多源交通信息融合技術

1、7多源交通信息融合技術在智能交通誘導系統(tǒng)中的應用研究宋鴻陳寧彭建國蔣程劉玉印由于特殊的地理條件和歷史原因，重慶市道路交通信息采集設備形式多樣，形成的交通信息數(shù)據(jù)格式和設備數(shù)據(jù)接口標準不盡相同，多源交通信息數(shù)據(jù)的存儲、處理和使用過程中遇到了諸多困擾。為此，重慶市交通管理局與重慶市科委共同謀劃了“重慶主城區(qū)交通誘導示范工程”項目，將多源交通信息數(shù)據(jù)融合技術作為項目研究的重點，采用數(shù)據(jù)融合技術對多源交通信息數(shù)據(jù)進行處理，通過判別算法實現(xiàn)對道路交通狀態(tài)的實時判別，并利用VMS、WEB等多種形式進行道路交通狀態(tài)的發(fā)布，從而實現(xiàn)對主城區(qū)路網(wǎng)交通流進行策略性分流的目標。一、研究背景目前，重慶市已經(jīng)建成的交通

2、信息采集方式包括：感應線圈監(jiān)測、微波測速、地磁監(jiān)測、浮動車運營GPS監(jiān)測、電子警察卡口、RFID監(jiān)測、視頻監(jiān)控等。由于交通信息采集方式多樣，形成的信息數(shù)據(jù)格式和設備數(shù)據(jù)接口標準不盡相同，多源交通信息數(shù)據(jù)在具體應用過程中遇到了多方面的困擾。在此背景下，重慶市科委和重慶市公安局交通管理局共同確定了重大科技攻關項目“重慶主城區(qū)交通誘導示范工程”，針對重慶市主城區(qū)的主干復雜路網(wǎng)，以多源道路交通信息數(shù)據(jù)融合技術為研究對象，確定在渝中區(qū)和江北區(qū)范圍內(nèi)，建設長度為26公里的主干道智能交通誘導示范線路，通過對重慶市已建成的多源交通信息數(shù)據(jù)進行融合，實現(xiàn)對目標路段的交通狀態(tài)參數(shù)的實時獲取，采用多源數(shù)據(jù)融合算法和

3、基于知識庫的道路交通狀態(tài)判別算法，完成對道路交通狀態(tài)的科學判斷，并利用布置于路段VMS交通誘導情報板和LED誘導屏進行實時的發(fā)布，通過對道路上交通出行者的誘導，促進交通流在路網(wǎng)中的均衡分布。二、多源數(shù)據(jù)融合及道路狀態(tài)判別技術多源交通信息數(shù)據(jù)融合處理流程如圖1所示圖1多源數(shù)據(jù)融合處理流程圖從圖1可看出，交通誘導系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的信息采集及處理、數(shù)據(jù)融合及判別和信息發(fā)布，通過線圈、微波、電子標簽、地磁檢測以及視頻等采集設備采集車流量等相關信息；信息處理部分由指揮中心交通誘導控制系統(tǒng)完成；信息發(fā)布部分的主要信息發(fā)布載體為為LED誘導屏和VMS復合誘導屏。（一）信息數(shù)據(jù)融合處理流程1、數(shù)據(jù)采集及預處理數(shù)據(jù)

4、采集子系統(tǒng)主要包含動態(tài)交通信息采集建設、靜態(tài)交通信息采集建設、信息處理與傳輸軟硬件環(huán)境建設三項主要功能。通過動態(tài)數(shù)據(jù)采集接口層與各子系統(tǒng)建立連接并進行數(shù)據(jù)采集，采集到的數(shù)據(jù)按照事先制定好的標準數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一存儲，海量數(shù)據(jù)存儲采用數(shù)據(jù)倉庫形式。主要完成對多源數(shù)據(jù)的預處理功能，包括對速度異常數(shù)據(jù)、超出地圖匹范圍數(shù)據(jù)、狀態(tài)異常設備的上傳數(shù)據(jù)等的分析和剔除處理。2、二級數(shù)據(jù)融合與判別核心模型和算法是該項目的核心內(nèi)容，通過核心模型與算法，對信息進行處理分析，生成高效的交通誘導預案與道路信息，同時根據(jù)視頻監(jiān)控和人工反饋信息，實現(xiàn)對部分路段的道路交通狀態(tài)的二次數(shù)據(jù)融合。該部分主要由兩部分組成，即“交通擁堵等級

