基于GOS的不停車收費(fèi)系統(tǒng)_畢業(yè)論文.doc

題目：基于GPS的不停車收費(fèi)地圖匹配方法研究I 摘 要基于GPS的不停車收費(fèi)技術(shù)代表著未來道路收費(fèi)的發(fā)展方向，精確的地圖匹配決定該收費(fèi)系統(tǒng)能否成功實(shí)現(xiàn)精確收費(fèi)。本文概述了各種常用的地圖匹配算法，并就各種地圖匹配算法進(jìn)行系統(tǒng)的分析和對(duì)比，在此理論基礎(chǔ)上，提出基于GPS的不停車收費(fèi)系統(tǒng)的地圖匹配算法。本文以自駕車從黃島到濟(jì)南為例，對(duì)此路線中收費(fèi)用地圖中的關(guān)鍵點(diǎn)即收費(fèi)點(diǎn)進(jìn)行定義，并提出了一種新的專門用于收費(fèi)的地圖匹配算法。此算法被證實(shí)是具有可行性的。關(guān)鍵詞：GPS，不停車收費(fèi)，收費(fèi)電子地圖，地圖匹配青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） ABSTRACTABSTRACTDo parking charge based on GPS technology represents the future development direction of road pricing.Accurate map matching decided to achieve precise charging of the success of the charging system. This article outlined the various commonly used map matching algorithm, and a variety of map matching algorithm for system analysis and comparison, based on the theory, put forward the no parking charge system based on GPS map matching algorithm. Taking self-driving from Huangdao to Jinan as an example, this route in charge with the points on the map the charge points are defined, and a new map matching algorithm is designed to charge. The algorithm is proved to be feasible.Key Words: GPS,no parking charge, electronic map,map matching II青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 目錄26目 錄摘 要：IABSTRACTII目 錄11 緒論31.1 論文研究的背景31.2 道路收費(fèi)的發(fā)展歷程31.3 GPS收費(fèi)系統(tǒng)的原理與特點(diǎn)51.3.1 DSRC電子收費(fèi)技術(shù)61.3.2 ANPR電子收費(fèi)技術(shù)71.3.3 基于GPS的不停車收費(fèi)技術(shù)91.3.4 DSRC、ANPR和基于GPS的電子收費(fèi)技術(shù)的性能比較及分析121.4本文研究?jī)?nèi)容及結(jié)構(gòu)132 地圖匹配技術(shù)152.1 地圖匹配的基本原理152.2 常用地圖匹配算法182.2.1 最短距離算法182.2.2 概率統(tǒng)計(jì)算法192.2.3 基于拓?fù)潢P(guān)系的算法202.3 地圖匹配方法分析212.4 地圖匹配的應(yīng)用223 基于GPS的不停車收費(fèi)系統(tǒng)地圖匹配方法243.1基于GPS不停車收費(fèi)地圖匹配的作用243.2 基于GPS的收費(fèi)地圖的定義243.2.1道路收費(fèi)地圖收費(fèi)關(guān)鍵點(diǎn)及收費(fèi)路段定義253.2.2主線站出入口特殊處理253.2.3收費(fèi)關(guān)鍵點(diǎn)和收費(fèi)路段屬性值的定義253.2.4地圖精簡(jiǎn)273.3基于GPS的不停車收費(fèi)系統(tǒng)的地圖匹配方法283.3.1 地圖匹配中搜索范圍的確定283.3.2衛(wèi)星收費(fèi)地圖匹配算法描述293.4 該算法可行性實(shí)驗(yàn)344 總結(jié)36致 謝37參考文獻(xiàn)3838青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 緒論1 緒論1.1 論文研究的背景高速公路因其“高速、高效、安全、舒適”等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代化公路建設(shè)中己成為發(fā)展的必然趨勢(shì)。作為連接主要城市和重要港口的樞紐高速公路，已成為承載繁忙運(yùn)輸?shù)慕煌ㄒ?。我國的“十二五”?guī)劃中明確指出，要進(jìn)一步完善公路網(wǎng)絡(luò)，發(fā)揮路網(wǎng)整體效率。全國公路總里程已超過400萬公里，五年增加38萬公里，高速公路里程已達(dá)6.4萬公里，總里程數(shù)位于世界第一。然而，與公路建設(shè)相比，公路收費(fèi)的自動(dòng)化水平卻相對(duì)滯后，傳統(tǒng)的收費(fèi)方式（找零、回票、投幣）無法緩解尖峰時(shí)間的車流量，效率低下，使車輛在收費(fèi)站區(qū)域滯留，形成“瓶頸”，不能很好的發(fā)揮高速公路的服務(wù)優(yōu)點(diǎn)，從而使電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)應(yīng)時(shí)而生。電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)是智能交通系統(tǒng)的主要服務(wù)內(nèi)容之一，是國內(nèi)外正在不斷開發(fā)并推廣普及的一種用于公路、大橋和隧道的電子自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)。目前廣泛應(yīng)用的主要是利用專用短程微波通信技術(shù)，通過路側(cè)單元（RSU）與車載單元（OBU）的信息交換，自動(dòng)識(shí)別車輛，采用電子支付方式，自動(dòng)完成車輛通行費(fèi)扣除的全自動(dòng)收費(fèi)方式。而基于GPS的不停車收費(fèi)系統(tǒng)是世界上最先進(jìn)的電子收費(fèi)方式之一，它的諸多優(yōu)點(diǎn)注定其必將成為未來發(fā)展的方向。作為電子不停車收費(fèi)中最具廣泛應(yīng)用前景的GPS不停車收費(fèi)系統(tǒng)正逐漸受到人們的青睞。衛(wèi)星收費(fèi)電子地圖是衛(wèi)星收費(fèi)系統(tǒng)中的核心技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn) GPS 的不停車收費(fèi)技術(shù)的精確收費(fèi)，而目前正由于車載設(shè)備成本高，使該收費(fèi)系統(tǒng)受到一定的限制，因此車載收費(fèi)電子地圖匹配方法具有重要的研究?jī)r(jià)值。目前關(guān)于國外道路收費(fèi)方面技術(shù)資料大多限于對(duì)收費(fèi)系統(tǒng)的介紹，而收費(fèi)地圖匹配技術(shù)介紹很少。常規(guī)的用于導(dǎo)航系統(tǒng)中的地圖匹配方法是通過投影距離和車輛行駛方向與路段矢量方向差值加權(quán)的方法來進(jìn)行地圖匹配，判斷出車輛行駛的路段。由于這些方法需要完全的地圖路段信息較大的計(jì)算能力和存儲(chǔ)單元，從而增加了車載設(shè)備的成本。另外需要判斷匹配的路段較多，對(duì)信號(hào)可靠性的要求也比較高。加之道路收費(fèi)自身的一些特點(diǎn)，上述方法不適合道路收費(fèi)使用。因此需要對(duì)基于GPS的不停車收費(fèi)地圖匹配方法進(jìn)行大量研究和試驗(yàn)。