专利名称：基于运动矢量的车流量检测方法
技术领域：
本发明涉及车辆交通的检测管理相关技术领域，具体涉及车流量检测技术，特别 是一种分布式无线实时检测车流量的关键技术。
背景技术：
智能交通管理系统是城市管理现代化的一个重要方面，特别是对于我国这样一个 大力进行城市化建设的人口众多的发展中国家，社会车辆日益增多，现有的非智能化交通 管理手段造成的交通拥堵等问题日益严重。智能交通系统中一个关键问题就是车流量的实 时检测，以便实时自动调整交通信号灯、迅速响应交通事故、迅速解决交通拥堵及车辆预警 等问题。目前，车流量检测方法主要有(一)视频分析法。利用安装在路口的视频摄 像头采集交通信息，经图像处理来获得车流量信息。相关发明专利有上海新联纬讯 科技发展有限公司申请号为CN200810037792.4的中国发明专利申请，复旦大学申请号 为CN200610118918. 1的中国发明专利申请，上海新联纬讯科技发展有限公司申请号为 CN200810037792. 4的中国发明专利申请，郑晓势、李娜、周伟等申请号为CN200810138157. 5 的中国发明专利申请。与本发明的检测方法相比，视频分析法只能对有限距离内的车流进 行统计，由于光照、天气、阴影遮挡等原因，统计误差较大，且系统造价非常昂贵。与本发明 检测方法不同。(二)传感器法。利用安装在路口的地感线圈、超声波、红外线传感器、微波雷达 传感器等作为检测装置，当车辆通过传感器时，引起传感器输出信号变化，对此信号计数， 按时间段统计车流量等信息。相关的发明专利有深圳市凯达尔科技实业有限公司申请号 为CN200820094689. 9的中国发明专利申请，北京科技大学申请号为CN200710121210. 6的 中国发明专利申请，中科院嘉兴中心微系统所分中心申请号为CN200710070705. 0的中国 发明专利申请，辽宁金洋集团信息技术有限公司申请号为CN200820013260.2的中国发明 专利申请，中国科学院上海微系统与信息技术研究所申请号为CN200710036889. 9的中国 专利发明申请。与本发明检测方法相比，传感器法受车辆遮挡、车型、停车时零信号、热源等 因素影响，漏检率高，且只能检测有限距离内的车流量，智能化水平低下。与本发明检测方 法不同。(三)无线通信法。车辆通过无线通信方式，与路边检测装置交互信息，从而实现 车流量的检测。相关的发明专利有深圳市辉煌电子有限公司申请号为CN200710138978. 4 的中国发明专利申请。该专利中，车辆行驶信息在车辆与车辆之间以无线通信方式循环互 通，参与互通的车辆都集合所有车辆的行驶信息，路口的地面装置与其中一辆通信就可获 得该路口路段的车流量信息。与本发明检测方法相比，他们的方法通信数据流量大，信息延 迟高，且只能检测路口局部路段的车流量信息。与本发明检测方法不同。相关的发明专利 还包括美国专利 U. S. Pat. No. 20020107634A1, 20020082766A1 和 006650948B1。这些专利， 均通过在车辆上安装不同设备，如电话，定位系统等，与电信网络基站通信，将车辆运动信
4息发送流量检测中心，通过计算获取车流量信息。与本发明检测方法相比，他们的方法依靠 基站传输数据，流量大，延迟高，系统昂贵。
发明内容
