CN108492563A - 一种基于平均速度的超速事件探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于平均速度的超速事件探测方法，包括：用平均速度大于限速值的两GPS轨迹点状态来描述超速事件；计算两GPS轨迹点间距；根据GPS数据采样间隔时间，确定描述超速事件的两GPS轨迹点的间隔时长；计算平均速度；设计基于平均速度的超速事件探测算法；搜集车辆GPS轨迹数据，速度仪表盘数据，路段限速值，以及超速违法记录等数据；确定描述超速事件的两GPS轨迹点之间的间隔时间个数；确定超速事件相关信息。本发明能准确判断驾驶人的超速行为，从而更有效地干预超速行为。

Description

一种基于平均速度的超速事件探测方法

技术领域

本发明涉及交通安全与管理领域，特别是一种基于平均速度的超速事件探测方法。

背景技术

超速事件是世界各国普遍存在的交通问题。世界卫生组织一项调查表明，高收入国家中约有40-50％，甚至有时高达80％驾驶人超速；在中等收入和低收入国家中也有类似比例的超速驾驶人，而且该比例可能更高。超速不仅增大了交通事故可能性，还加剧了交通事故严重程度。在发达国家，超速导致了近30％的死亡事故。例如，在英国，超速违法事件导致了多达28％的死亡事故。在澳大利亚，该比例为30％。在我国，超速违法事件引发的交通事故及造成的生命财产损失，一直居于各种交通违法事件的前列。

目前，对超速事件的干预主要依赖于超速执法，而超速执法主要依赖于速度抓拍。值得注意的是，速度照相机位置是固定的，难以实现对每个驾驶人在不同路段的所有超速违法行为进行监控，以致于出现“有监控不超速，无监控就超速”的现象。由此可见，仅凭速度照相机难以有效地遏制超速事件。

为充分地干预超速行为，需全面掌握车辆的所有超速行为和路网整体的超速情况。随着GPS技术的发展及使用，使得根据GPS轨迹数据动态监测驾驶人超速行为、全面掌握路网上超速情况成为可能。自2005年起，GPS轨迹数据被用于动态监测驾驶人超速违法行为，例如车载超速提示等。然而，现有研究及应用基本都是仅凭单一GPS轨迹点的速度来判断超速，误差很大。因此，亟需探究基于GPS轨迹数据探测超速事件的新方法，以准确判断驾驶人的超速行为，从而更有效地干预超速行为。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于平均速度的超速事件探测方法，解决传统检测方法无法检测同一驾驶人在不同地点的超速违法行为，导致难以全面掌握路网上的超速违法情况，以及现有仅凭单一GPS轨迹点中的速度信息来判定超速事件存在很大误差的问题，进而准确判断驾驶人的超速行为，从而更有效地干预超速行为。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于平均速度的超速事件探测方法，用平均速度大于限速值的两GPS轨迹点状态来描述超速事件，即：一起超速事件是从速度大于限速值的位置开始至速度小于或等于限速值的位置结束；超速事件被视为一个包含起止点的线事件，由平均速度大于限速值的两GPS轨迹点状态描述；超速事件SE表示为：其中，是GPS轨迹点P_i和P_i+n间的平均速度，V_ilimit表示限速值；

探测方法具体包括以下步骤：

步骤1：计算描述超速事件GPS轨迹点P_i和P_i+n之间的平均速度 式中，D_i,i+n为两GPS轨迹点P_i和P_i+n间的行程距离；T为两GPS轨迹点的间隔时长；n为两GPS轨迹点之间的间隔时间个数，n≥1；时间间隔，即GPS采样间隔时间用Δt表示；

