發(fā)布時間：2014-12-24 09:30

 

【摘要】 全時空、網絡化、大規(guī)模的道路交通信息獲取為智能交通系統(tǒng)提供重要的數據基礎,尤其是利用傳感器網絡技術實現路網中的單點、斷面、區(qū)域交通流信息獲取已成為當前智能交通系統(tǒng)獲取道路交通信息的一個重要方式,并在世界各國大、中城市中表現的越來越突出。由于交通信息的時空相關性,路段、路網交通信息能夠以道路上關鍵點的交通信息為基礎,通過時空模型、交通流模型、關系模型等推導得知。另外,由于交通信息的時空相關性,加之工程資金、建設成本等約束條件,利用傳感器網絡技術研究單點、斷面、區(qū)域的綜合交通信息獲取方法已成為智能交通系統(tǒng)研究領域的重點方向,對道路交通信息獲取傳感器網絡(TIASN)相關理論、技術和方法的研究具有重要的理論和現實意義。本文以全時空、網絡化、大規(guī)模的道路交通信息獲取的實際需求為背景,重點解決如何實現TIASN網絡中單個傳感器獲取盡可能豐富的多參量交通信息(微觀層)、如何實現TIASN網絡的信息標準化及最優(yōu)物理拓撲和邏輯拓撲(中觀層)以及如何實現TIASN網絡大規(guī)模部署時的最優(yōu)傳感器布局(宏觀層)等問題。本文針對這些問題及其子問題進行了深入研究,主要研究成果具體表現在以下幾個方面：(1)形成了一種基于多功能地磁傳感器的交通信息多參量獲取方法,綜合實現交通流參數和交通流構成要素等交通信息感知與獲取針對微觀層的TIASN網絡檢測節(jié)點問題,本文分別提出了雙窗口車輛檢測算法、車輛停駛檢測算法和環(huán)境自適應的改進算法實現了面向不同實際應用、適應不同道路交通環(huán)境的高準確率交通流量檢測；針對不同的多功能地磁傳感器硬件配置環(huán)境,分別提出基于單模塊傳感器和雙模塊傳感器的車輛速度獲取方法,并通過視頻數據對計算結果進行了驗證；通過提取車輛波形數據的時、頻域特征,分別提出時域、頻域車型分類模型和算法,以適應不同的傳感器硬件特點,實現了交通流構成要素的實時檢測。(2)提出了一種實現信息標準化的網絡節(jié)點語義編碼方法及一套以低成本、低功耗為目標的傳感器網絡拓撲優(yōu)化方法針對中觀層的TIASN網絡信息標準化及各子網拓撲優(yōu)化問題,探討了TIASN網絡的層次架構和節(jié)點功能,并給出了網絡節(jié)點語義編碼方法,為交通信息共享和節(jié)點語義編碼標準化提供支持；提出了物理拓撲優(yōu)化的多次多重背包模型和通信拓撲優(yōu)化的邊權圖模型,實現了TIASN網絡物理拓撲及通信拓撲優(yōu)化,保證了工程上TIASN網絡部署的經濟性和信息傳輸的高效性,從而構建出經濟、高效、長壽命的TIASN網絡。(3)提出了基于固定傳感器的交通信息可信度空間分布模型及測度,基于該測度面向不同實際應用需求建立了傳感器網絡布局優(yōu)化模型及方法針對宏觀層的TIASN網絡空間大規(guī)模部署問題,基于固定傳感器的交通信息可信度空間分布特性,建立了三維交通信息可信度空間分布模型,定義了不同空間粒度下的交通信息可信度空間分布測度——傳感器、路段、路網信息可信度函數,并進行了實證研究；基于該測度,考慮到交通信息完備性和有效性需求,建立了單向路段最小投資模型；通過引入傳感器附加價值因子,建立了單向路段最大效益模型；為了能夠分析各模型參數對傳感器網絡布局優(yōu)化問題的影響模式,對離散模型連續(xù)化,分別給出兩類模型的簡化形式。研究結果表明本文提出的模型和算法能夠在工程上指導TIASN網絡大規(guī)模布局優(yōu)化問題。最后從理論上對不同交通信息可信度空間分布特性和路段端點約束條件下的傳感器網絡布局優(yōu)化問題進行了分析和討論,證明了本文提出的新測度在交通信息可信度空間分布度量和傳感器網絡布局優(yōu)化應用中的有效性。本文通過對TIASN網絡多參量感知、網絡信息標準與拓撲優(yōu)化、大規(guī)模空間布局優(yōu)化等問題的研究,并以交通信息獲取的實際需求為背景,利用工程實例、場景實例或數值實例對本文提出的技術、方法和理論進行了驗證；并針對工程中的實際情形給出了解決方案,證明了本文提出的各方法的實用性和有效性。最后,在當前研究工作的基礎上,本文還確定了需要進一步開展研究的問題和方向。 