1.2 道路收費(fèi)的發(fā)展歷程自從道路收費(fèi)開始應(yīng)用與人們的日常生活中以來，收費(fèi)技術(shù)經(jīng)歷了從低級(jí)到高級(jí)，從功能簡(jiǎn)單到功能完善豐富的過程。首先是無任何設(shè)備的人工收費(fèi)方式，發(fā)展成為現(xiàn)在的半自動(dòng)收費(fèi)和電子收費(fèi)。道路收費(fèi)技術(shù)發(fā)展歷程如圖1-1所示。人工收費(fèi)是指完全靠收費(fèi)員來分辨車型、發(fā)卡、開票驗(yàn)證、按里程計(jì)收費(fèi)用、保管現(xiàn)金、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和結(jié)帳的收費(fèi)方法。從20世紀(jì)60年代以來，很多地方就采用這種簡(jiǎn)單的收費(fèi)辦法。目前，中國的一些收費(fèi)公路（特別是低等級(jí)公路）仍廣泛采用這種收費(fèi)方式。半自動(dòng)收費(fèi)是指在道路入口處由人工識(shí)別車型、發(fā)卡，但在出口處通過儀器設(shè)備來讀卡、人工進(jìn)行收費(fèi)、顯示收費(fèi)金額、付費(fèi)放行等的收費(fèi)方式。電子不停車收費(fèi)（Electronic Toll Collection，簡(jiǎn)稱ETC）系統(tǒng)是國際上正在努力開發(fā)并推廣普及的一種專門用于公路、橋梁和隧道的新型電子自動(dòng)收費(fèi)技術(shù)。它包括三種技術(shù)：基于DSRC（Dedicated ShortRange Communication，短程無線通信）電子收費(fèi)技術(shù)、基于ANPR（Automatic Number Plat Recognition，車牌識(shí)別）電子收費(fèi)技術(shù)及基于GPS（Global Positioning System全球定位系統(tǒng)）電子收費(fèi)技術(shù)。ETC的三大特點(diǎn)：無需人、不停車、無現(xiàn)金。圖1-1 道路收費(fèi)發(fā)展歷程首先，高速公路收費(fèi)由傳統(tǒng)的人工收費(fèi)到不停車非現(xiàn)金收費(fèi)經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的過程，雖然國內(nèi)外目前均是多種收費(fèi)方式并存的情況，但不停車電子收費(fèi)必然成為未來收費(fèi)方式的主流發(fā)展方向，世界各國均在努力發(fā)展適合本國國情的不停車收費(fèi)系統(tǒng)，并在努力促使其標(biāo)準(zhǔn)化。在國際上，美國、歐洲、日本很早就針對(duì)不停車收費(fèi)系統(tǒng)中的研發(fā)技術(shù)、工程實(shí)施、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行了深入研究。在美國，電子不停車收費(fèi)方式已經(jīng)成為美國回收公路投資和養(yǎng)護(hù)費(fèi)用的高效率手段，最著名的聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)是EZpass系統(tǒng)。葡萄牙的Via Vance電子收費(fèi)系統(tǒng)可以算作歐洲具有代表意義的聯(lián)網(wǎng)電子收費(fèi)系統(tǒng)之一，事實(shí)已證明，Via Vance電子收費(fèi)系統(tǒng)是既有利于道路使用者又有利于道路運(yùn)營商的有效收費(fèi)手段。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）、歐洲準(zhǔn)化委員會(huì)（CEN）也在開展不停車收費(fèi)領(lǐng)域的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化工作。其次，聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)項(xiàng)目已經(jīng)成為國內(nèi)、國際不停車收費(fèi)的主流方向，但在電子收費(fèi)系統(tǒng)從引進(jìn)我國到實(shí)施，經(jīng)過了一段時(shí)間的實(shí)踐，目前也取得了一定的進(jìn)展。如今國內(nèi)的ETC系統(tǒng)采用的基本都是基于DSRC技術(shù)的不停車收費(fèi)系統(tǒng)。由于早期的不停車收費(fèi)系統(tǒng)的引進(jìn)采取公路管理部門自主引進(jìn)的方式，沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各個(gè)地區(qū)不停車收費(fèi)系統(tǒng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不盡相同。至于車道結(jié)構(gòu)、通信網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控系統(tǒng)等等更是各行其是。至今我國的基于DSRC的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也還在制定和完善中，仍未公布。如今，我國公路收費(fèi)系統(tǒng)從各路段獨(dú)立收費(fèi)的狀態(tài)步入了聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一收費(fèi)、通行費(fèi)多業(yè)主拆分的時(shí)代。在實(shí)施區(qū)域聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)的進(jìn)程中，標(biāo)準(zhǔn)的不一致，協(xié)調(diào)上的困難，使我國的不停車收費(fèi)系統(tǒng)逐漸暴露出了一些問題:1）各個(gè)城市的不停車收費(fèi)系統(tǒng)需要在地區(qū)內(nèi)得以統(tǒng)一，比如說首先在省的范圍內(nèi)。這就需要擴(kuò)大規(guī)模，路網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，將導(dǎo)致ETC系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大，使一次性投資增加，周期更長(zhǎng)，風(fēng)險(xiǎn)更大。2）現(xiàn)有的不停車收費(fèi)系統(tǒng)造價(jià)比較高，許多關(guān)鍵的設(shè)備需要引進(jìn)。3）國內(nèi)己建的收費(fèi)站中，大多數(shù)的入口收費(fèi)站和出口收費(fèi)站的交通量小，車道數(shù)量少，如果考慮單獨(dú)辟出一條專用的ETC車道在建設(shè)上比較困難，在利用率上又不夠經(jīng)濟(jì)。總之，我國的ETC項(xiàng)目進(jìn)展并不順利，有些大項(xiàng)目碰到了很復(fù)雜的協(xié)調(diào)問題，有些項(xiàng)目正式運(yùn)行后因多種原因無法擴(kuò)大規(guī)模，用戶群較小。與半自動(dòng)收費(fèi)方式相比，電子收費(fèi)系統(tǒng)的運(yùn)行市場(chǎng)化特色更濃一些，要求運(yùn)營公司有很高的商業(yè)運(yùn)作能力。在現(xiàn)階段，各方面的精力主要集中在人工半自動(dòng)的區(qū)域聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)工作上。1.3 GPS收費(fèi)系統(tǒng)的原理與特點(diǎn)電子收費(fèi)技術(shù)從實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段上可分為3種：短程無線通信（Dedicated Short-Range Communication，DSRC）電子收費(fèi)技術(shù)，車牌識(shí)別 （Automatic Number Plat recognition，ANPR）電子收費(fèi)技術(shù)及衛(wèi)星定位（Vehicle Positioning System，車輛定位系統(tǒng)）電子收費(fèi)技術(shù)。