CN102997928A - 一种城际路网索引和匹配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种城际路网索引和匹配方法，属于智能交通领域。所述方法包括：对城际路网进行分区，建立对分区后城际路网的大网格索引，以获取分区后的各区域中所有大网格内包含的路段集；从GPS接收系统获取GPS信息，定位所述GPS信息所在网格并获取候选匹配路段集，在所述网格内运行排除定位方法，对排除后的候选匹配路段集与GPS信息进行地图匹配，从而找到匹配路段。本发明通过对城际路网进行分区、大网格索引，以及在大网格内运行排除定位算法，高效地解决了城际路网索引和匹配问题。

Description

一种城际路网索引和匹配方法

技术领域

 本发明涉及智能交通领域，特别是一种城际路网索引和匹配方法。

背景技术

在智能交通领域，实时动态交通信息服务能够为公众出行、交通运输等提供高效可行的交通诱导和出行规划信息，从而达到节省时间、降低成本和低碳环保等目的。目前，城市内交通信息服务已经日益深入并影响着人们的出行生活。

随着经济的快速增长和交通的便捷，城市之间的联系更为密切，城际公路运输已经形成规模并成为一种重要的人流和物流形式，城际道路也像城市内道路一样，面临着越来越大的容量压力。在这种背景下，在城市之间以及更广泛区域内提供实时和动态的交通信息服务，是一件有利于国计民生，促进节能减排的重要举措。

浮动车(Floating Car Data) 技术是智能交通系统中获取道路交通信息的技术手段之一。它利用定位技术、无线通信技术和信息处理技术，通过对道路上行驶车辆的GPS位置信息、瞬时行驶速度和方向等交通参数的采集，结合城市道路路网数据，对采集的交通参数进行地图匹配、路径推测和路况信息融合等计算，形成反映实时道路拥堵情况的交通信息，为交通管理部门和公众提供动态的交通控制和诱导服务。

相比于线圈、微波等定点交通信息采集手段，浮动车技术所代表的移动交通信息采集方法能够采用移动定位设备测量交通网络中各离散点的交通流信息，数据范围遍布整个地区，能全天候24小时地进行数据采集，且利用现有GPS和通信网络资源，采集设备维护和安装成本低。目前，浮动车技术是提供城市内道路交通信息服务的主流模式，同时也渐渐扩展到城际交通信息服务领域。

地图匹配是浮动车技术的一个关键处理步骤，其基本功能是给定一个车辆GPS点的经纬度坐标，找出该GPS点在路网中的实际匹配位置。实现地图匹配的第一步是从路网的所有路段中根据GPS经纬度坐标获知GPS点可能匹配的路段子集，即路网索引；第二步对GPS点和路段子集中的每条路段进行几何运算，找出GPS点在路段上的准确匹配位置。

中国专利申请号200610112433.1，名为“一种基于小网格路网组织结构的快速地图匹配方法”的发明专利公开了一种基于网格索引的快速地图匹配方法。该方法首先对路网进行网格划分，离线计算并存储每个网格内包含的路段集；当需要对一个GPS点P进行地图匹配时，如图1所示，根据点P的经纬度坐标计算其所在的网格，记为Grid(P)；计算Grid(P)所在网格及周边8个网格内的所有路段，这些路段是点P可能匹配上的路段，从而形成候选匹配路段子集；进而计算P点与候选路段子集中的每条路段的匹配距离，选取匹配距离最小的路段为最终的匹配路段。

在实际操作过程中，网格的长宽一般基于GPS的定位精度选取，这样可以保证只有GPS点周边9个网格内的路段是在GPS点的定位精度范围内的，从而简化了路网索引的计算，即无论路网被分为几个网格，只需要搜索其中的9个网格就可以完成匹配过程。

对于城市路网而言，上述定位方法计算简单、效率高，具有很好的应用效果。但对于城际路网而言，由于覆盖范围扩大，上述方法不具有普遍应用性。设GPS定位精度为30米。目前北京市6环以内的网格规模为2,000*1,500，而同样大小的网格全国需要230,000*130,000，即使对城际路网进行分区处理也不能满足计算要求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种城际路网索引和匹配方法，用于实现在城际路网中高效的进行网格索引和匹配。