本发明的目的是克服现有车流量检测方法的下列缺陷采用视频分析或传感器 法的漏检率高，采用无线通信的方法通信流量大，容易造成大量冲突和无线资源的浪费，延 迟高。提供一种基于运动矢量的车流量检测方法，该方法能够大大降低漏检率，提高检测精 度，减少无线通信法的通信流量和冲突。同时能够对道路上指定检测线、指定街道进行实 时、不间断的检测。本发明提供的技术方案是一种运动矢量的车流量检测方法，其包括以下步骤(1)为车辆分配唯一标志号，为车辆分配一个存储队列，利用GPS获取车辆位置、 速度和方向信息；为交叉路口分配唯一标识号，利用GPS获取位置信息，通过测量得到交叉 路口与该路口各街道的相位关系对应表，在交叉路口中心配置车流量检测设备，并为其分 配一个存储队列；为检测线分配唯一编号；(2)感知车辆运动矢量；(3)检测设备与车辆无线交互信息，跟踪车流量变化量；(4)更新车流量数据。所述感知车辆运动矢量的具体步骤为(1)6PS以周期T获取车辆k的位置信息，并入队；(2)如果队列长度Lq > Lmax，Lfflax为预定值，从队首位置出队一个元素；否则，转到 ⑴；(3)在直角坐标系中拟合队列所有元素中的位置数据，获得一条直线AB ；(4)以队首元素中的位置向AB做垂线，交点为矢量的起点，队尾元素中的位置向 AB做垂线，交点为矢量的终点，形成一个矢量@ ；(5)获取当前速度ν和时间t，构造与W同向向量^^，与$相加，得到一个车辆 k在t时刻的运动矢量疋；(6)转到(1)。所述检测设备与车辆无线交互信息的具体步骤为(1)时间分为HELLO和BEACON周期间隔的两种时段。在HELLO时段，检测设备周 期性发送hello消息，该消息包括6PS信息、应答ID列表和退避间隔分配表；(2)如果车辆k没有收到hello消息，等待；(3)否则，车辆k检查是否包含对自身的应答，如果包含退避计数器清零，并且等 待w。/v时间，转到(2)，其中，W。表示检测宽度，ν表示车辆速度；如果不包含车辆k以交 叉路口 Ii的GPS位置为原点，建立一个从原点指向车辆k的运动矢量W终点的矢量5，又 与χ正轴的夹角α若存在巧< <巧+1，说明车辆k在t时刻位于相位(代，《'+1)，其中，代和 代+1分别表示相对原点的第j和j+Ι个角度，且二者相邻；
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(4)计算矢量冗在射线(W ,巧+V2的投影冗’；(5)如果||€’卜<丨<%，其中d。表示检测线距检测设备的距离，车辆k启动计数器； 否则转到⑵；(6)退避计数器的值加1，如果小于阈值3，根据交叉路口 Ii的退避间隔分配表计 算退避时间，并启动退避计时器；否则，退避计数器清零，并且等待w。/v时间，转到(2)；(7)退避计时器在BEACON时段内递减，递减到零时，发送beacon消息，内容包括编
号k，记和迈，转到(2)。所述跟踪车流量变化量的具体步骤为(1)检测设备以自身GPS位置为原点，建立直角坐标系；(2)接收到车辆k的beacon消息后，以原点为起点，矢量▽的起点为终点，建立一 个矢量冗；(3)如果I冗|<丨，车流量变化量AV = -I ；否则AV=I;(4)检测设备通过有线网络向中心数据库发送更新信息，该信息包括交叉路口编 号Ii,车辆标识号k，时间戳t，相位(代，々+1)，车流量变化量AV。所述更新车流量数据的具体步骤为(1)中心数据库启动周期定时器Tc ；(2)接收各检测设备发送的数据包，根据相位关系对应表，由数据包中的信息Ii和 (W,巧+1)获得对应的街道标识号Sk ；(3)以Sk为关键字，更新数据库中对应Sk的车流量V1, V1 = VfA V;(4)以(/,,(^，巧+1)，之)为联合关键字，更新数据库中对应街道Sk距交叉路口 Ii为 dc处检测线的车流量V2, V2 = Vl ；(5)删除数据包；(6)如果T。递减到零，关闭周期定时器，令V2 = 0，转到(1)；否则，转到(2)。与现有技术相比，本发明具有以下优点(1)实时性高。交叉路口检测设备通过无线方式实时获得车辆信息，并发送到中心 数据库。中心数据库能够立即显示各个街道或检测线处的车流量信息。(2)检测位置灵活，支持车流量检测两种定义。检测线位置可动态调整，街道检测 路段可动态调整。通过对街道的车流量检测，可实时检测同一时刻单位距离内车辆数目；通过对检测线处车流量检测，可实时检测单位时间内通过截面上车辆数目。(3)精度高，延迟低。相对于视频法和地感线圈法，不受天气、环境影响，大大降低 了漏检率；相对于无线通信法，检测设备采集一次车流量信息，仅需与车辆通信一次，数据 流量小，延迟低。
