專利名稱：基于網(wǎng)絡受限移動對象數(shù)據(jù)庫的交通流數(shù)據(jù)采集與分析的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及現(xiàn)代交通技術領域中一種網(wǎng)絡動態(tài)交通流數(shù)據(jù)的采集以及交通參數(shù)的分 析方法。
背景技術：
為了更好地解決交通運輸系統(tǒng)所面臨的挑戰(zhàn)，自20世紀90年代以來，信息技術越來 越多地應用于交通運輸部門，其中交通流的分析技術也得到了廣泛的研究與應用。為了準 確地獲得實時的交通狀況信息，人們采取了一系列的技術手段來采集交通數(shù)據(jù)并獲取交通 狀況信息，包括使用位置固定的交通流檢測設備(如線圈式、微波、光學檢測器等)、高 空監(jiān)視設備，以及浮動車設備等。上述技術手段有著各自的優(yōu)缺點。其中位置固定的交通流檢測設備能夠獲得交通流 量、平均速度、甚至交通阻塞等信息，但在通常情況下，只能獲取設備設置點周圍區(qū)域的 數(shù)據(jù)。為了對整個交通網(wǎng)絡進行監(jiān)控，需要設置大量的設備，從而增加了系統(tǒng)的費用。高 空監(jiān)視設備(如使用直升飛機、衛(wèi)星等)能夠獲取交通網(wǎng)絡中關于車輛密度、交通擁堵、 平均車流速度等涉及大范圍的信息，但同樣也存在著費用高昂的缺陷。為了解決上述問題，近年來，越來越多的應用轉向了通過浮動車設備來獲取交通流數(shù) 據(jù)，即在整個城市交通網(wǎng)絡中， 一些車輛上安裝了全球定位系統(tǒng)(GPS)，并通過無線通訊 接口和一定的數(shù)據(jù)釆集協(xié)議，不斷地向中心服務器報告自己的位置、速度、行駛方向等原 始信息；服務器對收集到的信息進行分析，得到交通網(wǎng)絡的交通狀態(tài)信息，例如各道路段 的平均通行時間、平均車速、交通阻塞狀況等，從而為交通控制與導航服務。這種方法不 受區(qū)域和天氣條件的限制，并具有經(jīng)濟、靈活的優(yōu)點，因此得到了人們日益廣泛的重視。 然而，現(xiàn)有的基于浮動車法的交通流統(tǒng)計分析技術仍然存在著以下缺陷(1)由于浮動車 系統(tǒng)在進行數(shù)據(jù)采集時，通常采用的是固定時間間隔或者固定空間距離的方法，當間隔閥 值設得太小時，系統(tǒng)將需要進行頻繁的數(shù)據(jù)通訊，從而帶來高昂的通訊代價；反之，當間 隔閥值設得過大時，將造成系統(tǒng)精度的下降。事實上，由于在浮動車系統(tǒng)中，表示和采集 FCD時采用的是直接基于Euclidean空間的方法，沒有考慮浮動車與交通路網(wǎng)之間的交互 作用關系，上述矛盾是難以克服的；(2)浮動車系統(tǒng)在進行數(shù)據(jù)分析時，需要周期性地對 過去某一段時間(如5分鐘)之內所采集的浮動車數(shù)據(jù)進行離線處理，造成了一定程度的 系統(tǒng)延遲，不能實時地得到交通參數(shù)；(3)浮動車數(shù)據(jù)所構成的是Xx YxT空間中大量 離散、無序的點，在與地圖進行匹配時，很難精確地還原浮動車的時空軌跡。例如，浮動 車在進行相鄰的兩次數(shù)據(jù)采集時，有可能會跨越復雜的道路網(wǎng)絡，僅根據(jù)兩個數(shù)據(jù)點，系 統(tǒng)無法得到其具體的行駛路線，因此影響了處理的精度。發(fā)明內容針對上述現(xiàn)有的三類交通流數(shù)據(jù)釆集與分析方法所存在的問題與不足，本發(fā)明使用網(wǎng) 絡受限移動對象數(shù)據(jù)庫技術進行交通流數(shù)據(jù)的采集與分析，目的是提出一種高效、高精度、 實時的交通流數(shù)據(jù)的采集與分析方法。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術方案是通過網(wǎng)絡受限移動對象數(shù)據(jù)庫技術釆集 和存儲移動對象的時空軌跡；然后通過時空統(tǒng)計技術，以原子行駛路段為單位，對移動對 象在運行中所提交的數(shù)據(jù)進行聯(lián)機統(tǒng)計，實時地獲得交通網(wǎng)絡的各項交通參數(shù)(如道路網(wǎng) 絡中各路段的平均速度、交通流量、交通堵塞狀況等)，并保存一段時間周期內交通參數(shù) 變化的時態(tài)歷史數(shù)據(jù)。為此，需要在每個需要跟蹤其位置的移動對象上安裝GPS定位設備、實際的交通網(wǎng)絡 數(shù)據(jù)、以及無線通訊設備。其中，上述交通網(wǎng)絡數(shù)據(jù)類似于一張電子地圖，可以通過對GIS 地圖進行數(shù)據(jù)轉換處理而得到，它包含交通網(wǎng)絡中每條道路的信息和每個交叉路口的信息。其中道路的信息包括道路標識、道路的地理幾何形狀、道路的長度、道路所含原子 行駛路段的集合；交叉路口的信息包括路口的標識、路口的地理位置、路口的區(qū)域范圍、 路口所連接的道路、路口中交通流的轉接關系。道路的標識即道路ID，通常用字母、數(shù)字、或者字母與數(shù)字的組合來表示，如圖l所 示的道路交通網(wǎng)絡中共有7條道路，對應的道路ID分別為rl、 r2、 r3、 r4、 r5、 r6、 r7。 每條道路的地理幾何形狀用一條折線表示，即每條道路都由若干個點來描述，將這些點依 次連接形成的折線即刻畫了道路的形狀。