本書兼具知識性和學術性的特色,可作為大專院校本科生、研究生在學習智能交通係統相關課程時的學習資料。同時,本書也可為智能交通係統技術研發工程師、係統集成工程師、交通數據分析師提供有價值的參考。
唐克雙、孫劍於同濟大學2015年6月23日目錄前言第1章緒論……………………………………………………………………………(1)1.1我國道路交通信息化發展曆程、現狀與趨勢…………………………………(1)1.1.1交通數字化、信息化、智能化的基本內涵……………………………(1)1.1.2我國道路交通信息化、智能化的發展曆程…………………………(1)1.1.3我國道路交通信息化、智能化的發展現狀與趨勢…………………(4)1.2我國道路交通控製與管理的需求……………………………………………(6)1.2.1業務需求………………………………………………………………(6)1.2.2功能需求………………………………………………………………(7)1.3本書的目的、內容及章節結構…………………………………………………(9)1.4本章小結………………………………………………………………………(12)參考文獻………………………………………………………………………………(12)第2章交通數據融合的基礎理論與方法………………………………………(13)2.1交通數據的采集與分類………………………………………………………(13)2.1.1交通數據的類型………………………………………………………(13)2.1.2交通數據采集技術的分類……………………………………………(14)2.1.3常用交通檢測數據的特點……………………………………………(15)2.2交通數據融合的基本內容與框架……………………………………………(17)2.2.1數據融合的基本概念…………………………………………………(17)2.2.2交通數據融合的特點…………………………………………………(18)2.2.3交通數據融合的基本內容與框架……………………………………(19)2.3交通數據的預處理方法………………………………………………………(21)2.3.1交通數據的問題分析…………………………………………………(22)2.3.2不規則時間點數據處理………………………………………………(23)2.3.3異常數據處理…………………………………………………………(24)2.3.4缺失數據處理…………………………………………………………(31)2.3.5冗餘數據處理…………………………………………………………(36)·1·基於多源數據融合的城市道路交通控製與管理2.4交通數據融合的方法…………………………………………………………(39)2.4.1概率統計融合方法……………………………………………………(39)2.4.2邏輯推理融合方法……………………………………………………(43)2.4.3人工智能融合方法……………………………………………………(47)2.4.4交通數據融合方法比較………………………………………………(55)2.5本章小結………………………………………………………………………(57)參考文獻………………………………………………………………………………(57)第3章城市道路交通狀態估計與判別…………………………………………(59)3.1研究背景與目的………………………………………………………………(59)3.2研究綜述………………………………………………………………………(60)3.3基於浮動車數據的行程速度估計方法………………………………………(62)3.3.1浮動車數據預處理……………………………………………………(62)3.3.2地圖匹配………………………………………………………………(63)3.3.3路段車速計算…………………………………………………………(67)3.3.4時段平均車速計算……………………………………………………(68)3.3.5案例分析………………………………………………………………(69)3.4基於定點檢測數據和浮動車數據融合的行程速度估計方法………………(74)3.4.1基於權重的融合方法…………………………………………………(75)3.4.2基於自適應卡爾曼濾波的融合方法…………………………………(78)3.4.3案例分析………………………………………………………………(82)3.5城市道路交通狀態判別………………………………………………………(90)3.5.1基於閾值的交通狀態判別……………………………………………(90)3.5.2基於模糊邏輯的交通狀態判別………………………………………(91)3.6本章小結………………………………………………………………………(93)參考文獻………………………………………………………………………………(93)第4章城市路網動態OD估計和路徑重構……………………………………(96)4.1研究背景與目的………………………………………………………………(96)4.2研究綜述………………………………………………………………………(96)4.2.1OD估計模型研究……………………………………………………(97)4.2.2粒子濾波在軌跡追蹤中的應用………………………………………(98)4.2.3基於AVI采集路徑信息下的車輛OD估計和路徑重構…………(98)4.3全時空車輛路徑重構模型及OD估計方法…………………………………(99)4.3.1基本思想………………………………………………………………(99)·2·目錄4.3.2基於時空一致性的車輛路徑重構模型………………………………(102)4.3.3基於車輛路徑重構模型的OD獲取…………………………………(117)4.4宏微觀混合框架下重構車輛完整出行路徑方法……………………………