图1是本发明实施例的车流量检测系统整体框架图；图2是感知车辆运动矢量流程图；图3是无线交互信息流程图4是退避间隔分配示意图；图5是跟踪车流量变化量流程图；图6是车流量数据实时更新流程图；图7是交叉路口、相位、检测距离与街道、检测线的关系示意图；图8是基于运动矢量车流量检测方法的实例图；图9是车辆运动矢量生成实例图；图10是计算各相位车流量变化量实例图；图11是中心数据库两种定义车流量的数据表实例图。
具体实施例方式下面结合附图，对本发明作进一步详细的描述。本发明的基于运动矢量的车流量检测方法，其特征在于(1)为车辆分配唯一标志号，为车辆分配一个存储队列，利用GPS获取车辆位置、 速度和方向信息；为交叉路口分配唯一标识号，利用GPS获取位置信息，通过测量得到交叉 路口与该路口各街道的相位关系表；在交叉路口中心配置车流量检测设备，并为其分配一 个存储队列；为检测线分配唯一编号；(2)感知车辆运动矢量；(3)检测设备与车辆无线交互信息，跟踪车流量变化量；(4)更新车流量数据。参见图1，车流量检测的软件框架包括四个部分感知运动矢量，无线交互信息， 跟踪车流量变化量和更新车流量数据。四个模块采用分层结构。每个模块独立完成一个 功能，依赖前一模块的数据支持。感知运动矢量模块将利用GPS获取的位置信息通过拟合 和预测得到车辆当前的准确位置，克服了 GPS位置信息存在偶然误差和更新周期长(1秒) 的缺陷。每个运动矢量对应了一辆车，因此，通过在一定检测范围内交互信息，交叉路口的 检测设备能够获取每辆车的运动位置和方向。无线交互信息模块采用一种根据车流量改变 的退避机制，使检测设备和车辆能够有序实时交互信息，尽可能降低冲突概率。在跟踪车流 量变化量模块中，检测设备通过计算获得每个街道和检测线处车流量的变化量，从而实时 跟踪车流量的变化量。该变化量通过有线网络传输到中心数据库。中心数据库进行数据更 新，首先更新街道车流量变化量，其次通过定时器更新检测线处车流量的变化量，从而实现 车流量信息的实时更新。图2是感知车辆运动矢量流程图。首先通过拟合，消除了 GPS位置信息的偶然偏 差。车辆k利用GPS周期性获取位置信息，并将该位置信息存放在车载储队列中。如果该 队列达到足够的数据量Lmax，出队；否则继续接收车辆位置信息。基于足够数据量Lmax，拟合 队列中的位置数据，获得矢量W，它表示车辆k在周期为T的GPS信息采集中获得的运动 矢量。其次，通过预测获得当前车辆k的运动矢量。由于车辆速度属连续量，利用车辆的速 度ν和当前时间t，构造与▽同向向量_。与$相加，得到一个车辆k在t时刻的运动 矢量W。该运动矢量同时消除了 GPS的位置信息误差和更新周期长(1秒)的缺陷。图3是无线交互信息的流程图。检测设备不断发送检测消息，包括GPS信息、应
