基于GPS的高速公路车速全程监控方法研究

李 娟，高 山，闫广峰，李友兵

(1.西南交通大学 交通运输与物流学院，四川 成都,610031；2.西南交通大学 地球科学与环境工程学院，四川 成都,611756)



基于GPS的高速公路车速全程监控方法研究

李 娟1，高 山2，闫广峰2，李友兵2

(1.西南交通大学 交通运输与物流学院，四川 成都,610031；2.西南交通大学 地球科学与环境工程学院，四川 成都,611756)

对高速公路车速进行有效监控与管理，是抑制违章超速行驶、减少高速公路交通事故的重要手段。现有的基于点速度和区间平均速度的高速公路车速监控方法，难以准确反应出车辆的实际行驶状态，实施效果有限，可靠性较差。文中提出基于GPS和地图匹配技术的高速公路车速全程监控和管理方法，建立相关算法的数学模型。经过理论分析和实例验证，车速监控与管理方法能实现高速公路车速的全程监控，极大地提高车速安全监控和管理的可靠性、准确性和有效性。

高速公路；车速监控与管理；GPS；地图匹配

车辆超速能引发高速公路交通事故，实现对高速公路行驶车辆车速监控和管理，抑制违章超速行驶、减少交通事故，对高速公路更好地发挥其快速、安全、舒适和高效的功能有着重要意义。目前，高速公路车速采集方法主要有固定设施的地感线圈测速、雷达测速和移动设施的激光测速等[1-4]。其中，地感线圈测速使用简单、灵敏度高，但长期挤压后容易损坏，维护成本较高；雷达测速技术成熟、测速精度高，在高速公路车速监控中使用广泛，只能实现对单个目标的测速，且安装角度要求严格；激光测速精度高、范围大、抗干扰性强，激光对人眼伤害大，不能实现对多车道多目标的同时测速。现有的高速公路速度管理方法均为点速度或区间平均速度管理，点速度管理对车辆行驶过程中非监控路段的速度无法进行有效监控，实施效果非常有限；区间平均速度包含停车时间，对区间内车辆的实际行驶速度不能真正进行监控，其车速监控的有效性有待商榷。寻找一种快速、有效、可靠的高速公路车速监控方法，是亟待解决的一个问题。

实际上，监测结果的有效性和可靠性与监测范围及信息匹配的准确度有关。GPS具有定位快速、精确、全天候等特点，可以经济、高效、可靠地得到运动载体的位置和速度信息[5]。高速公路全封闭、全立交、隔离双向行驶的道路特征，使得其拓扑关系较普通道路更为简单、明确。在所有驶入高速公路车辆都配有GPS接收装置(如在收费卡中嵌入GPS)的假设条件下，本文提出基于GPS和地图匹配技术的高速公路车速全程监控方法，在理论分析的基础上，通过实测数据计算分析并验证该方法的准确性、可靠性和有效性。

1 现有高速公路车速监控方法及有效性分析

现有高速公路车速管理方法中，点速度管理方法是设置若干个固定或移动的点位进行速度测量，从而进行车辆行驶全程的速度管理；区间平均车速管理方法是设置若干个固定路段，记录车辆驶入和驶出监测路段的时间t1和t2，以监测路段长S和车辆在固定路段行驶的时间比S/(t2-t1)作为区间平均车速。

车速是驾驶员与交通系统相互作用的直接表现，测速路段信息收集过程将影响车速监控与管理真实、有效性。在车速监测结果为无超速行为的情况下，对于不同的车速管理方法，车辆的实际行驶状态可以描述如下。

1)点速度车速管理。如图1所示，车速监测基于点速度管理方式下，车辆实际车速可能为曲线2，即车速一直保持在限速标准以下；也可能如曲线1所述，驾驶员可能有意在监测点附近降速到限速标准下行驶，而在非监测点则超速行驶。

