Luận án TS: Ước tính trạng thái giao thông ngữ cảnh bằng ĐTDĐ Tran Minh Quang
Nghiên cứu ước lượng trạng thái giao thông bằng dữ liệu điện thoại di động, tích hợp ngữ cảnh. Mô hình cải thiện dự báo, giảm ùn tắc hiệu quả.
Shibaura Institute of Technology
Luan An
Luận án
Năm xuất bản
Số trang
157
Thời gian đọc
24 phút
Lượt xem
0
Lượt tải
0
Phí lưu trữ
50 Point
Mục lục chi tiết
Tóm tắt nội dung
I.Ước tính trạng thái giao thông ngữ cảnh di động
Tắc nghẽn giao thông gây ra nhiều vấn đề xã hội nghiêm trọng. Tổn thất kinh tế, ô nhiễm không khí, ô nhiễm tiếng ồn, và suy giảm chất lượng cuộc sống là những hệ quả rõ rệt. Việc ước tính trạng thái giao thông (TES) chính xác là vô cùng cần thiết. Nó cung cấp thông tin quan trọng cho quy hoạch đô thị và chiến lược quản lý giao thông. TES là nền tảng của các hệ thống giao thông hiện đại. Công nghệ di động mang đến giải pháp đột phá. Điện thoại thông minh, với khả năng thu thập dữ liệu ngữ cảnh, thay đổi cách tiếp cận TES. Nghiên cứu này tập trung vào việc tận dụng tối đa tiềm năng đó. Mục tiêu là phát triển phương pháp ước tính trạng thái giao thông hiệu quả hơn.
1.1. Tầm quan trọng của ước tính trạng thái giao thông
Tắc nghẽn giao thông gây ra thiệt hại kinh tế lớn. Nó làm giảm năng suất, tăng chi phí vận chuyển. Ô nhiễm không khí và tiếng ồn ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe cộng đồng. Chất lượng cuộc sống đô thị cũng bị suy giảm đáng kể. Ước tính trạng thái giao thông chính xác rất quan trọng. Nó giúp nhà quản lý đưa ra quyết định kịp thời. Các chính sách giao thông được xây dựng dựa trên dữ liệu thực tế. Điều này góp phần giảm thiểu các tác động tiêu cực của tắc nghẽn.
1.2. Vai trò của điện thoại di động trong TES
Điện thoại di động là công cụ mạnh mẽ. Chúng thu thập dữ liệu giao thông phong phú. Khả năng tích hợp nhiều cảm biến là điểm mạnh. GPS, gia tốc kế, con quay hồi chuyển cung cấp thông tin chi tiết. Dữ liệu GPS di động cho phép theo dõi vị trí và tốc độ. Thông tin này giúp ước tính trạng thái giao thông hiệu quả. Phương pháp này giảm chi phí đáng kể so với cảm biến cố định. Nó mở rộng phạm vi giám sát giao thông thời gian thực.
1.3. Khai thác dữ liệu ngữ cảnh
Dữ liệu ngữ cảnh từ điện thoại thông minh rất có giá trị. Nó bao gồm vị trí, tốc độ, hướng di chuyển. Thông tin môi trường như tiếng ồn, ánh sáng cũng được xem xét. Kết hợp các yếu tố ngữ cảnh này. Mô hình dự đoán giao thông di động trở nên chính xác hơn. Việc khai thác dữ liệu này giúp phát hiện tắc nghẽn giao thông hiệu quả. Nó cung cấp cái nhìn toàn diện về môi trường giao thông.
II.Giải pháp giám sát giao thông bằng điện thoại
Việc sử dụng điện thoại di động mở ra kỷ nguyên mới cho giám sát giao thông. Các thiết bị cầm tay này hoạt động như cảm biến di động. Chúng liên tục gửi dữ liệu về trạng thái giao thông. Giải pháp này giúp xây dựng một hệ thống giám sát toàn diện. Nó không yêu cầu đầu tư lớn vào cơ sở hạ tầng. Khả năng thu thập dữ liệu đám đông (Crowdsourcing) là ưu điểm nổi bật. Hàng triệu người dùng di động trở thành nguồn dữ liệu. Điều này mang lại sự linh hoạt và khả năng mở rộng. Dữ liệu này hỗ trợ các hệ thống giao thông thông minh (ITS).
