一種利用GNSS數(shù)據(jù)進(jìn)行城市交通狀況變化探測(cè)的方法

蘇紫乾 周麗晨

內(nèi)蒙古有色地質(zhì)礦業(yè)（集團(tuán)）七隊(duì)有限責(zé)任公司 內(nèi)蒙古 烏蘭浩特 137400

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對(duì)導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的性能和精度提出了更為嚴(yán)格的要求，從而推動(dòng)了交通導(dǎo)航技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展。全球范圍內(nèi)，GNSS作為一種衛(wèi)星定位和導(dǎo)航系統(tǒng)，扮演著重要角色。首先GNSS在獲取車輛實(shí)時(shí)位置信息后，通過(guò)定位信息和其他位置信息的比較，可以迅速計(jì)算出車輛的實(shí)時(shí)速度、時(shí)間和坐標(biāo)等定位信息，并將這些數(shù)據(jù)迅速地傳遞到相關(guān)的數(shù)據(jù)接口，并在相應(yīng)的數(shù)據(jù)接口上進(jìn)行轉(zhuǎn)換。例如：將車輛位置信息與位置傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，確定其對(duì)應(yīng)的是車輛自身的位置還是其它位置。這樣就可以把車輛定位信息儲(chǔ)存到交通信息數(shù)據(jù)庫(kù)中。最后，在具有GIS查詢功能的電子地圖上，將車輛的具體位置實(shí)時(shí)地顯示出來(lái)，以此來(lái)確認(rèn)位置，并制定出最優(yōu)的路徑。

1 城市交通狀況分析

通過(guò)對(duì)交通狀況模型進(jìn)行理論研究，智能交通系統(tǒng)將信息技術(shù)、通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等應(yīng)用于交通運(yùn)輸系統(tǒng)，從而構(gòu)建了一個(gè)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效的交通管理運(yùn)輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)在廣泛范圍內(nèi)發(fā)揮作用。它可以有效地緩解或消除由于人口增長(zhǎng)而引起的交通擁堵現(xiàn)象。

智能交通系統(tǒng)的目標(biāo)在于緩解道路擁堵，提高道路利用效率，從而優(yōu)化城市交通秩序。在發(fā)達(dá)國(guó)家，隨著汽車數(shù)量的不斷增長(zhǎng)和車輛行駛速度的加快，交通擁堵已成為困擾世界各國(guó)發(fā)展經(jīng)濟(jì)、影響社會(huì)穩(wěn)定的一大難題。近年來(lái)，越來(lái)越多的人開(kāi)始認(rèn)識(shí)到，它已成為解決交通瓶頸問(wèn)題的一種有效途徑。隨著信息技術(shù)在交通運(yùn)輸業(yè)中應(yīng)用程度的不斷加深，信息已逐漸從單純的“數(shù)據(jù)”變成了一種重要的資源，而交通地理信息系統(tǒng)作為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的有效手段也得到迅速發(fā)展。因此，對(duì)信息化技術(shù)手段在城市交通信息系統(tǒng)建設(shè)中的應(yīng)用進(jìn)行了深入探討，以積極推動(dòng)城市交通管理與服務(wù)水平的提升，從而提高城市交通系統(tǒng)的運(yùn)行效率，這對(duì)于解決我國(guó)城市日益嚴(yán)重的車路矛盾，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

