基于GPS的高速公路車速全程監(jiān)控方法研究

李 娟，高 山，閆廣峰，李友兵

(1.西南交通大學 交通運輸與物流學院，四川 成都,610031；2.西南交通大學 地球科學與環(huán)境工程學院，四川 成都,611756)

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基于GPS的高速公路車速全程監(jiān)控方法研究

李 娟1，高 山2，閆廣峰2，李友兵2

(1.西南交通大學 交通運輸與物流學院，四川 成都,610031；2.西南交通大學 地球科學與環(huán)境工程學院，四川 成都,611756)

對高速公路車速進行有效監(jiān)控與管理，是抑制違章超速行駛、減少高速公路交通事故的重要手段?，F(xiàn)有的基于點速度和區(qū)間平均速度的高速公路車速監(jiān)控方法，難以準確反應出車輛的實際行駛狀態(tài)，實施效果有限，可靠性較差。文中提出基于GPS和地圖匹配技術(shù)的高速公路車速全程監(jiān)控和管理方法，建立相關(guān)算法的數(shù)學模型。經(jīng)過理論分析和實例驗證，車速監(jiān)控與管理方法能實現(xiàn)高速公路車速的全程監(jiān)控，極大地提高車速安全監(jiān)控和管理的可靠性、準確性和有效性。

高速公路；車速監(jiān)控與管理；GPS；地圖匹配

車輛超速能引發(fā)高速公路交通事故，實現(xiàn)對高速公路行駛車輛車速監(jiān)控和管理，抑制違章超速行駛、減少交通事故，對高速公路更好地發(fā)揮其快速、安全、舒適和高效的功能有著重要意義。目前，高速公路車速采集方法主要有固定設(shè)施的地感線圈測速、雷達測速和移動設(shè)施的激光測速等[1-4]。其中，地感線圈測速使用簡單、靈敏度高，但長期擠壓后容易損壞，維護成本較高；雷達測速技術(shù)成熟、測速精度高，在高速公路車速監(jiān)控中使用廣泛，只能實現(xiàn)對單個目標的測速，且安裝角度要求嚴格；激光測速精度高、范圍大、抗干擾性強，激光對人眼傷害大，不能實現(xiàn)對多車道多目標的同時測速?，F(xiàn)有的高速公路速度管理方法均為點速度或區(qū)間平均速度管理，點速度管理對車輛行駛過程中非監(jiān)控路段的速度無法進行有效監(jiān)控，實施效果非常有限；區(qū)間平均速度包含停車時間，對區(qū)間內(nèi)車輛的實際行駛速度不能真正進行監(jiān)控，其車速監(jiān)控的有效性有待商榷。尋找一種快速、有效、可靠的高速公路車速監(jiān)控方法，是亟待解決的一個問題。

實際上，監(jiān)測結(jié)果的有效性和可靠性與監(jiān)測范圍及信息匹配的準確度有關(guān)。GPS具有定位快速、精確、全天候等特點，可以經(jīng)濟、高效、可靠地得到運動載體的位置和速度信息[5]。高速公路全封閉、全立交、隔離雙向行駛的道路特征，使得其拓撲關(guān)系較普通道路更為簡單、明確。在所有駛?cè)敫咚俟奋囕v都配有GPS接收裝置(如在收費卡中嵌入GPS)的假設(shè)條件下，本文提出基于GPS和地圖匹配技術(shù)的高速公路車速全程監(jiān)控方法，在理論分析的基礎(chǔ)上，通過實測數(shù)據(jù)計算分析并驗證該方法的準確性、可靠性和有效性。

1 現(xiàn)有高速公路車速監(jiān)控方法及有效性分析

現(xiàn)有高速公路車速管理方法中，點速度管理方法是設(shè)置若干個固定或移動的點位進行速度測量，從而進行車輛行駛?cè)痰乃俣裙芾?；區(qū)間平均車速管理方法是設(shè)置若干個固定路段，記錄車輛駛?cè)牒婉偝霰O(jiān)測路段的時間t1和t2，以監(jiān)測路段長S和車輛在固定路段行駛的時間比S/(t2-t1)作為區(qū)間平均車速。

車速是駕駛員與交通系統(tǒng)相互作用的直接表現(xiàn)，測速路段信息收集過程將影響車速監(jiān)控與管理真實、有效性。在車速監(jiān)測結(jié)果為無超速行為的情況下，對于不同的車速管理方法，車輛的實際行駛狀態(tài)可以描述如下。

1)點速度車速管理。如圖1所示，車速監(jiān)測基于點速度管理方式下，車輛實際車速可能為曲線2，即車速一直保持在限速標準以下；也可能如曲線1所述，駕駛員可能有意在監(jiān)測點附近降速到限速標準下行駛，而在非監(jiān)測點則超速行駛。

