CN102200446B - 基于交通数据的连续路径探测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种路径探测装置和方法，该装置包括：路链集合创建单元，用于创建匹配路链集合；路链成本计算单元，用于利用设定的权值，计算匹配路链集合中的各个匹配路链的路链成本；以及连续路径探测单元，用于根据所计算的路链成本，从匹配路链中探测一条或多条连续路径。本发明能够利用最短路径算法以及路网连通性，过滤错误的匹配投影点，得到正确连续的路径。

Description

基于交通数据的连续路径探测装置和方法

技术领域

本发明涉及智能交通领域，具体涉及一种路径探测装置和方法，其能够基于采集的GPS点，探测对应的连续路径，以用于后续的路况计算、分析等。

背景技术

随着现代社会经济的快速发展和信息化建设的不断深入，智能交通系统开始在交通领域深入而广泛的应用。已经成为解决该领域内诸多难题的有效手段。所谓智能交通系统(Intelligent TransportationSystem，简写为ITS)，是将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子传感技术、电子控制技术及计算机处理技术等有效的集成运用于整个地面交通管理系统而建立的一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合交通运输管理系统。智能交通的主要目标就是实现整个城市交通运输系统现代化，而城市交通运输现代化关键环节就是提供实时动态交通信息服务以缓解交通拥堵，满足公众越来越迫切的交通信息需求，道路的实时交通信息已经成为ITS大规模应用发展的重要基础。

以浮动车技术为例，浮动车技术是目前国际上ITS领域中一种先进的道路交通信息采集技术。一般使用大量的出租车或公交车作为浮动车，通过已安装的GPS车载装置和无线通信设备，将车辆信息(如时间、速度、坐标、方向等参数)实时的传送到浮动车信息中心，经过汇总、处理后生成反映实时道路路况的交通信息，并通过互联网和公众移动网络对外发布，为公众出行提供帮助，同时也为交通管理部门和在交通控制、诱导方面提供决策支持。

浮动车信息系统由浮动车数据采集、浮动车信息处理和动态交通信息发布三部分组成。其中浮动车数据采集系统负责接收、管理实时车载数据；浮动车信息处理系统将浮动车数据进行地图匹配、行车路线探测以及道路交通路况计算等处理，以生成反映实时路况的交通信息；动态交通信息发布系统通过互联网、GPRS或CDMA网络等方式向公众提供当前的实时路况信息。

浮动车信息处理系统主要由地图匹配、行车路径探测和道路交通路况计算三个模块组成。下面主要针对路径探测技术进行描述。

由于车辆所采用的GPS设备一般会有5米以上的圆周误差，因此在匹配过程中存在将位置点匹配到多条道路上的可能性，同时车辆采集GPS位置数据的时间间隔较长，一般在5秒～300秒之间，这样造成两个连续位置点跨越了较长距离，两个位置点间有可能存在多条可行驶的路径，因此需要设计一种方法来确定车辆正确的行驶路径，这种方法就是路径探测方法，因此路径探测是通过处理车辆较大间隔的行驶轨迹点数据，获取车辆正确行驶路径的技术。

在路径探测处理中，获得一条不间断的行车路径对后续的计算路况来说是非常有用的。但是GPS定位的误差无法避免在数字路网结构中丢失相应匹配点，缺少足够的采样点导致在某些范围内的路径探测失败或者获得不完整的路径。当前的路径探测技术有两种方法：第一种是基于已完成匹配的两点间进行路径探测，第二种是在连续的多GPS点之间进行启发式路径探测。

前者需要进行两次独立的地图匹配运算，再基于路网结构进行道路的广度搜索找出车辆可能的行驶路径，这样的算法搜索范围大，效率较低，无法很好满足处理大规模浮动车轨迹点时的实时性要求。同时这种只在GPS定位点集合中采用两个点的方法，采样点较小，无法回退参考之前的探测情况和后续的定位点来提高准确性，对每个点都进行独立的匹配也降低了系统的运算效率。