1.3.1 DSRC電子收費(fèi)技術(shù)1. DSRC電子收費(fèi)技術(shù)的定義DSRC電子收費(fèi)技術(shù)是近幾年國際上比較成熟的收費(fèi)技術(shù)。它是利用安裝在路側(cè)的路邊設(shè)備 （R0adSaid Unit，簡(jiǎn)稱RSU）與行駛在收費(fèi)道路的車輛上的車載裝置（OnBoard Unit，簡(jiǎn)稱OBU）聯(lián)系起來，司機(jī)不停車、不使用現(xiàn)金而支付通行費(fèi)用的一種收費(fèi)技術(shù)。它可以應(yīng)用在城市道路收費(fèi)、公路收費(fèi)及大橋和隧道收費(fèi)中。 2. DSRC電子收費(fèi)系統(tǒng)的構(gòu)成DSRC電子收費(fèi)系統(tǒng)包括前端系統(tǒng)和后臺(tái)系統(tǒng)組成：其中前端系統(tǒng)包括OBU車載單元、DSRC路邊設(shè)備、車輛分類系統(tǒng)、執(zhí)法系統(tǒng)等；后臺(tái)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)車輛通行費(fèi)的結(jié)算、清分等功能。3. DSRC電子收費(fèi)系統(tǒng)的工作原理整個(gè)DSRC電子收費(fèi)系統(tǒng)大致的運(yùn)行過程是：1）用戶前往發(fā)行安裝部門，申請(qǐng)安裝車載裝置，預(yù)繳通行費(fèi)或設(shè)立事后付費(fèi)帳戶，相應(yīng)的信息被存入車載裝置中，然后該車便可以上路行駛。2）在進(jìn)入收費(fèi)站時(shí)，車輛按規(guī)定限速通過收費(fèi)車道。DSRC路邊設(shè)備通過天線與車載單元進(jìn)行雙向通信，收費(fèi)操作在通信的過程中同時(shí)完成。收費(fèi)操作的具體步驟包括根據(jù)車型按照收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)確定收費(fèi)額、核對(duì)余額、帳號(hào)信息、有關(guān)結(jié)果通知對(duì)方等。如果一切無誤（剩余余額充足或帳號(hào)有效時(shí)），則正常結(jié)束收費(fèi)操作（改寫余額、記帳等）。否則（剩余余額不足或帳號(hào)無效時(shí)）啟動(dòng)執(zhí)法系統(tǒng)記錄其車輛號(hào)碼，以保證通行費(fèi)最終能被征收，不致流失。3）每次收費(fèi)操作，都需將收費(fèi)操作的相關(guān)信息遞交后臺(tái)系統(tǒng)，后臺(tái)系統(tǒng)對(duì)這些信息按照不同類別分別進(jìn)行處理。正常收費(fèi)信息可以積累匯總，產(chǎn)生相應(yīng)的收入報(bào)告，同時(shí)，事后付款方式的收費(fèi)數(shù)據(jù)將定時(shí)（或?qū)崟r(shí)）遞送給后臺(tái)系統(tǒng)，以便生成轉(zhuǎn)帳清單向金融機(jī)構(gòu)請(qǐng)求支付。不正常收費(fèi)信息將立即通知執(zhí)法系統(tǒng)，以確保統(tǒng)一及時(shí)處理。后臺(tái)系統(tǒng)除了接收收費(fèi)車道呈遞的信息外，還向收費(fèi)車道發(fā)送相關(guān)信息，如收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)、帳號(hào)“黑名單”等。 4）在系統(tǒng)中，金融機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)提供金融服務(wù)，包括管理事后付款帳戶及收費(fèi)帳戶，處理各種轉(zhuǎn)帳、清帳事務(wù)，還參與車載裝置的發(fā)行、安裝。同時(shí)，它也向系統(tǒng)提供一定的信息，如不良信息帳號(hào)的“黑名單”業(yè)務(wù)結(jié)算結(jié)果等。4. DRSC 優(yōu)缺點(diǎn)DRSC電子收費(fèi)是利用安裝在路側(cè)的路邊設(shè)備 （RSU）與行駛在收費(fèi)道路車輛上的車載裝置（OBU） 聯(lián)系起來，司機(jī)不停車、不使用現(xiàn)金而支付通行費(fèi)用的一種收費(fèi)技術(shù)。它具有如下優(yōu)點(diǎn)： 1）收費(fèi)精確。對(duì)于采用DSRC電子收費(fèi)技術(shù)組成的道路收費(fèi)系統(tǒng)，它可以對(duì)通過設(shè)有天線的收費(fèi)站點(diǎn)的車輛進(jìn)行精確收費(fèi)、誤差極小、并可以結(jié)合圖像抓拍等技術(shù)，對(duì)于未安裝車載裝置（OBU）的車輛進(jìn)行嚴(yán)格控制。 2）技術(shù)成熟，系統(tǒng)完整性好。DSRC電子收費(fèi)系統(tǒng)是經(jīng)過多年發(fā)展的成熟技術(shù)。在采用該技術(shù)的條件下，道路收費(fèi)系統(tǒng)可以適應(yīng)多種實(shí)際應(yīng)用要求，包括多種費(fèi)用支付要求，且系統(tǒng)靈活性好，可以與其它應(yīng)用比較密切地結(jié)合。 同時(shí)存在以下不足： 1）系統(tǒng)的前期投資大。該技術(shù)要求用戶在相應(yīng)的車輛上安裝車載OBU，導(dǎo)致前期投資比較大。一般單片式OBU價(jià)格為200300元，雙片式則多達(dá)500元左右。 2）違章處理弊端。要求用戶必須安裝OBU，否則按違章車輛處理。用戶的配合問題也是該系統(tǒng)有效實(shí)施的關(guān)鍵。3）需要安裝龍門架。一方面增加大量投資，另一方面，如果是在城市道路上會(huì)有礙市容，同時(shí)在市區(qū)中安裝龍門架存在地理位置限制、影響交通等問題1.3.2 ANPR電子收費(fèi)技術(shù) 1ANPR電子收費(fèi)技術(shù)的定義 車牌識(shí)別技術(shù)（Automatic Number Plate Recognition，簡(jiǎn)稱ANPR）是基于圖像處理與光學(xué)字符識(shí)別（OCR）的汽車牌照自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，主要運(yùn)用“不同車輛不同牌照”的思想概念來識(shí)別車輛。ANPR電子收費(fèi)技術(shù)是指在收費(fèi)區(qū)內(nèi)不設(shè)收費(fèi)站，司機(jī)或者車主需要預(yù)先預(yù)付交通道路通行費(fèi)，并將汽車牌照輸入到計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)庫中。當(dāng)車輛行使到收費(fèi)區(qū)及出口時(shí)，系統(tǒng)利用車牌識(shí)別攝像機(jī)拍攝車輛照片，并將圖片傳輸至中心，通過ANPR軟件自動(dòng)識(shí)別車輛，并與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫內(nèi)的交款車輛進(jìn)行比對(duì)，已付款的車輛進(jìn)行核銷，未付款的車輛會(huì)被記錄下來，待工作人員核實(shí)之后，就會(huì)送出罰單。 2ANPR電子收費(fèi)系統(tǒng)的構(gòu)成 ANPR電子收費(fèi)系統(tǒng)由前端采集系統(tǒng)和后臺(tái)收費(fèi)管理系統(tǒng)組成。前端采集系統(tǒng)包括視頻攝像機(jī)（獲取車輛圖像）和照明燈（用于拍攝光源補(bǔ)充）以及相應(yīng)的視頻傳輸設(shè)備等，后臺(tái)收費(fèi)管理系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)車輛通行費(fèi)的管理等功能。3ANPR電子收費(fèi)系統(tǒng)的工作原理整個(gè)ANPR電子收費(fèi)系統(tǒng)的工作流程如下： 1）司機(jī)或者車主需要通過通行費(fèi)支付系統(tǒng)預(yù)先預(yù)付交通道路通行費(fèi)。預(yù)付手段有4種：路側(cè)自助付費(fèi)，因特網(wǎng)付費(fèi)，手機(jī)付費(fèi)和特約銀行付費(fèi)。