面向车载导航应用的短时交通预测关键技术研究.pdf

《面向车载导航应用的短时交通预测关键技术研究.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《面向车载导航应用的短时交通预测关键技术研究.pdf（179页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、北京工业大学博士学位论文面向车载导航应用的短时交通预测关键技术研究姓名：翁剑成申请学位级别：博士专业：交通运输规划与管理指导教师：任福田;荣建20070301摘要摘要近年来，伴随着城市机动化水平的不断提高和私人机动车保有量的迅速攀升，北京市城市交通需求持续增长，而城市土地资源、交通资源供给日趋紧张，道路供需矛盾突出。针对目前北京市道路交通的现状及存在的问题，尤其是面向2 0 0 8 年北京奥运交通管理的需求，全面推进以信息化和智能化为特征的智能交通应用系统在城市交通管理和交通信息服务领域的广泛应用具有重要意义。动态车载导航系统作为智能交通系统中面向出行者的重要应用予系统，对于均衡路网交通流量，

2、缓解拥堵具有积极作用，而动态交通信息的采集、处理以及发布是发挥动态车载导航系功能的基础，也是目前国内自主车载导航系统突破发展瓶颈的根本途径。论文的研究依托北京市智能交通系统示范工程中交通诱导(车辆导航)系统技术与设备研究示范项目，研究工作以动态交通数据接入下的城市路网交通状态预测和发布为目标，紧密结合动态车载导航系统中交通信息处理的关键技术展开。研究具体涉及基于探测车的动态交通数据处理算法研究，多源历史交通状态数据处理方法研究以及基于多源历史趋势数据库的短时交通预测模型研究等内容。动态数据的采集是实现交通状态短时预测的关键。论文研究和开发了基于G P S 探测车信息采集试验系统(F l o a

3、 t i n gV e h i c l eD a t aC o l l e c t i o nS y s t e m，F V D c S)；在此基础上，重点研究了探测车系统回传数据的处理技术。通过对探测车数据的全面分析，论文从交通工程学理论出发，提出了基于驻留时间估计的探测车数据处理算法，算法可以利用探测车回传的坐标数据获得准确的城市路网区间速度信息。现场试验的结果显示，数据处理算法的精度在9 0 以上。通过与现有其它算法的试验比较表明，本文所构建的探测车数据处理算法具有更高的精度和良好的误差稳定性。历史交通数据的处理和准备是实现交通状态短时预测的重要基础。论文深入而全面地探讨了固定检测器历史

4、数据和探测车历史数据的处理方法体系，并对探测车采集的历史交通状态数据进行了分类，提出了探测车数据的三阶段应用。论文从历史数据所反映的交通特性分析出发，提出了数据系列筛选、判别、修补等北京：业人掌丁：掌博t。学位论文预处理技术，并基于启发式软闽值选择的小波滤噪技术对历史数据系列进行了平稳处理，利用基于系统聚类和K 均值聚类的双重聚类方法，实现了大量历史数据系列的精简。论文在完成了多源历史数据系列处理的基础上，根据数据的离差特征，建立了包含快速路和非快速路各类典型交通演变趋势的历史数据库。在获取实时交通信息和完成历史趋势数据库构建的基础上，本文重点研究了动态车载导航系统的短时交通预测模型。论文从算

5、法复杂度、算法效率、预测精度等角度，对常用的短时交通预测理论进行了分析和比较，确定以非参数回归的基本理论作为短时预测模型的基础。在动态交通数据和历史典型趋势数据库的基础上，研究对模型参量进行了试验研究和标定，构建了基于多源历史趋势数据库的K 近邻非参数回归短时交通预测模型。最后，论文编写了短时交通预测程序，并利用探测车采集的动态数据系列对预测模型的精度进行了实验验证，结果表明预测精度达到9 0 以上。通过对基于不同历史数据库的预测算法性能比较试验也表明，多源数据可以迸一步提高短时交通状态预测的精度，改善算法的稳定性。但是，由于实时交通数据覆盖有限，为了实现全路网的交通状态预测，论文还提出了无动

