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車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下交通信息采集與處理方法研究

發(fā)布時(shí)間:2014-12-22 10:05

 

【摘要】 依托國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)課題《多源多維城市交通狀態(tài)感知與交互處理》,本文對(duì)車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的交通信息采集與處理方法進(jìn)行了深入研究。在對(duì)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和研究趨勢進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,本文首先對(duì)車聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析。接下來在對(duì)車聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)分析的基礎(chǔ)上,得出路側(cè)單元布設(shè)及優(yōu)化方法是車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下交通信息采集方法中的重要一環(huán)這一結(jié)論,并通過分析及實(shí)驗(yàn),給出路側(cè)單元的布設(shè)方法和調(diào)度優(yōu)化方案。之后,在車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下交通信息處理方法方面,根據(jù)車聯(lián)網(wǎng)下對(duì)車輛定位技術(shù)的需求,提出了一個(gè)基于非參數(shù)動(dòng)態(tài)模型的自適應(yīng)數(shù)據(jù)融合框架結(jié)構(gòu)以及一個(gè)適應(yīng)信號(hào)強(qiáng)度和到達(dá)時(shí)間的自適應(yīng)似然粒子濾波方法,實(shí)現(xiàn)基于已有的基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)車輛精確定位。最后,在行程時(shí)間預(yù)測技術(shù)方面,針對(duì)車聯(lián)網(wǎng)下交通信息的特點(diǎn),提出改進(jìn)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)和改進(jìn)的支持向量回歸(SVR)方法,對(duì)行程時(shí)間進(jìn)行預(yù)測,設(shè)計(jì)了一個(gè)仿真平臺(tái),并采用實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果表明提出的改進(jìn)支持向量回歸的行程時(shí)間預(yù)測模型具有良好的性能。 

第1章   緒

 

1.1  研究背景

1.1.1 選題背景

根據(jù)公安部交管局的統(tǒng)計(jì),2011年全國涉及人員傷亡的道路交通事故共發(fā)生 210812起,事故造成62387人死亡。經(jīng)統(tǒng)計(jì),2011 年世界上汽車保有量排名前 6 的國家因交通事故死亡的人數(shù),其中美國為 32310 人,日本為 4612 人,德國為 4009 人,意大利為 3800人,俄羅斯為 27900 人。我國的交通事故死亡人數(shù)是美國的 2 倍,日本 14 倍。即使是按萬車死亡率,我國也是美國的2倍。雖然近年來我國在交通設(shè)施建設(shè)、交通法規(guī)完成程度、駕駛員和行人的交通安全意識(shí)等方面取得了一定成績,交通事故死傷人數(shù)有所減少,但相比主要發(fā)達(dá)國家仍有較大差距。引起交通事故發(fā)生的原因是多方面的,包括駕駛員本身對(duì)駕駛技能的掌握、危險(xiǎn)發(fā)生時(shí)的反應(yīng)能力、遵守交通法規(guī)意識(shí)的強(qiáng)弱、車輛本身狀態(tài)如何、道路本身的路況以及天氣等等。車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下,駕駛員能獲得鄰近車輛的實(shí)時(shí)信息,如車速、行駛方向和位置等,如果能在危險(xiǎn)到來前,提前警示駕駛員,以確保其有足夠的反應(yīng)時(shí)間實(shí)施緊急避險(xiǎn)行為,能避免交通事故的發(fā)生或者將事故造成的損失盡可能降低。

聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展徹底改變了人們未來的出行模式,大大提升道路交通網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)輸效率、安全水平、智能化水平及環(huán)保水平,為建成一種適應(yīng)現(xiàn)代道路交通網(wǎng)絡(luò)運(yùn)輸發(fā)展的建設(shè)、運(yùn)營、管理模式提供突破口。此外,車聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用還可以很大程度的解決停車?yán)щy問題,減少了在尋找車位過程中帶來的能源消耗,一定程度上也減少了對(duì)道路資源的占用。