圖1 點速度管理下的車速分布

2)區(qū)間平均車速管理。在基于區(qū)間平均速度管理方式下，如圖2所示，實際車速除曲線4所描述的車速一直小于限速標準外，還可能存在曲線1、曲線2和曲線3描述的幾種情況，即監(jiān)測區(qū)間有服務(wù)區(qū)(曲線1)、道路部分路段擁堵(曲線2)、在監(jiān)測區(qū)間部分路段低速行駛(曲線3)等。區(qū)間平均車速管理對較長距離的車速管理效果較差，對單一的隧道或橋梁的實施效果可能較好。

圖2 區(qū)間平均速度管理下的車速分布

針對以上兩種車速監(jiān)控方法中存在的缺點，本文提出基于GPS和地圖匹配技術(shù)的高速公路車速全程監(jiān)控方法。如圖3所示，時間序列的車輛點速度個數(shù)取決于GPS采樣間隔，無論車輛是停車休息、超速行駛、正常行駛，連續(xù)的點速度信息(對于無信號路段，根據(jù)失鎖前后的位置和時間信息，可以內(nèi)插得到車輛點速度)可以很好地反應出車輛的全程行駛狀態(tài)，其監(jiān)測結(jié)果更為可靠、有效。

圖3 全程監(jiān)控與管理下的車速分布

2 基于GPS的車輛位置及速度提取

車速與車輛信息、車速與限速標準的同時正確匹配是實現(xiàn)車速全程有效監(jiān)控的保證，時間序列的車輛位置、車速的快速準確確定又是車速與車輛信息、車速與限速標準的同時正確匹配的基礎(chǔ)。

2.1 車輛位置的確定

車載GPS接收機在同時可見不少于4顆GPS衛(wèi)星的情況下，由廣播星歷采用距離交會法即可解算出接收機的三維坐標。設(shè)在歷元i，GPS接收機可見衛(wèi)星數(shù)為m(m>3)，偽距單點定位的基本方程為

(1)

式(1)中有4個未知數(shù)Xi，Yi，Zi和dt，m> 3時，利用最小二乘方法可以解算出接收機的位置。車載GPS在復雜環(huán)境下，信號容易受到干擾、出現(xiàn)周跳，偽距單點定位精度雖然較載波相位定位精度低，但是不用考慮整周模糊度問題，數(shù)據(jù)處理簡單，解算效率高，且定位精度可以滿足車速監(jiān)控時對車輛位置的精度要求。

2.2 車速的提取

GPS接收機可以觀測得到多普勒信息，利用原始多普勒觀測值可以直接計算出運動載體的速度。與基于GPS位置差分求速和載波相位中心差分求速方法相比，原始多普勒頻移測速精度主要取決于多普勒頻移觀測值的精度，基本不受載體運動狀態(tài)和定位精度的影響，求速結(jié)果比較精確、可靠[6-8]。

衛(wèi)星k的多普勒頻移觀測值方程為

將式(3)帶入式(2)并進行線性化，得到誤差方程：

(4)

V=AδX-L.

(5)

利用最小二乘方法即可得到相應未知參數(shù)的改正數(shù)：

其中，P為觀測值權(quán)陣。

3 高速公路的車速管理方法

3.1 車速與高速公路限速匹配

在歷元i，解算得到車輛在地心坐標系中的坐標(Xi,Yi)和車速Vi，要判斷行駛車輛是否超速，需要確定車輛在高速公路上的位置以及對應限速標準。要獲得上述信息，首先將(Xi,Yi)轉(zhuǎn)換為高速公路電子地圖坐標系下的坐標，然后與高速公路進行地圖匹配，得到高速公路上行駛車輛的投影坐標(X路i,Y路i)。由于全封閉、全立交、隔離雙向行駛的道路特征，更高速公路的拓撲關(guān)系十分簡單、明確，網(wǎng)絡(luò)拓撲關(guān)系的地圖匹配算法的實施起來更為簡便，可以更好地實現(xiàn)GPS數(shù)據(jù)與高速公路的可靠、高精度的匹配。

確定車輛在道路上的位置后，行駛車輛的信息：

式中:Vi為歷元i車輛的車速；X路i，Y路i為歷元i車輛在高速公路的位置；V限i為車輛所在路段的限速標準；S為已行駛里程；t為行駛時間。在歷元i，車速Vi與車輛所處路段限速V限i，通過車輛定位結(jié)果與高速公路的匹配而完成信息匹配。

