北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文基于GPS系統(tǒng)的實(shí)時(shí)交通信息采集與分析預(yù)測及其在高速公路安全中的應(yīng)用研究姓名:申請學(xué)位級別:碩士專業(yè):安全技術(shù)及工程指導(dǎo)教師:北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文目錄文摘.3英文文摘.4授權(quán)書與聲明.4第一章緒論.41.1研究背景.41.2國內(nèi)外高速公路信息采集技術(shù)現(xiàn)狀.51.2.1國外研究現(xiàn)狀.51.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀.61.3本文主要工作.71.4論文主要結(jié)構(gòu).8第二章智能交通系統(tǒng)與GPS系統(tǒng)信息采集技術(shù)和方法研究.82.1智能交通系統(tǒng)的基本知識.82.2GPS系統(tǒng).82.2.1GPS系統(tǒng).92.2.2GPS系統(tǒng)的交通建模優(yōu)勢.92.3GPS信息采集技術(shù).92.4信息采集方法研究.9第三章實(shí)時(shí)信息采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu).103.1信息采集的結(jié)構(gòu).103.2信息采集工作流程與原理.11第四章實(shí)時(shí)交通狀況數(shù)據(jù)分析.114.1聚類分析.114.2對數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析.11第五章改進(jìn)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)高速公路交通狀況實(shí)時(shí)預(yù)測研究.135.1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò).135.1.1BP(Back-Propagation)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò).135.2基于改進(jìn)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的交通信息預(yù)測模型.145.3實(shí)驗(yàn).16第六章在高速公路安全中的實(shí)例應(yīng)用.16致謝.17參考文獻(xiàn).17附錄.18北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文文摘近年來，我國高速公路建設(shè)發(fā)展迅速，高速公路交通運(yùn)行狀況的準(zhǔn)確分析與提高運(yùn)營管理效率對路網(wǎng)動(dòng)態(tài)交通數(shù)據(jù)的采集提出了迫切的要求。本文通過分析動(dòng)態(tài)交通數(shù)據(jù)的采集方法與技術(shù)，在交通數(shù)據(jù)采集的需求分析、檢測點(diǎn)布設(shè)方法、檢測技術(shù)優(yōu)化組合與多檢測器數(shù)據(jù)融合方面進(jìn)行了深入的研究，以便為高速公路交通調(diào)度動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的建設(shè)提供技術(shù)路線與數(shù)據(jù)采集方法。論文首先進(jìn)行動(dòng)態(tài)交通數(shù)據(jù)采集的需求分析。在全面分析高速公路管理功能需求的基礎(chǔ)上，應(yīng)用由功能需求確定數(shù)據(jù)需求的方法，給出了高速公路動(dòng)態(tài)交通數(shù)據(jù)采集的需求分析，明確數(shù)據(jù)采集的內(nèi)容.其次進(jìn)行交通檢測技術(shù)評估和組合研究。在確定數(shù)據(jù)需求后，從檢測參數(shù)、檢測精度、購買費(fèi)用、對環(huán)境適應(yīng)性和安裝、調(diào)試及維護(hù)五個(gè)方面對交通檢測技術(shù)評估，并進(jìn)一步設(shè)計(jì)交通檢測技術(shù)的組合方式，給出了篩選應(yīng)用交通檢測技術(shù)的方法。論文接著進(jìn)行了檢測點(diǎn)布設(shè)方法的研究。在總結(jié)數(shù)據(jù)檢測點(diǎn)布設(shè)方法的基礎(chǔ)上，對適用于高速公路的微觀布設(shè)方法進(jìn)行重點(diǎn)研究，分別改進(jìn)了基于交通流波動(dòng)原理和基于行程時(shí)間估算的方法.為了對多檢測技術(shù)組合應(yīng)用的數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理、挖掘，本文進(jìn)行了多檢側(cè)器數(shù)據(jù)融合研究，將自適應(yīng)加權(quán)法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及其改進(jìn)算法、徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和廣義回歸線行網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于相同時(shí)間、同一斷面的數(shù)據(jù)融合。