[01128237]GIS支持下的短时交通流预测、可视化分析与辅助决策

1、任务来源： 　　研究成果曾先后获得3项山东省中青年科学家科研奖励基金、1项泰安市科技发展计划项目和1项山东省中青年学术骨干计划项目等资助。　　山东省中青年科学家科研奖励基金：　　（1）GIS支持下的城市交通综合信息可视化分析与辅助决策支持系统，2007.1～2008.12，2006BS01006；　　（2）GIS与RS支持下的城市智能空间决策支持系统关键技术研究，2004.1～2005.12，2003BS148；　　（3）基于3S技术的可视化空间信息分析与智能决策系统开发，2001.1～2002.12，2000BS-泰安市科技发展计划项目；　　（4）基于GIS的泰安市交通信息可视化分析与辅助决策，2005.6～2007.12，2005-7。　　2、主要研究内容：　　近年来，随着国民经济的快速发展，城市化进程的加快，机动车日益普及，人们在享受机动车所带来的巨大便利的同时，也面临着交通拥堵、交通事故频繁、交通环境恶化等带来的诸多问题。课题正是针对先进的交通管理系统中的交通流理论、短时交通流预测、车量信息提取以及与此相关的基础理论等开展研究。其选题具有创新性，具有重要的实用价值和广阔的应用前景。　　课题从理论研究、算法设计、程序实现与仿真分析、应用效果分析等方面系统深入地研究了交通流模型、交通流预测、基于交通视频的车量信息提取、GIS支持下的交通信息分析与辅助决策等内容，其主要包括如下内容：　　（1）基础理论研究：　　利用微分几何、张量几何、曲率度量等系统研究了非线性观测数据模型的处理，提出了多种近似直接解算与分析方法。为交通流模型、交通流预测、车量信息提取、辅助决策等模型中的非线性处理提供理论支撑。　　（2）交通流模型研究：　　建立了一种改进的NS模型，并对模型中的随机特性进行了研究；建立了车辆守恒的扩展BML模型和非守恒的扩展BML模型，并对模型及模型中参数之间关系进行了数值模拟。　　（3）交通流预测方法与算法研究：　　建立了以误差平方和最小为约束条件的最优组合预测方法，在方差倒数加权法的基础上，提出了误差倒数变权组合预测方法，并给出变权组合预测权系数解算的一种新方法，提出一种基于小波变换的灰色马尔可夫组合预测模型及算法。　　（4）基于交通视频的车量信息提取：　　提出一种基于混合高斯分布模型的自适应背景提取方法，提出一种基于卡尔曼滤波的区域匹配跟踪方法，实现了对运动车辆的较为稳定和准确的跟踪。　　（5）GIS支持下的交通信息分析：　　针对交通信息系统中的自然语言查询问题，提出基于人工神经网络的自然语言中的关键词构造模式库，在自然语言识别处理基础上，完成自然语言空间查询。针对GIS中特定的两点路径寻优问题，提出基于先验知识的快速搜索算法和方向优先的快速搜索算法，提高最优路径的搜索速度。　　3、应用效果与仿真分析：　　（1）交通流模型仿真分析：　　对泰肥一级公路的交通流进行了仿真，与实测数据进行对比和分析。观测时间为2006年3月11日上午8时10分至11时，每40秒进行一次统计。泰肥一级公路建于泰山南侧，起于京沪高速公路泰山立交桥肥城方向的匝道终点，经双山口、道朗，止于肥城仪阳北。全长23.6公里，路基宽25.5米，双向四车道，限速 。在泰肥一级公路双山口至道朗西全长3.75公里的路段上，为了进行符合模型的模拟要求，在试验时段暂时封闭其超车道。　　（2）交通流预测方法与算法应用分析：　　选择东岳大街和岱宗大街共八个路口，利用2006年12月1日早上6:44～10:08，下午：13:25～16:22两段时间内交通流数据，包含早上交通高峰期和午间交通高峰期共200组数据进行分析。用时间序列模型、线性回归模型、卡尔曼滤波模型、人工神经网络模型四种单项预测模型及由该四种单项预测模型组成的最优组合预测模型对短时交通流量进行了预测，并对预测结果从相对误差百分比、平均绝对相对误差、均方根误差、均等系数四种误差分析指标进行了分析与对比，表明组合预测模型在各种误差指标分析中都比单项预测模型有更理想的结果。　　（3）基于交通视频的车流量信息提取分析：　　选取2007年2月20日泰安区委岗、2007年2月26日泰安市邮电局岗获取的视频图像，进行了视频图像的预处理技术，背景的获取与更新、车辆分割及提取、运动车辆阴影检测与去除、基于车辆跟踪的车流量信息提取等，获得较为准确的基本交通参数。　　（4）GIS支持下的交通信息分析与辅助决策：　　包括GIS支持下基于元胞自动机的动态交通分配；泰安市城区交通状况分析和评价；GIS支持下的信息分析与辅助决策，以面向对象的组件化软件开发技术为基础，初步开发出“空间信息分析－预测与辅助决策支持系统”。　　4、课题成果：　　课题的理论研究在国内外刊物上发表学术论文25篇，出版《非线性最小二乘与测量平差》专著1部，该著作获国家测绘科技专著出版基金资助出版，作为该课题基础理论研究的重要组成部分。在课题的资助下，完成博士学位论文1篇，硕士学位论文8篇。　　课题负责人和张连蓬教授等人完成的“非线性最小二乘与测量平差及其应用”2005年获山东省教育厅自然科学类“三等奖”。该成果为本课题中有关非线性数据处理和模型解算提供算法基础。　　根据科技查新报告、完成的研究内容等综合分析，可见课题圆满完成计划任务书中的各项指标。