一種基于主成分分析交通信息的補償方法
【技術領域】
[0001] 發(fā)明屬于智能交通系統(tǒng)和數(shù)據(jù)挖掘技術領域，具體涉及一種基于主成分分析交通 信息的補償方法。
【背景技術】
[0002] 智能交通系統(tǒng)（ITS)是一種旨在提供新穎高效的運輸方式和交通管理模式的創(chuàng)新 應用，使用戶能夠更好地了解和創(chuàng)造安全、協(xié)調(diào)、智能的交通網(wǎng)絡?，F(xiàn)今在一些發(fā)展中國家 像中國，雖然大部分地區(qū)仍然是農(nóng)村，但是卻在迅速的進行著城市化和工業(yè)化。在這些地 區(qū)，迅速發(fā)展的基礎設施建設同時也帶來了涌入的人群。因而擁堵問題現(xiàn)已逐漸成為中國 城鎮(zhèn)化帶來的一大重要問題。尤其在北京、上海這樣的大城市，擁堵問題尤為突出。而智能 交通系統(tǒng)能合理地分配車流，提前預測擁堵，從而能有效地解決擁堵問題，是解決城市擁堵 問題的有效辦法。
[0003] 在成熟的智能交通系統(tǒng)中，通行時間的估計和預測是最重要的功能之一。當獲得 精確的通行時間之后，旅行者就能決定自己的出發(fā)時間并提前規(guī)劃自己的出行路線。當交 通網(wǎng)絡中的每個出行者都能智能地規(guī)劃自己的路線時，整個交通網(wǎng)絡的通行性能也將得到 大大的提高。同時，可靠的通行時間預測也使得交通管理部門能夠動態(tài)地制定和修改交通 管理政策，通過調(diào)節(jié)不同路口交通燈的時間等方法來管理城市交通，從而避免交通擁堵的 產(chǎn)生。另外作為大型復雜交通系統(tǒng)的參數(shù)之一，準確的通行時間同時也是評價交通管理方 法的有效性的重要標準。
[0004] 目前，在估計通行時間算法中最為廣泛使用的浮動車數(shù)據(jù)卻存在嚴重的時空缺失 情況，從而導致該數(shù)據(jù)無法被直接被用于估計通行時間。如何對缺失的交通信息進行估計 和補償一直是進行準確的通行時間估計的前提和重要基礎。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 有鑒于此，本發(fā)明提出了一種基于主成分分析的交通信息補償方法，該方法利用 交通信息矩陣中已有的數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)間的時間空間關系，并結合矩陣分解的相關方法， 對交通信息矩陣中缺失的元素進行估計，為后續(xù)的通行時間估計提供基礎。
[0006] 實現(xiàn)本發(fā)明的技術方案如下：
[0007] -種基于主成分分析的交通信息補償方法，具體過程為：
[0008] 步驟一，針對待獲取交通信息的所有道路和所有時間段，獲取各道路在各時間段 的交通信息，然后將所有交通信息組成測量矩陣M，隨機生成矩陣L;
[0009] 步驟二，根據(jù)測量矩陣M計算矩陣
更新矩陣
其中inverse(P，Q) =P-1(^>1'，人1、\2及人3為設定閾值；
[0010] 步驟三，計算代價函數(shù)（1)的值，若該值大于之前的歷史最小值，則利用最小二乘 法估算L和R的最優(yōu)值，否則，將最優(yōu)的L和R值更新為當前的L和R值；
[0011] mini IB. X(LRt)-MI |Ρ+λι(| |Lf+| |Rf)+A2| | SX (LRt)I |Ρ+λ3| | (LRt) XT | |f (I)
[0012] 其中，S為空間限制矩陣，T為時間限制矩陣，I I I |F為矩陣的模，B為指示矩陣；
[0013] 步驟四，重復步驟二和步驟三直至達到設定的最大循環(huán)次數(shù)，然后將最優(yōu)的L和R 相乘計算出交通信息矩陣X = LRt。
[0014] 進一步地，本發(fā)明所述測量矩陣M的獲取過程為：
[0015] 步驟101，根據(jù)車輛上GPS數(shù)據(jù)，利用A*算法推斷出車輛在一段旅程中所經(jīng)過的所 有道路和起止時間，計算車輛在這段旅程中的平均速度；
[0016] 步驟102,將所有在時間段t通過道路r的旅程的加權平均速度作為時間段t內(nèi)道路 r的交通信息，所述權值為旅程所通過道路r的長度與道路r的總長度的比值；
[0017] 步驟103,按照步驟102的方式，計算所有道路在各時間段的交通信息，然后將所有 交通信息組成測量矩陣M。
[0018] 進一步地，本發(fā)明所述步驟101的具體過程為：
[0019] 201，以車輛上GPS定位點為圓心，半徑為45m的外接正方形作為該GPS定位點的誤 差區(qū)域；
[0020] 202,從道路網(wǎng)絡中選出所有符合條件的候選路段，所述符合條件的候選路段主要 包括三種情況：（a)路段的兩個端點都在誤差區(qū)域內(nèi)，（b)路段只有一個端點在誤差區(qū)域內(nèi)， (c)路段的兩個端點都不在誤差區(qū)域內(nèi)，但是路段與誤差區(qū)域相交；
[0021] 203,以候選路段為中心，兩側各平行延伸20米得到矩形，將其記為該候選路段的 置信區(qū)域；
