近年來(lái)，第三代移動(dòng)通信技術(shù)(3G)已經(jīng)在世界上有些國(guó)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(guò)3G移動(dòng)通信技術(shù)更能實(shí)現(xiàn)交通信息的交互和實(shí)時(shí)傳遞。浮動(dòng)車(chē)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(lái)的一種交通流信息采集技術(shù)，浮動(dòng)車(chē)技術(shù)研究已經(jīng)成為我國(guó)智能交通系統(tǒng)(ITS)的熱點(diǎn)。
本文從分析浮動(dòng)車(chē)信息采集系統(tǒng)功能人手，提出了基于3G數(shù)字移動(dòng)通信技術(shù)的浮動(dòng)車(chē)信息采集的一種新的解決方案。
1 浮動(dòng)車(chē)信息采集系統(tǒng)功能
浮動(dòng)車(chē)輛通常是指裝有定位和無(wú)線通訊裝置的車(chē)輛，其所采集的數(shù)據(jù)一般包括時(shí)間、位置坐標(biāo)、瞬時(shí)速度、行駛方向、運(yùn)行狀態(tài)及其他內(nèi)容。浮動(dòng)車(chē)交通信息采集是指通過(guò)采集浮動(dòng)車(chē)輛運(yùn)行數(shù)據(jù)并進(jìn)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(chē)誘導(dǎo)等方面。浮動(dòng)車(chē)交通信息采集系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)功能如圖1所示。
1．1 浮動(dòng)車(chē)交通流數(shù)據(jù)采集
浮動(dòng)車(chē)輛交通流數(shù)據(jù)采集是指浮動(dòng)車(chē)量通過(guò)GPS定位裝置等，采集運(yùn)行數(shù)據(jù)并通過(guò)無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)將運(yùn)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(yùn)行數(shù)據(jù)，必須確定浮動(dòng)車(chē)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(dòng)車(chē)采集到的車(chē)輛數(shù)據(jù)與數(shù)字電子地圖數(shù)據(jù)庫(kù)中的道路信息進(jìn)行比較，通過(guò)一定的匹配算法確定出車(chē)輛可能的位置和最可能的行駛路段。浮動(dòng)車(chē)地圖匹配算法是系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)間和平均速度，通過(guò)路段旅行時(shí)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(shí)時(shí)交通流狀況顯示在電子地圖或可變情報(bào)板上，從而為交通服務(wù)、交通管理和出行者提供實(shí)時(shí)直觀的交通狀態(tài)信息。
1．4 信息無(wú)線傳輸
信息無(wú)線傳輸是指以無(wú)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(shí)現(xiàn)浮動(dòng)車(chē)采集信息的互傳。無(wú)線互連除了能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸功能外，車(chē)輛駕駛員還能夠通過(guò)它接人Internet，隨時(shí)隨地收發(fā)電子郵件和娛樂(lè)等。
2 基于3G技術(shù)的浮動(dòng)車(chē)信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)
根據(jù)以上浮動(dòng)車(chē)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(dòng)通信技術(shù)浮動(dòng)車(chē)信息采集系統(tǒng)由浮動(dòng)車(chē)數(shù)據(jù)采集、地圖匹配、交通流分析和3G無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)四個(gè)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(jì)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(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(yùn)行數(shù)據(jù)；通過(guò)車(chē)載端的無(wú)線通信終端設(shè)備采用3G通信技術(shù)將上述信息實(shí)時(shí)傳輸給數(shù)據(jù)控制中心，同時(shí)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(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(yùn)行狀態(tài)等，如圖3所示。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮以下參數(shù)：浮動(dòng)車(chē)覆蓋率、計(jì)算時(shí)間間隔、采集時(shí)間間隔、測(cè)量時(shí)間等。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)得出每個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)橫斷面浮動(dòng)車(chē)數(shù)量計(jì)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(dá)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(yīng)該縮小，反則增大?？梢栽诠ぷ髡具\(yùn)用一些更加精巧的估計(jì)算法來(lái)減小其對(duì)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(dāng)數(shù)據(jù)的年齡超過(guò)10 min時(shí)，對(duì)實(shí)時(shí)速度數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單線性衰退處理基本能對(duì)實(shí)時(shí)的估計(jì)起到比較滿(mǎn)意的效果。
2．2 地圖匹配子系統(tǒng)
地圖匹配是實(shí)現(xiàn)整個(gè)浮動(dòng)車(chē)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(duì)GIS數(shù)據(jù)和地圖數(shù)據(jù)預(yù)處理兩個(gè)方面。
