分體信息互聯(lián)模式下的車輛軌跡數(shù)據(jù)采集方法

摘 要：基于現(xiàn)有移動(dòng)車載交通數(shù)據(jù)采集設(shè)備都是由汽車改裝成的專用檢測(cè)車輛，價(jià)格昂貴、數(shù)據(jù)處理方法傳統(tǒng)、時(shí)效性差的不足。論文旨在車輛上搭載一種常使用的具有數(shù)據(jù)傳感及信息互聯(lián)功能的智能設(shè)備（如智能手機(jī)），搭建獨(dú)立于車輛的數(shù)據(jù)采集、交互及預(yù)處理系統(tǒng)，為交通流分析提供所需的車輛軌跡大數(shù)據(jù)集。本系統(tǒng)不同于專門(mén)的OBD設(shè)備，可充分利用已淘汰智能終端內(nèi)的傳感器功能，且成本低廉，還是一個(gè)可不斷擴(kuò)展開(kāi)放平臺(tái)，具有可持續(xù)開(kāi)發(fā)特征，是一種創(chuàng)新的數(shù)字化賦能方法。

關(guān)鍵詞：互聯(lián)+ 分體互聯(lián) 車輛軌跡 智能傳感

0 引言

我國(guó)現(xiàn)有移動(dòng)車載交通數(shù)據(jù)采集設(shè)備都是由汽車改裝而成的專用檢測(cè)車輛，價(jià)格昂貴且數(shù)據(jù)采集、存貯和預(yù)處理方法落后，時(shí)效性差[1]。在當(dāng)今城市交通管理中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和解析車流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)至關(guān)重要。V2X[2-3]技術(shù)的不斷普及為車輛間通信和車輛與基礎(chǔ)設(shè)施之間的交互提供了新的可能。在這個(gè)框架下，借助于智能傳感設(shè)備賦能的車輛，可實(shí)現(xiàn)車輛間信息互換、主動(dòng)感知周圍車輛，甚至路側(cè)設(shè)施，從而實(shí)現(xiàn)更智能地實(shí)時(shí)感知、解析交通流中車輛運(yùn)行狀態(tài)。

目前，我國(guó)自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展階段仍處于L3[4]。道路上，對(duì)自身周邊道路運(yùn)行狀態(tài)具有智能感知的網(wǎng)聯(lián)車輛的滲透率非常低，常規(guī)人工駕駛的車輛占絕大多數(shù)。從實(shí)現(xiàn)交通流數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集[1]，特別是不受采集現(xiàn)場(chǎng)條件限制的車輛軌跡數(shù)據(jù)采集，在現(xiàn)有車輛上搭載常使用的具有數(shù)據(jù)傳感及信息互聯(lián)功能的智能設(shè)備（如智能手機(jī)），構(gòu)建一個(gè)獨(dú)立于車輛本身的，能隨著車輛運(yùn)行，實(shí)時(shí)采集周邊車輛運(yùn)行狀態(tài)的運(yùn)行軌跡系統(tǒng)。數(shù)據(jù)預(yù)處理后可云端上傳后實(shí)時(shí)分析交通流運(yùn)行狀態(tài)。而且，這種分體信息互聯(lián)模式的車流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)捕捉與解析系統(tǒng)，可以遷移到車輛上，同樣能為長(zhǎng)車齡的傳統(tǒng)車輛具有智能感知周圍車輛狀態(tài)的能力。

1 基于智能傳感車輛軌跡數(shù)據(jù)采集原理

1.1 數(shù)據(jù)采集原理與系統(tǒng)基本架構(gòu)

