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摘要:國(guó)內(nèi)外基于交通流數(shù)據(jù)直接進(jìn)行交通運(yùn)行計(jì)算的研究較少,大多停留在利用GPS數(shù)據(jù)直接獲取車(chē)輛位置的階段,對(duì)交通流數(shù)據(jù)的研究多集中在交通狀態(tài)的估計(jì)和預(yù)測(cè)。在參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上,針對(duì)交通運(yùn)輸運(yùn)行監(jiān)測(cè)的實(shí)際技術(shù)需求,文章提出了多種技術(shù)方案構(gòu)成的交通運(yùn)輸運(yùn)行監(jiān)測(cè)技術(shù)體系,體系主要包括三個(gè)主要技術(shù)層次,分別為基礎(chǔ)技術(shù)層、關(guān)鍵技術(shù)層、評(píng)價(jià)技術(shù)層。
關(guān)鍵詞:道路運(yùn)輸監(jiān)測(cè);速度模式提?。唤煌?/p>
0引言
近年來(lái),隨著交通運(yùn)輸行業(yè)的迅猛發(fā)展,交通信息化水平不斷提升,應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)逐步完善,充分挖掘利用已有信息系統(tǒng)和行業(yè)信息資源開(kāi)展行業(yè)運(yùn)行監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)與分析,為交通規(guī)劃、行業(yè)監(jiān)管、科學(xué)決策提供技術(shù)支撐。為使指標(biāo)要素形成可計(jì)算、可度量的計(jì)算模型,實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)輸行業(yè)多源數(shù)據(jù)融合開(kāi)展道路運(yùn)輸運(yùn)行監(jiān)測(cè)指標(biāo)計(jì)算模型研究。
1基礎(chǔ)技術(shù)研究
基礎(chǔ)技術(shù)層是交通運(yùn)輸運(yùn)行監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ),是核心技術(shù)的準(zhǔn)備性技術(shù),主要包括地圖網(wǎng)格化技術(shù)、速度模式提取技術(shù)以及設(shè)備自檢和校準(zhǔn)技術(shù)。(1)地圖網(wǎng)格化技術(shù)地圖網(wǎng)格化技術(shù)是對(duì)GIS地圖的路段重劃分技術(shù),遵循路段等長(zhǎng)劃分為主,關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)劃分為輔的基本原則,將GIS地圖中的公路劃分為基本的路段單元。路段的重新劃分主要為了解決以下兩個(gè)方面的問(wèn)題:①路網(wǎng)中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的識(shí)別。公路運(yùn)行監(jiān)測(cè)的一個(gè)主要方面就是對(duì)公路基礎(chǔ)能力和基礎(chǔ)設(shè)施的監(jiān)測(cè),其中路網(wǎng)中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)(如收費(fèi)站、可分流節(jié)點(diǎn)等)和關(guān)鍵路段(如隧道、橋梁)是評(píng)估公路基礎(chǔ)能力的重要因素。②速度模式提取和交通流構(gòu)建。地圖上公路的原始劃分是以路鏈為基本單元,但路鏈?zhǔn)遣坏乳L(zhǎng)的且長(zhǎng)度差異顯著,這就導(dǎo)致了以路鏈為基礎(chǔ)的速度模式提取存在較大的誤差,并且無(wú)法通過(guò)路鏈的自由組合以實(shí)現(xiàn)任意路段、路線和區(qū)域的監(jiān)測(cè)分析。以1公里為基本的路段單元,可以實(shí)現(xiàn)路段速度模式的精細(xì)提取,通過(guò)對(duì)路段單元的組合,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)任意路段、路線以及區(qū)域的運(yùn)行監(jiān)測(cè)指標(biāo)的計(jì)算。