6、态交通数据支持下路段交通状态的模糊预测技术。论文通过对现有历史交通数据交通特性的分析，提出了以日期、周次和天气状况为基准的北京市城市道路网络的典型交通模式划分标准，并在此基础上，标定了各类型道路在不同交通模式下的最大似然行程速度，建立了路网交通状态的模糊预测模型。实现了无动态交通数据支持下的路段交通状态模糊预测。通过论文的研究，在有限的动态交通信息背景下，充分利用现有历史交通状态数据和动态交通数据，采用模糊预测和回归预测相结合的方式，使得导航系统实现了面向全路网的短时交通状态预测和信息发布。本文的研究将对今后基于探测车动态数据和历史数据的短时交通预测相关的研究提供重要的参考和借鉴。关键词智能交

7、通系统；动态车载导航；探测车数据处理：历史交通数据处理；短时交通预测；非参数回归；行程速度A b s t r a c tI nr e c e n ty e a r s，f o l l o w i n gt h eu n c e a s i n ge n l m n c e m e n to fc i t ym o t o r i z a t i o nl e v e la sw e l la st h eg r o s sq u a n t i t yo fp e r s o n a lC a rc l i m b sr a p i d l y，t h eB e i j i n gU r b

8、a nt r a f f i cd e m a n dh a sb e e ng r o w i n gc o n t i n u a l l y,b u tt h el a n dr c s o m c e,t h et r a f f i cr e s o l r c o ss u p p l i e si nt h eu r b a na l el i m i t e d；t h e r e f o r e，t h ec o n f l i c tb e t w e e nr o a ds u p p l ya n dd e m a n db e c o m em o r ea n dm

9、 o r ep r o m i n e n t I nv i e wo ft h ep r e s e n ts i t u a t i o na n dt h ee x i s t i n gp r o b l e m so fB e i j i n gr o a dt r a f f i c，i np a r t i c u l a rf o rt h ed e m a n do fu r b a nt r a f f i cc o n t r o ld u r i n gt h ep e r i o do ft h eB e i j i n gO l y m p i cG a m e s

10、2 0 0 8，t h ec o m p r e h e n s i v ep r o m o t i o na n dw i d e s p r e a da p p l i c a t i o no ft h eI n t e l l i g e n tT r a n s p o r t a t i o nS y s t e m(I T S)i nu r b a nt r a n s p o r t a t i o nm a n a g e m e n th a v et h ep r o m i n e n ts i g n i f i c a n c e T h eD y n a m

11、i cV e h i c l eN a v i g a t i o nS y s t e m(D V N S)i so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ta p p l i c a t i o ns u b s y s t e m sw h i c hs e r v i c ef o rt h et r a v e l e r su n d e rt h ef r a m e w o r ko fI n t e l l i g e n c eT r a n s p o r t a t i o nS y s t e m(I T S)I th a st h ea

12、 d v a n t a g e so nb a l a n c i n gt h el 均f f i Cf l o wi nt h er o a dn e t w o r k,a l l e v i a t i n gt h eu r b a nt r a f f i cj a m B u tt h ed a t ac o l l e c t i o n，p r o c e s s i n ga sw e l la st h ed i s t r i b u t i o no fr e a l-t i m eu r b a nt r a f f i ci n f o r m a t i o

13、n8 r et h ef o u n d a t i o nt os h o wt h ef u n c t i o no fD V N S；a tt h es a l n et i m e i t Sa l s ot h eo n l yw a yt ob r e a kt h ed e v e l o pb o t t l e n e c ko fS m i l eV e h i c l eN a v i g a t i o nS y s t e m(S V N S)i nC h i n a T h er e s e a r c ho ft h i sD i s s e r t a t i

14、 o nd 印e n d so nt h ep r o j e c to ft h et r a n s p o r t a t i o ng u i d a n c e(v e h i c l e sn a v i g a t i o n)s y s t e mt e c h n o l o g ya n dt h ee q u i p m e n t sr e s e a r c hu n d e rt h eB e i j i n gI n t e l l i g e n c eT r a n s p o r t a t i o nS y s t e m(I T S)d e m o n