在付費(fèi)的同時(shí)需要將車主自己的車牌號(hào)碼輸入收費(fèi)管理系統(tǒng)中，以便保存到相應(yīng)的車牌數(shù)據(jù)庫中。 2）當(dāng)車輛行駛到收費(fèi)區(qū)內(nèi)及出入口時(shí)，ANPR電子收費(fèi)系統(tǒng)就利用安裝在收費(fèi)區(qū)域邊緣（出入口）的固定視頻攝像機(jī)或移動(dòng)視頻攝像機(jī)拍攝通過的車輛照片并通過一定傳輸線路將視頻流傳至收費(fèi)管理中心。 3）收費(fèi)管理中心通過ANRP軟件讀取圖像、識(shí)別車牌以及與數(shù)據(jù)庫內(nèi)交款車輛的車牌進(jìn)行匹配，已付款的車輛進(jìn)行核銷，未付款的車輛會(huì)被記錄下來，待工作人員核實(shí)之后，就會(huì)送出罰單。對(duì)于那些不能識(shí)別的車牌將有中心系統(tǒng)通過人工的辦法來識(shí)別，對(duì)于那些未付款的車輛將會(huì)保存它進(jìn)入收費(fèi)區(qū)域配有時(shí)間、日期以及位置的圖片，以便作為處罰的證據(jù)。 4. ANPR電子收費(fèi)系統(tǒng)概況 車牌識(shí)別技術(shù)在道路收費(fèi)的應(yīng)用主要是輔助收費(fèi)系統(tǒng)的執(zhí)法功能，在半自動(dòng)收費(fèi)和電子收費(fèi)中都是利用ANRP來實(shí)現(xiàn)逃費(fèi)抓拍系統(tǒng)（Video Enforcement System，簡(jiǎn)稱VES），而真正采用ANPR作為一種收費(fèi)技術(shù)是2003年2月倫敦市政府在中心區(qū)實(shí)施道路擁擠收費(fèi)。除倫敦外，采用相似技術(shù)的有安大407ETR（Expos Tol Route）電子收費(fèi)系統(tǒng)以及英國Darford橋梁電子收費(fèi)系統(tǒng)。隨著車牌識(shí)別精度的改善，相信這種收費(fèi)技術(shù)將會(huì)有越來越大的發(fā)展空間。同樣，車牌識(shí)別技術(shù)在我國道路收費(fèi)的應(yīng)用主要是輔助收費(fèi)系統(tǒng)的執(zhí)法功能，在半自動(dòng)收費(fèi)和電子收費(fèi)中都是利用ANRP來實(shí)現(xiàn)逃費(fèi)抓拍系統(tǒng)。但是倫敦?fù)頂D收費(fèi)已經(jīng)在我國引起強(qiáng)烈反響，我國的北京、上海、廣州、南京、深圳等城市已經(jīng)開展了城市擁擠收費(fèi)的研究，相信ANPR電子收費(fèi)技術(shù)在不久的將來會(huì)有助于解決中國城市擁擠問題。5. ANPR電子收費(fèi)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn) ANPR電子收費(fèi)技術(shù)適用于預(yù)交費(fèi)的情況，可實(shí)行對(duì)經(jīng)過的車輛進(jìn)行自動(dòng)扣款收費(fèi)，能實(shí)現(xiàn)不停車收費(fèi)，它有如下特點(diǎn)： 1）ANPR收費(fèi)系統(tǒng)只需在固定識(shí)別點(diǎn)安裝攝像機(jī)（需要配套的支撐裝置，如電線桿），路側(cè)設(shè)施投人相對(duì)比較少，且ANPR收費(fèi)技術(shù)不需要安裝車載設(shè)備，減免了道路收費(fèi)用戶的投人； 2）通過ANPR軟件識(shí)別車牌并能添加相應(yīng)的時(shí)間、地點(diǎn)信息，便于按里程、滯留收費(fèi)。同時(shí)存在以下弊端： 1）自動(dòng)車牌識(shí)別技術(shù)雖然發(fā)展的時(shí)間比較長(zhǎng)，但是識(shí)別率不高，是制約ANPR收費(fèi)的關(guān)鍵所在；2）車牌識(shí)別技術(shù)的性能指標(biāo)（識(shí)別率）不能滿足道路收費(fèi)的實(shí)際需要，系統(tǒng)的穩(wěn)定性需要進(jìn)一步提高； 3）運(yùn)營管理復(fù)雜，不能完成現(xiàn)場(chǎng)扣款； 4）天氣對(duì)攝像機(jī)捕獲車輛圖像的影響比較大； 5）ANPR收費(fèi)系統(tǒng)功能擴(kuò)展性是有限的。1.3.3 基于GPS的不停車收費(fèi)技術(shù)1. 基于GPS的不停車收費(fèi)技術(shù)的定義 它利用衛(wèi)星定位系統(tǒng)（Global Positioning System，簡(jiǎn)稱GPS）及全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（Global System for Mobile Communication，簡(jiǎn)稱GSM），通過與車載裝置的通信，進(jìn)行不停車收費(fèi)。2. 基于GPS的不停車收費(fèi)技術(shù)的構(gòu)成 該系統(tǒng)包括GPS接收裝置,用于接收GPS數(shù)據(jù), 定位車輛; 電子地圖及數(shù)據(jù)庫, 其中包含所有收費(fèi)高速公路及其出口的空間位置信息及高速公路段落名稱、段落長(zhǎng)度、所屬業(yè)主及收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)等屬性信息;繳費(fèi)卡,可持卡繳費(fèi)及傳遞數(shù)據(jù)。3. 工作原理基于衛(wèi)星定位和無線接入技術(shù)的新一代收費(fèi)系統(tǒng)，通過自動(dòng)記錄車輛行駛的位置和里程，綜合考慮道路收費(fèi)車輛參數(shù)和道路收費(fèi)因素，自動(dòng)計(jì)算車輛的通行費(fèi)，由無線傳輸網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞召M(fèi)管理中心，根據(jù)相關(guān)公路收費(fèi)政策，對(duì)車輛收取通行費(fèi)。衛(wèi)星定位收費(fèi)系統(tǒng)包括智能車載收費(fèi)設(shè)備（OBU）、稽查系統(tǒng)、管理中心3大部分組成，共同組成1個(gè)完整的衛(wèi)星定位收費(fèi)網(wǎng)絡(luò)，如圖1-2所示。 圖1-2 衛(wèi)星定位網(wǎng)絡(luò)收費(fèi)圖該系統(tǒng)通過GPS接收衛(wèi)星信號(hào)定位車輛當(dāng)前位置,定位數(shù)據(jù)與電子地圖結(jié)合應(yīng)用路徑辨識(shí)算法等判斷車輛當(dāng)前位置是否屬于收費(fèi)高速公路,如位于收費(fèi)公路,記錄虛擬入口時(shí)間、入口站號(hào),接著等待出口,通過GPS定位當(dāng)汽車離開公路時(shí)記錄出口時(shí)間,出口站號(hào),通過入口站號(hào)與出口站號(hào)到數(shù)據(jù)庫中查詢其它屬性信息,并增加收費(fèi)記錄。費(fèi)用支付可采用實(shí)時(shí)支付或先使用后支付兩種方式。實(shí)時(shí)支付可用繳費(fèi)卡與車載裝置相連,當(dāng)車輛駛離高速公路時(shí),實(shí)時(shí)扣取繳費(fèi)卡中的相應(yīng)費(fèi)用,余額不足限定值時(shí)提示充值;先使用后付費(fèi)方式可定期到指定機(jī)構(gòu)交納費(fèi)用。無論哪種收費(fèi)方式均可在繳費(fèi)時(shí)傳遞收費(fèi)數(shù)據(jù), 然后依據(jù)收費(fèi)數(shù)據(jù)通過銀行或指定收費(fèi)機(jī)構(gòu)對(duì)收繳費(fèi)用進(jìn)行劃分。定期對(duì)收費(fèi)數(shù)據(jù)備份和更新電子地圖及數(shù)據(jù)庫。4. 系統(tǒng)特點(diǎn)（1）適用性好基于GPS的不停車收費(fèi)系統(tǒng)利用現(xiàn)有車道即可, 不需要對(duì)車道改進(jìn), 不受道路擴(kuò)寬, 增加車道等的影響,為采用該收費(fèi)方式的汽車專留一個(gè)車道, 未安裝該種收費(fèi)系統(tǒng)的車輛走人工收費(fèi)車道, 隨著該收費(fèi)方式的普及, 逐漸取消所有人工收費(fèi)車道。整個(gè)過程全部利用現(xiàn)有車道。