1、 I毕 业 设 计（论 文）题目：基于 GPS 的不停车收费地图匹配方法研究院 别： 专业班级： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 年 月 日青岛理工大学毕业设计（论文） 摘要I摘 要基于 GPS 的不停车收费技术代表着未来道路收费的发展方向，精确的地图匹配决定该收费系统能否成功实现精确收费。本文概述了各种常用的地图匹配算法，并就各种地图匹配算法进行系统的分析和对比，在此理论基础上，提出基于 GPS 的不停车收费系统的地图匹配算法。本文以自驾车从黄岛到济南为例，对此路线中收费用地图中的关键点即收费点进行定义，并提出了一种新的专门用于收费的地图匹配算法。此算法被证实是具有可行性的。关键词：GPS
2、，不停车收费，收费电子地图，地图匹配青岛理工大学毕业设计（论文） ABSTRACTIIABSTRACTDo parking charge based on GPS technology represents the future development direction of road pricing.Accurate map matching decided to achieve precise charging of the success of the charging system. This article outlined the various commonly used ma
3、p matching algorithm, and a variety of map matching algorithm for system analysis and comparison, based on the theory, put forward the no parking charge system based on GPS map matching algorithm. Taking self-driving from Huangdao to Jinan as an example, this route in charge with the points on the m
4、ap the charge points are defined, and a new map matching algorithm is designed to charge. The algorithm is proved to be feasible.Key Words: GPS,no parking charge, electronic map,map matching 青岛理工大学毕业设计（论文） 目录1目 录摘 要： .IABSTRACT.II目 录 .11 绪论 .31.1 论文研究的背景 .31.2 道路收费的发展历程 .31.3 GPS 收费系统的原理与特点 .51.3.1
5、DSRC 电子收费技术 .61.3.2 ANPR 电子收费技术 .71.3.3 基于 GPS 的不停车收费技术 .91.3.4 DSRC、ANPR 和基于 GPS 的电子收费技术的性能比较及分析 .121.4 本文研究内容及结构 .132 地图匹配技术 .152.1 地图匹配的基本原理 .152.2 常用地图匹配算法 .182.2.1 最短距离算法 .182.2.2 概率统计算法 .192.2.3 基于拓扑关系的算法 .202.3 地图匹配方法分析 .212.4 地图匹配的应用 .223 基于 GPS 的不停车收费系统地图匹配方法 .243.1 基于 GPS 不停车收费地图匹配的作用 .243
6、.2 基于 GPS 的收费地图的定义 .243.2.1 道路收费地图收费关键点及收费路段定义 .253.2.2 主线站出入口特殊处理 .253.2.3 收费关键点和收费路段属性值的定义 .253.2.4 地图精简 .273.3 基于 GPS 的不停车收费系统的地图匹配方法 .28青岛理工大学毕业设计（论文） 目录23.3.1 地图匹配中搜索范围的确定 .283.3.2 卫星收费地图匹配算法描述 .293.4 该算法可行性实验 .344 总结 .36致 谢 .37参考文献 .38青岛理工大学毕业设计（论文） 1 绪论31 绪论1.1 论文研究的背景高速公路因其“高速、高效、安全、舒适”等优点，在
7、现代化公路建设中己成为发展的必然趋势。作为连接主要城市和重要港口的枢纽高速公路，已成为承载繁忙运输的交通要道。我国的“十二五”规划中明确指出，要进一步完善公路网络，发挥路网整体效率。全国公路总里程已超过 400 万公里，五年增加 38 万公里，高速公路里程已达 6.4 万公里，总里程数位于世界第一。然而，与公路建设相比，公路收费的自动化水平却相对滞后，传统的收费方式（找零、回票、投币）无法缓解尖峰时间的车流量，效率低下，使车辆在收费站区域滞留，形成“瓶颈” ，不能很好的发挥高速公路的服务优点，从而使电子不停车收费系统应时而生。电子不停车收费系统是智能交通系统的主要服务内容之一，是国内外正在不断
