基于多源異質(zhì)數(shù)據(jù)的高速公路交通狀態(tài)估計方法研究.pdf

1、在高速公路路網(wǎng)體系漸趨完善而機(jī)動車交通需求日益增長的背景下，智能交通系統(tǒng)成為緩解高速公路交通擁堵與安全問題的有效方法。實時、精確的道路交通狀態(tài)信息是智能交通系統(tǒng)高效運轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)。目前，信息獲取途徑越來越多樣化，如感應(yīng)線圈、微波檢測器、衛(wèi)星定位技術(shù)、視頻檢測技術(shù)、手機(jī)無線通信定位技術(shù)等均可實現(xiàn)交通流信息的采集。然而，豐富多源的信息也誘發(fā)系列問題，例如，如何應(yīng)對多源數(shù)據(jù)在語義、解析度和精度等方面的異質(zhì)性，并呈現(xiàn)一致的路段交通狀態(tài)參數(shù)（流量、密

2、度或速度）的估計？這些在本質(zhì)上涉及多傳感器數(shù)據(jù)融合理論的問題已被交通學(xué)術(shù)界和工程應(yīng)用領(lǐng)域廣泛關(guān)注，并取得了一些理論和實踐成果。然而，成熟的融合方法仍處于不斷探索和更新階段，同時交通流檢測技術(shù)的更新?lián)Q代也對既有方法提出了新的挑戰(zhàn)?？紤]到手機(jī)通信數(shù)據(jù)的檢測技術(shù)在獲取高速公路大規(guī)模路網(wǎng)實時交通流信息方面的發(fā)展?jié)摿?，傳統(tǒng)固定檢測技術(shù)又具有較高的成熟度和較廣的應(yīng)用度，且兩者的融合尚未被深入探究，因此，論文將這兩類技術(shù)作為多源異質(zhì)數(shù)據(jù)的來源。

3、>　　論文依托國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）項目和交通運輸部科技示范工程“江蘇省高速公路網(wǎng)運營與服務(wù)智能化平臺”。在理論層面，論文的研究工作有助于挖掘手機(jī)類檢測技術(shù)應(yīng)用于高速公路交通狀態(tài)估計的方法，拓展多源交通信息融合和狀態(tài)估計理論;在工程應(yīng)用層面，論文的研究有助于提升我國高速公路交通運營信息化水平，為高速公路的管理控制和公眾信息服務(wù)提供依據(jù)，對工程實踐具有顯著價值。論文以我國高速公路實際收集的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，從多源異質(zhì)數(shù)據(jù)特性、融

4、合估計技術(shù)、組合布設(shè)方法三個方面，分別就基于手機(jī)切換的交通信息提取技術(shù)（簡稱“切換技術(shù)”）與傳統(tǒng)固定式檢測器的組合、以及基于手機(jī)活動數(shù)據(jù)的交通信息提取技術(shù)（簡稱“手機(jī)活動數(shù)據(jù)技術(shù)”）與傳統(tǒng)固定式檢測器的兩種多源組合，探索和研究了多源異質(zhì)數(shù)據(jù)融合和狀態(tài)估計的關(guān)鍵問題。論文的主要研究內(nèi)容和成果可概括為以下幾部分:
　　首先，論文歸納和分析了可應(yīng)用于高速公路交通流信息采集的不同類型檢測技術(shù)及其應(yīng)用現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢。論文據(jù)此明確了以切換

5、技術(shù)、手機(jī)活動數(shù)據(jù)技術(shù)和固定式檢測器為研究對象，按照技術(shù)原理分析、真實數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)特性分析三個步驟對不同檢測技術(shù)及其測量值進(jìn)行分析。具體探究了切換技術(shù)中切換路段長度和交通量的敏感性以及有效手機(jī)切換樣本量分布等特征;針對手機(jī)活動數(shù)據(jù)技術(shù)采集的特征值提出了基于動態(tài)時間規(guī)整的數(shù)據(jù)分析方法，分析出特征值在空間和時間上的差異性;利用宏觀交通流理論中的基本圖對固定式檢測器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，了解了這類數(shù)據(jù)在不同交通狀態(tài)下呈現(xiàn)不同的精度;這些分析

6、為后續(xù)的研究奠定了基礎(chǔ)。
　　其次，依據(jù)切換技術(shù)和固定式檢測器的數(shù)據(jù)特點，論文提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的融合與估計方法，核心包括“數(shù)據(jù)一致化模塊”、“基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的估計模塊”和“基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的融合模塊”三個模塊;測試和分析了切換技術(shù)中切換路段長度、手機(jī)樣本量和固定式檢測器中的斷面流量對路段車速融合和估計精度的敏感性，進(jìn)而確立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);搭建了應(yīng)用這兩類檢測技術(shù)的高速公路路段仿真環(huán)境，并應(yīng)用仿真數(shù)據(jù)對所提方法進(jìn)行測試、評估和分析;同

7、時，與其它常用的凸組合融合技術(shù)等做了精度對比;結(jié)果證實了所提方法有效地整合了切換技術(shù)和固定式檢測器，并且利用多源數(shù)據(jù)的互補(bǔ)性提高了狀態(tài)估計精度和時空覆蓋率等。
　　第三，鑒于手機(jī)活動數(shù)據(jù)技術(shù)采集的特征值尚未被應(yīng)用于交通狀態(tài)參數(shù)的估計，論文先應(yīng)用基于動態(tài)時間規(guī)整的數(shù)據(jù)分析方法篩選測量值代表性較好的路段，建立了這些路段上采集的特征值與交通狀態(tài)量（速度、流量或密度）之間的測量方程;結(jié)合高速公路宏觀交通流模型，建立相應(yīng)的狀態(tài)-空間方程，并

8、利用擴(kuò)展卡爾曼濾波估計器實現(xiàn)交通狀態(tài)參數(shù)的估計。利用真實數(shù)據(jù)的測試結(jié)果反映出應(yīng)用特征值進(jìn)行交通狀態(tài)估計的可行性和可靠性。以此為據(jù)，論文為適應(yīng)特征值與固定式檢測器數(shù)據(jù)的多源數(shù)據(jù)特性，優(yōu)化測量方程，提出一種遞進(jìn)式擴(kuò)展卡爾曼濾波估計方法;同樣利用真實采集的手機(jī)活動數(shù)據(jù)和固定式檢測器數(shù)據(jù)對所提的方法進(jìn)行測試、驗證和評估;結(jié)果表明所提方法有效實現(xiàn)了高速公路上交通狀態(tài)的重現(xiàn)，并且可呈現(xiàn)交通事故對于路段交通狀態(tài)的影響。
　　最后，在充分了解不同

9、類型檢測技術(shù)優(yōu)勢互補(bǔ)點以及高速公路交通狀態(tài)數(shù)據(jù)融合和估計方法對數(shù)據(jù)采集的需求基礎(chǔ)上，論文在切換技術(shù)與固定式檢測器的組合中，以切換路段長度和固定式檢測器的間距為變量、測量精度為應(yīng)變量，整理出兩類檢測技術(shù)所有的組合方案，建立多方案仿真模型，應(yīng)用了根均方差等多個精度評價指標(biāo)，以確定精度較優(yōu)、數(shù)量合理的布設(shè)方案。在手機(jī)活動數(shù)據(jù)技術(shù)與固定式檢測器的組合中，從交通狀態(tài)檢測顆粒度需求、重點路段監(jiān)控需求、手機(jī)活動數(shù)據(jù)技術(shù)目前存在的檢測盲區(qū)、所提融合方法