基于实时车载GPS数据的道路交通事件自动检测方法

摘要

基于实时车载GPS数据的道路交通事件自动检测方法，属于道路交通事件技术领域。它解决了采用固定基础设施检测交通事件，存在的安装成本昂贵和检测范围受限的问题。它的车载GPS接收机用于实现接收其所处位置的坐标信息，并将该坐标信息发送给个人数码助理的步骤；个人数码助理用于实现计算获得车辆四角的坐标信息，并将该车辆的四角坐标、车辆的海拔高度、车辆行驶速度、车辆行驶方向、车载GPS接收机接收坐标信息的时间及车辆ID发送给网关服务器的步骤；网关服务器用于实现存储接收到的所有个人数码助理发送的信息的步骤，还用于实现根据所述信息获得相应车辆所在路段的道路交通事件的步骤。本发明适用于道路交通事件的自动检测。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于实时车载GPS数据的道路交通事件自动检测方法，属于道路交通 事件技术领域。

背景技术

道路交通量的快速增加，导致了各种社会、环境和经济问题。交通事件的发生通常导 致和加剧了交通阻塞。交通事件是指发生时间或地点不可准确预测的、造成道路通行能力 临时下降的事情，包括：交通事故、车辆抛锚、货物洒落等。交通事件的发生，如果能够 得到快速的检测，就有利于得到快速的消除，进而降低事件路段的交通拥挤。因此，智能 交通系统ITS领域中关于事件自动检测方法的研究十分广泛。

除了基于视频摄像的交通事件检测方法以外，其它的交通事件自动检测方法并非能够 直接检测事件，而是要通过它们对交通流的影响进行间接检测。基于视频成像的事件检测 方法，又由于需要在固定地点安装视频检测设备，造成安装成本昂贵和检测范围十分受限 的缺点。

目前，为对交通事件进行自动检测而采用的收集数据的方法主要分为2类：（1）安装 在车外的固定基础设施传感器，例如感应线圈、地磁仪和视频摄像机；（2）车内信息检测 装置，例如车载GPS。由于各种固定检测器都具有自身的技术局限性和适用条件，并且安 装和管理固定交通数据检测设备的工作十分复杂，将造成费用十分昂贵。随着GPS定位技 术的进步，GPS的定位精确度已得到了极大的提升，安装成本也得到了较大下降，这使得 车载GPS得到了广泛的应用。

发明内容

本发明是为了解决采用固定基础设施检测交通事件，存在的安装成本昂贵和检测范 围受限的问题，提供一种基于实时车载GPS数据的道路交通事件自动检测方法。

本发明所述基于实时车载GPS数据的道路交通事件自动检测方法，它基于个人数码助 理、车载GPS接收机和网关服务器实现，该道路交通事件自动检测方法包括如下步骤：

车载GPS接收机用于实现接收其所处位置的坐标信息，并将该坐标信息发送给个人数 码助理的步骤；

个人数码助理用于实现计算获得车辆四角的坐标信息，并将该车辆的四角坐标、车辆 的海拔高度、车辆行驶速度、车辆行驶方向、车载GPS接收机接收坐标信息的时间及车辆 ID发送给网关服务器的步骤；

网关服务器用于实现存储接收到的所有个人数码助理发送的信息的步骤，还用于实现 根据所述信息获得相应车辆所在路段的道路交通事件的步骤。

网关服务器用于实现存储接收到的所有个人数码助理发送的信息的步骤，还用于实现 根据所述信息获得相应车辆所在路段的道路交通事件的步骤的具体过程为：

步骤一：将待检测道路根据道路的等级划分为等长的路段，每个路段所占的区域通过 坐标来表示；根据车流的方向将所述道路为上游方向和下游方向，根据接收到的每个车辆 四角的坐标信息确定相应车辆当前所处的路段；

步骤二：根据接收到的每个待检测的路段中的所有车辆行驶方向和车辆行驶速度信 息，计算获得相应待检测的路段的给定车流方向上当前车辆的平均行驶速度；

步骤三：将步骤二中获得的当前车辆的平均行驶速度与相似环境条件下该路段的平均 车速进行比较，当当前车辆的平均行驶速度低于相似环境条件下该路段的平均车速超过预 设定的标定阈值，则将该路段作为标定路段；