步骤2：根据GPS轨迹点P_i和P_i+n的经纬度坐标，确定此两GPS轨迹点所在路段，从而获取该路段限速值V_ilimit；

步骤3：比较平均速度与路段限速值V_ilimit的大小，若则将GPS轨迹点P_i和P_i+n及其之间的轨迹点记为一个超速事件单元；

步骤4：识别GPS轨迹中的超速事件单元，对于孤立的超速事件单元，则每个超速事件单元即为一起超速事件；对于相邻的超速事件单元，则组合后记为一起超速事件；

步骤5：确定一条GPS轨迹中超速事件总体数量，每起超速事件发生时间及位置、超速范围和持续时间；

所述超速事件总体数量即为该条GPS轨迹中的所有超速事件数量之和；对于某一起超速事件，其包含GPS轨迹点P_i，P_i+1，L，P_i+n，超速事件发生时间表示为{t_i,t_i+n}；超速事件发生位置由GPS轨迹点P_i位置L_i和P_i+n位置L_i+n表示，即{L_i,L_i+n}；超速范围，由下式计算得到：

式中，ΔV_i为第i起超速事件的超速范围；是GPS轨迹点P_i和P_i+n间的平均速度，又是第i起超速事件的速度值；

超速事件持续时间是GPS轨迹点P_i和P_i+n间的间隔时长T，由下式计算得到：

T＝t_i+n-t_i＝nΔt

式中，t_i+n为GPS轨迹点P_i+n处时刻；t_i为GPS轨迹点P_i处时刻；Δt为GPS采样间隔时间。

进一步的，两GPS轨迹点P_i和P_i+n间的行程距离具体为：

设GPS轨迹点P_i的经纬度坐标为(Lon_i,Lat_i)，其相邻GPS轨迹点P_i+1的经纬度坐标为(Lon_i+1,Lat_i+1)，二者之间的行程距离D_i,i+1表示为：

D_i,i+1＝R×arccos(C_i,i+1)

式中，R表示地球半径；C_i,i+1表示中心角的余弦；则GPS轨迹点P_i和P_i+n之间的行程距离表示为：

进一步的，两GPS轨迹点的间隔时长具体为：

设GPS采样间隔时间为Δt，则GPS轨迹点P_i和P_i+n之间的间隔时长T表示为：

T＝n×Δt/3600

式中，n两GPS轨迹点之间的间隔时间个数，n≥1。

进一步的，通过行车实验获得超速违法位置所在的路段限速值V_ilimit，具体为：1)选择具有车载GPS装置的车辆；2)预先选择若干条行驶路径；3)车辆行驶之前，在后排座位架设摄像机，调整摄像机角度以对准速度仪表盘，并由一名实验人员手护固定；4)车辆开动伊始，启动摄像机记录车辆速度仪表盘上的速度值，与此同时另外一名实验人员记录沿途所经路段限速值；5)待行驶完预先选定的路径，导出GPS数据和车辆速度仪表盘上的速度数据，并整理所经路段限速值记录。

进一步的，通过交警部门搜集车辆超速违法记录获得超速违法位置所在的路段限速值V_ilimit，具体为：1)到交警部门搜集营运车辆的超速违法记录；2)根据所选定营运车辆超速违法的发生时间，在交警部门筛选相应时段对应车辆的GPS轨迹数据；3)根据所选定营运车辆超速违法的发生地点，经现场调查确定该地点所在路段的限速值。

进一步的，基于行车实验数据确定描述超速事件的两GPS轨迹点之间的间隔时间个数n，具体为：

通过车辆速度仪表盘视频回放，结合路段限速值，人工查找出车辆行驶路径所发生的全部超速事件，包括发生时间、地点，用集合Ω表示；

初步以相邻两GPS轨迹点间的平均速度为判定条件；依据所设计的超速事件探测算法探测出车辆行驶GPS轨迹中的超速事件，用集合Ω₁表示；将集合Ω₁与集合Ω比较，若集合Ω₁包含于集合Ω，则增加计算平均速度的两GPS轨迹点之间的间隔时间个数，重新计算平均速度并探测车辆行驶GPS轨迹中的超速事件，直至集合Ω₁与集合Ω相等为止，将此时两GPS轨迹点之间的间隔时间个数表示为n。