后者克服了前者技术的不足，利用路网的连通性拓扑结构和车辆位置点形成的有向线段启发式的搜索车辆最有可能的下一条行驶路径，再对选择的道路进行投影匹配，有效提高了处理效率；另一方面，采用连续多条GPS定位数据联合进行探测，通过车辆在道路行驶的连续性特征，提高了算法的准确性。

第一种方法的不足已分析，并不再赘述，第二种方法虽然克服了第一种方式的不足，可以回退参考之前的探测情况和后续的定位情况，使用一系列连续的点来进行探测路径。但是启发式路径探测仍然存在问题：它是在从某一GPS点的匹配候选点出发，到一个后续GPS点的全部匹配候选点进行探测路径，如果这个后续点的定位误差太大而造成匹配错误的话，就会导致启发式路径探测处理单元无法得到正确的路线结果，从而造成最终路径结果的不连续。如图1所示，第5个原始点偏移路网实际道路太多，匹配到一个错误的投影点上。启发式路径探测算法，将1到7个匹配点分割为A到F6个处理单元，根据道路连通性原则和启发式探测算法进行路径探测计算。

可以看到，处理单元A、B、C、F，由于连续点之间都找到合理的匹配候选点，能够成功得到正确的探测路径。但是，处理单元D、E，而根据道路连通性原则，不可能从点4走到点5，从而导致了处理单元D和E的无结果，而从第6个原始点开始成为一个新的探测过程。因此，启发式路径探测得到路线结果，是被分成了两部分的路线，而中间匹配错误的点没有得到正确的结果。这样，就与车辆实际的行驶轨迹不符。

因此，需要一种路径探测方法，其能够克服现有技术的上述不足，基于采集的GPS，排除错误的匹配点，探测得到正确连续的路径。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种路径探测装置，用于探测基于采集的GPS点的连续路径，所述路径探测装置包括：

路链集合创建单元，用于利用采集的GPS点投影在道路地图上的匹配投影点所在的匹配路链，创建匹配路链集合；

路链成本计算单元，用于利用设定的权值，计算所述匹配路链集合中的各个匹配路链的路链成本；以及

连续路径探测单元，用于根据所计算的路链成本，从所述匹配路链集合中的各个匹配路链中探测一条或多条连续路径。

优选地，每一个匹配路链的路链成本是利用设定的权值以及该匹配路链的长度来计算的。

优选地，对于每一个采集的GPS点，根据该GPS点的匹配投影点的个数，来设定与该GPS点对应的匹配路链的权值。

优选地，连续路径探测单元利用最短路径搜索算法，来探测路径成本最低的连续路径，路径成本是路径所经过的匹配路链的路链成本的总和。

优选地，连续路径探测单元利用道路地图中路链网络的连通性，排除错误匹配投影点，从而排除包括与该错误匹配投影点对应的匹配路链的路径。

优选地，路径探测装置还包括：

数据分组单元，用于根据预定周期，将采集的GPS点划分成一组或多组；

其中，路链集合创建单元针对每一组GPS点，创建匹配路链集合。

优选地，采集的GPS点是基于浮动车的交通数据，预定周期是浮动车的自然行驶周期。

优选地，路链集合创建单元按照匹配投影点的先后顺序，将各个匹配路链放入集合中，以创建匹配路链集合。

本发明还提出了一种路径探测方法，用于探测基于采集的GPS点的连续路径，所述路径探测方法包括：

路链集合创建步骤，用于利用采集的GPS点投影在道路地图上的匹配投影点所在的匹配路链，创建匹配路链集合；

路链成本计算步骤，用于利用设定的权值，计算所述匹配路链集合中的各个匹配路链的路链成本；以及

连续路径探测步骤，用于根据所计算的路链成本，从所述匹配路链集合中的各个匹配路链中探测一条或多条连续路径。

在本发明的路径探测装置和方法中，利用预定周期内的全部数据点，例如，一辆车在一个自然行驶周期内(比如从启动-行驶-停止整个过程)的全部数据点进行分析。将这些全部数据点一次性进行投影匹配处理，根据每个数据点在地图路网上的匹配投影点的个数设定针对对应匹配路链的权值，再利用最短路径算法以及地图路网中的连通性，过滤掉错误的匹配投影点，得到正确连续的路径。