(119)4.4.1混合框架………………………………………………………………(119)4.4.2粒子濾波組件建模……………………………………………………(121)4.4.3路徑流量估計器組件建模……………………………………………(122)4.4.4路徑重構總算法………………………………………………………(125)4.5案例分析………………………………………………………………………(127)4.5.1研究對象………………………………………………………………(128)4.5.2全時空車輛路徑重構模型及OD估計方法的案例分析……………(128)4.5.3宏微觀混合框架下重構車輛完整出行路徑方法的案例分析………(148)4.6車輛路徑重構係統開發及設計………………………………………………(153)4.6.1車輛路徑重構係統框架設計…………………………………………(153)4.6.2車輛路徑重構組塊功能設計…………………………………………(155)4.7本章小結………………………………………………………………………(159)參考文獻………………………………………………………………………………(160)第5章複合交通走廊的浮動車行駛軌跡判別…………………………………(162)5.1研究背景與目的………………………………………………………………(162)5.2研究綜述………………………………………………………………………(163)5.2.1地圖匹配算法…………………………………………………………(163)5.2.2複合走廊車輛軌跡判別方法…………………………………………(164)5.2.3半監督學習方法………………………………………………………(164)5.3基於半監督聚類的高架快速路走廊浮動車行駛軌跡判別方法……………(165)5.3.1準備樣本車輛數據……………………………………………………(166)5.3.2預標記樣本車輛數據…………………………………………………(167)5.3.3優化初始聚類中心……………………………………………………(170)5.3.4求解算法………………………………………………………………(171)5.4案例分析………………………………………………………………………(172)5.4.1數據采集與處理………………………………………………………(172)5.4.2算法評價………………………………………………………………(174)5.4.3結果分析………………………………………………………………(178)5.5本章小結………………………………………………………………………(179)·3·基於多源數據融合的城市道路交通控製與管理參考文獻………………………………………………………………………………(179)第6章城市幹道車輛運行軌跡估計……………………………………………(182)6.1研究背景與目的………………………………………………………………(182)6.2研究綜述………………………………………………………………………(183)6.2.1車輛運行軌跡的重構…………………………………………………(183)6.2.2車輛運行軌跡的應用…………………………………………………(184)6.3基於多源數據融合的幹道車輛運行軌跡估計方法…………………………(185)6.3.1理論基礎………………………………………………………………(185)6.3.2計算方法………………………………………………………………(187)6.3.3案例分析………………………………………………………………(189)6.3.4應用係統開發…………………………………………………………(192)6.3.5基於仿真數據的評價…………………………………………………(194)6.4本章小節………………………………………………………………………(197)參考文獻………………………………………………………………………………(197)第7章城市幹道實時協調信號控製……………………………………………(200)7.1研究背景與目的………………………………………………………………(200)7.2研究綜述………………………………………………………………………(201)7.2.1幹線協調信號控製理論研究…………………………………………(201)7.2.2車隊識別模型…………………………………………………………(203)7.2.3車隊離散模型…………………………………………………………(203)7.3基於數據融合的實時幹線協調信號控製方法………………………………(206)7.3.1基本假設與環境設定…………………………………………………(206)7.3.2控製算法框架與結構…………………………………………………(206)7.3.3戰略層控製的原理……………………………………………………(208)7.3.4戰術層控製的原理……………………………………………………(217)7.4案例分析………………………………………………………………………(221)7.4.1仿真平台與數據交換…………………………………………………(221)7.4.2算法仿真評價…………………………………………………………(222)7.5本章小結………………………………………………………………………(228)參考文獻………………………………………………………………………………(229)第8章城市快速路匝道與速度引導聯合控製…………………………………(232)8.1研究背景與目的………………………………………………………………(232)8.2研究綜述………………………………………………………………………(233)8.2.1匝道控製………………………………………………………………(233)·4·目錄8.2.2速