城市交通管理系統(tǒng)的遠(yuǎn)景目標(biāo)在于構(gòu)建一套智能車輛道路系統(tǒng)，該系統(tǒng)的主導(dǎo)思想是交通導(dǎo)向，并配有計(jì)算機(jī)信息采集，處理，評(píng)價(jià)和分析系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)更高效的交通管理。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)必須進(jìn)行科學(xué)有效的管理和決策。為了實(shí)現(xiàn)路線導(dǎo)向、交通信息服務(wù)和智能指揮協(xié)調(diào)等多種功能，必須建立一個(gè)綜合了通訊、計(jì)算機(jī)、現(xiàn)代控制和交通工程的控制網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)對(duì)城市道路網(wǎng)結(jié)構(gòu)和交通流特征進(jìn)行系統(tǒng)分析和研究，提出了“點(diǎn)-線-面”相結(jié)合的綜合規(guī)劃方案。通過(guò)運(yùn)用先進(jìn)的科技手段，對(duì)交通需求的增速進(jìn)行有效的控制，對(duì)相對(duì)密集的交通量進(jìn)行削減、分解和轉(zhuǎn)移，使道路交通基礎(chǔ)設(shè)施的供給最大化。城市交通系統(tǒng)是一個(gè)龐大而又復(fù)雜的系統(tǒng)，它是每個(gè)城市發(fā)展和規(guī)劃中都要面臨的一個(gè)問(wèn)題，GNSS 技術(shù)已在國(guó)內(nèi)導(dǎo)航、定位、科學(xué)研究領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。只有通過(guò)科學(xué)的城市交通系統(tǒng)規(guī)劃、優(yōu)化建設(shè)和管理，才能最大限度地利用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的導(dǎo)航軌跡數(shù)據(jù)來(lái)探測(cè)城市交通狀況的變化，從而緩解交通壓力。

2 GNSS系統(tǒng)及工作流程

GNSS是一種能夠?qū)崟r(shí)提供位置、速度和時(shí)間信息的連續(xù)系統(tǒng)。通過(guò)衛(wèi)星接收系統(tǒng)獲得高精度定位解算服務(wù)，可為國(guó)家建設(shè)管理部門(mén)及相關(guān)行業(yè)提供情報(bào)支持，提高政府決策水平。數(shù)字城市基礎(chǔ)項(xiàng)目廣泛采用數(shù)據(jù)采集技術(shù)，其高效、靈活、快速的特點(diǎn)備受青睞。通過(guò)對(duì)我國(guó)目前常用的幾種定位方式進(jìn)行分析比較，得出了不同定位方式各自優(yōu)缺點(diǎn)。通過(guò)對(duì)觀測(cè)技術(shù)和數(shù)據(jù)處理方法的持續(xù)改進(jìn)，GNSS全球定位系統(tǒng)在距離大于1000km的范圍內(nèi)，具有0.01ppm的相對(duì)定位精度，其測(cè)量精度令人吃驚。同時(shí)，它還具備全天候工作能力，因此在許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為一種高精度導(dǎo)航與授時(shí)系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于軍事測(cè)繪、交通控制、海洋勘測(cè)等領(lǐng)域。GNSS系統(tǒng)的構(gòu)成要素包括空間星座、地面監(jiān)控以及用戶設(shè)備，這三個(gè)要素共同構(gòu)成了該系統(tǒng)的基礎(chǔ)架構(gòu)。在這些系統(tǒng)中，用戶接收器是最主要的部分。它的基本原理就是對(duì)GNSS衛(wèi)星和用戶之間的距離進(jìn)行測(cè)量，再通過(guò)衛(wèi)星的瞬間坐標(biāo)來(lái)判斷用戶接收到的相應(yīng)位置。要保證準(zhǔn)確的位置，最重要的是要測(cè)量用戶接收到的天線和GNSS衛(wèi)星的距離，這是不可或缺的。

GNSS定位方法可以按照待定點(diǎn)位的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來(lái)進(jìn)行分類，它可以分為兩種類型，一種是靜態(tài)的，一種是動(dòng)態(tài)的。動(dòng)態(tài)定位包括衛(wèi)星信號(hào)傳輸、差分技術(shù)等多種技術(shù)手段。在進(jìn)行定位時(shí)，接收天線的位置是相對(duì)于周圍的地面點(diǎn)固定的，這種高精度的定位方法通過(guò)大量重復(fù)觀測(cè)來(lái)提高精度。其作業(yè)流程：用兩臺(tái)或多臺(tái)接收機(jī)同步接收相同的GNSS衛(wèi)星信號(hào)，以確定多條空間基線向量，在一個(gè)端點(diǎn)坐標(biāo)已知的情況下，可以用基線向量推求另一待定點(diǎn)的坐標(biāo)[2]。