道路所含的原子行駛路段是道路的某一個行駛方向中(如果道路r是雙向道路，則它 有兩個行駛方向r+和r-；如果r是單向道路，則它只有一個行駛方向r+或者r-。其中r+ 表示從道路的起點向終點方向行駛，r-表示從道路的終點向起點方向行駛)連接交叉路口 或者道路端點的基本單位，且在其中不再含有移動對象可以駛離該交通流的其它交叉路 口。如圖1所示的道路rl是雙向道路，因此具有兩個交通流^+ (從起點駛向終點)和rl-(從終點駛向起點)。以同一行駛方向所要經(jīng)過的交叉路口為結點對H+和H-進行分割， 即可得到原子行駛路段。因此rl包含IO個原子路段，且道路雙邊的原子路段可以不對稱。 交叉路口的標識與道路ID的表示方式相同，如jl、j2......，其地理位置用其經(jīng)緯度坐標表示，其連接的道路用道路ID的集合表示，如在圖1中道路rl和r2形成的交叉路口連 接的道路為集合(rl,r2)。另外，用一個數(shù)據(jù)結構如矩陣(稱為交叉路口的連接矩陣)來表 示該交叉路口所連接的各條道路上的交通流之間的轉接關系，交通流用道路的ID與正負 號的組合來表示，"+ "表示從道路起點到終點的交通流，而"-"表示從道路終點到起點的 交通流，用不同的數(shù)值或符號來表示是否允許移動對象從某一進入交叉路口的交通流(稱 為"進入流")切換到某一離開交叉路口的交通流(稱為"離開流")。圖2給出了一個交 叉路口的連接矩陣的例子。在圖2中，道路r8是雙向道路，因此它擁有兩個交通流，r8+ 和r8-;道路r9是單行道路且只有一個交通流r9-。這三個交通流在連接矩陣中可以有9種 不同的組合，而矩陣元素的值1表示該交叉路口允許移動對象從對應的"進入流"經(jīng)過該 交叉路口切換到"離開流"，0則表示不允許。數(shù)據(jù)采集與分析的具體過程包括第一步在交通網(wǎng)絡中運行的移動對象通過位置更新操作向中心服務器發(fā)送其運行矢 量(包括時間、網(wǎng)絡位置、速度和所屬交通流方向等信息)。具體的采集方法如下① 移動對象在運行過程中，利用自身的GPS設備不斷地測得其最新的運行參數(shù)，包括 當前時間t、當前經(jīng)緯度位置(X， Y)、當前速度v和當前運行方向d等信息。② 將上述GPS測得的位置及方向數(shù)據(jù)與實際的交通道路網(wǎng)絡進行匹配，得到移動對象 在交通網(wǎng)絡中的相對數(shù)據(jù)，即網(wǎng)絡位置(rid， pos)和道路交通流方向fd，其中，rid為移 動對象所在的道路的標識；pos是移動對象在道路rid中的相對位置。設每條道路的長度為 1，則道路rid中的任意一個位置可用一個實數(shù)pos表示，0￡posSl; fd為移動對象在道 路rid中的運行方向，用"+ "表示由道路rid的起點向終點運行，"-"表示由終點向起點 運行，即fde(+，-)。具體的轉換方法如下*計算對應的rid:由于每條道路都是由一條折線來刻畫的，通過計算(X， Y)坐 標點位于哪條折線上，即可得出對應的道路ID，即rid值；*計算對應的POS:對于交通網(wǎng)絡中每一條道路的兩個端點，可以設定X坐標值小的一端為起點，另外一端為終點；當兩個端點的X坐標相等時，設定Y坐標值小的一端為起點，另外一端為終點。定義起點的pos值為O，終點的pos值為1， (X，Y)坐標點到起點沿道路的距離與該道路的長度的比值即為該坐標點對應的pos值，顯然地，pos的取值范圍是0和1之間，即posE[O,l]。 計算移動對象所屬的交通流方向fd:比較GPS所測得的移動對象運行方向和道路
rid在pos處的走向，如果運行方向是朝向道路終點的，則fd為"+";若運行方向是朝向道路起點的，則fd為"-"。 經(jīng)過上述轉換后，得到移動對象在該時刻的運行矢量，形如(t,(rid,pos),v， fd)。 ③移動對象將上述轉換后的運行矢量與其最后一次位置更新時發(fā)送給服務器的運行 矢量相比，考察兩個運行矢量是否滿足一定的位置更新條件。如果滿足以下任何一種條件，就需要向中心服務器發(fā)送當前運行矢量(即t，(rid,pOS),V， fd);否則不向中心服務器發(fā)送當前運行矢量，并轉步驟①進行下一輪處理。移動對象將始終保存最后一次位置更新時的運行矢量數(shù)據(jù)。具體來說，本發(fā)明考察以下三種運行矢量的變化(1) rid發(fā)生了變化即該移動對象當前所在的道路不同于上一次位置更新時所在的 道路，即移動對象已經(jīng)從一條道路運行到另外一條道路；(2) rid沒有變化，但是移動對象的運行方向fd發(fā)生了變化，或者運行速度v發(fā)生了 較大的變化即該移動對象的運行方向由正方向變?yōu)樨摲较蚧蛴韶摲较蜃優(yōu)檎较?；或?運行方向沒變，但是該移動對象的當前速度與上一次位置更新時的速度相比，其偏差超過 了一個指定的閥值^ (例如，10公里/小時)；(3) rid和v均沒有發(fā)生上面描述的變化，但是該移動對象的當前位置與預測位置發(fā) 生了變化即移動對象的當前位置(記為(rid, posn。w))與根據(jù)上次位置更新信息預測的 位置(記為(rid， posevl))相比，距離偏差超過了一個指定的閥值《(例如500米)。其中，posevl的計算方法如下設該移動對象上次位置更新時的運行矢量為(t。， (rid。， pos。),v。,fd。)，道路rid。的長度為len，當前時間為tnow，則pOSevi = pOS。