图1 点速度管理下的车速分布

2)区间平均车速管理。在基于区间平均速度管理方式下，如图2所示，实际车速除曲线4所描述的车速一直小于限速标准外，还可能存在曲线1、曲线2和曲线3描述的几种情况，即监测区间有服务区(曲线1)、道路部分路段拥堵(曲线2)、在监测区间部分路段低速行驶(曲线3)等。区间平均车速管理对较长距离的车速管理效果较差，对单一的隧道或桥梁的实施效果可能较好。

图2 区间平均速度管理下的车速分布

针对以上两种车速监控方法中存在的缺点，本文提出基于GPS和地图匹配技术的高速公路车速全程监控方法。如图3所示，时间序列的车辆点速度个数取决于GPS采样间隔，无论车辆是停车休息、超速行驶、正常行驶，连续的点速度信息(对于无信号路段，根据失锁前后的位置和时间信息，可以内插得到车辆点速度)可以很好地反应出车辆的全程行驶状态，其监测结果更为可靠、有效。

图3 全程监控与管理下的车速分布

2 基于GPS的车辆位置及速度提取

车速与车辆信息、车速与限速标准的同时正确匹配是实现车速全程有效监控的保证，时间序列的车辆位置、车速的快速准确确定又是车速与车辆信息、车速与限速标准的同时正确匹配的基础。

2.1 车辆位置的确定

车载GPS接收机在同时可见不少于4颗GPS卫星的情况下，由广播星历采用距离交会法即可解算出接收机的三维坐标。设在历元i，GPS接收机可见卫星数为m(m>3)，伪距单点定位的基本方程为

(1)

式(1)中有4个未知数Xi，Yi，Zi和dt，m> 3时，利用最小二乘方法可以解算出接收机的位置。车载GPS在复杂环境下，信号容易受到干扰、出现周跳，伪距单点定位精度虽然较载波相位定位精度低，但是不用考虑整周模糊度问题，数据处理简单，解算效率高，且定位精度可以满足车速监控时对车辆位置的精度要求。

2.2 车速的提取

GPS接收机可以观测得到多普勒信息，利用原始多普勒观测值可以直接计算出运动载体的速度。与基于GPS位置差分求速和载波相位中心差分求速方法相比，原始多普勒频移测速精度主要取决于多普勒频移观测值的精度，基本不受载体运动状态和定位精度的影响，求速结果比较精确、可靠[6-8]。

卫星k的多普勒频移观测值方程为

将式(3)带入式(2)并进行线性化，得到误差方程：

(4)

V=AδX-L.

(5)

利用最小二乘方法即可得到相应未知参数的改正数：

其中，P为观测值权阵。

3 高速公路的车速管理方法

3.1 车速与高速公路限速匹配

在历元i，解算得到车辆在地心坐标系中的坐标(Xi,Yi)和车速Vi，要判断行驶车辆是否超速，需要确定车辆在高速公路上的位置以及对应限速标准。要获得上述信息，首先将(Xi,Yi)转换为高速公路电子地图坐标系下的坐标，然后与高速公路进行地图匹配，得到高速公路上行驶车辆的投影坐标(X路i,Y路i)。由于全封闭、全立交、隔离双向行驶的道路特征，更高速公路的拓扑关系十分简单、明确，网络拓扑关系的地图匹配算法的实施起来更为简便，可以更好地实现GPS数据与高速公路的可靠、高精度的匹配。

确定车辆在道路上的位置后，行驶车辆的信息：

式中:Vi为历元i车辆的车速；X路i，Y路i为历元i车辆在高速公路的位置；V限i为车辆所在路段的限速标准；S为已行驶里程；t为行驶时间。在历元i，车速Vi与车辆所处路段限速V限i，通过车辆定位结果与高速公路的匹配而完成信息匹配。

3.2 车速管理方案

设在历元i，车辆已行驶里程S，解算车速Vi，所处路段限速V限i，则行驶车辆的行驶状态：

其中，σ为大于0的常数，目的是为了减弱速度解算误差给车辆行驶状态的判断带来的影响。由式(8)可以看出，在历元i，车辆可能有两种状态：车速低于限速标准，车辆正常行驶；车速大于限速标准，车辆超速行驶。

