專利名稱：車載實時動態(tài)交通誘導(dǎo)路徑優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及城市智能交通誘導(dǎo)系統(tǒng)中的車載誘導(dǎo)方法技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，國外的專家學(xué)者和廠商都致力于研究、開發(fā)和生產(chǎn)車載導(dǎo)航裝置及其類似產(chǎn)品。并形成了美國、日本、歐洲為最具代表性的幾個國外車載導(dǎo)航裝置的生產(chǎn)基地。但是目前市場上能夠購買到的車載導(dǎo)航設(shè)備不能滿足城市交通誘導(dǎo)對設(shè)備實時性和實用性的要求。
專利號為01274261.9的“全球移動通信系統(tǒng)定位追蹤多功能車載裝置”是由全球移動通信控制系統(tǒng)、鍵盤和液晶顯示器組成，只是提供全球移動通信追蹤定位、全球通話、防盜報警、切斷點火電路、停駛汽車、中/英文翻譯等多種功能，并能從GSM網(wǎng)上獲得各種特色信息和多功能服務(wù)功能，但是不提供實時路徑規(guī)劃和引導(dǎo)功能；專利號為99117543.3的“車載裝置”是一種使E T C車載器與導(dǎo)航系統(tǒng)成一體起作用，共享各自數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了功能的多樣化和高精度化及可靠性提高的車載裝置，但是不能提供監(jiān)控調(diào)度、地理信息查詢功能；專利號為00263679.4的“車載導(dǎo)航系統(tǒng)”包括一個顯示器；一個主機，與顯示器連接，它又包括一個用于導(dǎo)航控制的中央處理單元；一個GPS模塊，能夠接收GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)提供的汽車方位數(shù)據(jù)，輸出經(jīng)接口電路連接至中央處理單元；一個電子陀螺儀，能夠提供角速度數(shù)據(jù)與GPS模塊進行融合處理；一個存儲地圖數(shù)據(jù)的存儲設(shè)備，輸出連至中央處理單元，只是提供了在行車時顯示行車所在的位置和其他地理信息的功能。
綜上所述，現(xiàn)有的車載導(dǎo)航設(shè)備不能夠滿足實時誘導(dǎo)的需要，因此，開發(fā)適合城市交通誘導(dǎo)系統(tǒng)的車載誘導(dǎo)專用電子地圖和快速的路徑優(yōu)化軟件是目前該領(lǐng)域研發(fā)的熱點和難點。
目前車載誘導(dǎo)裝置在進行誘導(dǎo)專用電子地圖設(shè)計的過程中都沒有考慮到交通問題的實際，即沒有考慮交通系統(tǒng)是一個有人、車、路和環(huán)境構(gòu)成的復(fù)雜的大系統(tǒng)，交通誘導(dǎo)的目的是使路網(wǎng)中的車輛達到合理的分配，進而提高城市路網(wǎng)的利用率，減少車輛延誤、交通擁擠和交通事故的發(fā)生，提高駕駛安全性和環(huán)境保護。而且目前車載誘導(dǎo)裝置中采用的路徑優(yōu)化算法均采用經(jīng)典的最短路徑算法，比如Dijistra算法和A*算法，這些算法雖然能夠計算出最有路徑，但是在大規(guī)模路網(wǎng)條件下，最有路徑的求解速度慢，并且在算法設(shè)計過程中沒有考慮交通限制問題，求解的路徑即不滿足交通實際又不能滿足誘導(dǎo)實時性的要求。
技術(shù)內(nèi)容本發(fā)明提供了對符合交通誘導(dǎo)實際的車載電子地圖進行了設(shè)計與開發(fā)，建立了車載誘導(dǎo)專用電子地圖，并基于出行者特性研發(fā)出快速的最優(yōu)路徑求解技術(shù)。