本发明提供了一种城际路网索引和匹配方法，该方法包括：

对城际路网进行分区，建立分区后的城际路网的大网格索引，以获取分区后的各区域中所有网格包含的路段集；从GPS接收系统获取GPS信息，定位所述GPS信息所在网格并获取候选匹配路段集，在所述网格内运行排除定位方法，对排除后的候选匹配路段集与所述GPS信息进行地图匹配，从而找到匹配路段。

本发明针对城际路网范围大，目前的网格索引算法不适用的问题，提出了一种以GPS点为计算中心的地图匹配算法，通过对城际路网进行分区、大网格索引，以及在大网格内运行排除定位算法，高效地解决了城际路网索引和匹配问题。

附图说明

图1为现有技术中基于网格索引的地图匹配示意图；

图2为本发明实施例提供的城际路网索引和匹配方法的原理图；

图3为本发明实施例提供的城际路网索引和匹配方法的流程图；

图4为本发明实施例提供的全国城际路网分区示意图；

图5为本发明实施例提供的建立大网格索引的方法流程图；

图6为本发明实施例提供的路网区域边界扩充示意图；

图7为本发明实施例提供的网格外延扩展示意图；

图8为本发明实施例提供的匹配象限示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

本发明实施例针对城际路网范围大，目前的网格索引算法不适用的问题，提出了一种以GPS点为计算中心的地图匹配算法，通过对城际路网进行分区、大网格索引，以及在大网格内运行排除定位算法，高效地解决了城际路网索引和匹配问题。

图2是本发明实施例提供的城际路网索引和匹配方法的原理图，基于该图，所述索引和匹配方法的流程如图3所示，具体包括：

步骤301、对城际路网进行分区。如图4所示，全国按照区域可以分为京津冀、东北、西北、中部、长三角、珠三角七个区域。将全国范围分成7个区域分别处理，区域的范围小于全国的范围，这样就降低了计算的复杂度；而且由于区域经济的联系比较紧密，以区域为单位计算和提供城际交通信息服务更能满足实际的需要。

步骤302、建立分区后的城际路网的大网格索引。建立大网格索引的方法如图5所示，包括以下步骤：

步骤3021、相邻区域边界扩充。由于城际路况是基于七个区域的路网进行计算的，即不同的区域路况是分别计算的，所以当车辆跨区域行驶时，会造成车辆的GPS点散落在不同的区域内，造成路径推测的不连续性，所以在制作区域路网时，将每个区域边界向外扩充一定的范围，例如1个二级格网，如图6所示，斜线所示为区域所在二级格网，格线所示为边界扩充的二级格网。

这里的格网与前述网格有所不同，格网是按照一定的经差和纬差形成的矩形单元，用于将地图进行划分。根据间距和划分层次的不同，分为一级格网和二级格网，二级格网是在一级格网的基础上进行8等分划分，一个一级格网由8*8个二级格网组成，城际处理用的路网是按照二级格网进行划分的，一个二级格网的边长约为17千米，如果区域按照一个二级格网进行扩充，则边界就形成了一个宽度为34千米的缓冲区，足够处理跨界行驶的车辆。而网格用于路网索引和匹配，其选择根据区域大小、计算资源来进行，一般一个区域内的网格总数控制在10,000,000内。通过这种区域交叉覆盖的方法，当车辆行驶跨区域时，总有一个区域能够处理该车辆的信息。

步骤3022、对区域建立大网格划分。网格的大小按照区域大小、计算资源来综合考虑。网格越小，索引效率越高，但计算资源损耗越大。网格大小的选择是在计算资源允许的情况下，时间效率和空间效率的折中，同时可以根据区域的大小来灵活地设定网格大小。一般一个区域内的网格总数控制在10,000,000内即可。

步骤3023、网格外延。为了解决跨网格处理的问题，现有技术中是搜索定位GPS点周围9个网格内的所有路段作为候选匹配路段集，但这种方法只有在网格较小，每个网格内的路段也较少的情况下适用。对于城际路网的大网格索引，每个网格的大小和包含路段数都远非现有技术所述的小网格可比，因此实施9个网格的搜索策略效率低下。

