专利名称：车载实时动态交通诱导路径优化方法
技术领域：
本发明涉及城市智能交通诱导系统中的车载诱导方法技术领域。
背景技术：
目前，国外的专家学者和厂商都致力于研究、开发和生产车载导航装置及其类似产品。并形成了美国、日本、欧洲为最具代表性的几个国外车载导航装置的生产基地。但是目前市场上能够购买到的车载导航设备不能满足城市交通诱导对设备实时性和实用性的要求。
专利号为01274261.9的“全球移动通信系统定位追踪多功能车载装置”是由全球移动通信控制系统、键盘和液晶显示器组成，只是提供全球移动通信追踪定位、全球通话、防盗报警、切断点火电路、停驶汽车、中/英文翻译等多种功能，并能从GSM网上获得各种特色信息和多功能服务功能，但是不提供实时路径规划和引导功能；专利号为99117543.3的“车载装置”是一种使E T C车载器与导航系统成一体起作用，共享各自数据，实现了功能的多样化和高精度化及可靠性提高的车载装置，但是不能提供监控调度、地理信息查询功能；专利号为00263679.4的“车载导航系统”包括一个显示器；一个主机，与显示器连接，它又包括一个用于导航控制的中央处理单元；一个GPS模块，能够接收GPS卫星定位系统提供的汽车方位数据，输出经接口电路连接至中央处理单元；一个电子陀螺仪，能够提供角速度数据与GPS模块进行融合处理；一个存储地图数据的存储设备，输出连至中央处理单元，只是提供了在行车时显示行车所在的位置和其他地理信息的功能。
综上所述，现有的车载导航设备不能够满足实时诱导的需要，因此，开发适合城市交通诱导系统的车载诱导专用电子地图和快速的路径优化软件是目前该领域研发的热点和难点。
目前车载诱导装置在进行诱导专用电子地图设计的过程中都没有考虑到交通问题的实际，即没有考虑交通系统是一个有人、车、路和环境构成的复杂的大系统，交通诱导的目的是使路网中的车辆达到合理的分配，进而提高城市路网的利用率，减少车辆延误、交通拥挤和交通事故的发生，提高驾驶安全性和环境保护。而且目前车载诱导装置中采用的路径优化算法均采用经典的最短路径算法，比如Dijistra算法和A*算法，这些算法虽然能够计算出最有路径，但是在大规模路网条件下，最有路径的求解速度慢，并且在算法设计过程中没有考虑交通限制问题，求解的路径即不满足交通实际又不能满足诱导实时性的要求。
技术内容本发明提供了对符合交通诱导实际的车载电子地图进行了设计与开发，建立了车载诱导专用电子地图，并基于出行者特性研发出快速的最优路径求解技术。
本发明解决技术问题的方案是1、车载诱导专用电子地图设计本发明的诱导专用电子地图在设计过程中充分考虑了驾驶员特性、道路交通特性和软件实现的便利性，设计出了及适合于城市交通诱导要求的车载专用电子地图，其特点包括高精度、高信息量、高算法适用性和高交通规则适用性等特点。
2、于出行者特性的最有路经计算技术本发明从城市交通的实际和出行者特性的实际出发，研发出了基于出行者特性的足有路径算法，该算法不但能满足最优路径快速求解的要求，而且能够保证最优路径符合交通管制，有效避免驾驶员违章现象的发生。
3、导航程序的设计与实现本发明的软件开发和设计具有一定的针对性，就是基于上述两个技术内容，在保证软件系统实时性、稳定性、方便性和驾驶安全性的前提下，对车载诱导过程进行了系统和详细的分析，抽取出对车辆诱导过程影响比较大的诸多因素，并考虑了驾驶员的交通出行心理，进而得到了车载诱导装置软件的功能分析、模块划分、系统流程、数据字典等。
本发明通过计算机微处理器和存储器做为载体对车载诱导专用电子地图及车载诱导软件程序进行设计，通过显示器对出行的优化路径显示。
车载诱导专用电子地图的设计包括将车载诱导专用电子地图的图层划分为三个基本的概念图层类型，分别是基础底层、中间查询层和高级路径优化图层，这三个概念图层在图层组织上是按照从下到上的原则，即基础底层放在最下面用于映射城市街区和道路路网，中间查询图层具有多层属性，是个动态的图层，最上层时高级路径优化图层，包括三个实际的图层，分别为交叉口节点图层、道路路段图层和小区层，前面两个图层负责最优路径计算，小区图层负责最优路径计算前的矩阵赋值工作；采用高效的匹配校准处理技术和人工校准相结合的方式诱导专用电子地图经纬度校准；对交通管制信息的表达与存储；车载诱导程序的设计包括
