1、本科毕业论文（20 届）基于动态车载导航系统的浮动车信息采集技术FCD Traffic Information Collection Base On Dynamic Vehicle Navigation System所在学院 专业班级 交通工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘 要随着经济的发展和科技进步，城市化进程的加快，我国很多城市存在着“无效的交通供给和无序的交通需求”的局面，交通拥堵现象普遍发生，道路基础设施的建设无法满足出行需求，引发了交通拥挤，交通事故，环境污染等城市交通问题。 过去，市场上的 GPS 车载导航，实现了路径指引的功能，但是随着汽车保有量的增加，交
2、通拥堵的频率增加，出行时间变长，静态车载导航已经不能满足出行需要。目前，市场上逐渐出现了一些与动态导航有关的系统和产品。如手机为终端的实时路况信息显示系统；高速公路上的实时路况显示屏等，使交通参与者通过动态信息的接收，减少出行时间，降低危险率，减少油耗和二氧化碳排放。动态车载导航系统的关键部分是实时交通信息的采集和路径优化，本文主要研究动态车载导航系统的交通信息采集部分。首先通过动态信息采集技术的对比，得出一种高效的信息采集技术基于浮动车技术的道路交通信息采集。然后介绍基于浮动车技术的交通信息采集方法的概述。最后介绍浮动车信息采集技术的关键部分。关键词：浮动车；信息采集技术；动态车载导航Abs
3、tractWith economic development and technological progress, the process of urbanization accelerated in many cities of China there is invalid traffic supply and disorderly traffic demand “situation, the widespread occurrence of the phenomenon of traffic congestion, road infrastructure can not meet the
4、 travel demand, causing traffic congestion, traffic accidents, environmental pollution, urban transport problems.In the past, GPS car navigation market to achieve the function of the path guidelines, but with the increase of car ownership, traffic congestion increase in the frequency, time longer st
5、atic vehicle navigation can not meet travel needs. Currently, the market, gradual emergence of a dynamic navigation systems and products. Such as the mobile phone terminal real-time traffic information display system; highway real-time traffic display. Traffic participants, reducing the travel time
6、through the reception of dynamic information and risk reduction rate, reduce fuel consumption and carbon dioxide emissions.A key part of the dynamic vehicle navigation system is a real-time traffic information collection and path optimization, the paper studies the dynamic vehicle navigation system
7、traffic information acquisition part. First, by comparison of the dynamic information acquisition technology to arrive at an efficient information acquisition technology - based on the floating vehicle technology, road traffic information acquisition. And then describes the overview of the traffic i