路網(wǎng)的重新劃分可基于目前最新的GIS地圖,地圖上除了有某公路的最新布局,還包括公路上各種基礎(chǔ)設(shè)施、檢測(cè)設(shè)備、特殊路段(如橋隧)、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)(如可分流節(jié)點(diǎn))的標(biāo)注信息。地圖劃分的主要思路如下:首先,針對(duì)每條公路,從地圖文件中提取某路段的連續(xù)的經(jīng)緯度序列。其次,確定每條公路的起止樁號(hào)。再次,從起始位置開(kāi)始,利用距離計(jì)算算法將當(dāng)前公路進(jìn)行劃分,劃分的方式主要包括以下三種:以可分流節(jié)點(diǎn)為劃分節(jié)點(diǎn);以特殊路段的起始點(diǎn)作為劃分節(jié)點(diǎn);若無(wú)分流節(jié)點(diǎn)和特殊路段情況下,以1公里為基本的劃分單元。最后,以劃分的路段為基礎(chǔ),形成公路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),在新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,包括各個(gè)路段單元的基本屬性(路段編碼、路段屬性、起始經(jīng)度、起始緯度、路段上設(shè)備ID、路段長(zhǎng)度、下一路段編碼等)以及各個(gè)路段之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。在路網(wǎng)重新劃分的基礎(chǔ)上,路網(wǎng)拓?fù)渲写鎯?chǔ)了公路的所有基礎(chǔ)能力和基礎(chǔ)設(shè)備信息,對(duì)任意指定的空間范圍實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確快速的信息提取。指定公路的任意空間范圍,結(jié)合重新劃分得到的路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),提取路段單元,分析符合要求的路段單元的基礎(chǔ)能力數(shù)據(jù)(如路網(wǎng)總里程、橋隧長(zhǎng)度、監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)量、監(jiān)測(cè)范圍等),得到基礎(chǔ)能力信息,提取步驟如下:第一步:指定需要提取公路基礎(chǔ)能力信息的空間范圍,如果是路段或路線可以采用經(jīng)緯度或樁號(hào)表達(dá)范圍,如果為區(qū)域則采用經(jīng)緯度表達(dá)范圍。第二步:結(jié)合重新劃分后路段單元的位置信息(經(jīng)緯度和樁號(hào)表達(dá)),提取在指定范圍內(nèi)的所有路段單元。第三步:結(jié)合路段單元的屬性信息(橋隧信息、檢測(cè)設(shè)備信息、服務(wù)區(qū)信息等)分析提取制定空間范圍內(nèi)的公路基礎(chǔ)能力信息。(2)路段速度模式提取技術(shù)在基于節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的交通流構(gòu)建模型中,當(dāng)車(chē)輛從節(jié)點(diǎn)進(jìn)入路段之后,需要為車(chē)輛設(shè)置初始速度。速度大小與所處的路段相關(guān),因此結(jié)合大量的歷史交通數(shù)據(jù),分車(chē)型的提取路段的經(jīng)驗(yàn)速度(自由流情境下),為車(chē)輛提供基本的速度參考,并作為后續(xù)速度實(shí)時(shí)調(diào)整(根據(jù)實(shí)時(shí)的車(chē)流量、天氣、占有率等)的基礎(chǔ)。因?yàn)榭紤]到測(cè)速儀數(shù)據(jù)質(zhì)量以及延誤的問(wèn)題,因此,路段速度模式提取以GPS數(shù)據(jù)和UGC數(shù)據(jù)作為主要數(shù)據(jù)源。GPS數(shù)據(jù)主要以“兩客一危”車(chē)輛的數(shù)據(jù)為主。