步骤四：将标定路段的当前车辆的平均行驶速度与其相邻路段的平均车速进行比较， 选择速度最低的路段作为优先处理路段；

步骤五：将优先处理路段的车辆的平均行驶速度与前后两个相邻路段的平均车速比 较，若行驶方向前方相邻路段的车速高于优先处理路段及行驶方向后方相邻路段的车速超 过预设定的阻塞阈值，则将优先处理路段作为疑似阻塞路段；

步骤六：将疑似阻塞路段分为10个子路段，将10个子路段按照步骤二直至步骤五中 最后判定获得疑似阻塞路段的方式，确定阻塞子路段；

步骤七：识别阻塞子路段中所有具有如下特性之一的异常车辆：

七一、车速低于该阻塞子路段的平均车速；

七二、处于停止状态；

七三、车头朝向与当前车流方向相反；

七四、位置离阻塞子路段的起始位置靠近；

步骤八：由地图数据进行判断，该阻塞子路段是否包含需要停车的地点或者离需要停 车的地点距离小于预设定的停靠阈值，如果是，进入到步骤九；否则，进入到步骤十；

步骤九：根据需要停车的地点的类型，确定该需要停车的地点会造成的阻塞时间，若 超过阻塞时间后，步骤七中识别获得的异常车辆行为依然存在，进入步骤十；

步骤十：判断阻塞子路段中是否发生如下情况之一：

十一、在阻塞子路段中，所有车辆的平均速度都低于正常条件下的该子路段的平均车 速超过预设定的低速阈值；

十二、在阻塞子路段中，车辆的平均速度下降的速率超过预设定的下降阈值，从而导 致异常停车；

十三、在阻塞子路段中某一车辆的一个角的坐标与相邻车辆的边界的距离小于2米；

步骤十一：暂停五分钟，然后再计算该阻塞子路段的平均车速，如果未发生变化，则 将网关服务器中的地图数据上，标示该阻塞子路段为交通事件路段，并触发警报。

个人数码助理使用NMEA协议每3秒钟转换一次接收到的车载GPS接收机发送的坐标 信息，并使用NMEA协议处理数据。

个人数码助理给网关服务器发送数据采用XML格式进行编码，通过GPRS方式发送。

个人数码助理计算获得车辆四角的坐标信息的方法为：

根据车载GPS接收机所处位置的坐标信息，及车载GPS接收机距离车尾的水平距离 X1、车载GPS接收机距离车头的水平距离X2、车载GPS接收机与车辆横向两侧的水平距 离Y1和Y2，确定当前车辆的四角A、B、C和D的坐标，即A角坐标：A经度、A纬 度；B角坐标：B经度、B纬度；C角坐标：C经度、C纬度；D角坐标：D经度、D纬 度。

所述步骤一中将待检测道路根据道路的等级划分为等长的路段，所述等长的路段为 500米。

本发明的优点是：本发明方法的实施，能够使得道路交通事件的检测准确率得到极大 提升，同时由于GPS的数据检测方法无需安装固定检测基础设施，因此检测范围较广， 同时安装和维护成本较低，能够满足高速公路、城市主要道路的交通事件的快速检测。

本发明所述检测方法，有助于提高道路交通事件的快速检测和紧急处置，从而提高道 路交通运行的安全和畅通特性。

本发明所述检测方法还适用于对所有装载有车载GPS接收机的车辆进行道路交通时 间的自动检测。

附图说明

图1为本发明方法所基于的硬件原理示意图；

图2为实施方式四中车辆四角的坐标示意图；

图3为将待检测道路根据道路的等级划分为等长的路段的划分示意图；

图4为阻塞子路段的形态示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述基于实时车 载GPS数据的道路交通事件自动检测方法，它基于个人数码助理1、车载GPS接收机2和 网关服务器3实现，该道路交通事件自动检测方法包括如下步骤：

车载GPS接收机2用于实现接收其所处位置的坐标信息，并将该坐标信息发送给个人 数码助理1的步骤；

个人数码助理1用于实现计算获得车辆四角的坐标信息，并将该车辆的四角坐标、车 辆的海拔高度、车辆行驶速度、车辆行驶方向、车载GPS接收机2接收坐标信息的时间及 车辆ID发送给网关服务器3的步骤；