1引言

 

1.1研究背景與意義

道路交通是指人和車輛在道路上發(fā)生的空間位置移動的全部過程。道路交通系統(tǒng)由人、車、路和環(huán)境組成，我國道路交通流大多是包含機動車、非機動車和行人等不同對象的混合交通流，混合交通流之間的相互作用，以及交通流與道路、環(huán)境之間的作用和約束，使我國道路交通狀態(tài)信息更加復雜、多變。

城市道路交通狀態(tài)是反映交通流運行狀況的基本變量組，包含流量、速度、占有率、行程時間等多個交通參數。交通狀態(tài)信息獲取涵蓋交通流數據的采集、交通信息的生成和傳輸以及交通信息的存儲和處理等環(huán)節(jié)。交通狀態(tài)信息獲取是否及時、準確、全面將影響交通控制和交通誘導策略的有效性、交通信息發(fā)布與服務的可靠性、交通事故致因分析的合理性。因此，城市交通信息獲取是智能交通系統(tǒng)（ITS）重要的基礎性問題之一。

目前，城市交通擁堵已經成為我國大中城市交通的普遍現象，交通擁堵的緩解在很大程度上取決于交通服務、控制與管理的高效協(xié)同，交通信息的全面獲取與充分利用是實現高效協(xié)同的基礎與前提。當今需要發(fā)展網絡化交通信息獲取的傳感器網絡（SN）相關技術，從根本上提高交通安全保障水平、提升交通運行效率和促進交通新興產業(yè)發(fā)展。

單個傳感器檢測性能、多傳感器組網功能、大規(guī)模部署優(yōu)化對能否準確獲取單點、路段甚至整個路網道路交通狀態(tài)信息至關重要。準確獲取交通狀態(tài)信息需要多傳感器在路網時空范圍聯合協(xié)作。因此如何合理配置傳感器、如何構建交通信息獲取傳感器網絡（TIASN）成為能否準確、全面、高效獲取道路交通狀態(tài)信息的關鍵技術�，F有情況通常是多種傳感器實現一種應用服務，ITS的進一步發(fā)展要求傳感器能夠構成適應多種應用服務需求、便于大規(guī)模部署、檢測多種交通環(huán)境的傳感器網絡。因此，單個傳感器的交通信息多參量感知、區(qū)域傳感器網絡優(yōu)化與構建、大規(guī)模部署下的傳感器網絡布局優(yōu)化等問題成為目前國內外學術界、工業(yè)界，甚至政府機構關注的重要課題。

 

1.2研究問題的提出

城市道路交通問題（如擁擠、污染、事故等）是全世界范圍內大城市面臨的嚴峻問題，當今ITS的一個首要任務就是在城市路網中布設一定數量的交通傳感器實時獲取交通信息，以提高交通系統(tǒng)的可測性、可觀性、可控性，為解決相關道路交通問題提供基礎數據。

全時空、網絡化、大規(guī)模道路交通信息獲取是ITS的一個重要支撐，尤其是利用傳感器網絡技術實現路網中的單點、斷面、區(qū)域交通流信息獲取的相關關鍵技術，成為當前ITS對道路交通基礎信息獲取的一個重要方式，并在世界各國的大、中城市表現的越來越突出。單點、斷面交通信息的實時性、準確性、全面性關系到路段、路網交通信息實時性、準確性、全面性。由于交通信息的時空相關性，路段、路網交通信息往往以道路上關鍵點交通信息為基礎，通過時空模型、交通流模型、關系模型等推導得知。另外，由于交通信息的時空相關性和工程資金、建設成本等約束，研究面向單點、斷面、區(qū)域的傳感器節(jié)點交通信息多參量感知、傳感器網絡拓撲優(yōu)化及網絡構建、大規(guī)模部署下的傳感器網絡布局優(yōu)化等技術已成為城市交通研究領域的重點方向，對該方向相關理論、技術和方法的研究具有重要的理論和現實意義。