进一步的，基于交警部门调研数据确定描述超速事件的两GPS轨迹点之间的间隔时间个数n，具体为：

探测出营运车辆行驶GPS轨迹中的全部超速事件，用集合Ψ₁表示；将集合Ψ₁与同一营运车辆的超速违法记录集合Ψ₂比较，若集合Ψ₁与集合Ψ₂相离或相交，则增加超速事件动态探测算法中两GPS轨迹点之间的间隔时间个数，重新探测该营运车辆行驶GPS轨迹中的超速事件，直至集合Ψ₁包含集合Ψ₂为止，将此时两GPS轨迹点之间的间隔时间个数表示为n。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)本发明将超速事件视为一个包含起止点的线事件，考虑根据GPS轨迹数据动态获取路段限速值，计算两GPS轨迹点间的平均速度，识别并查找大于路段限速值的平均速度，设计基于平均速度的超速事件探测算法，通过行车实验和/或交警部门调研获取车辆GPS轨迹数据、速度仪表盘数据、路段限速值及超速违法记录，在此基础上训练超速事件探测算法，以确定计算平均速度的两GPS轨迹点之间的最佳间隔时间个数，并进一步检验超速事件动态探测算法的精度，从而形成基于平均速度的超速事件动态探测方法，获取车辆行驶GPS轨迹中的超速事件信息。

2)本发明通过车辆GPS轨迹数据探测出车辆出行中的所有超速事件，既能弥补速度照相机定点抓拍的不足，又能全面反映路网上超速事件分布情况，从而有利于超速违法行为干预，提高道路行驶安全性，体现实际应用价值。

3)本发明充分考虑了GPS轨迹数据的误差，以两GPS轨迹点间的平均速度来判断超速事件，提高了超速事件探测的可靠性和准确性。

附图说明

图1为本发明基于平均速度的超速事件探测方法的总体流程图；

图2为基于平均速度的超速事件描述示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本方法包括超速事件描述，基于平均速度的超速事件动态探测算法设计，通过行车实验和交警部门调研搜集车辆行驶GPS轨迹数据，超速违法记录等数据，确定超速事件动态探测算法中两GPS轨迹点之间的最佳间隔时间个数，并检验超速事件动态探测算法的精度五个关键的操作步骤，综合上述五个步骤实现的超速事件探测，具体如下：

先用平均速度大于限速值的两GPS轨迹点状态来描述超速事件；一起超速事件是从速度大于限速值的位置开始至速度小于或等于限速值的位置结束。于是，超速事件视为一个包含起止点的线事件，由平均速度大于限速值的两GPS轨迹点状态描述。具体地，对于一条轨迹上两GPS轨迹点P_i和P_i+n，(i＝1,2,L,+∞，n≥1)，其平均速度为

式中，D_i,i+n为两GPS轨迹点P_i和P_i+n间的行程距离，单位km；T为两GPS轨迹点的间隔时长，单位h。因此，超速事件SE表示为

式中，V_ilimit表示限速值。

基于超速事件的描述下，进行以下探测步骤：

步骤一：计算超速事件的两GPS轨迹点间距

设GPS轨迹点P_i的经纬度坐标为(Lon_i,Lat_i)，其相邻GPS轨迹点P_i+1的经纬度坐标为(Lon_i+1,Lat_i+1)，二者之间的行程距离D_i,i+1可表示为

D_i,i+1＝R×arccos(C_i,i+1)

