基于GPS的交通流量和道路拥塞检测系统

摘要

一种基于GPS的交通流量和道路拥塞检测系统，包括用以安装在监测车辆上的车载终端和用以接收车载终端的信息并进行拥挤计算的服务器；所述车载终端通过无线通信网络与服务器通信连接，所述车载终端包括GPS模块、第一通讯模块、显示模块和信息处理模块；所述服务器包括，拥堵状态计算模块，用以根据不同车载终端回传的坐标信息，通过拥堵函数获得实时交通信息：采用拥挤函数计算各个不同路段的拥挤度，如果拥挤度大于预设的拥挤度阈值，判定为拥挤状态；否则，判定为通畅状态；第二通讯模块，用以将各个不同路段的交通状态发送到车载终端。本发明低成本、实用性强、易于推广。

说明书

技术领域

本发明属于交通流量监控系统领域，尤其是一种城市交通流量监控系统。

背景技术

随着城市及高速公路交通流量的加大，交通堵塞现象时有发生。人们为了出行的方便，往往希望能够了解出行所经过各路段的交通流量情况，以便于调整自己的行车路线，避开交通比较拥堵的路段，从而保证在较短的时间内达到目的地。目前为了满足出行的人们的这种需求，采用的方法往往是在各路段放置了用于监测交通路况及车辆违章情况的摄像头，该摄像头可以将采集的图像信息传送至监测中心，监测中心将接收到的图像信息进行自动识别，从而得到各路段的交通路况。为传输图像信息而专门设置的线路导致该种技术方案实施的成本很高，同时由于图像自动识别的技术并不成熟，很难准确地获取流量信息，这种方案在理论上可行，在实际中目前很难应用。

另外一种较为常见的检测交通流量方法还有在十字路口埋感应线圈，用来感应通过感应线圈上方的车辆，从而得到各路口的车流量。这种方法的好处是数据精确，比较不容易产生误差，相对于上一种方法，对交通流量的检测比较准确。其缺点主要有几点：①是线圈的铺设非常麻烦，铺设线圈时需要挖开道路，而且使用过程中的维护也非常困难；②仅仅是依据通过线圈上方的车辆来判断交通流量并不严谨，因为红灯时没有车辆通过，道路上的交通却并不通畅；③这种方案仅对路口的流量进行统计，而不是对整条道路进行监控，并不能全面反映车辆通行情况。

发明内容

为了克服已有交通流量检测系统的成本高、流量信息的准确性较差、不能获得拥塞信息、实用性差、不容易推广的不足，本发明提供一种低成本、实用性强、易于推广的基于GPS的交通流量和道路拥塞检测系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是： 

一种基于GPS的交通流量和道路拥塞检测系统，包括用以安装在监测车辆上的车载终端和用以接收车载终端的信息并进行拥挤计算的服务器；所述车载终端包括：

GPS模块，用以接收GPS卫星信号并计算当前监测车辆的坐标信息；

第一通讯模块，用以将当前监测车辆的坐标信息向服务器发送，并接收服务器的数据信息；

显示模块，用以显示电子交通地图，并根据经纬度信息，将当前监测车辆的位置显示在所述电子交通地图上，并显示不同道路的拥堵状态；

信息处理模块，用以将坐标信息数据格式重新组织，并将通讯模块地址加入发送的信息中并控制发送；

所述服务器包括：

拥堵状态计算模块，用以根据不同车载终端回传的坐标信息，通过拥堵函数获得实时交通信息，具体如下：

GPS采样的时间间隔为t，以4t为一个分析区间，                                                为初始时刻，在之后有4个GPS采样时刻，分别为时刻；

在从t₀到t₄的分析区间之中，对每一GPS采样时刻计算位于监测区间中的车辆的集合M，分别记为M₀,M₁,M₂,M₃,M₄；

用下列方法计算集合A₀ ,A₁ ,A_2,A₃ ,A₄：

拥挤函数的公式如下：

其中，C表示拥挤度，N表示车道数，card(Ai)表示集合A_i中元素的个数；

采用拥挤函数计算各个不同路段的拥挤度，如果拥挤度大于预设的拥挤度阈值，判定为拥挤状态；否则，判定为通畅状态；

作为优选的一种方案：所述预设的拥挤度阈值包括拥挤阈值和堵塞阈值，所述堵塞阈值大于所述拥挤阈值，如果拥挤度小于等于所述拥挤阈值，判定为通畅状态；如果拥挤度大于所述拥挤阈值且小于等于所述堵塞阈值，判定为拥挤状态；如果拥挤度大于所述堵塞阈值，判定为堵塞状态。