本发明实施例在大网格前提下解决跨网格索引问题，如图7所示，在构建大网格时，本发明对网格进行了一定的外延，扩展的范围为GPS的有效距离(图中用d表示)。d是GPS的有效距离，或圆概率误差。GPS是有一定的精度误差的，GPS的有效距离就是最大的精度误差，例如一般的GPS精度误差是30米，那么以GPS经纬度所在位置为圆心，30米为半径，圈在里边的路都是有可能GPS匹配上的，没有圈在里边的路就一定不会匹配上。网格外延是为了处理一种极端情况，当GPS点处在网格的边界上时，有可能相邻网格的路也是能匹配上的，如果不对网格边界进行扩充，则必须搜索整个相邻的网格，而相邻网格内只有离边界30米内的路是有可能匹配上的，在网格比较大的情况下这样做是得不偿失的。所以通过对网格的边界进行外延来提高搜索效率。

进行网格外延后，每个大网格中存储的路段是外延扩展后的网格范围内的路段。当GPS点落在网格5内时，阴影范围内的路段都会作为候选匹配路段集返回，而阴影范围外的所有路段都超出了GPS点的匹配范围。

网格外延与前述的区域边界扩充理念是相同的，都是通过一定的冗余来解决跨界的问题，但这两个问题的表现和解决方法不一样。区域边界扩充主要是处理车辆跨界的问题，对边界进行扩充后，相邻两个区域的边界是有交叉的，当车辆跨边界行驶时，应该两个区域都有能处理该车辆的GPS信息（而且至少有一个区域能够有完整的GPS信息），而不会出现一辆车的GPS信息分处两个区域，造成无法完整处理的情况出现；网格外延则是为了避免对周边网格进行搜索，提高搜索的效率。

步骤303、获取GPS信息和路段信息。通过Socket建立与GPS接收系统的连接，从GPS接收系统获取GPS信息；路段信息是预先通过离线计算的方式获取，获取地图中各区域所有网格包含的所有路段集。

步骤304、定位GPS点所在网格，并获取该网格含扩展区域内的所有路段作为候选匹配路段集。根据GPS点的经纬度坐标来定位该点落在哪个网格中。

步骤305、在网格内部（含扩展区域），对候选匹配路段集运行排除定位算法。考虑到区域路网比较稀疏的特点，定位操作以GPS点为中心，将GPS点周围的区域按照象限划分，按照路段端点分布的象限范围快速判定与GPS点的位置关系，高效地排除大部分匹配距离过大的路段。

首先要根据GPS点，建立匹配象限。匹配象限的建立方法如图8所示：在二维空间内，设GPS点的有效距离为d，GPS经纬度为（longitude, latitude），定义直线x1 = longitude – d，x2 = longitude + d， y1= latitude – d， y2 = latitude + d。四条直线将GPS点所在大网格分为 9 个象限。

然后，对候选路段匹配集中的路段进行排除定位。排除原则是，如果某路段与象限5不相交，说明GPS点肯定不能匹配到该路段上。

如图8所示，定义[1,4,7]为左象限集；[1,2,3]为上象限集；[3,6,9]为右象限集；[7,8,9]为下象限集。排除定位的算法为：如果路段（路网中的直线段）两个端点均在同一个象限集内，则说明路段不与象限5相交，即GPS点匹配不到该路段上，如图8中L1，L2和L3所示；否则，则有可能匹配到路段上，如L4和L5所示。

由于城际路网比较稀疏，所以大多数的路段处在一个象限集内，故此方法可以高效地排除候选匹配路段中的绝大多数路段。

步骤306、对排除过后的候选路段集与GPS点进行地图匹配，从而找到GPS点的匹配路段。地图匹配主要是通过几何匹配和选取最优匹配路段的方式进行。由于路段是由一系列的点连接而成的折线，当对GPS点和路段进行匹配时，对于路段中的任意相邻两个点组成的折线段                                               