8、开发并推广普及的一种用于公路、大桥和隧道的电子自动收费系统。目前广泛应用的主要是利用专用短程微波通信技术，通过路侧单元（RSU）与车载单元（OBU）的信息交换，自动识别车辆，采用电子支付方式，自动完成车辆通行费扣除的全自动收费方式。而基于 GPS 的不停车收费系统是世界上最先进的电子收费方式之一，它的诸多优点注定其必将成为未来发展的方向。作为电子不停车收费中最具广泛应用前景的 GPS 不停车收费系统正逐渐受到人们的青睐。卫星收费电子地图是卫星收费系统中的核心技术，能够实现 GPS 的不停车收费技术的精确收费，而目前正由于车载设备成本高，使该收费系统受到一定的限制，因此车载收费电子地图匹配方法具
9、有重要的研究价值。目前关于国外道路收费方面技术资料大多限于对收费系统的介绍，而收费地图匹配技术介绍很少。常规的用于导航系统中的地图匹配方法是通过投影距离和车辆行驶方向与路段矢量方向差值加权的方法来进行地图匹配，判断出车辆行驶的路段。由于这些方法需要完全的地图路段信息较大的计算能力和存储单元，从而增加了车载设备的成本。另外需要判断匹配的路段较多，对信号可靠性的要求也比较高。加之道路收费自身的一些特点，上述方法不适合道路收费使用。因此需要对基于 GPS 的不停车收费地图匹配方法进行大量研究和试验。青岛理工大学毕业设计（论文） 1 绪论41.2 道路收费的发展历程自从道路收费开始应用与人们的日常生活
10、中以来，收费技术经历了从低级到高级，从功能简单到功能完善丰富的过程。首先是无任何设备的人工收费方式，发展成为现在的半自动收费和电子收费。道路收费技术发展历程如图 1-1 所示。人工收费是指完全靠收费员来分辨车型、发卡、开票验证、按里程计收费用、保管现金、统计数据和结帐的收费方法。从 20 世纪 60 年代以来，很多地方就采用这种简单的收费办法。目前，中国的一些收费公路（特别是低等级公路）仍广泛采用这种收费方式。半自动收费是指在道路入口处由人工识别车型、发卡，但在出口处通过仪器设备来读卡、人工进行收费、显示收费金额、付费放行等的收费方式。电子不停车收费（Electronic Toll Colle
11、ction，简称 ETC）系统是国际上正在努力开发并推广普及的一种专门用于公路、桥梁和隧道的新型电子自动收费技术。它包括三种技术：基于 DSRC（Dedicated ShortRange Communication，短程无线通信）电子收费技术、基于 ANPR（Automatic Number Plat Recognition，车牌识别）电子收费技术及基于 GPS（Global Positioning System 全球定位系统）电子收费技术。ETC的三大特点：无需人、不停车、无现金。图 1-1 道路收费发展历程青岛理工大学毕业设计（论文） 1 绪论5首先，高速公路收费由传统的人工收费到不停车非
12、现金收费经历了漫长的过程，虽然国内外目前均是多种收费方式并存的情况，但不停车电子收费必然成为未来收费方式的主流发展方向，世界各国均在努力发展适合本国国情的不停车收费系统，并在努力促使其标准化。在国际上，美国、欧洲、日本很早就针对不停车收费系统中的研发技术、工程实施、标准规范进行了深入研究。在美国，电子不停车收费方式已经成为美国回收公路投资和养护费用的高效率手段，最著名的联网运行电子不停车收费系统是 EZpass 系统。葡萄牙的 Via Vance 电子收费系统可以算作欧洲具有代表意义的联网电子收费系统之一，事实已证明，Via Vance 电子收费系统是既有利于道路使用者又有利于道路运营商的有效
13、收费手段。国际标准化组织（ISO） 、欧洲准化委员会（CEN）也在开展不停车收费领域的技术标准化工作。其次，联网收费项目已经成为国内、国际不停车收费的主流方向，但在电子收费系统从引进我国到实施，经过了一段时间的实践，目前也取得了一定的进展。如今国内的 ETC 系统采用的基本都是基于 DSRC 技术的不停车收费系统。由于早期的不停车收费系统的引进采取公路管理部门自主引进的方式，没有一个统一的标准，各个地区不停车收费系统的技术标准不尽相同。至于车道结构、通信网络、监控系统等等更是各行其是。至今我国的基于 DSRC 的技术标准也还在制定和完善中，仍未公布。如今，我国公路收费系统从各路段独立收费的状态