UGC數(shù)據(jù)主要以私家車(chē)的數(shù)據(jù)為主。在進(jìn)行速度模式提取前,需先進(jìn)行路段匹配,其作用是將車(chē)輛的GPS軌跡點(diǎn)或UGC軌跡點(diǎn)投影到實(shí)際道路路段上,以確定車(chē)輛的道路匹配位置。在路段匹配的基礎(chǔ)上,可以得到路段上各種不同車(chē)型在不同時(shí)間的速度分布情況,通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析,獲取固定路段上不同時(shí)段、不同車(chē)型、不同車(chē)重的車(chē)輛的速度模式,為交通流構(gòu)建模型提供基礎(chǔ)的速度參考,即完成路段速度模式提取。(3)設(shè)備自檢和校準(zhǔn)技術(shù)為防止節(jié)點(diǎn)和測(cè)速儀的系統(tǒng)工作時(shí)鐘存在偏差,使得到的實(shí)時(shí)車(chē)輛位置與車(chē)輛的實(shí)際位置有較大誤差。因此需進(jìn)行設(shè)備自檢和時(shí)間校準(zhǔn)。設(shè)備自檢和校準(zhǔn)工作可按以下步驟實(shí)施,第一步:測(cè)速儀自檢和校準(zhǔn);第二步:計(jì)算當(dāng)前車(chē)輛的GPS點(diǎn)與測(cè)速儀的位置點(diǎn)之間的距離,并與該車(chē)之前GPS點(diǎn)與當(dāng)前測(cè)速儀的距離對(duì)比;第三步:針對(duì)每個(gè)測(cè)速儀,剔除該測(cè)速儀下記錄的GPS點(diǎn)與測(cè)速儀距離超過(guò)閥值的車(chē)輛。第四步:計(jì)算每個(gè)測(cè)速儀中剩余車(chē)輛的GPS時(shí)間與測(cè)速儀檢測(cè)時(shí)間的時(shí)間偏差,并計(jì)算該測(cè)速儀中所有車(chē)輛時(shí)間偏差的平均值作為系統(tǒng)時(shí)間偏差;第五步:分析每個(gè)測(cè)速儀的系統(tǒng)時(shí)間偏差,若小于30秒則該測(cè)速儀的時(shí)間準(zhǔn)確,反之亦然。交通節(jié)點(diǎn)的自檢和校準(zhǔn)技術(shù)與測(cè)速儀的技術(shù)思路基本相同,但因?yàn)楣?jié)點(diǎn)處存在多個(gè)車(chē)道,因此,在節(jié)點(diǎn)自檢和校準(zhǔn)應(yīng)以車(chē)道數(shù)為單位進(jìn)行。
2關(guān)鍵技術(shù)研究
以前節(jié)為基礎(chǔ),對(duì)交通運(yùn)輸運(yùn)行監(jiān)測(cè)的路徑選擇技術(shù)和基于節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的交通流構(gòu)建技術(shù)進(jìn)行分析。(1)路徑選擇技術(shù)交通流模型構(gòu)建的主要思想是實(shí)時(shí)計(jì)算公路所有車(chē)輛的位置,因?yàn)槭腔诼肪W(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算,所以車(chē)輛在公路可分流節(jié)點(diǎn)的路徑選擇是模型的構(gòu)建的主要問(wèn)題,車(chē)輛路徑選擇技術(shù)的目的就是實(shí)時(shí)的判別車(chē)輛選擇的路徑,保證基于單車(chē)位置計(jì)算的交通流模型構(gòu)建的正確性。車(chē)輛在行駛時(shí),主要存在靜態(tài)路徑選擇和動(dòng)態(tài)路徑選擇兩種方式。靜態(tài)路徑選擇方式是指公路上營(yíng)運(yùn)車(chē)輛(如兩客一危車(chē)輛)的路由選擇一般是固定的,針對(duì)這類(lèi)車(chē)型,可以結(jié)合歷史數(shù)據(jù),分析車(chē)輛的行駛路由,并將車(chē)輛的路由靜態(tài)存儲(chǔ),當(dāng)檢測(cè)到車(chē)輛進(jìn)入時(shí),使車(chē)輛以固定的路由行駛。動(dòng)態(tài)路徑選擇方式主要是指高速上的非營(yíng)運(yùn)車(chē)輛和新入網(wǎng)車(chē)輛路由選擇是動(dòng)態(tài)變化的,在分流節(jié)點(diǎn)存在多種可能的行駛路徑,針對(duì)該類(lèi)車(chē)型,主要是結(jié)合實(shí)時(shí)的檢測(cè)器數(shù)據(jù)識(shí)別車(chē)輛的實(shí)際行駛路徑。