3 GPS在交通系統(tǒng)中的應(yīng)用

自20世紀(jì)70年代起，美國(guó)國(guó)防部開(kāi)始開(kāi)發(fā)全球定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)以衛(wèi)星導(dǎo)航為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了定位和計(jì)時(shí)的功能。GPS是指衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)，并非特指美國(guó)的全球定位系統(tǒng)。衛(wèi)星導(dǎo)航定位指利用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供的位置、速度及時(shí)間信息對(duì)各種目標(biāo)進(jìn)行定位、導(dǎo)航及監(jiān)管[3]。

GPS車輛應(yīng)用系統(tǒng)通常被劃分為兩大類：一類是用于跟蹤車輛的系統(tǒng)，另一類則是用于導(dǎo)航車輛的系統(tǒng)。其中車輛跟蹤系統(tǒng)主要用于車輛導(dǎo)航定位，而車輛導(dǎo)航系統(tǒng)則廣泛應(yīng)用于各種交通工程領(lǐng)域。這一系列研究表明，GPS技術(shù)在多平臺(tái)（特別是車載）在智能導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用，不僅展提供有力的技術(shù)支撐，而且也預(yù)示著其在智能交通領(lǐng)域發(fā)展的巨大潛力。為90年代全球經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)注入了新的活力和動(dòng)力。

4 GNSS關(guān)鍵技術(shù)

GNSS在應(yīng)用過(guò)程中所面臨的主要挑戰(zhàn)在于其數(shù)據(jù)規(guī)模巨大，同時(shí)其計(jì)算效率也存在一定的瓶頸。為了解決上述難題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量相關(guān)工作。在算法方面，一些學(xué)者運(yùn)用改進(jìn)后的迪杰斯特拉算法，在對(duì)不同坐標(biāo)系統(tǒng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換以及同一坐標(biāo)體系中大地坐標(biāo)和空間直角坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，成功地實(shí)現(xiàn)了GNSS數(shù)據(jù)的顯示和更新，同時(shí)還對(duì)地圖匹配算法進(jìn)行了研究，并對(duì)路徑規(guī)劃算法進(jìn)行了深入探討。由于道路網(wǎng)絡(luò)存在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜性，導(dǎo)致現(xiàn)有方法不能滿足實(shí)時(shí)交通信息發(fā)布需求。基于這一點(diǎn)，沈方方等人進(jìn)一步研究了ITS車輛導(dǎo)航中的最優(yōu)路徑算法，以行車時(shí)間作為參考，改進(jìn)了動(dòng)態(tài)計(jì)算方法，明確了道路狀態(tài)的阻塞、空閑和繁忙，并優(yōu)化了已搜索和待搜索的節(jié)點(diǎn)集的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并簡(jiǎn)化了關(guān)鍵的判斷條件，從而提高了數(shù)據(jù)的處理效率。同時(shí)，提出一種適用于城市路網(wǎng)環(huán)境下的實(shí)時(shí)交通路況分析方法——道路擁堵指數(shù)法。部分學(xué)者運(yùn)用GPS與GIS技術(shù)相結(jié)合，利用基于最小堆等直線優(yōu)化 Dijkstra算法，成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)城市交通問(wèn)題的最短路徑分析，從而有效地緩解了該問(wèn)題的日益突出。

要想高性能地接收、解析智能交通應(yīng)用中產(chǎn)生的海量GNSS數(shù)據(jù)，主要面對(duì)以下幾個(gè)問(wèn)題：海量數(shù)據(jù)環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)連接容易出現(xiàn)不穩(wěn)定的狀況，傳輸過(guò)程中需面對(duì)客戶端故障、傳輸安全等問(wèn)題，接收的數(shù)據(jù)完整性難以保障；海量終端接入的高并發(fā)性能問(wèn)題；有限內(nèi)存空間的管理，車載終端的連接基本都是基于GPRS的無(wú)線連接，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在野外高速運(yùn)動(dòng)，使得請(qǐng)求信號(hào)容易發(fā)生不穩(wěn)定的情況，會(huì)不斷有大量連接請(qǐng)求傳給服務(wù)器，若服務(wù)器在應(yīng)對(duì)過(guò)程中無(wú)法合理分配內(nèi)存，會(huì)產(chǎn)生內(nèi)存占用不斷升高的問(wèn)題[4]。

