智能交通系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)路徑誘導(dǎo)關(guān)鍵技術(shù)研究

李 鵬

(黑龍江省哈雙高速公路管理處)

近年來,交通擁擠、道路阻塞和交通事故的頻繁發(fā)生正越來越嚴(yán)重的困擾著世界各國的大城市。為了提高運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)使用效率,解決交通擁擠和交通安全問題,美國等發(fā)達(dá)國家均加大了對(duì)智能交通系統(tǒng)ITS(IntelligentTransportation Systems)的研究。動(dòng)態(tài)路徑誘導(dǎo)系統(tǒng)DRGS(DynamicRoute GuidanceSystem)是智能交通系統(tǒng)研究的核心組成部分之一。它通過誘導(dǎo)駕駛員的出行行為來改善路面交通系統(tǒng),防止交通阻塞的發(fā)生,合理分配整個(gè)交通網(wǎng)絡(luò)上的交通流,從而減少整個(gè)系統(tǒng)總的交通時(shí)耗。

1 動(dòng)態(tài)路徑誘導(dǎo)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

日本早在 1973年就開始了動(dòng)態(tài)路徑誘導(dǎo)系統(tǒng)的研究,并于 1990年建立了世界上第一個(gè)進(jìn)行交通信息服務(wù)的通信系統(tǒng) VICS。2003年,名古屋的產(chǎn)學(xué)協(xié)作團(tuán)體實(shí)施了“基于Probe數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)路徑引導(dǎo)系統(tǒng)的研究開發(fā)”項(xiàng)目,開發(fā)了PRONAVI車載導(dǎo)航系統(tǒng),并于2005年名古屋世博會(huì)期間進(jìn)行了 1000人規(guī)模的實(shí)驗(yàn),以檢驗(yàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和信息的有效性。在歐洲,德國和英國分別在 20世紀(jì) 80年代末期開發(fā)出了用于示范的LISB系統(tǒng)和Autoguide系統(tǒng),而后英國開發(fā)了世界上第一個(gè)商用車載路徑誘導(dǎo)系統(tǒng)TrafficMaster。目前PROMETHEUS計(jì)劃中的DMRG(DualModeRouteGuidance)將靜態(tài)的自主導(dǎo)航和基于RDS-TMC(RadioDataSystem-TrafficMessageChannel)交通廣播的路徑誘導(dǎo)聯(lián)合構(gòu)成的動(dòng)態(tài)路徑誘導(dǎo)系統(tǒng),不但可以顯示、提示交通信息,也可以實(shí)現(xiàn)分布式的動(dòng)態(tài)路徑誘導(dǎo)。美國在 20世紀(jì) 90年代后期先后開始了一系列以動(dòng)態(tài)路徑誘導(dǎo)系統(tǒng)為主要內(nèi)容的現(xiàn)場運(yùn)營實(shí)驗(yàn)。其中在1993年開始的TravInfo項(xiàng)目中通過使用一系列設(shè)備,如傳呼機(jī)、出行者咨詢電話系統(tǒng)、車載導(dǎo)航系統(tǒng)和Internet主頁向出行者提供及時(shí)而準(zhǔn)確的多方式信息和動(dòng)態(tài)路徑建議。目前美國各地廣泛布置了區(qū)域性的多方式出行者信息系統(tǒng)(MultimodalTravelerInformationSystems),可以提供實(shí)時(shí)的交通信息,而且Internet上的交通信息資源在美國已十分豐富。