14、步入了联网统一收费、通行费多业主拆分的时代。在实施区域联网收费的进程中，标准的不一致，协调上的困难，使我国的不停车收费系统逐渐暴露出了一些问题:1）各个城市的不停车收费系统需要在地区内得以统一，比如说首先在省的范围内。这就需要扩大规模，路网规模的扩大，将导致 ETC 系统规模的扩大，使一次性投资增加，周期更长，风险更大。2）现有的不停车收费系统造价比较高，许多关键的设备需要引进。3）国内己建的收费站中，大多数的入口收费站和出口收费站的交通量小，车道数量少，如果考虑单独辟出一条专用的 ETC 车道在建设上比较困难，在利用率上又不够经济。总之，我国的 ETC 项目进展并不顺利，有些大项目碰到了很复
15、杂的协调问题，青岛理工大学毕业设计（论文） 1 绪论6有些项目正式运行后因多种原因无法扩大规模，用户群较小。与半自动收费方式相比，电子收费系统的运行市场化特色更浓一些，要求运营公司有很高的商业运作能力。在现阶段，各方面的精力主要集中在人工半自动的区域联网收费工作上。1.3 GPS 收费系统的原理与特点电子收费技术从实现的技术手段上可分为 3 种：短程无线通信（Dedicated Short-Range Communication，DSRC ）电子收费技术，车牌识别 （Automatic Number Plat recognition，ANPR ）电子收费技术及卫星定位（Vehicle Posi
16、tioning System，车辆定位系统）电子收费技术。1.3.1 DSRC 电子收费技术1. DSRC 电子收费技术的定义DSRC 电子收费技术是近几年国际上比较成熟的收费技术。它是利用安装在路侧的路边设备 （R0ad Said Unit，简称 RSU）与行驶在收费道路的车辆上的车载装置（OnBoard Unit，简称 OBU）联系起来，司机不停车、不使用现金而支付通行费用的一种收费技术。它可以应用在城市道路收费、公路收费及大桥和隧道收费中。2. DSRC 电子收费系统的构成DSRC 电子收费系统包括前端系统和后台系统组成：其中前端系统包括 OBU 车载单元、DSRC 路边设备、车辆分类系
17、统、执法系统等；后台系统主要实现车辆通行费的结算、清分等功能。3. DSRC 电子收费系统的工作原理整个 DSRC 电子收费系统大致的运行过程是：1）用户前往发行安装部门，申请安装车载装置，预缴通行费或设立事后付费帐户，相应的信息被存入车载装置中，然后该车便可以上路行驶。2）在进入收费站时，车辆按规定限速通过收费车道。DSRC 路边设备通过天线与车载单元进行双向通信，收费操作在通信的过程中同时完成。收费操作的具体步骤包括根据车型按照收费标准确定收费额、核对余额、帐号信息、有关结果通知对方等。如果一切无误（剩余余额充足或帐号有效时） ，则正常结束收费操作（改写余额、记帐等） 。否则（剩余余额不足
18、或帐号无效时）启动执法系统记录其车辆号码，以保证通行费最终能被征收，不致流失。青岛理工大学毕业设计（论文） 1 绪论73）每次收费操作，都需将收费操作的相关信息递交后台系统，后台系统对这些信息按照不同类别分别进行处理。正常收费信息可以积累汇总，产生相应的收入报告，同时，事后付款方式的收费数据将定时（或实时）递送给后台系统，以便生成转帐清单向金融机构请求支付。不正常收费信息将立即通知执法系统，以确保统一及时处理。后台系统除了接收收费车道呈递的信息外，还向收费车道发送相关信息，如收费标准、帐号“黑名单”等。 4）在系统中，金融机构负责提供金融服务，包括管理事后付款帐户及收费帐户，处理各种转帐、清帐
19、事务，还参与车载装置的发行、安装。同时，它也向系统提供一定的信息，如不良信息帐号的“黑名单”业务结算结果等。4. DRSC 优缺点DRSC 电子收费是利用安装在路侧的路边设备 （RSU）与行驶在收费道路车辆上的车载装置（OBU） 联系起来，司机不停车、不使用现金而支付通行费用的一种收费技术。它具有如下优点： 1）收费精确。对于采用 DSRC 电子收费技术组成的道路收费系统，它可以对通过设有天线的收费站点的车辆进行精确收费、误差极小、并可以结合图像抓拍等技术，对于未安装车载装置（OBU）的车辆进行严格控制。 2）技术成熟，系统完整性好。DSRC 电子收费系统是经过多年发展的成熟技术。在采用该技术
20、的条件下，道路收费系统可以适应多种实际应用要求，包括多种费用支付要求，且系统灵活性好，可以与其它应用比较密切地结合。 同时存在以下不足： 1）系统的前期投资大。该技术要求用户在相应的车辆上安装车载 OBU，导致前期投资比较大。一般单片式 OBU 价格为 200300 元，双片式则多达 500 元左右。2）违章处理弊端。要求用户必须安装 OBU，否则按违章车辆处理。用户的配合问题也是该系统有效实施的关键。3）需要安装龙门架。一方面增加大量投资，另一方面，如果是在城市道路上会有碍市容，同时在市区中安装龙门架存在地理位置限制、影响交通等问题1.3.2 ANPR 电子收费技术 1ANPR 电子收费技术的定义