式中，R表示地球半径，取值为6371.004km；C_i,i+1表示中心角的余弦。

于是，GPS轨迹点P_i和P_i+n之间的行程距离可表示为

步骤二：根据GPS数据采样间隔时间，确定描述超速事件的两GPS轨迹点的间隔时长

设GPS数据采样间隔时间为Δt(s)，则GPS轨迹点P_i和P_i+n之间的间隔时长T可表示为

T＝n×Δt/3600

式中，n表示GPS数据采样的间隔时间个数(n≥1)。

步骤三：计算平均速度，根据两GPS轨迹点的位置确定所在路段限速值判断超速事件，具体是：

1、计算GPS轨迹点P_i和P_i+n之间的平均速度2、根据GPS轨迹点P_i和P_i+n的经纬度坐标，确定此两GPS轨迹点所在路段，从而获取该路段限速值V_ilimit；3、比较平均速度与路段限速值V_ilimit的大小，若则将GPS轨迹点P_i和P_i+n及其之间的轨迹点记为一个超速事件单元；4、识别GPS轨迹中的超速事件单元，对于孤立的超速事件单元，则每个超速事件单元即为一起超速事件；对于相邻的超速事件单元，则组合后记为一起超速事件；5、根据超速事件，确定一条GPS轨迹中超速事件总体数量，每起超速事件发生时间及位置、超速范围和持续时间。

所述超速事件总体数量即为该条GPS轨迹中的超速GPS轨迹点单元数。

对于某一个超速事件单元，其包含GPS轨迹点P_i，P_i+1，L，P_i+n，(i＝1,2,L,∞，n≥1)，所述超速事件发生时间可表示为{t_i,t_i+n}；所述超速事件发生位置由GPS轨迹点P_i位置L_i和P_i+n位置L_i+n表示，即{L_i,L_i+n}；所述超速范围可由下式计算得到：

式中，ΔV_i为第i起超速事件的超速范围；既是GPS轨迹点P_i和P_i+n间的平均速度，又是第i起超速事件的速度值，单位km/h。

所述超速事件持续时间是GPS轨迹点P_i和P_i+n间的间隔时长T，可由下式计算得到：

T＝t_i+n-t_i＝nΔt

式中，t_i+n为GPS轨迹点P_i+n处时刻；t_i为GPS轨迹点P_i处时刻。

本发明中，可通过行车实验采集车辆GPS数据，速度仪表盘数据及路段限速值信息，以及通过交警部门搜集车辆超速违法记录，并调查获得超速违法位置所在路段限速值V_ilimit。行车实验数据和交警部门搜集数据可以单独使用也可以共同使用；在使用了行车实验数据的基础上再使用交警部分搜集数据，可以进一步提高超速事件探测的精度。

行车实验的具体方法为：

①选择具有车载GPS装置的车辆；

②预先选择几条行驶路径；

③车辆行驶之前，在后排座位架设摄像机，调整摄像机角度以对准速度仪表盘，并由一名实验人员手护固定；

④车辆开动伊始，启动摄像机记录车辆速度仪表盘上的速度值，与此同时另外一名实验人员记录沿途所经路段限速值；

⑤待行驶完预先选定的路径，导出GPS数据和车辆速度仪表盘上的速度数据，并整理所经路段限速值记录。

交警部门调研和现场调查方法为：

①到交警部门搜集营运车辆(比如出租车)的超速违法记录；

②根据所选定营运车辆超速违法的发生时间，在交警部门筛选相应时段对应车辆的GPS轨迹数据；

③根据所选定营运车辆超速违法的发生地点，经现场调查确定该地点所在路段的限速值。

本发明中，可根据所采集的一部分行车实验和交警部门调研数据，训练基于平均速度的超速事件探测算法，以确定描述超速事件的两GPS轨迹点之间的间隔时间个数n。

(1)基于行车实验数据

通过车辆速度仪表盘视频回放，结合路段限速值，人工查找出车辆行驶路径所发生的全部超速事件(包括发生时间、地点)，用集合Ω表示。

初步以相邻两GPS轨迹点间的平均速度为判定条件；依据所设计的超速事件动态探测算法探测出车辆行驶GPS轨迹中的超速事件，用集合Ω₁表示；将集合Ω₁与集合Ω比较，若集合Ω₁包含于集合Ω，则增加计算平均速度的两GPS轨迹点之间的间隔时间个数，重新计算平均速度并探测车辆行驶GPS轨迹中的超速事件，直至集合Ω₁与集合Ω相等(重合)为止，将此时两GPS轨迹点之间的间隔时间个数表示为n(n≥1)。