+fd X -len根據(jù)P0S^和p0Sn。w,可以得到預測位置與實際位置之間的距離偏差為|poseV| - pos,l X len如果該值大于《則觸發(fā)一次位置更新。在判斷上述三種位置更新條件時，需要對移動對象的當前位置處于交叉路口區(qū)域的特殊情況進行處理。因為在實際的交通道路網(wǎng)絡中，交叉路口是一個區(qū)域范圍(可以在交通網(wǎng)絡數(shù)據(jù)中為每個交叉路口指定一個區(qū)域半徑"與交叉路口中心的距離Sy的區(qū)域都屬于該路口的區(qū)域范圍)，在該區(qū)域內移動對象的運行矢量可能發(fā)生非常頻繁的變化，但實際的位置偏移卻并不大，所以在交叉路口區(qū)域中沒有必要將所有的位置更新信息都發(fā)送給服務器。具體措施是a)當移動對象處于交叉路口區(qū)域中時，視為其仍然在原來的道路土行
駛，從而保證了移動對象在交叉路口區(qū)域中不發(fā)生換路位置更新(見上述判斷條件(l)); b)當移動對象位于交叉口區(qū)域中時，如果其運行矢量發(fā)生了以上(2)、 (3)中描述的任意 一種變化，則首先檢查該移動對象在當前交叉路口區(qū)域范圍內是否已經(jīng)向服務器發(fā)送過一 次位置更新信息，如果已經(jīng)發(fā)送過，則不再發(fā)送當前的運行矢量，否則將向服務器發(fā)送最 新的運行矢量。上述方法保證了移動對象在交叉口區(qū)域內最多只發(fā)送一次位置更新信息。上述移動對象運行矢量數(shù)據(jù)采集方法是基于"慣性原理"實現(xiàn)的，即系統(tǒng)假設移動對 象將沿著當前的道路、以大致穩(wěn)定的速度繼續(xù)行進一段時間。 一旦該假設條件不成立則向 中心服務器報告一次最新的運行矢量數(shù)據(jù)。根據(jù)上述方法，當中心服務器沒有得到一個移動對象的最新位置更新信息時，則可以 認為其仍然在原有道路上近似保持原有的速度運行，且其當前位置可以通過最近一次的位 置更新信息(包括位置、速度、方向和時間)近似地估算出來，而預測偏差在指定的允許 范圍內。因此從位置跟蹤精度來看，上述方法可以從下面幾方面保證所釆集的數(shù)據(jù)的準確 性a)移動對象在任一時刻所在的道路能夠通過所采集的數(shù)據(jù)唯一確定；b)移動對象在 任意時刻的位置可以通過所釆集的數(shù)據(jù)進行精確計算，且計算誤差必然小于設定的距離閥 值；C)移動對象在任意時刻的速度可以通過該時刻之前采集的運行矢量獲得，且誤差必然 小于設定的速度閥值。此外，由于本發(fā)明提出的位置更新方法考慮了移動對象和道路網(wǎng)絡之間的關系，所以 移動對象不需要周期性地報告位置信息，中心服務器也能夠通過預測技術較準確地確定出 移動對象在任意時間點的位置，從而在保證數(shù)據(jù)釆集精度的前提下，減少了數(shù)據(jù)采集頻率， 降低了通信代價。第二步中心服務器接收到移動對象發(fā)送來的采集數(shù)據(jù)之后，將相應的運行矢量(t, (rid, pos), V， fd)附加到對應的移動對象時空軌跡中，從而得到該移動對象的時空軌跡。移動 對象mid的時空軌跡是由該移動對象提交的一組運行矢量按照時間順序排列所組成的，即((ti，(ridi,posi)，vi， fdi))L (其中，n為正整數(shù)，下同)，它可以描述移動對象過去及當前時刻連續(xù)的動態(tài)位置變化過程。中心服務器在存放移動對象的時空軌跡時是以軌跡片段為單位分片存放的，與各條道 路相對應的軌跡片段存放在相應的道路中，它們將作為統(tǒng)計源數(shù)據(jù)。軌跡片段是時空軌跡 的一部分，對應于移動對象在某條道路上的行駛過程。移動對象在道路rid上的時空軌跡片段形式為(mid， fd, entry, isactive, (ti, poSi， v，),)，
其中，mid是移動對象的標識，fd是移動對象在道路rid中所屬的交通流方向，entry是該 移動對象以同樣的方向進入該道路的序號。移動對象可能以相同的方向多次進入同一條道 路，每一次將產生不同的時空軌跡片段，這些片段以entry編號加以區(qū)分。isactive標記當
前時刻該時空軌跡片段是否仍處于活動狀態(tài)。(ti, posi, v,):是移動對象的時空軌跡片段所對 應的時空軌跡曲線，其中ti是一個時間點，posi是ti時刻移動對象在道路rid中的相對位置，
V,是移動對象在tj時刻的速度。(t,, (rid, p0Si)， Vi， fd)就是移動對象在ti時刻的運行矢量，移
動對象所提交的最后一個運行矢量稱為活動運行矢量。當一個活動移動對象在路網(wǎng)中行進 時，可能會在不同的道路產生多個時空軌跡片段，這些軌跡片段中只有最后一個處于活動 狀態(tài)。
從語意上講，移動對象mid在道路rid上的時空軌跡片段(mid, fd, entry, isactive, (ti, poSi，
Vi);L,)刻畫的是該移動對象在道路rid中的連續(xù)運行過程，其中任意兩次連續(xù)的位置更新消
息之間的狀態(tài)可以通過插值的方法計算出來。此外，如果isactive為真，則表明移動對象 仍然在道路rid中行進，其當前位置可以通過tn、 fd、 posn、 Vn等計算出來。因此我們將時 空軌跡片段上的任意一點(mid， fd, entry, isactive, (t, pos, v))稱為時空軌跡點。時空軌跡點反 映移動對象在t時刻瞬間的運行狀態(tài)。
第三步每次當服務器接收到移動對象發(fā)送的位置更新消息時，觸發(fā)相應道路的交通 參數(shù)刷新過程，實時地刷新該道路中各原子行駛路段的交通參數(shù)。