由此，本发明在路径探测过程中，利用预定周期中的一组数据点，而不是像传统方法中仅仅利用相邻两个点或前继和后继的连续点，这样能有效的避免由于个别数据点投影误差较大而导致路径中断，使得路径探测结果符合实际地理空间中的完整路径。例如，本发明将浮动车在一个自然行驶周期内采集的GPS点作为一个处理单元，将其全部匹配点都作为考虑的范围，并对匹配路链进行权值设定，能够排除某个局部数据点的匹配失误，又不会遗漏有效的匹配路链，从而大大提高了路径探测的精确度。此外，本发明能够对每个预定周期内的GPS点进行批量投影匹配处理，而不同于传统方法在探测的过程中进行逐个投影匹配，缩短了路径探测所需的时间，提高了系统处理效率。

附图说明

通过下面结合附图说明本发明的优选实施例，将使本发明的上述及其它目的、特征和优点更加清楚，其中：

图1示出了传统启发式路径探测方法的探测结果以及存在的不足；

图2示出了根据本发明示例实施例的路径探测装置的框图；

图3示出了根据本发明示例实施例的路径探测方法的流程图；

图4A-4F是用于描述本发明具体实施例的示意图。

具体实施方式

以下参照附图，对本发明的示例实施例进行详细描述，本发明不限于下述示例实施例。为了清楚描述本发明的基本思想，附图中仅示出了与本发明的技术方案密切相关的部件、功能或步骤，并且以下描述中省略了对已知技术、功能、部件或步骤的具体描述。

图2示出了根据本发明示例实施例的路径探测装置的框图。路径探测装置20探测基于采集的GPS点的连续路径。例如，GPS点可以是基于GPS系统的GPS采样点，诸如由浮动车、移动采集装置或采集员采集的GPS点。路径探测装置20包括：路链集合创建单元200，用于利用采集的GPS点投影在道路地图上的匹配投影点所在的匹配路链，创建匹配路链集合；路链成本计算单元202，用于利用设定的权值，计算所述匹配路链集合中的各个匹配路链的路链成本；以及连续路径探测单元204，用于根据所计算的路链成本，从所述匹配路链集合中的各个匹配路链中探测一条或多条连续路径。在本发明示例实施例中，可以对采集的GPS点进行批量投影匹配处理，例如，可以对预定周期内的全部GPS点进行投影匹配处理，以得到相应的匹配投影点和匹配路链。本领域技术人员可以理解，本发明主要涉及路径探测技术，匹配投影点以及匹配路链等地图匹配过程可以采用相关的现有技术，本文中不再对该过程进行详细描述。

优选地，路径探测装置20还包括：数据分组单元206，用于根据预定周期，将采集的GPS点划分成一组或多组。例如，当利用浮动车采集的GPS点来探测浮动车的行驶路径时，预定周期可以是浮动车的自然行驶周期，诸如启动-行驶-停止这整个过程。数据分组单元206按照自然行驶周期，将采集的GPS点划分成一组或多组。路链集合创建单元200针对每一组GPS点，分别创建匹配路链集合。优选地，对于每个预定周期，路链集合创建单元202可以按照时间顺序或GPS点的先后顺序，排列各个GPS点的匹配投影点，并按照相应的顺序将匹配投影点所在的匹配路链放入集合中。也可以只确定预定周期的起始数据点和结束数据点的匹配投影点，例如，确定浮动车在启动时采集的数据点以及在行驶过程结束时采集的数据点的匹配投影点，而对于中间的数据点，可以不考虑它们的投影点以及匹配路链的顺序。这样，可以确定整个路径的起点和终点，确保路径探测的正确性。