車聯(lián)網(wǎng)下的交通管理方式將車作為主要管理對(duì)象,以車作為信息節(jié)點(diǎn),把接入系統(tǒng)的每輛汽車都作為信息感知源,再通過無線通信手段連接到網(wǎng)絡(luò)中,將汽車和通信進(jìn)行融合,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的大規(guī)模統(tǒng)一管理。

 

1.2  國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.2.1  國外研究現(xiàn)狀

1.  美國

從本世紀(jì)開始,美國將智能交通的戰(zhàn)略向車輛安全及車路協(xié)調(diào)技術(shù)方面轉(zhuǎn)移,開始對(duì)綜合運(yùn)輸協(xié)調(diào)技術(shù)、車輛安全技術(shù)、車車/車路通信技術(shù)、車輛感知技術(shù)等進(jìn)行研究。主要開展的項(xiàng)目有:智能車輛計(jì)劃(IVI)、車輛-基礎(chǔ)設(shè)施集成項(xiàng)目(VII)、商用車輛安全計(jì)劃、CICAS、IVBSS等。

代表性的相關(guān)項(xiàng)目有:

1)車輛-基礎(chǔ)設(shè)施集成計(jì)劃 VII(Vehicle  Infrastructure  Integration):該計(jì)劃致力于利用無線通信技術(shù)使行駛中的車輛更緊密地與周圍的環(huán)境相聯(lián)系,從而提高交通系統(tǒng)的安全性,該計(jì)劃的主要參與者包括美國交通運(yùn)輸部、加州交通部以及戴姆勒、福特、通用等汽車公司,并在加州 101 公路和密歇根 Novi 市部署了數(shù)十個(gè)路邊基站,用于測試汽車與路邊基站的通信能力。

在VII 系統(tǒng)中,車載單元(Onboard Unit,OBU)將其通過安置在車輛上的各類傳感器采集到的信息(如車輛的行駛速度、位置信息等)上傳至路側(cè)單元(Roadside Unit,RSU)中,同時(shí)也接受路側(cè)單元發(fā)送的周圍車輛的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息以及各類交通服務(wù)信息(所處區(qū)域的交通狀態(tài)信息、道路環(huán)境信息等)。車載單元和路側(cè)單元之間采用短程無線通信技術(shù)(Dedicated  Short  Range Communications,DSRC)相連。

 

2)IntelliDrive 項(xiàng)目:針對(duì)推廣 VII 系統(tǒng)時(shí)遇到基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營商和汽車廠商對(duì)采用單一標(biāo)準(zhǔn)的路側(cè)系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)營興趣不大的問題,美國交通運(yùn)輸部推進(jìn)IntelliDrive 項(xiàng)目的研發(fā)。在 IntelliDrive 項(xiàng)目中,考慮采用移動(dòng)通信技術(shù)、WIMAX、衛(wèi)星通信等方式,建立開放式通信平臺(tái),為車輛提供無縫的通信服務(wù)。IntelliDrive提供的服務(wù)重點(diǎn)在車輛主動(dòng)安全方面,同時(shí)兼顧多種運(yùn)輸方式和出行模式的解決方案,為駕駛員提供動(dòng)態(tài)、連續(xù)的服務(wù)。IntelliDrive 項(xiàng)目把出行者、管理中心、場地和車輛四個(gè)主體,利用廣義的無線移動(dòng)通信和固定的骨干有線網(wǎng)相連,完成車輛之間和車輛與路側(cè)之間的信息交互。 

 

第2章   車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)框架

 

本章對(duì)車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下交通信息需求進(jìn)行分析,在此基礎(chǔ)上,提出車聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu),分析了車車/車路通信技術(shù)、智能車載系統(tǒng)技術(shù)和智能路側(cè)系統(tǒng)技術(shù)等車聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)。

 

2.1  概述

交通信息是車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中最核心的內(nèi)容。以交通信息應(yīng)用為中心,展開車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊。交通信息的來源分為直接信息源和間接信息源。其中直接信息源主要指人(包括駕駛員和乘客)、車(車輛的運(yùn)行狀態(tài)等)和路(路況等);間接信息源包含以地形、地貌、氣象等為代表的自然環(huán)境因素和以政治、經(jīng)濟(jì)、人文等為代表的社會(huì)環(huán)境因素。