[0022] 204,當車輛上GPS定位點P僅出現(xiàn)在一條候選路段的置信區(qū)域內(nèi)時，將該候選路段 作為匹配路段;否則，當之前GPS定位點在該候選路段的位置屬性(在候選路段的哪一側)發(fā) 生3次以上改變時，將該候選路段作為匹配路段；
[0023] 205,根據(jù)歷史數(shù)據(jù)中相鄰點之間的時間間隔的大小將GPS數(shù)據(jù)劃分成獨立的一個 個旅程;按照步驟201-204的方式為每個旅程的所有的GPS定位點確定其對應的匹配路段， 并在所述匹配路段上確定其對應的匹配點；最后利用A*算法，根據(jù)每個旅程所對應的匹配 點推斷出每個旅程所經(jīng)過的所有道路和起止時間，從而可以得到該旅程的平均速度。
[0024] 有益效果
[0025] (1)本發(fā)明在進行交通信息的補償時考慮了相鄰道路的交通信息之間的時空聯(lián) 系，從而大大的提高了補償?shù)木取?br>[0026] (2)本發(fā)明利用車輛跟蹤來生成交通信息，而不是關注復雜的道路網(wǎng)絡，大大降低 了運算量，避免了因道路網(wǎng)絡規(guī)模的增大而造成的運算量的指數(shù)增加。
[0027] (3)本發(fā)明針對GPS定位信息存在誤差的情況，對GPS定位信息進行匹配，將大量的 運算轉換成比較運算，在提高定位精度的同時，大大地降低了運算時間，提高了運算效率。
【附圖說明】
[0028]圖1為本發(fā)明基于主成分分析的交通信息補償方法的流程圖；
[0029]圖2為誤差區(qū)域；
[0030]圖3為與誤差區(qū)域相交的三種情況；
[0031]圖4為快速排斥實例；
[0032]圖5為道路AB的置信區(qū)域；
【具體實施方式】
[0033]下面結合附圖并舉實例，對本發(fā)明進行詳細描述。
[0034] 如圖1所示，本發(fā)明提供一種基于主成分分析的交通信息補償方法，具體過程為：
[0035] 步驟一，針對待獲取交通信息的所有道路和所有時間段，獲取各道路在各時間段 的交通信息，然后將所有交通信息組成測量矩陣M，隨機生成矩陣L;
[0036] 步驟二，根據(jù)測量矩陣M計算矩陣
更新矩陣
其中inverse(P，Q) =PdQP1" A1J2 及 λ3 為設定閾值；
[0037] 步驟三，計算代價函數(shù)（1)的值，若該值大于之前的歷史最小值，則利用最小二乘 法估算L和R的最優(yōu)值，若該值小于之前的歷史最小值，將最優(yōu)的L和R值更新為當前的L和R 值；
[0039]其中，S為空間限制矩陣，S為η*η的矩陣，每一個元素 Slj代表道路i和道路j之間的 空間聯(lián)系，η為需要獲取交通信息的道路總數(shù)，T為時間限制矩陣，即以第1-3行的元素為單 元，沿著列向循環(huán)排布，I I I If為矩陣的模，B為指示矩陣，當測量矩陣M中的元素為空時，指 示矩陣B中對應的元素為0,否則指示矩陣B中對應的元素為1;
[0041] 步驟四，重復步驟二和步驟三直至達到設定的最大循環(huán)次數(shù)，然后將最優(yōu)的I^PRt 相乘計算出交通信息矩陣X。
[0042] 由于測量矩陣M中可能存在數(shù)據(jù)丟失的情況（即某些位置上的元素為0)，因此本發(fā) 明將交通信息矩陣X分解為X = LRt，接著利用矩陣秩和時空矩陣的限制進行優(yōu)化，并利用迭 代最小二乘法求出問題的解，從而得出完整的交通信息矩陣，實現(xiàn)對交通信息矩陣中缺失 的元素的補償，為交通通行提供基礎。
[0043] 本發(fā)明較佳采用如下過程來獲取交通信息組成測量矩陣M:
[0044] 步驟101，根據(jù)車輛上GPS數(shù)據(jù)，利用A*算法推斷出車輛在一段旅程中所經(jīng)過的所 有道路和起止時間，并計算車輛在這段旅程中的平均速度；
[0045] 步驟102,為了生成道路r在時間段t的交通信息(平均速度），所有在時間段t經(jīng)過 道路r的旅程的平均速度都需要被考慮在內(nèi)。另外，由于有一些旅程在時間段t內(nèi)只經(jīng)過了 道路r的一部分，則認為這些旅程的平均速度并不能完全反映道路r在時間段t的交通狀況。 因此所有在時間段t通過道路r的旅程的加權平均速度被作為該時間段的道路r的交通信 息，所述權值為旅程所通過道路r的長度與道路r的總長度的比值；
[0046] 步驟103,按照步驟102的方式，計算所有道路在各時間段的交通信息，然后將所有 交通信息組成測量矩陣M。
[0047]由于GPS定位信息可能存在偏差，因此本發(fā)明利用計算幾何的相關理論判斷GPS坐 標點和候選道路的幾何關系，并將GPS坐標點匹配到正確的道路上，以修正由于GPS誤差而 造成的定位誤差。具體過程為：
[0048] 201，以車輛上GPS定位點為圓心，半徑為45m的外接正方形作為該GPS定位點的誤 差區(qū)域，如圖2所示；
[0049] 202,從道路網(wǎng)絡中選出所有符合條件的候選路段，所述符合條件的候選路段主要 包括三種情況：（a)路段的兩個端點都在誤差區(qū)域內(nèi)，（b)路段只有一個端點在誤差區(qū)域內(nèi)， (c)路段的兩個端點都不在誤差區(qū)域內(nèi)，但是路段與誤差區(qū)域相交；以上三種情況可通過計 算幾何中的判斷線段與多邊形是否相交、點在直線哪一側等算法來確定，如圖3所示；
[0050] 203,以候選路段為中心，兩側各平