将城市路网分成两个级别，车载诱导专用电子地图的主干道路作为主要道路，形成主要道路网，由主要道路网把城市路网划分成一块块的小区域，各区域里的路网组成一系列的次要道路网；基于出行者特性的路径优化，实现过程包括起、终点的设定，起、终点所在小区判断，最优路径计算路网生成，路网权值矩阵赋值，转换数组赋值，交通限制矩阵赋值，交叉口延误矩阵赋值，最短路经计算，最优路径转弯情况判断和最优路径的显示等几个部分组成。
本发明具有高精度、高信息量、高算法适用性和高交通规则适用性等特点，适合于城市交通诱导要求，为城市驾车出行提供了有效地优化路径诱导。
图1为车载诱导专用电子地层划分图；图2为道路路段图层与交叉口节点图层的拓扑和编码关系图；图3为环岛处单行线信息的表达与存储图；图4为限制转弯交叉口表达和存储图；图5为交叉口延误信息的表达与存储图；图6为路段行程时间动态交通信息存储图；图7为交通管制信息格式图；图8为基于出行者特性的路径优化示意图；图9为车载诱导软件总体模块设计和总体流程图；图10为基于出行者特性的路径优化算法流程图。
具体实施例方式下面参照附图对本发明的实施方式作详细说明本发明从逻辑上包括车载诱导专用电子地图和诱导软件两部分组成。
1.车载诱导专用电子地图的设计车载诱导专用电子地图在设计过程中，充分考虑了城市交通诱导的诸多因素和城市地理信息系统的诸多因素，在地层设计、地图经纬度校准、交通管制信息的存储、路段行程时间的存储和交叉口延误信息的存储等方面对车载诱导专用电子地图进行了设计与开发。
1)诱导专用电子地层设计车载诱导专用的电子地图不同于普通的电子地图，具有较低的系统资源占用率的特点，在电子地层设计过程中要充分考虑交通诱导特性和导航软件在使用图层信息的方便性。基于上述设计原则，将车载诱导专用电子地图的图层划分为三个基本的概念图层类型，分别是基础底层、中间查询层和高级路径优化图层。这三个概念图层在图层组织上是按照从下到上的原则，即基础底层放在最下面用于映射城市街区和道路路网；中间查询图层具有多层属性，是个动态的图层，其中图层的数量是根据用户查询时有程序自动具体动态添加和删除的；最上层时高级路径优化图层，包括三个实际的图层，分别为交叉口节点图层、道路路段图层和小区层，这三个图层的特征属性设置位不可见，前面两个图层负责最优路径计算，小区图层负责最优路径计算前的矩阵赋值工作。这些图层的关系如图1所示。交叉口节点图层和道路路段图层之间具有一定的空间拓扑关系，在这两个图层绘制的过程中要求路段图层中每个路段的起点和终点必须与路段两端的交叉口节点的经纬度保持一致，在路段编号属性采用交叉口节点编号表达，具体表达方式如图2所示。
2)诱导专用电子地图经纬度校准车载诱导专用电子地图要求具有相当高的精度，高的精度是保证车辆定位、地图匹配和高效率路径优化的前提条件。然而一般的电子地图采用扫描后矢量化的方式制作，地图误差在70米至100多米不等，如果再加上GPS等定位设备的定位误差10米至20米，要实现精确的车辆定位于显示基本上是不可能的。本发明采用高效的匹配校准处理技术和人工校准相结合的方式，大大提高了诱导专用电子地图的精度校准的工作效率。
3)交通管制信息的表达与存储交通管制信息是综合交通环境中人的因素的具体体现，交通管制信息也是交通规则的具体体现，其中对车辆诱导影响最大的包括限制转弯信息、单行线信息和禁止驶入信息。在车载诱导专用电子地图中成功的表达和存储这些信息是实现车载诱导装置最优路径计算实用性的关键。
