道路交通信息获取多参量感知与传感器网络优化

发布时间：2014-12-24 09:30

 

【摘要】 全时空、网络化、大规模的道路交通信息获取为智能交通系统提供重要的数据基础,尤其是利用传感器网络技术实现路网中的单点、断面、区域交通流信息获取已成为当前智能交通系统获取道路交通信息的一个重要方式,并在世界各国大、中城市中表现的越来越突出。由于交通信息的时空相关性,路段、路网交通信息能够以道路上关键点的交通信息为基础,通过时空模型、交通流模型、关系模型等推导得知。另外,由于交通信息的时空相关性,加之工程资金、建设成本等约束条件,利用传感器网络技术研究单点、断面、区域的综合交通信息获取方法已成为智能交通系统研究领域的重点方向,对道路交通信息获取传感器网络(TIASN)相关理论、技术和方法的研究具有重要的理论和现实意义。本文以全时空、网络化、大规模的道路交通信息获取的实际需求为背景,重点解决如何实现TIASN网络中单个传感器获取尽可能丰富的多参量交通信息(微观层)、如何实现TIASN网络的信息标准化及最优物理拓扑和逻辑拓扑(中观层)以及如何实现TIASN网络大规模部署时的最优传感器布局(宏观层)等问题。本文针对这些问题及其子问题进行了深入研究,主要研究成果具体表现在以下几个方面：(1)形成了一种基于多功能地磁传感器的交通信息多参量获取方法,综合实现交通流参数和交通流构成要素等交通信息感知与获取针对微观层的TIASN网络检测节点问题,本文分别提出了双窗口车辆检测算法、车辆停驶检测算法和环境自适应的改进算法实现了面向不同实际应用、适应不同道路交通环境的高准确率交通流量检测；针对不同的多功能地磁传感器硬件配置环境,分别提出基于单模块传感器和双模块传感器的车辆速度获取方法,并通过视频数据对计算结果进行了验证；通过提取车辆波形数据的时、频域特征,分别提出时域、频域车型分类模型和算法,以适应不同的传感器硬件特点,实现了交通流构成要素的实时检测。(2)提出了一种实现信息标准化的网络节点语义编码方法及一套以低成本、低功耗为目标的传感器网络拓扑优化方法针对中观层的TIASN网络信息标准化及各子网拓扑优化问题,探讨了TIASN网络的层次架构和节点功能,并给出了网络节点语义编码方法,为交通信息共享和节点语义编码标准化提供支持；提出了物理拓扑优化的多次多重背包模型和通信拓扑优化的边权图模型,实现了TIASN网络物理拓扑及通信拓扑优化,保证了工程上TIASN网络部署的经济性和信息传输的高效性,从而构建出经济、高效、长寿命的TIASN网络。(3)提出了基于固定传感器的交通信息可信度空间分布模型及测度,基于该测度面向不同实际应用需求建立了传感器网络布局优化模型及方法针对宏观层的TIASN网络空间大规模部署问题,基于固定传感器的交通信息可信度空间分布特性,建立了三维交通信息可信度空间分布模型,定义了不同空间粒度下的交通信息可信度空间分布测度——传感器、路段、路网信息可信度函数,并进行了实证研究；基于该测度,考虑到交通信息完备性和有效性需求,建立了单向路段最小投资模型；通过引入传感器附加价值因子,建立了单向路段最大效益模型；为了能够分析各模型参数对传感器网络布局优化问题的影响模式,对离散模型连续化,分别给出两类模型的简化形式。研究结果表明本文提出的模型和算法能够在工程上指导TIASN网络大规模布局优化问题。最后从理论上对不同交通信息可信度空间分布特性和路段端点约束条件下的传感器网络布局优化问题进行了分析和讨论,证明了本文提出的新测度在交通信息可信度空间分布度量和传感器网络布局优化应用中的有效性。本文通过对TIASN网络多参量感知、网络信息标准与拓扑优化、大规模空间布局优化等问题的研究,并以交通信息获取的实际需求为背景,利用工程实例、场景实例或数值实例对本文提出的技术、方法和理论进行了验证；并针对工程中的实际情形给出了解决方案,证明了本文提出的各方法的实用性和有效性。最后,在当前研究工作的基础上,本文还确定了需要进一步开展研究的问题和方向。 

1引言

 

1.1研究背景与意义

道路交通是指人和车辆在道路上发生的空间位置移动的全部过程。道路交通系统由人、车、路和环境组成，我国道路交通流大多是包含机动车、非机动车和行人等不同对象的混合交通流，混合交通流之间的相互作用，以及交通流与道路、环境之间的作用和约束，使我国道路交通状态信息更加复杂、多变。

城市道路交通状态是反映交通流运行状况的基本变量组，包含流量、速度、占有率、行程时间等多个交通参数。交通状态信息获取涵盖交通流数据的采集、交通信息的生成和传输以及交通信息的存储和处理等环节。交通状态信息获取是否及时、准确、全面将影响交通控制和交通诱导策略的有效性、交通信息发布与服务的可靠性、交通事故致因分析的合理性。因此，城市交通信息获取是智能交通系统（ITS）重要的基础性问题之一。

