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基于GIS 和GPS 的交通状态参数估计仿真分析

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第34卷第1期2006年1月
同济大学学报(自然科学版
JOURNALOFTONGJIUNIVERSITY(NATURALSCIENCE
Vol.34No.1Jan.2006

基于GIS和GPS的交通状态参数估计仿真分析


童小华1,3,陈建阳2,吴淑琴1
(1.同济大学测量与国土信息工程系,上海200092;2.同济大学交通工程系,上海200092;
3.同济大学现代工程测量国家测绘局重点实验室,上海200092


摘要:在行程时间参数估计的模型和方法研究的基础上,探讨了地理信息系统(GIS环境下仿真出租车全球定位系统(GPS信息的系统实现和关键技术.提出了系统评价的指标,包括信息的准确性、信息的及时性、信息的广泛性
和信息成本等,对路网连通性拓扑结构的构建、GPS坐标与城市平面直角坐标的转换模型以及仿真过程中的关键
问题给出了解决方法.应用开发的GPS交通仿真系统进行了模拟试验的计算结果表明,提出的模型和方法是可行


的和有效的.
关键词:交通仿真;拓扑连通性;坐标转换;全球定位系统;地理信息系统

中图分类号:U491.113文献标识码:A文章编号:0253-374X(200601-0047-06


TravelTimeEstimationSimulationAnalysisBased
onTaxi2basedGPSandGIS

TONGXiaohua1,3,CHENJianyang2,WUShuqin1

(1.DepartmentofSurveyingandGeo2informatics,TongjiUniversity,Shanghai200092,China;
2.DepartmentofTrafficEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China;3.KeyLaboratoryofAdvancedEngineeringSurveyoftheStateBureauofSurveyingandMapping,TongjiUniversity,Shanghai200092,China


Abstract:Basedontheproposedtraveltimeestimationmodelandmethodbyusingtaxi-basedglobalpositioningsystem(GPS,thekeyissuesofthetrafficsimulationsystemonthebasisofgeographicin2formationsystem(GISarestudied.Theindicatorsarefirstpresentedtoappraisethesimulationsys2tem,includinginformationaccuracy,informationbetimes,informationuniversalityandinformationcost.Theestablishmentofroadnetworkconnectivitytopologyisthendiscussed;thetransformationmodelbetweenGPScoordinatesandcityplanerectangularcorrdinatesisfurtherderived,andtheim2plementationofthesimulationmodelisthereforeillustrated.Throughthesimulationexperimentsbasedonthesystem,themodelandmethodaretested,whichprovestheyarefeasibleandeffective.Keywords:trafficsimulation;connectivitytopology;coordinatetransformation;globalpositioning
system;geographicinformationsystem
文献1探讨了在GIS环境下仿真出租车GPS

文是仿真实现与分析部分,将首先探讨信息仿真的系统要求和评价指标,提出了从信息的准确性、信息
信息来估计和推算行程时间参数的模型和方法,本

收稿日期:2004-07-20
基金项目:国家自然科学基金资助项目(40301043;上海市青年科技启明星计划资助项目(05QMX1456;测绘遥感信息工程国家重点实
验室开放研究基金资助项目(WKL(030301
作者简介:童小华(1971-,男,江西东乡人,教授,博士生导师,工学博士.E2mail:tongxhtj@yeah.net









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同济大学学报(自然科学版
第34卷

的及时性、信息的广泛性和信息成本进行评价,以保证仿真系统估计结果的有效性.其次探讨了在GIS环境下的仿真过程的实现与关键技术,包括路网电子地图数据库的设计、基于路网拓扑结构的连通性的构建方法、GPS坐标与城市平面直角坐标的转换模型以及GIS环境下出租车GPS信息的仿真过程中需要处理的问题和相应的解决方法.在此基础上,介绍了基于GIS开发的一个车辆GPS交通仿真系统,包括系统的总体结构和各个模块的功能.最后应用开发的GPS交通仿真系统,以上海市某区的部分真实路网电子地图数据为例进行了模拟试验,通过模拟仿真之后采用Householrer变换解算出车辆在每条路段上行驶所用时间,同时将解算结果数据与最初确定的每条路段上行驶的时间相比较,计算结果表明,各个路段行驶时间的估计值与真实值大部分是比较接近的,相对误差小于10%的结果占了绝大部分,由此验证模型和方法的有效性.