由于GIS數(shù)據(jù)一般是以矢量格式存儲(chǔ)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(duì)性(方向)，還要對(duì)地圖數(shù)據(jù)預(yù)處理。首先進(jìn)行地理坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，使浮動(dòng)車(chē)定位數(shù)據(jù)和地圖庫(kù)數(shù)據(jù)所采用的地理坐標(biāo)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(tǒng)計(jì)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(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(dòng)車(chē)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(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?fù)浣Y(jié)構(gòu)之上，如圖4所示。并且針對(duì)道路的實(shí)際情況設(shè)計(jì)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(xiàn)正常情況下待匹配道路的匹配，并對(duì)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(xù)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(duì)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(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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shè)計(jì)以上模型基礎(chǔ)上可以采用最小距離算法實(shí)現(xiàn)地圖匹配。原理是通過(guò)計(jì)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(tǒng)
交通流分析首先篩選符合條件的浮動(dòng)車(chē)數(shù)據(jù)，建立動(dòng)態(tài)交通流數(shù)據(jù)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(cuò)誤和干擾信息，為了保證所采集的信息盡可能有效，必須對(duì)樣本進(jìn)行必要的篩選。本方案首先將這些數(shù)據(jù)按照車(chē)輛ID進(jìn)行區(qū)分，由于每個(gè)浮動(dòng)車(chē)的ID在系統(tǒng)中是惟一的，所以根據(jù)車(chē)輛ID將數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)是有效的。其次，設(shè)定一個(gè)閾值，當(dāng)路段上某車(chē)輛的GPS數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)小于一定閾值時(shí)，例如速度高于閾值，就認(rèn)為是干擾數(shù)據(jù)，該車(chē)輛的數(shù)據(jù)將被剔除。最后，將符合條件篩選出的浮動(dòng)車(chē)輛的GPS數(shù)據(jù)作為交通流樣本模型，并以此樣本模型計(jì)算每輛獨(dú)立車(chē)輛的行程時(shí)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(jì)算出了獨(dú)立車(chē)輛的行程時(shí)間和平均速度基礎(chǔ)上，確定浮動(dòng)車(chē)的樣本數(shù)并從中抽樣進(jìn)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(shí)估算速度和效率也就越低。經(jīng)過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為樣本數(shù)最小為整個(gè)浮動(dòng)車(chē)數(shù)目的75 ％即可滿(mǎn)足估算要求。具體計(jì)算如下：
(1)平均速度估算
平均速度可以用兩種方法來(lái)計(jì)算，即時(shí)間平均速度和空間平均速度。時(shí)間平均速度是指道路某一斷面車(chē)速分布的平均值，即斷面上所有車(chē)輛點(diǎn)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(chē)速分布的評(píng)價(jià)值。
(2)行程時(shí)間計(jì)算
行程時(shí)間估計(jì)的方法有兩種：第一種是直接測(cè)量法，把觀測(cè)路段分成小段，計(jì)算浮動(dòng)車(chē)在每一小段的行程時(shí)間，然后把這些行程時(shí)間進(jìn)行相加，得到總得行程時(shí)間；第二種是間接測(cè)量法，根據(jù)上面計(jì)算出來(lái)的路段平均速度，用路段長(zhǎng)度除以路段平均速度，得到行程時(shí)間。
(3)交通流量估計(jì)
交通流量估算是指在單位時(shí)間內(nèi)，通過(guò)道路某一地點(diǎn)，某一斷面或某一條道路的車(chē)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(jì)算的空間平均值估計(jì)交通流量數(shù)據(jù)。
當(dāng)獨(dú)立車(chē)輛數(shù)目小于最小浮動(dòng)車(chē)樣本數(shù)時(shí)，繼續(xù)采用以上方法計(jì)算交通流參數(shù)勢(shì)必造成很大誤差，此時(shí)必須使用單個(gè)GPSs浮動(dòng)車(chē)的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)估計(jì)。
2．4 3G移動(dòng)互聯(lián)子系統(tǒng)
3G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)整個(gè)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(guó)移動(dòng)，也可以選用中國(guó)電信。系統(tǒng)設(shè)備包括信息控制中心計(jì)算機(jī)、顯示設(shè)備、控制設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備和車(chē)載導(dǎo)航設(shè)備及個(gè)人用戶(hù)等。其中信息控制計(jì)算機(jī)用來(lái)為移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)服務(wù)，這些訪問(wèn)首先經(jīng)由服務(wù)器響應(yīng)，然后通過(guò)服務(wù)器互傳相應(yīng)的交通信息。其他設(shè)備可以與車(chē)載娛樂(lè)設(shè)備或非導(dǎo)航與無(wú)線互連系統(tǒng)共用。例如，顯示設(shè)備可以用來(lái)顯示汽車(chē)電控儀表系統(tǒng)適合在屏幕顯示的信號(hào)；音響設(shè)備可以和汽車(chē)的電視、DVD等系統(tǒng)共用。
3 結(jié)語(yǔ)
浮動(dòng)車(chē)交通信息采集系統(tǒng)在智能交通領(lǐng)域受到越來(lái)越多的關(guān)注，本文探討了即將在我國(guó)廣泛推行的3G通信技術(shù)和浮動(dòng)車(chē)信息采集系統(tǒng)功能要求，提出了基于3G技術(shù)的浮動(dòng)車(chē)信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)描述了浮動(dòng)車(chē)數(shù)據(jù)采集、地國(guó)；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(shí)時(shí)性強(qiáng)、傳輸速度高、數(shù)據(jù)傳輸量大優(yōu)點(diǎn)，它的實(shí)現(xiàn)和推廣應(yīng)用將會(huì)對(duì)交通管理和服務(wù)提供良好的交通支持。