目前，城市交通拥堵已经成为我国大中城市交通的普遍现象，交通拥堵的缓解在很大程度上取决于交通服务、控制与管理的高效协同，交通信息的全面获取与充分利用是实现高效协同的基础与前提。当今需要发展网络化交通信息获取的传感器网络（SN）相关技术，从根本上提高交通安全保障水平、提升交通运行效率和促进交通新兴产业发展。

单个传感器检测性能、多传感器组网功能、大规模部署优化对能否准确获取单点、路段甚至整个路网道路交通状态信息至关重要。准确获取交通状态信息需要多传感器在路网时空范围联合协作。因此如何合理配置传感器、如何构建交通信息获取传感器网络（TIASN）成为能否准确、全面、高效获取道路交通状态信息的关键技术。现有情况通常是多种传感器实现一种应用服务，ITS的进一步发展要求传感器能够构成适应多种应用服务需求、便于大规模部署、检测多种交通环境的传感器网络。因此，单个传感器的交通信息多参量感知、区域传感器网络优化与构建、大规模部署下的传感器网络布局优化等问题成为目前国内外学术界、工业界，甚至政府机构关注的重要课题。

 

1.2研究问题的提出

城市道路交通问题（如拥挤、污染、事故等）是全世界范围内大城市面临的严峻问题，当今ITS的一个首要任务就是在城市路网中布设一定数量的交通传感器实时获取交通信息，以提高交通系统的可测性、可观性、可控性，为解决相关道路交通问题提供基础数据。

全时空、网络化、大规模道路交通信息获取是ITS的一个重要支撑，尤其是利用传感器网络技术实现路网中的单点、断面、区域交通流信息获取的相关关键技术，成为当前ITS对道路交通基础信息获取的一个重要方式，并在世界各国的大、中城市表现的越来越突出。单点、断面交通信息的实时性、准确性、全面性关系到路段、路网交通信息实时性、准确性、全面性。由于交通信息的时空相关性，路段、路网交通信息往往以道路上关键点交通信息为基础，通过时空模型、交通流模型、关系模型等推导得知。另外，由于交通信息的时空相关性和工程资金、建设成本等约束，研究面向单点、断面、区域的传感器节点交通信息多参量感知、传感器网络拓扑优化及网络构建、大规模部署下的传感器网络布局优化等技术已成为城市交通研究领域的重点方向，对该方向相关理论、技术和方法的研究具有重要的理论和现实意义。

交通运输部的《交通运输“十二五”发展规划》中指出“充分发挥科技引领作用，不断提高交通运输科技含量和信息化水平”，规划要求“国省道重要路段和内河干线航道重要航段监测覆盖率达到70%以上，重点营业性运输装备监测覆盖率达到100%。”，这都显露出交通信息获取的现实需求和行业需要。科技部在“十一五”、十二五”规划中就现代交通技术领域部署了相关高水平的项目课题，涉及到在途安全状态获取技术，交通状态感知与交互处理关键技术，交通枢纽智能管控关键技术，网络化动态交通信息获取与交互技术等，可以看出这些技术都要求对道路交通信息的感知与获取，进而形成网络化装备。本论文依托国家“”项目课题《交通状态获取的新型传感器、传感器网络优化与融合》、《交通枢纽综合感知与智能管控平台》和北京市科委科技计划项目课题《基于承载新一代智能交通管理应用的通信网络研究》，以及北京交通大学优秀博士研究生创新研究基金项目，并在这些项目课题的资助下，对基于单个地磁传感器的交通信息多参量感知、道路交通信息获取传感器网络拓孙优化与构建和大规模部署下的传感器网络布局优化等理论和方法进行深入研究，并以实际需求为背景，通过工程实例、场景实例或数值实例对不同问题下的技术和方法进行了验证，证明了本文提出的各方法的实用性和有效性。

 

2基于多功能地磁传感器的交通流多参量综合获取

 

2.1多功能地磁传感器

（1）HMC1001传感器

HMC1001是基于磁阻效应原理，由Honeywell公司生产的一个单边封装的各向异性磁阻传感器，其各管脚封装如图2-1所示，感应与管脚方向平行的磁场。HMC1001采用SOIC封装，体积小、质量轻、能耗低，可用于一维磁场测量。

 

 

（2）多功能地磁传感器

本文采用的交通传感器为团队自主研发的多功能地磁传感器（下文称“传感器”或“MFS”，该传感器的感应模块采用HMC1001传感器，能够准确地检测微磁场的变化。由于车辆都含有铁磁物质，当车辆经过MFS时，会对MFS周围的地磁场产生扰动，如图2-3所示，这种扰动经HMC1001传感器检测，便可输出车辆的地磁感应波形数据。