网关服务器3用于实现存储接收到的所有个人数码助理1发送的信息的步骤，还用于 实现根据所述信息获得相应车辆所在路段的道路交通事件的步骤。

具体实施方式二：下面结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一 的进一步说明，网关服务器3用于实现存储接收到的所有个人数码助理1发送的信息的步 骤，还用于实现根据所述信息获得相应车辆所在路段的道路交通事件的步骤的具体过程 为：

步骤一：将待检测道路根据道路的等级划分为等长的路段，每个路段所占的区域通过 坐标来表示；根据车流的方向将所述道路为上游方向和下游方向，根据接收到的每个车辆 四角的坐标信息确定相应车辆当前所处的路段；

步骤二：根据接收到的每个待检测的路段中的所有车辆行驶方向和车辆行驶速度信 息，计算获得相应待检测的路段的给定车流方向上当前车辆的平均行驶速度；

步骤三：将步骤二中获得的当前车辆的平均行驶速度与相似环境条件下该路段的平均 车速进行比较，当当前车辆的平均行驶速度低于相似环境条件下该路段的平均车速超过预 设定的标定阈值，则将该路段作为标定路段；

步骤四：将标定路段的当前车辆的平均行驶速度与其相邻路段的平均车速进行比较， 选择速度最低的路段作为优先处理路段；

步骤五：将优先处理路段的车辆的平均行驶速度与前后两个相邻路段的平均车速比 较，若行驶方向前方相邻路段的车速高于优先处理路段及行驶方向后方相邻路段的车速超 过预设定的阻塞阈值，则将优先处理路段作为疑似阻塞路段；

步骤六：将疑似阻塞路段分为10个子路段，将10个子路段按照步骤二直至步骤五中 最后判定获得疑似阻塞路段的方式，确定阻塞子路段；

步骤七：识别阻塞子路段中所有具有如下特性之一的异常车辆：

七一、车速低于该阻塞子路段的平均车速；

七二、处于停止状态；

七三、车头朝向与当前车流方向相反；

七四、位置离阻塞子路段的起始位置靠近；

步骤八：由地图数据进行判断，该阻塞子路段是否包含需要停车的地点或者离需要停 车的地点距离小于预设定的停靠阈值，如果是，进入到步骤九；否则，进入到步骤十；

步骤九：根据需要停车的地点的类型，确定该需要停车的地点会造成的阻塞时间，若 超过阻塞时间后，步骤七中识别获得的异常车辆行为依然存在，进入步骤十；

步骤十：判断阻塞子路段中是否发生如下情况之一：

十一、在阻塞子路段中，所有车辆的平均速度都低于正常条件下的该子路段的平均车 速超过预设定的低速阈值；

十二、在阻塞子路段中，车辆的平均速度下降的速率超过预设定的下降阈值，从而导 致异常停车；

十三、在阻塞子路段中某一车辆的一个角的坐标与相邻车辆的边界的距离小于2米；

步骤十一：暂停五分钟，然后再计算该阻塞子路段的平均车速，如果未发生变化，则 将网关服务器3中的地图数据上，标示该阻塞子路段为交通事件路段，并触发警报。

本实施方式中，通过分析车载GPS数据，能够检测不同路段上的异常交通样式和车 辆行为。它采用了多层的方式：第一阶段，识别异常交通样式路段，进而将异常路段划分 为更小的路段，从而分离出可能发生事件的路段；第二阶段，进行了车载GPS数据的层 次分析，使用基于知识的规则，在异常路段范围内检测异常车辆行为的发生。

本发明方法运行的软件和硬件环境如下：

硬件环境：

个人数码助理PDA，运行微软Pocket PC2003操作系统，支持GPRS通信；

车载GPS接收机，支持广域扩充系统WAAS和差分全球定位系统DGPS；

网关服务器，拥有静态IP地址，能够处理车辆GPS数据。

软件环境：

PDA应用程序：采用NMEA协议转换接收到的GPS信号，计算车辆经纬坐标，将数 据传给网关服务器；

网关服务器3：

1）、SQL Server 2000数据库服务器，存储车辆数据；

2）、微软MapPoint2006，用于车辆跟踪、显示和地图数据参照；

3）、检测方法应用程序，包含检测算法、知识库，并且能够与数据库服务器和MapPoint 地图服务器进行交互。

对交通事件的分类：

识别交通样式是十分困难的，但是识别个体车辆行为更为困难，因为它依赖于时间、 速度、道路类型和驾驶员等多方面因素。交通样式是个体车辆行为的集计表现，诸如某一 路段的平均车速和总车辆数。异常车辆行为通常代表了以下类型的事件：

