浮動車技術(shù)在動態(tài)交通系統(tǒng)中的應(yīng)用

王軍

煙臺市交通運輸服務(wù)中心 山東 煙臺 264000

引言

城市交通管理方案的制定與公眾出行信息服務(wù)在很大程度上依賴于實時、準確的交通信息，但是傳統(tǒng)上獲取交通流量、地點速度、排隊長度很難滿足城市交通誘導(dǎo)中交通狀態(tài)判別、旅行時間預(yù)測等的需求，亟須實時動態(tài)交通信息的海量采集、快速處理、及時發(fā)布技術(shù)支撐。浮動車在交通中的功能主要是全天候、實時、廣泛地采集多種交通信息[1]，基于浮動車的動態(tài)交通信息采集處理與發(fā)布技術(shù)可以很好地解決上述問題。

鑒于此，本文基于浮動車技術(shù)首先分析了動態(tài)交通數(shù)據(jù)采集和處理的關(guān)鍵技術(shù)，并對數(shù)據(jù)處理模型與相關(guān)算法進行了對比，結(jié)合上述技術(shù)探討了浮動車交通信息系統(tǒng)的構(gòu)建方法。

1 數(shù)據(jù)采集與處理關(guān)鍵技術(shù)

1.1 浮動車樣本優(yōu)化技術(shù)

采用浮動車技術(shù)采集路網(wǎng)交通信息時，面臨的一個問題就是路網(wǎng)上需要分配多少浮動車，才能滿足交通參數(shù)估計精度要求[2]。如果在某個時間段內(nèi)，僅有一輛或少數(shù)幾輛浮動車提供了運行特征數(shù)據(jù)，則據(jù)此估計的交通流整體運行特征將會有較低的可靠性。相反，如果在某個時間段內(nèi)能夠獲得全部車輛的運行特征數(shù)據(jù)，則估計出的交通流整體特征具有較高的可靠性。在通常情況下，浮動車的數(shù)量越多，所獲得的體現(xiàn)交通流總體特征的交通數(shù)據(jù)的成本越高。因此，有必要在交通數(shù)據(jù)的可靠性和成本之間進行綜合平衡。

1.2 動態(tài)數(shù)據(jù)的預(yù)處理技術(shù)

在浮動車上傳的數(shù)據(jù)中，往往存在一些異常數(shù)據(jù)，對這些異常數(shù)據(jù)處理的方法，將直接影響到行程時間估計和旅行速度估計的可靠性。整個動態(tài)數(shù)據(jù)的預(yù)處理過程可分為：①動態(tài)交通數(shù)據(jù)故障的識別：包括丟失數(shù)據(jù)的識別、錯誤數(shù)據(jù)的識別；②動態(tài)交通數(shù)據(jù)故障的修復(fù)：可通過前一天的歷史趨勢數(shù)據(jù)進行修復(fù)，也可采用歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)的加權(quán)平均進行修復(fù)或采用相鄰時段數(shù)據(jù)的平均值進行修復(fù)；③動態(tài)交通數(shù)據(jù)的濾波：實際交通數(shù)據(jù)的隨機成分會影響交通狀態(tài)判別的效果，而交通數(shù)據(jù)的故障識別與修復(fù)處理方法只能對故障數(shù)據(jù)進行處理，所以在將實際交通數(shù)據(jù)輸入到交通狀態(tài)判別模型之前，對數(shù)據(jù)進行濾波處理是非常必要的。常用的濾波方法有“移動平均法”、“指數(shù)平滑法”和“卡爾曼濾波”等。④歷史趨勢數(shù)據(jù)的更新：歷史趨勢數(shù)據(jù)的有效利用能夠保證交通模型的穩(wěn)定性和減少實測數(shù)據(jù)中的隨機干擾對模型的不良影響。所以在對交通狀態(tài)進行判別和預(yù)測前，需要建立一天中每個時段的交通參數(shù)歷史數(shù)據(jù)，可采用移動平均和指數(shù)平滑法對歷史趨勢數(shù)據(jù)庫進行更新。

1.3 地圖匹配技術(shù)