根據(jù)變化頻率,交通信息可以分為靜態(tài)交通信息和動(dòng)態(tài)交通信息。靜態(tài)交通信息指在一個(gè)較長時(shí)間段內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定的交通信息,包括:包含有路網(wǎng)信息和交通管理設(shè)施信息等的交通基礎(chǔ)信息;道路交通量和車輛保有量等統(tǒng)計(jì)信息;交通參與者出行規(guī)律信息等。靜態(tài)交通信息的獲得主要是通過建立基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫,其數(shù)據(jù)來源既可以通過從相關(guān)部門(如城市規(guī)劃部門、城市建設(shè)及道路養(yǎng)護(hù)部門、交通管理部門等)和各個(gè)系統(tǒng)中已有的數(shù)據(jù)庫獲得,也可以通過交通調(diào)查或地理信息系統(tǒng)(GIS)、全球定位系統(tǒng)(GPS)和空間遙感(RS)等技術(shù)手段獲得。動(dòng)態(tài)交通信息指的是交通系統(tǒng)中隨時(shí)間和空間變化的交通信息,主要包括:道路網(wǎng)交通流狀態(tài)特征信息、交通事件信息、車輛及駕駛員的狀態(tài)信息、道路環(huán)境信息以及交通動(dòng)態(tài)管理控制信息等。

2.1.1  交通信息感知需求

作為智能交通的一個(gè)延伸,車聯(lián)網(wǎng)本身具有智能交通所擁有的信息采集功能。同時(shí),車聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)具體應(yīng)用,具有物聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn),即信息感知。

信息感知能夠?yàn)檐嚶?lián)網(wǎng)提供信息來源,是車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的基礎(chǔ)。它最基本的形式是數(shù)據(jù)收集,即節(jié)點(diǎn)將感知數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)。但由于在原始感知數(shù)據(jù)中往往存在異常值、缺失值,因此在數(shù)據(jù)收集時(shí)要對(duì)原始感知數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗,并對(duì)缺失值進(jìn)行估計(jì)。信息感知的目的是獲取用戶感興趣的信息,這些在車聯(lián)網(wǎng)中具體表現(xiàn)為:

1.  對(duì)車況及控制系統(tǒng)感知

主要是汽車運(yùn)行過程中的各種工況信息,例如車速、各種介質(zhì)的溫度、驅(qū)動(dòng)系/轉(zhuǎn)向系的運(yùn)行狀況等。這些信息通常是利用安裝在汽車上的車用傳感器獲得。車用傳感器是車聯(lián)網(wǎng)最終端的神經(jīng)末梢。常見的車用傳感器有車速傳感器、加速度傳感器、車身高度傳感器、進(jìn)氣溫度傳感器、冷卻液溫度傳感器等。

 

2.2  車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)研究

車聯(lián)網(wǎng)作為一種特殊的移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò),與其他自組織網(wǎng)絡(luò)相比,具有如下特點(diǎn):

1.  節(jié)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化快。這是由于車輛具有快速移動(dòng)的特性,導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)頻繁發(fā)生變化。這個(gè)特點(diǎn)導(dǎo)致車輛節(jié)點(diǎn)間的通信鏈路生存時(shí)間縮短,網(wǎng)絡(luò)連通性下降。

2.  很難建立精確的鄰居節(jié)點(diǎn)。由于快速變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),使得節(jié)點(diǎn)獲取全局拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較難,導(dǎo)致傳統(tǒng)基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的協(xié)議在車聯(lián)網(wǎng)中效果很差。

3.  通信信道有嚴(yán)重的多普勒效應(yīng),衰減嚴(yán)重。實(shí)際的城市交通環(huán)境下,高大建筑物、橋梁、隧道以及綠化帶使本就因車輛高速運(yùn)動(dòng)帶來的通信信道衰減更加嚴(yán)重。

4.  節(jié)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化具有一定的規(guī)律性。由于車輛在道路上行駛受交通法規(guī)以及交通控制系統(tǒng)的管理,總體上是具有規(guī)律性的,這使得節(jié)點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化也具有一定的規(guī)律性,因此可以通過相應(yīng)算法進(jìn)行預(yù)測其變化。

