CN101929864A - 一种路面交通导航系统及导航路线生成方法 - Google Patents

Abstract

一种路面交通导航系统，包括路面交通监视系统、信息处理中心、智能终端，路面交通监视系统由若干监视器组成，遍布于各个路段，监视所在路段的路面即时交通情况，并定时刷新信息处理中心中存储的此部分信息；信息处理中心内存储有处于路面交通监视系统内所有路段和节点的地图、车辆信息及交通信息；用户在智能终端上输入导航请求，智能终端请求信息处理中心根据用户车辆ID反馈针对该用户定制的路况信息，并根据该信息生成导航路线显示给用户；在初次生成导航路线后，智能终端定时滚动更新导航路线，给出行者提供实时有效的信息，帮助他们更好地进行路径选择，缩减出行时间，让车辆绕过拥挤路段，避免加入到拥挤路段中，避免出现大规模交通拥挤。

Description

一种路面交通导航系统及导航路线生成方法

技术领域

本发明涉及一种路面交通导航系统及导航路线生成方法，尤其涉及一种城市路面交通导航系统及导航路线生成方法。

背景技术

随着汽车的普及，道路拥堵已成为人们逐渐关注的问题。据资料显示，美国全国每年因交通堵车所浪费的汽油和时间对美国造成的经济方面的损失高达680亿美元，北京也陷入了“拥有最宽阔的马路，也拥有最宽阔的‘停车场’”的困境，严重影响了城市的运转效率。

在生活节奏日益加快的今天，人们驾车出行时越来越看重的是到达目的地所需花费的时间，现实中因为季节气候、突发事故、路面施工等等高度不确定因素的影响，单纯根据电子地图导航系统得到的最短路径往往并不能够引导用户避开拥堵地段，不是真正意义上的最佳路线。

专利200810041079公布了一种动态路况信息生成及导航系统，能够根据出发时出发点和目的地之间的实时路况信息、预测路况信息、默认路况信息和电子地图进行模拟计算给出路线方案，然而这样的导航系统是针对出发时的路况和历史经验估算得到的路线选择，与行进中的实时路况不是完全一致的，如果用户在出发后其导航路线上的某路段因突发情况引起堵塞，用户车辆在不知情的情况下进入此类路段时往往很难调头离开，此时导航系统虽然会因为实际行驶时间与预计时间的偏差超出规定范围而重新计算导航路线，但此路线修定是在用户陷入交通拥堵后作出的补救措施，不能引导用户在拥堵地段前就避开该路段，会浪费用户的时间，当大量车辆在不知情的情况下驶入拥堵地段时，会造成更大的堵塞，甚至影响周围路段的交通。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种根据前方道路的短期交通流情况提供并不断滚动更新的导航路线生成方法及导航系统。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种路面交通导航系统，其特征在于：所述导航系统包括路面交通监视系统、信息处理中心、智能终端，其中：

路面交通监视系统由若干监视器组成，遍布于各个路段，监视所在路段的路面即时交通情况，包括路段上行驶的车辆数、是否有交通意外、突发事件，并定时刷新信息处理中心中存储的此部分路面交通信息；

信息处理中心内存储有处于路面交通监视系统内所有路段和节点的地图、车辆信息及其它交通信息，在接收到智能终端的请求后根据用户车辆ID反馈针对特定用户的实时路况信息；

用户在智能终端上输入导航请求，包括目的地、预计在路程中花费的时间time，智能终端向信息处理中心要求获得即时路况信息，并根据信息处理中心反馈的信息生成导航路线显示给用户；

在初次生成导航路线后，智能终端还自动定时向信息处理中心发出请求获得最近的路况信息，并根据信息处理中心内由路面交通监视系统不断刷新的即时路况定时滚动更新导航路线。

我们把处于监视系统内的路面交通网看成一张由若干节点和路段组成的无向图，其中，路与路的交点即是节点，交点之间的某条路的一部分即是路段。路面交通监视系统监视所在路段的路面交通情况，并每隔一个较短时间(例如5～15分钟)刷新信息处理中心中存储的此部分路面交通信息，保证信息处理中心内存储的路面交通信息最新。

