道路交通信息获取多参量感知与传感器网络优化

【摘要】全时空、网络化、大规模的道路交通信息获取为智能交通系统提供重要的数据基础,尤其是利用传感器网络技术实现路网中的单点、断面、区域交通流信息获取已成为当前智能交通系统获取道路交通信息的一个重要方式,并在世界各国大、中城市中表现的越来越突出。由于交通信息的时空相关性,路段、路网交通信息能够以道路上关键点的交通信息为基础,通过时空模型、交通流模型、关系模型等推导得知。另外,由于交通信息的时空相关性,加之工程资金、建设成本等约束条件,利用传感器网络技术研究单点、断面、区域的综合交通信息获取方法已成为智能交通系统研究领域的重点方向,对道路交通信息获取传感器网络(TIASN)相关理论、技术和方法的研究具有重要的理论和现实意义。本文以全时空、网络化、大规模的道路交通信息获取的实际需求为背景,重点解决如何实现TIASN网络中单个传感器获取尽可能丰富的多参量交通信息(微观层)、如何实现TIASN网络的信息标准化及最优物理拓扑和逻辑拓扑(中观层)以及如何实现TIASN网络大规模部署时的最优传感器布局(宏观层)等问题。本文针对这些问题及其子问题进行了深入研究,主要研究成果具体表现在以下几个方面：(1)形成了一种基于多功能地磁传感器的交通信息多参量获取方法,综合实现交通流参数和交通流构成要素等交通信息感知与获取针对微观层的TIASN网络检测节点问题,本文分别提出了双窗口车辆检测算法、车辆停驶检测算法和环境自适应的改进算法实现了面向不同实际应用、适应不同道路交通环境的高准确率交通流量检测；针对不同的多功能地磁传感器硬件配置环境,分别提出基于单模块传感器和双模块传感器的车辆速度获取方法,并通过视频数据对计算结果进行了验证；通过提取车辆波形数据的时、频域特征,分别提出时域、频域车型分类模型和算法,以适应不同的传感器硬件特点,实现了交通流构成要素的实时检测。(2)提出了一种实现信息标准化的网络节点语义编码方法及一套以低成本、低功耗为目标的传感器网络拓扑优化方法针对中观层的TIASN网络信息标准化及各子网拓扑优化问题,探讨了TIASN网络的层次架构和节点功能,并给出了网络节点语义编码方法,为交通信息共享和节点语义编码标准化提供支持；提出了物理拓扑优化的多次多重背包模型和通信拓扑优化的边权图模型,实现了TIASN网络物理拓扑及通信拓扑优化,保证了工程上TIASN网络部署的经济性和信息传输的高效性,从而构建出经济、高效、长寿命的TIASN网络。(3)提出了基于固定传感器的交通信息可信度空间分布模型及测度,基于该测度面向不同实际应用需求建立了传感器网络布局优化模型及方法针对宏观层的TIASN网络空间大规模部署问题,基于固定传感器的交通信息可信度空间分布特性,建立了三维交通信息可信度空间分布模型,定义了不同空间粒度下的交通信息可信度空间分布测度——传感器、路段、路网信息可信度函数,并进行了实证研究；基于该测度,考虑到交通信息完备性和有效性需求,建立了单向路段最小投资模型；通过引入传感器附加价值因子,建立了单向路段最大效益模型；为了能够分析各模型参数对传感器网络布局优化问题的影响模式,对离散模型连续化,分别给出两类模型的简化形式。研究结果表明本文提出的模型和算法能够在工程上指导TIASN网络大规模布局优化问题。最后从理论上对不同交通信息可信度空间分布特性和路段端点约束条件下的传感器网络布局优化问题进行了分析和讨论,证明了本文提出的新测度在交通信息可信度空间分布度量和传感器网络布局优化应用中的有效性。本文通过对TIASN网络多参量感知、网络信息标准与拓扑优化、大规模空间布局优化等问题的研究,并以交通信息获取的实际需求为背景,利用工程实例、场景实例或数值实例对本文提出的技术、方法和理论进行了验证；并针对工程中的实际情形给出了解决方案,证明了本文提出的各方法的实用性和有效性。最后,在当前研究工作的基础上,本文还确定了需要进一步开展研究的问题和方向。
【作者】李海舰；
【导师】贾利民；董宏辉；
【作者基本信息】北京交通大学，系统工程，2014，博士
【关键词】交通工程；交通信息获取；多参量感知；地磁传感器；传感器网络；车型分类；网络拓扑优化；信息可信度函数；传感器网络布局问题；

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