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专利号: 2020101025995
申请人: 浙江工业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 计算;推算;计数
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.基于多维数据融合分析的低频GPS轨迹路网匹配方法,包括如下步骤:(1)计算每个GPS轨迹点的候选点集;根据路网数据,计算GPS轨迹中的每一个轨迹点对应的候选点集,具体计算过程如下:s11.按时间先后顺序提取GPS轨迹点pi,其中1≤i≤n;GPS轨迹为:p1→p2→…→pn,其中,pi为第i个GPS轨迹点,n为GPS轨迹点总数;GPS轨迹点包含采样时间ti,纬度坐标lati和经度坐度loni信息,即pi=(ti,lati,loni);

s12.搜索轨迹点pi的候选路段;以轨迹点pi为圆心,r为半径,在路网中搜索在此范围内的所有路段作为候选路段集,记为 其中,ki为候选路段总数,半径r可根据路网实际情况设定;

s13.计算轨迹点pi的候选点;依次计算轨迹点pi到每一条候选路段 的最短距离 以j及该距离下点pi在候选路段上的映射点 其中1≤j≤ki;如果轨迹点pi在候选路段ri 范围内存在垂点,即垂直映射点,则选取该垂点为候选点,否则选取该路段最近的端点,即起点或终点,作为候选点;

s14.筛选轨迹点pi的候选路段集和候选点集;依次比较最短距离 和阈值L的大小,如果 则删除对应的候选路段和候选点,如此循环比较所有候选路段直至结束;其中,阈值L的取值与周围绿化情况、建筑密集程度和建筑高度有关,可以根据实际情况设定;

s15 .将筛选后的候选点重新编号;轨迹点pi的候选点集重新编号为其中ni表示轨迹点pi的候选点总数;

s16.重复步骤s11至s15,直到完成所有GPS轨迹点的候选点集的计算;

(2)从空间维度分析GPS轨迹点的匹配情况;具体分析计算过程如下:s21.在平面直角坐标系下,依次计算所有轨迹点到其候选点的欧氏距离,即轨迹点pi到其候选点 的欧氏距离 其中,1≤i≤n,1≤j≤ni;

s22.依次计算所有轨迹点映射为其候选点的概率,即轨迹点pi映射为候选点 的概率,其中,1≤i≤n,1≤j≤ni;由于GPS轨迹点与移动对象实际位置的距离服从高斯分布,即正太分布,所以轨迹点pi映射为候选点 的概率 为:2

其中,μ为期望或均值,σ为方差;

s23.依次计算所有两个相邻轨迹点之间的欧式距离,即轨迹点pi‑1到pi的欧式距离其中2≤i≤n;

s24.依次计算所有两个相邻候选点之间的距离,即候选点 和 之间的距离其中,1≤u≤ni‑1,1≤v≤ni,2≤i≤n,距离 是指两个候选点之间的实际路网距离;如果两个候选点处于相同路段,则直接采用欧式距离来计算 否则采用A*算法来计算;

A*算法的代价估计函数F(x),具体如下:

其中,点x是介于起始点 到目标点 之间的邻近路口,G(x)表示从起始点 至当前点x的最大实际代价,具体如下:其中, 表示候选点 到当前点x的距离,twait表示车辆在路口的平均等待时间,vavg表示当前流向平均速度,而twait×vavg表示车辆在路口无阻碍通行时可以到达的真实距离;而H(x)为当前点x至目标点 的最佳估计代价,采用曼哈顿距离来评估,具体如下:其中, 和 是点 的X轴和Y轴的坐标值,xx和yx是点x的X轴和Y轴的坐标值;A*算法在路网中搜索时,每次选择代价估计函数F(x)最小的邻近路口作为中间节点x,直至搜索到目标点s25.依次计算所有两个相邻轨迹点分别映射为其候选点的概率,即轨迹点pi‑1和pi分别映射为候选点 和 的概率 其中2≤i≤n,具体如下:如果 时,令 即概率 的上限值为1;

s26.依次计算所有两个相邻候选点的空间匹配度,即车辆迁移路径 的空间匹配度 其中2≤i≤n,也即前一个轨迹点pi‑1映射匹配为候选点 时,下一个轨迹点pi映射匹配为候选点 的概率,具体如下:(3)从时间维度分析GPS轨迹点的匹配情况;具体分析计算过程如下:s31.依次计算所有两个相邻轨迹点的时间差,即轨迹点pi‑1和pi的时间差ti‑1→i,其中2≤i≤n,具体如下:ti‑1→i=ti‑ti‑1                                 (7)s32.统计历史数据,依次计算所有两个相邻候选点的平均旅行时间,即车辆经过相邻候选点 和 的平均旅行时间 其中2≤i≤n;

如果路线中包含多个路段和路口,则需要考虑各个路段的道路等级和路口的平均延误时间,具体如下:其中,lj1为第j1条路段的道路等级, 为第j1条路段的平均旅行时间, 为第j2个路口的平均延误时间,k1为路线中包含的路段总数,k2为路线中包含的路口总数;

s33.依次计算所有两个相邻候选点的时间匹配度,即车辆迁移路径 的时间匹配度 其中2≤i≤n,具体如下:其中,θ为时间维度影响因子,与道路的平均旅行时间 和当前车辆的实际道路旅行时间ti‑1→i有关,具体如下:(4)从环境维度分析GPS轨迹点的匹配情况;依次计算所有两个相邻候选点的环境匹配度,即车辆迁移路径 的环境匹配度 其中2≤i≤n,具体如下:其中, 为车辆迁移路径 的环境匹配度,涉及车辆迁移路径