5、評判算法”和“交通事件識別算法”?！敖煌〒矶碌燃壴u判算法”就是根據(jù)當前的交通流特征信息，結(jié)合交通知識將交通擁擠程度進行等級劃分，以量的形式告訴人們目前的交通擁擠情況。交通擁擠程度是一個模糊的概念，形容一個交通狀態(tài)是否擁擠并沒有很確切的數(shù)據(jù)，因此通常采用模糊推理的方式來評判交通擁堵狀態(tài)。模糊推理法原理是根據(jù)交通流量、占有率和交通擁擠狀態(tài)之間的關系組成模糊規(guī)則矩陣，然后利用交通流量、占有率的實測數(shù)據(jù)作為輸入，通過一系列的模糊運算推斷出交通擁堵狀態(tài)。“交通事件識別算法”就是利用交通事件發(fā)生時的特征和采集到的交通流參數(shù)，如車道占有率、平均速度、流量等交通參數(shù)，通過一定的檢測規(guī)則和算法，推斷出是否發(fā)生交

6、通事件的過程。3、信息發(fā)布完成對道路交通狀態(tài)數(shù)據(jù)的發(fā)布功能，發(fā)布途徑主要有GIS地圖的發(fā)布路段渲染、VMS屏的道路狀態(tài)發(fā)布等。（二）二級數(shù)據(jù)融合模型二級數(shù)據(jù)融合模型是根據(jù)系統(tǒng)在實際的實施中，自動融合不能夠滿足有效反映部分路段的交通狀態(tài)，即某些特殊路段的交通狀態(tài)通過檢測器獲取的數(shù)據(jù)不能有效反映，需要人工輔助來彌補其不足。1、第一級多源數(shù)據(jù)的自動融合自動融合模型是通過在系統(tǒng)中的算法和數(shù)據(jù)處理程序，完成對斷面線圈數(shù)據(jù)（流量、速度、車道占有率）、微波數(shù)據(jù)（流量、速度、車道占有率）、RFID數(shù)據(jù)（行程速度、行程時間）、地磁（流量、速度、占有率等）、卡口（流量、占有率等）、浮動車數(shù)據(jù)（流量、速度、占有率等

7、）等的初步分析和道路狀態(tài)的數(shù)據(jù)融合判定，并由誘導系統(tǒng)的VMS發(fā)布程序完成道路交通狀態(tài)的發(fā)布功能。2、第二級自動融合和人工管控互補性融合自動融合在某些特定路段有一定的局限性，不能夠很好的反映路段由于地理位置、道路坡度等造成的交通特點，需要人工管控來輔助，實現(xiàn)對根據(jù)道路監(jiān)測和人工監(jiān)控結(jié)合的判定模式，這種情況的路段比較少，不會增加太多的人力資源。（三）基于知識庫的道路狀態(tài)判別修正機制系統(tǒng)建立了基于歷史知識庫的道路狀態(tài)判別修正機制，即實時判別結(jié)果與歷史數(shù)據(jù)有個比對修正的機制,系統(tǒng)要正常運行一段時間后，積累了大量的歷史道路狀態(tài)判別數(shù)據(jù)作為知識的積累，發(fā)布結(jié)果會越來越精確，從而滿足城市交通的需求。（四）動