 

 

 

2.2基于多功能地磁传感器的交通流量获取方法

2.2.1车辆检测算法及应用

车辆检测是MFS获取交通流量的第一步，好的车辆检测算法能够提高流量计数准确率、降低计算复杂度、延长传感器使用寿命。文献基于地磁传感器给出了一种自适应阈值车辆检测算法，其主要解决地磁传感器因温度或其他环境因素造成的输出值漂移问题，即传感器各敏感轴输出的基准值需要不断调整，以适应这种缓慢波动。该算法通过判别X轴和Z轴当前输出和历史输出值差异dx和dz，决定是否进行基准值更新。更新时通过引入遗忘因子a，来确定更新基准值时，某敏感轴新输出值和原基准值之间的权重。除该算法中其他应确定的模型参数外，应用该算法时还需要通过现场数据确定dx、dz、a三个参数，增大了计算量和结果的不确定性。由于MFS具有环境自学习机制，消除了温度、经讳度等因素对输出基准值造成的影响，故本文提出了更为简洁的双窗口车辆检测算法。另外由于Z轴最能反映车辆邻近和离开信息，为了进一步降低MFS的计算量，本算法仅初始化Z轴的两个窗口，以便减少算法参数、降低参数标定难度、延长节点使用寿命。

图2-7展示了MFS检测某行驶车辆的车辆波形图。根据车辆波形图的特点，利用图2-7，MWVDS算法描述如下：

 

 

 

3基于多功能地磁传感器的在线车型分类方法.......35

3.1基于时域特征的在线车型分类方法....35

3.1.1时域特征提取.......35

3.1.2分类模型与算法.....37

4道路交通信息获取传感器网络拓扑优化与构建......55

4.1交通信息获取传感器网络......56

4.2道路交通信息获取传感器网络节点语义编码.......59

5道路交通信息获取传感器网络布局优化方法........83

5.1基于传感器网络的交通信息空间分布特性研究.....83

 

6不同空间分布特性下的传感器网络布局优化理论

 

在第5章研究了SLP问题的MIM和MBM模型及其简化模型之后，为了更深入地揭示不同的路段端点约束、不同的交通信息空间分布特性下的TIASN网络最优布设方法，本章基于简化模型从理论上推导研究路段最优SLP问题的数学描述。

 

6.1交通信息空间分布特性的选择

传感器ICF描述了基于固定传感器的TIC空间分布特性，5.1.4节利用北京市快速路固定传感器检测数据进行了实证研究，得到城市快速路TIC在空间上呈指数衰减特性。但是不同区域、不同城市的道路类型和路网特性多样，显然，空间分布特性亦不止一种，有必要对不同的衰减特性进行深入探讨揭示不同衰减特性下的SLP问题特点，为后续的基于数据的实证研究提供理论基础。

根据5.1.2节对函数基本性质的描述，本文假设了以下三种基本的衰减特性：①指数衰减特性；②斜坡（线性）衰减特性；③阶梯衰减特性。需要指出的是，实际的衰减特性可能不止这几种，也可能是多种特性的组合本文仅以这三种基本衰减特性的对称型ICF为例进行研究，笔耕文化传播，其他特性可参照本章的理论研究结果进行类似分析。

 

7总结与展望

 

7.1研究结论与创新点

本文以道路交通信息获取的实际需求为背景，分别从微观层、中观层和宏观层对面向交通信息获取的传感器网络多参量感知、网络拓扑与布局优化等问题进行了深入研究，研究结论概括如下：

微观层研究了基于的交通信息多参量综合获取方法（第2、3章，通过设计DWVDA、SVDA和ADWVDA等算法，解决了不同应用条件下快速、准确的车辆检测；并在此基础上实现了基于单个MFS的流量、速度、占有率、车辆存在、车辆停驶、车头时距等多种交通流参数的综合获取，有效地扩展了MFS的应用场景，如交通流调查、停车场管理、交叉口信号联控等；通过提取时、频域波形特征，实现了单个的车型分类方法，并在实际道路对本文提出的各类算法进行了验证。微观层的研究为TIASN网络提供了功能丰富、可无线组网、长寿命的检测节点。

中观层研究了多车道、多断面或交叉口交通信息获取时的TIASN网络拓扑优化和网络构建方法（第4章），通过分析TIASN网络的特殊性，给出了TIASN网络的层次架构和节点功能，实现了传感器网络节点语义编码、网络物理拓扑及通信拓扑优化等，保证了工程上网络部署的经济性和信息传输的高效性；本文提出的TIASN网络节点语义编码方法有望支持并推动交通信息真享和TIASN网络节点语义编码标准化；结合实际需求，本文提出了物理拓扑优化的多次多重背包模型和通信拓扑优化的边权图模型，并分别给出了基于人工智能算法和算法的求解方法，得到最优的TIASN网络物理和逻辑拓扑结构，从而构建出经济、高效、长寿命的网络。

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本文编号：10836