在我國,動(dòng)態(tài)路徑誘導(dǎo)已經(jīng)智能交通系統(tǒng)研究中的一個(gè)熱點(diǎn),一些科研院所和院校在該領(lǐng)域開始了相關(guān)的研究工作,并取得了一定的進(jìn)展。同濟(jì)大學(xué)于 1995年 6月研制了多段接力式動(dòng)態(tài)標(biāo)志路線誘導(dǎo)系統(tǒng)。此外,哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、吉林大學(xué)等院校也相繼開發(fā)了一些路徑誘導(dǎo)系統(tǒng)。城市交通流誘導(dǎo)系統(tǒng)UTFGS(UrbanTrafficFlowGuidanceSystem)是我國的第一個(gè)動(dòng)態(tài)路徑誘導(dǎo)系統(tǒng)研究項(xiàng)目,它根據(jù)我國混合交通的實(shí)際特點(diǎn),以城市交通面控系統(tǒng)資源為依托,是一種基于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)交通信息的出行者信息和分布式動(dòng)態(tài)路徑誘導(dǎo)系統(tǒng)。由于我國最近幾年才開展動(dòng)態(tài)誘導(dǎo)系統(tǒng)的理論研究工作,因此與發(fā)達(dá)國家相比差距較大。

2 動(dòng)態(tài)路徑誘導(dǎo)系統(tǒng)構(gòu)成與分類

動(dòng)態(tài)路徑誘導(dǎo)系統(tǒng)通常由以下三個(gè)部分構(gòu)成:(1)交通信息(控制)中心,信息中心是動(dòng)態(tài)路徑誘導(dǎo)系統(tǒng)的主控中心,主要功能是從各種信息源獲得實(shí)時(shí)的交通信息,進(jìn)一步處理產(chǎn)生要發(fā)布的交通數(shù)據(jù);(2)通信系統(tǒng),負(fù)責(zé)完成車輛和交通信息中心的數(shù)據(jù)交換;(3)車載誘導(dǎo)單元,負(fù)責(zé)接收、貯存和處理交通信息,提供良好的人機(jī)界面,并方便使用者輸入信息和獲得誘導(dǎo)指令。

按照路徑引導(dǎo)計(jì)算在車載單元還是在交通控制中心,動(dòng)態(tài)路徑誘導(dǎo)系統(tǒng)可以分為兩類:(1)中心決定式的動(dòng)態(tài)路徑誘導(dǎo)系統(tǒng)CDRGS(CentrallyDeterminedRouteGuidanceSystem),這類系統(tǒng)由控制中心的主機(jī)基于實(shí)時(shí)交通信息進(jìn)行路徑規(guī)劃,為每一個(gè)可能的OD對(duì)計(jì)算最優(yōu)或準(zhǔn)最優(yōu)路線,然后通過通信網(wǎng)絡(luò)提供給用戶;(2)分布式的動(dòng)態(tài)路徑誘導(dǎo)系統(tǒng)DDRGS(DistributedDynamicRouteGuidanceSystem),又可以稱為車載單元決定式的動(dòng)態(tài)路徑誘導(dǎo)系統(tǒng)LDRGS(LocallyDeterminedRouteGuidanceSystem),這種系統(tǒng)基于從通信網(wǎng)絡(luò)接收到的實(shí)時(shí)交通信息,在車載單元進(jìn)行路徑誘導(dǎo)。

3 動(dòng)態(tài)路徑誘導(dǎo)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)

無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)是動(dòng)態(tài)路徑導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵,通信系統(tǒng)承擔(dān)兩部分工作,即一方面可以實(shí)現(xiàn)車輛坐標(biāo)信息及出行需求的實(shí)時(shí)上傳,以滿足車輛監(jiān)控和信息采集的功能;另一方面負(fù)責(zé)最新交通數(shù)據(jù)和路權(quán)信息的下發(fā)。目前常用的通信方式有如下幾類:(1)紅外信標(biāo);(2)調(diào)頻FM副載波,包括低速的RDS-TMC和高速的HS2DS、DARC等方式;(3) GSM/CDPD/Mobitex蜂窩式數(shù)據(jù)通信或UHF/VHF的RF射頻雙向數(shù)據(jù)通信;(4)紅外信標(biāo)和FM副載波或蜂窩數(shù)據(jù)通信的雙模式DRGS;(5)基于GSM/CDPD等無線Internet服務(wù)。

3.2 實(shí)時(shí)交通信息采集及處理技術(shù)