信息处理中心内存储有处于监视系统内所有路段和节点的地图、车辆信息及交通信息，包括：

①每个路段的长度lenth和车道数、路段上行驶的当前车辆数，节点的名称及位置；

②所有带有导航系统车辆的ID信息，包括车牌号、车种、载重、排量；

③某路段对通过车辆的限制(如：单向行驶、对本地车/外地车的限制、车种、载重、排量、日期为单/双号时对车牌号的限制)；

④某路段的一部分/全部车道因为路面施工、交通意外、交通管制、突发事件不能使用。

其中，有些信息对路况的约束是长期的，如路段的长度和宽度、单向行驶、对本地车/外地车的限制、车种、载重，这部分信息可以视作一个静态的数据组长期存储在信息处理中心内，确实发生变化的时候再对信息处理中心内的资料进行修改；

有些信息对路况的约束是有时间段的，如某路段在单、双号对车牌号的限制、某路段的一部分/全部车道路面施工、交通管制，这部分的信息存储时可以设置有效期限参数，例如“日期为单/双号时对车牌尾数为单/双有效”、“有效期30天”，这部分信息在读取时须考虑其是否在有效期内；

还有些信息对路况的约束是突发的、暂时的，如某路段的一部分/全部车道因为交通意外、突发事件不能使用、路段上行驶的当前车辆数，这部分可以由路面交通监视系统对信息处理中心的存储信息滚动刷新。

当用户向智能终端发出导航申请，用户输入目的地和预计在路程中花费的时间time，比如30分钟、60分钟，因为是一个期望数值，所以无需特别精确，信息处理中心根据发出请求用户车辆的ID，向智能终端反馈如下信息：即时时间，无向图，用户当前时刻的位置点与目的点在无向图上的具体位置，无向图上所有节点、路段的长度和该路段的即时车道数，该路段上行驶的车辆总数等。

即时车道数的设定，是考虑到有些路段因为路面施工、交通意外、突发事件、交通管制等原因，其一部分/全部车道暂时不能使用，即当前可用车道数与实际车道数并不一致，在信息有效期内，信息处理中心向用户反馈该路段的即时路况时，应减少相应车道数/将该路段从无向图中临时取消、直至车道恢复使用时再修改车道数据。

此外，如果用户车辆正好在某路段被限制不能通过的范围内，信息处理中心可以将该路段从此特定用户的无向图中取消，以表明其不能从该路段通过。

导航路线生成步骤为：

第一步，求出所有路段的权值map，影响该权值的参数包括车流比，拥挤程度数组，用户预计在路程中花费的时间time，路段长度length；

其中，车流比的计算公式为：

当某一路段车流比较小时，对于驾车出行没有任何影响，因此可以将它的拥挤程度简记为零。而车流比较多时，则对出行有一定的影响，则拥挤程度设为与车流比成正比，当车流比更大、构成堵塞时，对出行影响很大，因此仅以车流比来表示拥挤程度时不够的，于是我们又乘以了时间time(time即用户发求导航请求时输入的预计在路程中花费的时间)，进一步表明在此路段上拥挤程度。

综上，对于x路段拥挤程度数组map(x)，我们有：

$\mathrm{map}\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& \mathrm{map}\left(x\right)\&le;30\\ \mathrm{map}\left(x\right)& 30<\mathrm{map}\left(x\right)\&le;100\\ \mathrm{map}\left(x\right)*\mathrm{time}& \mathrm{map}\left(x\right)>100\end{array}\right.$

此外，由于我们驾车出行考虑的是路程与时间的综合，因此我们还必须考虑每个路段的长度length。map(x)数组可以直接表示拥挤程度部分，两者之和即为路段的权值，依旧储存在map数组中，组成一条路线的每个路段权值之和，即为路线的权值。

x路段的权值map＝拥挤程度数组map(x)+路段长度length(x)

其中，用户预计在路程中花费的时间time的单位为min，路段长度length单位为m。

如果路线i经过路段x，y，z，则：

路线i的权值＝x路段的权值map(x)+y路段的权值map(y)+z路段的权值map(z)

当上述准备工作都已做好后，问题便转化为：已知一个无向图，由若干节点和路段构成，每两个节点间的路段权值map已定，求两点(用户位置点和目的地)之间权值最小的通路。

第二步，求出用户位置点到其它所有节点权值最小的通路，同时获得该路径中紧邻该节点一个中间节点的节点号；

这一过程是这样实现的：

(1)、初始化动归数组a(数组a的含义为：a[i]表示从用户位置点到节点i的最优路径的权值之和)；

将与用户位置点1直接相连的节点，动归数组a[i]初始化为may[1，i]，m[i]初始化为用户位置点的节点号1，即：如果i＝1，a[j]：＝may[1，j]，m[j]＝1；