车与车碰撞：

追尾、迎头碰撞、侧撞、侧面刮擦、小角度碰撞及多车连撞；

车与物碰撞：

车辆与路边物体碰撞，诸如线杆、防撞护栏、树木等。

其它事件：

车辆故障导致的路边或路中停车。

步骤一至步骤六中，实现了对导致阻塞的交通事件的检测，该方法基于逐个击破的方 法，主要分为两个主要阶段：

第一阶段：首先，将道路划分为路段，每个路段的长度定义依赖于道路的等级。例如， 高速公路500m一段。如图3所示。

路段所占据的区域用坐标来表示。路段拥有上游和下游，代表车流的走向。车辆的行 驶方向用于确定它们是否处于某一路段的上游或下游。车辆当前的坐标用于确定它们当前 所处的路段。

步骤三中，如果当前路段当前车辆的平均行驶速度较大程度的低于一般情况下的平均 车速，则将该路段标定，等待进一步分析。

步骤五中，疑似阻塞路段作为目前判断获得的最低车速路段，其前面相邻路段的车速 远高于该最低车速路段。

步骤六中，将疑似阻塞路段分为10个更小的子路段，按照步骤二至步骤五中的判断 方法，可以获得10个子路段中的阻塞子路段。

在步骤五中，获取疑似阻塞路段的前后两路段的平均车速，是为了判断该疑似阻塞路 段是否发生了事件或者仅仅是正常的拥堵。如果仅仅是普通的拥堵，那么3条路段的平均 车速应该比较接近。然而，如果发生的是交通事件，疑似阻塞路段前面的相邻路段车速应 该比疑似阻塞路段和其后面相邻路段的车速更快，而且拥有较少车辆。如图4所示。

步骤六的具体步骤为：

步骤六一：根据接收到的每个待检测的子路段中的所有车辆行驶方向和车辆行驶速度 信息，计算获得相应待检测的子路段的给定车流方向上当前车辆的平均行驶速度；

步骤六二：将步骤六一中获得的当前车辆的平均行驶速度与相似环境条件下该子路段 的平均车速进行比较，当当前车辆的平均行驶速度低于相似环境条件下该子路段的平均车 速超过预设定的标定阈值，则将该子路段作为标定子路段；

步骤六三：将标定子路段的当前车辆的平均行驶速度与其相邻子路段的平均车速进行 比较，选择速度最低的子路段作为优先处理子路段；

步骤六四：将优先处理子路段的车辆的平均行驶速度与前后两个相邻子路段的平均车 速比较，若行驶方向前方相邻子路段的车速高于优先处理子路段及行驶方向后方相邻子路 段的车速超过预设定的阻塞阈值，则将优先处理子路段作为阻塞子路段。

第二阶段：本阶段采用层次分析的方法，分析阻塞子路段内车辆的数据，从而识别车 辆异常行为。

步骤八用来判断阻塞子路段内是否存在如信号灯或路口等需要停车的地点，或者离这 些地点较近。

步骤九中，针对阻塞子路段内存在需要停车的地点或者离这些地点较近的情况，对是 否超过阻塞时间的判断，信号灯大约等待1分钟，无信号控制交叉口可能等待5分钟。

步骤十的十二中，对车辆平均速度下降速率的判断，比如高速路段上车辆速度在2-3 秒内从120km/h下降到8km/h，会认为是异常状况。

具体实施方式三：本实施方式为对实施方式一或二的进一步说明，本实施方式所述个 人数码助理1使用NMEA协议每3秒钟转换一次接收到的车载GPS接收机2发送的坐标信息， 并使用NMEA协议处理数据。

具体实施方式四：本实施方式为对实施方式一、二或三的进一步说明，本实施方式所 述个人数码助理1给网关服务器3发送数据采用XML格式进行编码，通过GPRS方式发送。

具体实施方式五：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一、二、 三或四的进一步说明，本实施方式所述个人数码助理1计算获得车辆四角的坐标信息的方 法为：