7答ID列表和退避间隔分配表。车辆收到检测消息后，判断是否包含对自身的应答。如果包 含，则将计数器清零，并等待车辆驶过当前检测范围后，继续接收检测消息。但不包含对自 身的应答时，计算运动矢量疋终点对应检测设备的矢量冗，对冗所在相位街道中心的射线 叫， +1V2投影，得到€·。当II^K |<%时，表示车辆当前位置处于检测范围之内，启动计 数器。计数器用于记录冲突重传的数目，每重传一次，数值加1。如果重传次数超过3次，计 数器清零并等待车辆驶过当前检测范围；否则，计算退避时间，启动退避计时器，当计时器 为零时，发送车辆运动信息消息。检测设备收到该消息后，将在下次发送检测消息时，捎带 对该车辆的应答。图4是退避间隔分配图。检测设备周期性发送hello数据包。为保证hello数 据包不与车辆发送的数据包产生冲突，在一个HELLO周期中，划分固定的HELLO时段作为 hello数据包的时间段，在该时间段内不允许车辆发送数据包；剩下的时段为BEACON时段， 车辆仅在BEACON时段内发送beacon数据包。hello数据包中包含交叉路口的GPS信息、应 答ID列表和退避间隔分配表。其中，应答ID列表是检测设备在上个HELLO周期中接收到车 辆发送的数据包后，对每个车辆产生应答的列表；退避间隔分配表是指按照上个HELLO周 期各个相位上车辆数目的比例，划分当前HELLO周期的BEACON时段，分配每个相位可用时 段。在图4中，1，2，3，4表示4个不同的相位，它们占用不同时间段。其中，每个相位必须具 有一个最小时段。每个相位内的车辆根据该分配表，在指定时段内随机产生一个时隙发送 beacon数据包。图5是跟踪车流量变化量流程图。检测设备不断接收车辆发送的beacon消息。 以自身位置为起点，矢量起点为终点，建立一个矢量如果I，车流量变化量ΔV =-1;否则，Δν=1。这种方法根据车辆的移动方向判断车辆量的变化量，能够满足车流 量统计的两种定义。最后，检测设备通过有线网络向中心数据库发送更新信息，该信息包括 交叉路口编号Ii,车辆标识号k，时间戳t，相位(巧，巧+1)，车流量变化量Δν。图6是车流量数据实时更新流程图。中心数据库根据各交叉路口检测设备的更新 消息，实时刷新支持两种定义的车流量信息。首先，启动周期定时器Τ。。其次，更新街道车 流量信息。根据相位关系对应表，由检测设备更新消息中的Ii和(代，々+1)获得对应的街道 标识号sk，然后，以Sk为关键字，更新数据库中对应Sk的车流量V1, V1 = V1+ Δ V0再次，更新 检测线处的车流量。以，巧+K)为联合关键字，更新数据库中对应街道Sk距Ii为d。 处检测线的车流量V2，V2 = V2+l。最后，删除检测设备发送的数据包，并在Τ。递减到零时， 关闭周期定时器，令V2 = 0。图7是交叉路口、相位、检测距离和街道、检测线之间的关系表。其中，(交叉路口， 相位)可唯一确定街道；(交叉路口，相位，检测距离)可唯一确定检测线。本发明的一个实施例如下如图8，假设Ii和L为两相邻交叉路口，二者之间的街道编号为Sk，Ii和L处的 检测设备均与中心数据库通过有线网络相连。检测设备和车辆同时具备无线收发能力，并 且配备了 GPS装置。所有车辆拥有一个唯一标识号和一个存储队列，并且已通过测量得到 交叉路口与该路口各街道的相位关系表。(对,片)，iPlPl),(戌，代)和⑷，对)分别表示Ii 处四个街道对应的四个相位；^处相位对应关系类似。
(1)感知车辆运动矢量步骤根据图2，所有车辆得到足够的GPS位置信息后，通过拟合构造矢量，再通过速度 和当前时间，估计当前车辆的运动矢量，从而得出当前的运动矢量。如图9，车辆k将GPS位 置通过拟合方式得到直线AB，取首尾的GPS位置向AB做垂线，得到矢量^ ；由于GPS的刷 新周期为1秒，再通过速度和时间预测矢量·，二矢量相加，最终得到车辆k的运动矢量 Λ ο(2)检测设备与车辆无线交互信息步骤交叉路口 Ii和、的检测设备周期性发送hello消息。车辆一旦收到该消息，检测 是否包含对自身已发送beacon消息的应答，如果包含，说明检测设备已检测到自身的存在 信息，无需重发。