靜態(tài)路徑推導(dǎo)是通過(guò)對(duì)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)的挖掘,提取營(yíng)運(yùn)車(chē)輛的固定行駛路由。首先應(yīng)結(jié)合車(chē)輛的登記信息,提取車(chē)輛基本信息;通過(guò)分析歷史監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)以及車(chē)輛的GPS數(shù)據(jù),提取車(chē)輛的行駛路由,以基本路段單元表達(dá);最后,分析連續(xù)多天歷史數(shù)據(jù),確定每輛車(chē)的路由選擇的固定性,若路由選擇基本固定,則保存到靜態(tài)路徑表中,若路由存在顯著差異,則歸于動(dòng)態(tài)路徑推導(dǎo)。動(dòng)態(tài)路徑推導(dǎo)針對(duì)非營(yíng)運(yùn)性的車(chē)輛,在可分流節(jié)點(diǎn)處,路徑選擇是動(dòng)態(tài)變化的,需要結(jié)合監(jiān)測(cè)器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)識(shí)別實(shí)際行駛路徑。首先,當(dāng)車(chē)輛行駛到可分流節(jié)點(diǎn)時(shí),初始狀態(tài)下,設(shè)定車(chē)輛同時(shí)在所有路徑行駛;然后在車(chē)輛位置更新的過(guò)程中,結(jié)合實(shí)時(shí)測(cè)速儀數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)信息,識(shí)別車(chē)輛的實(shí)際行駛路徑,并刪除其他路徑上該車(chē)行駛軌跡,保證車(chē)輛行駛路徑的唯一性。重復(fù)第一二步,直到車(chē)輛通過(guò)節(jié)點(diǎn)離開(kāi)路網(wǎng)。當(dāng)檢測(cè)到車(chē)輛進(jìn)入監(jiān)測(cè)路網(wǎng)時(shí),識(shí)別車(chē)輛是否為營(yíng)運(yùn)車(chē)輛并且在靜態(tài)路徑表中存在固定路由,若是則該車(chē)輛根據(jù)固定路由行駛,否則當(dāng)?shù)竭_(dá)可分流節(jié)點(diǎn)時(shí),采用動(dòng)態(tài)路徑推導(dǎo)技術(shù)識(shí)別該車(chē)輛的實(shí)際行駛路徑。(2)交通流模型構(gòu)建技術(shù)目前,公路的運(yùn)行監(jiān)測(cè)主要基于各種斷面監(jiān)測(cè)設(shè)備,由于建設(shè)等原因,各種監(jiān)測(cè)設(shè)備的布設(shè)密度稀疏,導(dǎo)致公路運(yùn)行監(jiān)測(cè)誤差大、覆蓋率低、監(jiān)測(cè)不全面。為了提高公路運(yùn)行監(jiān)測(cè)的精度和全面性,提出了以監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)為主、測(cè)速儀數(shù)據(jù)輔助校準(zhǔn)的公路全樣本車(chē)輛實(shí)時(shí)位置計(jì)算技術(shù)?;诒O(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的交通流構(gòu)建技術(shù)是公路運(yùn)行監(jiān)測(cè)的核心技術(shù),可以計(jì)算任意車(chē)輛在任意時(shí)間的路網(wǎng)位置,結(jié)合地圖網(wǎng)格化技術(shù)對(duì)路網(wǎng)的劃分,可以分析任意空間區(qū)域的實(shí)時(shí)車(chē)流量,車(chē)型占比,擁堵度,橋隧等特殊路段的車(chē)流量和車(chē)型分布,服務(wù)區(qū)等場(chǎng)站設(shè)施內(nèi)的車(chē)流量等監(jiān)測(cè)指標(biāo)以及實(shí)現(xiàn)對(duì)各種監(jiān)測(cè)指標(biāo)變化趨勢(shì)的預(yù)測(cè)。