2.1. Giám sát giao thông thời gian thực
Giám sát giao thông thời gian thực là yêu cầu cấp thiết. Điện thoại di động cung cấp dòng dữ liệu liên tục. Thông tin này phản ánh tình hình đường sá hiện tại. Các thuật toán phân tích nhanh chóng xử lý dữ liệu. Kết quả cung cấp cái nhìn tức thì về luồng giao thông. Hệ thống cảnh báo sớm được kích hoạt. Thông tin này giúp người lái xe đưa ra quyết định di chuyển thông minh hơn. Nó hỗ trợ quản lý giao thông linh hoạt.
2.2. Thu thập dữ liệu đám đông Crowdsourcing hiệu quả
Crowdsourcing tận dụng hàng triệu người dùng di động. Dữ liệu được thu thập tự động từ các thiết bị này. Đây là phương pháp thu thập dữ liệu giao thông di động hiệu quả. Nó mở rộng phạm vi bao phủ đáng kể. Nó cũng giảm đáng kể chi phí triển khai hạ tầng. Chất lượng dữ liệu được cải thiện qua tổng hợp thông tin. Phương pháp này cung cấp cái nhìn sâu sắc về mọi ngóc ngách đô thị.
2.3. Giảm thiểu tắc nghẽn giao thông
Dữ liệu thu thập được giúp xác định các điểm tắc nghẽn. Ước tính thời gian di chuyển trở nên chính xác hơn. Người lái xe nhận được thông tin tuyến đường tối ưu. Điều này dẫn đến phân bổ lại lưu lượng xe. Kết quả là giảm tắc nghẽn hiệu quả. Giảm phát thải khí và tiếng ồn cũng là lợi ích đáng kể. Nó cải thiện trải nghiệm di chuyển cho người dân.
III.Tối ưu hóa hệ thống giao thông thông minh ITS
Hệ thống giao thông thông minh (ITS) hưởng lợi lớn từ dữ liệu di động. Việc tích hợp cảm biến ngữ cảnh điện thoại thông minh vào ITS rất tiềm năng. Nó cung cấp một lớp dữ liệu mới. Dữ liệu này giúp ITS đưa ra các quyết định thông minh hơn. Các vấn đề như quản lý luồng giao thông, tối ưu hóa tín hiệu đèn được cải thiện. Mục tiêu cuối cùng là tăng cường an toàn, hiệu quả và bền vững cho giao thông đô thị. Nghiên cứu này đóng góp vào sự phát triển của ITS thế hệ mới.
3.1. Nâng cao hiệu quả ITS
Dữ liệu giao thông từ điện thoại di động tăng cường ITS. Các cảm biến ngữ cảnh điện thoại thông minh cung cấp dữ liệu mới. Chúng bổ sung cho các cảm biến truyền thống. Sự kết hợp này tạo ra bức tranh giao thông toàn diện hơn. ITS hoạt động hiệu quả hơn. Các quyết định quản lý giao thông được đưa ra dựa trên dữ liệu chính xác. Điều này giúp tối ưu hóa toàn bộ hệ thống giao thông.
3.2. Cải thiện quản lý luồng giao thông
Phân tích dữ liệu giao thông di động giúp hiểu rõ luồng xe. Các mô hình dự đoán giao thông di động được xây dựng. Chúng dự báo các điểm nóng tắc nghẽn trong tương lai gần. Kế hoạch điều chỉnh đèn tín hiệu trở nên linh hoạt. Luồng giao thông được tối ưu hóa liên tục. Điều này giảm thiểu thời gian chờ đợi và ùn tắc. Nó tạo ra một hệ thống giao thông mượt mà hơn.
3.3. Tăng cường an toàn và hiệu suất
Thông tin chính xác về trạng thái giao thông cải thiện an toàn. Người lái xe nhận được cảnh báo kịp thời. Họ có thể tránh các khu vực nguy hiểm hoặc sự cố. Ước tính thời gian di chuyển chính xác giúp lập kế hoạch tốt hơn. Hiệu suất tổng thể của mạng lưới giao thông tăng lên. Đây là bước tiến quan trọng cho giao thông đô thị. Nó tạo ra môi trường lái xe an toàn và hiệu quả hơn.