8、態(tài)權(quán)值調(diào)整機制多源數(shù)據(jù)融合通過權(quán)值分配機制實現(xiàn)對道路路段交通狀態(tài)的實時判別，將多源數(shù)據(jù)輸入道路狀態(tài)判別模型，依據(jù)上一時段的道路狀態(tài)數(shù)據(jù)進行權(quán)值的動態(tài)分配，并進行數(shù)據(jù)融合處理和道路交通狀態(tài)的判別，通過人工反饋和與歷史數(shù)據(jù)庫的比對，對道路狀態(tài)異常數(shù)據(jù)回饋到道路狀態(tài)判別模型，進行權(quán)值的動態(tài)分配，從而保證道路狀態(tài)發(fā)布的準確性。（五）數(shù)據(jù)融合及交通狀態(tài)判別算法模型1、融合算法模型介紹利用每個發(fā)布路段上每5分鐘累積的車輛點速度，經(jīng)過數(shù)據(jù)預處理，計算平均車速，通過設計規(guī)則來反應路段的交通狀況。對于樣本不足的路段，利用歷史數(shù)據(jù)或鄰近時間段的交通狀況的統(tǒng)計規(guī)律，彌補樣本覆蓋的不足。1）交通狀態(tài)參數(shù)估計：對表征交

9、通狀態(tài)的參數(shù)，如平均行程車速等進行估計。 輸入路段檢測器數(shù)據(jù)（流量、點速度、占有率等）；FCD數(shù)據(jù)（浮動車的經(jīng)緯度、方向角、速度等）；RFID（OD數(shù)據(jù)）；微波（流量、速度、占有率等）；地磁（流量、速度、占有率等）卡口（流量、占有率等）上一時段交通參數(shù)（樣本量不足時）歷史數(shù)據(jù)（樣本量不足時） 輸出路段平均行程速度、路段2分鐘流量統(tǒng)計、路段占有率統(tǒng)計；2）交通狀態(tài)判別：根據(jù)交通狀態(tài)參數(shù)估計值，以及道路交通狀態(tài)分類分級的標準，對道路交通狀態(tài)作出判別。 輸入融合交通參數(shù)（平均行程速度）、流量數(shù)據(jù)、占有率數(shù)據(jù) 輸出VMS屏各發(fā)布路段的道路交通狀態(tài)值3）多源數(shù)據(jù)融合算法模型針對多源道路監(jiān)測數(shù)據(jù)的融合處理

10、，這里以兩種以上的檢測器的速度數(shù)據(jù)的融合處理方式為例：nv（t）=W（t）*v（t）iii=1式中：v（t）為t時段內(nèi)融合后的速度數(shù)據(jù)，t取2min作為統(tǒng)計時段；°i（t）為采用第i種數(shù)據(jù)采集方式的權(quán)重值;Vi（t）為采用第i中數(shù)據(jù)采集方式獲得的行程速度數(shù)據(jù)；同時引入動態(tài)誤差反比例方法作為反饋控制信號，來實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)權(quán)值的動態(tài)調(diào)整和分配功能°*(t)=iV.(t)v(t)-v(t-1)ii并對上式進行歸一化處理，如下式：°(t)iW*(t)iW*(t)ii=12、道路交通狀態(tài)判別技術1）道路交通狀態(tài)根據(jù)實際道路的等級，采用了三級判斷標準，采用計算的融合區(qū)間行程車速

11、作為判別計算依據(jù)：表1道路交通狀態(tài)判斷標準道路等級堵塞狀態(tài)（0）擁擠狀態(tài)（1）暢通狀態(tài)（2）城市快速路V20km/h20km/hWv<50km/h三50km/h城市主干路<10km/h10km/hWv<30km/h>30km/h城市次干路<10km/h10km/hWv<25km/h三25km/h2）引入路段流量來判定道路狀態(tài)，根據(jù)各道路通行狀況確定路段的流量判定閥值，進行判定，依照判定邏輯進行綜合的判定，確保狀態(tài)數(shù)據(jù)判別的可靠性。3）通過對路段的占有率數(shù)據(jù)進行分析，制定判定邏輯，實現(xiàn)對道路交通狀態(tài)的判別，并根據(jù)知識庫歷史數(shù)據(jù)進行動態(tài)修正。在道路交通狀態(tài)判別并

