浮动车数据中零速度点数据地图匹配方法
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目前大部分浮动车系统是由正常运营的装有 GP S 设备的出租车构成, 出租车运营时停车状态 较多, 因此采集到的浮动车数据存在大量由于频 繁停车导致的瞬时速度为零的数据点。经统计, 速度为零的车辆记录 约占整个车辆 数据记录的
40% , 由于这些速度为零的停车点传回的方向角 不能正确反映车辆的行驶方向, 所以不能用常规 的地图匹配方法确定车辆所在的路段。目前针对 浮动车数据中零速度点处理方法的文献很少, 在 实际的数据处理中通常采用简单过滤的方式将停 车点不加分析的作为无用数据剔除[ 6] 。这种抛弃 所有速度为零的点做法, 在特定时间内, 将降低路 段样本有效数量, 影响地图匹配的效率。而采用 轨迹曲线匹配方法, 会导致算法复杂, 计算量大, 不能满足实时性要求[ 3] 。
4
8909
22
272 123. 422 176 41. 769 168
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5588
0
275 123. 422 268 41. 769 331
6
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270 123. 427 213 41. 769 183
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8152
43
90 123. 424 220 41. 769 035
8
7994
51
273 123. 423 335 41. 769 178
图 3 5 min 内浮动车位置点分布图
表 3 是任取 5 min 部分浮动车传回记录, 共 有 24 条浮动车记录, 16 台移动点浮动车, 9 个零 速度点记录。首先通过投影距离与路段矢量方向
差值加权的方法计算将非零速度点匹配到路段 1 上。表 3 是非零速度点和路段 1 的匹配结果表, 表中内容包括记录点和 3 条路段匹配过程中的各
D, 通常根据 GP S 的定位精度值选 取, 这里为了 避免 GPS 点丢失, 取较大的范围 D = 40 及行驶 方向与道路矢量方 向夹角最大允许偏差值 H, 各 个路段排队长度 Li 。
1) 从数据库中读取浮动车数据。将浮动车
40
数据中速度为零的数据和速度非零的数据分开, 分为 2 个数据 集, 0 速 度数据集 G0, 非 0 速度数 据集 G1。
2) 非零速度点地图匹配, 采用基于投影的匹 配算法: GPS 点到路 段距离、行驶方 向角和地图 路段矢量方向差值加权的方法将 GPS 数据匹配 到路段上。
步骤 1 从 G1 数据集中取出 GP S 数据, 循 环选取路网中各个路段。
步骤 2 计 算该 GP S 点与各个 路段间的投 影距离 ri 。
2 算法实例
应用上述匹配方法将图 3 中零速度点匹配到 路段上。图 3 表示 1 个十字交叉路口附近 5 min 内浮动车传回位置点的分布情况, 该路口由路段 1、路段 2、路段 3 组成, 黑色圆点代表浮动车停车 点, 黑色方块代表浮动车移动点。由图 3 中可以 看到路段 1 附近越靠近十字交叉路口区域内, 停 车点黑色小圈越集中, 这说明这些车辆在正常停 留等待信号灯。根据该路段实际交通状况设定这 个区域车辆等待信号灯的排队长度为 L 。下面用 本算法计算浮动车点和路段 1 的匹配情况。
由于出租车辆的特殊性质, 车辆上下客和路 边待客的情况很多。这些数据与当前路段交通状
收稿日期: 2009-06-23 修回日期: 2009- 11-09 * 中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目( 批准号: 2009-09-27) 资助
作者简介: 王东柱( 1966) , 硕士, 工程师. 研究方向: 智能交通. E- mai l: w angdrew @ 163. com