車輛軌跡[1]是指車輛在行駛過(guò)程中的包括位置、行駛狀態(tài)等各類車輛信息的記錄，通常依靠GPS以及各種傳感器[2-4]進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄。車輛軌跡表示車輛的實(shí)時(shí)位置信息以及與周邊車輛、交通管理設(shè)施及管理規(guī)則信息等，由各類智能傳感設(shè)備捕捉到的原始信息，并上傳到數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)處理，或者挖掘分析次生信息，比如：駕駛行為習(xí)慣信息、交通安全信息、駕駛過(guò)程的能耗及尾氣排放信息等，為更進(jìn)一步深度學(xué)習(xí)認(rèn)識(shí)更微觀的交通流規(guī)律，分析駕駛行為規(guī)律，指導(dǎo)生態(tài)駕駛[5]、安全駕駛習(xí)慣等多方面具有非常廣闊的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用價(jià)值，數(shù)據(jù)采集原理與系統(tǒng)基本架構(gòu)如圖1所示?，F(xiàn)實(shí)的應(yīng)用場(chǎng)景，如可為某輛車提供更加科學(xué)的路徑規(guī)劃；通過(guò)對(duì)物流車輛軌跡的分析，規(guī)劃出更加高效的物流管理和運(yùn)載安排，提高運(yùn)輸效率，降低運(yùn)輸成本；對(duì)于城市交通管理部門(mén)來(lái)說(shuō)，通過(guò)收集和分析車輛的軌跡，可以了解道路的擁堵情況和交通流量分布，進(jìn)而優(yōu)化交通管制和信號(hào)燈控制；通過(guò)車輛軌跡分析還能獲取車輛尾氣排放[6]的時(shí)空規(guī)律，對(duì)于生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，踐行“雙碳”戰(zhàn)略，實(shí)現(xiàn)超低污染排放和零排放都有著重要意義。

圖1，描述了智能網(wǎng)聯(lián)條件下，數(shù)據(jù)采集及交互的通用系統(tǒng)架構(gòu)。目前市場(chǎng)上不同廠家及自動(dòng)駕駛技術(shù)級(jí)別不同的智能網(wǎng)聯(lián)汽車所配置的傳感設(shè)備都有所不同。本文立足于不考慮車輛本身傳感設(shè)備的情況下，松耦合搭載智能手機(jī)的方式，利用手機(jī)現(xiàn)有的傳感器進(jìn)行車輛軌跡數(shù)據(jù)采集方法的研究。隨著智能手機(jī)功能的不斷發(fā)展，多數(shù)都具有GPS系統(tǒng)，比如我國(guó)的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，與重力傳感器，可輕松獲取車輛的位置與海拔信息；視頻檢測(cè)功能強(qiáng)大做夠檢測(cè)與周圍車輛的距離、速度等重要的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息；部分手機(jī)具有的雷達(dá)與激光檢測(cè)功能可標(biāo)定視頻檢測(cè)側(cè)向距離精度。更具優(yōu)勢(shì)的是智能手機(jī)可輕松架構(gòu)“互聯(lián)網(wǎng)+”體系，實(shí)現(xiàn)采集、數(shù)據(jù)融合、分析、存貯及派發(fā)，真正實(shí)現(xiàn)車輛、信息采集、數(shù)據(jù)處理物理分體，信息互聯(lián)。

1.2 智能手機(jī)常見(jiàn)傳感器及其基本原理

智能手機(jī)常見(jiàn)傳感器有GPS，加速度傳感器，磁力傳感器以及距離傳感器等[7-8]。

（1）GPS主要用于獲取手機(jī)所在位置的經(jīng)緯度坐標(biāo)。這些數(shù)據(jù)可用于確定車輛或個(gè)人的位置信息，并提供導(dǎo)航和地圖服務(wù)。通過(guò)不同時(shí)間點(diǎn)的位置坐標(biāo)，可以計(jì)算車輛的移動(dòng)速度。這些數(shù)據(jù)可用于分析交通流量和車輛的行駛速度。同時(shí)不同時(shí)間點(diǎn)的位置坐標(biāo)，也可以計(jì)算車輛的移動(dòng)速度，而這些數(shù)據(jù)可用于分析交通流量和車輛的行駛速度。在交通數(shù)據(jù)采集場(chǎng)景中，GPS可用于以下方面：車輛行駛、監(jiān)測(cè)交通流量分析、導(dǎo)航和路徑規(guī)劃；

