【正文】 ； s c o p es e a r c hvb o u n dhkmv _3 6 0 0/1 0 0 0,/36 ????當(dāng) 。匹配范圍分為兩個部分，基本值和變化值，實(shí)際搜索范圍為兩者之和。本文采用根據(jù)車輛行駛速度動態(tài)收 本文采用根據(jù)車輛行駛速度動態(tài)調(diào)整搜索范圍的方法。 圖 31黃島到濟(jì)南行程路段定義圖 圖中各關(guān)鍵點(diǎn)的名稱、屬性及對應(yīng)的屬性值如下表 31 所示。 收費(fèi)電子地圖根據(jù)存放位置的不同分為兩部分：一是存儲于車載單元中，對這部分的要求是盡可能的精簡屬性信息，以節(jié)約成本； 二是存儲在管理中心數(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、路段名稱、路段長度、路段類型、限速、有節(jié)點(diǎn)編號、左節(jié)點(diǎn)編號、高速公路名稱、高速公路公司代碼、收費(fèi)類型等。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)來自動的調(diào)整車輛的巡航速度。在一段時間內(nèi)，車輛行駛的區(qū)域是有限的，而且這個區(qū)域的道路也是有限的，因此在區(qū)域中建立的道路實(shí)體對也是有限的。誤差橢圓的定義如圖 25所示。 圖 24（ b） 線到線的匹配 在圖 24（ 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觀測點(diǎn)連線的線段 P的坐標(biāo)為（ 6t， 3）。 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 地圖匹配技術(shù) 16 圖 21 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觀測點(diǎn)最近的點(diǎn)作為匹配點(diǎn)。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。 4）在技術(shù)上，相對于 DSRC 電子收費(fèi)技術(shù)要新。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)。 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、段落長度、所屬業(yè)主及收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)等屬性信息 。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。它具有如下優(yōu)點(diǎn)： 1）收費(fèi)精確。它是利用安裝在路側(cè)的路邊設(shè)備 （ R0ad— Said Unit，簡稱 RSU）與行駛在收費(fèi)道路的車輛上的車載裝置（ On— Board Unit，簡稱 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)。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ ISO）、歐洲準(zhǔn)化委員會（ 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。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。 本文以自駕車從黃島到濟(jì)南為例，對此路線中收費(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。 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價(jià)值。ETC 的三大特點(diǎn)：無需人、不停車、無現(xiàn)金。 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。不正常收費(fèi)信息將立即通知執(zhí)法系統(tǒng)，以確保統(tǒng)一及時處理。 3）需要安裝龍門架。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)在不久的將來會有助于解決中國城市擁擠問題。整個過程全 部利用現(xiàn)有車道。 5）車載裝置易擴(kuò)展為移動商務(wù)基礎(chǔ)平臺的終端設(shè)備，并衍生其它商機(jī)。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)繳的道路通行青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 緒論 14 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。由于陸地車輛在除了進(jìn)入停車場等之外的決大多數(shù)時間都位于道路網(wǎng)絡(luò)中，因此使用地圖匹配技術(shù)的條件是滿足的。 3） 線到線的匹配 線到線的匹配就是將一系列 GPS觀測點(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。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。 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。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。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。路段長度屬性值：考慮到將來進(jìn)行按里程收費(fèi)擴(kuò)展，設(shè)置路段長度屬性，這里是指各個點(diǎn)之間道路的實(shí)際長度值，而非我們定義的關(guān)鍵路段的長度。 以 GPS 定位點(diǎn) G（ x,y）為中心，一個值為半徑的區(qū)域內(nèi)，在收費(fèi)電子地圖上搜索是否有收費(fèi)路段存在及收費(fèi)路段在此范圍內(nèi)，如果有收費(fèi)路段存在，則進(jìn)行判斷。搜索范圍的選取應(yīng)考慮到 GPS的精度誤差，道路寬度等因素。參數(shù)定義如下： i,j — i 為任意路段號； j為任意一節(jié)點(diǎn)號 。記錄路段出口 ID 號； 計(jì)費(fèi) Fee（ all） =Fee（ all） + iSegment （ L） ? Fee（ i）； 收費(fèi)結(jié)束 ,返回步驟 2； 否則 計(jì)費(fèi) Fee（ all） =Fee（ all） + iSegment （ L） ? Fee（ i）； 返回步驟 2； 否則 返回步驟 2； 程序結(jié)束。 否則 返回步驟 2。搜索范圍變化值具體 描述如下 :令初始搜索范圍基本值 :search_scope=35m，實(shí)際搜索變化值為 bound。由此可見車速和判斷范圍的選取對地圖匹配的準(zhǔn) 確性影響很大。