步骤 3 计 算该 GP S 点行驶方 向角与各个 道路矢量方向夹角之差 Hi 。
步骤 4 计算距离度量值 Mi = w r r i + w HHi 。 步骤 5 取所有 Mi 最小的路段为车辆点所 在的路段 R i 。 步骤 6 这里需要用最 大允许范围值限制, di 为点到路段 i 的投影距离。如果| di | < D , 执 行步骤 7, 否则执行步骤 1。 步骤 7 GP S 点属于路段 Ri , 在路段 Ri 属性 值内写入 GPS 点的设备 ID 号, 执行步骤 1。 步骤 8 所有非 0 点与各个路段匹配完成。 3) 零速度点初步匹配方法。 步骤 9 从 G0 数 据集中取出 GP S 数据, 循 环选取路网中每条路段。 步骤 10 计算该 GP S 点与各个路段间的投 影距离 ri 。 步骤 11 如果点和路段 R i 投影距离小于最
0引言
浮动车也称 GP S 探测车[ 1] , 是近年来国际智 能交通系统( IT S) 中所采用的获取道路交通信息 的先进技术手段之一, 具有应用方便、经济、覆盖 范围广的特点。
对浮动车数据进行处理时首先要进行地图匹 配, 地图匹配的目标是确定 浮动车所在的路段。 浮动车回传的 GPS 坐标只能反映车辆的位置, 而 不能直接与路网路段相关联, 因此, 必须依赖地图 匹配方法将车辆位置与路网的弧段关联起来[ 2] 。
浮动车数据中零速度点数据地图匹配方法 )) ) 王东柱 董继明 李亚檬, 等
41
个参数计算, 取距离度量值项路段 1 中 M i 最小 的值为匹配到路段 1 的结果, 如表中深色记录行 所示属于路段 1 的记录点, 共有 11 个点。表 4 是 对零速度点进行的初步匹配过程中各个参数的计
算, 有 7 个点满足投影距离和排队长度条件, 如表 4 中深色记录所示。
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交通信息与安全 2009 年第 6 期 第 27 卷 总 152 期
浮动车数据中零速度点数据地图匹配方法*
王东柱1 董继明2 李亚檬1 宋向辉1
( 国家智能交通系统工程技术研究中心智能交通技术交 通行业重点实验室1 北京 100088)
( 河南职业技术学院汽车工程系2 郑州 450046)
摘 要 浮动车数据中存在大量的由于车辆频繁停 车引起瞬时 速度为 零的停 车点记 录, 这 些零速 度 点由于方向角不准确, 常规的投影和 几何地图匹配的算法 不能有 效地将 其匹配 到路段上 。通过对 浮 动车辆停车原因进行分析, 提出了 1 种基于浮动车停车 点数据过滤筛选的地图匹配方法, 可以将能 够 表示路段交通状态的交叉口车辆排队零速度点提取出来, 匹配到路段上, 同时过滤掉和交 通状态无 关 的零速度点, 从而增加了有效样本数 量, 为进一步对整个路网运行状态的全面评估提供数 据支持。 关键词 地图匹配; 浮动车数据; 停车点; G PS 定位; 方向角; 交叉口 中图分类号: U 491 文献标志码: A DOI: 10. 3963/ j. ISSN 1674- 4861. 2009. 06. 010
9
8160
28
273 123. 424 368 41. 769 191
10 7632
5
272 123. 425 218 41. 769 223
11 5062
54
275 123. 423 980 41. 769 110
12 8160
0
0 123. 422 150 41. 769 256
13 5062
0
3) 零速度点的 2 次匹配: 这一步是对上一步 的验证确定过程, 采用与该零速度点同一路段上
已经匹配成功的非零速度点相比较。如果在同一 路段有同一设备数据点存在, 则该点属于该路段。 步骤见图 2。
图 1 地图匹配处理框图
图 2 零速度点初次匹配过滤框图
1. 2. 2 地图匹配的具体实现步骤 设定点到 路段投影距离 的最大允许 偏差值