（2）加速度傳感器主要用于測(cè)量手機(jī)在三個(gè)軸上的加速度變化。這些數(shù)據(jù)可用于分析手機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，包括加速、減速、靜止等。此外，通過(guò)分析加速度數(shù)據(jù)，可以推斷手機(jī)的姿態(tài)，包括傾斜角度和方向變化。這些數(shù)據(jù)可用于檢測(cè)手機(jī)的方向和位置變化。在交通數(shù)據(jù)采集場(chǎng)景中，加速度傳感器可用于車輛運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、道路質(zhì)量評(píng)估、交通流量分析等方面；

（3）磁力傳感器主要用于測(cè)量手機(jī)周圍的磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向。這些數(shù)據(jù)可用于分析地理位置和方向信息，通過(guò)分析磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向，可以推斷手機(jī)所處的地理方向，提供指南針功能。并且，基于磁場(chǎng)信息，可實(shí)現(xiàn)手機(jī)的導(dǎo)航功能，包括定位、路線規(guī)劃和方向指引等。在交通數(shù)據(jù)采集場(chǎng)景中，磁力傳感器可用于以下方面：車輛定位、交通流量監(jiān)測(cè)、道路磁場(chǎng)分析等方面；

（4）距離傳感器主要用于檢測(cè)手機(jī)與周圍物體之間的距離。這些數(shù)據(jù)可用于測(cè)量物體之間的距離變化，包括接近和遠(yuǎn)離物體的距離。在交通數(shù)據(jù)采集場(chǎng)景中，距離傳感器可用于以下方面：車輛行駛監(jiān)測(cè)、停車輔助、交通流量監(jiān)測(cè)等方面。而ITI系統(tǒng)目前正是利用了以上傳感器，使其擁有了獨(dú)特的功能。

2 軟件系統(tǒng)架構(gòu)方法

2.1 分體信息互聯(lián)模式設(shè)想的基本動(dòng)因

在當(dāng)前普通家用汽車上，由于缺乏充足的信息采集設(shè)備，導(dǎo)致對(duì)交通流狀態(tài)的及時(shí)反饋能力不足。針對(duì)這一問(wèn)題，本項(xiàng)目研發(fā)的產(chǎn)品采用了一種創(chuàng)新的方法：利用生活中常見(jiàn)的帶有信息采集和互聯(lián)功能的設(shè)備，在任意一輛普通家用汽車上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和信息反饋的功能。

目前，我們主要采用廢舊的智能手機(jī)，通過(guò)與汽車進(jìn)行分體松耦合的方式實(shí)現(xiàn)功能。這種分體松耦合模式具有諸多優(yōu)勢(shì)：無(wú)需對(duì)原有車輛進(jìn)行改裝，耦合設(shè)備的選擇和匹配更加方便高效，成本也更低廉。相比于改裝硬件集成的專用車輛（如跟車狀態(tài)數(shù)據(jù)采集車、移動(dòng)尾氣采集車等），我們的產(chǎn)品便利性更高。此外，市場(chǎng)上現(xiàn)有的車載數(shù)據(jù)傳感設(shè)備（如激光、Lidar、WIFI、攝像頭等）價(jià)格昂貴，而我們的產(chǎn)品價(jià)格低廉，且分體松耦合結(jié)構(gòu)更易于適應(yīng)各種應(yīng)用場(chǎng)景。因此，我們的市場(chǎng)不僅局限于相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，也可應(yīng)用于業(yè)務(wù)部門(mén)的日常交通管理。

2.2 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

2.2.1 系統(tǒng)平臺(tái)

本研究開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是基于Android系統(tǒng)的，全稱Intelligent Traffic Information（ITI）系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)其功能和設(shè)計(jì)需求，該系統(tǒng)充分利用了HTML、JavaScript、CSS等多種語(yǔ)言庫(kù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。通過(guò)這些強(qiáng)大的技術(shù)支持，得以在H Builder X開(kāi)發(fā)環(huán)境中快速高效地構(gòu)建出該應(yīng)用軟件的各個(gè)模塊和功能。ITI系統(tǒng)的主界面設(shè)計(jì)旨在提供用戶友好的交互體驗(yàn)，界面簡(jiǎn)潔，軟件開(kāi)機(jī)主界面如圖2所示。