另外由于該系統(tǒng)不需要在道路上建設(shè)收費(fèi)設(shè)施, 因而不受道路施工的影響。當(dāng)整個(gè)路網(wǎng)有新建高速公路時(shí), 更新電子地圖數(shù)據(jù)庫即可。（2）可移植性強(qiáng)該收費(fèi)系統(tǒng)在小范圍內(nèi)實(shí)驗(yàn)成功后可快速進(jìn)行大規(guī)模推廣, 有利于自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)的快速發(fā)展。可首先對(duì)一個(gè)小行政區(qū)內(nèi)車輛進(jìn)行實(shí)驗(yàn), 實(shí)驗(yàn)成功后, 大范圍效仿相同方式進(jìn)行即可。具有建設(shè)周期短, 硬件設(shè)施投入少, 易于大規(guī)模推廣的特點(diǎn)。（3）可擴(kuò)展性好該收費(fèi)系統(tǒng)可與GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)共同開發(fā),并可進(jìn)行功能擴(kuò)展, 提供其它服務(wù)功能, 如車輛跟蹤、信息查詢、出行路線規(guī)劃等。在日本超過60%的新車出廠時(shí)就已安裝了車輛導(dǎo)航系統(tǒng), 可以預(yù)見, 隨著更多汽車企業(yè)的介入,導(dǎo)航產(chǎn)品市場(chǎng)將逐漸成熟, 導(dǎo)航產(chǎn)品前景廣闊, 與GPS相關(guān)的其它服務(wù)功能正在悄然興起, 基于GPS的收費(fèi)系統(tǒng)與GPS服務(wù)產(chǎn)品共同開發(fā)將更能調(diào)動(dòng)道路使用者的積極性。 5. 基于GPS的不停車電子收費(fèi)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn) 基于GPS的不停車電子收費(fèi)技術(shù)是利用GPS及GSM，通過與車載裝 置OBU的通信，進(jìn)行不停車收費(fèi)。它的特點(diǎn)如下： 1）GPS電子收費(fèi)系統(tǒng)可以將路旁設(shè)備降低到很少，無需龍門架，不會(huì)因?yàn)榘惭b龍門架而影響市容美觀和道路交通，更適合于城市道路有效空間的利用。同時(shí)降低了設(shè)備的投資，在地理位置受限制的地方，這種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)更為明顯。 2）提供靈活的收費(fèi)區(qū)域定義和靈活的費(fèi)用支付。DSRC收費(fèi)技術(shù)在土地使用模式發(fā)生變化、收費(fèi)區(qū)域需要改變時(shí)，克服傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施改變存在比較大的困難。而GPS通過改變虛擬收費(fèi)點(diǎn)的定義，非常容易實(shí)現(xiàn)。3）車載裝置可由市場(chǎng)直接提供，GPRSGSM以及GPS技術(shù)規(guī)格己標(biāo)準(zhǔn)化，很多廠商具有生產(chǎn)制造能力，系統(tǒng)供應(yīng)商較難壟斷車載設(shè)備市場(chǎng)，故很容易跨平臺(tái)或系統(tǒng)使用。 4）車載裝置不僅是用作支付收費(fèi)道路通行費(fèi)的工具，它只要載人相關(guān)的應(yīng)用軟體，即可產(chǎn)生多用途，如：車載導(dǎo)航，車隊(duì)管理，移動(dòng)商務(wù)，車輛保全，交通信息等。 5）車載裝置易擴(kuò)展為移動(dòng)商務(wù)基礎(chǔ)平臺(tái)的終端設(shè)備，并衍生其它商機(jī)。 6）具有長(zhǎng)距離通信的優(yōu)點(diǎn)，收費(fèi)機(jī)制較不受空間限制，容易實(shí)時(shí)地在整個(gè)區(qū)域內(nèi)按里程收費(fèi)及實(shí)施匝道收費(fèi)，具備收費(fèi)策略調(diào)整彈性。 同時(shí)基于GPS的不停車收費(fèi)技術(shù)存在以下不足： 1）用戶的OBU成本高，如果由此造成用戶的數(shù)量減少，可能影響系統(tǒng)的有效運(yùn)行。2）車載電子地圖的更新復(fù)雜。 3）如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)得不合理，將會(huì)涉及到用戶的隱私問題，這是很多國家暫時(shí)不考慮這種方式的一個(gè)原因。 4）在技術(shù)上，相對(duì)于DSRC電子收費(fèi)技術(shù)要新。GPS技術(shù)是成熟的，但應(yīng)用在不停車收費(fèi)方面比較少。在城市道路中GPS定位信號(hào)容易受到建筑物的阻擋，影響車輛的定位，需要輔助系統(tǒng)支持。 5）GPS電子收費(fèi)系統(tǒng)的運(yùn)營需要配套法規(guī)、政策和嚴(yán)厲的懲罰制度，特別是針對(duì)那些“違規(guī)車輛”以及故意損壞車載裝置的行為。 1.3.4 DSRC、ANPR和基于GPS的電子收費(fèi)技術(shù)的性能比較及分析DSRC收費(fèi)技術(shù)、ANPR收費(fèi)技術(shù)及VPS收費(fèi)技術(shù)，這3種電子收費(fèi)技術(shù)都各有自己的優(yōu)缺點(diǎn)。下面將從路側(cè)設(shè)施成本、車載裝置成本、技術(shù)成熟性、收費(fèi)準(zhǔn)確率、按車型收費(fèi)、按里程或滯留收費(fèi)、電磁干擾、景觀影響、天氣影響、外埠車輛收費(fèi)、功能擴(kuò)展、兼容性和可維護(hù)性等方面來比較，見表1-1。表 1-1 三種收費(fèi)技術(shù)的性能比較特性指標(biāo)DRSC收費(fèi)技術(shù)ANPR收費(fèi)技術(shù)GPS收費(fèi)技術(shù)路側(cè)設(shè)備成本高較低不需要車載裝置成本較低（約500元）不需要高（約5000元）技術(shù)成熟性成熟比較成熟不成熟收費(fèi)準(zhǔn)確率高一般高按車型收費(fèi)好差好按里程、滯留收費(fèi)一般好好電磁干擾有無有景觀影響有有無天氣影響無嚴(yán)重?zé)o 運(yùn)營管理簡(jiǎn)單復(fù)雜（不能完成現(xiàn)場(chǎng)扣款）簡(jiǎn)單外埠車輛收費(fèi)方便不方便比較方便功能擴(kuò)展寬窄寬兼容性較差一般好可維護(hù)性較差一般好DSRC電子收費(fèi)技術(shù)和基于GPS的不停車收費(fèi)技術(shù)主要應(yīng)用于公路收費(fèi)，而ANPR電子收費(fèi)技術(shù)主要用于城市擁擠收費(fèi)。由以上3種收費(fèi)技術(shù)的原理及技術(shù)性能比較分析可知：1） ANPR電子收費(fèi)技術(shù)不成熟、且車牌識(shí)別精度不高，是制約這種技術(shù)發(fā)展的最大障礙。 2） DSRC電子收費(fèi)技術(shù)成熟、且廣泛使用，但需要高額費(fèi)用來建設(shè)、維護(hù)路邊設(shè)備。 3） 基于GPS的不停車收費(fèi)技術(shù)比較新、且車載裝置投人較高，但其靈活的收費(fèi)區(qū)域定義和費(fèi)用支付方式及毋需建設(shè)龍門架等路邊設(shè)備已受到全球的關(guān)注。 4）對(duì)一個(gè)較大范圍的路網(wǎng)進(jìn)行收費(fèi)，基于GPS的不停車收費(fèi)技術(shù)則可能較合適。以德國為例，其實(shí)施的貨車收費(fèi)系統(tǒng)將按其行駛里程與重量來計(jì)算應(yīng)繳的道路通行費(fèi)，由于其收費(fèi)范圍較大，收費(fèi)點(diǎn)分布較廣，采用DSRC電子收費(fèi)技術(shù)的難度較大，費(fèi)用也高，VlX3可能是較好的選擇。對(duì)一條相對(duì)獨(dú)立的收費(fèi)公路，橋梁或隧道而言，DSRC電子收費(fèi)技術(shù)可能是最佳選擇，它用在類似新加坡的較小范圍且單一、集中的市區(qū)道路收費(fèi)也很合適。 5）由于收費(fèi)分區(qū)與計(jì)價(jià)方式復(fù)雜，這類系統(tǒng)通常必須具備一套全國性或區(qū)域性的收費(fèi)系統(tǒng)。