注意到通常正常零速度点大量出现在路段终 点的交叉口附近( 排队等待通行信号) , 即路段矢 量方向终点附近, 如图 1 所示。路段矢量方向是 从路段的起点到终点的方向, 和车辆行驶方向是 一致的。首先对路段上靠近交叉口和路段终点排 队长度内的零速度点进行初步判断, 但是并不能 保证这些零速度点就一定属于该路段上。需要下 一步的验证过程, 单位时间内同 1 个车辆在 1 条 路段上通常会有一系列连续的轨迹点, 如果该零 速度点浮动车能够找到另 1 个已知的属于该路段 的点, 则可以判定它也属于该路段。因而可以采 用同一路段同 1 车辆非零速度点和零速度点比对 的方法来进一步确定车辆的位置, 将零速度点匹 配到路段上。 1. 2 地图匹配的实现步骤 1. 2. 1 地图匹配方法简述
表 1 浮动车传 回记录
记录 浮动车 GPS 速度/ 方向 编号 设备编号 ( km # h- 1) 角/ (b)
经度 / (b)
纬度 / (b)
1
5588
22
270 123. 423 213 41. 769 261
2
Fra Baidu bibliotek
5360
0
0 123. 421 933 41. 769 348
3
7994
39
272 123. 427 158 41. 769 105
0 123. 422 313 41. 769 250
14 8745
0
0 123. 424 433 41. 769 208
步骤 13 初步判断点属于路段 Ri , 记该零速 度点的 ID 号为 I D i , 执行步骤 14。
4) 零速度点 2 次匹配方法。 步骤 14 从该 路段属性表中读取已经匹配 到该路段的设备 ID 号, I D i 循环和这些 ID 号比 对。 步骤 15 如果 I D i 找 到和它相同的 ID 号, 执行步骤 16, 否则执行步骤 9。 步骤 16 确定该点属于 Ri , 匹配成功。执行 步骤 9。 步骤 17 程序结束。
常规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[ 3] 。这种方法 需要用车辆行驶的方向角作为主要参数, 当浮动 车的瞬时速度不是零时, 其回传的 GP S 方向角是 准确的, 可以用常规的方法进行地图匹配; 当浮动 车的瞬时速度是 0, 即车辆静止时, 其回传的车辆 行驶方向角是不准确的, 不能用常规的方法进行 地图匹配。
首先将浮动车记录集根据浮动车速度分为两 部分: 非零速度点记录集和零速度点记录集。分 别进行非零速度点地 图匹配和零速 度点地图匹 配。
1) 非零速度点地图匹配按照常规投影距离 与路段矢量方向差值加权的方法[ 3] 进行匹配计算 匹配结果, 步骤见图 1。
2) 零速度点的初步匹配: 用停车点与路段的 偏移范围、交叉口排队长度初步判定属于该路段 的停车点, 将停车点初步匹配到路段上。交叉口 排队长度是从路段矢量方向上的终点开始反方向 上的长度。如果选取的过短, 会导致排队等待的 正常零速度点丢失; 如果选取过长会增加计算量。 车辆排队长度可以由历史数据获得, 简单起见也 可以取路段的一半长度, 排队长度值存储在路段 属性表中。
浮动车数据中零速度点数据地图匹配方法 )) ) 王东柱 董继明 李亚檬, 等
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态无关, 不能用于交通状况的计算。定义这样的 零速度点为异常零速度点。
车辆路上正常行驶中等待交通指示灯时引起 的浮动车速度为零的情况。此时的停顿只是由于 交通标志的原因导致, 能够表征当前交通状态, 并 在位置和时间上与车辆上一位置和时间存在连续 关系。这些车辆零速度点, 我们定义为正常零速 度点。本文仅考虑交叉口等待信号灯零速度点的 匹配问题。而由于道路拥堵所造成的非规律性的 零速度点不是本文讨论的内容。
交通信息与安全 2009 年第 6 期 第 27 卷 总 152 期
大偏差值, ri < D , 执行步骤 12, 否则执行步骤 9。 步骤 12 如果路段 R i 的终点为交叉口 ( 可
以通过拓扑关系判断) , 且点到路段终点的距离在 路段排队长度内, li < Li , 执行步骤 13, 否则执行 步骤 9。