在本發(fā)明中，每個原子行駛路段與五個基本交通參數(shù)相聯(lián)系，包括移動對象個數(shù) (vmo)、平均點速度(vp)、平均通行時間(Tt)、移動對象流量("mo)、以及交通擁堵 狀態(tài)(jammed)。
根據(jù)統(tǒng)計方式的不同，上述五個基本交通參數(shù)可以劃分為兩大類(1)瞬間交通參數(shù) (包括VIIIO和vp),這類參數(shù)反映的是原子行駛路段中的各個移動對象在當前時刻的統(tǒng)計 值，即在進行統(tǒng)計計算時，只有當移動對象目前正處于該原子行駛路段中時，才需要參加
瞬間參數(shù)的刷新；(2)時段交通參數(shù)(包括Tt、 "mo、 jammed),這類參數(shù)值的計算過程 需要對一個時間段(即當前時刻之前的某個時間窗口)內的移動對象時空狀態(tài)進行統(tǒng)計， 即在統(tǒng)計時，即使該移動對象目前已經(jīng)駛離了該原子行駛路段，只要其時空軌跡與統(tǒng)計窗 口相交，就需要參加相應的統(tǒng)計計算。
當中心服務器接收到移動對象發(fā)送的位置更新消息時，將實時地觸發(fā)交通參數(shù)的刷 新。由于每一條道路中均存放有相關移動對象的軌跡片段，因此參數(shù)刷新的過程即是對這些軌跡片段進行統(tǒng)計的過程。
對于瞬間交通參數(shù)而言，僅需要對處于活動狀態(tài)(即isactive為真)的軌跡片段進行 統(tǒng)計，根據(jù)其最后一個運行矢量，計算出移動對象的當前位置以及速度，從而刷新相應原 子行駛路段的移動對象個數(shù)wmo和平均點速度vp參數(shù)值。
時段交通參數(shù)的刷新需要統(tǒng)計當前時刻t'，^之前某一段時間〖timeseg之內的軌跡片 段，所有與時間窗口[tn。廣5timeseg， t,]相交的時空軌跡片段均需要參加統(tǒng)計計算。由 于軌跡片段包含有相應的移動對象在該道路中行駛時所具體通過的原子行駛路段以及各 路段的通行時間，因此可以方便地計算出對應路段的平均通行時間(Tt)和移動對象流量 ("mo)。另外，軌跡片段中還包含有移動對象的速度信息，因此可以計算出道路各原子 行駛路段的擁堵狀態(tài)。
在對某個道路r的各原子行駛路段進行交通參數(shù)統(tǒng)計的過程中，投影是一個重要的操 作，用n表示。投影操作具體分為以下幾種類型(在下面的表示中，TSEGr表示道路r上所 有軌跡片段的集合)
* rUs表示在某個原子行駛路段上的投影，例如，rU(TSEG" ar&)表示計算TSEGr 中所有軌跡片段落在原子行駛路段arsi內的部分，其結果仍然是一個軌跡片段的集合，即 包含所有落在arsi區(qū)間內的軌跡片段。在針對某個具體的軌跡片段進行上述投影計算的過 程中，需要對該軌跡片段進行截取操作，即只取其中屬于該原子行駛路段的部分；
* EL表示在當前時刻tn。w之前某個時間段上的投影，例如，rU(TSEGr, ltimeseg) 表示計算TSEGr中所有軌跡片段落在時間窗口[t,- ltimeseg， t,]內的部分，其結果仍 然是一個軌跡片段的集合，即包含所有落在該時間區(qū)間內的軌跡片段；
* n,表示在某個網(wǎng)絡位置(pos)處的投影，例如，n,s(TSEGr， pos)表示計算TSEGr
中所有軌跡片段落在pos處的部分，其結果是一個時空軌跡點的集合，即包含所有軌跡片 段與網(wǎng)絡位置pos的交點；
* n'表示在某個時間點上的投影，例如，rL(TSEG"t)表示計算TSEGr中所有軌跡片 段落在時間點t上的值，其結果是一個軌跡點的集合，即包含所有軌跡片段與時間點t的 交點。
另外，求和也是一個重要的操作，用E表示。求和操作具體分為以下幾種類型-
* E,表示求集合中元素個數(shù)的總和。例如，E (nt(TSEGr, t))表示求集合 rL(TSEG" t)中軌跡片段的個數(shù)。由于一個移動對象在任意一個時間點(例如t)上只可 能在道路r上存在最多一個軌跡片段，所以E,(TL(TSEG" t))的結果也就是在時刻t道 路r上的移動對象個數(shù)。
* E^表示求集合中點速度的總和。例如，Evp(nt(TSEG" t))表示在時刻t，道路r 上的所有移動對象點速度的總和。由于rit(TSEGr， t)的結果是t時刻各時空軌跡點的集合， 其中的速度即為各移動對象在t時刻的瞬間速度，對它們求和即可得到點速度的總和；
Eu表示求集合中通行時間的總和。例如，UrLrs(TSEG" arsi))表示求集合n ars(TSEGr， arsi)中所有元素所包含的通行時間總和。如前所述，集合rU(TSEGr， arSi)中 的每個元素是一個軌跡片段，該軌跡片段的起始時間和結束時間分別為相應的移動對象進 入和離開原子行駛路段arsi的時間，而兩個時間的差即為通行時間，而Eu操作則是求這 些通行時間的總和。
在上述兩個操作定義的基礎上，下面我們具體給出道路r的各交通參數(shù)的統(tǒng)計計算步 驟(設道路r中的所有軌跡片段集合為TSEGr，道路r含有n個原子行駛路段，分別用arSi (1 Si ^n)表示)
(1) 計算在當前時刻t^，原子行駛路段arsi中的移動對象個數(shù)(vmo)-
Vino = E,(nt(nars(TSEGr, arsi),t,)) (公式1)
由于rUrU(TSEGr， arSi) ， t,)的結果為在當前時刻t,,原子行駛路段ars!上的所有 軌跡點的集合，根據(jù)任意一個移動對象在任意一個時間點只可能在ars,上存在最多一個軌 跡點，可知E,(rL(rU(TSEGr, arsi)， t,,,J)的結果即為在時刻t,原子行駛路段ars;上的 移動對象的個數(shù)。