12、發(fā)布時，需要引入阻抗參數(shù)概念，即發(fā)布狀態(tài)時，交通狀態(tài)由堵塞變?yōu)闀惩〞r無需進行額外判別；但當交通狀態(tài)由暢通變?yōu)樽枞?，則需前一時段狀態(tài)進行判定。記上一時段路段狀態(tài)值為s，本時段路段計算狀態(tài)為s'.，貝y：0z1S-S'>1發(fā)布狀態(tài)Sj='其它JI三、系統(tǒng)實證性分析及功能實現(xiàn)（一）實證方式及分析為了對系統(tǒng)的實施效果進行評判，本系統(tǒng)采取人工判別的方法獲取真實的道路交通狀態(tài)信息，并與系統(tǒng)的評判結(jié)果進行比對分析。根據(jù)人工判別所基于的設施設備不同，又可以分為視頻判別與現(xiàn)場判別兩種：1、視頻判別在視頻監(jiān)控室，根據(jù)不同監(jiān)控攝像頭中顯示的道路車輛集散情況，由交警憑借實際經(jīng)驗，判別對應

13、道路的交通狀態(tài)。2、現(xiàn)場判別在道路設定的監(jiān)測點觀察一段時間形成路段狀態(tài)的調(diào)研記錄。根據(jù)車流通行情況，判別所駛過道路的交通狀態(tài)。為了調(diào)研系統(tǒng)發(fā)布的路況信息在不同的日期與時段的精度穩(wěn)定性，實證選取了周四、周五、周六三天的早、晚、平峰，抽樣20條發(fā)布路段，共計10080條交通狀態(tài)信息，進行實證對比分析，結(jié)果如圖2和圖3所示：經(jīng)過以上對系統(tǒng)發(fā)布狀態(tài)信息的準確性及其影響因素的實地調(diào)研實證分析，得到以下結(jié)論：(1) 系統(tǒng)發(fā)布的路況信息總體準確性較高，系統(tǒng)發(fā)布路段信息通過與現(xiàn)場觀測和視頻判別狀態(tài)比對達到95%以上，其中現(xiàn)場交通狀況判別結(jié)果與系統(tǒng)判別結(jié)果吻合度達到95.63%,視頻交通狀況判別結(jié)果與系統(tǒng)判別結(jié)

14、果達到96.25%。(2) 交通誘導系統(tǒng)發(fā)布的部分路段狀態(tài)異常，是部分監(jiān)測點數(shù)據(jù)樣本量不足導致實際的現(xiàn)場觀測和視頻判別狀態(tài)出現(xiàn)差異，通過對路段和檢測器進行調(diào)整和部署，路段狀態(tài)發(fā)布可以恢復正常。(二)誘導系統(tǒng)實現(xiàn)效果圖4誘導系統(tǒng)效果圖系統(tǒng)包括信息采集功能、誘導處理功能、實時誘導功能、信息發(fā)布功能。通過對道路上交通流信息的實時采集，獲得路網(wǎng)的車流量、占有率、車流平均速度、長車流量等交通狀況信息。通過核心模型與算法，對信息進行處理分析，生成高效的交通誘導預案與道路信息。由信息發(fā)布系統(tǒng)對外發(fā)布，為出行者提供道路信息。系統(tǒng)軟件展示應用層具有如下功能：(1) VMS誘導發(fā)布控制生成VMS實時動態(tài)誘導信息，進行交通誘導服務。(2) 中心大屏控制功能實時道路交通狀態(tài)監(jiān)控，實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)控。(3) WEB發(fā)布功能公眾出行信息服務，信息發(fā)布功能。(4) 系統(tǒng)管理功能設備管理與數(shù)據(jù)信息分析。四、結(jié)語由于重慶市特殊的地理條件和道路交通環(huán)境的影響，建設智能交通系統(tǒng)，提高交通管理的現(xiàn)代化水平，促進交通流在道路交通網(wǎng)絡上的均衡分布，進而提高交通基礎設施的利用率，緩解交通供需矛盾，成為重慶市解決交通問題的首要選擇，而多源交通信息數(shù)據(jù)融合技術是重慶市智