再進(jìn)一步設(shè)想，對(duì)于一個(gè)收費(fèi)區(qū)的不同道路按不同道路的等級(jí)實(shí)施差別費(fèi)率時(shí)，基于GPS的不停車收費(fèi)技術(shù)則更具有優(yōu)勢(shì)。1.4本文研究?jī)?nèi)容及結(jié)構(gòu)基于GPS的不停車收費(fèi)技術(shù)代表著未來道路收費(fèi)的發(fā)展方向，精確的地圖匹配決定該收費(fèi)系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)成功收費(fèi)。本文概述了各種常用的地圖匹配算法，并就各種地圖匹配算法進(jìn)行系統(tǒng)的分析和對(duì)比，在此理論基礎(chǔ)上，提出基于GPS的不停車收費(fèi)系統(tǒng)的地圖匹配算法，本文以自駕車從黃島到濟(jì)南為例，對(duì)收費(fèi)用地圖中的關(guān)鍵點(diǎn)即收費(fèi)點(diǎn)進(jìn)行定義，并提出了一種專門用于收費(fèi)的地圖匹配算法。具體內(nèi)容如下：1. 基于GPS的不停車收費(fèi)系統(tǒng)的原理和特點(diǎn)概述，并就各種ETC技術(shù)對(duì)比分析。2. 系統(tǒng)的提出各種地圖地圖匹配技術(shù)。3. 以黃島前往濟(jì)南為例，對(duì)基于GPS地圖進(jìn)行重新定義，并給出了新的地圖匹配算法。4總結(jié)。青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 地圖匹配技術(shù) 2 地圖匹配技術(shù)2.1 地圖匹配的基本原理將用導(dǎo)航定位方法得到的車輛位置或行駛軌跡與車載的電子地圖道路數(shù)據(jù)相比較、匹配，從而找到車輛所在的道路，并且顯示出車輛的實(shí)時(shí)位置的軟件修正技術(shù)叫地圖匹配（Map Matching，MM）。地圖匹配過程可分為兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的過程:1）尋找車輛當(dāng)前行駛的道路；2）將當(dāng)前定位點(diǎn)匹配到車輛行駛的道路上。地圖匹配的兩個(gè)條件是高精度的數(shù)字地圖和車輛在路網(wǎng)中行駛。如果條件成立，就可以把定位數(shù)據(jù)和車輛運(yùn)行軌跡同數(shù)字化地圖所提供的道路位置信息相比較，通過適當(dāng)?shù)钠ヅ溥^程確定出車輛最可能的行駛路段以及車輛在該路段中的最大可能位置。反之，則地圖匹配將產(chǎn)生錯(cuò)誤的位置輸出，并可能導(dǎo)致系統(tǒng)性能的嚴(yán)重下降。一般認(rèn)為用于匹配的數(shù)字地圖誤差不應(yīng)超過15m。由于陸地車輛在除了進(jìn)入停車場(chǎng)等之外的決大多數(shù)時(shí)間都位于道路網(wǎng)絡(luò)中，因此使用地圖匹配技術(shù)的條件是滿足的。在圖2-1中，點(diǎn)A、B、C都是GPS觀測(cè)點(diǎn)，顯然這些觀測(cè)點(diǎn)都沒有準(zhǔn)確的定位在道路上，地圖匹配的任務(wù)就是通過一定的方法將這些點(diǎn)校正到道路的中心線上?，F(xiàn)在地圖匹配的算法有很多，但根據(jù)利用信息不同，大體上可以歸結(jié)為兩大類：1） 基于幾何信息的地圖匹配方法；2） 基于拓?fù)潢P(guān)系的地圖匹配方法?；趲缀涡畔⒌牡貓D匹配方法有三類：點(diǎn)到點(diǎn)的匹配；點(diǎn)到線的匹配；線到線的匹配。前兩種可視為搜索問題，最后一種可視為統(tǒng)計(jì)估計(jì)問題。圖2-1 地圖匹配示意圖1）點(diǎn)到點(diǎn)的匹配點(diǎn)到點(diǎn)的匹配就是搜索地圖數(shù)據(jù)庫中的節(jié)點(diǎn)、形狀點(diǎn)或自定義的點(diǎn)距離GPS觀測(cè)點(diǎn)最近的點(diǎn)作為匹配點(diǎn)。該方法簡(jiǎn)單易行，實(shí)現(xiàn)快速，但是匹配結(jié)果與路段上待匹配的點(diǎn)集關(guān)系密切，待匹配的點(diǎn)越多，匹配效果越好。匹配形式如圖2-2顯示。圖2-2 點(diǎn)到點(diǎn)的匹配在圖4-2中，A1、A2、A3、A4、A5、B1、B2、B3都是GPS觀測(cè)點(diǎn)P的待匹配點(diǎn)。從圖中可以看出，距離PA3是最短的，按照點(diǎn)到點(diǎn)匹配方法，應(yīng)該將車輛匹配到A3點(diǎn)，但從圖中直觀看出，P點(diǎn)匹配到線段B上似乎更為合理些，因?yàn)镻更靠近線段B。缺點(diǎn)在于匹配點(diǎn)少時(shí)匹配結(jié)果不準(zhǔn)確。2）點(diǎn)到線段的匹配點(diǎn)到線段的匹配就是搜索所有可能的線段，以GPS觀測(cè)點(diǎn)到線段距離為判斷依據(jù)，觀測(cè)點(diǎn)到條線段距離最近的那條線段作為匹配路段，觀測(cè)點(diǎn)到匹配路段的投影點(diǎn)即為匹配點(diǎn)。這種方法同樣比較簡(jiǎn)單，也很直觀，但該方法得到的結(jié)果的不足在于匹配結(jié)果會(huì)出現(xiàn)來回?cái)[動(dòng)的情況，當(dāng)GPS觀測(cè)點(diǎn)距離多條路段的距離相等時(shí)就無法進(jìn)行路段匹配了，匹配形式如圖2-3所示。圖2-3點(diǎn)到線段的匹配在圖4-3中，P1、P2、P3、P4是連續(xù)的GPS觀測(cè)點(diǎn)，它們的匹配結(jié)果是這樣的：（P1B1），（P2A1），（P3A2或P3B2），（P4B3）。可以看出，匹配結(jié)果出現(xiàn)了在線段A、B間搖擺的情況，還有觀測(cè)點(diǎn)P3無法確定匹配點(diǎn)。點(diǎn)到點(diǎn)的匹配、點(diǎn)到線的匹配都是僅僅利用了當(dāng)前觀測(cè)點(diǎn)位置進(jìn)行匹配，沒有充分利用歷史和未來的觀測(cè)點(diǎn)位置，有很大的局限性。3）線到線的匹配線到線的匹配就是將一系列GPS觀測(cè)點(diǎn)擬合到道路網(wǎng)相應(yīng)的路段中，擬合的標(biāo)準(zhǔn)就是觀測(cè)點(diǎn)形成的折線到路段之間的距離，距離最短的為匹配路段。連線間的距離可以有很多種定義的方式，如定義兩折線X、Y的距離為取它們間最近點(diǎn)的距離，即。匹配的示意圖如圖2-4（a）所示。圖2-4 線到線的匹配（a）在圖2-4（a）中，GPS觀測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)了一個(gè)離群點(diǎn)P，按照上述的匹配方法，GPS觀測(cè)點(diǎn)被匹配到路段B上，這顯然不合理，合理的匹配應(yīng)該被匹配到線段A上。兩折線間距離的定義還可以如下，按照這樣距離計(jì)算方式同樣也會(huì)出現(xiàn)像圖2-4（b）那樣的錯(cuò)誤匹配了。圖2-4（b） 線到線的匹配在圖2-4（b）中，待匹配路段A的坐標(biāo)為（6t，6），待匹配路段B的坐標(biāo)為（3，6t），GPS觀測(cè)點(diǎn)連線的線段P的坐標(biāo)為（6t，3）。按照上述距離計(jì)算方式，至于的計(jì)算，如果距離定義有正負(fù)定義（定義線一側(cè)的點(diǎn)到線的距離為正，則另一側(cè)的點(diǎn)到線的距離就為負(fù)），則；如果距離定義是取絕對(duì)值，則通過計(jì)算可得。按照匹配方法，就要選擇B為匹配路段了，但從圖上直觀的看，選擇A作為匹配路段似乎更為合理。在圖中，P的長(zhǎng)度為6，如果要求以使得GPS觀測(cè)點(diǎn)正確的被匹配到A上，通過計(jì)算，P的長(zhǎng)度至少是15，這顯然延遲太大，達(dá)不到實(shí)時(shí)校正車輛位置并正確顯示的要求。上述的三種地圖匹配方法相對(duì)來說都是計(jì)算簡(jiǎn)單，僅利用了數(shù)字地圖的單一信息，不能保證任何時(shí)候都能得到正確的匹配結(jié)果，無法滿足真正地圖匹配的要求，因此根據(jù)這三種基本地圖匹配方法衍生出來了許多比較實(shí)用的地圖匹配算法。2.2 常用地圖匹配算法地圖匹配的常用算法有很多，比如最短距離算法、基于拓?fù)潢P(guān)系的算法、概率統(tǒng)計(jì)算法、模糊邏輯算法、相關(guān)性算法等等。