表1道路使用者对行程时间不同精度的接受水平
Tab.1Acceptanceleveloftraveltimeestimation
accuracyforroadusers
相对误差(20～30min/%

≤55～1515～25>25
接受程度[评价]非常满意基本满意部分参考基本无用

信息的广泛性是使用移动区段信息推算路段交通信息的前提,包括了三个方面的要求,样本量的要求、通信间隔的要求、估算路段数的要求,以及样本量和采样周期所需满足的遍历条件的要求.其中估算路段数要求估算路段占所有路段的比例大小应为
85%～90%.为了达到这一要求.必须满足如下两个

条件,即车辆的样本量为5000～6000辆,通信间隔应保证2～5min.同时在采用周期内,样本车辆能遍历路网的主要路段,在考虑车辆的随机分布的影响时,样本量和采样周期所需满足的遍历条件为
Qvt≥αL
(1

1GIS环境下出租车GPS信息仿真
式中:Q为样本车辆总数;v为路网的平均速度;t为采样间隔时间;α为满足一定精度要求的遍历次数;L为路段总长度.
为了保证推算结果的有效性,同时尽可能地降低成本和数据量,需要考虑数据通信费用问题.通信费用的计算可采用统计通信次数和通信量两种方
式.采用通信次数计算,其单位时间的通信次数


的系统要求和评价指标


在利用出租车GPS信息推算路网交通信息的整个过程中,由于受到诸多因素的影响,在各个过程中产生各种误差.为了保证系统估计结果的有效性,应从信息的准确性、信息的及时性、信息的广泛性和信息成本来进行评价.这也是仿真系统必须考虑的问题.
交通信息的准确性通过精度这个指标度量.影响行程时间估算精度主要有以下四个因素引起的误差:定量及坐标变换误差、路径确认误差、取整误差,即将移动区段取整形成非特定区段造成的误差、推算误差、由部分非特定区段行程时间推算所有路段行程时间的误差、包括样本误差、时变特征误差、不定方程的求解误差和未覆盖路段的预测误差等,样本误差是由样本特征差异引起的误差,包括车辆性能差异、通过交叉口延误的随机性误差以及相互影响随机干扰(表1给出了道路使用者对行程时间不同精度的接受水平.
信息的及时性是指系统提供交通信息的时延特性,即道路交通网中实际交通状态或事件的出现时

(CT1公式为


CT=60Q/t1

(2
间与道路使用者感知到的时间之间的间隔.交通信息的总时延包括检测时延、采样时延、通信时延、处理时延和发布时延.








公采用通信量计算,其单位时间的通信量(CT式2
为
CT2=60Qmc/t

(3
式中:mc为样本车辆通信一次的字节数.


2CIS环境下出租车GPS信息仿真
系统的关键技术

2.1基于路网拓扑结构的连通性的构建
在车辆交通仿真系统中,基于GIS的路网电子地图数据库及其拓扑关系的构建是系统应用的基础.路网电子地图中的数据可分为空间数据和非空间数据两大类,空间数据又叫几何数据.在GIS中为了真实地反映地理实体,记录的数据不仅要包含实体的位置、形状、大小和属性,还必须反映实体之间的相互关系,即拓扑关系,它具有在图形连续状态下变形但其性质不变的特性.另外通过拓扑关系,将




第1期童小华,等:基于GIS和GPS的交通状态参数估计仿真分析

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道路的全局搜索变为局部搜索,可以大幅度地提高数据的搜索速度,为数据的实时处理提供了良好的数据结构.在车辆仿真过程中,由于只考虑地图中的道路网信息,因此只建立了道路网中的结点与弧段的关联关系.
GIS中空间实体通常抽象地定义为以下几种特
表2路网点表

Tab.2Pointtableoftheroadnetwork
点坐标表
ID1234567
X/m
Y/m




217179113133133746247

204239167316371125253279
征的实体2:结点(Node:有三条或多于三条通路经过的点;顶点(Vertex:仅有一条或两条通路经过的点;线段(Line:连接两个点(结点或顶点之间的通路;线串(Chain:连接在两个相邻结点之间的通路.图1为道路拓扑示意图.