5 交通流動(dòng)態(tài)分析的核心算法

在數(shù)字地圖平臺(tái)，以及GIS和GPS的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等系統(tǒng)組件的基礎(chǔ)上，我們可以逐步建立一個(gè)實(shí)時(shí)的、基于GPS的動(dòng)態(tài)交通流分析系統(tǒng)。實(shí)時(shí)性是指在指定的時(shí)間間隔中,系統(tǒng)能夠根據(jù)傳送來(lái)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地分析出當(dāng)前的交通狀態(tài)[3]。

5.1 交通流量分析

當(dāng)車載GPS接收機(jī)收到GPS信號(hào)后，它的局部終端就會(huì)對(duì)當(dāng)前的位置，速度，時(shí)間等信息進(jìn)行運(yùn)算，然后把這些信息傳送給交通信息中心。該中心對(duì)接收到的信息進(jìn)行分類存儲(chǔ)并根據(jù)不同類型信息，分別提供了對(duì)應(yīng)的服務(wù)。該中心經(jīng)由網(wǎng)路傳送，將數(shù)據(jù)傳送到安裝在車流分析系統(tǒng)上的服務(wù)器，以便進(jìn)行后續(xù)處理。客戶端則利用服務(wù)器發(fā)送來(lái)的交通狀況，結(jié)合電子地圖及相關(guān)算法生成實(shí)時(shí)路況圖并提供給用戶使用。GPS探測(cè)車返回的數(shù)據(jù)，會(huì)被服務(wù)器接收，并對(duì)其進(jìn)行處理和分析，從而得到實(shí)時(shí)的交通情況，動(dòng)態(tài)地顯示在電子地圖上。

5.2 道路匹配算法

地圖匹配指的是一種通過(guò)一定的算法，將 GPS定位數(shù)據(jù)和 GIS中的道路數(shù)據(jù)之間的精確匹配，以降低或消除各種誤差產(chǎn)生的方法，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)點(diǎn)在道路層上的高精度定位。地圖匹配技術(shù)廣泛應(yīng)用于軍事偵察、城市監(jiān)控以及交通管理等領(lǐng)域?？梢詾檐囕v跟蹤與監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)導(dǎo)航、路網(wǎng)交通狀態(tài)動(dòng)態(tài)分析等領(lǐng)域提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。目前地圖匹配技術(shù)已成為智能交通系統(tǒng)領(lǐng)域一個(gè)非常重要而又具有挑戰(zhàn)性的研究方向之一。常見(jiàn)的地圖匹配算法有：半確定性算法，概率統(tǒng)計(jì)算法，模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，這些算法在地圖匹配領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。本文采用了模糊邏輯的思想對(duì)這幾種傳統(tǒng)的地圖匹配算法進(jìn)行改進(jìn)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其可行性。GPS數(shù)據(jù)的誤差一般可用 GPS差分等方式來(lái)修正，但差分操作后，其誤差幅度一般為5～15m。其主要思路是利用推演與定位技術(shù)，將某一車輛作為參照點(diǎn)，計(jì)算出其所處的位置。如果車輛行駛過(guò)程中出現(xiàn)偏差或移動(dòng)方向發(fā)生改變，則將其重新推算出該位置的實(shí)際值。在計(jì)算出一輛車在地圖上的某個(gè)位置時(shí)，可以將車的位置調(diào)整到地圖上的一個(gè)絕對(duì)位置，然后將此位置的座標(biāo)作為新的參考點(diǎn)，從而使車的匹配過(guò)程得以繼續(xù)。如果該相對(duì)位置與參考坐標(biāo)系之間存在一定程度的偏差，則需要對(duì)其修正或重新建立導(dǎo)航模型。采用此種方法，能夠有效地消除誤差的累積效應(yīng)。