根据车载GPS接收机2所处位置的坐标信息，及车载GPS接收机2距离车尾的水平距 离X1、车载GPS接收机2距离车头的水平距离X2、车载GPS接收机2与车辆横向两侧的 水平距离Y1和Y2，确定当前车辆的四角A、B、C和D的坐标，即A角坐标：A经度、 A纬度；B角坐标：B经度、B纬度；C角坐标：C经度、C纬度；D角坐标：D经度、D 纬度。

本实施方式中，对车载GPS接收机2进行数据处理的方法如下：

车载GPS接收机2与个人数码助理1PDA相连接，放置在车辆中一个安全、显见的位 置。PDA应用程序将接收到的GPS信号每3秒钟转换一次，然后使用NMEA协议确定车 辆的位置、速度、行驶方向和GPS信号的原始时间与信号质量。由于车载GPS接收机2所 收到的位置坐标信息，仅仅是接收机的实际位置，因此还需要计算车辆四角的精确坐标， 从而才能确定车辆所占有的区域。

车辆边界定义：

PDA应用程序需要车辆的长度、宽度、高度信息以及车载GPS接收机的位置信息，从 而计算车辆四角，即图2所示的A、B、C、D四个位置的精确坐标。为了计算车辆四个 角的坐标，需要计算图2中的X1、X2、Y1和Y2的长度。

确定车辆所占有的区域大小依赖于车辆自身的大小。车辆占有区域的计算有助于计算 车辆之间的实际距离，针对于检测不同车辆行为，例如碰撞是十分重要的信息。经过计算， PDA应用程序得到了车辆四角的精确坐标，该精确坐标采用WGS-84格式。这些计算的坐 标信息，连同车辆海拔高度、速度、行驶方向、时间以及车辆唯一ID，都以3秒钟的时间 间隔，不断发送给网关服务器。服务器在车辆数据库中存储文件，使用者可以不断的访问 这些文件。

具体实施方式六：下面结合图3说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一、二、 三、四或五的进一步说明，本实施方式所述步骤一中将待检测道路根据道路的等级划分为 等长的路段，所述等长的路段为500米。

以下对具体情形下的判断情况举例进行说明：

一、对追尾事故的鉴别：

假定一辆车追尾了另外一辆车，并且停在了路上。在步骤七中，首先分析该路段内车 辆的GPS数据，从而获得车辆的加速度和行驶方向。在追尾的情况下，车速下降非常快。 此外，车辆会发生一定程度的旋转，从而导致行驶方向改变。在步骤八中，地图数据的审 查结果表明，该路段内没有需要经常停车的地点，因此步骤九被跳过。由于车辆互相碰撞， 步骤十中会检测到车辆的某个角的坐标之间的距离会在危险距离以内。此时，车辆加速度 异常、驾驶方向异常的车辆被标定为可能的碰撞车辆。步骤十一会继续检测一段时间，如 果这种异常交通条件没有发生变化，则很可能是发生了碰撞事件。

二、侧撞事故鉴别：

一辆车撞在了另一辆车的侧面，导致非正常停车。

首先检测车辆的异常加速度或方向的变化；

然后根据地图数据，确定该路段是否包含或邻近某一需要经常停车地点。如果没有， 进入步骤十。如果有诸如交叉口等经常停车地点，则进入步骤九；

步骤九：在等待周期过后，如果该路段交通条件仍旧没有发生变化，则进入步骤十；

步骤十：由于车辆碰撞，因此存在车辆某个角之间的坐标发生重叠。此时，异常减速、 重叠角坐标以及行驶方向异常改变的车辆将会被标定为事故车辆；

步骤十一：继续观察一定时间，如果交通条件未发生变化，则激活事故警报。

三、车辆抛锚或与物体相撞：

车辆抛锚在路中，原因可能是机器故障或与路边物体相撞。

步骤七：单独一个车辆在某个路段内没有加速度，路段内其它车辆行驶方向发生微小 改变；

步骤八：跳过；

步骤九：跳过；

步骤十：没有识别出碰撞事故；

步骤十一：交通条件在一定时间内仍旧没有变化。

单独一个车辆在某个路段内没有加速度，以及一定时间内行驶方向发生一定的改变， 表示该车辆抛锚在路中。