将不与用户位置点直接相连的节点，动归数组a[i]初始化为最大值。

(2)、然后从用户位置点开始，顺次取道路交错点中的一点i，再顺序取一中间点j，若a[j]＞a[i]+map[i，j]，(表示：从用户位置点到结点j的权值之和大于从用户位置点到结点i，再到结点j，即从用户位置点直接到结点j的路径不如从用户位置点先到结点i，再到结点j的路径优化)则更新数据，包括：

①更新动归数组a，a[j]设为a[i]+map[i，j]；

②更新路径数组m，从用户位置点到j点的最短路径中的紧邻j点的一个中间点的节点号m[j]记为i。

重复(2)，循环变量j和i，直至求出用户位置点到其它所有节点权值最小的通路a，同时获得该路径中紧邻目的地的一个中间点的节点号m。

第三步，确定用户当前位置点到目的地的最小通路的路径。

由第二步已知用户位置点到目的地的最小通路a及该路径中紧邻目的地的一个中间点的节点号m，我们可以从目的地开始，逐次通过m数组溯源，把每次获得的节点号压入栈中，直至递归至当前节点为起始点，则开始回溯，按栈中顺序输出路径。

通过第二、三步，我们可以获得用户位置点和目的地之间权值最小的通路及该通路的路径。

此时路面交通导航系统可以向用户输出一条即时的导航路线，用户在沿着导航路线出发后，随着信息处理中心短期定时刷新的路面交通信息，导航系统自动向信息中心再次请求、信息中心根据当前刷新的路面情况反馈、导航系统获得信息，计算map，寻找当前时刻、用户当前位置点到目的地之间的最佳路径，生成导航路线，并滚动向用户输出，输出路线可能会随着路面实时交通情况的不断变化而有所调整。一般地，路线刷新的跨度不超过15分钟，如果不超过5分钟，导航路线会更加精确。

本发明路面交通导航系统的优点在于，通过短期定时分析用户目前位置点和目的地之间的即时路况信息，滚动地预测未来短时间内用户位置点和目的地之间的交通状况，给出行者提供实时、准确、可靠的短期交通流预测，帮助他们更好地进行路径选择，实现路径诱导，缩减出行时间，让车辆绕过拥挤路段，避免加入到拥挤路段中，避免出现大规模交通拥挤。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为本发明路面交通导航系统的组成框架图

图2为道路节点的局部结构示意图

图3为本发明导航路线生成的流程图

具体实施方式

路面交通监视系统、信息处理中心可以从多种渠道收集实时路况信息和用户ID资料，如道路监控装置、交管部门、GPS定位系统等等。

图1所示为本发明路面交通导航系统的组成框架图，路面交通监视系统用于监视导航范围内的所有路段的车辆数和路段通畅情况，并定时刷新信息处理中心中存储的相关交通信息；信息处理中心内存储有处于监视系统内所有路段和节点的地图、车辆信息及交通信息，在接收到智能终端的请求后根据用户车辆ID反馈针对特定用户定制的实时路况信息；用户在智能终端输入导航请求，包括目的地、预计在路程中花费的时间，智能终端向信息处理中心要求获得即时路况，并根据信息处理中心的反馈信息生成导航路线显示给用户，同时短期滚动更新。

图3为生成本导航路线的流程图，生成步骤有三步，下面以图2为例具体说明：

假设1点为用户目前位置点，5点为目的地，2、3、4为无向图上除了目的地和用户当前位置点之外的其它节点，节点1和2之间的路段表示为路段[1，2]，以此类推，还有路段[1，4]、路段[2，3]、路段[3，5]、路段[4，5]。

第一步，求出所有路段的权值map，影响该权值的参数包括用户预计在路程中花费的时间time，各路段的拥挤程度数组及路段长度length。各路段的权值分别表示为map[1，2]、map[1，4]、map[2，3]、map[3，5]、map[4，5]。