本文通过 对与交通状态 无关的零速 度点过 滤, 并对交通状态有关交叉口车辆排队的零速度 点进行提取和地图匹配, 从而提高了浮动车数据 的有效样本量及匹配效率。
1 地图匹配的实现方法
1. 1 异常停车点和正常停车点 浮动车数据中的零速度记录点是由于浮动车
当前移动速度为零, 即停车状态下产生的。导致 车辆停车的原因多种多样, 基本分为交叉口信号 灯排队等待、上下客、路边待客等几种。这里根据 这些停车点与交通状态的关系, 把这些停车位置 点分为两类: 异常停车点和正常停车点。
40% , 由于这些速度为零的停车点传回的方向角 不能正确反映车辆的行驶方向, 所以不能用常规 的地图匹配方法确定车辆所在的路段。目前针对 浮动车数据中零速度点处理方法的文献很少, 在 实际的数据处理中通常采用简单过滤的方式将停 车点不加分析的作为无用数据剔除[ 6] 。这种抛弃 所有速度为零的点做法, 在特定时间内, 将降低路 段样本有效数量, 影响地图匹配的效率。而采用 轨迹曲线匹配方法, 会导致算法复杂, 计算量大, 不能满足实时性要求[ 3] 。
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图 3 5 min 内浮动车位置点分布图
表 3 是任取 5 min 部分浮动车传回记录, 共 有 24 条浮动车记录, 16 台移动点浮动车, 9 个零 速度点记录。首先通过投影距离与路段矢量方向
差值加权的方法计算将非零速度点匹配到路段 1 上。表 3 是非零速度点和路段 1 的匹配结果表, 表中内容包括记录点和 3 条路段匹配过程中的各
D, 通常根据 GP S 的定位精度值选 取, 这里为了 避免 GPS 点丢失, 取较大的范围 D = 40 及行驶 方向与道路矢量方 向夹角最大允许偏差值 H, 各 个路段排队长度 Li 。
1) 从数据库中读取浮动车数据。将浮动车
40
数据中速度为零的数据和速度非零的数据分开, 分为 2 个数据 集, 0 速 度数据集 G0, 非 0 速度数 据集 G1。
2) 非零速度点地图匹配, 采用基于投影的匹 配算法: GPS 点到路 段距离、行驶方 向角和地图 路段矢量方向差值加权的方法将 GPS 数据匹配 到路段上。
步骤 1 从 G1 数据集中取出 GP S 数据, 循 环选取路网中各个路段。
步骤 2 计 算该 GP S 点与各个 路段间的投 影距离 ri 。
2 算法实例
应用上述匹配方法将图 3 中零速度点匹配到 路段上。图 3 表示 1 个十字交叉路口附近 5 min 内浮动车传回位置点的分布情况, 该路口由路段 1、路段 2、路段 3 组成, 黑色圆点代表浮动车停车 点, 黑色方块代表浮动车移动点。由图 3 中可以 看到路段 1 附近越靠近十字交叉路口区域内, 停 车点黑色小圈越集中, 这说明这些车辆在正常停 留等待信号灯。根据该路段实际交通状况设定这 个区域车辆等待信号灯的排队长度为 L 。下面用 本算法计算浮动车点和路段 1 的匹配情况。
由于出租车辆的特殊性质, 车辆上下客和路 边待客的情况很多。这些数据与当前路段交通状
收稿日期: 2009-06-23 修回日期: 2009- 11-09 * 中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目( 批准号: 2009-09-27) 资助
作者简介: 王东柱( 1966) , 硕士, 工程师. 研究方向: 智能交通. E- mai l: w angdrew @ 163. com
步骤 3 计 算该 GP S 点行驶方 向角与各个 道路矢量方向夹角之差 Hi 。
步骤 4 计算距离度量值 Mi = w r r i + w HHi 。 步骤 5 取所有 Mi 最小的路段为车辆点所 在的路段 R i 。 步骤 6 这里需要用最 大允许范围值限制, di 为点到路段 i 的投影距离。如果| di | < D , 执 行步骤 7, 否则执行步骤 1。 步骤 7 GP S 点属于路段 Ri , 在路段 Ri 属性 值内写入 GPS 点的设备 ID 号, 执行步骤 1。 步骤 8 所有非 0 点与各个路段匹配完成。 3) 零速度点初步匹配方法。 步骤 9 从 G0 数 据集中取出 GP S 数据, 循 环选取路网中每条路段。 步骤 10 计算该 GP S 点与各个路段间的投 影距离 ri 。 步骤 11 如果点和路段 R i 投影距离小于最