實(shí)時(shí)交通信息的采集主要依靠道路上的交通流檢測設(shè)備,如環(huán)形感應(yīng)線圈、雷達(dá)、視頻、牌照識(shí)別、紅外傳感器和浮動(dòng)車輛(FC)等。這些方法由于人為的因素或系統(tǒng)故障等因素,數(shù)據(jù)具有較大的誤差。隨著全球定位技術(shù)(GPS)技術(shù)的應(yīng)用及普及,基于車載GPS技術(shù)的檢測技術(shù)已逐漸成為實(shí)時(shí)交通數(shù)據(jù)采集的研究和發(fā)展方向。利用安裝在行駛車輛上的GPS定位模塊采集實(shí)時(shí)的路網(wǎng)交通信息,避免了傳統(tǒng)交通檢測方式的高投入、數(shù)據(jù)精度和實(shí)時(shí)性差等缺點(diǎn),既可以顯著地降低成本,又可以有效地利用現(xiàn)有的運(yùn)行車輛,獲取較高精度的道路交通信息。

3.3 短時(shí)交通流預(yù)測技術(shù)

由于道路交通信息是時(shí)刻無規(guī)律變化的,根據(jù)當(dāng)時(shí)的交通信息選定的路線,也許在下一時(shí)刻已經(jīng)變得擁擠不堪。只有實(shí)時(shí)的交通信息并不能完全滿足出行者的信息需求,還需要根據(jù)歷史數(shù)據(jù)并結(jié)合實(shí)時(shí)交通信息預(yù)測將來某段時(shí)間內(nèi)的道路交通狀況?；趯?shí)時(shí)交通信息的短時(shí)交通流預(yù)測已經(jīng)成為動(dòng)態(tài)路徑誘導(dǎo)系統(tǒng)中的重要技術(shù)之一,已經(jīng)受到國內(nèi)外學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。迄今為止,應(yīng)用于短時(shí)交通流預(yù)測的模型,包括多元回歸、ARIMA(AutoRepressionIntegratedMovingAverage)模型、卡爾曼濾波模型(KalmanFilteringModel)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型(NeuralNetworkModel),以及與其他各種模型相結(jié)合的預(yù)測模型等。然而,這些理論和方法均尚處于探索階段,需要進(jìn)一步發(fā)展完善。

3.4 動(dòng)態(tài)路徑誘導(dǎo)算法

動(dòng)態(tài)路徑誘導(dǎo)算法是動(dòng)態(tài)路徑誘導(dǎo)系統(tǒng)中關(guān)鍵的部分,能夠在已知城市路網(wǎng)信息及實(shí)時(shí)道路交通狀況信息的情況下,快速計(jì)算出到目的地的最佳路徑,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的實(shí)時(shí)誘導(dǎo)。在特定交通網(wǎng)絡(luò)中,最優(yōu)路徑就其本質(zhì)而言,就是滿足一定條件的最短路徑。最短路徑問題的算法有很多種,從早期的基于限制條件的深度優(yōu)先搜索算法、基于有向無環(huán)圖的動(dòng)態(tài)規(guī)劃法、基于鄰接矩陣的Dijkstra算法,到最大相關(guān)邊法、最大相關(guān)點(diǎn)法、基于鄰接表的Dijkstra算法等。針對(duì)不同的網(wǎng)絡(luò)特征、應(yīng)用需求及具體的軟硬件環(huán)境,各種算法在空間復(fù)雜度、時(shí)間復(fù)雜度、易實(shí)現(xiàn)性等方面各具特色,應(yīng)結(jié)合實(shí)際使用條件,選擇合適的算法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的需求。

4 結(jié)束語

采用計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)和通信技術(shù)改變現(xiàn)有日益擁堵的道路交通問題已成為國際道路交通科學(xué)的發(fā)展方向,動(dòng)態(tài)路徑誘導(dǎo)系統(tǒng)作為智能交通系統(tǒng)的核心組成部分,越來越受到人們的廣泛關(guān)注,必將對(duì)交通系統(tǒng)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

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