下面對(duì)其中的幾種進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。2.2.1 最短距離算法最短距離法是一種基礎(chǔ)的匹配方法。該方法根據(jù)道路屬性，預(yù)先設(shè)置一個(gè)匹配閾值，在數(shù)字地圖數(shù)據(jù)庫中的所有或部分路段中，計(jì)算當(dāng)前獲取的GPS數(shù)據(jù)與各道路路段之間的距離以及GPS數(shù)據(jù)在該道路路段上的最短距離點(diǎn)，將在閾值范圍內(nèi)各路段的匹配距離進(jìn)行比較，得到一條距離最短的路段，則該道路為GPS點(diǎn)的匹配路段，該最短距離點(diǎn)為GPS點(diǎn)的匹配點(diǎn)。最短距離法簡(jiǎn)單易行，能在很大程度上消除地圖匹配中各種誤差產(chǎn)生的影響，但它沒有考慮GPS數(shù)據(jù)接收中的各種情況及道路的地形特征，通常作為一種基本方法，與其他匹配方法結(jié)合來得到好的效果。2.2.2 概率統(tǒng)計(jì)算法基于概率統(tǒng)計(jì)的地圖匹配同樣是一種基礎(chǔ)的匹配方法。概率統(tǒng)計(jì)算法的基本思想是根據(jù)GPS接收到的數(shù)據(jù)，首先設(shè)置一個(gè)置信區(qū)域，并從中提取用以匹配的道路位置信息，依據(jù)已有匹配結(jié)果的概率統(tǒng)計(jì)，經(jīng)過比較判斷，確定車輛在這一置信區(qū)域內(nèi)的匹配路段?；谡`差模型，根據(jù)接收的GPS定位數(shù)據(jù)建立緩沖區(qū)。按照統(tǒng)計(jì)理論，定位誤差橢圓可推導(dǎo)如下: （2-1） （2-2） （2-3）其中，是橢圓長(zhǎng)半軸取向與正北方向的夾角，a和b是誤差橢圓的長(zhǎng)、短軸，和分別是GPS東向和北向測(cè)量誤差的標(biāo)準(zhǔn)差，是協(xié)方差，是單位權(quán)值的后驗(yàn)方差。通過改變的值來調(diào)整誤差橢圓的大小，獲得不同的可信度。在車輛導(dǎo)航系統(tǒng)中，利用GPS的接收模塊的參數(shù)來定義誤差橢圓。誤差橢圓的定義如圖2-5所示。圖2-5 誤差橢圓的定義該算法利用誤差橢圓確定了誤差區(qū)域，以便從數(shù)字地圖數(shù)據(jù)庫中提取候選路段的信息，從而減少候選路段的數(shù)目，縮短地圖匹配的計(jì)算時(shí)間，但它沒有歷史信息進(jìn)行有效利用，當(dāng)?shù)缆份^為密集的時(shí)候，可能會(huì)出現(xiàn)匹配點(diǎn)在幾條路段間反復(fù)跳躍的情況，與基于拓?fù)潢P(guān)系的地圖匹配方法相結(jié)合能得到較好的效果。2.2.3 基于拓?fù)潢P(guān)系的算法拓?fù)淇臻g關(guān)系是一種對(duì)空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行明確定義的數(shù)學(xué)方法。GIS中，常將空間事物抽象成點(diǎn)、線、面等幾何要素，并在點(diǎn)、線、面之間建立拓?fù)潢P(guān)聯(lián)關(guān)系。具有拓?fù)湫畔⒌氖噶繑?shù)據(jù)是網(wǎng)絡(luò)分析必要的數(shù)據(jù)來源。數(shù)字地圖數(shù)據(jù)包含：1）節(jié)點(diǎn)：表示空間對(duì)象所在的位置，或者線段的起始、終止點(diǎn)，它具有特定的拓?fù)湫再|(zhì)。2）形狀點(diǎn)：表示線、面經(jīng)過的點(diǎn)，不具拓?fù)湫再|(zhì)。3）線（弧線）：起始與終止點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)、并且具有若干形狀點(diǎn)的有序點(diǎn)集。4）面：由若干弧線相連的封閉曲線圍成的區(qū)域稱為面，面以弧線的形式表示，但通過代碼與弧線區(qū)別，且其內(nèi)部填充方式可以設(shè)置。建立道路網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系的一般步驟為：1）數(shù)據(jù)預(yù)處理：數(shù)據(jù)壓縮（剔除冗余數(shù)據(jù)，提高計(jì)算速度）和自動(dòng)斷鏈（使整幅圖圖形無相交或自相交鏈）。2）結(jié)點(diǎn)匹配：建立點(diǎn)、弧段關(guān)聯(lián)關(guān)系。3）追蹤多邊形：以左轉(zhuǎn)算法或右轉(zhuǎn)算法跟蹤，生成多邊形，建立多邊形與弧段的關(guān)系。4）多邊形嵌套關(guān)系的生成，建立多邊形嵌套關(guān)系樹，即找出多邊形包含的“島嶼”，建立多邊形與多邊形之間的關(guān)系。5）具有嵌套關(guān)系多邊形的關(guān)聯(lián)弧段的左右面的編號(hào)調(diào)整及多邊形內(nèi)點(diǎn)自動(dòng)生成?；谕?fù)潢P(guān)系的匹配算法是在道路層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行的，是利用歷史軌跡對(duì)地圖數(shù)據(jù)庫的道路信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的模式識(shí)別的一種方式。拓?fù)潢P(guān)系在電子地圖中一般是指節(jié)點(diǎn)和路段之間的拓?fù)潢P(guān)系。在一段時(shí)間內(nèi)，車輛行駛的區(qū)域是有限的，而且這個(gè)區(qū)域的道路也是有限的，因此在區(qū)域中建立的道路實(shí)體對(duì)也是有限的。電子地圖足夠精確并且具有路網(wǎng)拓?fù)渫暾允堑貓D匹配能夠正常工作的前提。由于受車輛速度的限制，在一定的時(shí)間內(nèi)，車輛只能駛經(jīng)有限的路段上。如下圖2-6所示，假設(shè)當(dāng)前時(shí)刻車輛行駛在道路1上，由于速度等各種因素的存在，在下一時(shí)刻，車輛只可能出現(xiàn)在道路2、道路3或道路4上，即與道路1相連的道路鏈上，不可能直接跳到道路5或道路6上，如下圖2-6所示。圖2-6 道路拓?fù)潢P(guān)系基于拓?fù)潢P(guān)系的算法通過對(duì)前一次匹配結(jié)果和車輛前進(jìn)方向的分析，利用道路層的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系，來確定當(dāng)前車輛的匹配位置。但是，這種方法也僅利用了電子地圖的單一信息，同時(shí)，其匹配效果有時(shí)也會(huì)受到拓?fù)潢P(guān)系質(zhì)量的影響，空間拓?fù)浞秶酱螅ヅ湫Ч驮讲睢?.3 地圖匹配方法分析最短距離投影法邏輯簡(jiǎn)單、速度快、實(shí)時(shí)性好、所需內(nèi)存空間少，但它沒有考慮GPS數(shù)據(jù)接收中的各種情況及道路的地形特征，通常作為一種基本方法，與其他匹配方法結(jié)合能得到較好的效果。概率統(tǒng)計(jì)算法考慮了道路的地形特征，與其他方法結(jié)合能較好的解決匹配時(shí)道路中的合點(diǎn)與并行路段的問題，缺陷在于沒有充分利用移動(dòng)目標(biāo)行駛軌跡前后的相關(guān)性?；谕?fù)潢P(guān)系的算法對(duì)電子地圖的精確度依賴性太高，而且該算法僅僅建立了結(jié)點(diǎn)與結(jié)點(diǎn)、結(jié)點(diǎn)與道路、道路與道路之間的拓?fù)潢P(guān)系。但在實(shí)際的道路通行過程中，還有很多的交通規(guī)則，這些規(guī)則限制了移動(dòng)目標(biāo)只能在某些道路上運(yùn)動(dòng)，而不能在受限制的道路上運(yùn)動(dòng)，這些交通規(guī)則我們統(tǒng)稱為交通關(guān)系。兩條道路如果僅僅是物理上連通是不夠的，車輛是否能夠從一條道路運(yùn)動(dòng)到另一條道路還要遵守交通規(guī)則。因此，要建立良好的道路拓?fù)潢P(guān)系，還應(yīng)建立完整的交通關(guān)系以符合實(shí)際交通情況?