如果不包含，则计算自身是否处于检测线范围内，假设检测宽度为w。，通过 车辆运动矢量与检测线距离来衡量是否应该发送beacon消息。发送beacon消息时，采用 计数器和计时器联合控制。计数器用于限制最大重传次数，计时器用于定时特定的退避时 间。如图8，位于此次检测线范围(图示阴影区域)内的车辆发送beacon消息未发送的 车辆，发送beacon消息；已发送成功的车辆，不再重传；重传超过3次的车辆，将不在本检 测线范围内发送beacon消息，因为此时冲突非常严重。假设将{东，北，西，南}四个相位 标志为1，2，3和4，则交叉路口 Ii处为4个相位分配的退避时段如图4。第3、4相位上此 时无车辆，分配最小时段；第1、2相位上车辆数目比为1 2，则将剩下的BEACON时段按照 1 2分配给第1、2相位。(3)跟踪车流量变化量步骤检测设备通过获得的车辆信息，计算车辆远离还是接近自身位置。如果接近，表明 车辆正驶离检测线所处街道；如果远离，表明车辆正驶入检测线所处街道。如图10，检测设 备以自身位置为原点，矢量记起点为终点，建立一个矢量^ ；此时，I^M€I ’(β),,Pl)相位处 车流量变化量Δν= 1。最后，检测设备向中心数据库发送更新消息。(4)更新车流量数据步骤中心数据库接收各检测设备发送的数据包，根据相位关系对应表，获得相应的街 道编号和检测线编号，然后更新相应车流量。因此，主要更新两个数据表，如图11。其中，街 道Sk的车流量V1 = V1+八V ；检测线Lk处的车流量V2 = V2+l。由于检测线处车流量是指单 位时间内通过同一截面上的车辆数目，因此需要一个周期定时器，用于计时单位检测时间， 车流量每周期清零，并重新记录。本发明的突出特点在于1.感知车辆运动矢量的方法，利用拟合和预测的方法降低GPS信息误差的影响， 提高位置信息获取的时间粒度。对车辆轨迹准确和实时的感知，为车流量的准确检测奠定 了基石出。2.无线信息交互方法，检测设备周期性发送hello消息，检测线范围内的车辆在 指定的BEACON时段内发送自身运动信息，并且根据历史信息按照相位划分退避时间，有效 地避免了车辆之间的冲突，提高了信息的时效性。3.检测设备根据车辆运动矢量，可实时计算出任何指定检测线处的车流量变化量。
4.中心数据库实时显示指定路段或检测线处车流量，为交通数据分析提供精确的 参考依据。
权利要求
一种基于运动矢量的车流量检测方法，其特征在于包括以下步骤(1)为车辆分配唯一标志号，为车辆分配一个存储队列，利用GPS获取车辆位置、速度和方向信息；为交叉路口分配唯一标识号，利用GPS获取位置信息，通过测量得到交叉路口与该路口各街道的相位关系对应表，在交叉路口中心配置车流量检测设备，并为其分配一个存储队列；为检测线分配唯一编号；(2)感知车辆运动矢量；(3)检测设备与车辆无线交互信息，跟踪车流量变化量；(4)更新车流量数据。
2.如权利要求1所述的基于运动矢量的车流量检测方法，其特征在于感知车辆运动 矢量的具体步骤为(2. DGPS以周期T获取车辆k的位置信息，并入队；(2. 2)如果队列长度Lq > Lmax，Lfflax为预定值，从队首位置出队一个元素；否则，转到步 骤(2. 1)；(2. 3)在直角坐标系中拟合队列所有元素中的位置数据，获得一条直线AB ；(2. 4)以队首元素的位置向AB做垂线，交点为矢量的起点，队尾元素的位置向AB做垂 线，交点为矢量的终点，形成一个矢量W ；(2. 5)获取当前速度ν和时间t，构造与▽同向向量，与▽相加，得到一个车辆k在t时刻的运动矢量7 ；(2. 6)转到步骤(2. 1)。