3.2 車速管理方案

設(shè)在歷元i，車輛已行駛里程S，解算車速Vi，所處路段限速V限i，則行駛車輛的行駛狀態(tài)：

其中，σ為大于0的常數(shù)，目的是為了減弱速度解算誤差給車輛行駛狀態(tài)的判斷帶來的影響。由式(8)可以看出，在歷元i，車輛可能有兩種狀態(tài)：車速低于限速標準，車輛正常行駛；車速大于限速標準，車輛超速行駛。

現(xiàn)有高速公路車速監(jiān)控方法，得到的是若干區(qū)間平均速度或點速度，對車輛行駛狀態(tài)的判斷和管理方法，顯然不再適用于擁有大量時間序列車輛點速度的監(jiān)測方法。通過車輛不同程度的超速行為對道路安全的影響程度進行初步分析，本文把行駛車輛的超速行為分為4種類型，具體擬定處罰辦法見表1。給出的車速管理方案是為了方便分析本文提出的車速監(jiān)測方法，其實用性和合理性還有待進一步研究。

3.3 實測數(shù)據(jù)分析

用一臺能觀測得到多普勒頻移信息的GPS接收機置于一輛汽車上，在成都市第一繞城高速公路(G4201)進行車速監(jiān)測試驗。G4201全長85 km，試驗車輛類型為小型客車，行駛時間約112 min，采樣間隔為5 s。試驗車輛行駛?cè)?，解算車速與對應位置限速信息如圖4所示，其中加粗折線為限速標準，曲線為車速；車輛超速信息和最終判斷結(jié)果見表2。

表1 高速公路違章車輛擬定處罰標準

注：vi表示歷元i時的車速；nvi>v限表示車輛行駛?cè)坛冱c個數(shù)；n表示車輛行駛?cè)虦y速點總數(shù)

從圖4可以看出，時間序列下的解算車速與限速標準，通過時間信息實現(xiàn)很好的匹配。試驗車輛在行駛40 min左右出現(xiàn)短時間的超速行駛，根據(jù)本文給出的判斷標準，車輛不構(gòu)成違章。由圖4中的信息還可以看出，車輛在行駛42 min后開始行駛緩慢，該過程持續(xù)近55 min，由此推測，該段時間內(nèi)車輛所處路段出現(xiàn)擁堵。

圖4 車速監(jiān)測信息

表2 超速信息與判定結(jié)果

4 結(jié) 論

通過初步的理論分析和研究試驗，歸納結(jié)論：

1)現(xiàn)有的高速公路車速監(jiān)控方法，只能得到車輛行駛?cè)痰娜舾蓚€點速度或部分路段區(qū)間車速，少量的信息不足以真實反映出車輛的全程行駛狀態(tài)，車速監(jiān)測有效性有待商榷，而且工作效率低、可靠性較差。

2)本文提出的基于GPS和地圖匹配技術(shù)的車速監(jiān)控和管理方法，可以很好地對高速公路行駛車輛進行全方位的車速監(jiān)控和安全管理，實現(xiàn)在高速公路出口處或后期對違章車輛的處罰，極大地提高以車速管理為目標的安全監(jiān)控和管理的可靠性、準確性和有效性。

3)車載GPS得到的時間序列速度信息不僅可以用于車速的監(jiān)控及管理，海量數(shù)據(jù)對高速公路道路狀況和通行能力的分析也是有益的。

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[責任編輯：李銘娜]

Research on the methods of speed monitoring inhighway based on GPS

LI Juan1,GAO Shan2,YAN Guangfeng2,LI Youbing2

(1.School of Transportation and Logistics,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China; 2.School of Geo-sciences and Environmental Enginerring,Southwest Jiaotong University,Chengdu 611756,China)

An effective speed monitoring and management in highway is an important means to suppress illegal speeding and reduce highway accidents.Existing speed monitoring and management in highway based on point speed method or interval average speed method is difficult to reflect the actual state of the vehicle accurately,for which the effect of its implementation is less reliable and limited.On the base of the feature of GPS and highway,a new method of vehicle speed monitoring and management in highway based on GPS and map-matching technology is put forward,and the mathematical model of this method is expounded.Theoretical analysis and case study show that the method put forword in this paper can realize the full and effective monitoring of vehicle speed,which can improve the reliability,accuracy and validity of vehicle safety monitoring and management greatly.

highway; speed monitoring and management; Global Positioning System; map-matching

引用著錄：李娟，高山，閆廣峰，等.基于GPS的高速公路車速全程監(jiān)控方法研究[J].測繪工程，2017，26(1)：47-50.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.01.010

2015-10-21

四川省科技支撐計劃項目(2013GZX0140)

李 娟(1975-),女，副教授，博士，碩士生導師.

閆廣峰(1989-)，男，博士研究生.

P283

A

1006-7949(2017)01-0047-04