度引導………………………………………………………………(234)8.2.3匝道控製與速度引導聯合控製………………………………………(235)8.3基於交通流模型的匝道控製與速度引導聯合控製…………………………(236)8.3.1方法介紹………………………………………………………………(236)8.3.2案例分析………………………………………………………………(241)8.4基於數據驅動的匝道控製與速度引導聯合控製……………………………(249)8.4.1方法介紹………………………………………………………………(249)8.4.2案例分析………………………………………………………………(252)8.5本章小結………………………………………………………………………(257)參考文獻………………………………………………………………………………(257)第9章交叉口單點感應與兩難區信號控製……………………………………(261)9.1研究背景與目的………………………………………………………………(261)9.2研究綜述………………………………………………………………………(261)9.2.1交叉口感應信號控製…………………………………………………(261)9.2.2交叉口兩難區信號控製………………………………………………(264)9.3基於實時車輛軌跡的交叉口感應信號控製策略……………………………(267)9.3.1方法介紹………………………………………………………………(267)9.3.2案例分析………………………………………………………………(276)9.4基於實時車輛軌跡的交叉口兩難區信號控製策略…………………………(281)9.4.1方法介紹………………………………………………………………(281)9.4.2案例分析………………………………………………………………(285)9.5本章小結………………………………………………………………………(290)參考文獻………………………………………………………………………………(291)後記………………………………………………………………………………………(294)·5·第1章緒論1.1我國道路交通信息化發展曆程、現狀與趨勢1.1.1交通數字化、信息化、智能化的基本內涵近二十年來,伴隨現代傳感技術、計算機技術、通信技術、信息技術的快速發展及我國道路交通領域的數字化、信息化和智能化水平的不斷提高,交通規劃、控製與管理部門的業務模式以及社會大眾的日常出行方式正受到深刻影響。
交通數字化是指利用現代信息技術對獲取的交通數據進行壓縮處理將其轉化為數字信息,並通過計算機技術進行存儲和處理,通過網絡通信技術進行傳輸和接收[1]。
交通信息化是指在交通係統的規劃、建設、養護、運營、管理等方麵廣泛應用各種高新技術,完成從信息采集、信息處理到信息服務的係統過程,實現信息交互與共享,以達到提高交通係統服務水平的目標[2]。
交通智能化是將人工智能、專家係統、知識工程等智能技術應用於交通係統,使其具有一定的預測、推理、判斷和決策能力,提高交通係統的智能化水平[2]。
交通數字化是交通信息化的技術基礎,是智能交通係統(InteligentTransportationSystems,ITS)發展的初級階段;交通信息化是實現交通智能化的前提條件,是ITS發展的中級階段;交通智能化是交通信息化發展的必然趨勢,是ITS發展的高級階段。
交通數字化、信息化和智能化涵蓋眾多的專業領域,例如交通工程、計算機科學與技術、電子信息工程、通信工程、車輛工程等;服務不同類型的用戶主體,例如交通規劃、控製與管理政府部門、科研院所、社會大眾、物流企業、地鐵和公交公司等;通過數據共享與交換平台,承擔決策支持、專業分析、協同辦公和公眾服務等多種功能。交通數字化、信息化、智能化與各用戶主體之間的關聯性如圖11所示[2]。
1.1.2我國道路交通信息化、智能化的發展曆程交通信息化、智能化伴隨ITS概念的提出而產生,並隨之發展。目前,ITS已在世界範圍內受到廣泛關注,各類ITS技術、產品和係統已逐漸在交通控製與管理中發揮重要作用,並成為提升交通安全、緩解交通擁堵和改善交通環境的有效手段。
美國、日本和歐洲一些發達國家早在20世紀60年代就提出了ITS概念;在20世紀70年代至80年代,先後建立了國家ITS框架體係和標準體係,明確了主要應用係統的組成,同時開展了大量的基礎理論研究工作;在20世紀80年代至90年代,邁入了ITS技術和產品的開發和實用化階段;21世紀以來,在強調大規模ITS的集成運用的同時,不斷製定和完善ITS相關的國際、國內標準,並探索自動駕駛、車聯網、大數據和雲計算等新興技術在ITS中的應用。目前,積極發展ITS已成為美國、歐盟和日本等眾多發達國家的國家戰略。
·1·基於多源數據融合的城市道路交通控製與管理圖11交通數字化、信息化、智能化與各用戶主體之間的關聯性例如,美國交通運輸部發布的《2045交通展望:趨勢與選擇》(BeyondTraffic2045TrendsandChoices)中強調了ITS在解決未來國家、社會和經濟發展問題中的重要作用,在ITS2015—2019戰略規劃中重點開展主動交通管理(ActiveTransportationManagement)、車聯網和自動駕駛等幾個方麵的技術研發和應用;歐盟的《地平線計劃》(Horizon2020)中明確未來重點進行“積極與健康的老齡化社會、原材料及有效利用、未來食品與安全、先進製造業和城市智能交通”等5個新領域的研發和技術創新,同時在其ITS2020戰略計劃中提出要建設智慧、綠色、綜合的交通運輸係統;日本的《2030社會挑戰》(SocitalChallengestoward2030)中則強調了ITS在節能減排、防災救災和服務老齡化社會等幾個方麵的技術研發和應用。