；谝陨线@些情況，地圖匹配算法的研究應(yīng)該朝著多手段綜合運(yùn)用，相互補(bǔ)充、相互完善、精確化方向發(fā)展，對(duì)算法本身的準(zhǔn)確性應(yīng)該有一個(gè)檢驗(yàn)機(jī)制，以最大程度保證算法的可靠性。2.4 地圖匹配的應(yīng)用在智能交通系統(tǒng)中，車輛控制、緊急救援、路徑誘導(dǎo)、出行信息服務(wù)，公交調(diào)度等各種應(yīng)用都需要精確地位置信息，地圖匹配結(jié)合準(zhǔn)確的空間地圖數(shù)據(jù)對(duì)車輛位置信息進(jìn)行校正，為各種智能化應(yīng)用提供準(zhǔn)確的位置信息，使得它們更加可靠。1. 在車輛定位導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用地圖匹配可以為車輛定位導(dǎo)航系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的位置信息，便于在地圖上正確地顯示車輛位置，向司機(jī)提供準(zhǔn)確的行駛指令，并提供給司機(jī)從起點(diǎn)到目的地的最短路線，或最短行駛時(shí)間的路線，并為司機(jī)提供路線周圍大型建筑物如銀行、商店、加油站、旅館等位置信息為用戶的，還為用戶提供道路的擁堵情況，方便用戶及時(shí)調(diào)整路線，避免浪費(fèi)時(shí)間和改善交通擁堵情況。2. 在車輛控制中的應(yīng)用地圖匹配由于可以提供比原始數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確的位置信息，所以在車輛安全應(yīng)用方面起到重要作用。例如，地圖匹配可以應(yīng)用于車輛巡航控制（Vehicle Cruise Control）系統(tǒng)中，具有地圖匹配模塊的系統(tǒng)可以根據(jù)電子地圖所表現(xiàn)的路網(wǎng)中道路的曲率和拐點(diǎn)來自動(dòng)的調(diào)整車輛的巡航速度。另外，精確的地圖匹配還可以應(yīng)用于車道保持（Lane Keeping）技術(shù)。雖然基于圖像識(shí)別的車道保持技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，但是由于惡劣天氣對(duì)該系統(tǒng)的嚴(yán)重影響使得重新考慮一種新的方法成為一種必要。如果車輛定位精度能夠達(dá)到10cm或者更小，那么當(dāng)高精度的車道級(jí)別的地圖出現(xiàn)時(shí)，車道保持以及其他安全技術(shù)將會(huì)變成可能。毫無疑問，沒有地圖匹配的協(xié)助，這將是個(gè)不可能完成的任務(wù)。3. 在道路收費(fèi)上的應(yīng)用在道路收費(fèi)問題上，由于衛(wèi)星定位與地圖精度的精確度無法滿足衛(wèi)星收費(fèi)的技術(shù)要求，因此需要優(yōu)化的地圖匹配方法來使之實(shí)現(xiàn)，這是本論文研究的重點(diǎn)。也是下文所要展開研究的問題。青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 基于GPS的不停車收費(fèi)系統(tǒng)地圖匹配方法 3 基于GPS的不停車收費(fèi)系統(tǒng)地圖匹配方法3.1基于GPS不停車收費(fèi)地圖匹配的作用基于GPS的不停車收費(fèi)系統(tǒng)的匹配方法是通過對(duì)GPS采集的位置點(diǎn)信息與收費(fèi)地圖上的虛擬收費(fèi)路段進(jìn)行匹配，來判斷當(dāng)前車輛是否在收費(fèi)路段上行駛，以判斷是否對(duì)車輛進(jìn)行收費(fèi)，若需要進(jìn)行收費(fèi)，則記錄收費(fèi)信息和車輛的基本信息并發(fā)送到后臺(tái)管理中心進(jìn)行扣費(fèi)處理。程序在接收到GPS定位數(shù)據(jù)信息后，先做譯碼處理，在提取位置、方向、速度及其他一些環(huán)境數(shù)據(jù)信息，最后將車輛位置信息和收費(fèi)地圖上路段通過一定的匹配方法進(jìn)行精確地匹配，從而可以清晰區(qū)分收費(fèi)路段和非收費(fèi)路段，達(dá)到較準(zhǔn)確地收費(fèi)效果。GPS的定位精度、電子地圖的繪制精度是影響GPS收費(fèi)路段匹配準(zhǔn)確性的主要因素。而只有在兩者都達(dá)到一定精度條件下才能進(jìn)行準(zhǔn)確無誤的匹配。但由于高速公路上行、下行車道間距離較小，通常只有5m左右，而目前GPS定位的精度僅在20m左右，此外受車載設(shè)備成本的限制，車載設(shè)備上不可能使用精度非常高的GPS接收機(jī)，而且也不可能使用精度非常高的電子地圖。因此單純依靠GPS定位和提高地圖精度，很難區(qū)分上下行兩個(gè)距離很近的點(diǎn)，因而對(duì)兩條道路匹配混亂，導(dǎo)致收費(fèi)路徑的錯(cuò)誤判斷。要想實(shí)現(xiàn)定位信息與收費(fèi)路段的精確匹配，首先要解決的就是地圖匹配問題。3.2 基于GPS的收費(fèi)地圖的定義衛(wèi)星收費(fèi)電子地圖不同于一般車載導(dǎo)航所用地圖，這是一種專門用于道路收費(fèi)的具有特定定義的地圖，該地圖包含收費(fèi)路段的地理位置信息、形狀數(shù)據(jù)信息、拓?fù)潢P(guān)系數(shù)據(jù)信息和屬性信息等。對(duì)于收費(fèi)用電子地圖來說，基于我國高速公路大多采用封閉式收費(fèi)系統(tǒng)的特點(diǎn)，即在收費(fèi)公路所有出入口設(shè)立收費(fèi)站，高速公路對(duì)外界呈“封閉狀態(tài)”，車輛按進(jìn)出收費(fèi)站出入口進(jìn)行收費(fèi)，因此車載收費(fèi)地圖的定義需要圍繞這些特點(diǎn)進(jìn)行定義。收費(fèi)電子地圖根據(jù)存放位置的不同分為兩部分：一是存儲(chǔ)于車載單元中，對(duì)這部分的要求是盡可能的精簡(jiǎn)屬性信息，以節(jié)約成本；二是存儲(chǔ)在管理中心數(shù)據(jù)庫中，此部分中包括了GPS定位收費(fèi)所需要的詳細(xì)全面的地理信息、包括路段編號(hào)、路段名稱、路段長(zhǎng)度、路段類型、限速、有節(jié)點(diǎn)編號(hào)、左節(jié)點(diǎn)編號(hào)、高速公路名稱、高速公路公司代碼、收費(fèi)類型等。3.2.1道路收費(fèi)地圖收費(fèi)關(guān)鍵點(diǎn)及收費(fèi)路段定義本文所描述的車載收費(fèi)地圖由關(guān)鍵點(diǎn)和關(guān)鍵路段組成的，所謂關(guān)鍵點(diǎn)和關(guān)鍵路段是收費(fèi)道路上的對(duì)道路走向和計(jì)費(fèi)起到關(guān)鍵作用的點(diǎn)和路段。通過對(duì)現(xiàn)有高速公路布局和收費(fèi)情況的分析，我們定義3種類型的關(guān)鍵點(diǎn)和3種類型的路段。入口點(diǎn)、出口點(diǎn)、經(jīng)過點(diǎn)和入口路段、出口路段、經(jīng)過路段。入口點(diǎn)是車輛經(jīng)該點(diǎn)進(jìn)入收費(fèi)道路的點(diǎn)，和高速公路入口收費(fèi)站對(duì)應(yīng)；出口點(diǎn)是車輛經(jīng)該點(diǎn)離開收費(fèi)道路的點(diǎn)，和高速公路出口收費(fèi)站對(duì)應(yīng)；經(jīng)過點(diǎn)，對(duì)于匝道收費(fèi)站而言，是匝道和主路的交匯點(diǎn)，該點(diǎn)同時(shí)屬于主路和匝道；由此定義入口點(diǎn)和經(jīng)入口匝道與主路交匯的經(jīng)過點(diǎn)組成的路段為入口路段；出口點(diǎn)和經(jīng)出口匝道與主路交匯形成的經(jīng)過點(diǎn)組成的路段為出口路段；經(jīng)過點(diǎn)與經(jīng)過點(diǎn)連接組成的路段為經(jīng)過路段，多個(gè)相連接的經(jīng)過路段組成主路路段。3.2.2 主線站出入口特殊處理主線收費(fèi)站和匝道收費(fèi)站不同，主線收費(fèi)站出入口都是在主路上，為定義保持一致需要對(duì)主線收費(fèi)站出入口做特殊處理，添加一個(gè)入口路段和出口路段。入口路段是從主線站入口開始沿道路方向在入口和下一個(gè)經(jīng)過點(diǎn)的