本發(fā)明解決技術(shù)問題的方案是1、車載誘導(dǎo)專用電子地圖設(shè)計本發(fā)明的誘導(dǎo)專用電子地圖在設(shè)計過程中充分考慮了駕駛員特性、道路交通特性和軟件實現(xiàn)的便利性，設(shè)計出了及適合于城市交通誘導(dǎo)要求的車載專用電子地圖，其特點包括高精度、高信息量、高算法適用性和高交通規(guī)則適用性等特點。
2、于出行者特性的最有路經(jīng)計算技術(shù)本發(fā)明從城市交通的實際和出行者特性的實際出發(fā)，研發(fā)出了基于出行者特性的足有路徑算法，該算法不但能滿足最優(yōu)路徑快速求解的要求，而且能夠保證最優(yōu)路徑符合交通管制，有效避免駕駛員違章現(xiàn)象的發(fā)生。
3、導(dǎo)航程序的設(shè)計與實現(xiàn)本發(fā)明的軟件開發(fā)和設(shè)計具有一定的針對性，就是基于上述兩個技術(shù)內(nèi)容，在保證軟件系統(tǒng)實時性、穩(wěn)定性、方便性和駕駛安全性的前提下，對車載誘導(dǎo)過程進行了系統(tǒng)和詳細的分析，抽取出對車輛誘導(dǎo)過程影響比較大的諸多因素，并考慮了駕駛員的交通出行心理，進而得到了車載誘導(dǎo)裝置軟件的功能分析、模塊劃分、系統(tǒng)流程、數(shù)據(jù)字典等。
本發(fā)明通過計算機微處理器和存儲器做為載體對車載誘導(dǎo)專用電子地圖及車載誘導(dǎo)軟件程序進行設(shè)計，通過顯示器對出行的優(yōu)化路徑顯示。
車載誘導(dǎo)專用電子地圖的設(shè)計包括將車載誘導(dǎo)專用電子地圖的圖層劃分為三個基本的概念圖層類型，分別是基礎(chǔ)底層、中間查詢層和高級路徑優(yōu)化圖層，這三個概念圖層在圖層組織上是按照從下到上的原則，即基礎(chǔ)底層放在最下面用于映射城市街區(qū)和道路路網(wǎng)，中間查詢圖層具有多層屬性，是個動態(tài)的圖層，最上層時高級路徑優(yōu)化圖層，包括三個實際的圖層，分別為交叉口節(jié)點圖層、道路路段圖層和小區(qū)層，前面兩個圖層負責(zé)最優(yōu)路徑計算，小區(qū)圖層負責(zé)最優(yōu)路徑計算前的矩陣賦值工作；采用高效的匹配校準處理技術(shù)和人工校準相結(jié)合的方式誘導(dǎo)專用電子地圖經(jīng)緯度校準；對交通管制信息的表達與存儲；車載誘導(dǎo)程序的設(shè)計包括
將城市路網(wǎng)分成兩個級別，車載誘導(dǎo)專用電子地圖的主干道路作為主要道路，形成主要道路網(wǎng)，由主要道路網(wǎng)把城市路網(wǎng)劃分成一塊塊的小區(qū)域，各區(qū)域里的路網(wǎng)組成一系列的次要道路網(wǎng)；基于出行者特性的路徑優(yōu)化，實現(xiàn)過程包括起、終點的設(shè)定，起、終點所在小區(qū)判斷，最優(yōu)路徑計算路網(wǎng)生成，路網(wǎng)權(quán)值矩陣賦值，轉(zhuǎn)換數(shù)組賦值，交通限制矩陣賦值，交叉口延誤矩陣賦值，最短路經(jīng)計算，最優(yōu)路徑轉(zhuǎn)彎情況判斷和最優(yōu)路徑的顯示等幾個部分組成。
本發(fā)明具有高精度、高信息量、高算法適用性和高交通規(guī)則適用性等特點，適合于城市交通誘導(dǎo)要求，為城市駕車出行提供了有效地優(yōu)化路徑誘導(dǎo)。