0引言
浮动车也称 GP S 探测车[ 1] , 是近年来国际智 能交通系统( IT S) 中所采用的获取道路交通信息 的先进技术手段之一, 具有应用方便、经济、覆盖 范围广的特点。
对浮动车数据进行处理时首先要进行地图匹 配, 地图匹配的目标是确定 浮动车所在的路段。 浮动车回传的 GPS 坐标只能反映车辆的位置, 而 不能直接与路网路段相关联, 因此, 必须依赖地图 匹配方法将车辆位置与路网的弧段关联起来[ 2] 。
浮动车数据中零速度点数据地图匹配方法 )) ) 王东柱 董继明 李亚檬, 等
41
个参数计算, 取距离度量值项路段 1 中 M i 最小 的值为匹配到路段 1 的结果, 如表中深色记录行 所示属于路段 1 的记录点, 共有 11 个点。表 4 是 对零速度点进行的初步匹配过程中各个参数的计
算, 有 7 个点满足投影距离和排队长度条件, 如表 4 中深色记录所示。
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交通信息与安全 2009 年第 6 期 第 27 卷 总 152 期
浮动车数据中零速度点数据地图匹配方法*
王东柱1 董继明2 李亚檬1 宋向辉1
( 国家智能交通系统工程技术研究中心智能交通技术交 通行业重点实验室1 北京 100088)
( 河南职业技术学院汽车工程系2 郑州 450046)
摘 要 浮动车数据中存在大量的由于车辆频繁停 车引起瞬时 速度为 零的停 车点记 录, 这 些零速 度 点由于方向角不准确, 常规的投影和 几何地图匹配的算法 不能有 效地将 其匹配 到路段上 。通过对 浮 动车辆停车原因进行分析, 提出了 1 种基于浮动车停车 点数据过滤筛选的地图匹配方法, 可以将能 够 表示路段交通状态的交叉口车辆排队零速度点提取出来, 匹配到路段上, 同时过滤掉和交 通状态无 关 的零速度点, 从而增加了有效样本数 量, 为进一步对整个路网运行状态的全面评估提供数 据支持。 关键词 地图匹配; 浮动车数据; 停车点; G PS 定位; 方向角; 交叉口 中图分类号: U 491 文献标志码: A DOI: 10. 3963/ j. ISSN 1674- 4861. 2009. 06. 010
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0 123. 422 150 41. 769 256
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3) 零速度点的 2 次匹配: 这一步是对上一步 的验证确定过程, 采用与该零速度点同一路段上
已经匹配成功的非零速度点相比较。如果在同一 路段有同一设备数据点存在, 则该点属于该路段。 步骤见图 2。
图 1 地图匹配处理框图
图 2 零速度点初次匹配过滤框图
1. 2. 2 地图匹配的具体实现步骤 设定点到 路段投影距离 的最大允许 偏差值
注意到通常正常零速度点大量出现在路段终 点的交叉口附近( 排队等待通行信号) , 即路段矢 量方向终点附近, 如图 1 所示。路段矢量方向是 从路段的起点到终点的方向, 和车辆行驶方向是 一致的。首先对路段上靠近交叉口和路段终点排 队长度内的零速度点进行初步判断, 但是并不能 保证这些零速度点就一定属于该路段上。需要下 一步的验证过程, 单位时间内同 1 个车辆在 1 条 路段上通常会有一系列连续的轨迹点, 如果该零 速度点浮动车能够找到另 1 个已知的属于该路段 的点, 则可以判定它也属于该路段。因而可以采 用同一路段同 1 车辆非零速度点和零速度点比对 的方法来进一步确定车辆的位置, 将零速度点匹 配到路段上。 1. 2 地图匹配的实现步骤 1. 2. 1 地图匹配方法简述
