據(jù)處理
??? 交通流數(shù)據(jù)處理是指采用地圖匹配方法將浮動車采集到的車輛數(shù)據(jù)與數(shù)字電子地圖數(shù)據(jù)庫中的道路信息進行比較，通過一定的匹配算法確定出車輛可能的位置和最可能的行駛路段。浮動車地圖匹配算法是系統(tǒng)設計關鍵之一。
1．3 路段交通流狀態(tài)分析
??? 交通流分析是在地圖匹配基礎上估算路段旅行時間和平均速度，通過路段旅行時間和平均速度估算的結果與預先設定的閾值比較，判斷路段暢通、擁擠、堵塞等不同狀態(tài)，并將路段的實時交通流狀況顯示在電子地圖或可變情報板上，從而為交通服務、交通管理和出行者提供實時直觀的交通狀態(tài)信息。

1．4 信息無線傳輸
??? 信息無線傳輸是指以無線接入網(RAN)和分組交換公共數(shù)據(jù)網(Packet Switched Public DataNetwork，PSPDN)之間的網關實現(xiàn)浮動車采集信息的互傳。無線互連除了能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸功能外，車輛駕駛員還能夠通過它接人Internet，隨時隨地收發(fā)電子郵件和娛樂等。

2 基于3G技術的浮動車信息采集系統(tǒng)設計
??? 根據(jù)以上浮動車信息采集系統(tǒng)應具備的功能分析，本文提出的基于3G移動通信技術浮動車信息采集系統(tǒng)由浮動車數(shù)據(jù)采集、地圖匹配、交通流分析和3G無線互聯(lián)網絡四個子系統(tǒng)組成，系統(tǒng)網絡總體方案如圖2所示。系統(tǒng)各子系統(tǒng)設計分別闡述如下。

2．1 數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)
??? 數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)通過路網上行駛的安裝在浮動車上的車載端GPS接收器采集車輛運行數(shù)據(jù)；通過車載端的無線通信終端設備采用3G通信技術將上述信息實時傳輸給數(shù)據(jù)控制中心，同時還接收數(shù)據(jù)中心發(fā)送的命令。該子系統(tǒng)主要完成以下數(shù)據(jù)采集：車輛交通流、時間、車輛位置經度及緯度、速度、方向角和運行狀態(tài)等，如圖3所示。

??? 系統(tǒng)設計時主要考慮以下參數(shù)：浮動車覆蓋率、計算時間間隔、采集時間間隔、測量時間等。通過仿真實驗得出每個時間間隔內橫斷面浮動車數(shù)量計算公式為：
??? Np=P·(Q·ta／60)
??? 一般情況下，在高速公路上只要浮動車覆蓋率為3％時即可，在城市道路上覆蓋率為5％即可達到滿意效果。采集時間間隔必須考慮覆蓋率。浮動車覆蓋率低，采集間隔應該縮小，反則增大。可以在工作站運用一些更加精巧的估計算法來減小其對實時性的影響，一般取采集頻率為1 min，上傳中心頻率為5 min。當數(shù)據(jù)的年齡超過10 min時，對實時速度數(shù)據(jù)進行簡單線性衰退處理基本能對實時的估計起到比較滿意的效果。
2．2 地圖匹配子系統(tǒng)
??? 地圖匹配是實現(xiàn)整個浮動車采集信息系統(tǒng)功能的關鍵，目的是減小GPS數(shù)據(jù)和GIS數(shù)據(jù)的匹配誤差。為此，要對數(shù)據(jù)進行預處理并確定匹配路段。
2．2．1 數(shù)據(jù)預處理
??? 數(shù)據(jù)預處理包括對GIS數(shù)據(jù)和地圖數(shù)據(jù)預處理兩個方面。
??? 由于GIS數(shù)據(jù)一般是以矢量格式存儲且所有路段都是以曲線形式表現(xiàn)的，為此，先將路段曲線預分割成為多條首尾連接的有向線段，從而使每條路段變成了一些線段的集合。這樣可以大大提高后續(xù)地圖匹配的速度和效率。
??? 為了縮小匹配路段的范圍和針對性(方向)，還要對地圖數(shù)據(jù)預處理。首先進行地理坐標系轉換，使浮動車定位數(shù)據(jù)和地圖庫數(shù)據(jù)所采用的地理坐標系一致。其次通過一定算法確定候選路段，常用的算法有：網格法、概率統(tǒng)計法、誤差橢圓法、條帶分割法等。本文采用網格法。該方法的原理是將電子地圖按照一定的網格進行劃分，然后找到GPS點所在網格，該網格所包含的路段就是候選路段。
2．2．2 匹配路段確定
??? 目前，車輛定位導航采用的算法有：GPS航跡匹配法、模糊邏輯法、A*、雙向搜索法等。這些方法在GPS定位和導航中都有非常廣泛應用。但由于浮動車數(shù)量大、匹配速度要求高，采用上述單一的傳統(tǒng)算法都難以滿足浮動車地圖匹配要求。為此，本文提出分類模型算法的思想。它建立在一個道路網格拓撲結構之上，如圖4所示。并且針對道路的實際情況設計了不同的道路匹配算法。