上的所有路段, 为第i条路段的实时平均车速,N表示车辆迁移路径 包含的路段总数;

(5)多维数据融合分析;依次融合所有两个相邻候选点的空间匹配度、时间匹配度和环境匹配度,并计算所有两个相邻候选点的最终匹配度,具体计算如下:其中, 是两个相邻候选点的最终匹配度,i取值范围为2≤i≤n;最终匹配度 是在空间匹配度 时间匹配度和环境匹配度 的基础上进行多维数据融合而成的;

(6)构建全局静态投票矩阵;在步骤(5)所得结果的基础上,构建全局静态投票矩阵,全局静态投票矩阵M的定义,具体如下:M=diag{M2,M3,…,Mn}                       (13)其中,n为GPS轨迹点总数,Mi表示两个相邻轨迹点pi‑1和pi的静态投票矩阵,i的取值范围为2≤i≤n,Mi的具体定义如下:其中,ni‑1和ni分别表示轨迹点pi‑1和pi的候选点个数;

(7)压缩全局静态投票矩阵;在步骤(6)所得结果的基础上,压缩全局静态投票矩阵,具体压缩过程如下:s71.依次遍历静态投票矩阵Mi,i的取值范围为2≤i<n;如果静态投票矩阵Mi中每一个元素的值都小于阈值ε,ε取值为0.05,则删除轨迹点pi及矩阵Mi;

s72.重复步骤s71直至遍历结束,由此可以得到压缩后的静态投票矩阵;如果没有轨迹点和相应静态投票矩阵被删除,则直接进入步骤s75,否则进入下一步;

s73.将步骤s72所得的静态投票矩阵进行前后两两拼接,根据步骤(2)至(6),重新计算所有删除轨迹点处的静态投票矩阵;如果删除的是轨迹点pi及矩阵Mi,则需要根据步骤(2)至(6)的方法,重新计算轨迹点pi‑1和pi+1的迁移矩阵s74.重复步骤s71至s73,直至静态投票矩阵Mi都存在大于阈值ε的元素,其中2≤i<n;

s75.对剩余的轨迹点和相应的静态投票矩阵进行重新编号,可以获得压缩后的全局静态投票矩阵 具体定义如下:其中,m为压缩后的轨迹点总数,Mi表示压缩后的相邻两个轨迹点pi‑1和pi的静态投票矩阵,i的取值范围为2≤i≤m;

(8)计算动态优化的局部加权投票矩阵;考虑路网对应时刻的信号配时方案,计算动态优化的局部加权投票矩阵,具体计算如下:其中,i的取值范围为1≤i≤m,权重因子 具体定义如下:

其中,α表示修正因子; 指所有轨迹点pi候选点和所有pj候选点两两之间的实际路网距离的平均值, 表示路网平均延误,Dl表示路口l所在路径流向的延误时间,由综合延误模型结合信号配时、实时交通量以及饱和度计算得到;ds和Ds分别为归一化因子,将距离与延误时间进行量纲统一;

(9)路径生成和候选点投票;根据步骤(8)所得的每一个局部加权投票矩阵,依次从每个轨迹点的某个候选点出发来生成路径,并对路径经过的各个候选点进行投票,从而得到每个轨迹点的所有候选点的投票值;具体投票流程如下:s91.依次计算所有的动态加权投票矩阵Si,其中1≤i≤m,并初始化每个候选点的投票值为0;

s92.依次选择轨迹点pi,其中1≤i≤n;

s93.获取当前轨迹点pi的所有候选点 并依次选择一个候选点 作为初始映射点,其中1≤v≤ni;

s94.根据初始映射点 确定动态加权投票矩阵Si,选择矩阵Si第i个子矩阵的第v行的最大值,即子矩阵 的第v行的最大值;由于在子矩阵中,每一个概率值均对应唯一的一条路径 则点 为对应轨迹的下一候选点;根据投票矩阵Si,继续重复此方法,可以确定从初始映射点 开始的路径上的所有后续候选点;同时,对于确定的每一个后续候选点 其投票值加 初始映射点 不需要投票;

s95.对于在局部投票矩阵中位于初始映射点 之前的候选点,选取动态加权投票矩阵Si中第i‑1个子矩阵的第v列的最大值,即子矩阵 的第v列的最大值;由于在子矩阵中,每一个概率值均对应唯一的一条路径 则点 为对应路径的前一候选点;根据投票矩阵Si,继续重复此方法,可以确定从初始映射点 开始的路径上的所有前继候选点;同时,对于确定每一个前继候选点 其投票值加 初始映射点 不需要投票;

s96.重复步骤s93至s95,直至轨迹点pi的所有候选点都作为初始映射点进行了一次路径生成和候选点投票,并记录每个初始映射点对应的路径;

s97.重复步骤s92至s96,直至所有候选点都已经被处理,从而可以获得每个候选点的投票值;

(10)计算路径投票值,确定最终匹配路径;根据步骤(9)生成的路径和候选点投票值,依次处理每条路径,将路径经过的候选点的投票值相加,可以获得相应路径的投票值;比较所有路径的投票值,选择投票值最大的一条路径作为最终匹配路径,相应的候选点为每个轨迹点的最终匹配点,从而完成GPS轨迹的路网匹配。

2.如权利要求1所述的基于多维数据融合分析的低频GPS轨迹路网匹配方法,其特征在于:步骤s14中阈值L=50米。