在地图匹配过程中，由于数据点的位置一般会有5米以上的圆周误差，因此在匹配过程中存在将一个数据点的投影点匹配到多条路链上的可能性。特别对于浮动车技术，采集数据的时间间隔较长，一般在5秒～300秒之间，这样造成两个连续数据点跨越了较长距离。此外，城市等范围中路网密集，即使两个连续数据点之间，也很可能存在多条可行驶的路链。可以想象，在例如车辆的整个自然行驶周期中，起点和终点之间存在很多路链，不同路链的不同组合可能构成多条路径。为了基于预定周期内的全部数据点，探测到正确的连续路径，本发明提出了称为路链成本的评价指标，来反映各个匹配路链的优先度。例如，可以设定路链成本越高，路链的优先度就越低，路链构成的路径的总成本就越高；反之，路链成本越低，路链的优先度就越高，路链构成的路径的总成本就越低。这样，就可以利用现有的最短路径搜索算法，例如Dijikstra、A*Star或其他基于堆模型的高效算法，来搜索最短路径，以探测到符合由采集的数据点限定的实际地理路径的连续路径。

基于以上本发明的思想，根据本发明示例实施例的路链成本计算单元202利用设定的权值，计算匹配路链集合中的各个匹配路链的路链成本。对于每一个采集的GPS点，可以根据该GPS点的匹配投影点的个数，来设定与该GPS点对应的匹配路链的权值。例如：

如果GPS点只有一个匹配投影点，则设定与该GPS点对应的匹配路链的权值为link_weight1；

如果GPS点有两个匹配投影点，则设定与该GPS点对应的匹配路链的权值为link_weight2；

……

如果GPS点有n个(n为自然数)匹配投影点，则设定与该GPS点对应的匹配路链的权值为link_weightn；

如果GPS点有多于n个(n为自然数)匹配投影点，则设定与该GPS点对应的匹配路链的权值为link_weightm。

这里，link_weight1、link_weight 2、...、link_weight n、link_weightm的值可以根据路网分布的密集或稀疏程度、交通数据系统(例如GPS系统)的误差以及经验来设定。作为示例，link_weight1可以设为0.2，link_weight2可以设为1，link_weightn可以设为4，link_weightm可以设为10。

根据本发明示例实施例，路链成本是利用设定的权值以及该匹配路链的长度来计算的，例如，路链成本可以如下计算：

路链成本＝路链长度×权值

路径总成本＝∑路链成本＝∑(路链长度×权值)，即路链成本之和，

本领域技术人员可以理解，匹配投影点的个数越小，则对应的匹配路链的数目越小，匹配的正确性越高，对应的匹配路链构成的路径符合实际地理路径的可能性越大。通过利用如上设定的权值来计算路链成本，可以提高正确匹配路链的优先度，降低错误匹配路链的优先度，从而能够考虑到整个周期中全部匹配路链以及全部可能的连续路径，避免遗漏有效的匹配路链，同时利用成本计算来确定总成本最低的路径，确保路径探测的准确性。

连续路径探测单元204根据路链成本计算单元所计算的路链成本，从匹配路链集合中的各个匹配路链中探测连续路径。如上所述，连续路径探测单元204可以利用最短路径搜索算法来搜索最短路径，即路径总成本最低的路径，以探测到符合实际地理路径的连续路径。这里，选择路径总成本最低的路径可以包括如下情况：

某条路径的总成本最低，仅选择该路径；

两条路径的总成本之差相对较小，可以选择这两条路径，作为路径总成本最低的路径。

例如，两条路径的总成本的值分别为2000和2010，则总成本之差为10，相对于总成本而言相对较小，则可以将这两条路径都作为探测到的最短路径。这样，可以防止遗漏任何可能的连续路径。