单行线信息的表达与存储单行线信息在交通规则中表现为只允许一个方向通行的道路或路段。在车载诱导专用电子地图中，单行线信息存储在路段图层中，可以采用0、1编码的方式表示一条路段是否为单行线。举例说明，比如编号为“102-203”的路段，在单行线信息属性中如果为“0”，则表示从交叉口“102”至“203”方向不是单行线，而从交叉口“203”到交叉口“102”的方向为单行线方向。即“0”表示与路段编号方向相反的方向为单行线，“1”表示与路段编号方向相同的方向为单行线方向。图3为环岛交通处单行线信息的表达与存储。
限制转弯信息的表达与存储交通管制信息的限制转弯信息表现在某个交叉口限制左转弯以及禁止调头等信息。这些交通信息属于相对静止的交通信息，但是随着道路和交通设施的建设，这些限制标志也会有相应的改动。本发明针对城市交通的这种特性，设计出了适合于车载交通诱导的限制转弯表达和存储方式，并将这些信息保存在电子地图中，这些信息的更新随同电子地图一起更新。
交通限制转弯和调头的信息主要表现在交叉口节点之间的一种对应关系，因此这些信息需要存储在交叉口节点图层中，具体的表达方式为选取当前交叉口编号以及其上游和下交叉口编号组合表示的方法。如图4所示为限制左转弯信息的地图表达和存储。其中节点“12”处共有两个限制转弯，分别为从节点“11”经节点“12”到达节点“13”和节点“16”都是违章的，这两个信息之间用“；”分隔开。
4)路段行程时间等动态交通信息的存储路段行程时间是反映城市交通状况的一个重要参数，同时也是计算时间最优路径的一个重要指标。对于车载诱导装置而言，它本身不能够采集到路段行程时间数据，路段行程时间数据是由交通信息服务中心通过无线传输的方式提供的。因此，路段行程时间数据不能存放在电子地图中，否则就会对电子地图进行大量的读写数据操作，导致系统性能下降。
本发明从交通诱导的实际出发，将路段行程时间与道路图层建立相应的联系，通过道路图层中的路段编号唯一对应一个路段行程时间数据。具体的存储格式如图6所示。
对于动态的交通管制信息可以采用上述的交通管制信息格式，由交通信息中心动态发送。具体格式如图7所示。
其中上表限制信息中的“16:00-17:00”表示单行线交通的持续时间。
5)交叉口延误信息的表达与存储在计算时间最优路径的过程中不仅需要考虑路段行程时间信息，而且需要考虑车辆在交叉口的延误信息。车辆在交叉口的延误与具体的行车方向有关，因此在计算时间最优路径时需要先判断最优路径的轨迹方向，然后再加入对应方向上的交叉口延误信息。
交叉口的延误信息的表达可以借鉴上述限制转弯的表达方式，采用上游和下游交叉口组合编码的方式表示转弯情况，将该方向相应的交叉口延误信息存储在这个位置上。交叉口的延误信息和路段行程时间信息一样，都是由交通信息中心提供的，因此不能直接存储在电子地图中。将交叉口节点图层和交叉口延误数据文件建立唯一的对应关系。具体的数据文件个输如图5所示。其中交叉口延误一列中，第一个分号以前的部分为上图所示的交叉口延误情况，具体意思是由交叉口“2”经交叉口“1”到达交叉口“3”的延误时间是10分钟，到交叉口“4”的延误时间是8分钟，到达交叉口“5”的延误时间是2分钟。
2.车载诱导软件设计1)基于出行者特性的路径优化思想介绍基于出行者特性的路径优化思想，简单来说就是从驾驶员的角度出发来考虑最优路径优化问题。目前现有的最短路径算法在大规模路网条件下求解速度慢，不能够满足交通诱导对车载诱导装置实时性的要求。交通诱导的目的是使城市路网中的交通流量达到合理的分配，减少交通拥挤，提高道路交通利用率。然而，相比于最短路径求解的时间，保证诱导的实时性更有意义，因此，在考虑最优路径求解过程中，可以去处路网中一些驾驶员不可能选择的道路，减少参与路经计算路网的数量，进而大幅度的提高路径优化的速度。基于出行者特性的路径优划算发求解的最优路径不是严格意义上的系统最优路径，是次最优或者次次最优路径。基于出行者特性的路径优化思想是基于准用户最优动态交通分配理论的。