第二通讯模块，用以将各个不同路段的交通状态发送到车载终端。

进一步，所述服务器还包括：最佳路径规划模块，用于根据车辆的起始位置和目的位置，对路径上的路段的距离和拥挤度进行加权计算，记为某条路径第i个路段的长度， 为某条路径第i个路段拥挤度，记P为路径上所有n个路段长度和拥挤度的加权和，计算公式如下： 

利用上述公式对起始位置和目的位置之间的各条路径进行计算，取加权和最小的路径为最佳路径，并在所述电子交通地图上显示所述最佳路径。

本发明的有益效果主要表现在：低成本、实用性强、易于推广。

附图说明

图1是基于GPS的交通流量和道路拥塞检测系统的工作原理图。

图2是基于GPS的交通流量和道路拥塞检测系统的流程图。

图3是车载终端和服务器的数据交换流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图3，一种基于GPS的交通流量和道路拥塞检测系统，包括用以安装在监测车辆上的车载终端3和用以接收车载终端的信息并进行拥挤计算的服务器1；所述车载终端3通过无线通信网络2与服务器1通信连接，所述车载终端3包括：GPS模块，用以接收GPS卫星信号并计算当前监测车辆的坐标信息；第一通讯模块，用以将当前监测车辆的坐标信息向服务器发送，并接收服务器的数据信息；显示模块，用以显示电子交通地图，并根据经纬度信息，将当前监测车辆的位置显示在所述电子交通地图上，并显示不同道路的拥堵状态；信息处理模块，用以将坐标信息数据格式重新组织，并将通讯模块地址加入发送的信息中并控制发送；

所述服务器1包括：拥堵状态计算模块，用以根据不同车载终端回传的坐标信息，通过拥堵函数获得实时交通信息，具体如下：

GPS采样的时间间隔为t，以4t为一个分析区间，为初始时刻，在之后有4个GPS采样时刻，分别为时刻；

在从t₀到t₄的分析区间之中，对每一GPS采样时刻计算位于监测区间中的车辆的集合M，分别记为M₀,M₁,M₂,M₃,M₄；

用下列方法计算集合A₀ ,A₁ ,A_2,A₃ ,A₄：

上述公式中 、、都是集合运算操作，其中为取并集运算符，为取交集运算符，为集合减运算符。

 

拥挤函数的公式如下：

其中，C表示拥挤度，N表示车道数，card(A_i)表示集合A_i中元素的个数；

采用拥挤函数计算各个不同路段的拥挤度，如果拥挤度大于预设的拥挤度阈值，判定为拥挤状态；否则，判定为通畅状态；

所述预设的拥挤度阈值包括拥挤阈值和堵塞阈值，所述堵塞阈值大于所述拥挤阈值，如果拥挤度小于等于所述拥挤阈值，判定为通畅状态；如果拥挤度大于所述拥挤阈值且小于等于所述堵塞阈值，判定为拥挤状态；如果拥挤度大于所述堵塞阈值，判定为堵塞状态。

第二通讯模块，用以将各个不同路段的交通状态发送到车载终端。

所述服务器还包括：最佳路径规划模块，用于根据车辆的起始位置和目的位置，对路径上的路段的距离和拥挤度进行加权计算，，记为某条路径第i个路段的长度， 为某条路径第i个路段拥挤度，记P为路径上所有n个路段长度和拥挤度的加权和，计算公式如下： 

利用上述公式对起始位置和目的位置之间的各条路径进行计算，取加权和最小的路径为最佳路径，并在所述电子交通地图上显示所述最佳路径。

本系统包括安装在汽车上的终端（可以是带有GPS模块的手机），服务器端，以及一种动态提供交通流量信息的方法。如图1，其中汽车终端主要包括这几个模块：GPS模块、通讯模块、显示模块以及信息处理模块。

以下是各模块的功能：

GPS模块主要负责接收解析若干GPS卫星发出的信号，并且通过一定规则计算出当前的坐标信息，以经纬度表示，并且附带时间。

通讯模块主要负责将数据的发送，以及对服务器信息的接收。由于在系统中会存在大量车辆，为了区分各个车辆的信息，通过将通讯模块的硬件地址进行编码的方式进行车辆信息区分。

显示模块负责显示电子交通地图，并负责根据经纬度信息，将车辆当前位置显示在电子地图中，同时还要以方便易读的方法向驾驶者显示出不同道路的拥塞情况。

信息处理模块主要负责将GPS数据格式重新组织，并且将通讯模块地址加入要发送的信息之中，再将这些信息通过通讯模块发往服务器。

服务器端则存储有公路交通系统信息（包括经纬度信息），可以利用不同的汽车终端传来的坐标等信息，根据某种方法来进行计算，从而得出各条公路的拥挤情况，并且根据需要，向特定以及全部车载终端发送道路拥挤状况信息。另外服务器还带有服务器端电子地图，可以直观看到指定车辆所处的具体位置。