最短路径搜索算法可以是公知的算法，本文中不再对其进行详细描述。

由于个别GPS点的投影误差较大，可能存在错误的匹配投影点，导致沿着错误的匹配路链来探测路径，造成路径中断，这种情况如图1所示。针对该缺陷并且为了进一步提高路径探测的精确度，在探测连续路径时，连续路径探测单元204还利用道路地图中路网(路链网络)的连通性，排除错误匹配投影点，从而排除包括与该错误匹配投影点对应的匹配路链的路径。例如，当从起始数据点开始向着结束数据点进行路径探测时，利用探测所经过的各个匹配路链的长度，计算探测距离。根据路网连通性，如果沿着某条路径无法从起始数据点达到结束数据点，则探测距离会不断增大，当探测距离超过预定的最大探测距离(例如，10000米)时，连续路径探测单元204可以判断所探测的路径是不连续的。这样，连续路径探测单元204判断所探测的路径是不正确的。由此，连续路径探测单元204可以排除错误的匹配投影点，从而进一步排除包括与该错误匹配投影点对应的匹配路链的路径。

图3示出了图1中路径探测装置20的操作的流程图。在步骤302，利用采集的GPS点投影在道路地图上的匹配投影点所在的匹配路链，创建匹配路链集合。在步骤304，利用设定的权值，计算匹配路链集合中的各个匹配路链的路链成本。在步骤306，根据所计算的路链成本，从匹配路链集合中的各个匹配路链中探测一条或多条连续路径。该流程还可以包括步骤300(虚线表示该步骤是可选的)，根据预定周期，将采集的GPS点划分成一组或多组。这样，在步骤302中，针对每一组GPS点，创建匹配路链集合。

为了更加清楚地阐述本发明，下面结合图4A-4F，描述根据本发明的具体示例。以下示例以基于浮动车的GPS点来进行路径探测，但本发明并不限于浮动车技术，而可以应用于其他任何合适的智能交通技术。

图4A示出了车辆的实际行驶路径，该示例的目标是要探测到符合该实际行驶路径的连续路径。图中每个线段表示一个路链，箭头表示该路链的方向。

图4B示出了车辆在该行驶过程中采集到的GPS点，以圆形表示，标记为数据点1-7，数据点1是起始数据点，数据点7是结束数据点。

通过对GPS点进行投影和匹配，得到图4C所示的各个匹配投影点，以方块形状表示。作为示例，假设图4C中数据点1-4、6-7的投影匹配点是正确的，而数据点5的匹配投影点是错误的。此外，为了清楚起见，图4C中仅示出了主要的路链，并且对于每一个数据点仅示出了一个匹配投影点。但是本领域技术人员可以理解，实际的路网可能很复杂，在所示出的路链附近可能还存在大量密集的路链，由此每一个数据点可能具有多于一个的匹配投影点。例如，数据点5也可能被匹配投影到其右侧的路链上。为了说明这一点，作为示例，可以假设数据点5具有两个匹配投影点5a和5b，匹配投影点5a是错误的匹配投影点。此时，可以得到的匹配路链包括路链link1、link2、link3、link4、link5a、link5b、link6、link7。

可以创建匹配路链集合CollectionA＝(link1，link2，link3，link4，link5a，link5b，link6，link7)。或者，为了更加明确反映各个数据点的先后顺序以及其相对应的匹配路链，CollectionA可以是(link1，link2，link3，link4，(link5a，link5b)，link6，link7)。

接着，利用设定的权值，计算每一个匹配路链的路链成本，例如，结合上述对权值的示例描述link1的路链成本可以是link1_cost＝link_length×link_weight1。Link5a的路链成本可以是link5a_cost＝link5a_length×link_weight2。可以将计算的路链成本放入匹配链路集合CollectionA中，也可以单独地存储。

然后，利用最短路径搜索算法，例如Dijikstra、A*Star或其他基于堆模型的高效算法，以及利用所计算的路链成本，来探测路径成本最低的连续路径，路径成本是路径所经过的匹配路链的路链成本的总和。图4D中虚线部分示出了探测得到的路径。如同4D所示，由于出现了错误的匹配投影点5a，所以得到的路径具有后半部分具有两个分支。