15、s t r a t i o np r o j e c t T h er e s e a r c ht a k e st h ea c c u r a t ef o r e c a s ta n dd i s t r i b u t i o no ft r a f f i ci n f o r m a t i o na sag o a l，a n df o c u s e sO nt h ed a t ap r o c e s s i n gt e*h n o l o g i e sr e g a r d i n gt h eD y n a m i cV e h i c l eN a v i g

16、 a t i o nS y s t e m(D V N S)，i n c l u d i n gt h er e s e a r c ho nt h eF l o a t i n gC a r(F C)b a s e dd y n a m i ct r a f f i ci n f o r m a t i o np r o c e s s i n ga l g o r i t h m，m u l t i S O u r c eh i s t o r i c a lt r a f f i cc o n d i t i o nd a t ap r o c e s s i n gt e c l m

17、o l o g i e sa sw e l la st h es t u d yo nt h eh i s t o r i c a ld a t a b a s eb a s e ds h o r t-t e r mt r a f f i cf o r e c a s t i n gm o d e l D y n a m i ct r a f 缸ci n f o r m a t i o nc o l l e c t i o ni st h ek e yt or e a l i z et h et r a f 珏ce o n d i t i o ns h o r t-t e r mf o r e

18、 c a s t i n g T h ep a p e rs t u d i e da n dd e v e l o p e dG P Sb a s e dF l o a t i n gV e h i c l eD a t aC o l l e c t i o nS y s t e m(F V D C S)T h e n t h ep a p e rs t u d i e dt h ep r o c e s s i n gt e c h n i q u e so fc o l l e c t e dF l o a t i n gC a rD a t a(F C D)耐t l le m p h

19、a s i s T h r o u g ht h ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so ft h eo r i【g i n a lF C D，b a s eo nt h e 订a f f i ce n g i n e e r i n gt h e o r y，t h ep a p e rp r o p o s e ds t a yt i m ee s t i m a t i n gm e t h o db a s e dF C Dp r o c e s sa l g o r i t h m I te a na c c u r a t e l yo

20、 b t a i nt h el a t e s tt r a v e ls p e e di n f o r m a t i o no ft h ec i t yr o a dn e t w o r k 1 1 圮f i e l dI I I北京工业人学工学博L 学位论文e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w e dt h a t，t h ea v e r a g ea c c u r a c yo fa l g o r i t h mi so v e r9 0p e r c e n t s，S Oi ti n d i c a t e st h a t

21、t h ea l g o r i t h mi sc a p a b l eo fp r o c e s s i n gt h eF C Di n t ot r a v e ls p e e ds i m p l ya n da c c u r a t e l y T h r o u g ht h ec o m p a r i s o nw i t ho t h e ra l g o r i t h m sf r o md o m e s t i cr e s e a r c h e s，i ta l s oi n d i c a t e dt h a tt h ea l g o r i t

22、h me s t a b l i s h e di nt h i sa r t i c l eh a st h eh i 曲a c c u r a c ya n dt h eg o o dr e l i a b i l i t y H i s t o r i c a lt r a f n cd a t ap r o c e s s i n ga n dt h ep r e p a r a t i o ni st h ei m p o r t a n tf o u n d a t i o nt or e a l i z et h et r a f f i cc o n d i t i o ns

23、h o r t t e r mf o r e c a s t P a p e rc l a s s i f i e dt h eh i s t o r i c a lt r a n s p o r t a t i o nc o n d i t i o nd a t aw h i c hc o l l e c t e dv i at h eF V D C S a n dp r o p o s e dt h et h r e e-s t a g ea p p l i c a t i o n so fF C D n l ep a p e rp r o p o s e dt h ep r e t r