（

是路段中折线段的个数），根据几何关系做GPS点到折线段的垂线，如果垂足位于折线段上，垂足到GPS点的距离记为

；如果

小于GPS的有效距离，则认为GPS点可以匹配到该路段上，匹配距离为

。通过这种方法计算GPS点到候选匹配路段集中所有路段的匹配距离，取匹配距离最短的路段为最优匹配路段。

匹配完成后，城际FCD处理系统基于匹配结果进行路径推测，生成路况信息，最终完成城际路况数据。

本发明实施例针对城际路网覆盖面大，路段数多，普通方法难以高效进行地图匹配的问题，一方面，通过对区域（网格）外延进行扩展的方法，来处理车辆跨区域（网格）的问题；另一方面，根据城际路网覆盖范围大、路网稀疏的特点，提出了一整套方案，解决了城际路网下高效索引和匹配的问题，包括对全国城际路网进行分区、大网格索引，和在网格内实施排除定位算法。本发明实施例给城际路况的计算提供的简单高效，准确的地图匹配方法，使城际路况的计算得以实现。

总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种城际路网索引和匹配的方法，其特征在于，包括：

对城际路网进行分区，建立对分区后城际路网的大网格索引，以获取分区后的各区域中所有网格包含的路段集；从GPS接收系统获取GPS信息，定位所述GPS信息所在网格并获取候选匹配路段集，在所述网格内运行排除定位方法，对排除后的候选匹配路段集与所述GPS信息进行地图匹配，从而找到匹配路段。

2.根据权利要求1所述的城际路网索引和匹配的方法，其特征在于，所述建立分区后的城际路网的大网格索引具体包括：

对分区后的城际路网中的相邻区域进行边界扩充；

对各区域建立大网格划分；

将各区域中的网格外延。

3.根据权利要求2所述的城际路网索引和匹配的方法，其特征在于，所述对分区后的城际路网中的相邻区域进行边界扩充具体包括：

将分区后的城际路网中的每个区域的边界向外扩充一个二级格网的范围。

4.根据权利要求2所述的城际路网索引和匹配的方法，其特征在于，所述对各区域建立大网格划分具体包括：

在区域内建立网格划分时，一个区域内的网格总数不大于10,000,000个。

5.根据权利要求2所述的城际路网索引和匹配的方法，其特征在于，所述将各区域中的网格外延具体包括：

对各区域中的网格进行外延，扩展的范围为GPS的有效距离。

6.根据权利要求3、4或5所述的城际路网索引和匹配的方法，其特征在于，所述从GPS接收系统获取GPS信息具体包括：

通过Socket建立与GPS接收系统的连接，从GPS接收系统获取GPS信息。

7.根据权利要求6所述的城际路网索引和匹配的方法，其特征在于，所述定位所述GPS信息所在网格并获取候选匹配路段集具体包括：

根据所述GPS信息的经纬度坐标定位所述GPS信息的所在网格，将所述网格及其外延部分的所有路段作为候选匹配路段集。

8.根据权利要求7所述的城际路网索引和匹配的方法，其特征在于，所述排除定位方法具体包括：

以所述GPS信息为中心，设d为GPS的有效距离，GPS经纬度为（longitude, latitude），定义直线x1 = longitude – d，x2 = longitude + d， y1= latitude – d，y2 = latitude + d，四条直线将GPS信息所在网格分为 9 个象限；

对候选路段匹配集中的路段进行定位，如果某路段与所述GPS信息所在象限不相交，则将该路段排除。

9.根据权利要求8所述的城际路网索引和匹配的方法，其特征在于，所述对排除后的候选匹配路段集与所述GPS信息进行地图匹配具体包括：

设一条路段由                                               

条折线段组成，对于路段中的任意相邻两个点组成的折线段

，根据几何关系做GPS信息到折线段

的垂线，如果垂足位于折线段上，垂足到GPS信息的距离记为

；

如果

小于GPS的有效距离，则设置GPS信息能够匹配到该路段上，匹配距离为

；

获取GPS信息到排除后的候选匹配路段集中所有路段的匹配距离，取匹配距离最短的路段为最优匹配路段。

10.根据权利要求8所述的城际路网索引和匹配的方法，其特征在于，所述方法还包括：

匹配完成后，城际FCD处理系统基于匹配结果进行路径推测，生成路况信息，完成城际路况数据。

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