瘦客戶端收費(fèi)地圖保密與地圖匹配相關(guān)的數(shù)據(jù)信息包括：路段編號，路段做節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，路段有節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，路段類型。注意新經(jīng)過點(diǎn)位置應(yīng)均勻分布，不能過于靠近下一經(jīng)過點(diǎn)和出入口 。 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 24 3 基于 GPS的不停車收費(fèi)系統(tǒng)地圖匹配方法 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 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)送到后臺管理中心進(jìn)行扣費(fèi)處理。 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目標(biāo)行駛軌跡前后的相關(guān)青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 地圖匹配技術(shù) 22 性。 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。 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 地圖匹配技術(shù) 19 最短距離算法 最短距離法是一種基礎(chǔ)的匹配方法。這種方法同樣比較簡單，也很直觀，但該方法得到的結(jié)果的不足在于匹配結(jié)果會出現(xiàn)來回?cái)[動的情況，當(dāng) GPS觀測點(diǎn)距離多條路段的距離相等時就無法進(jìn)行路段匹配了，匹配形式如圖 23所示。 地圖匹配的兩個條件是高精度的數(shù)字地圖和車輛在路網(wǎng)中行駛。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、且車牌識別精度不高，是制約這種技術(shù)發(fā)展的最大障礙 。 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，克服傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施改變存在比較大的困難。先使用后付費(fèi)方式可定期到指定機(jī)構(gòu)交納費(fèi)用。 4. ANPR 電子收費(fèi)系統(tǒng)概況 車牌識別技術(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，簡稱 VES），而真正采用 ANPR 作為一種收費(fèi)技術(shù)是 2020 年 2月倫敦市政府在中心區(qū)實(shí)施道路擁擠收費(fèi)。一般單片式 OBU 價(jià)格為 200～ 300 元，雙片式則多達(dá) 500 元左右。如果一切無誤（剩余余額充足或帳號有效時），則正常結(jié)束收費(fèi)操作（改寫余額、記帳等）。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)。目前，中國的一些收費(fèi)公路（特別是低等級公路）仍廣泛采用這種收費(fèi)方式。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收費(fèi)系統(tǒng)。 我國的“十二五”規(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。道路收費(fèi)技術(shù) 發(fā)展歷程如圖 11所示。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。 2）在進(jìn)入 收費(fèi)站時，車輛按規(guī)定限速通過收費(fèi)車道。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。 2）當(dāng)車輛行駛到收費(fèi)區(qū)內(nèi)及出入口時， 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。 圖 12 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 ,記錄虛擬入口時間、入口站號 ,接著等待出口 ,通過 GPS定位當(dāng)汽車離開公路時記錄出口時間 ,出口站號 ,通過入口站號與出口站號到數(shù)據(jù)庫中查詢其它屬性信息 ,并增加收費(fèi)記錄。 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。 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)。 4總結(jié)。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)?P更靠近線段 B。 上述的三種地圖匹配方法相對來說都是計(jì)算簡單，僅利用了數(shù)字地圖的單一信息，不能保證任何時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。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。 圖 26 道路拓?fù)潢P(guān)系 基于拓?fù)潢P(guān)系的算法通過對前一次匹配結(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。毫無疑問，沒有地圖匹配的協(xié)助，這將是個不可能完成的青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 地圖匹配技術(shù) 23 任務(wù)。 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)站對應(yīng)；經(jīng)過點(diǎn)，對于匝道收費(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，多個相連接的經(jīng)過路段組成主路路段。 地圖信息的精簡包括下面兩個方面： 電子地圖可通過精簡地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，去除不必要的形狀連接點(diǎn)， 保留路段的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這樣可大大的減少數(shù)據(jù)量，節(jié)省數(shù)據(jù)存儲空間和減少程序計(jì)算量。車輛在高速公路行駛的特點(diǎn) ,快速 120km/h,而 GPS 定位數(shù)據(jù)以 1 次 /秒的頻率接收。假如 GPS 定位誤差為 20m，道路為兩車道組成，每車道 ，路側(cè)間隙為各為 ，則搜索范圍為： alnmsc o p ese a c h ????? 2_