交通運輸部的《交通運輸“十二五”發(fā)展規(guī)劃》中指出“充分發(fā)揮科技引領作用，不斷提高交通運輸科技含量和信息化水平”，規(guī)劃要求“國省道重要路段和內河干線航道重要航段監(jiān)測覆蓋率達到70%以上，重點營業(yè)性運輸裝備監(jiān)測覆蓋率達到100%。”，這都顯露出交通信息獲取的現實需求和行業(yè)需要�？萍疾吭�“十一五”、十二五”規(guī)劃中就現代交通技術領域部署了相關高水平的項目課題，涉及到在途安全狀態(tài)獲取技術，交通狀態(tài)感知與交互處理關鍵技術，交通樞紐智能管控關鍵技術，網絡化動態(tài)交通信息獲取與交互技術等，可以看出這些技術都要求對道路交通信息的感知與獲取，進而形成網絡化裝備。本論文依托國家“”項目課題《交通狀態(tài)獲取的新型傳感器、傳感器網絡優(yōu)化與融合》、《交通樞紐綜合感知與智能管控平臺》和北京市科委科技計劃項目課題《基于承載新一代智能交通管理應用的通信網絡研究》，以及北京交通大學優(yōu)秀博士研究生創(chuàng)新研究基金項目，并在這些項目課題的資助下，對基于單個地磁傳感器的交通信息多參量感知、道路交通信息獲取傳感器網絡拓孫優(yōu)化與構建和大規(guī)模部署下的傳感器網絡布局優(yōu)化等理論和方法進行深入研究，并以實際需求為背景，通過工程實例、場景實例或數值實例對不同問題下的技術和方法進行了驗證，證明了本文提出的各方法的實用性和有效性。

 

2基于多功能地磁傳感器的交通流多參量綜合獲取

 

2.1多功能地磁傳感器

（1）HMC1001傳感器

HMC1001是基于磁阻效應原理，由Honeywell公司生產的一個單邊封裝的各向異性磁阻傳感器，其各管腳封裝如圖2-1所示，感應與管腳方向平行的磁場。HMC1001采用SOIC封裝，體積小、質量輕、能耗低，可用于一維磁場測量。

 

 

（2）多功能地磁傳感器

本文采用的交通傳感器為團隊自主研發(fā)的多功能地磁傳感器（下文稱“傳感器”或“MFS”，該傳感器的感應模塊采用HMC1001傳感器，能夠準確地檢測微磁場的變化。由于車輛都含有鐵磁物質，當車輛經過MFS時，會對MFS周圍的地磁場產生擾動，如圖2-3所示，這種擾動經HMC1001傳感器檢測，便可輸出車輛的地磁感應波形數據。

 

 

 

2.2基于多功能地磁傳感器的交通流量獲取方法

2.2.1車輛檢測算法及應用

車輛檢測是MFS獲取交通流量的第一步，好的車輛檢測算法能夠提高流量計數準確率、降低計算復雜度、延長傳感器使用壽命。文獻基于地磁傳感器給出了一種自適應閾值車輛檢測算法，其主要解決地磁傳感器因溫度或其他環(huán)境因素造成的輸出值漂移問題，即傳感器各敏感軸輸出的基準值需要不斷調整，以適應這種緩慢波動。該算法通過判別X軸和Z軸當前輸出和歷史輸出值差異dx和dz，決定是否進行基準值更新。更新時通過引入遺忘因子a，來確定更新基準值時，某敏感軸新輸出值和原基準值之間的權重。除該算法中其他應確定的模型參數外，應用該算法時還需要通過現場數據確定dx、dz、a三個參數，增大了計算量和結果的不確定性。由于MFS具有環(huán)境自學習機制，消除了溫度、經諱度等因素對輸出基準值造成的影響，故本文提出了更為簡潔的雙窗口車輛檢測算法。另外由于Z軸最能反映車輛鄰近和離開信息，為了進一步降低MFS的計算量，本算法僅初始化Z軸的兩個窗口，以便減少算法參數、降低參數標定難度、延長節(jié)點使用壽命。