2.2.2 基本功能

（1）數(shù)據(jù)采樣時(shí)間間隔最小可達(dá)0.001秒（s）：ITI系統(tǒng)提供了極高的數(shù)據(jù)采樣精度，最小時(shí)間間隔僅為0.001秒，確保了對(duì)車輛運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與準(zhǔn)確捕獲。

（2）通過(guò)GPS與重力傳感器獲取智能終端所在車輛的位置與海拔信息：利用先進(jìn)的GPS技術(shù)和精準(zhǔn)的重力傳感器，ITI系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確獲取車輛的位置信息和海拔高度，為駕駛員提供準(zhǔn)確的導(dǎo)航和路況信息。

（3）視頻檢測(cè)駕駛員視野120度范圍的緊鄰車輛的間距信息：系統(tǒng)配備了智能視頻檢測(cè)功能，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)駕駛員視野內(nèi)120度范圍的車輛間距情況，有效提升駕駛安全性和駕駛員的注意力。

（4）融合其他傳感設(shè)備功能，檢測(cè)車輛橫向位移、加速等次生信息：除了GPS和重力傳感器外，系統(tǒng)還整合了其他傳感器設(shè)備，能夠?qū)囕v的橫向位移、加速等次生信息進(jìn)行初步檢測(cè)，為駕駛員提供全方位的駕駛狀態(tài)監(jiān)測(cè)與反饋。

（5）具有數(shù)據(jù)預(yù)處理及上傳、下載功能：系統(tǒng)不僅能夠?qū)Σ杉降臄?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和分析，還提供了便捷的數(shù)據(jù)上傳和下載功能，為用戶提供了數(shù)據(jù)管理的便利和靈活性。

3 車輛軌跡數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)與分析

在江蘇省蘇州、徐州和鹽城等城市的部分道路上進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和分析。通過(guò)ITI系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)地采集車輛運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行深入的分析和評(píng)估。實(shí)驗(yàn)中所采取的數(shù)據(jù)及其分析結(jié)果可以為分析道路交通運(yùn)行狀況、駕駛行為特征以及駕駛安全問(wèn)題提供參考和支持。

數(shù)據(jù)采集階段，選取蘇州市濱河路、何山路路段，徐州市長(zhǎng)安大道、陽(yáng)山路路段作為研究對(duì)象，路段總長(zhǎng)30公里，如圖3、圖4所示。

調(diào)查時(shí)，測(cè)試員攜帶安裝了ITI采集系統(tǒng)的智能手機(jī)，以不同的交通方式在指定路段進(jìn)行出行，如乘坐電瓶車、公交車或私家車等?？紤]到早晚高峰時(shí)段以及平常時(shí)段的交通量差異，以確保數(shù)據(jù)的全面性和代表性，在此過(guò)程中，共采集了超過(guò)50萬(wàn)條樣本數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)涵蓋了各種交通方式和不同時(shí)間段的行車情況，為后續(xù)的分析提供了豐富的原始資料。具體的數(shù)據(jù)類型和采集情況如表1、表2所示。

系統(tǒng)具有處理、分析數(shù)據(jù)的圖形化功能，如車輛的瞬時(shí)速度、車頭間距的時(shí)變圖見(jiàn)圖5、圖6。

4 結(jié)論與展望

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，本文驗(yàn)證了基于分體信息互聯(lián)模式的車流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)捕捉與解析系統(tǒng)（ITI系統(tǒng)）的可行性，并對(duì)其使用性能進(jìn)行了初步檢驗(yàn)，結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠較準(zhǔn)確地實(shí)時(shí)捕捉自身及周邊鄰近車輛的基本運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并通過(guò)數(shù)據(jù)處理，滿足基本運(yùn)行特征分析的需求。在后續(xù)的研究中，將考慮嵌入生態(tài)駕駛行為模型、尾氣排放模型等更綜合的系統(tǒng)功能，并進(jìn)一步優(yōu)化傳感功能，以獲取更多維度的車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)，提高車輛軌跡描述的準(zhǔn)確性。

基金項(xiàng)目：蘇州科技大學(xué)創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新項(xiàng)目：基于分體模式的智能網(wǎng)聯(lián)車排放狀態(tài)捕捉與解析平臺(tái)構(gòu)建（項(xiàng)目編號(hào)：202310332179X）。

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