圖1為車載誘導(dǎo)專用電子地層劃分圖；圖2為道路路段圖層與交叉口節(jié)點圖層的拓撲和編碼關(guān)系圖；圖3為環(huán)島處單行線信息的表達與存儲圖；圖4為限制轉(zhuǎn)彎交叉口表達和存儲圖；圖5為交叉口延誤信息的表達與存儲圖；圖6為路段行程時間動態(tài)交通信息存儲圖；圖7為交通管制信息格式圖；圖8為基于出行者特性的路徑優(yōu)化示意圖；圖9為車載誘導(dǎo)軟件總體模塊設(shè)計和總體流程圖；圖10為基于出行者特性的路徑優(yōu)化算法流程圖。
具體實施例方式下面參照附圖對本發(fā)明的實施方式作詳細說明本發(fā)明從邏輯上包括車載誘導(dǎo)專用電子地圖和誘導(dǎo)軟件兩部分組成。
1.車載誘導(dǎo)專用電子地圖的設(shè)計車載誘導(dǎo)專用電子地圖在設(shè)計過程中，充分考慮了城市交通誘導(dǎo)的諸多因素和城市地理信息系統(tǒng)的諸多因素，在地層設(shè)計、地圖經(jīng)緯度校準、交通管制信息的存儲、路段行程時間的存儲和交叉口延誤信息的存儲等方面對車載誘導(dǎo)專用電子地圖進行了設(shè)計與開發(fā)。
1)誘導(dǎo)專用電子地層設(shè)計車載誘導(dǎo)專用的電子地圖不同于普通的電子地圖，具有較低的系統(tǒng)資源占用率的特點，在電子地層設(shè)計過程中要充分考慮交通誘導(dǎo)特性和導(dǎo)航軟件在使用圖層信息的方便性?；谏鲜鲈O(shè)計原則，將車載誘導(dǎo)專用電子地圖的圖層劃分為三個基本的概念圖層類型，分別是基礎(chǔ)底層、中間查詢層和高級路徑優(yōu)化圖層。這三個概念圖層在圖層組織上是按照從下到上的原則，即基礎(chǔ)底層放在最下面用于映射城市街區(qū)和道路路網(wǎng)；中間查詢圖層具有多層屬性，是個動態(tài)的圖層，其中圖層的數(shù)量是根據(jù)用戶查詢時有程序自動具體動態(tài)添加和刪除的；最上層時高級路徑優(yōu)化圖層，包括三個實際的圖層，分別為交叉口節(jié)點圖層、道路路段圖層和小區(qū)層，這三個圖層的特征屬性設(shè)置位不可見，前面兩個圖層負責(zé)最優(yōu)路徑計算，小區(qū)圖層負責(zé)最優(yōu)路徑計算前的矩陣賦值工作。這些圖層的關(guān)系如圖1所示。交叉口節(jié)點圖層和道路路段圖層之間具有一定的空間拓撲關(guān)系，在這兩個圖層繪制的過程中要求路段圖層中每個路段的起點和終點必須與路段兩端的交叉口節(jié)點的經(jīng)緯度保持一致，在路段編號屬性采用交叉口節(jié)點編號表達，具體表達方式如圖2所示。
2)誘導(dǎo)專用電子地圖經(jīng)緯度校準車載誘導(dǎo)專用電子地圖要求具有相當高的精度，高的精度是保證車輛定位、地圖匹配和高效率路徑優(yōu)化的前提條件。然而一般的電子地圖采用掃描后矢量化的方式制作，地圖誤差在70米至100多米不等，如果再加上GPS等定位設(shè)備的定位誤差10米至20米，要實現(xiàn)精確的車輛定位于顯示基本上是不可能的。本發(fā)明采用高效的匹配校準處理技術(shù)和人工校準相結(jié)合的方式，大大提高了誘導(dǎo)專用電子地圖的精度校準的工作效率。
3)交通管制信息的表達與存儲交通管制信息是綜合交通環(huán)境中人的因素的具體體現(xiàn)，交通管制信息也是交通規(guī)則的具體體現(xiàn)，其中對車輛誘導(dǎo)影響最大的包括限制轉(zhuǎn)彎信息、單行線信息和禁止駛?cè)胄畔?。在車載誘導(dǎo)專用電子地圖中成功的表達和存儲這些信息是實現(xiàn)車載誘導(dǎo)裝置最優(yōu)路徑計算實用性的關(guān)鍵。