6 交通狀況變化的探測(cè)方法

6.1 區(qū)域的確定

為了降低數(shù)據(jù)冗余度，提高數(shù)據(jù)分析的效率，在收集到原始數(shù)據(jù)后，根據(jù)區(qū)域所在的經(jīng)緯度對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行初步剔除和篩選：首先在地圖上確定研究城市各個(gè)方向最遠(yuǎn)端的經(jīng)緯度；然后根據(jù)經(jīng)緯度和城市形狀設(shè)定多邊形區(qū)域；最后將軌跡數(shù)據(jù)的經(jīng)緯度與多邊形區(qū)域進(jìn)行比較，當(dāng)移動(dòng)軌跡超出研究區(qū)域時(shí)，該條軌跡在研究區(qū)域之外的數(shù)據(jù)將被剔除[5]。

6.2 軌跡數(shù)據(jù)的處理

在確定了地區(qū)之后，還需要進(jìn)一步簡(jiǎn)化需要的資料，如：用戶 ID，經(jīng)緯度，日期，時(shí)間等。為了減少不必要的重復(fù)操作，需要?jiǎng)h除大量無(wú)用或與路徑相關(guān)的原始數(shù)據(jù)，以保證后續(xù)算法的可靠性。經(jīng)過(guò)初步篩選，我們發(fā)現(xiàn)一些軌跡數(shù)據(jù)缺乏規(guī)律性，存在明顯的點(diǎn)位漂移現(xiàn)象，導(dǎo)致其漂移至對(duì)向車道，這不但影響了交通狀態(tài)的檢測(cè)，而且還會(huì)消耗數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間，降低了計(jì)算的效率。另外還有一些軌跡具有重復(fù)運(yùn)動(dòng)特征，也會(huì)影響交通狀態(tài)判斷結(jié)果。因此，必須對(duì)每條導(dǎo)航軌跡數(shù)據(jù)的導(dǎo)航開(kāi)始、導(dǎo)航階段和導(dǎo)航結(jié)束三個(gè)階段的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以識(shí)別并剔除無(wú)效數(shù)據(jù)，從而獲得可靠的軌跡數(shù)據(jù)，以確保導(dǎo)航的有效性。

6.3 區(qū)域軌跡數(shù)據(jù)的處理

我們需要對(duì)一條道路進(jìn)行一定程度上的觀測(cè)，并獲取到它的軌跡數(shù)據(jù)。然后，通過(guò)對(duì)這些軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，能夠得出道路交通狀況的變化情況。必須將軌跡數(shù)據(jù)與相關(guān)道路進(jìn)行精準(zhǔn)匹配。提出了一種基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)的軌跡點(diǎn)提取及路徑規(guī)劃方法。首先采用路段分割技術(shù)，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)隱馬爾可夫模型、Viterbi算法等方法，在顧及GNSS誤差的前提下，尋求路徑與航跡點(diǎn)一致的最大概率，以達(dá)到軌跡點(diǎn)與路徑之間的最佳匹配[6]。

7 結(jié)論

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）以其自動(dòng)化程度高、定位精度高等優(yōu)勢(shì)，在全球范圍內(nèi)引起了眾多學(xué)者的關(guān)注，而全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）在全球范圍內(nèi)的廣泛應(yīng)用為全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）提供了一種新的解決方案。全球?qū)Ш叫l(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)以其高度自動(dòng)化、全天候、全天候、實(shí)時(shí)、高精度等優(yōu)勢(shì)，在全球范圍內(nèi)掀起了一場(chǎng)新的革命。城市交通狀況預(yù)測(cè)已成為城市智能化發(fā)展的重要一環(huán)，實(shí)現(xiàn)更加有效的城市交通狀況預(yù)測(cè)對(duì)于構(gòu)建城市智能交通系統(tǒng)具有積極的促進(jìn)作用。GNSS技術(shù)在數(shù)字城市建設(shè)空間信息獲取中的應(yīng)用價(jià)值，作為一種可以探測(cè)城市交通狀況變化的方法，相信在以后的實(shí)際生產(chǎn)中，在數(shù)字城市建設(shè)的過(guò)程中將得到更好的體現(xiàn)，為我們的城市帶來(lái)更加便捷、高效的服務(wù)。