最后，以江蘇省沿海高速公路為例，應(yīng)用交通檢測技術(shù)的組合、檢測點(diǎn)的布設(shè)和多檢測器數(shù)據(jù)融合方法，進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證。通過實(shí)例驗(yàn)證，說明本文研究的檢測方法可行實(shí)用，能夠改善目前的動(dòng)態(tài)交通數(shù)據(jù)采集狀況，可以應(yīng)用于江蘇省路網(wǎng)調(diào)度管理系統(tǒng)的建設(shè)。北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文英文文摘授權(quán)書與聲明第一章緒論1.1研究背景近年來，我國高速公路建設(shè)發(fā)展迅速，截至到2006年底已建成高速公路通車?yán)锍踢_(dá)到4.54萬公里，位列世界第二。高速公路路網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控的需求也不斷增長，如何采集整個(gè)路網(wǎng)的交通參數(shù)整合相關(guān)的基礎(chǔ)資源，提高路網(wǎng)運(yùn)營水平及更好更安全地服務(wù)社會(huì)已成為高速公路交通管理者亟待解決的關(guān)鍵問題。高速公路建設(shè)的快速發(fā)展對促進(jìn)我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到了十分重要的作用，但是高速公路的交通管理并未跟上高速公路的發(fā)展建設(shè)，使得高速公路的交通擁擠和交通安全等問題也逐漸表現(xiàn)出來。其中主要原因是交通數(shù)據(jù)采集的不充分，正是由于缺乏實(shí)時(shí)采集動(dòng)態(tài)交通數(shù)據(jù)，交通參數(shù)的分布特性和規(guī)律難以分析，交通控制策略難以實(shí)施，當(dāng)前路網(wǎng)的交通信息難以及時(shí)發(fā)布，緊急事件無法實(shí)時(shí)檢測、處理與發(fā)布。因此，提高動(dòng)態(tài)交通數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性是高速公路管理者致力于實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。動(dòng)態(tài)交通數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性差、不能及時(shí)上傳:交通數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性差、檢測精度不高；動(dòng)態(tài)交通數(shù)據(jù)采集設(shè)備數(shù)量不足、布設(shè)位置不合理；交通數(shù)據(jù)采集設(shè)備損壞嚴(yán)重，部分?jǐn)?shù)據(jù)已經(jīng)失效等是目前高速公路動(dòng)態(tài)交通數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)普遍存在的現(xiàn)象。此外，目前的動(dòng)態(tài)交通數(shù)據(jù)采集還只是依靠單一的交通檢測技術(shù)，當(dāng)現(xiàn)代高速公路管理對動(dòng)態(tài)交通數(shù)據(jù)的需求越來越大，對檢測設(shè)備的可靠性、抗干擾性、數(shù)據(jù)精度和時(shí)效性要求越來越高，單一的檢測技術(shù)己經(jīng)不能滿足各種交通條件下的動(dòng)態(tài)交通數(shù)據(jù)采集要求。如何科學(xué)有效的應(yīng)用動(dòng)態(tài)交通數(shù)據(jù)檢測方法，采集實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的交通數(shù)據(jù)問題應(yīng)運(yùn)而生，也是高速公路聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控所必須解決的基本問題。隨著高速公路交通運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展，路網(wǎng)調(diào)度管理對整個(gè)路網(wǎng)交通的數(shù)據(jù)有了更高的需求。這些新的需求主要體現(xiàn)在:如何改善和加強(qiáng)動(dòng)態(tài)信息與數(shù)據(jù)采集，滿足對路段和路網(wǎng)交通流的實(shí)時(shí)分析評價(jià):如何擴(kuò)大數(shù)據(jù)采集的范圍和內(nèi)容，滿足對路網(wǎng)指揮調(diào)度和向社會(huì)發(fā)布路網(wǎng)信息的需求:如何提高數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性和可靠性滿足對路網(wǎng)中隨機(jī)擁擠段和交通異常情況的快速響應(yīng)和實(shí)時(shí)調(diào)度信息的發(fā)布。為此，江蘇省實(shí)施公路路網(wǎng)交通調(diào)度指揮系統(tǒng)的建設(shè)，北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文在全國率先啟動(dòng)了公路路網(wǎng)調(diào)度管理工作，對包括高速公路在內(nèi)的干線公路網(wǎng)的運(yùn)行實(shí)施統(tǒng)一的交通管理。