(2)基于交警部门调研数据

利用基于行车实验数据训练所得的超速事件动态探测算法(两GPS轨迹点之间的间隔时间个数为n，n≥1)，探测出营运车辆行驶GPS轨迹中的全部超速事件，用集合Ψ₁表示；将集合Ψ₁与同一营运车辆的超速违法记录集合Ψ₂比较，若集合Ψ₁与集合Ψ₂相离或相交，则增加超速事件动态探测算法中两GPS轨迹点之间的间隔时间个数，重新探测该营运车辆行驶GPS轨迹中的超速事件，直至集合Ψ₁包含集合Ψ₂为止，将此时两GPS轨迹点之间的间隔时间个数表示为m(m≥n)。此处，m和n的含义相同，只不过单独基于行车实验数据得到的两GPS轨迹点之间的间隔时间个数用n表示，联合行车实验数据和交警部门调研数据得到的两GPS轨迹点之间的间隔时间个数用m表示，用m以示联合行车实验数据和交警部门调研数据得到的两GPS轨迹点之间的间隔时间个数精度更高。

Claims (7)

1.一种基于平均速度的超速事件探测方法，其特征在于，用平均速度大于限速值的两GPS轨迹点状态来描述超速事件，即：一起超速事件是从速度大于限速值的位置开始至速度小于或等于限速值的位置结束；超速事件被视为一个包含起止点的线事件，由平均速度大于限速值的两GPS轨迹点状态描述；超速事件SE表示为：其中，是GPS轨迹点P_i和P_i+n间的平均速度，V_ilimit表示限速值；

探测方法具体包括以下步骤：

步骤1：计算描述超速事件GPS轨迹点P_i和P_i+n之间的平均速度式中，D_i,i+n为两GPS轨迹点P_i和P_i+n间的行程距离；T为两GPS轨迹点的间隔时长；n为两GPS轨迹点之间的间隔时间个数，n≥1；时间间隔，即GPS采样间隔时间用Δt表示；

步骤2：根据GPS轨迹点P_i和P_i+n的经纬度坐标，确定此两GPS轨迹点所在路段，从而获取该路段限速值V_ilimit；

步骤3：比较平均速度与路段限速值V_ilimit的大小，若则将GPS轨迹点P_i和P_i+n及其之间的轨迹点记为一个超速事件单元；

步骤4：识别GPS轨迹中的超速事件单元，对于孤立的超速事件单元，则每个超速事件单元即为一起超速事件；对于相邻的超速事件单元，则组合后记为一起超速事件；

步骤5：确定一条GPS轨迹中超速事件总体数量，每起超速事件发生时间及位置、超速范围和持续时间；

所述超速事件总体数量即为该条GPS轨迹中的所有超速事件数量之和；对于某一起超速事件，其包含GPS轨迹点P_i，P_i+1，L，P_i+n，超速事件发生时间表示为{t_i,t_i+n}；超速事件发生位置由GPS轨迹点P_i位置L_i和P_i+n位置L_i+n表示，即{L_i,L_i+n}；超速范围，由下式计算得到：