对于这种情况，根据本发明，可以利用道路地图中路网的连通性，排除错误匹配投影点5a，从而排除包括与该错误匹配投影点对应的匹配路链的路径。例如，当从起始数据点1开始向着结束数据点7进行路径探测时，利用探测所经过的各个匹配路链的长度，计算探测距离。根据路网连通性，无法通过匹配投影点5a从数据点1达到数据点7，因此，在探测过程中，探测距离不断增大，并且超过预定的最大探测距离(例如，10000米)，如图4E所示。由此，可以判断所探测的路径是不连续的。这样，可以排除错误的匹配投影点5a，从而进一步排除包括与该错误匹配投影点对应的匹配路链的路径。图4F示出了最终的路径探测结果，该探测结果符合车辆的实际行驶路径。

以上描述了根据本发明示例实施例的路径探测装置和方法。在以上的描述中，仅以示例的方式，示出了本发明的优选实施例，但并不意味着本发明局限于上述步骤和单元结构。在可能的情形下，可以根据需要对步骤和单元进行调整、取舍和组合。此外，某些步骤和单元并非实施本发明的总体发明思想所必需的元素。因此，本发明所必需的技术特征仅受限于能够实现本发明的总体发明思想的最低要求，而不受以上具体实例的限制。

至此已经结合优选实施例对本发明进行了描述。应该理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种其它的改变、替换和添加。因此，本发明的范围不局限于上述特定实施例，而应由所附权利要求所限定。

Claims (9)

1.一种路径探测装置，用于探测基于采集的GPS点的连续路径，所述路径探测装置包括：

路链集合创建单元，用于针对根据预定周期划分的每一组GPS点，利用GPS点投影在道路地图上的匹配投影点所在的匹配路链，创建匹配路链集合；

路链成本计算单元，用于利用设定的权值，计算所述匹配路链集合中的各个匹配路链的路链成本；以及

连续路径探测单元，用于根据所计算的路链成本，从所述匹配路链集合中的各个匹配路链中探测一条或多条连续路径；

其中，对于每一个采集的GPS点，根据该GPS点的匹配投影点的个数，来设定与该GPS点对应的匹配路链的权值。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，每一个匹配路链的路链成本是利用设定的权值以及该匹配路链的长度来计算的。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，连续路径探测单元利用最短路径搜索算法，来探测路径成本最低的连续路径，路径成本是路径所经过的匹配路链的路链成本的总和。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，连续路径探测单元利用道路地图中路链网络的连通性，排除错误匹配投影点，从而排除包括与该错误匹配投影点对应的匹配路链的路径。

5.根据权利要求1所述的装置，还包括：

数据分组单元，用于根据预定周期，将采集的GPS点划分成一组或多组。

6.根据权利要求5所述的装置，其中，采集的GPS点是基于浮动车的交通数据，预定周期是浮动车的自然行驶周期。

7.根据权利要求1所述的装置，其中，路链集合创建单元按照匹配投影点的先后顺序，将各个匹配路链放入集合中，以创建匹配路链集合。

8.一种路径探测方法，用于探测基于采集的GPS点的连续路径，所述路径探测方法包括：

路链集合创建步骤，用于针对根据预定周期划分的每一组GPS点，利用GPS点投影在道路地图上的匹配投影点所在的匹配路链，创建匹配路链集合；

路链成本计算步骤，用于利用设定的权值，计算所述匹配路链集合中的各个匹配路链的路链成本；以及

连续路径探测步骤，用于根据所计算的路链成本，从所述匹配路链集合中的各个匹配路链中探测一条或多条连续路径；

其中，对于每一个采集的GPS点，根据该GPS点的匹配投影点的个数，来设定与该GPS点对应的匹配路链的权值。

9.根据权利要求8所述的方法，还包括：

数据分组步骤，用于根据预定周期，将采集的GPS点划分成一组或多组。

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