一種基于主成分分析交通信息的補(bǔ)償方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 發(fā)明屬于智能交通系統(tǒng)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于主成分分析交通 信息的補(bǔ)償方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 智能交通系統(tǒng)（ITS)是一種旨在提供新穎高效的運(yùn)輸方式和交通管理模式的創(chuàng)新 應(yīng)用，使用戶能夠更好地了解和創(chuàng)造安全、協(xié)調(diào)、智能的交通網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)今在一些發(fā)展中國家 像中國，雖然大部分地區(qū)仍然是農(nóng)村，但是卻在迅速的進(jìn)行著城市化和工業(yè)化。在這些地 區(qū)，迅速發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)同時也帶來了涌入的人群。因而擁堵問題現(xiàn)已逐漸成為中國 城鎮(zhèn)化帶來的一大重要問題。尤其在北京、上海這樣的大城市，擁堵問題尤為突出。而智能 交通系統(tǒng)能合理地分配車流，提前預(yù)測擁堵，從而能有效地解決擁堵問題，是解決城市擁堵 問題的有效辦法。
[0003] 在成熟的智能交通系統(tǒng)中，通行時間的估計(jì)和預(yù)測是最重要的功能之一。當(dāng)獲得 精確的通行時間之后，旅行者就能決定自己的出發(fā)時間并提前規(guī)劃自己的出行路線。當(dāng)交 通網(wǎng)絡(luò)中的每個出行者都能智能地規(guī)劃自己的路線時，整個交通網(wǎng)絡(luò)的通行性能也將得到 大大的提高。同時，可靠的通行時間預(yù)測也使得交通管理部門能夠動態(tài)地制定和修改交通 管理政策，通過調(diào)節(jié)不同路口交通燈的時間等方法來管理城市交通，從而避免交通擁堵的 產(chǎn)生。另外作為大型復(fù)雜交通系統(tǒng)的參數(shù)之一，準(zhǔn)確的通行時間同時也是評價(jià)交通管理方 法的有效性的重要標(biāo)準(zhǔn)。
[0004] 目前，在估計(jì)通行時間算法中最為廣泛使用的浮動車數(shù)據(jù)卻存在嚴(yán)重的時空缺失 情況，從而導(dǎo)致該數(shù)據(jù)無法被直接被用于估計(jì)通行時間。如何對缺失的交通信息進(jìn)行估計(jì) 和補(bǔ)償一直是進(jìn)行準(zhǔn)確的通行時間估計(jì)的前提和重要基礎(chǔ)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 有鑒于此，本發(fā)明提出了一種基于主成分分析的交通信息補(bǔ)償方法，該方法利用 交通信息矩陣中已有的數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)間的時間空間關(guān)系，并結(jié)合矩陣分解的相關(guān)方法， 對交通信息矩陣中缺失的元素進(jìn)行估計(jì)，為后續(xù)的通行時間估計(jì)提供基礎(chǔ)。
[0006] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0007] -種基于主成分分析的交通信息補(bǔ)償方法，具體過程為：
[0008] 步驟一，針對待獲取交通信息的所有道路和所有時間段，獲取各道路在各時間段 的交通信息，然后將所有交通信息組成測量矩陣M，隨機(jī)生成矩陣L;
[0009] 步驟二，根據(jù)測量矩陣M計(jì)算矩陣
更新矩陣
其中inverse(P，Q) =P-1(^>1'，人1、\2及人3為設(shè)定閾值；
[0010] 步驟三，計(jì)算代價(jià)函數(shù)（1)的值，若該值大于之前的歷史最小值，則利用最小二乘 法估算L和R的最優(yōu)值，否則，將最優(yōu)的L和R值更新為當(dāng)前的L和R值；