本文正是從國家高速公路安全角度出發(fā)，將GPS數(shù)據(jù)采集技術(shù)應(yīng)用到交通信息預(yù)測中來以指導(dǎo)交通引導(dǎo)，起到控制和管理交通安全，論文圍繞這一宗旨展開。1.2國內(nèi)外高速公路信息采集技術(shù)現(xiàn)狀1.2.1國外研究現(xiàn)狀歐美發(fā)達(dá)國家對高速公路動(dòng)態(tài)交通數(shù)據(jù)檢測方面的研究開展得比較早，他們的高速公路網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成熟和完善，為了對整個(gè)路網(wǎng)進(jìn)行有效的監(jiān)視和控制，需要采集動(dòng)態(tài)交通數(shù)據(jù)，近些年正在開展的ITS研究，更是依靠實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)交通數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和決策。因此，國外很重視動(dòng)態(tài)交通數(shù)據(jù)檢測方法的相關(guān)研究，這主要體現(xiàn)在三個(gè)方面:第一，重視數(shù)據(jù)需求研究；第二，重視各種檢測技術(shù)的檢測效果評估研究，以確定合理的檢測方法:第三，重視檢測點(diǎn)布設(shè)方法研究。國外的高速公路管理發(fā)展迅速，促使他們對數(shù)據(jù)的需求研究越來越重視。文獻(xiàn)通過調(diào)研用戶(機(jī)構(gòu))不同使用目的的交通數(shù)據(jù)需求，總結(jié)了不同類型用戶(機(jī)構(gòu))對交通數(shù)據(jù)的需求，但是沒有專門對動(dòng)態(tài)交通數(shù)據(jù)的需求做出整理。文獻(xiàn)給出的交通數(shù)據(jù)需求是從美國國家運(yùn)輸部、大都市規(guī)劃機(jī)構(gòu)、縣及城鎮(zhèn)四個(gè)層次調(diào)查不同使用目的對交通數(shù)據(jù)的需求，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以明顯地看出交通量和車型數(shù)據(jù)需求較大，而車重、行程時(shí)間(或行程車速)和占有率數(shù)據(jù)需求較少，但是并沒有將數(shù)據(jù)需求對應(yīng)到具體的功能上。文獻(xiàn)研究了交通數(shù)據(jù)的分類并列出了不同使用目的的交通數(shù)據(jù)需求.正是因?yàn)橛辛嗣鞔_的數(shù)據(jù)需求，才有檢測技術(shù)的使用，國外在交通檢測技術(shù)的使用效果方面做了很多評估，特別是近些年逐漸開始使用的非接觸式檢測技術(shù)，國外的高速公路管理部門為了更好的使用這些檢測技術(shù)對其作了很多的專門的研究.1996年在城市道路和高速公路在不同的交通量、車速及環(huán)境條件下進(jìn)行試驗(yàn)，考察七種交通檢測技術(shù)的抗干擾性能.1995年兩位專家共同研究分別在高速公路路段和信號交叉口對七種檢測技術(shù)的交通量和車速進(jìn)行評估，并在檢測技術(shù)安裝的方便性、檢測精度、受環(huán)境和交通條件的影響幾個(gè)方面做出評估。在高速公路路段對微波等四種檢測技術(shù)進(jìn)行研究，分別在安裝維護(hù)的方便性、安裝花費(fèi)、車速和交通量的檢測精度四個(gè)方面做出比較。分別在高速公路和城市交叉口針對視頻等九種檢測技術(shù)在流量、車速和車輛存在三個(gè)方面檢測的精度做出評估。此外，文獻(xiàn)中提到使用將被動(dòng)式紅外檢測技術(shù)與超聲波檢測技術(shù)或者多普北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文勒雷達(dá)檢測技術(shù)組合檢測，可以克服組合的兩種交通檢測技術(shù)的各自缺點(diǎn)，發(fā)揮各自的檢測優(yōu)勢，是檢測技術(shù)應(yīng)用的一種新思路，但是沒有深入研究如何進(jìn)行交通檢測技術(shù)組合，對于組合后同一個(gè)交通參數(shù)的兩個(gè)檢測數(shù)據(jù)擇其優(yōu)者作為檢測數(shù)據(jù)輸出，沒有進(jìn)一步對多檢測器數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘。另外，國外對檢測點(diǎn)的布設(shè)方法也有研究，最新的數(shù)據(jù)檢測點(diǎn)布設(shè)研究是基于行程時(shí)間(或者行程車速)檢測的，等人于1994年和Thomas在1999年分別在這方面做出很有意義的研究，他們的研究是通過仿真的手段來選擇檢測點(diǎn)的布設(shè)密度，但是他們研究的是城市路網(wǎng)，其結(jié)論還不能直接用于高速公路?？傮w來看，國外在動(dòng)態(tài)交通數(shù)據(jù)檢測方法的研究很全面，近些年在檢測技術(shù)的評估上作了大量的研究工作，但對應(yīng)用于高速公路管理的動(dòng)態(tài)交通數(shù)據(jù)需求分析和檢測點(diǎn)布設(shè)的研究還有不足，特別是新出現(xiàn)的將兩種檢測器組合使用的研究值得進(jìn)一步深入。