由于在本发明中，采用无线通信模块与服务器通讯，通信模块的硬件地址或者是SIM卡卡号可以保证唯一性。在服务器端以此区分所收到信息分属于不同的车辆。

动态提供交通流量信息的方法则是利用汽车终端传来的位置信息，通过下面的拥挤函数来获得所需的实时交通信息。

拥挤函数：公路限速为（KM/h），GPS采样时间间隔为t（s），车道数为N。对于所需要分析的公路路段，用以下方法得到监测区间长L（s）。，单位为米。

以4t为一个分析区间。为初始时刻，在之后有4个GPS采样时刻。分别为时刻。

在从t₀到t₄的分析区间之中，在每一GPS采样时刻系统都将得到位于监测区间中的车辆的集合M，分别记为M₀,M₁,M₂,M₃,M₄。

用下列方法计算集合A₀ A₁ A₂ A₃ A₄。（因为受实际情况约束，某车辆离开采样区间以后，便不会重新进入采样区间。）

上述公式中 、、都是集合运算操作，其中为取并集运算符，为取交集运算符，为集合减运算符。

 

拥挤函数C的公式如下

card(A_i)表示集合A_i中元素的个数。

 

主要设置要素，L的设定为车速在80%限速条件下，最多经过3t就离开监测区域。

计算出的C值在趋于增大时，车辆拥挤程度提高，反之拥挤程度降低。

任一车辆只可能出现在集合M的下脚标连续的集合之中。例如车辆属于M₁,M₂,M₃是可以的，但是不会出现分别属于M₁,M₂, M₄这样的情况。

本实施例的检测系统的主要的实现步骤如下：

（1） 交通监测服务前的准备；

（2） 服务器获取各终端数据，处理后得到交通流量信息；

（3） 终端接收服务器发来的交通流量信息，并予以显示。

步骤（1）：主要是做好两端数据交换前的准备工作，此步骤中，终

端发送的信息为询问信息，包含终端的硬件地址信息；服务器发送的信息为确认信息，其中包含服务器的时间信息。

如图2和图3，服务器开启后，立即载入所存储的公路交通系统信息，然后等待各汽车终端发来询问消息。收到询问消息后，服务器根据得到的终端硬件地址信息给各终端回复确认信息。另一方面，终端在启动后，首先向服务器端发送询问信息，终端在收到服务器的确认消息之后，便可确认服务器端的正常运行。终端根据确认信息进行时间同步。

所述的步骤（2）包括：

①    如图3，在时间同步结束以后，车辆终端以指定的时间间隔，将GPS信息，时间信息以及车辆的识别信息编码以后通过无线方式发往服务器。同时终端不停接受服务器发来的交通流量信息。如果车辆终端在一定时间内（如5秒）没有收到服务器端发来的交通流量信息，就再向服务器端发送询问信息进行询问，如此不停循环，直至收到服务器端发来的确认信息。

②     服务端收到各终端发来的信息后，拥堵状态计算模块对各终端按照所在街道的不同进行分组，然后对各组根据上文所述的拥挤函数解析出各个路段的交通流量。再将各条道路交通流量信息汇总编码后发送到车辆各终端。

其中对拥挤的不同程度可以灵活定义。如果要把交通状况分成三种不同的程度：通畅、拥挤、堵塞，那么可以定义两个阈值a和b。如果由拥挤函数得出的c小于a，那么可以定义街道为通畅。同理，如果c位于a、b之间，定义街道为拥挤；大于b，则为堵塞。

所述的步骤（3）包括：

①     交通流量信息处理中心获取从服务器传来的交通流息，并进行分析，确定各路段的交通流量情况；

②   终端将各路段的拥塞情况显示于电子交通分布图中；

对各路段的交通流量情况的显示可以有不同的方式。如果把各街道

的交通情况分成通畅、拥挤、堵塞三种不同的程度，那么可以用白色代表通畅，黄色代表拥挤，红色代表堵塞，对电子交通图上的街道进行着色。这样的话，驾驶者就对各路段的交通情况有了很直观的了解。

   进一步，还可以在服务器端和车辆终端利用交通流量情况和最佳路径规划模块，根据车辆的起始位置和目的位置对路径进行规划，为驾驶者找到驾驶的最优路径，让驾驶者获得最轻松舒适的驾驶体验。

由上述技术方案可以看出，本发明的应用可以使交通管理部门可以实时准确地了解各路段的交通流量状况，并可以将所掌握的各个路段的交通流量情况实时地传送给需要的用户，为用户的出行带来了极大地方便。本发明也可以有效调节各路段的车辆流量，使各路段的交通更为顺畅。同时，本发明的客户端的功能简单，可以只是基于带有GPS模块的手机，解决了检测交通流量的成本问题。