第二步，求出用户当前位置点到其它所有节点权值最小的通路，同时获得该路径中紧邻该节点一个中间节点的节点号；

这个问题可简单地使用动态规划求解，部分处理动归的过程如下：

repeat

   b:＝true；

   for i:＝1 to point do if a[i]＜＞maxlongint then

   for j:＝1 to point do if i＜＞j then

     if(length[i，j]＞0)and(a[j]-(a[i]+map[i，j])＞0.0001)then begin

   a[j]:＝a[i]+map[i，j]；m[j]:＝i；b:＝false；end；

until b；

仍以图2为例，先将动归数组a[2]、a[3]、a[4]、a[5]初始化：

因为节点2、4与用户位置点1直接相连，故初始化：a[2]＝may[1，2]，m[2]＝1；a[4]＝may[1，4]，m[4]＝1；

节点3、5不与用户位置点1直接相连，故a[3]、a[5]初始化为最大。

顺序取2为i点，3为j点，因为a[2]＝may[1，2]，而a[3]初始化为最大，所以a[2]＞a[3]+map[2，3]，因此，保存：

a[2]＝a[3]+map[2，3]

m[3]＝2

m为路径数组，m[3]＝2表示：从1点到3点的最佳路径中，紧邻节点3一个中间节点的节点号为2。

以上的二重循环作为1次更新处理，反复执行上述操作，直至在某一次更新处理中，没有更新任何数据，则退出动归的循环，执行输出工作。

第三步，确定用户当前位置点到目的地的最小通路的路径。

路径的输出采用了递归回溯的方法，从目的地开始，逐次通过m数组溯源，把每次的结点压入栈中，直至递归至当前节点为起始点，则开始回溯，按栈中顺序输出路径。递归输出的过程部分可由如下程序实现：

   procedure print(f:integer)；

   begin

    if m[f]＝ori then write(t，ori，′→′，f)else begin print(m[f])；write(t，′→′，f)；

end；

end；

以图2为例，如果最佳路径中，紧邻目的地5的前一中间点为节点3，记录下节点3，因为起点1和其它各节点的最佳路径及紧邻该节点的前一中间点已由上一步求出，则向前回溯，得到节点1和3之间的最佳路径中，紧邻节点3的前一中间点为节点2，记录下节点2，继续向前回溯，得到节点1和2之间的最佳路径中，紧邻节点2的前一中间点为节点1，记录下节点1，此时当前节点为起点，于是得到1和5之间的最佳路线为1→2→3→5。

下面为导航路线生成结果的举例，其中，init.txt是道路数据，car.txt是车辆数据，input.txt是当前用户输入的目的地、预计在路程中花费的时间。

Eg1.init.txt：

5  表求包括用户目前位置点和目的地在内的节点总数n为5

第2至(n+1)行表示：每个节点的坐标

每行n个数，表示两岔口之间的距离，0表示此路不通

第(2n+2)至(3n+1)行：每行n个数，表示即时车道数

Car.txt：

每行表示车辆ID、横纵坐标、当前时间

Input.txt：

15 10    表示：用户当前位置点、目的地、时间参数运行程序，输出结果为：1→4→5

表示：路线为从用当前位置点经节点4到目的地

若更改init.txt为：

5

0 0

2 0

4 1

0 2

4 2

0 0.02 0 0.02 0

0.02 0 0.02 0 0

0 0.02 0 0 0.01

0.02 0 0 0 0.04

0 0 0.01 0.04 0

2 2 2 2 2

2 2 2 2 2

2 2 2 2 2

2 2 2 2 2

2 2 2 2 2

即缩短2-3的道路长度，则程序将输出：1→2→3→5

依旧用第一次的init.txt数据，把car.txt改为：

001 0 1 075500

001 1 0 075600

001 2 0 075700

001 4 1 075800

001 4 2 075900

A05B 1 2 075700

A05C 1 2 075700

A05D 1 2 075700

A05E 1 2 075700

A05F 1 2 075700

A05G 1 2 075700

A05H 1 2 075700

A05I 1 2 075700

A05J 1 2 075700

A05K 1 2 075700

则程序将输出：1→2→3→5

说明：4→5路段拥堵，虽然1→4→5的方案路程短

但若1-4-5路段稍堵，即car.txt改为：

001 0 1 075500

001 1 0 075600

001 2 0 075700

001 4 1 075800

001 4 2 075900

A05B 1 2 075700

A05C 1 2 075700

A05D 1 2 075700

则程序依旧输出：1→4→5

说明：4-5路段虽车流较大，但不造成拥堵

Claims (9)

1.一种路面交通导航系统，其特征在于：所述导航系统包括路面交通监视系统、信息处理中心、智能终端，其中：

路面交通监视系统由若干监视器组成，遍布于各个路段，监视所在路段的路面即时交通情况，包括路段上行驶的车辆数、是否有交通意外、突发事件，并定时刷新信息处理中心中存储的此部分路面交通信息；