(2) 計算在當前時刻t目，原子行駛路段arsi中的平均點速度(vp):
vp = ￡vp(nt(rL,rs(TSEGr, arsi)， t』/ n (公式2) 其中，n= E um(nt(n,(TSEGr,ar&)，tJ)，即滿足計算條件的移動對象的個數(shù)。 由于Zw(TL(n,(TSEGr， ars,), t,))表示在當前時刻t,，原子行駛路段ars;上的所有
移動對象的點速度之和，所以它與相應移動對象個數(shù)的比值即為在當前時刻原子行駛路段
a,rs,上的平均點速度。
(3) 計算原子行駛路段ars,在給定時間窗口[U,- ^ timeseg， t 。,]內的平均移動對象流 量(como):
"mo= i; u (n P,,s(nts(nars(TSEGr, ars》，Stimeseg), pos)) /《timeseg (公式3) 其中，pos為arsi的終點位置。
nts(n (TSEGr， arSi), I timeseg)表示在時間窗口 [t, - l timeseg， tn。 ]內在ars!行駛的移動對象軌跡片段的集合，n,(rU(rU(TSEGr,arSi),〖timeseg), pos)則表示其 中穿越了arsi終點的部分，結果是軌跡點的集合。對其中的元素計數(shù)，即可得到在給定時 間內穿越arsi的移動對象個數(shù)，進而除以〖timeseg即可計算出單位時間內通過arsi的移 動對象個數(shù)，即移動對象流量。
(4) 計算原子行駛路段arsi在給定時間窗口[t^-〖timeseg， t 。 ]內移動對象的平均通 行時間(Tt):
Tt = E"(nt,(rUs(TSEG"arSi)， ^timeseg)) / n (公式4) 其中，n= H(UTSEG"arSi), "iraeseg))，即滿足計算條件的移動對象的 個數(shù)。
由于E"(n's(n腦(TSEG" arsi)， S timeseg))表示在時間段[t, - "imeseg， t,]內， 原子行駛路段arsi上的所有移動對象的通行時間之和，所以它與相應移動對象個數(shù)的比值 即為在時間段ltimeseg內，原子行駛路段arSi上的平均通行時間。
(5) 計算給定時間窗口 ^ti鵬seg內，原子行駛路段arsi上的交通擁堵狀態(tài)(jammed):
首先計算arSi上是否存在擁堵區(qū)域jaramedarea:
j柳medarea = nsl' (ILs(n,(TSEGr, ars》,《timeseg), vslOT) (公式5) 其中，n&表示求軌跡片段集合中的緩慢軌跡片段(即運行速度低于指定速度閾值
v,^(如10公里/小時)的軌跡片段)所對應的地理區(qū)域的交集。
然后，根據(jù)ja,edarea是否為空判斷ars是否處于擁堵狀態(tài)，即
jammed = (j柳medarea # NU山 (公式6)
由于交通堵塞是一種集體行為，單個移動對象的緩慢行駛并不能代表道路發(fā)生了阻
塞，因此需要進行特殊的處理。方法是通過移動對象所提交的軌跡片段，計算出其行駛緩
慢的路段。如果道路中存在著某個區(qū)域，所有的移動對象在過去的一段時間內經(jīng)過該區(qū)域
時均處于緩慢行駛狀態(tài)，則可以判斷該路段為擁堵路段。
第四步將新計算出的交通參數(shù)值保存在數(shù)據(jù)庫相應的道路記錄中供用戶查詢。
本發(fā)明使用的基于網(wǎng)絡受限移動對象數(shù)據(jù)庫的交通流數(shù)據(jù)采集及分析技術能夠高效
準確地獲取移動對象完整的時空軌跡，它不僅簡化了統(tǒng)計分析的復雜性，提高了處理效率，
而且為數(shù)據(jù)分析提供了更為豐富的信息，提高了數(shù)據(jù)處理的精度，有效地加強了交通流分
析的廣度和深度。與現(xiàn)有的交通流數(shù)據(jù)采集及分析方法(如浮動車法)相比，本發(fā)明具有 如下優(yōu)勢
(1) 在保證精度的前提下提高了數(shù)據(jù)采集的效率。由于數(shù)據(jù)采集是通過移動對象的 位置更新操作完成的，移動對象只有在運行矢量發(fā)生變化時才需要觸發(fā)位置更新過程，因 此當它沿著某條道路平穩(wěn)行駛時，可以長時間不進行位置更新，從而降低了數(shù)據(jù)采集的通 訊及計算代價，提高了效率；
(2) 本發(fā)明所采集的數(shù)據(jù)是移動對象的精確時空軌跡數(shù)據(jù)，其中的運行矢量能夠精
確地刻畫移動對象的實際運行狀態(tài)。我們以移動對象提交的最后一個運行矢量(稱之為"活
動運行矢量")為例，根據(jù)本發(fā)明中的位置更新協(xié)議能夠保證a)移動對象實際所處的道 路必然與活動運行矢量一致；b)移動對象的實際位置與活動運行矢量的計算位置之間的誤 差必然在規(guī)定的范圍之內；C)移動對象的實際速度與活動運行矢量中速度的誤差必然在規(guī) 定的范圍之內；
(3) 本發(fā)明中的道路交通流參數(shù)統(tǒng)計分析方法是基于時空軌跡進行的，由于時空軌 跡刻畫的是移動對象的整個連續(xù)的行駛過程，因此克服了其它方法需要根據(jù)離散點進行推 斷的缺陷(例如浮動車法需要根據(jù)兩個數(shù)據(jù)釆樣點推斷其實際的行車路線，由于兩點之間 可以有多條可能的網(wǎng)絡連線，從而不可避免地會帶來誤差)，提高了數(shù)據(jù)處理的精度；
