基于車輛位置預測的可變情報板信息路由算法研究

張濤　董亞波　王琰向　鄭濤　陳宇峰

摘 要：當前高速公路可變情報板信息發布大多數為人工手動操作，且實時性較差。為了解決可變情報板信息發布定向性和實時性問題，提出了基于車輛位置預測的可變情報板信息路由算法。根據車輛的違法位置、時間、速度和方向等信息和實際路網數據建立局部路網模型，預測出違法車輛從違法時間開始到當前時間內的所有可能行駛路徑、當前可能位置、行駛方向前方最近的可變情報板位置及其達到該位置的概率和時間。選擇最大概率的可變情報板在估算時間到達時發布該車輛的交通違法信息；車輛駛過可變情報板時撤銷交通違法信息顯示。解決了在僅有車輛交通違法信息和少量實際路網數據的情況下可變情報板信息路由問題，同時也解決了高速車輛交通違法信息告知的定向性、實時性、可視性的問題。

關鍵詞：車輛位置預測；局部路網模型；可變情報板；信息路由

引言

目前，高速公路可變情報板顯示的信息內容大多數為提示性內容，例如高速路的路況信息、氣象信息等，能夠有效的指導交通流，進而保障交通順暢[1]。文獻[2]結合路網結構，建立動態化、層次化的交通預測模型，提供誘導信息。文獻[3]根據天氣狀態及交通流運行狀態的實時變化，自動調整高速公路該路段的限速值，通過可變情報板發布限速信息。文獻[4]通過信息發布的聯動策略，增強了霧天低能見度情況下路況可變情報板信息發布的及時性、一致性和系統性。這些可變情報板的信息顯示主要針對高速公路上的經過某個路段的所有車輛，不具有定向性，容易引起視覺疲勞，導致駕駛員忽略或錯過重要信息。文獻[5]將車速估計結果與行車時間作為車輛行駛位置的判定依據，采用云推理估計車輛的在高速公路隧道行駛位置。文獻[6]都是在短時間內定位設備信號微弱或無信號的情況下對車輛行駛位置進行預測。這些算法均無法對長時間無信號的情況下對車輛位置進行預測。

針對目前高速公路上車輛交通違法行為取證困難且時間長，及獲取行駛車輛的實時位置比較困難的問題，從而導致車輛交通違法信息告知不具有定向性、實時性。本文提出一種綜合考慮車輛違法地點、違法位置、行駛方向、違法時間等因素的基于車輛位置預測的可變情報板信息路由算法，以解決交通違法信息告知的定向性、實時性、可視性等問題。

1 路網模型

根據高速公路路網的特點建立路網模型示意圖如圖1所示。高速公路出口包括兩種，分別下高速出口和換高速出口。按照以下規則建立路網模型。

（1）以高速公路出口為節點，其中N1為上行節點，N2為下行節點。

（2）車輛在每個節點有兩種可能行駛方向，分別為前向行駛方向和右向行駛方向，用兩個箭頭表示車輛在該節點的兩種可能行駛方向。

2 車輛位置估計

2.1 節點概率

根據可獲取的路網數據可以把車輛在節點N兩個方向上的行駛概率的影響因素歸納為四個，分別為節點N前方路段擁擠度、車牌號碼、車輛歷史記錄和節點N出口記錄與斷面交通量。關于節點兩個方向上的概率示意圖，如圖2所示。

2.2 局部路網模型

根據當前時間與違法時間之間的時間差及行駛速度，可以得到該違法車輛的大致行駛范圍。基于路網模型，根據違法車輛的違法地點和行駛方向，通過路徑搜索得到該違法車輛所有的可能行駛路徑，在路網模型基礎上建立局部路網模型如圖3所示。其中違法車輛有三條可能行駛路徑，分別為路徑1：N1→N2→N3→N6、路徑2：N1→N4和路徑3：N1→N2→N3→N5。

2.3 位置估計

選擇車輛違法時的行駛速度V。選擇當前時間T1與違法時間T0的差值作為車輛行駛時間T。通過L=V*T，得到違法車輛的可能行駛距離L。

根據L與局部路網模型中的違法車輛所有可能行駛路徑進行匹配，可以得到違法車輛在所有可能行駛路徑上的當前位置，如圖3中的D1、D2和D3。

3 信息路由選擇

根據違法車輛行駛方向和各條可能行駛路徑上的當前車輛位置，在圖3中的局部路網模型中找到當前位置D1、D2和D3前方距離最近的可變情報板，分別為VMS1、VMS2和VMS3。通過公式（3）計算違法車輛到達VMS1、VMS2和VMS3的概率，其中Pi為某條可能行駛路徑上各個節點在該行駛方向上的概率。

選擇可能行駛路徑上的概率最大者作為發布車輛交通違法信息的目標可變情報板M。

4 仿真實驗

5 結束語

本文采用概率論與數理統計的方法，根據現有路網數據和車輛交通違法信息對違法車輛當前位置進行預測，從而對違法車輛即將可能達到可變情報板位置進行預測。從概率角度選擇到達概率最大的可變情報板發布車輛交通違法信息，車輛駛過可變情報板撤銷交通違法信息顯示。這種在違法車輛即將駛過可變情報板上顯示該車輛的違法信息的策略，解決了告知信息的定向性、實時性、可視性等問題，使可變情報板顯示的信息具有定向性和實時性。

參考文獻

[1]布亞芳.京廣高速公路可變情報板技術問題研究及其推廣應用[J].公路交通科技（應用技術版），2014（04）.

[2]清華大學.一種預測模型的可變情報板信息發布方法[P].中國專利：CN105303856A，2016.02.03.

[3]劉攀.一種基于不良天氣條件的快速道路可變限速控制方法[P].中國專利：CN102568226A，2012.07.11.

[4]支曉伶.一種用于路網信息聯動的發布系統和方法[P].中國專利：CN102298847A，2011.12.28.

[5]張立材，于甜甜，王民，等.基于云模型的高速公路隧道車輛位置估計[J].計算機工程，2013，39（12）：251-254.

[6]王勵揚，翟昆朋，何文濤，等.四階龍格庫塔算法在捷聯慣性導航中的應用[J].計算機仿真，2014，31（2）：210-217.

作者簡介：張濤（1976-），男，湖北隨州人，講師，主要從事電子與通信系統方面的研究。

*通訊作者：陳宇峰（1973-），女，陜西戶縣人，教授，博士，主要從事無線通信、移動計算、網絡性能分析等方面的研究。