地圖匹配是浮動車交通信息采集與處理過程中的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。其基本思想是將定位裝置獲得的車輛定位軌跡與電子地圖數(shù)據(jù)庫中的道路信息進行比較，通過某種特定的算法確定出車輛最可能的行駛路段及車輛在此路段上最可能的位置。目前，已提出了若干地圖匹配算法，在這些基本方法的基礎(chǔ)上，還可以綜合道路網(wǎng)絡(luò)的連通性信息、車輛行駛方向和交通規(guī)則約束等信息，應(yīng)用模式識別、決策規(guī)劃和模糊邏輯等方法進行匹配。

1.4 道路交通運行狀況估算方法

用于表征道路交通運行狀況的指標主要有：路段或路徑行程時間、路段平均速度、排隊長度、擁堵持續(xù)時間和通行能力等[3]。浮動車系統(tǒng)上傳的信息中主要有車輛的坐標位置、速度和回傳時間，因此在應(yīng)用浮動車信息估算道路運行狀況時，國內(nèi)外常用的指標就是“路段行程時間”和“平均旅行速度”。行程時間不僅反映了出行者在整個出行過程中的效率，同時也反映路網(wǎng)的服務(wù)水平，是衡量道路網(wǎng)絡(luò)交通運行狀態(tài)好壞的一個非常直觀的參數(shù)。路段行程時間的估算方法較多，主要有“基于時間序列的估算模型”、“基于回歸分析的估算模型”以及“基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的估算模型”等。

1.5 擁堵狀態(tài)判別技術(shù)

根據(jù)浮動車采集的交通信息特點以及浮動車采集方式的不同，已形成了“基于路段行程時間的道路交通擁堵狀態(tài)判別方法”、“基于相鄰路段行程時間變化的道路交通擁堵狀態(tài)判別方法”、“基于平均速度的道路交通擁堵狀態(tài)判別方法”、“基于車輛瞬時速度的道路交通擁堵判別方法”以及“基于SS/ST（short stop/short trip）的道路擁堵判別方法”等[4]。通過將路段行程時間或路段平均速度估計及預(yù)測結(jié)果與預(yù)先設(shè)定的閾值比較，區(qū)分暢通、擁擠、堵塞等不同狀態(tài)，可用不同顏色在點在地圖或可變情報板上表示出路段的擁堵狀態(tài)，提供給交通管理部門和出行者直觀的交通狀態(tài)信息。

2 浮動車交通信息系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 設(shè)計目標

設(shè)計的系統(tǒng)貫穿信息數(shù)據(jù)采集、處理/分析、發(fā)布三階段，設(shè)計時應(yīng)充分考慮系統(tǒng)的整體性、連通性，并盡量在軟硬件功能和性能方面保持一致，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。作為城市綜合智能交通控制系統(tǒng)的一部分還應(yīng)考慮與其他相關(guān)系統(tǒng)的相互兼容性，因此，本系統(tǒng)的設(shè)計方案應(yīng)具有很好的開放性、互聯(lián)性和擴展性，使其能在較長的一段時期內(nèi)適應(yīng)新技術(shù)發(fā)展的形勢，提高系統(tǒng)的靈活性。設(shè)計時遵循以下原則：①標準化：保證系統(tǒng)內(nèi)部信息采集、傳輸、編碼、存儲符合國家信息化建設(shè)技術(shù)標準，同時確保系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)符合國家通用標準。②先進性：系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)有前瞻性，硬件設(shè)備、軟件技術(shù)應(yīng)能適應(yīng)新技術(shù)的發(fā)展趨勢。③可靠性：為使系統(tǒng)可靠地運行，一方面，軟硬件設(shè)備設(shè)施要選用高品質(zhì)的產(chǎn)品，把故障率降到最低；另一方面，利用系統(tǒng)容錯技術(shù)，確保故障時系統(tǒng)仍能繼續(xù)運行、不停機，使故障損失降到最小。④安全性：為確保系統(tǒng)安全，應(yīng)采取較強的管理機制、控制手段、事故監(jiān)控和安全保密等措施，從而提高整個系統(tǒng)的安全性。⑤可擴展性：技術(shù)選用、設(shè)備選型上充分考慮中遠期的系統(tǒng)升級和擴容需求，確保系統(tǒng)數(shù)據(jù)量不斷增長和業(yè)務(wù)需求日益復(fù)雜的情況下具備平滑升級的能力。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