信息处理中心内存储有处于路面交通监视系统内所有路段和节点的地图、车辆信息及其它交通信息，在接收到智能终端的请求后根据用户车辆ID反馈针对特定用户的实时路况信息；

用户在智能终端上输入导航请求，包括目的地、预计在路程中花费的时间time，智能终端向信息处理中心要求获得即时路况信息，并根据信息处理中心反馈的信息生成导航路线显示给用户；

在初次生成导航路线后，智能终端还自动定时向信息处理中心发出请求获得最近的路况信息，并根据信息处理中心内由路面交通监视系统不断刷新的即时路况滚动定时更新导航路线。

2.根据权利要求1所述的路面交通导航系统，其特征在于：所述路面交通监视系统定时刷新信息处理中心的时间间隔为5～15分钟。

3.根据权利要求1所述的路面交通导航系统，其特征在于：所述智能终端定时滚动更新导航路线的时间间隔为5～15分钟。

4.根据权利要求1所述的路面交通导航系统，其特征在于：所述路面交通监视系统定时刷新信息处理中心的时间间隔、智能终端定时滚动更新导航路线的时间间隔均为5分钟。

5.根据权利要求1所述的路面交通导航系统，其特征在于：信息处理中心内存储的信息包括：

①每个路段的长度length和车道数、路段上行驶的当前车辆数，节点的名称及位置；

②所有带有导航系统车辆的ID信息，包括车牌号、车种、载重、排量；

③某路段对通过车辆的限制，包括单向行驶、对本地车/外地车的限制、车种、载重、排量、日期为单/双号时对车牌号的限制；

④某路段的一部分/全部车道因为路面施工、交通意外、交通管制、突发事件不能使用。

6.根据权利要求5所述的路面交通导航系统，其特征在于：所述信息处理中心内存储的信息分为三种类型：

①长期有效的信息，包括路段的长度和宽度、单向行驶、对本地车/外地车的限制、车种、载重，这些信息作为一个静态的数据组长期存储在信息处理中心内，确实发生变化的时候再对存储的资料进行修改；

②短期有效的信息，包括某路段在单、双号对车牌号的限制、某路段的一部分/全部车道路面施工、交通管制，这部分信息存储时设置有效期限参数，在读取时须考虑其是否在有效期内；

③突发的、暂时的信息，包括某路段的一部分/全部车道因为交通意外、突发事件不能使用、路段上行驶的当前车辆数，这部分信息对路况的约束是实时的，由路面交通监视系统对信息处理中心的存储信息滚动刷新。

7.一种导航路线生成方法，其生成步骤为：

第一步，智能终端根据用户输入的目的地、预计在路程中花费的时间time，信息处理中心反馈针对该用户定制的路况信息，求出所有路段的车流比和拥挤程度数组map，再根据拥挤程度数组map和路段长度length得到每个路段的权值map；

其中，车流比的计算公式为：

X路段的拥挤程度数组map(x)为：

x路段的权值map＝拥挤程度数组map(x)+路段长度length(x)

第二步，求出用户当前位置点到其它所有节点权值map最小的通路，同时获得该路径中紧邻该节点一个中间节点的节点号m；

第三步，确定用户当前位置点到目的地的最小通路的路径。

8.如权利要求7所述的导航路线生成办法，其特征在于：所述第二步是通过以下方法实现的：

(1)、初始化动归数组a，a[i]表示从用户位置点到节点i的最优路径的权值之和，其中，与用户位置点直接相连的节点，动归数组a[i]初始化为may[1，i]，m[i]初始化为用户位置点的节点号；

不与用户位置点直接相连的节点，动归数组a[i]初始化为最大值；

(2)、从用户位置点开始，顺次取道路交错点中的一点i，再顺序取一中间点j，若a[j]＞a[i]+map[i，j]，则更新数据，包括：

①更新动归数组a，a[j]设为a[i]+map[i，j]；

②更新路径数组m，从用户位置点到j点的最短路径中的紧邻j点的一个中间点的节点号m[j]记为i。

重复(2)，循环变量j和i，直至求出用户位置点到其它所有节点权值最小的通路a，同时获得该路径中紧邻目的地的一个中间点的节点号m。

9.如权利要求7所述的导航路线生成办法，其特征在于：所述第二步是通过递归回溯的方法实现的：从目的地开始，逐次通过m数组溯源，把每次的结点压入栈中，直至递归至当前节点为起始点，则开始回溯，按栈中顺序输出路径。

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