(4) 本發(fā)明的道路交通參數(shù)刷新過程是通過位置更新實時觸發(fā)的，從而消除了統(tǒng)計 參數(shù)的信息延遲。
綜合以上分析，本發(fā)明可以保證交通流統(tǒng)計分析的高效性、高準確性和實時性。該發(fā) 明的最終結果可以直接提供給相關的用戶使用，例如交通控制中心、特種車輛司機或動態(tài) 導航設備用戶等，也可用于支持更為復雜的査詢，如某個區(qū)域或某條道路的平均車速、平 均車流量，以及考慮了當前平均通行時間的動態(tài)最短路徑等，從而進一步為交通控制及交 通導航服務。


圖1是道路、原子行駛路段及交叉路口的示意圖。
圖2中，(a)是某一交叉路口的交通流轉接關系示意圖，(b)是對應的連接矩陣。 圖3是本發(fā)明統(tǒng)計交通流方法的流程圖。
圖4示意了本發(fā)明實施例中移動對象mol某時間段在道路d上的的運行過程及服務器 根據(jù)收到的位置更新消息生成的對應的時空軌跡片段。
圖5是本發(fā)明實施例中移動對象的緩慢路段及擁堵檢測的示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖，通過實例進一步說明本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明的范圍。 根據(jù)圖2所示的流程進行如下具體操作
1. 利用網(wǎng)絡受限移動對象數(shù)據(jù)庫技術采集移動對象的位置更新信息。
例如移動對象mol在某個時間段的運行過程如圖4所示，其在時刻t4時發(fā)送的位 置更新信息為(t4,(rl，0.12),v4)，接著是(t5,(rl,0.25),v5)， (t6,(rl,0.52),v6)，最新的位置更新信 息為(t7,(rl,0.73)，v7),經(jīng)過的原子行駛路段依次為arsl、 ars2、 ars3，目前正在ars4上運行。
2. 生成對應的軌跡片段。
如移動對象mol在道路rl上的軌跡片段如圖4所示，其中最后一項(t7，0.73,v7)對應于
活動運行矢量。
3. 觸發(fā)交通參數(shù)的刷新。
圖4中所示的軌跡片段是道路rl上的軌跡片段之一。交通參數(shù)的刷新方法如下
(1) 在計算瞬間變量Vmo和vp時，根據(jù)移動對象mol在t7時刻提交的活動運行矢 量，可以計算出mol目前正處于原子行駛路段ars4中的某一位置，因此mol需要參加ars4 的瞬間參數(shù)的統(tǒng)計計算，而不需要參加其它原子行駛路段(如arsl、 ars2、 ars3)瞬間參數(shù) 的計算。同樣地，如果得知移動對象mo2、 mo3目前都處于ars4中，且其活動運行矢量分 別為(ta,(rl,0.85),v8)、 (tb,(rl，0.84),v9)。以原子行駛路段ars4為例，
計算當前移動對象的個數(shù)vmo: Vmo-3，即共有mol、 rao2、 mo3三個移動對象。
計算當前的平均點速度vp=(v7+v8+v9)/3，即mol、 mo2、 mo3當前速度的平均 值。
(2) 在計算時段參數(shù)"mo和Tt時，設給定的時間窗口[t,- ^timeseg, t哪]為從 時刻t4到tn。w (當前時刻)，則如圖4所示的移動對象mol需要參加原子行駛路段arsl、 ars2、.ars3、 ars4的時段參數(shù)的計算。以原子行駛路段ars4為例
計算在當前時刻之前的5timeseg (例如5分鐘)時間內移動對象的流量"mo:
首先通過公式n"(n ars(TSEGr， ars4), ^ timeseg)計算在時間窗口 [t麗-
^timeseg， t,]內經(jīng)過了 ars4的所有軌跡片段，然后求這些軌跡片段中經(jīng)過了
ars4終點(即跨越了ars4)的軌跡片段，對之進行計數(shù)，得到滿足條件的移動對
象數(shù)目，最后除以ltimeseg即可得到所需結果。
計算在當前時刻之前的Stimeseg (例如10分鐘)內的平均通行時間計算方法 與"mo相似。在計算出時間窗口 [t 。》 - ^ timeseg， t 。 ]內經(jīng)過了 ars4的所有軌 跡片段之后，根據(jù)軌跡片段的開始和結束時間之間的差值，得到每個移動對象通 過ars4的時間，取它們的平均值，即可得到ars4的平均通行時間Tt. G)計算原子行駛路段arsj的交通擁堵路段狀態(tài)的方法如圖5所示在當前時刻之前 的指定時間范圍5 timeseg (例如8分鐘)內，有三個移動對象mol、 mo2、 mo3經(jīng)過了 aw,且它們的運行速度低于指定速度閾值(如10公里/小時)的路段如圖所示(見"緩慢 行駛路段")，即:
mol的緩慢行駛路段是從posl到pos2、從pos4到pos6。 mo2的緩慢行駛路段是從pos2到pos5、從pos7到pos8; mo3的緩慢行駛路段是從pos3到pos5、從pos7到pos8;
這些緩慢行駛路段的交集為從pos4到pos5之間的路段，即所有移動對象都在該路段 上都行駛緩慢，所以得知，原子路段ars,的交通擁堵路段(即jammedarea)為從pos4到 pos5的部分，由于jammedarea不為空，因此其擁堵狀態(tài)jammed值為"真"。
4.將交通參數(shù)變化的時態(tài)數(shù)據(jù)保存在動態(tài)交通網(wǎng)絡相應的道路中，供查詢處理使用。