8、nformation acquisition method based on floating car technology. Finally, the key part of the floating vehicle information collection technology.Keywords：Floating car;Information collection technology;Dynamic Vehicle Navigation 目 录绪论 .11 动态车载导航系统 .21.1 动态车载导航系统的现状及关键性 .21.2 动态车载导航系统的组成 .22 交通信息采集子系统数
9、据采集方法的比较 .22.1 固定型采集技术 .22.1.1 磁频采集技术 .32.1.2 波频采集技术 .32.1.3 视频车辆检测器 .42.2 移动型采集技术 .42.2.1 基于 GPS 的采集技术 .42.2.2 基于电子标签的采集技术 .42.2.3 基于手机定位的采集技术 .43 浮动车信息采集技术的准备工作 .53.1 探测车的选择 .54 浮动车信息采集的关键技术 .64.1 适用于浮动车信息采集系统的方法及误差分析 .64.1.1 信息采集的方法 .64.1.2 信息采集的误差分析 .84.2 信息采集格式 .94.3 浮动车交通信息编码分析 .104.3.1 信息编码的方
10、式选择 .104.3.2 信源编码的算法比较 .104.4 浮动车交通信息传输分析 .114.4.1 数据传输的信道选择 .114.4.2 数据传输的格式 .124.5 数据传输的协议及安全性 .144.5.1 建立数据传输协议 .144.5.2 数据传输的安全性 .144.6 信息共享 .155 浮动车信息采集技术国内外应用现状 .155.1 浮动车信息采集技术的国外应用现状 .155.1.2 德国浮动车数据系统 FCD.155.1.2 美国 ADVANCE .155.1.3 日本新一代 VICS 系统 .165.2 国内浮动车技术的研究现状 .165.2.1 北京浮动车信息采集技术的应用现
11、状 .165.2.2 杭州浮动车信息采集技术的应用现状 .16结论 .16参考文献 .18致 谢 .201绪论随着我国社会经济的发展和城市化进程的加快，越来越多的人将汽车作为代步工具，汽车需求日益增加。随着汽车拥有率的不断上升和小轿车出行的增加，交通拥堵现象普遍发生。出行难成为了制约城市可持续发展的重要原因。“出行难”的问题，主要体现在道路资源和机动车快速增长的不匹配上，因此，解决交通拥堵已经成为目前亟待解决的重要问题。多年来，国内外的实践证明，解决交通拥堵问题，不能仅仅依靠建设路网等道路基础设施，而是应该从可持续发展的角度，利用现代化交通管理设备提高路网通行能力。随着电子技术、通信技术等高新
12、科技技术的发展，交通管理手段和思路逐渐多样化，发达国家采用智能交通系统，提高交通的机动性、安全性、提高了道路资源的利用率；同时减少了交通事故、交通污染和出行时间。 智能交通系统（Intelligent Transport System 简称 ITS）是将先进的信息技术、通讯技术、传感技术、控制技术以及计算机技术等有效地集成运用于整个交通运输管理体系，而建立起的一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合的运输和管理系统。经过国内外的一系列实践证明，ITS 在解决城市交通拥挤、改善行车安全、提高路面运输效率、减少空气污染等方面非常有效果。伴随 ITS 技术的应用，市场出现了 GPS
13、车载导航，实现了路径指引的功能，但是随着汽车保有量的增加，交通拥堵的频率增加，出行时间变长，能够实时播报路径信息的动态车载导航，越来越被人们关注。动态车载导航的关键技术在于实时交通信息的采集和动态路径优化，本文重点分析浮动车交通信息获取的关键技术，展开研究。具体各章内容安排如下：第一章主要概述动态车载导航系统及其重要意义进行简述。第二章针对动态车载导航系统的信息采集子系统进行简述，并对信息采集子系统的信息采集技术方法进行对比，选择出先进的浮动车信息采集技术作为本篇论文的重点。第三章分析浮动车信息采集技术的探测车。第四章为本篇论文的重点，对浮动车信息采集技术的关键技术进行研究，定义了浮动车交通信
