基于3G技術(shù)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(shù)(3G)已經(jīng)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(shù)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(shù)應(yīng)用而在近幾年發(fā)展起來的一種交通流信息采集技術(shù)，浮動車技術(shù)研究已經(jīng)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(shù)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(biāo)、瞬時速度、行駛方向、運行狀態(tài)及其他內(nèi)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(yīng)用于交通信息服務(wù)、交通管理和停車誘導(dǎo)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(wǎng)絡(luò)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(shè)計關(guān)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(chǔ)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(jié)果與預(yù)先設(shè)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(wù)、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(wǎng)(RAN)和分組交換公共數(shù)據(jù)網(wǎng)(Packet Switched Public DataNetwork，PSPDN)之間的網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)浮動車采集信息的互傳。無線互連除了能夠?qū)崿F(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(shù)的浮動車信息采集系統(tǒng)設(shè)計
    根據(jù)以上浮動車信息采集系統(tǒng)應(yīng)具備的功能分析，本文提出的基于3G移動通信技術(shù)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(wǎng)絡(luò)四個子系統(tǒng)組成，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)總體方案如圖2所示。系統(tǒng)各子系統(tǒng)設(shè)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(wǎng)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(shè)備采用3G通信技術(shù)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(jīng)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(shè)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(nèi)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(yīng)該縮小，反則增大?？梢栽诠ぷ髡具\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(dāng)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(guān)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(yù)處理并確定匹配路段。
2．2．1 數(shù)據(jù)預(yù)處理
    數(shù)據(jù)預(yù)處理包括對GIS數(shù)據(jù)和地圖數(shù)據(jù)預(yù)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(yù)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(yù)處理。首先進行地理坐標(biāo)系轉(zhuǎn)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(biāo)系一致。其次通過一定算法確定候選路段，常用的算法有：網(wǎng)格法、概率統(tǒng)計法、誤差橢圓法、條帶分割法等。本文采用網(wǎng)格法。該方法的原理是將電子地圖按照一定的網(wǎng)格進行劃分，然后找到GPS點所在網(wǎng)格，該網(wǎng)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(dǎo)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(dǎo)航中都有非常廣泛應(yīng)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(wǎng)格拓撲結(jié)構(gòu)之上，如圖4所示。并且針對道路的實際情況設(shè)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(fù)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(wǎng)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(shè)計以上模型基礎(chǔ)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(chǎn)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(shè)定一個閾值，當(dāng)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(chǔ)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(jié)果的可靠性越高，但同時估算速度和效率也就越低。經(jīng)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(shù)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(nèi)，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(guān)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(dāng)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(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)整個系統(tǒng)之間信息交換的互傳，子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

    網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商可以選用中國移動，也可以選用中國電信。系統(tǒng)設(shè)備包括信息控制中心計算機、顯示設(shè)備、控制設(shè)備、存儲設(shè)備和車載導(dǎo)航設(shè)備及個人用戶等。其中信息控制計算機用來為移動網(wǎng)絡(luò)訪問服務(wù)，這些訪問首先經(jīng)由服務(wù)器響應(yīng)，然后通過服務(wù)器互傳相應(yīng)的交通信息。其他設(shè)備可以與車載娛樂設(shè)備或非導(dǎo)航與無線互連系統(tǒng)共用。例如，顯示設(shè)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(shè)備可以和汽車的電視、DVD等系統(tǒng)共用。

3 結(jié)語

    浮動車交通信息采集系統(tǒng)在智能交通領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注，本文探討了即將在我國廣泛推行的3G通信技術(shù)和浮動車信息采集系統(tǒng)功能要求，提出了基于3G技術(shù)的浮動車信息系統(tǒng)的設(shè)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(shè)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(yīng)用將會對交通管理和服務(wù)提供良好的交通支持。