5.  節(jié)點(diǎn)的相關(guān)狀態(tài)信息可以通過相關(guān)傳感器獲得。如節(jié)點(diǎn)的速度、加速度、方向等可以通過車載傳感器獲取,節(jié)點(diǎn)的位置信息可通過衛(wèi)星定位系統(tǒng)、與路側(cè)設(shè)施實(shí)時(shí)通信等獲得。

6.  車輛節(jié)點(diǎn)對(duì)能源消耗的要求相對(duì)較低。車輛本身可以提供電力,因此對(duì)通信設(shè)備的能源消耗要求相對(duì)較低。但仍需要考慮路側(cè)單元對(duì)能源的要求。

2.2.1  系統(tǒng)架構(gòu)

車聯(lián)網(wǎng)作為物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)延伸,具有相似的架構(gòu)。因此可將車聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)(如圖2.1所示)分為三個(gè)層次,筆耕文化傳播,即感知層,網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。

車聯(lián)網(wǎng)感知層:由多種傳感器及傳感器網(wǎng)關(guān)構(gòu)成,包括車載傳感器和路側(cè)傳感器。感知層是車聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)末梢,是信息的來源。通過這些傳感器,可以提供車輛的行駛狀態(tài)信息、運(yùn)輸物品的相關(guān)信息、交通狀態(tài)信息、道路環(huán)境信息等。

車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層:由車載網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、無線通信網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)等構(gòu)成。網(wǎng)絡(luò)層在車聯(lián)網(wǎng)中充當(dāng)神經(jīng)中樞和大腦。它能夠傳遞和處理從感知層獲取的信息,目前已經(jīng)制定了車載環(huán)境下無線接入(Wireless  Access  in  Vehicular Environment,WAVE)的相關(guān)協(xié)議。

 

第3 章   車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下路側(cè)單元布設(shè)及優(yōu)化方法研究···········35

3.1  概述 ··················· 35

3.2  路側(cè)單元布設(shè)方法研究·············· 36

3.2.1  路側(cè)單元布設(shè)影響因素············ 38

3.2.2  路側(cè)單元布設(shè)方案設(shè)計(jì)··············· 38

第4 章   車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下車輛定位方法研究···············57

4.1  概述 ················ 57

4.2  基于數(shù)據(jù)融合的車輛定位方法研究·············· 58

第5 章   車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下行程時(shí)間預(yù)測方法研究············79

5.1  概述·············· 79

5.2  基于人工智能的行程時(shí)間預(yù)測方法·················· 82

 

第5章   車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下行程時(shí)間預(yù)測方法研究

 

車聯(lián)網(wǎng)中的一項(xiàng)重要信息服務(wù)就是路徑優(yōu)化。作為路徑優(yōu)化的重要依據(jù),行程時(shí)間預(yù)測方法備受關(guān)注。為了達(dá)到進(jìn)行準(zhǔn)確及時(shí)的路徑優(yōu)化效果,行程時(shí)間的預(yù)測必須具有實(shí)時(shí)性、可靠性和更高的精度。在車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下,車輛和基礎(chǔ)設(shè)施之間可以通過信息交互來確定車流量和密度。采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(artificial neural network,ANN)和支持向量回歸(support vector regression,SVR)可以在現(xiàn)有的行程時(shí)間和確定的車流量和密度的基礎(chǔ)上對(duì)行程時(shí)間進(jìn)行預(yù)測。本章開發(fā)并評(píng)價(jià)了車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量回歸的行程時(shí)間預(yù)測模型,設(shè)計(jì)了一個(gè)仿真平臺(tái),采用實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行了仿真,仿真結(jié)果表明所提出的改進(jìn)支持向量回歸的行程時(shí)間預(yù)測模型具有良好的性能。

 