14、息的格式，分析数据采集设备的技术参数要求，比选信息编码的算法，选定了数据传输的信道、格式。第五章通过国内外的浮动车信息采集技术应用案例，证明了浮动车信息采集技术的先进性和可实施性。21 动态车载导航系统1.1 动态车载导航系统的现状及关键性ITS 系统主要由交通管理系统（ATMS）、先进的交通运输系统（ATS）、先进的公共交通系统（APTS）、先进的交通信息系统（ ATIS）、先进的车辆控制系统（AVCSS）几部分组成。其中，先进的交通管理系统（ ATMS）和先进的交通信息系统（ATIS）是 ITS 系统的核心。ITS 系统的各个组成部分都是以交通信息应用为基础展开的，因此，交通信息的数量和准
15、确性非常重要。如何能够获取实时、动态、全面、准确的道路交通信息成为了关键问题 1。日本、美国、欧洲等国家在发展智能交通系统的过程中，将动态道路交通信息系统的建设放在十分重要的位置，实践表明，出行者凭经验出行远远没有凭动态交通信息出行的效率高。因此，动态信息的充分利用成为道路交通实现安全畅通的关键和基础。1.2 动态车载导航系统的组成动态车载导航系统，对出行者出行起着诱导作用，主要由交通信息采集子系统、车辆定位子系统、交通信息服务子系统和行车路线优化子系统组成。其中交通信息采集子系统进行实时路况的采集，是动态导航实现路径诱导的前提和关键。通过实时数据采集，可以使交通参与者掌握实时、动态、准确、多
16、面的交通信息，减少乃至避免交通拥塞和交通事故的发生，提高路网利用率 2。2 交通信息采集子系统数据采集方法的比较交通信息按信息变动的频率可分为静态交通信息和动态交通信息。静态交通信息主要包括路网信息、机动车保有量信息、驾驶员信息等在一段时间内稳定不变的信息；动态交通信息则是指：在时间和空间上不断变化的交通流信息 3。如：交通流、车速、占有率等。静态交通信息的采集一般可以通过交通管理部门、道路设计规划院等途径获取，因此，动态交通信息采集才是本文重点。动态交通采集技术根据交通检测器工作地点不同，可以划分为固定型采集技术和移动型采集技术。其中，固定型采集技术是利用安装在固定地点的交通检测器设备对交通
17、流信息进行采集；移动型采集技术则是运用安装特定设备的移动车辆通过检测道路上的固定标识物采集交通流信息的方法总称。2.1 固定型采集技术固定型采集技术根据检测器的工作方式和工作时电磁波波长的不同，可以划分为：3磁频采集技术、波频采集技术和视频采集技术三类 4。2.1.1 磁频采集技术当车辆通过检测区域时，在电磁感应的作用下交通检测器内的电流会跳跃式上升，当该电流超过指定的阈值时会触发记录仪，实现对车辆数及通过时间的检测。使用磁频技术采集动态交通信息的设备主要有环形线圈检测器、磁力检测器等。环形线圈检测器是传统的交通检测器，是目前世界上用量最大的一种检测设备。车辆通过埋设在路面下的环形线圈时，会引
18、起线圈磁场的变化，检测器据此计算出车辆的流量、占有率。借助环形线圈的平均有效长度，还可计算出车辆速度。如要准确地直接测量速度，可采用两组线圈的方案，间距约为 6m，跟其他方法相比，环形检测器技术相对成熟，易于掌握，并有成本较低的优点。但是，线圈在安装或维护时必须直接埋入车道，这样交通会暂时受到阻碍；埋置线圈的切缝会软化路面，容易使路面受损，尤其是在有信号控制的十字路口，车辆启动或者制动时损坏可能会更加严重；感应线圈易受冰冻、路基下沉、盐碱等自然环境的影响；感应线圈由于受自身的测量原理所限制，当车流拥堵，车间距小于 3m 的时，其检测精度大幅度降低，甚至无法检测。磁力检测器是被动接收设备，当铁质
19、物体通过检测区域时，会引起磁场强度的变化， 磁力检测器就是通过检测磁场强度的异常来确定是否有车辆出现的。当车辆进入并通过磁力检测器的检测区域，且检测器的磁场强度发生超过预设的阈值时， 说明有车辆被检测到。2.1.2 波频采集技术波频采集技术可分为两大类：主动式和被动式采集技术。主动式采集技术是由交通检测器向检测区域发射具有一定波长的能量波束，当有车辆通过检测区域时，该波束经车辆反射后被检测器接收，然后经过处理分析获得所需的交通参数。该采集技术的主要设备有微波检测器、超声波检测器、主动红外线检测器等。被动式采集技术是检测器对通过检测区域的车辆本身发射的具有一定波长的能量波束进行接收，经过分析处理
20、后获得所需的交通参数。该采集技术的主要设备有被动红外线检测器、被动声学检测器等。两种波频检测技术的差别主要在于所依据的波束来源不同，主动式检测技术由检测器发射波束，经车辆反射后由检测器接收；被动式检测技术由车辆发射波束， 并由检测器接收,检测区域内的车辆数。被动声学检测器通过感知来自车辆内部及车辆轮胎与地面接触等多个来源的声音信号，可检测车辆出现、速度、占有率等交通参数。当车辆通过检测区域时，信号处理器感知到声音能量的提高，产生车辆出现信号；当车辆驶离检测区域时，声音能量减小，且当声音能量小于检测器的检测阈值时，车辆出现信号消失。被动声学检测器一般安装于路旁或车道的上方，适用于桥梁及需要安装悬