[0011] mini IB. X(LRt)-MI |Ρ+λι(| |Lf+| |Rf)+A2| | SX (LRt)I |Ρ+λ3| | (LRt) XT | |f (I)
[0012] 其中，S為空間限制矩陣，T為時間限制矩陣，I I I |F為矩陣的模，B為指示矩陣；
[0013] 步驟四，重復(fù)步驟二和步驟三直至達(dá)到設(shè)定的最大循環(huán)次數(shù)，然后將最優(yōu)的L和R 相乘計(jì)算出交通信息矩陣X = LRt。
[0014] 進(jìn)一步地，本發(fā)明所述測量矩陣M的獲取過程為：
[0015] 步驟101，根據(jù)車輛上GPS數(shù)據(jù)，利用A*算法推斷出車輛在一段旅程中所經(jīng)過的所 有道路和起止時間，計(jì)算車輛在這段旅程中的平均速度；
[0016] 步驟102,將所有在時間段t通過道路r的旅程的加權(quán)平均速度作為時間段t內(nèi)道路 r的交通信息，所述權(quán)值為旅程所通過道路r的長度與道路r的總長度的比值；
[0017] 步驟103,按照步驟102的方式，計(jì)算所有道路在各時間段的交通信息，然后將所有 交通信息組成測量矩陣M。
[0018] 進(jìn)一步地，本發(fā)明所述步驟101的具體過程為：
[0019] 201，以車輛上GPS定位點(diǎn)為圓心，半徑為45m的外接正方形作為該GPS定位點(diǎn)的誤 差區(qū)域；
[0020] 202,從道路網(wǎng)絡(luò)中選出所有符合條件的候選路段，所述符合條件的候選路段主要 包括三種情況：（a)路段的兩個端點(diǎn)都在誤差區(qū)域內(nèi)，（b)路段只有一個端點(diǎn)在誤差區(qū)域內(nèi)， (c)路段的兩個端點(diǎn)都不在誤差區(qū)域內(nèi)，但是路段與誤差區(qū)域相交；
[0021] 203,以候選路段為中心，兩側(cè)各平行延伸20米得到矩形，將其記為該候選路段的 置信區(qū)域；
[0022] 204,當(dāng)車輛上GPS定位點(diǎn)P僅出現(xiàn)在一條候選路段的置信區(qū)域內(nèi)時，將該候選路段 作為匹配路段;否則，當(dāng)之前GPS定位點(diǎn)在該候選路段的位置屬性(在候選路段的哪一側(cè))發(fā) 生3次以上改變時，將該候選路段作為匹配路段；
[0023] 205,根據(jù)歷史數(shù)據(jù)中相鄰點(diǎn)之間的時間間隔的大小將GPS數(shù)據(jù)劃分成獨(dú)立的一個 個旅程;按照步驟201-204的方式為每個旅程的所有的GPS定位點(diǎn)確定其對應(yīng)的匹配路段， 并在所述匹配路段上確定其對應(yīng)的匹配點(diǎn)；最后利用A*算法，根據(jù)每個旅程所對應(yīng)的匹配 點(diǎn)推斷出每個旅程所經(jīng)過的所有道路和起止時間，從而可以得到該旅程的平均速度。
[0024] 有益效果
[0025] (1)本發(fā)明在進(jìn)行交通信息的補(bǔ)償時考慮了相鄰道路的交通信息之間的時空聯(lián) 系，從而大大的提高了補(bǔ)償?shù)木取?br>[0026] (2)本發(fā)明利用車輛跟蹤來生成交通信息，而不是關(guān)注復(fù)雜的道路網(wǎng)絡(luò)，大大降低 了運(yùn)算量，避免了因道路網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大而造成的運(yùn)算量的指數(shù)增加。
[0027] (3)本發(fā)明針對GPS定位信息存在誤差的情況，對GPS定位信息進(jìn)行匹配，將大量的 運(yùn)算轉(zhuǎn)換成比較運(yùn)算，在提高定位精度的同時，大大地降低了運(yùn)算時間，提高了運(yùn)算效率。
【附圖說明】
[0028]圖1為本發(fā)明基于主成分分析的交通信息補(bǔ)償方法的流程圖；
[0029]圖2為誤差區(qū)域；
[0030]圖3為與誤差區(qū)域相交的三種情況；
[0031]圖4為快速排斥實(shí)例；
[0032]圖5為道路AB的置信區(qū)域；
【具體實(shí)施方式】