以上通過實施例對本發(fā)明進行了詳細的描述，本領域的技術人員應當理解，在不超出 本發(fā)明的精神和實質的范圍內，對本發(fā)明做出一定的修改和變動，比如交通參數(shù)的刷新過 程可以用定時觸發(fā)來代替通過移動對象的位置更新實時地進行觸發(fā)，又如用其他統(tǒng)計方法 代替本發(fā)明所用的公式來計算交通參數(shù)，仍然可以實現(xiàn)本發(fā)明的目的。
權利要求
1.一種基于移動對象數(shù)據(jù)庫的交通流數(shù)據(jù)采集與分析方法，包括以下步驟1)數(shù)據(jù)庫服務器不斷地采集交通網(wǎng)絡中各移動對象的運行矢量(t，(rid，pos)，v，fd)，其中t是該運行矢量所對應的時間；(rid，pos)是移動對象在t時刻的位置，其中rid是移動對象所在道路的標識，pos是移動對象在道路rid中的相對位置；v是移動對象在t時刻的運行速度；fd是移動對象所屬的交通流方向；2)數(shù)據(jù)庫服務器根據(jù)采樣數(shù)據(jù)生成該移動對象在道路rid中的時空軌跡片段(mid，fd，entry，isactive，(ti，posi，vi)i＝1n)，并將其保存在數(shù)據(jù)庫中對應的道路記錄中，其中mid是移動對象的標識；fd是該移動對象在道路rid中所屬的交通流方向；entry是該移動對象以同樣的方向進入該道路的序號；isactive標記當前時刻該時空軌跡片段是否處于活動狀態(tài)；(ti，posi，vi)i＝1n是移動對象時空軌跡片段所對應的時空軌跡曲線，其中ti是一個時間點，posi是ti時刻移動對象在道路rid中的相對位置，vi是移動對象在ti時刻的速度，n為正整數(shù)；3)以原子行駛路段為單位，對所采集的軌跡片段數(shù)據(jù)進行聯(lián)機統(tǒng)計分析，實時地獲得交通網(wǎng)絡的各項交通參數(shù)，所述原子行駛路段是道路的某一個行駛方向中連接交叉路口或者道路端點的基本單位，且在其中不再含有移動對象可以駛離該交通流的其它交叉路口；4)將交通參數(shù)變化的時態(tài)數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫相應的道路記錄中。
2. 根據(jù)權利要求l所述的交通流數(shù)據(jù)采集與分析方法，其特征在于所述步驟l)采集移動對象運行矢量的方法是，首先在每個移動對象上安裝GPS定位設備和無線通訊設備，并配備實際的交通道路網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，所述的交通道路網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包 含交通網(wǎng)絡中每條道路的標識、地理幾何形狀和長度，以及每個交叉路口的標 識、地理位置、路口的區(qū)域范圍、路口所連接的道路、路口中交通流的轉接關系；移動對象個體在運行過程中，依據(jù)下列步驟向數(shù)據(jù)庫服務器報告自身位置 更新信息-1-1.利用GPS設備不斷地測得當前運行參數(shù)，包括當前時間t、當前經(jīng)緯度位置(X， Y)、當前速度v及當前方向； 1-2.將GPS測得的位置及方向數(shù)據(jù)與實際的交通道路網(wǎng)絡數(shù)據(jù)進行匹配，得到 移動對象在交通網(wǎng)絡中的相對數(shù)據(jù)，即網(wǎng)絡位置(rid， pos)和道路交通流方向fd,從而得到移動對象當前的運行矢量(t, (rid, pos), v， fd)，其中rid 為移動對象所在道路的標識；pos是移動對象在道路rid中的相對位置，fd 為移動對象在道路rid中所屬交通流方向； 1-3.將經(jīng)過步驟1-2轉換的當前運行矢量與其上次位置更新時發(fā)送給服務器的運行矢量相比，首先判斷是否發(fā)生了下列三種情況之一a. rid改變；b. rid沒變，但fd改變或者v與上次位置更新時的速度相比，其偏差超過 了一個指定的閥值；c. rid、 fd和v沒變，但當前位置(rid， posn。w)與根據(jù)上次位置更新時的 運行矢量預測的位置(rid， posevl)相比，距離偏差超過了一個指定的 閥值；如果上述三種情況均未發(fā)生，則不向服務器發(fā)送當前運行矢量；如果發(fā)生 了上述情況a，則直接向服務器發(fā)送當前運行矢量；如果發(fā)生了上述情況b 或c，則再判斷是否當前位置處于交叉路口的區(qū)域范圍內且上次位置更新也 在該區(qū)域內，是則不向服務器發(fā)送當前運行矢量，否則發(fā)送。
3.根據(jù)權利要求2所述的交通流數(shù)據(jù)采集與分析方法，其特征在于在所述的交通道路網(wǎng)絡數(shù)據(jù)中設定每條道路的兩個端點中一個為起點，另一個為終點，定義起點的pos值為0，終點的pos值為1，則在所述步驟1-2中首先通過計算(X， Y)坐標點位于哪條道路上，得到rid值，然后計算(X， Y)坐標點到起點的距 離與該道路的長度的比值得到該坐標點對應的pos值，pose[O,l];移動對象所 屬的交通流方向fde(+，-}，其中"+"表示由道路rid的起點向終點運行，"一" 表示由終點向起點運行。
4.根據(jù)權利要求2所述的交通流數(shù)據(jù)采集與分析方法，其特征在于在所述c情 況下，設上次位置更新時的運行矢量為(t。,(rid。，pos。)，v。，fd。)，道路rid。的長度 為len，當前時間為Ww，貝U:<formula>formula see original document page 3</formula>根據(jù)p0Sev!和p0Sn。w，可以得到預測位置與實際位置之間的距離偏差為 |poseVi - pos瞎l X len 。
