基于3G技術(shù)的浮動(dòng)車(chē)交通信息采集系統研究

2 基于3G技術(shù)的浮動(dòng)車(chē)信息采集系統設計
根據以上浮動(dòng)車(chē)信息采集系統應具備的功能分析，本文提出的基于3G移動(dòng)通信技術(shù)浮動(dòng)車(chē)信息采集系統由浮動(dòng)車(chē)數據采集、地圖匹配、交通流分析和3G無(wú)線(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )四個(gè)子系統組成，系統網(wǎng)絡(luò )總體方案如圖2所示。系統各子系統設計分別闡述如下。

2．1 數據采集子系統
數據采集子系統通過(guò)路網(wǎng)上行駛的安裝在浮動(dòng)車(chē)上的車(chē)載端GPS接收器采集車(chē)輛運行數據；通過(guò)車(chē)載端的無(wú)線(xiàn)通信終端設備采用3G通信技術(shù)將上述信息實(shí)時(shí)傳輸給數據控制中心，同時(shí)還接收數據中心發(fā)送的命令。該子系統主要完成以下數據采集：車(chē)輛交通流、時(shí)間、車(chē)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。

系統設計時(shí)主要考慮以下參數：浮動(dòng)車(chē)覆蓋率、計算時(shí)間間隔、采集時(shí)間間隔、測量時(shí)間等。通過(guò)仿真實(shí)驗得出每個(gè)時(shí)間間隔內橫斷面浮動(dòng)車(chē)數量計算公式為：
Np=P?(Q?ta／60)
一般情況下，在高速公路上只要浮動(dòng)車(chē)覆蓋率為3％時(shí)即可，在城市道路上覆蓋率為5％即可達到滿(mǎn)意效果。采集時(shí)間間隔必須考慮覆蓋率。浮動(dòng)車(chē)覆蓋率低，采集間隔應該縮小，反則增大?？梢栽诠ぷ髡具\用一些更加精巧的估計算法來(lái)減小其對實(shí)時(shí)性的影響，一般取采集頻率為1 min，上傳中心頻率為5 min。當數據的年齡超過(guò)10 min時(shí)，對實(shí)時(shí)速度數據進(jìn)行簡(jiǎn)單線(xiàn)性衰退處理基本能對實(shí)時(shí)的估計起到比較滿(mǎn)意的效果。
2．2 地圖匹配子系統
地圖匹配是實(shí)現整個(gè)浮動(dòng)車(chē)采集信息系統功能的關(guān)鍵，目的是減小GPS數據和GIS數據的匹配誤差。為此，要對數據進(jìn)行預處理并確定匹配路段。
2．2．1 數據預處理
數據預處理包括對GIS數據和地圖數據預處理兩個(gè)方面。
由于GIS數據一般是以矢量格式存儲且所有路段都是以曲線(xiàn)形式表現的，為此，先將路段曲線(xiàn)預分割成為多條首尾連接的有向線(xiàn)段，從而使每條路段變成了一些線(xiàn)段的集合。這樣可以大大提高后續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)，還要對地圖數據預處理。首先進(jìn)行地理坐標系轉換，使浮動(dòng)車(chē)定位數據和地圖庫數據所采用的地理坐標系一致。其次通過(guò)一定算法確定候選路段，常用的算法有：網(wǎng)格法、概率統計法、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(jìn)行劃分，然后找到GPS點(diǎn)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(chē)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(dòng)車(chē)數量大、匹配速度要求高，采用上述單一的傳統算法都難以滿(mǎn)足浮動(dòng)車(chē)地圖匹配要求。為此，本文提出分類(lèi)模型算法的思想。它建立在一個(gè)道路網(wǎng)格拓撲結構之上，如圖4所示。并且針對道路的實(shí)際情況設計了不同的道路匹配算法。

正常匹配模型是整個(gè)地圖匹配模型的入口，實(shí)現正常情況下待匹配道路的匹配，并對其進(jìn)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(jìn)入下一個(gè)匹配模型。
但由于各種誤差，如雙向車(chē)道的反方向車(chē)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(huì )給后續的延時(shí)匹配造成干擾。異常匹配道路模型就是解決以上問(wèn)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(shí)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(guò)單一GPS數據往往無(wú)法確定車(chē)輛的確切位置，這時(shí)就需要通過(guò)相同車(chē)輛的多個(gè)GPS數據來(lái)聯(lián)合判斷車(chē)輛的行駛軌跡，待定模型就是解決這類(lèi)問(wèn)題的一個(gè)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(shí)現地圖匹配。原理是通過(guò)計算GPS點(diǎn)到各個(gè)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(diǎn)到該路段的投影即為匹配點(diǎn)。
2．3 浮動(dòng)車(chē)交通流分析子系統
交通流分析首先篩選符合條件的浮動(dòng)車(chē)數據，建立動(dòng)態(tài)交通流數據模型，然后以此模型獲得浮動(dòng)車(chē)行程時(shí)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(chē)輛，可能會(huì )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(jìn)行必要的篩選。本方案首先將這些數據按照車(chē)輛ID進(jìn)行區分，由于每個(gè)浮動(dòng)車(chē)的ID在系統中是惟一的，所以根據車(chē)輛ID將數據進(jìn)行分類(lèi)是有效的。其次，設定一個(gè)閾值，當路段上某車(chē)輛的GPS數據點(diǎn)數小于一定閾值時(shí)，例如速度高于閾值，就認為是干擾數據，該車(chē)輛的數據將被剔除。最后，將符合條件篩選出的浮動(dòng)車(chē)輛的GPS數據作為交通流樣本模型，并以此樣本模型計算每輛獨立車(chē)輛的行程時(shí)間和平均速度。