單行線信息的表達與存儲單行線信息在交通規(guī)則中表現(xiàn)為只允許一個方向通行的道路或路段。在車載誘導(dǎo)專用電子地圖中，單行線信息存儲在路段圖層中，可以采用0、1編碼的方式表示一條路段是否為單行線。舉例說明，比如編號為“102-203”的路段，在單行線信息屬性中如果為“0”，則表示從交叉口“102”至“203”方向不是單行線，而從交叉口“203”到交叉口“102”的方向為單行線方向。即“0”表示與路段編號方向相反的方向為單行線，“1”表示與路段編號方向相同的方向為單行線方向。圖3為環(huán)島交通處單行線信息的表達與存儲。
限制轉(zhuǎn)彎信息的表達與存儲交通管制信息的限制轉(zhuǎn)彎信息表現(xiàn)在某個交叉口限制左轉(zhuǎn)彎以及禁止調(diào)頭等信息。這些交通信息屬于相對靜止的交通信息，但是隨著道路和交通設(shè)施的建設(shè)，這些限制標志也會有相應(yīng)的改動。本發(fā)明針對城市交通的這種特性，設(shè)計出了適合于車載交通誘導(dǎo)的限制轉(zhuǎn)彎表達和存儲方式，并將這些信息保存在電子地圖中，這些信息的更新隨同電子地圖一起更新。
交通限制轉(zhuǎn)彎和調(diào)頭的信息主要表現(xiàn)在交叉口節(jié)點之間的一種對應(yīng)關(guān)系，因此這些信息需要存儲在交叉口節(jié)點圖層中，具體的表達方式為選取當前交叉口編號以及其上游和下交叉口編號組合表示的方法。如圖4所示為限制左轉(zhuǎn)彎信息的地圖表達和存儲。其中節(jié)點“12”處共有兩個限制轉(zhuǎn)彎，分別為從節(jié)點“11”經(jīng)節(jié)點“12”到達節(jié)點“13”和節(jié)點“16”都是違章的，這兩個信息之間用“；”分隔開。
4)路段行程時間等動態(tài)交通信息的存儲路段行程時間是反映城市交通狀況的一個重要參數(shù)，同時也是計算時間最優(yōu)路徑的一個重要指標。對于車載誘導(dǎo)裝置而言，它本身不能夠采集到路段行程時間數(shù)據(jù)，路段行程時間數(shù)據(jù)是由交通信息服務(wù)中心通過無線傳輸?shù)姆绞教峁┑?。因此，路段行程時間數(shù)據(jù)不能存放在電子地圖中，否則就會對電子地圖進行大量的讀寫數(shù)據(jù)操作，導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降。
本發(fā)明從交通誘導(dǎo)的實際出發(fā)，將路段行程時間與道路圖層建立相應(yīng)的聯(lián)系，通過道路圖層中的路段編號唯一對應(yīng)一個路段行程時間數(shù)據(jù)。具體的存儲格式如圖6所示。
對于動態(tài)的交通管制信息可以采用上述的交通管制信息格式，由交通信息中心動態(tài)發(fā)送。具體格式如圖7所示。
其中上表限制信息中的“16:00-17:00”表示單行線交通的持續(xù)時間。
5)交叉口延誤信息的表達與存儲在計算時間最優(yōu)路徑的過程中不僅需要考慮路段行程時間信息，而且需要考慮車輛在交叉口的延誤信息。車輛在交叉口的延誤與具體的行車方向有關(guān)，因此在計算時間最優(yōu)路徑時需要先判斷最優(yōu)路徑的軌跡方向，然后再加入對應(yīng)方向上的交叉口延誤信息。
交叉口的延誤信息的表達可以借鑒上述限制轉(zhuǎn)彎的表達方式，采用上游和下游交叉口組合編碼的方式表示轉(zhuǎn)彎情況，將該方向相應(yīng)的交叉口延誤信息存儲在這個位置上。交叉口的延誤信息和路段行程時間信息一樣，都是由交通信息中心提供的，因此不能直接存儲在電子地圖中。將交叉口節(jié)點圖層和交叉口延誤數(shù)據(jù)文件建立唯一的對應(yīng)關(guān)系。具體的數(shù)據(jù)文件個輸如圖5所示。其中交叉口延誤一列中，第一個分號以前的部分為上圖所示的交叉口延誤情況，具體意思是由交叉口“2”經(jīng)交叉口“1”到達交叉口“3”的延誤時間是10分鐘，到交叉口“4”的延誤時間是8分鐘，到達交叉口“5”的延誤時間是2分鐘。