5. 根據(jù)權利要求2所述的交通流數(shù)據(jù)釆集與分析方法，其特征在于服務器一旦接收到移動對象發(fā)送來的運行矢量就觸發(fā)所述步驟3)對交通參數(shù)進行實時刷新， 對于瞬間交通參數(shù)，根據(jù)時空軌跡片段直接查找該移動對象所在的原子行駛路 段，重新計算其相應的參數(shù)值；而對于時段交通參數(shù)，査找該移動對象與統(tǒng)計窗 口相交的時空軌跡片段，重新計算相應原子行駛路段的參數(shù)值。
6. 根據(jù)權利要求1 5中任一權利要求所述的交通流數(shù)據(jù)采集與分析方法，其特征 在于所述步驟3)的交通參數(shù)包括在當前時刻t,某原子行駛路段ars,中的移 動對象個數(shù)vmo，通過下列計算公式得到vmo = E,(rL(n肌(TSEG" arSi)， t，)) 式中，TSEG,表示原子行駛路段arSi所屬道路r上所有軌跡片段的集合，TLb表 示路段投影，rL表示時間點投影，E,表示求集合中元素個數(shù)的總和。
7. 根據(jù)權利要求1 5中任一權利要求所述的交通流數(shù)據(jù)采集與分析方法，其特征 在于所述步驟3)的交通參數(shù)包括在時刻t,某原子行駛路段arsi中的平均點 速度vp，通過下列計算公式得到<formula>formula see original document page 4</formula> n 式中，n= E,(nLs(TSEGr,ars丄t,)),其中TSEGr表示原子行駛路段arSi所屬道路r上所有軌跡片段的集合，n,表示路段投影，rL表示時間點投影，E,表示求集合中元素個數(shù)的總和，Evp表示求集合中點速度的總和。
8. 根據(jù)權利要求1 5中任一權利要求所述的交通流數(shù)據(jù)采集與分析方法，其特征 在于所述步驟3)的交通參數(shù)包括在給定時間窗口[t,- ^timeseg， t,]內 某原子行駛路段arSi的平均移動對象流量como，通過下列公式計算得到<formula>formula see original document page 4</formula>式中，pos為arsi的終點位置，TSEGr表示原子行駛路段arSi所屬道路r上所有軌跡片段的集合，n,表示路段投影，rits表示時間段投影，n,表示位置點投影，E,表示求集合中元素個數(shù)的總和。
9. 根據(jù)權利要求1 5中任一權利要求所述的交通流數(shù)據(jù)采集與分析方法，其特征 在于所述步驟3)的交通參數(shù)包括在給定時間窗口[t,-〖timeseg， t,]內 某原子行駛路段arSi中移動對象的平均通行時間Tt，通過下列公式計算得到Tt = Hu(nts(n rs(TSEGr, arsj， ltimeseg)) / n 式中，n= H(n,(TSEG"arSi)， Stimeseg))，其中TSEGr表示原子行駛 路段arsi所屬道路r上所有軌跡片段的集合，n,表示路段投影，EU表示時間 段投影，E,表示求集合中元素個數(shù)的總和，E"表示求集合中通行時間的總和。
10. 根據(jù)權利要求1 5中任一權利要求所述的交通流數(shù)據(jù)采集與分析方法，其特 征在于所述歩驟3)的交通參數(shù)包括在給定時間窗口[t。。廣UiiTieseg， t,] 內原子行駛路段arsi上的交通擁堵路段j柳medarea，通過下列公式計算得到jaramedarea =門si冊(riu(n,(TSEGr, arsO, l timeseg) , vsk> ) 式中，TSEGr表示原子行駛路段ars,所屬道路r上所有軌跡片段的集合，nars表示路段投影，n"表示時間段投影，n^表示求軌跡片段集合中運行速度低于指定速度閾值v.一的地理區(qū)域的交集； 根據(jù)jammedarea是否為空判斷arsi是否處于擁堵狀態(tài)，艮P: jammed 二 (jammedarea # NULL) 。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于網(wǎng)絡受限移動對象數(shù)據(jù)庫的交通流數(shù)據(jù)采集及分析方法，通過網(wǎng)絡受限移動對象數(shù)據(jù)庫技術采集和存儲移動對象的時空軌跡，并通過時空統(tǒng)計與分析技術，以原子行駛路段為單位，對所采集的數(shù)據(jù)進行聯(lián)機統(tǒng)計，實時地獲得交通網(wǎng)絡的各項交通參數(shù)，同時保存交通參數(shù)變化的時態(tài)數(shù)據(jù)。這種方法所采集的數(shù)據(jù)能夠反映移動對象完整的時空軌跡，它不僅簡化了統(tǒng)計分析的復雜性，提高了處理效率，而且為數(shù)據(jù)分析提供了更為豐富的信息，提高了數(shù)據(jù)處理的精度。另外，交通參數(shù)刷新過程可通過移動對象的位置更新實時地進行觸發(fā)，因此消除了統(tǒng)計參數(shù)的信息延遲。與現(xiàn)有的交通流統(tǒng)計分析方法相比，該方法具有高效、高精度、實時的優(yōu)點。
文檔編號H04Q7/38GK101127159SQ20071012193
公開日2008年2月20日 申請日期2007年9月18日 優(yōu)先權日2007年9月18日
發(fā)明者丁治明 申請人:中國科學院軟件研究所