按照系統(tǒng)功能實現(xiàn)的要求，可將浮動車信息系統(tǒng)劃分為3個層次，分別為接入層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層。

2.2.1 接入層。該層是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)層，負責系統(tǒng)基本信息的采集，其中包括車輛牌照、經(jīng)緯度信息、地點車速、車頭方向及定位時刻。

2.2.2 數(shù)據(jù)層。該層主要包括了7部分功能：數(shù)據(jù)檢驗規(guī)范化、數(shù)據(jù)存儲備份、數(shù)據(jù)加工處理挖掘分析、路徑規(guī)劃、基于營運車輛的路網(wǎng)動態(tài)交通運行分析、信息發(fā)布網(wǎng)關(guān)。

2.2.3 應(yīng)用層。將處理得到的道路運行狀態(tài)、預(yù)計旅行時間、擁擠狀態(tài)等信息實時反饋給交通管理部門便于及時進行交通管理控制，同時為未來城市交通規(guī)劃提供相關(guān)交通數(shù)據(jù)；同時，將這些信息通過公眾出行網(wǎng)站、交通廣播、短信服務(wù)等手段發(fā)布給公眾，使其能方便獲知和查詢，提高出行效率。另一方面，系統(tǒng)還將車輛定位信息及車況信息等發(fā)送給運輸企業(yè)，方便其經(jīng)營管理運輸車輛。

2.3 系統(tǒng)功能

根據(jù)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及功能需求分析，浮動車信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流示意圖，如圖1所示。

2.3.1 道路交通態(tài)勢圖的發(fā)布和查詢。通過公眾出行網(wǎng)站、車載終端以電臺廣播等方式發(fā)布實時交通狀況，響應(yīng)用戶的道路擁堵狀態(tài)查詢。

2.3.2 旅行時間、擁堵狀態(tài)的估計和查詢。利用網(wǎng)站、車載終端、可變情報板發(fā)布到達某個目的地的實時旅行時間估計（根據(jù)道路擁堵狀況動態(tài)估計旅行時間）；通過網(wǎng)站、呼叫中心等接收實時旅行時間估計的查詢，并推斷道路擁堵狀態(tài)。

2.3.3 交通信息統(tǒng)計分析和查詢。該項功能可供交通管理、規(guī)劃部門應(yīng)用。通過分析、統(tǒng)計歷史交通信息，對路段不同日期、相同時間段的速度統(tǒng)計比較； 對路段同一日不同時間段的速度比較；經(jīng)常出現(xiàn)擁堵的路段（即在一定速度范圍內(nèi)的路段），需要結(jié)合歷史數(shù)據(jù)進行綜合統(tǒng)計分析。

2.3.4 載導(dǎo)航與行車誘導(dǎo)。為避免行車途中的擁堵問題，在固定時間間隔（例如每15分鐘）更新一次道路路況實時信息，并提供在線查詢和最佳行車路線誘導(dǎo)服務(wù)。

2.3.5 車輛監(jiān)控與調(diào)度指揮。監(jiān)控危險品運輸車輛、運鈔車，確保運輸安全；實現(xiàn)對出租車、公交車的調(diào)度和指揮；為個人汽車提供防盜監(jiān)視服務(wù)。

2.3.6 交通預(yù)測。通過動態(tài)交通信息采集，構(gòu)建城市交通信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，同時結(jié)合城市道路交通參數(shù)，運用各種推理技術(shù)預(yù)測未來交通流量，為城市道路規(guī)劃、道路建設(shè)提供決策依據(jù)。

3 結(jié)束語

浮動車是目前國際上ITS領(lǐng)域中一種先進的道路交通信息采集技術(shù)，其具有低成本、覆蓋面廣、實時獲取等優(yōu)點，通過浮動車數(shù)據(jù)可以實時獲取交通狀態(tài)，對路網(wǎng)的交通狀況進行辨識與評價。本文通過分析動態(tài)交通數(shù)據(jù)采集和處理的關(guān)鍵技術(shù)，比較浮動車技術(shù)相關(guān)的算法優(yōu)劣，探討了浮動車交通信息系統(tǒng)的構(gòu)建方法。本文可為交通管理部門在交通控制、交通誘導(dǎo)方面提供決策支持。