基于出行者特性的路径优化技术，通过调查和分析驾驶员选择行驶道路的特点，把城市路网分成两个级别(如果研究区域交通，可以增加道路级别)。驾驶员惯走的道路作为主要道路，形成主要道路网，由主要道路网把城市路网划分成一块块的小区域，各区域里的路网组成一系列的次要道路网。进行路线优化时，由驾驶员出行起、讫点所在的两个次要道路网和主要道路网组成真正的路线优化网络。从而达到简化搜索路网，并最终提高搜索速度的目的。如图8所示，最优路经计算过程先经过了起点所在小区K，然后经过中间小区M的边缘的主要道路，最后到达终点所在小区L内的终点。
2)软件系统模块划分和总体流程设计基于上述的最优路径优化技术和诱导专用电子地图技术，本发明对车载诱导装置软件进行了功能设计和模块划分，具体包括矢量电子地图、车辆定位模块、地图匹配模块、路径规划模块、路径引导模块、地理信息查询模块、无线通信模块、轨迹记录模块。这些模块之间的关系流程如图9所示，其中，电子地图模块示总体模块流程中的核心，负责着数据的现实和交互。路径优化模块是总体流程中的重要一部分，但是它不能脱离其他模块而独立工作，原因在于路径优化模块中所需要的数据需要有其他模块提供。
3)基于出行者特性的路径优化模块的实现基于出行者特性的路径优化模块的实现过程主要包括起、终点的设定，起、终点所在小区判断，最优路径计算路网生成，路网权值矩阵赋值，转换数组赋值，交通限制矩阵赋值，交叉口延误矩阵赋值，最短路经计算，最优路径转弯情况判断和最优路径的显示等几个部分组成。具体流程参见图10。
权利要求
1.一种车载实时动态交通诱导路径优化方法，其特征在于包括车载诱导专用电子地图及车载诱导软件程序的设计，其中车载诱导专用电子地图的设计包括将车载诱导专用电子地图的图层划分为三个基本的概念图层类型，分别是基础底层、中间查询层和高级路径优化图层，这三个概念图层在图层组织上是按照从下到上的原则，即基础底层放在最下面用于映射城市街区和道路路网，中间查询图层具有多层属性，是个动态的图层，最上层时高级路径优化图层，包括三个实际的图层，分别为交叉口节点图层、道路路段图层和小区层，前面两个图层负责最优路径计算，小区图层负责最优路径计算前的矩阵赋值工作；采用高效的匹配校准处理技术和人工校准相结合的方式诱导专用电子地图经纬度校准；对交通管制信息的表达与存储；车载诱导程序的设计包括将城市路网分成两个级别，车载诱导专用电子地图的主干道路作为主要道路，形成主要道路网，由主要道路网把城市路网划分成一块块的小区域，各区域里的路网组成一系列的次要道路网；基于出行者特性的路径优化，实现过程包括起、终点的设定，起、终点所在小区判断，最优路径计算路网生成，路网权值矩阵赋值，转换数组赋值，交通限制矩阵赋值，交叉口延误矩阵赋值，最短路经计算，最优路径转弯情况判断和最优路径的显示部分组成。
2.根据权利要求1所述的车载实时动态交通诱导路径优化方法，其特征在于所述的车载诱导专用电子地图的设计中交通管制信息的表达与存储包括限制转弯信息、单行线信息和禁止驶入信息。
3.根据权利要求1、2所述的车载实时动态交通诱导路径优化方法，其特征在于所述限制转弯信息为选取当前交叉口编号以及其上游和下交叉口编号组合表示的方法。
4.根据权利要求1、2所述的车载实时动态交通诱导路径优化方法，其特征在于所述单行线信息采用0、1编码的方式表示一条路段是否为单行线。
全文摘要
一种车载实时动态交通诱导路径优化方法，涉及城市智能交通诱导系统中的车载诱导方法技术领域。通过计算机微处理器和存储器做为载体对车载诱导专用电子地图及车载诱导软件程序进行设计，通过显示器对出行的优化路径显示。本发明具有高精度、高信息量、高算法适用性和高交通规则适用性等特点，适合于城市交通诱导要求，为城市驾车出行提供了有效地优化路径诱导。
文档编号G08G1/0969GK1804932SQ20061001654
公开日2006年7月19日 申请日期2006年1月19日 优先权日2006年1月19日
发明者杨兆升, 于德新, 杨楠, 王薇, 杨庆芳, 张 林, 汪健, 刘红红, 王媛 申请人:吉林大学