2.車載誘導(dǎo)軟件設(shè)計1)基于出行者特性的路徑優(yōu)化思想介紹基于出行者特性的路徑優(yōu)化思想，簡單來說就是從駕駛員的角度出發(fā)來考慮最優(yōu)路徑優(yōu)化問題。目前現(xiàn)有的最短路徑算法在大規(guī)模路網(wǎng)條件下求解速度慢，不能夠滿足交通誘導(dǎo)對車載誘導(dǎo)裝置實時性的要求。交通誘導(dǎo)的目的是使城市路網(wǎng)中的交通流量達到合理的分配，減少交通擁擠，提高道路交通利用率。然而，相比于最短路徑求解的時間，保證誘導(dǎo)的實時性更有意義，因此，在考慮最優(yōu)路徑求解過程中，可以去處路網(wǎng)中一些駕駛員不可能選擇的道路，減少參與路經(jīng)計算路網(wǎng)的數(shù)量，進而大幅度的提高路徑優(yōu)化的速度?；诔鲂姓咛匦缘穆窂絻?yōu)劃算發(fā)求解的最優(yōu)路徑不是嚴格意義上的系統(tǒng)最優(yōu)路徑，是次最優(yōu)或者次次最優(yōu)路徑。基于出行者特性的路徑優(yōu)化思想是基于準用戶最優(yōu)動態(tài)交通分配理論的。
基于出行者特性的路徑優(yōu)化技術(shù)，通過調(diào)查和分析駕駛員選擇行駛道路的特點，把城市路網(wǎng)分成兩個級別(如果研究區(qū)域交通，可以增加道路級別)。駕駛員慣走的道路作為主要道路，形成主要道路網(wǎng)，由主要道路網(wǎng)把城市路網(wǎng)劃分成一塊塊的小區(qū)域，各區(qū)域里的路網(wǎng)組成一系列的次要道路網(wǎng)。進行路線優(yōu)化時，由駕駛員出行起、訖點所在的兩個次要道路網(wǎng)和主要道路網(wǎng)組成真正的路線優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)。從而達到簡化搜索路網(wǎng)，并最終提高搜索速度的目的。如圖8所示，最優(yōu)路經(jīng)計算過程先經(jīng)過了起點所在小區(qū)K，然后經(jīng)過中間小區(qū)M的邊緣的主要道路，最后到達終點所在小區(qū)L內(nèi)的終點。
2)軟件系統(tǒng)模塊劃分和總體流程設(shè)計基于上述的最優(yōu)路徑優(yōu)化技術(shù)和誘導(dǎo)專用電子地圖技術(shù)，本發(fā)明對車載誘導(dǎo)裝置軟件進行了功能設(shè)計和模塊劃分，具體包括矢量電子地圖、車輛定位模塊、地圖匹配模塊、路徑規(guī)劃模塊、路徑引導(dǎo)模塊、地理信息查詢模塊、無線通信模塊、軌跡記錄模塊。這些模塊之間的關(guān)系流程如圖9所示，其中，電子地圖模塊示總體模塊流程中的核心，負責(zé)著數(shù)據(jù)的現(xiàn)實和交互。路徑優(yōu)化模塊是總體流程中的重要一部分，但是它不能脫離其他模塊而獨立工作，原因在于路徑優(yōu)化模塊中所需要的數(shù)據(jù)需要有其他模塊提供。
3)基于出行者特性的路徑優(yōu)化模塊的實現(xiàn)基于出行者特性的路徑優(yōu)化模塊的實現(xiàn)過程主要包括起、終點的設(shè)定，起、終點所在小區(qū)判斷，最優(yōu)路徑計算路網(wǎng)生成，路網(wǎng)權(quán)值矩陣賦值，轉(zhuǎn)換數(shù)組賦值，交通限制矩陣賦值，交叉口延誤矩陣賦值，最短路經(jīng)計算，最優(yōu)路徑轉(zhuǎn)彎情況判斷和最優(yōu)路徑的顯示等幾個部分組成。具體流程參見圖10。
權(quán)利要求