8
表3路网线表
Tab.3Routetableoftheroadnetwork
线表
ID


图1道路拓扑示意图

Fig.1Illustrationofroadnetworktopology

如图1所示,1,2,3,⋯表示道路网中每条道路
(起点和终点的编号;①,②⋯表示道路的编号(ID.对该图建立路段拓扑关系步骤如下.2.1.1建立点表、线表读出图形数据库中的道路
12N1①
23N2②
24N1③
45N1④
息⑤,如当车辆经道路②行至交叉口3时,根据结点表36N2
47N⑤⑥,即可判定车辆可能驶向道路信息或⑦.137Y3⑦
起点点号终点点号单行限制等级

信息.从第一条道路
开始,对道路的两个端点从1开始顺序编号,同时对单行道设置一标志位,依次读取剩余的道路,通过点位坐标比较判断该道路的端点是否已经编号,若已编号,则取原来的编号.否则对其顺序编号.所有道路读取完毕即生成点表和线表.表2是路网点表,表结构包括路段上各点的ID号,点的空间位置(X和
Y坐标,这里为城市平面直角坐标.表3是路网线
表的结构,主要包括路段的ID号,路段的起点点号、终点点号、单行限制和路段等级等.
2.1.2建立结点表
对于点表中的每个点,在线表中搜索起点或终点与之相同的道路,即可得到结点表,注意单行限制为“Y”的只搜索起点,如结点7相连的道路应不包括路段⑦.道路结点表结构如表4所示,包括结点的
ID和与之相连的路段ID.
车辆行驶所经过的路段具有连续性,当前时刻车辆要么继续在前一时刻所处路段上行驶,要么在其后继路段上行驶.结点表记录了道路的连通性信









⑧

78N3

表4道路结点表

Tab.4Nodetableoftheroadnetwork
ID1234567

8
与之相连的道路ID
①①②③②⑤⑦③④⑥④⑤⑥⑧⑧


2.2GPS坐标与城市平面直角坐标的转换
出租车GPS为导航性GPS接收机,一般输出符号NMEA-0183导航协议格式的GPS数据,其中以＄GPRMC开头的是所需要的GPS定位信息,须对其进行解析,以获取车辆位置的大地经纬度.由于在仿真实验中所采用的路网电子地图坐标系统为城市地方独立坐标系(高斯平面直角坐标系,而GPS测量得到的是WGS-84地心坐标系下的空间坐标,因此需要将GPS定位结果转换到平面坐标.WGS-84坐标转换成地方坐标,根据精度要求的不同,有不同的转换方法.在高精度
GPS测量中采用7参数空间转换模型,由于路网电
子地图范围相对较小,平面转换模型具有方便快捷等特性而被广泛用



50

同济大学学报(自然科学版

第34卷
于GPS导航等领域.坐标转换主要过程如下:
(1由WGS-84的椭球参数及椭球长半径和
中,系统根据路段的等级预先设定该路段的行驶速度(最大速度,同时为了模拟真实情况,在不同的时间段车辆经过该路段的速度也不同,系统通过加入服从正态分布的速度误差来确定某个时间段内车辆经过某个路段的仿真速度.在系统实现时,车辆行驶

扁率,由式(4将经纬度坐标(B84L84h81T换算至空间直角坐标(XYZT:
X=(N+hcosB84cosL84Y=(N+hcosB84sinL84Z=N(1-e+h]sinB84
2
(4
位置的变化通过设置时钟(timer来实现,即每隔一个时钟时间(10ms,20ms等来反映一次车辆的移动情况.而在车辆移动过程中,存在两种情况,一种是车辆位于某个路段的终点,这就涉及到在下个时间段选择哪个路段来继续行驶,仿真系统通过设置相应的行驶规则(如不能在某条路段上来回循环和随机函数选取下一个路段继续前进.另一种情况是车辆位于某个路段中间,则需要考虑在下一个时间段内车辆是否能够走完剩余的路段长度,若能够走完,则又类似于第一种情况,需要确定下一条路段,并计算在新的路段上行驶的距离.如图2是车辆行驶轨迹模拟流程图.
其中:N=a/1-esinB;a=6378137;e=
0.0066943799013.
(2由北京54椭球或国家80椭球的椭球参数
222
及式(4将(XYZT换算至大地坐标形式(B80L80h80或(B54L54h54(这里假定椭球中心和定向与WGS-84相同:
L=arctan(Y/X



TT
B=arctan[(Z+NesinB/H=
X+YsecB-N
2
2
2
X+Y](5
22
(3根据实际应用的需要,确定中央子午线、投影面高程及北向东向平移量,由高斯投影正算公式3,若采用北京54椭球,则可将(B54L54T转
T
换投影为高斯坐标(x′gy′g.
更严格地,由于投影变形的非线性问题,将平面坐标转为城市坐标时,还应考虑平移、旋转和缩放问题.假设在GPS定位点中,同时部分点的城市坐标
(xg,ygT已知,则这些点的投影平面坐标(x′g
y′g与已知坐标存在如下关系:

T
xgyg
=
x0y0

+(1+rR(ψ

x′gy′g

(6
其中:(x0y0T为坐标平移量;r为缩放尺度;ψ为旋转角;且旋转矩阵

R(ψ=
cosψsinψ
-sinψcosψ
为了确定式(6中的平移、尺度和旋转参数,至少需要已知两个平面点,如多于两个点,可利用最小二乘法解方程就可得到相应的转换参数,这样将
GPS定位点按式(4～(6即可求得城市平面坐标.2.3GIS环境下出租车GPS信息的仿真过程
前述的GPS坐标转换和路段匹配算法,投影到平面路网的某个路段上作为初始位置.在车辆行驶仿真

仿真过程包括以下五个步骤,即车辆随机位置的产生、车辆行驶仿真、路段确认、路段取整和行程时间参数估计.在车辆随机位置产生中,仿真系统首先采用Random(随机函数设置车辆的位置,通过









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同济大学学报(自然科学版第34卷

图2车辆行驶轨迹模拟流程图

Fig.2Flowchartofthevehicletracksimulation
3基于GIS的车辆GPS交通仿真分
析系统

根据上述探讨的模型和方法,笔者基于GIS控



第1期
4
童小华,等:基于GIS和GPS的交通状态参数估计仿真分析

51
件MapX开发了一个车辆GPS交通仿真系统.系统分为如下四个主模块(路网图形数据采集模块、路网数据库建立模块、车辆交通仿真模块以及参数解算模块,每个模块下又分若干个子模块.系统模块图如图3所示.
在该仿真系统中,包含了GIS的基本功能,如
地图放大、地图缩小、图形漫游、图层控制、地图设
置、距离测量、路网编辑等.在路网数据采集模块,提供了点数据(结点和弧段数据(路段的采集、处理和拓扑化等功能,并建立相应的结点数据库、路段数据库以及路段转向数据库.在完成了仿真模块的四个步骤后,系统提供了矩阵解算模块,以求得路段的行程时间,并在GIS环境下进行可视化表达.




图3基于GIS的车辆交通仿真系统模块图
Fig.3ArchitectureofthevehiclesimulationbasedonGIS

的路段行程时间等级,可直接地反映路段的拥挤程
4仿真试验与结果分析


度.
通过笔者提出的模型和方法可以对交通流进行有效仿真模拟,推算路段的行程时间.系统中将各路段行程时间的估计值进行分级显示,不同颜色表示不同
应用开发的GPS交通仿真系统,进行了模拟试验.试验中以上海市某区的部分真实路网电子地图数据为例,模拟了每隔5min出租车的GPS位置变化、行驶的路段以及行程时间.试验中由255条路段组成的路网,使用500辆车,时间间隔为5min,通过模拟仿真之后采用Householder变换5解算出车辆在每条路段上行驶所用时间.表5列出了部分路段行程时间参数的解算结果(估计值.
将通过系统模拟仿真求得的各个路段行驶时间的估计值与真实值进行比较,这里真实值是指根据该路段的长度除以路段的等级所确定的该路段的车速得到.分析了所有试验区共255条路段的数据,表
5中也列出了其中部分路段行程时间仿真误差分析
结果,表6中统计了所有255条路段行程时间相对误差的范围.
从表5和表6的结果可以看到,各个路段行驶时间的估计值与真实值大部分是比较接近的,相对误差小于10%的结果占了绝大部分,由此也说明了






第1期
表5路段行程时间仿真误差分析:基于GIS和GPS的交通状态参数估计仿真分析童小华,等51
Tab.5Estimationoftraveltimeanderroranalysis
inroadsegments


237
4.780
4.961
0.181
3.79


路段号
真实ID
值/min
11.79221.62431.09041.78951.00261.28970.57980.68193.458101.382111.009121.137131.342151.801171.090190.589211.099232.078251.299270.589292.998950.3221116.835149
2.124
估计绝对误值/min
差/min
1.7730.0191.6340.0101.8490.7591.8560.0671.3520.3501.8200.5490.6060.0270.7970.1163.5720.1141.6500.2721.0720.0631.1740.0371.6850.3431.8040.0031.1710.0810.7300.1411.1500.0512.4080.3301.3490.0500.6590.0703.0740.0760.4410.1197.1300.2952.178
0.054
相对误差/%
1.060.6069.603.8034.9042.504.7017.003.3019.706.303.3025.600.207.4023.904.6015.803.8011.902.5037.004.302.50