[0033]下面結(jié)合附圖并舉實(shí)例，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0034] 如圖1所示，本發(fā)明提供一種基于主成分分析的交通信息補(bǔ)償方法，具體過程為：
[0035] 步驟一，針對待獲取交通信息的所有道路和所有時間段，獲取各道路在各時間段 的交通信息，然后將所有交通信息組成測量矩陣M，隨機(jī)生成矩陣L;
[0036] 步驟二，根據(jù)測量矩陣M計(jì)算矩陣
更新矩陣
其中inverse(P，Q) =PdQP1" A1J2 及 λ3 為設(shè)定閾值；
[0037] 步驟三，計(jì)算代價(jià)函數(shù)（1)的值，若該值大于之前的歷史最小值，則利用最小二乘 法估算L和R的最優(yōu)值，若該值小于之前的歷史最小值，將最優(yōu)的L和R值更新為當(dāng)前的L和R 值；
[0039]其中，S為空間限制矩陣，S為η*η的矩陣，每一個元素 Slj代表道路i和道路j之間的 空間聯(lián)系，η為需要獲取交通信息的道路總數(shù)，T為時間限制矩陣，即以第1-3行的元素為單 元，沿著列向循環(huán)排布，I I I If為矩陣的模，B為指示矩陣，當(dāng)測量矩陣M中的元素為空時，指 示矩陣B中對應(yīng)的元素為0,否則指示矩陣B中對應(yīng)的元素為1;
[0041] 步驟四，重復(fù)步驟二和步驟三直至達(dá)到設(shè)定的最大循環(huán)次數(shù)，然后將最優(yōu)的I^PRt 相乘計(jì)算出交通信息矩陣X。
[0042] 由于測量矩陣M中可能存在數(shù)據(jù)丟失的情況（即某些位置上的元素為0)，因此本發(fā) 明將交通信息矩陣X分解為X = LRt，接著利用矩陣秩和時空矩陣的限制進(jìn)行優(yōu)化，并利用迭 代最小二乘法求出問題的解，從而得出完整的交通信息矩陣，實(shí)現(xiàn)對交通信息矩陣中缺失 的元素的補(bǔ)償，為交通通行提供基礎(chǔ)。
[0043] 本發(fā)明較佳采用如下過程來獲取交通信息組成測量矩陣M:
[0044] 步驟101，根據(jù)車輛上GPS數(shù)據(jù)，利用A*算法推斷出車輛在一段旅程中所經(jīng)過的所 有道路和起止時間，并計(jì)算車輛在這段旅程中的平均速度；
[0045] 步驟102,為了生成道路r在時間段t的交通信息(平均速度），所有在時間段t經(jīng)過 道路r的旅程的平均速度都需要被考慮在內(nèi)。另外，由于有一些旅程在時間段t內(nèi)只經(jīng)過了 道路r的一部分，則認(rèn)為這些旅程的平均速度并不能完全反映道路r在時間段t的交通狀況。 因此所有在時間段t通過道路r的旅程的加權(quán)平均速度被作為該時間段的道路r的交通信 息，所述權(quán)值為旅程所通過道路r的長度與道路r的總長度的比值；
[0046] 步驟103,按照步驟102的方式，計(jì)算所有道路在各時間段的交通信息，然后將所有 交通信息組成測量矩陣M。
[0047]由于GPS定位信息可能存在偏差，因此本發(fā)明利用計(jì)算幾何的相關(guān)理論判斷GPS坐 標(biāo)點(diǎn)和候選道路的幾何關(guān)系，并將GPS坐標(biāo)點(diǎn)匹配到正確的道路上，以修正由于GPS誤差而 造成的定位誤差。具體過程為：
[0048] 201，以車輛上GPS定位點(diǎn)為圓心，半徑為45m的外接正方形作為該GPS定位點(diǎn)的誤 差區(qū)域，如圖2所示；
[0049] 202,從道路網(wǎng)絡(luò)中選出所有符合條件的候選路段，所述符合條件的候選路段主要 包括三種情況：（a)路段的兩個端點(diǎn)都在誤差區(qū)域內(nèi)，（b)路段只有一個端點(diǎn)在誤差區(qū)域內(nèi)， (c)路段的兩個端點(diǎn)都不在誤差區(qū)域內(nèi)，但是路段與誤差區(qū)域相交；以上三種情況可通過計(jì) 算幾何中的判斷線段與多邊形是否相交、點(diǎn)在直線哪一側(cè)等算法來確定，如圖3所示；
[0050] 203,以候選路段為中心，兩側(cè)各平