24、e a t m e n tt e c h n o l o g yo nt h ea s p e c t so fd a t af i l t e r i n g a n dt h ed a t ar e m e d y i n g，t h e n，t h eh e u r i s t i cs o f tt h r e s h o l ds e l e c t i o nm e t h o db a s e dw a v e l e td e n o i s i n gt e c h n o l o g yW a sd e v e l o p e dt op r o c e s st h eh

25、 i s t o r i c a ld a t as e r i e s；a tl a s t，t h es y s t e mc l u s t e ra n dt h eK m e a nc l u s t e rb a s e dd n a lc l u s t e rm e t h o d sW a su s e dt oc o n d e n s ed a t as e r i e s T h U S，t h er e s e a r c he s t a b l i s h e dt h ei n t e g r a t e dh i s t o r i c a ld a t a

26、b a s e sw h i c hc o n t a i n e dk i n d so ft y p i c a lt r a f f i ce v o l u t i o nt e n d e n c yo f t h ev a r i o u sc l a s sr o a d s O nt h eb a s i co ft h eh i s t o r i c a lt e n d e n c yd a m b a s ea n dr e a l-t i m et r a f f i ci n f o r m a t i o n，t h i sr e s e a r c ha i m

27、 e da tt h es h o r t-t e r mt r a f f i cf o r e c a s tm o d e lw i t he m p h a s i s F r o mt h ev i e w so fc o m p l e x i t y，e f f i c i e n c ya n df o r e c a s tp r e c i s i o no fm o d e l s，t h ep a p e rc o m p a r e da n da n a l y z e dt h ee x i s t i n gs h o r t-t e r mt r a f f

28、i cf o r e c a s tm e t h o d S，a n dd e t e r m i n e dt ot a k et h en o n-p a r a m e t e rr e g r e s s i o nt h e o r ya St h ef o u n d a t i o no fm o d e lr e s e a r c h B a s e do nt h ed y n a m i ct r a f f i cd a t aa n dt h eh i s t o r i c a lt y p i c a lt e n d e n c yd a t a b a s

29、e，t h er e s e a r c hc a l i b r a t e dt h em o d e lp a r a m e t e r sv i a t h ee x p e r i m e n t a ls t u d ya n dD a t at e s t s，t h e n，t h em u l t i s o u r c eh i s t o r i c a lt e n d e n c yd a t a b a s eb a s e dK-n e a r e s tn e i g h b o rn o n p a r a m e t e rr e g r e s s i

30、o ns h o r t t e r mt r a f f i cf o r e c a s tm o d e lW a sp r o p o s e dt op r e d i c ta v e r a g et r a v e ls p e e d su pt o6m i n u t e si n t ot h ef u t u r e F i n a l l y，t h ep a p e rc o m p i l e dt h ef o r e c a s tp r o c e d u r e，s e v e r a ld i s c r e t i o n a r ys e l e c

31、 t e dt r a v e ls p e e dd a t as e r i e sw h i c hc o l l e c t e df r o mt h eF V D C Sw e r eu s e dt ov a l i d a t et h em o d e l 1 1 地r e s u l t si n d i c a t et h a tt h em o d e li Sc a p a b l eo fp r e d i c t i n ga v e r a g et r a v e ls p e e d sw i ma na c c u r a c yo fa sh i g

32、ha sa b o v e9 0 b yu s i n gt h eF C D s h o w i n gt h ef e a s i b i l i t ya n dv a l i d i t yo ft h em o d e l T h em o d e lv a l i d a t i o nt e s ta l s os h o w e dt h a tt h em u l t i-s o u r c ed a t aw i l le f f i c i e n t l yi m p r o v et h ef o r e c a s t i n gp r e c i s i o na

33、 n ds t a b i l i t y H o w e v e r，b e c a u s et h ec o v e r a g eo fr e a l-t i m et r a n s p o r t a t i o nd a t ai sl i m i t e d，i no r d e rt of o r e c a s tt h et r a f f i cc o n d i t i o no fe n t i r er o a dn e t w o r k，t h ep a p e ra l s op r o p o s e dt h ef u z z yf o r e c a