52
同济大学学报(自然科学版第34卷
表6路段行程时间相对误差的范围



Tab.6Distributionofrelativeerrorfortraveltimeestimation相对误差/%
<1010～50
>50
路段数/条
229215
相对误差范围概率/%
89.808.241.96

参考文献:

1童小华,陈建阳.基于GIS和GPS信息交通状态参数估计模型
J.同济大学学报:自然科学版,2005,33(12:1604.
TONGXiaohua,CHENJianyang.Traveltimeestimationandsim2
ulationmodelbasedontaxi2basedGPSandGISJ.JournalofTongjiUniversity:NaturalScience,2005,33(12:1604.2龚健雅.地理信息系统基础M.北京:科学出版社,2001.

5结论


GONGJianya.FoundationofgeographicinformationsystemM.
笔者在行程时间参数估计的模型和方法研究的基础上,探讨了GIS环境下仿真出租车GPS信息的系统实现和关键技术.提出了系统评价的指标,包括信息的准确性、信息的及时性、信息的广泛性和信息成本等,对路网连通性拓扑结构的构建、GPS坐标与城市平面直角坐标的转换模型以及仿真过程中的关键问题给出了解决方法.应用开发的GPS交通仿真系统进行了模拟试验的计算结果表明,笔者提出的模型和方法是可行的和有效的.

Beijing:SciencePress,2001.
3刘大杰,施一民,过静王君.全球定位系统(GPS的原理与数据处
理M.上海:同济大学出版社,1996.
LIUDajie,SHIYiming,GUOJingjun.Principleanddataprocess2
ingofGPSM.Shanghai:TongjiUniversityPress,1996.4齐瑞,屈韶琳.用MapX开发地理信息系统M.北京:清华大
学出版社,2003.
QIRui,QUShaolin.MapX2basedGISapplicationdevelopment
M.Bejing:QinghuaUniversityPress,2003.
5ThomasKJ.IntroductionofnumericalcalculationM.Nanjing:
NanjingUniversityPress,1993.
(编辑:杨家琪


(上接第40页


将数据代入上式,得出检验结果:
R=0.999955434,μ=0.999959366根据检验可以认为,两个矩阵间差距极小,可以视为近似相同,因而O—D分布矩阵是对称的.采用同样方法对太原3、邯郸等其他城市进行过居民出行调查的结果进行分析可以得到相同的结论.
根据以上结果,依据式子
rij=rji=(qij+qji/2
况,提出了将P—A矩阵转化为O—D矩阵的方法.
本文的应用前景是广泛的,实际中经常可能会遇见由于对分布矩阵概念混淆而造成使用失误的情况.笔者提出的方法可以在运用“四阶段”模型进行需求预测中得到广泛而富有成效的推广和应用.参考文献:


1刘灿齐.现代交通规划学M.北京:人民交通出版社,2001.
只需要将P—A矩阵转置叠加除以2便可以转化为O—D矩阵.

LIUCanqi.AdvancedtrafficplanningM.Beijing:ChinaCom2
municationsPress,2001.
2周商吾.佛山市居民出行调查分析报告R.上海:同济大学交
4结论

通运输工程学院,2003.
ZHOUShangwu.FoshancityresidenttripsurveyreportR.
Shanghai:SchoolofTransportationEngineering,TongjiUniversi2ty,2003.
3周商吾.太原市交通规划第二篇———调查分析报告R.上海:

目前国内进行交通需求预测的时候,由于对于出行分布矩阵概念理解方面的缺陷,经常会产生错误使用的现象,笔者正是针对这一点,进行了分析,并对O—D矩阵和P—A矩阵两种不同的出行分布矩阵进行了区分.同时根据运用“四阶段”模型进行预测中不同阶段使用不同的出行分布矩阵的情
同济大学道路与交通工程研究所,1996.
ZHOUShangwu.TaiyuancityresidenttripsurveyreportR.
Shanghai:DepartmentofRoadandTrafficEngineering,TongjiUniversity,1996.
(编辑:杨家琪


本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/b74bd87b1711cc7931b7165a.html

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