交通流構(gòu)建技術(shù)的基本原理為:以節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)和測(cè)速儀數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合,并對(duì)融合數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)測(cè),模型如下圖所示。交通流構(gòu)建模型的實(shí)現(xiàn)主要依托于路網(wǎng)重新劃分后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及基于路段的速度分布模式,結(jié)合實(shí)時(shí)的節(jié)點(diǎn)通行數(shù)據(jù)和測(cè)速儀數(shù)據(jù),構(gòu)建公路全樣本車(chē)輛實(shí)時(shí)位置計(jì)算的高精度計(jì)算框架。流程如下:進(jìn)入監(jiān)測(cè)路段:當(dāng)檢測(cè)到車(chē)輛進(jìn)入監(jiān)測(cè)路段時(shí),根據(jù)路段節(jié)點(diǎn)信息查找路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),獲得當(dāng)前車(chē)輛的初始位置和初始速度,并將該車(chē)輛的基本信息插入到最新位置。駛離監(jiān)測(cè)路段:當(dāng)檢測(cè)到車(chē)輛駛離監(jiān)測(cè)路段時(shí),根據(jù)離開(kāi)節(jié)點(diǎn)信息查找路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),獲得當(dāng)前車(chē)輛的終止位置,查找最新位置中該車(chē)輛的基本信息進(jìn)行刪除,并將該車(chē)輛的基本信息插入到歷史位置中。過(guò)測(cè)速儀:當(dāng)測(cè)速儀檢測(cè)到車(chē)輛時(shí),根據(jù)測(cè)速儀編號(hào)查找路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),獲得當(dāng)前車(chē)輛的當(dāng)前位置和速度,并更新該車(chē)輛在最新位置中的基本信息,實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛位置的校準(zhǔn)。位置計(jì)算:設(shè)定固定的時(shí)間作為定時(shí)更新的時(shí)間間隔,當(dāng)需要進(jìn)行位置更新時(shí),首先將當(dāng)前最新位置保存到歷史位置,然后對(duì)最新位置中的所有車(chē)輛位置進(jìn)行定時(shí)更新。上述過(guò)程是一個(gè)不斷重復(fù)迭代的過(guò)程,該過(guò)程的輸出主要包括兩部分:第一是當(dāng)前路網(wǎng)上所有車(chē)輛的最新位置;第二是出現(xiàn)在被測(cè)路段上的所有車(chē)輛的歷史運(yùn)行軌跡。
3評(píng)價(jià)技術(shù)研究
基于節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的交通流構(gòu)建技術(shù)可以得到路網(wǎng)上的全樣本車(chē)輛的歷史軌跡數(shù)據(jù),車(chē)輛的歷史軌跡是計(jì)算得到的虛擬軌跡而不是實(shí)際檢測(cè)到的,因此與車(chē)輛的實(shí)際位置必然存在誤差,誤差的大小反映了虛擬軌跡的可信程度以及優(yōu)化方向。因此針對(duì)交通流構(gòu)建模型實(shí)現(xiàn)結(jié)果的評(píng)價(jià)體系十分必要?;A(chǔ)數(shù)據(jù)中存在部分車(chē)輛(“兩客一危”)的GPS數(shù)據(jù),由于GPS數(shù)據(jù)是車(chē)輛實(shí)際產(chǎn)生的位置數(shù)據(jù),可信度和采樣頻率較高,可將GPS數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。