34、s t i n gt e c h n i q u eo ft h er o a ds e c t i o nw h i c hh a sn or e a l-t i m et r a f f i cd a t ap r o v i d e d T h r o u g ht h ec h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i so nt h ec o l l e c t e dh i s t o r i c a lt r r a f f i ed a t a,A b s t r a c tt h ep a p e rp r o p o s e do n et

35、y p i c a lr o a dn e t w o r k t r a f f i c：p a t t e r nd i v i s i o ns t a n d a r df o rB e i j i n gw h i c ht a k e st h et i m ep e r i o d，w e e k d a ya n dt h ew e a t h e rc o n d i t i o n si n t oa c c o u n t T h e n,t h er e s e a r c hv a l i d a t e dt h em a x i m u ml i k e l i

36、h o o dt r a v e l i n gs p e e df o rv a r i o u sc l a s sr o a d su n d e rv a r i o u st r a f f i cp a t t e r n s，a n dc o n s t r u c t e dt h ef i d u e i a lf o r e c a s t i n g妇妇b 嬲岛F i n a l l y,t h et r a f f i cc o n d i t i o nf u z z yf o r e c a s tm o d e lw a sp u tf o r w a r d e

37、 d，a n di ta c t u a l i z e dt h ef u z z yf o r e c a s t i n go ft h er o a ds e c t i o n sw h i c hh a v e1 1 0r e a l-t i m et r a l 强cd a t a T h r o u g hr e s e a r c h e si n t h i sp a p e r,D V N Ss y s t e ma c h i e v e dt h ep r o c e s s i n ga n dd i s t r i b u t i o no fs h o r t

38、t e r mt r a 衢cc o n d i t i o nf o r e c a s ti n f o r m a t i o nu n d e rt h e l i m i t e dd y n a m i ct r a f f i cd a t a B yt h eu n i 母i n go f t h ef u z z yf o r e c a s ta n dt h ea g g r e s s i o nf o r e c a s t,t h es y s t e mp r o v i d e st h ep r e d i c t e di n f o r m a t i o

39、 no ft h ee n t i r er o a dn e t w o r k T I l i sa r t i c l ew i l lp r o v i d e si m p o r t a n tr e f e r e n c ef o rf u t u r er e s e a r c h e sb a s e do nt h eF l o a t i n gv e h i c l ed a t ap r o c e s s i n g，t h eh i s t o r i c a ld a t ap r o c e s s i n g，o rs h o r t-t e r mt

40、r a f f i cf o r e c a s tt e c h n i q u e K e yw o r d s：I n t e l l i g e n c eT r a n s p o r t a t i o nS y s t e m(I T S)；D y n a m i cV e h i c l eN a v i g a t i o n；F l o a t i n gV e h i c l e(F V D C S)；S h o r t-t e r mT r a f f i cF o r e c a s t i n g；H i s t o r i c a lD a t aP r o c

41、e s s i n g；N o n-p a r a m e t e rR e g r e s s i o n；T r a v e lS p e e dV目录图目录图2-l 德国的出租车F C D 探测车系统基本架构1 8F i g 2-1T h eB a s i cF r a m w o r ko fG e r m a nT a x ib a s e dF C DS y s t e m 18图2-2 日本基于探测车的P D R G S 动态导航系统构成2 0F i g 2-2C o m p o s i n go f P r o b eC a rB a s e dD j,n a m i cN a

42、 v i g a t i o nS y s t e mo f J a p a n 2 0图2 3 宁波市的交通信息发布与动态导航系统界面2 2F i g 2-3I n t e r f a c eo fT I a f 矗cI n f o r m a t i o nS y s t e mi nN i n g b o 2 2图3 1 探测车采集子系统与动态车载导航系统的关系3lF i g 3-l T h e R e l a t i o n B e t w e e n F V D C Sa n d D y n a m i c N a v i g a t i o n S y s t e m 3 1图3-