现有高速公路车速监控方法，得到的是若干区间平均速度或点速度，对车辆行驶状态的判断和管理方法，显然不再适用于拥有大量时间序列车辆点速度的监测方法。通过车辆不同程度的超速行为对道路安全的影响程度进行初步分析，本文把行驶车辆的超速行为分为4种类型，具体拟定处罚办法见表1。给出的车速管理方案是为了方便分析本文提出的车速监测方法，其实用性和合理性还有待进一步研究。

3.3 实测数据分析

用一台能观测得到多普勒频移信息的GPS接收机置于一辆汽车上，在成都市第一绕城高速公路(G4201)进行车速监测试验。G4201全长85 km，试验车辆类型为小型客车，行驶时间约112 min，采样间隔为5 s。试验车辆行驶全程，解算车速与对应位置限速信息如图4所示，其中加粗折线为限速标准，曲线为车速；车辆超速信息和最终判断结果见表2。

表1 高速公路违章车辆拟定处罚标准

注：vi表示历元i时的车速；nvi>v限表示车辆行驶全程超速点个数；n表示车辆行驶全程测速点总数

从图4可以看出，时间序列下的解算车速与限速标准，通过时间信息实现很好的匹配。试验车辆在行驶40 min左右出现短时间的超速行驶，根据本文给出的判断标准，车辆不构成违章。由图4中的信息还可以看出，车辆在行驶42 min后开始行驶缓慢，该过程持续近55 min，由此推测，该段时间内车辆所处路段出现拥堵。

图4 车速监测信息

表2 超速信息与判定结果

4 结 论

通过初步的理论分析和研究试验，归纳结论：

1)现有的高速公路车速监控方法，只能得到车辆行驶全程的若干个点速度或部分路段区间车速，少量的信息不足以真实反映出车辆的全程行驶状态，车速监测有效性有待商榷，而且工作效率低、可靠性较差。

2)本文提出的基于GPS和地图匹配技术的车速监控和管理方法，可以很好地对高速公路行驶车辆进行全方位的车速监控和安全管理，实现在高速公路出口处或后期对违章车辆的处罚，极大地提高以车速管理为目标的安全监控和管理的可靠性、准确性和有效性。

3)车载GPS得到的时间序列速度信息不仅可以用于车速的监控及管理，海量数据对高速公路道路状况和通行能力的分析也是有益的。

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[责任编辑：李铭娜]

Research on the methods of speed monitoring inhighway based on GPS

LI Juan1,GAO Shan2,YAN Guangfeng2,LI Youbing2

(1.School of Transportation and Logistics,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China; 2.School of Geo-sciences and Environmental Enginerring,Southwest Jiaotong University,Chengdu 611756,China)

An effective speed monitoring and management in highway is an important means to suppress illegal speeding and reduce highway accidents.Existing speed monitoring and management in highway based on point speed method or interval average speed method is difficult to reflect the actual state of the vehicle accurately,for which the effect of its implementation is less reliable and limited.On the base of the feature of GPS and highway,a new method of vehicle speed monitoring and management in highway based on GPS and map-matching technology is put forward,and the mathematical model of this method is expounded.Theoretical analysis and case study show that the method put forword in this paper can realize the full and effective monitoring of vehicle speed,which can improve the reliability,accuracy and validity of vehicle safety monitoring and management greatly.

highway; speed monitoring and management; Global Positioning System; map-matching

引用著录：李娟，高山，闫广峰，等.基于GPS的高速公路车速全程监控方法研究[J].测绘工程，2017，26(1)：47-50.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.01.010

2015-10-21

四川省科技支撑计划项目(2013GZX0140)

李 娟(1975-),女，副教授，博士，硕士生导师.

闫广峰(1989-)，男，博士研究生.

P283

A

1006-7949(2017)01-0047-04