1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀我國的高速公路建設(shè)起步晚，而且出現(xiàn)了重建設(shè)輕管理的觀念嚴(yán)重制約了動(dòng)態(tài)交通數(shù)據(jù)檢測方法的相關(guān)研究，但是也有一些研究成果，國家科技重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目，智能交通系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)和示范工程-“基礎(chǔ)交通信息采集與融合技術(shù)研究”對交通數(shù)據(jù)檢測的研究起到了巨大推動(dòng)作用。該項(xiàng)目以先進(jìn)的交通管理系統(tǒng)(ATMS)作為研究對象，對基礎(chǔ)交通信息作了定義，分析了ATMS對基礎(chǔ)交通信息的需求，并提出交通檢測計(jì)數(shù)的優(yōu)化選擇方法，研究了基礎(chǔ)交通信息融合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和融合方法圖。交通部從2004年起在全國開展“黃金周”交通調(diào)查工作，目前己經(jīng)在全國建立了20多個(gè)連續(xù)式觀測點(diǎn)，調(diào)查全國高速公路和干線公路的交通量、平均車速和車型比重等，并對黃金周期間全國高速公路網(wǎng)和京滬高速公路運(yùn)行狀況進(jìn)行分析。為了更好地采集交通數(shù)據(jù)、分析路網(wǎng)的運(yùn)行狀況，交通部規(guī)劃研究院正在開展“國家高速公路網(wǎng)交通量調(diào)查觀測點(diǎn)布局規(guī)劃”項(xiàng)目，該項(xiàng)目將深入研究高速公路交通量調(diào)查觀測點(diǎn)的布局方法和管理體系等。關(guān)于各種檢測技術(shù)的優(yōu)劣及適應(yīng)性國內(nèi)開展了一些相關(guān)的研究:廣州新機(jī)場高速公路監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)施中，對AntoscopeZO04視頻車輛檢測器在現(xiàn)場使用中存在的問題進(jìn)行了深入研究，并針對車輛偏離車道行駛、攝像機(jī)桿晃動(dòng)、車輛陰影干擾提出了解決辦法101:天津市快速路智能交通系統(tǒng)信息采集子系統(tǒng)建設(shè)中對RTMS(遠(yuǎn)程微波檢測器)的車流量檢測精度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并對影響檢測精度的干擾因素作了分析；江蘇省公路局在寧高高速公路上安裝了微波車輛檢測器.目前正在進(jìn)行微波車輛檢測技術(shù)車流量和平均車速檢測精度試驗(yàn)。為了更好地采集交通數(shù)據(jù)，國內(nèi)開始探索將交通檢測器組合使用的方法，設(shè)北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文計(jì)了交通檢測器的組合優(yōu)化的步驟，并以城市快速路和城市主干道組成的局部路網(wǎng)為例說明其應(yīng)用，但是沒有在高速公路上的應(yīng)用說明，并且只是定性的說明應(yīng)該選擇哪種檢測器，而并沒有定量地說明需要布置的檢測器數(shù)量和具體的布設(shè)位置。“江蘇省公路路網(wǎng)調(diào)度管理動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集技術(shù)的應(yīng)用研究”課題組已經(jīng)在江蘇省寧高高速公路上安裝了微波檢測器，并和環(huán)形線圈檢測器組成交通檢測站，用于交通檢測技術(shù)組合應(yīng)用實(shí)驗(yàn)研究。國內(nèi)在交通數(shù)據(jù)檢測點(diǎn)的布設(shè)方法方面做了很多研究，文獻(xiàn)提出了一種基于OD推算的布設(shè)方法，這種方法可以在宏觀上給出需要布設(shè)檢測點(diǎn)的路段，并給出了在城市道路網(wǎng)中的應(yīng)用.文獻(xiàn)提出了一種聚類分析的方法，并以城市道路為例說明其應(yīng)用。文獻(xiàn)給出了一種基于交通流波動(dòng)原理的布設(shè)方法。提出基于行程時(shí)間檢測的檢測點(diǎn)優(yōu)化方法，分別給出了不用道路服務(wù)水平下的檢測點(diǎn)布設(shè)密度。與國外相比，國內(nèi)的研究相對落后，在數(shù)據(jù)需求和檢測技術(shù)應(yīng)用方面的研究很有限，缺乏系統(tǒng)的需求研究和對檢測技術(shù)的全面評估，但在檢測點(diǎn)布設(shè)方法上作了很多有意義工作。綜合來看，國內(nèi)外在檢測技術(shù)的評估和檢測點(diǎn)的布設(shè)作了大量的研究工作，但在高速公路管理的動(dòng)態(tài)交通數(shù)據(jù)需求分析、檢測技術(shù)選擇和檢測數(shù)據(jù)處理上還有很多空白。本論文要充分借鑒上述研究成果，但是不能盲目照搬，還要結(jié)合我國的高速公路管理的實(shí)際情況，進(jìn)行動(dòng)態(tài)交通數(shù)據(jù)檢測方法研究,最后要應(yīng)用到高速公路安全中去。1.3本文主要工作1.交通檢測技術(shù)的評估及組合高速公路路網(wǎng)的全局性、復(fù)雜性以及路網(wǎng)管理的全天候、全時(shí)段和實(shí)時(shí)性要求，決定了單的交通檢測技術(shù)很難滿足動(dòng)態(tài)交通數(shù)據(jù)采集的需求，這就需要多種檢測技術(shù)組合使用，通過發(fā)揮不同的交通檢測技術(shù)的優(yōu)勢彌補(bǔ)單一檢測技術(shù)的不足，保證