圖2-7展示了MFS檢測某行駛車輛的車輛波形圖。根據車輛波形圖的特點，利用圖2-7，MWVDS算法描述如下：

 

 

 

3基于多功能地磁傳感器的在線車型分類方法.......35

3.1基于時域特征的在線車型分類方法....35

3.1.1時域特征提取.......35

3.1.2分類模型與算法.....37

4道路交通信息獲取傳感器網絡拓撲優(yōu)化與構建......55

4.1交通信息獲取傳感器網絡......56

4.2道路交通信息獲取傳感器網絡節(jié)點語義編碼.......59

5道路交通信息獲取傳感器網絡布局優(yōu)化方法........83

5.1基于傳感器網絡的交通信息空間分布特性研究.....83

 

6不同空間分布特性下的傳感器網絡布局優(yōu)化理論

 

在第5章研究了SLP問題的MIM和MBM模型及其簡化模型之后，為了更深入地揭示不同的路段端點約束、不同的交通信息空間分布特性下的TIASN網絡最優(yōu)布設方法，本章基于簡化模型從理論上推導研究路段最優(yōu)SLP問題的數學描述。

 

6.1交通信息空間分布特性的選擇

傳感器ICF描述了基于固定傳感器的TIC空間分布特性，5.1.4節(jié)利用北京市快速路固定傳感器檢測數據進行了實證研究，得到城市快速路TIC在空間上呈指數衰減特性。但是不同區(qū)域、不同城市的道路類型和路網特性多樣，顯然，空間分布特性亦不止一種，有必要對不同的衰減特性進行深入探討揭示不同衰減特性下的SLP問題特點，為后續(xù)的基于數據的實證研究提供理論基礎。

根據5.1.2節(jié)對函數基本性質的描述，本文假設了以下三種基本的衰減特性：①指數衰減特性；②斜坡（線性）衰減特性；③階梯衰減特性。需要指出的是，實際的衰減特性可能不止這幾種，也可能是多種特性的組合本文僅以這三種基本衰減特性的對稱型ICF為例進行研究，筆耕文化傳播，其他特性可參照本章的理論研究結果進行類似分析。

 

7總結與展望

 

7.1研究結論與創(chuàng)新點

本文以道路交通信息獲取的實際需求為背景，分別從微觀層、中觀層和宏觀層對面向交通信息獲取的傳感器網絡多參量感知、網絡拓撲與布局優(yōu)化等問題進行了深入研究，研究結論概括如下：

微觀層研究了基于的交通信息多參量綜合獲取方法（第2、3章，通過設計DWVDA、SVDA和ADWVDA等算法，解決了不同應用條件下快速、準確的車輛檢測；并在此基礎上實現了基于單個MFS的流量、速度、占有率、車輛存在、車輛停駛、車頭時距等多種交通流參數的綜合獲取，有效地擴展了MFS的應用場景，如交通流調查、停車場管理、交叉口信號聯控等；通過提取時、頻域波形特征，實現了單個的車型分類方法，并在實際道路對本文提出的各類算法進行了驗證。微觀層的研究為TIASN網絡提供了功能豐富、可無線組網、長壽命的檢測節(jié)點。

中觀層研究了多車道、多斷面或交叉口交通信息獲取時的TIASN網絡拓撲優(yōu)化和網絡構建方法（第4章），通過分析TIASN網絡的特殊性，給出了TIASN網絡的層次架構和節(jié)點功能，實現了傳感器網絡節(jié)點語義編碼、網絡物理拓撲及通信拓撲優(yōu)化等，保證了工程上網絡部署的經濟性和信息傳輸的高效性；本文提出的TIASN網絡節(jié)點語義編碼方法有望支持并推動交通信息真享和TIASN網絡節(jié)點語義編碼標準化；結合實際需求，本文提出了物理拓撲優(yōu)化的多次多重背包模型和通信拓撲優(yōu)化的邊權圖模型，并分別給出了基于人工智能算法和算法的求解方法，得到最優(yōu)的TIASN網絡物理和邏輯拓撲結構，從而構建出經濟、高效、長壽命的網絡。

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本文編號：10836