43、2 探测车数据采集接收模块的主界面3 2F i g 3-2M a i nI n t e r f a c eo f D a t aR e c e i v eM o d u l ei nF V D C S 3 2图3 3 探测车采集实验系统的车载终端3 3F i g 3-：O n b o a r dU n i to f P r o b eC a rS y s t e m 3 3图3-4M o b i t e x 诺特网的基本网络结构3 4F i g 3-4B a s i cN e t w o r kS t r u c t u r eo f M o b i t e xW i r e l e s sN

44、 e t w o r k 3 4图3 5 行程速度算法原理图3 8F i g 3-5P r i n c i p l eC h a r to f T r a v e lS p e e dP r o c e s sA l g o r i t h m 3 8图3-6 数据处理算法流程图3 9F i g3-6F l o wC h a r to f D a t aP r o c e s s 3 9图3-7 算法优化前后数据处理流程比较4 8F i g 3-7B e f o r e A f t e rC o m p a r i s o no f O p t i m i z e dD a t aP r o

45、c e s sF l o wC h a r t 4 8图3 8 优化后数据处理程序程序基本界面4 9F i g 3 8T h eM a i nI n t e r f a c eo f D a t aP r o c e s sP r o g r a m m e。4 9图3-9 数据库优化前后的算法效率改善情况4 9F i g 3-9t h eI m p r o v e m e n to f A l g o r i t h mE f f i c i e n c y 4 9图3 1 0 速度计算值与试验值对比图(实验一)5 2F i g 3-1 0T h eC o m p a r i s o n s

46、o f C a l c u l a t e dT r a v e lS p e e da n dO b s e r v e dS p e e d(E x p e r i m e n t1)5 2北荥T 业人学下学博：学位论文图3 1 1 速度计算值与试验值对比图(实验二)5 2F i g 3-l lT h eC o m p a r i s o n so f C a l c u l a t e dT r a v e lS p e e da n dO b s e r v e dS p e e d(E x p e r i m e n t：!)5 2图3 1 2 速度计算值与试验值对比图(实验三)5

47、2F i g 3-1 2T h eC o m p a r i s o n so f C a l c u l a t e dT r a v e lS p e e da n dO b s e r v e dS p e e d(E x p e r i m e n t3)5 2图3 1 3 速度计算值与试验值对比图(实验四)5 3F i g 3-1 3T h eC o m p a r i s o n so f C a l c u l a t e dT r a v e lS p e e da n dO b s e r v e dS p e e d(E x p e r i m e n t4 1 5 3图3

48、 1 4l O 秒回传间隔条件下的的算法误差曲线图5 3F i g 3-1 4T h eE r r o rC u r v e so f A l g o r i t h mu n d e r1 0S e c o n d sd a t aC o l l e c t i o nI n t e r v a l5 3图3 1 52 0 秒回传间隔条件下的的算法误差曲线图5 4F i g 3-1 5T h eE r r o rC u r v e so f A l g o r i t h mu n d e r2 0S e c o n d sd a t aC o l l e c t i o nI n t e

49、r v a l5 4图4 1 不同等级道路所呈现的速度变化特征6 2F i g 4 1 T r a v e lS p e e dE v o l v e m e n tC h a r a c t e ro f D i f f e r e n tC l a s sR o a d 6 2图4 2 北京市三环路上单点速度日变规律6 3F i g 4-2S p o tS p e e dE v o l u t i o no f t h e3 r dR i n gR o a di nB e i j i n g 6 3图4 3 北京市路网平均速度日变规律6 3F i g 4-3t h eE v o l u t

50、 i o no f A v e r a g eT r a v e lS p e e do f T o t a lR o a dN e t w o r k 6 3图4-4 基于探测车数据的三阶段应用6 6F i g 4-4T h r e e s t a g e sA p p l i c a t i o no f F l o a t i n gC a rD a t a 6 6图4 5 城市路网中各道路等级的出行里程分布比例6 7F i g 4-5M i l e a g eU s a g eD i s t r i b u t i o nf o rD i f f e r e n tC l a s sR