21、挂型检测器且不出现低速（小于 32km/h）行驶车流的道路上。42.1.3 视频车辆检测器基于视频图像处理的交通检测技术是近年来在视频监视技术基础上逐步发展起来的一种新型的车辆检测方法，视频检测相比其它检测技术，能收集更多和更全面的数据。视频检测处理技术通过数码照相机或摄像机来进行现场数据采集，采用图像识别技术分析交通数据。其基本原理是在很短时间间隔内，由 CCD(半导体电荷藕合器件)摄像机连续摄得两幅图像，然后对两幅图像的全部或部分区域进行比较，如有差异则说明有运动物体。视频检测技术能够采集的数据很广，一个摄像机能够采集几个车道的数据，使得检测交通动态行为和各种空间交通参数成为可能，包括交通
22、流量、车型分类、占有率、速度、排队规模等，还可以获得车辆的外形三维数据甚至车辆的轴数、轴距、轮距和车辆组成等交通参数，这是以前传统的车辆检测器所不能做到的。此外，视频检测能提供辅助信息，如路肩交通、停车交通、车道变化、速度差异和其它方向的交通拥堵的现场场景。视频检测的优点有：能在任何路况系统正常工作;检测器易于安装和调试；视频信号能通过同轴电缆、光纤、双绞线、无线射频或微波等多种方式进行传输；系统维护费用低；系统可提供现场录像，供专家事后分析；可进行多车道检测，能检测更大的交通场景面积。视频检测的缺点是：采用可见光进行检测时易受现场光明条件限制；目前图像处理的实时性较差；车辆的检测精度受整个系
23、统软、硬件的限制；价格较高 5。2.2 移动型采集技术移动型采集技术是指运用安装有特定设备的移动车辆（Floating Car）来采集交通参数数据的技术的总称。目前主要有基于 GPS（全球定位系统）的采集技术、基于电子标签的采集技术和基于手机定位的采集技术 6。2.2.1 基于 GPS 的采集技术GPS 是一个能够实现全方位、实时定位和导航的卫星系统，在交通领域已得到越来越广泛的应用。基于 GPS 的交通信息采集技术是在车辆上配备 GPS 接收装置，以一定的采样间隔记录车辆的三维位置坐标（经度坐标、纬度坐标、高度坐标）和时间信息，这些信息传入计算机后与地理信息系统（GIS）的电子地图相结合，经
24、过重叠分析可计算出行程时间和行程速度 7。2.2.2 基于电子标签的采集技术基于电子标签的采集技术是将电子标签安装在车辆上（电子标签中有一个微型无线电发射器， 它能发射出车辆自身特征识别码） ，并在道路两侧安装高灵敏度的接收天线，天线接收由电子标签发出的车辆特征码信息，并将信息传输给计算机进行处理后可得到交通流量、空间平均速度、行程时间和车辆分类等信息 8。52.2.3 基于手机定位的采集技术基于手机定位的采集技术的基本原理是利用手机与基站之间的相互关系来确定手机位置坐标信息，并通过路径匹配估算出路段行程车速 9。这种采集技术与基于 GPS的采集技术类似，只是得到位置坐标的原理不同。获取手机位
25、置坐标信息的方法一般有两种：测量手机移动台发射信号到达不同基站的时间差；在手机内加装 GPS 定位芯片，通过卫星信号确定手机位置。基于手机定位的采集技术投资小、覆盖范围广、采集数据量大，因而日益受到交通机构的关注，也将是未来交通数据采集的一个重要发展趋势。传统的交通信息采集技术的有关设备主要固定安装在高速公路、快速路、主干路和次干路的关键交叉口处，对关键节点的交通管理与控制起到了有效的作用，但由于设备是局部覆盖的，使传统的交通信息采集方式存在“空白区” ，无法提供路网全天候的交通信息。与传统的交通信息采集技术相比，浮动车技术具有空间上的整体性、移动性和时间上的实时性、便利性的特点。浮动车运行于
26、整个城市道路网上，可以实时采集路网上的动态交通信息；与固定检测设备(如：感应线圈检测器、雷达检测器、视频检测器、红外检测器等)仅能采集断面或者某个车道交通信息相比，浮动车可“移动”采集路网的动态交通信息；浮动车采集的交通信息通过无线网络实时传输至交通数据中心，数据传输间隔与浮动车的样本量及应用目的等有关；浮动车交通信息采集除了固定设备安装外，交通信息能够自动采集并上传至中心，设备维护简单、费用较低。综上所述，浮动车技术作为一种新兴的交通信息采集技术，弥补了传统交通信息采集技术的不足，尤其是在选取出租车、公交车等作为浮动车时，能够作为传统采集技术的有力补充，有效、海量、实时采集动态交通信息。通过固定交通信息采集方式与浮动车信息采集方式的比较，不难看出，要满足动态导航系统的需要和实时道路交通信息的需求，必须采用更加灵活，信息量更加丰富的交通信息采集方法。浮动车信息采集技术是目前国际上交通信息采集技术研究的前沿，是获取大面积实时交通信息的有效手段。3 浮动车信息采集技术的准备工作3.1 探测车的选择探测车是浮动车信息采集技术的基础工具，能够反映交通流的总体特征。探测车样本的种类和数量非常重要。大多数城市交通系统中，由出租车、公交车、私家车担任浮动车的功能。