結(jié)合GPS數(shù)據(jù)和基于交通流構(gòu)建模型得到的計(jì)算軌跡數(shù)據(jù),選擇樣本車(chē)輛,對(duì)車(chē)輛位置計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià),流程為對(duì)GPS數(shù)據(jù)和車(chē)輛虛擬軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行樣本車(chē)輛提取,其中GPS數(shù)據(jù)記為樣本車(chē)輛實(shí)際軌跡,車(chē)輛虛擬軌跡數(shù)據(jù)記為樣本車(chē)輛虛擬軌跡,兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行軌跡標(biāo)準(zhǔn)化處理(統(tǒng)一用里程樁號(hào)表達(dá)的方式),通過(guò)實(shí)際軌跡與虛擬軌跡對(duì)比,可得模型標(biāo)準(zhǔn)性評(píng)價(jià)結(jié)果。樣本包括計(jì)算軌跡樣本和GPS軌跡樣本,利用以下兩種方法評(píng)價(jià)樣本的選擇,得到評(píng)價(jià)系統(tǒng)的輸入樣本:隨機(jī)樣本選擇:隨機(jī)樣本選擇的目的是從整體上對(duì)車(chē)輛位置計(jì)算模型的定位效果進(jìn)行評(píng)價(jià),首先從檢測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)中提取當(dāng)天進(jìn)入高速的所有大客車(chē)的車(chē)牌,之后基于提取的車(chē)牌信息,隨機(jī)挑選有GPS數(shù)據(jù)的車(chē)輛并分別提取該車(chē)的GPS數(shù)據(jù)和計(jì)算軌跡作為評(píng)價(jià)系統(tǒng)的輸入樣本?;跍y(cè)速儀校正作用驗(yàn)證的樣本選擇:該類(lèi)樣本的選擇是為了驗(yàn)證測(cè)速儀在車(chē)輛位置計(jì)算模型中發(fā)揮的作用而挑選的,首先提取同一天中測(cè)速儀數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)同時(shí)存在的車(chē)牌構(gòu)成車(chē)牌信息庫(kù),基于提取的車(chē)牌信息,對(duì)所有車(chē)分別提取該車(chē)的GPS數(shù)據(jù)和計(jì)算軌跡作為評(píng)價(jià)系統(tǒng)的輸入樣本。評(píng)價(jià)實(shí)施:在將計(jì)算軌跡和實(shí)際軌跡標(biāo)準(zhǔn)化之后,通過(guò)匹配計(jì)算軌跡和實(shí)際軌跡的時(shí)間,得到計(jì)算軌跡和實(shí)際軌跡的評(píng)價(jià)序列,計(jì)算每一個(gè)軌跡對(duì)的位置偏差,分析計(jì)算軌跡與實(shí)際軌跡的相對(duì)誤差和絕對(duì)誤差,評(píng)價(jià)交通流構(gòu)建技術(shù)的實(shí)施效果。
4結(jié)語(yǔ)
針對(duì)交通運(yùn)輸運(yùn)行監(jiān)測(cè)的實(shí)際技術(shù)需求,本文提出了多種技術(shù)方案構(gòu)成的交通運(yùn)輸運(yùn)行監(jiān)測(cè)技術(shù)體系,體系以地圖網(wǎng)格化技術(shù)、速度模式提取技術(shù)以及設(shè)備自檢和校準(zhǔn)技術(shù)為基礎(chǔ),以路徑選擇技術(shù)和交通流模型構(gòu)建技術(shù)為關(guān)鍵,以模型評(píng)價(jià)技術(shù)為佐證,實(shí)現(xiàn)以交通流為交通重點(diǎn)監(jiān)測(cè)方向的新型監(jiān)測(cè)方式,實(shí)現(xiàn)交通數(shù)據(jù)與地圖信息、速度信息的有機(jī)結(jié)合,達(dá)到預(yù)判交通狀態(tài)的目的。
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作者:葛迪 姜子揚(yáng) 王琿 高鴻鵬 單位:黑龍江省交通運(yùn)輸信息和科學(xué)研究中心