表 1 浮动车传 回记录
记录 浮动车 GPS 速度/ 方向 编号 设备编号 ( km # h- 1) 角/ (b)
经度 / (b)
纬度 / (b)
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Fra Baidu bibliotek
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0 123. 421 933 41. 769 348
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步骤 13 初步判断点属于路段 Ri , 记该零速 度点的 ID 号为 I D i , 执行步骤 14。
4) 零速度点 2 次匹配方法。 步骤 14 从该 路段属性表中读取已经匹配 到该路段的设备 ID 号, I D i 循环和这些 ID 号比 对。 步骤 15 如果 I D i 找 到和它相同的 ID 号, 执行步骤 16, 否则执行步骤 9。 步骤 16 确定该点属于 Ri , 匹配成功。执行 步骤 9。 步骤 17 程序结束。
常规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[ 3] 。这种方法 需要用车辆行驶的方向角作为主要参数, 当浮动 车的瞬时速度不是零时, 其回传的 GP S 方向角是 准确的, 可以用常规的方法进行地图匹配; 当浮动 车的瞬时速度是 0, 即车辆静止时, 其回传的车辆 行驶方向角是不准确的, 不能用常规的方法进行 地图匹配。
首先将浮动车记录集根据浮动车速度分为两 部分: 非零速度点记录集和零速度点记录集。分 别进行非零速度点地 图匹配和零速 度点地图匹 配。
1) 非零速度点地图匹配按照常规投影距离 与路段矢量方向差值加权的方法[ 3] 进行匹配计算 匹配结果, 步骤见图 1。
2) 零速度点的初步匹配: 用停车点与路段的 偏移范围、交叉口排队长度初步判定属于该路段 的停车点, 将停车点初步匹配到路段上。交叉口 排队长度是从路段矢量方向上的终点开始反方向 上的长度。如果选取的过短, 会导致排队等待的 正常零速度点丢失; 如果选取过长会增加计算量。 车辆排队长度可以由历史数据获得, 简单起见也 可以取路段的一半长度, 排队长度值存储在路段 属性表中。
浮动车数据中零速度点数据地图匹配方法 )) ) 王东柱 董继明 李亚檬, 等
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态无关, 不能用于交通状况的计算。定义这样的 零速度点为异常零速度点。
车辆路上正常行驶中等待交通指示灯时引起 的浮动车速度为零的情况。此时的停顿只是由于 交通标志的原因导致, 能够表征当前交通状态, 并 在位置和时间上与车辆上一位置和时间存在连续 关系。这些车辆零速度点, 我们定义为正常零速 度点。本文仅考虑交叉口等待信号灯零速度点的 匹配问题。而由于道路拥堵所造成的非规律性的 零速度点不是本文讨论的内容。
交通信息与安全 2009 年第 6 期 第 27 卷 总 152 期
大偏差值, ri < D , 执行步骤 12, 否则执行步骤 9。 步骤 12 如果路段 R i 的终点为交叉口 ( 可
以通过拓扑关系判断) , 且点到路段终点的距离在 路段排队长度内, li < Li , 执行步骤 13, 否则执行 步骤 9。
本文通过 对与交通状态 无关的零速 度点过 滤, 并对交通状态有关交叉口车辆排队的零速度 点进行提取和地图匹配, 从而提高了浮动车数据 的有效样本量及匹配效率。
1 地图匹配的实现方法
1. 1 异常停车点和正常停车点 浮动车数据中的零速度记录点是由于浮动车
当前移动速度为零, 即停车状态下产生的。导致 车辆停车的原因多种多样, 基本分为交叉口信号 灯排队等待、上下客、路边待客等几种。这里根据 这些停车点与交通状态的关系, 把这些停车位置 点分为两类: 异常停车点和正常停车点。