5.1  概述

車聯(lián)網(wǎng)中的一項(xiàng)重要信息服務(wù)就是路徑優(yōu)化。作為路徑優(yōu)化的重要一個(gè)依據(jù),行程時(shí)間預(yù)測方法備受關(guān)注。目前常用的做法是使用歷史平均出行時(shí)間或當(dāng)前的行程時(shí)間作為對(duì)短期行程時(shí)間預(yù)測的依據(jù)。信息來源主要為固定型檢測器和移動(dòng)型檢測器。前者會(huì)采用密集放置的流量傳感器,如交通攝像頭和線圈檢測器,來估計(jì)行程時(shí)間,這些傳感器通常每四分之一英里到半英里放置一個(gè),行程時(shí)間可以通過傳感器獲得的流量、密度以及速度等參數(shù)來預(yù)測,但也可能引發(fā)行程時(shí)間預(yù)測的其他錯(cuò)誤。后者主要采用 GPS 浮動(dòng)車,具有覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)精度高以及實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),但城市內(nèi)譬如隧道、停車場以及城市中密集建筑物等復(fù)雜環(huán)境中,GPS 系統(tǒng)的效果較差,會(huì)使行程時(shí)間預(yù)測出現(xiàn)較大誤差。

 

第6章   總結(jié)與展望

 

6.1  全文總結(jié)

車聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)在智能交通系統(tǒng)領(lǐng)域的延伸,它是以車內(nèi)網(wǎng)、車際網(wǎng)和車載移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ),按照約定的通信協(xié)議和數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn),在車-車、車輛與互聯(lián)網(wǎng)之間,進(jìn)行無線通信和信息交換,以實(shí)現(xiàn)智能交通管理控制、車輛智能化控制和智能動(dòng)態(tài)信息服務(wù)的一體化網(wǎng)絡(luò)。車聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展徹底改變了未來的出行模式,大大提升道路交通網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)輸效率、安全水平、智能化水平及環(huán)保水平,為建成一種適應(yīng)現(xiàn)代道路交通網(wǎng)絡(luò)運(yùn)輸發(fā)展的建設(shè)、運(yùn)營、管理模式提供突破口。目前,國外雖然已經(jīng)定義了用于車聯(lián)網(wǎng)的通信標(biāo)準(zhǔn)和一系列應(yīng)用場景,但相關(guān)的核心技術(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)室研究和試驗(yàn)階段。我國尚未定義相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),但也開始進(jìn)行相關(guān)技術(shù)的研究。為了給車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供信息來源,本文依托國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863 計(jì)劃)課題《多源多維城市交通狀態(tài)感知與交互處理》,對(duì)車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的交通信息采集和處理方法進(jìn)行研究,主要研究成果包括以下幾個(gè)方面:

1.  提出車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)框架。在對(duì)車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下信息需求分析的基礎(chǔ)上,提出車聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu),分析了車聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù),包括車車/車路通信技術(shù)、智能車載系統(tǒng)技術(shù)和智能路側(cè)系統(tǒng)技術(shù)。

2.  對(duì)車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下信息采集方法進(jìn)行研究,提出了路側(cè)單元布設(shè)及調(diào)度方案。通過對(duì)智能路側(cè)系統(tǒng)技術(shù)分析,闡述了路側(cè)單元設(shè)置的重要性。指出了影響路側(cè)單元布設(shè)的幾個(gè)因素,并進(jìn)行了路側(cè)單元布設(shè)試驗(yàn),設(shè)計(jì)了路側(cè)單元布設(shè)方案。以基于節(jié)能降耗為出發(fā)點(diǎn),提出了一個(gè)路側(cè)單元調(diào)度優(yōu)化方案,在保證系統(tǒng)連通性的同時(shí)降低了路側(cè)單元系統(tǒng)的能源消耗。

3.  對(duì)車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下車輛定位方法進(jìn)行研究。提出了一個(gè)基于非參數(shù)動(dòng)態(tài)模型的自適應(yīng)數(shù)據(jù)融合框架結(jié)構(gòu)以及一個(gè)適應(yīng)信號(hào)強(qiáng)度和到達(dá)時(shí)間的自適應(yīng)似然粒子濾波方法,對(duì)車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的交通信息進(jìn)行處理,實(shí)現(xiàn)基于已有的基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)車輛進(jìn)行精確定位。


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本文編號(hào):10592

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