1.一種車載實時動態(tài)交通誘導(dǎo)路徑優(yōu)化方法，其特征在于包括車載誘導(dǎo)專用電子地圖及車載誘導(dǎo)軟件程序的設(shè)計，其中車載誘導(dǎo)專用電子地圖的設(shè)計包括將車載誘導(dǎo)專用電子地圖的圖層劃分為三個基本的概念圖層類型，分別是基礎(chǔ)底層、中間查詢層和高級路徑優(yōu)化圖層，這三個概念圖層在圖層組織上是按照從下到上的原則，即基礎(chǔ)底層放在最下面用于映射城市街區(qū)和道路路網(wǎng)，中間查詢圖層具有多層屬性，是個動態(tài)的圖層，最上層時高級路徑優(yōu)化圖層，包括三個實際的圖層，分別為交叉口節(jié)點圖層、道路路段圖層和小區(qū)層，前面兩個圖層負責(zé)最優(yōu)路徑計算，小區(qū)圖層負責(zé)最優(yōu)路徑計算前的矩陣賦值工作；采用高效的匹配校準處理技術(shù)和人工校準相結(jié)合的方式誘導(dǎo)專用電子地圖經(jīng)緯度校準；對交通管制信息的表達與存儲；車載誘導(dǎo)程序的設(shè)計包括將城市路網(wǎng)分成兩個級別，車載誘導(dǎo)專用電子地圖的主干道路作為主要道路，形成主要道路網(wǎng)，由主要道路網(wǎng)把城市路網(wǎng)劃分成一塊塊的小區(qū)域，各區(qū)域里的路網(wǎng)組成一系列的次要道路網(wǎng)；基于出行者特性的路徑優(yōu)化，實現(xiàn)過程包括起、終點的設(shè)定，起、終點所在小區(qū)判斷，最優(yōu)路徑計算路網(wǎng)生成，路網(wǎng)權(quán)值矩陣賦值，轉(zhuǎn)換數(shù)組賦值，交通限制矩陣賦值，交叉口延誤矩陣賦值，最短路經(jīng)計算，最優(yōu)路徑轉(zhuǎn)彎情況判斷和最優(yōu)路徑的顯示部分組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的車載實時動態(tài)交通誘導(dǎo)路徑優(yōu)化方法，其特征在于所述的車載誘導(dǎo)專用電子地圖的設(shè)計中交通管制信息的表達與存儲包括限制轉(zhuǎn)彎信息、單行線信息和禁止駛?cè)胄畔ⅰ?br>
3.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的車載實時動態(tài)交通誘導(dǎo)路徑優(yōu)化方法，其特征在于所述限制轉(zhuǎn)彎信息為選取當前交叉口編號以及其上游和下交叉口編號組合表示的方法。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的車載實時動態(tài)交通誘導(dǎo)路徑優(yōu)化方法，其特征在于所述單行線信息采用0、1編碼的方式表示一條路段是否為單行線。
全文摘要
一種車載實時動態(tài)交通誘導(dǎo)路徑優(yōu)化方法，涉及城市智能交通誘導(dǎo)系統(tǒng)中的車載誘導(dǎo)方法技術(shù)領(lǐng)域。通過計算機微處理器和存儲器做為載體對車載誘導(dǎo)專用電子地圖及車載誘導(dǎo)軟件程序進行設(shè)計，通過顯示器對出行的優(yōu)化路徑顯示。本發(fā)明具有高精度、高信息量、高算法適用性和高交通規(guī)則適用性等特點，適合于城市交通誘導(dǎo)要求，為城市駕車出行提供了有效地優(yōu)化路徑誘導(dǎo)。
文檔編號G08G1/0969GK1804932SQ20061001654
公開日2006年7月19日 申請日期2006年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月19日
發(fā)明者楊兆升, 于德新, 楊楠, 王薇, 楊慶芳, 張 林, 汪健, 劉紅紅, 王媛 申請人:吉林大學(xué)