??? 正常匹配模型是整個地圖匹配模型的入口，實現(xiàn)正常情況下待匹配道路的匹配，并對其進行排序，檢查是否有道路符合道路匹配的條件，如果有，則匹配成功；否則進入下一個匹配模型。
??? 但由于各種誤差，如雙向車道的反方向車輛，若采用上述道路匹配模型得到的道路可能包含反方向的道路。這樣會給后續(xù)的延時匹配造成干擾。異常匹配道路模型就是解決以上問題的匹配模型。
??? 對于大型城市的復雜道路，如主輔路、立交橋等，道路與道路之間的距離近，角度差小，有時投影到平面上幾乎是重合的。在這樣的路網環(huán)境下，通過單一GPS數(shù)據(jù)往往無法確定車輛的確切位置，這時就需要通過相同車輛的多個GPS數(shù)據(jù)來聯(lián)合判斷車輛的行駛軌跡，待定模型就是解決這類問題的一個迭代模型。在設計以上模型基礎上可以采用最小距離算法實現(xiàn)地圖匹配。原理是通過計算GPS點到各個候選路段的距離，選擇距離最小的那條路段作為匹配路段，GPS點到該路段的投影即為匹配點。
2．3 浮動車交通流分析子系統(tǒng)
??? 交通流分析首先篩選符合條件的浮動車數(shù)據(jù)，建立動態(tài)交通流數(shù)據(jù)模型，然后以此模型獲得浮動車行程時間、平均速度、交通流量等交通信息。
2．3．1 建立交通流模型
??? 由于采集的信息中包含大量車輛，可能會產生一些錯誤和干擾信息，為了保證所采集的信息盡可能有效，必須對樣本進行必要的篩選。本方案首先將這些數(shù)據(jù)按照車輛ID進行區(qū)分，由于每個浮動車的ID在系統(tǒng)中是惟一的，所以根據(jù)車輛ID將數(shù)據(jù)進行分類是有效的。其次，設定一個閾值，當路段上某車輛的GPS數(shù)據(jù)點數(shù)小于一定閾值時，例如速度高于閾值，就認為是干擾數(shù)據(jù)，該車輛的數(shù)據(jù)將被剔除。最后，將符合條件篩選出的浮動車輛的GPS數(shù)據(jù)作為交通流樣本模型，并以此樣本模型計算每輛獨立車輛的行程時間和平均速度。

2．3．2 交通流數(shù)據(jù)估算
??? 交通流估算是在計算出了獨立車輛的行程時間和平均速度基礎上，確定浮動車的樣本數(shù)并從中抽樣進行交通流分析。樣本數(shù)越大估算結果的可靠性越高，但同時估算速度和效率也就越低。經過仿真實驗，認為樣本數(shù)最小為整個浮動車數(shù)目的75 ％即可滿足估算要求。具體計算如下：
??? (1)平均速度估算
??? 平均速度可以用兩種方法來計算，即時間平均速度和空間平均速度。時間平均速度是指道路某一斷面車速分布的平均值，即斷面上所有車輛點速度的算術平均值。空間平均速度是指在給定路段上，同一瞬間車速分布的評價值。
??? (2)行程時間計算
??? 行程時間估計的方法有兩種：第一種是直接測量法，把觀測路段分成小段，計算浮動車在每一小段的行程時間，然后把這些行程時間進行相加，得到總得行程時間；第二種是間接測量法，根據(jù)上面計算出來的路段平均速度，用路段長度除以路段平均速度，得到行程時間。
??? (3)交通流量估計
??? 交通流量估算是指在單位時間內，通過道路某一地點，某一斷面或某一條道路的車輛數(shù)，一般流量和空間平均速度具有一定的關系，可以根據(jù)上面計算的空間平均值估計交通流量數(shù)據(jù)。
??? 當獨立車輛數(shù)目小于最小浮動車樣本數(shù)時，繼續(xù)采用以上方法計算交通流參數(shù)勢必造成很大誤差，此時必須使用單個GPSs浮動車的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)估計。
2．4 3G移動互聯(lián)子系統(tǒng)
??? 3G移動通信網絡實現(xiàn)整個系統(tǒng)之間信息交換的互傳，子系統(tǒng)結構如圖5所示。

??? 網絡服務商可以選用中國移動，也可以選用中國電信。系統(tǒng)設備包括信息控制中心計算機、顯示設備、控制設備、存儲設備和車載導航設備及個人用戶等。其中信息控制計算機用來為移動網絡訪問服務，這些訪問首先經由服務器響應，然后通過服務器互傳相應的交通信息。其他設備可以與車載娛樂設備或非導航與無線互連系統(tǒng)共用。例如，顯示設備可以用來顯示汽車電控儀表系統(tǒng)適合在屏幕顯示的信號；音響設備可以和汽車的電視、DVD等系統(tǒng)共用。

3 結語

??? 浮動車交通信息采集系統(tǒng)在智能交通領域受到越來越多的關注，本文探討了即將在我國廣泛推行的3G通信技術和浮動車信息采集系統(tǒng)功能要求，提出了基于3G技術的浮動車信息系統(tǒng)的設計方案，重點描述了浮動車數(shù)據(jù)采集、地國；科匹配和交通流估算方法。這種新的交通信息采集方法有著建設成本低、實時性強、傳輸速度高、數(shù)據(jù)傳輸量大優(yōu)點，它的實現(xiàn)和推廣應用將會對交通管理和服務提供良好的交通支持。