式中，ΔV_i为第i起超速事件的超速范围；是GPS轨迹点P_i和P_i+n间的平均速度，又是第i起超速事件的速度值；

超速事件持续时间是GPS轨迹点P_i和P_i+n间的间隔时长T，由下式计算得到：

T＝t_i+n-t_i＝nΔt

式中，t_i+n为GPS轨迹点P_i+n处时刻；t_i为GPS轨迹点P_i处时刻；Δt为GPS采样间隔时间。

2.如权利要求1所述的一种基于平均速度的超速事件探测方法，其特征在于，两GPS轨迹点P_i和P_i+n间的行程距离具体为：

设GPS轨迹点P_i的经纬度坐标为(Lon_i,Lat_i)，其相邻GPS轨迹点P_i+1的经纬度坐标为(Lon_i+1,Lat_i+1)，二者之间的行程距离D_i,i+1表示为：

D_i,i+1＝R×arccos(C_i,i+1)

式中，R表示地球半径；C_i,i+1表示中心角的余弦；则GPS轨迹点P_i和P_i+n之间的行程距离表示为：

3.如权利要求1所述的一种基于平均速度的超速事件探测方法，其特征在于，两GPS轨迹点的间隔时长具体为：

设GPS采样间隔时间为Δt，则GPS轨迹点P_i和P_i+n之间的间隔时长T表示为：

T＝n×Δt/3600

式中，n两GPS轨迹点之间的间隔时间个数，n≥1。

4.如权利要求1所述的一种基于平均速度的超速事件探测方法，其特征在于，通过行车实验获得超速违法位置所在的路段限速值V_ilimit，具体为：

1)选择具有车载GPS装置的车辆；2)预先选择若干条行驶路径；3)车辆行驶之前，在后排座位架设摄像机，调整摄像机角度以对准速度仪表盘，并由一名实验人员手护固定；4)车辆开动伊始，启动摄像机记录车辆速度仪表盘上的速度值，与此同时另外一名实验人员记录沿途所经路段限速值；5)待行驶完预先选定的路径，导出GPS数据和车辆速度仪表盘上的速度数据，并整理所经路段限速值记录。

5.如权利要求1所述的一种基于平均速度的超速事件探测方法，其特征在于，通过交警部门搜集车辆超速违法记录获得超速违法位置所在的路段限速值V_ilimit，具体为：

1)到交警部门搜集营运车辆的超速违法记录；2)根据所选定营运车辆超速违法的发生时间，在交警部门筛选相应时段对应车辆的GPS轨迹数据；3)根据所选定营运车辆超速违法的发生地点，经现场调查确定该地点所在路段的限速值。

6.如权利要求4所述的一种基于平均速度的超速事件探测方法，其特征在于，基于行车实验数据确定描述超速事件的两GPS轨迹点之间的间隔时间个数n，具体为：

通过车辆速度仪表盘视频回放，结合路段限速值，人工查找出车辆行驶路径所发生的全部超速事件，包括发生时间、地点，用集合Ω表示；

初步以相邻两GPS轨迹点间的平均速度为判定条件；依据所设计的超速事件探测算法探测出车辆行驶GPS轨迹中的超速事件，用集合Ω₁表示；将集合Ω₁与集合Ω比较，若集合Ω₁包含于集合Ω，则增加计算平均速度的两GPS轨迹点之间的间隔时间个数，重新计算平均速度并探测车辆行驶GPS轨迹中的超速事件，直至集合Ω₁与集合Ω相等为止，将此时两GPS轨迹点之间的间隔时间个数表示为n。

7.如权利要求5所述的一种基于平均速度的超速事件探测方法，其特征在于，基于交警部门调研数据确定描述超速事件的两GPS轨迹点之间的间隔时间个数n，具体为：

探测出营运车辆行驶GPS轨迹中的全部超速事件，用集合Ψ₁表示；将集合Ψ₁与同一营运车辆的超速违法记录集合Ψ₂比较，若集合Ψ₁与集合Ψ₂相离或相交，则增加超速事件动态探测算法中两GPS轨迹点之间的间隔时间个数，重新探测该营运车辆行驶GPS轨迹中的超速事件，直至集合Ψ₁包含集合Ψ₂为止，将此时两GPS轨迹点之间的间隔时间个数表示为n。