3.如权利要求1所述的基于运动矢量的车流量检测方法，其特征在于检测设备与车 辆无线交互信息的具体步骤为(3. 1)时间分为HELLO和BEACON周期间隔的两种时段，在HELLO时段，检测设备周期性 发送hello消息，该消息包括GPS信息、应答ID列表和退避间隔分配表；(3. 2)如果车辆k没有收到hello消息，等待；(3. 3)否则，车辆k检查是否包含对自身的应答；如果包含退避计数器清零，并且等待 w。/v时间，转到步骤(3. 2)，其中，W。表示检测宽度，ν表示车辆速度；如果不包含车辆k以 交叉路口 Ii的GPS位置为原点，建立一个从原点指向车辆k的运动矢量▽终点的矢量冗， i与χ正轴的夹角α若存在说明车辆k在t时刻位于相位(巧，巧+])，其中，A 和巧+1分别表示相对原点的第j和j+Ι个角度，且二者相邻；(3. 4)计算矢量冗在射线(所,A+1 V2的投影冗’；(3. 5)如果UTe'\-dc \<wc，其中d。表示检测线距检测设备的距离，车辆k启动计数器；否 则转到步骤(3. 2)；(3. 6)退避计数器的值加1，如果小于阈值3，根据交叉路口 Ii的退避间隔分配表计 算退避时间，并启动退避计时器；否则，退避计数器清零，并且等待w。/v时间，转到步骤 (3. 2)；(3. 7)退避计时器在BEACON时段内递减，递减到零时，发送beacon消息，内容包括编号 k，疋和泛，转到步骤(3. 2)。
4.如权利要求1所述的基于运动矢量的车流量检测方法，其特征在于跟踪车流量变 化量的具体步骤为(4. 1)检测设备以自身GPS位置为原点，建立直角坐标系；(4. 2)接收到车辆k的beacon消息后，以原点为起点，车辆k的运动矢量▽的起点为 终点，建立一个矢量冗；(4. 3)如果丨€|<|泛丨，车流量变化量AV = -1 ；否贝丨J AV = 1 ；(4. 4)检测设备通过有线网络向中心数据库发送更新信息，该信息包括交叉路口编号 Ii,车辆标识号k，时间戳t，相位(巧，巧+1)，车流量变化量Δ V。
5.如权利要求1所述的基于运动矢量的车流量检测方法，其特征在于更新车流量数 据的具体步骤为(5. 1)中心数据库启动周期定时器Τ。；(5. 2)接收各检测设备发送的数据包，根据相位关系对应表，由交叉路口 Ii和相位 (&，巧+1)获得对应的街道标识号Sk ；(5. 3)以Sk为关键字，更新数据库中对应Sk的车流量V1, V1 =V^AV5(5.4)以(/,，(巧，巧+1),之)为联合关键字，更新数据库中对应街道Sk距交叉路口 “为毛 处检测线的车流量V2，V2 = V2+1;(5. 5)删除数据包；(5.6)如果T。递减到零，关闭周期定时器，令V2 = O,转到步骤(5. 1)；否则，转到步骤 (5. 2)。
全文摘要
本发明涉及一种基于运动矢量的车流量检测方法，属车辆交通检测领域，包括感知车辆运动矢量的步骤，检测设备与车辆无线交互信息的步骤，跟踪车流量变化量的步骤，更新车流量数据的步骤；为车辆和交叉路口检测设备分配唯一标志号和存储队列，利用GPS获取位置、速度和方向信息的步骤；测量得到交叉路口与相连各街道的相位关系表的步骤；为检测线分配唯一编号的步骤。这些步骤使检测设备与车辆无线交互，实时获得车辆信息，并传递到中心数据库，中心数据库实时更新车流量数据。车辆、检测设备、中心数据库协同分工，准确、快速获取任意街道和检测线处的车流量。该方法漏检率低，延迟低，实时性高，检测手段灵活，从而提高车流量检测的性能。
文档编号G08G1/01GK101894468SQ20101022378
公开日2010年11月24日 申请日期2010年7月12日 优先权日2010年7月12日
发明者代震, 张奇惠, 郑海务, 陈立家, 高伟 申请人:河南大学