IV.Phân tích dữ liệu ngữ cảnh di động cho giao thông
Việc phân tích dữ liệu ngữ cảnh từ điện thoại di động là cốt lõi của phương pháp này. Dữ liệu thô từ các cảm biến cần được xử lý và phân tích chuyên sâu. Các thuật toán tiên tiến, bao gồm học máy trong giao thông, được áp dụng. Chúng giúp trích xuất thông tin có giá trị. Từ đó, xây dựng các mô hình ước tính trạng thái giao thông chính xác. Quy trình này biến dữ liệu phân tán thành kiến thức hữu ích. Nó hỗ trợ dự đoán giao thông di động và quản lý hiệu quả.
4.1. Sử dụng cảm biến điện thoại thông minh
Cảm biến điện thoại thông minh là nguồn dữ liệu phong phú. GPS cung cấp vị trí và tốc độ di chuyển. Gia tốc kế, con quay hồi chuyển phát hiện hành vi lái xe. Microphone thu thập dữ liệu tiếng ồn môi trường. Camera có thể chụp ảnh, video. Tất cả các cảm biến này tạo ra kho dữ liệu đa chiều. Chúng mô tả chi tiết trạng thái và ngữ cảnh giao thông.
4.2. Phân tích dữ liệu GPS di động
Dữ liệu GPS di động là nền tảng cho ước tính trạng thái. Nó cung cấp tốc độ, hướng và vị trí của phương tiện. Các thuật toán xử lý dữ liệu GPS thô. Chúng lọc nhiễu, ước tính thông số giao thông quan trọng. Dữ liệu GPS di động giúp lập bản đồ mật độ giao thông. Nó cũng xác định các tuyến đường di chuyển phổ biến. Đây là yếu tố cốt lõi để ước tính thời gian di chuyển.
4.3. Ứng dụng học máy trong phân tích giao thông
Học máy trong giao thông là công cụ mạnh mẽ. Các thuật toán học máy phân tích lượng lớn dữ liệu cảm biến. Chúng phát hiện các mẫu, mối quan hệ phức tạp. Các mô hình học máy dự đoán tắc nghẽn giao thông. Chúng cải thiện độ chính xác của ước tính thời gian di chuyển. Trí tuệ nhân tạo đang cách mạng hóa quản lý giao thông. Nó biến dữ liệu thành thông tin dự đoán có giá trị.
Tải xuống file đầy đủ để xem toàn bộ nội dung
Tải đầy đủ (157 trang)Trích đoạn nội dung luận án
Tải xuống để đọc toàn bộMobile Phone Based Context-Aware Traffic State Estimation Tran Minh Quang Graduate School of Engineering and Science Shibaura Institute of Technology A thesis submitted for the degree of Doctor of Engineering (Dr.) 2012 September 2 Acknowledgements I feel tremendously lucky to have the opportunity to work with Prof. Eiji Kamioka on the ideas in this dissertation. Kamioka instilled in me a love for researching on mobile multimedia communications and ubiquitous computing, agreed to take me on as a graduate student, and encouraged me to immerse myself in something I had a passion for. He is always beside me, understands my difficulties and works side by side with me in finding the right direction.
He incubated me in research method, scientific writing skill, etc. He even took me in his car to collect real-time traffic data for evaluations. I have never met a professor more generous with his time and experience. I am grateful to Prof.
Shuji Kubota at Shibaura Institute of Tech- nology (SIT), Prof. Shigeki Yamada at National Institute of Infor- matics (NII), Prof. Hiroaki Morino and Prof. Takumi Miyoshi at SIT for serving on my oral committee.
Kubota also serves as a co-supervisor who has inspired me to new ideas proposed in this dissertation. Yamada has advised me precious experiences on research approaches and gave several useful comments on the effec- tiveness of the proposed approaches when I visited and presented at NII. Morino has provided me both ideas and fruitful comments on my path of doing this research. His vigorous discussions always inspire me to something new.
I would like to thank Prof. Takashi Watanabe at SIT, Mr. Hiroyuki Ishizaki at International Center for Social Entrepreneurship (ICSE), Mr. Takashi Yoshida at PLANS, Ltd., who gave me constructive comments related to the feasibility of the mobile phone based traffic state model proposed in this thesis.
I wish to thanks all staff and faculties at SIT for their kindly taking care of me for not only on study but also on daily life related issues when I study in Japan. I still remember Ms. Reiko Kageyama on the first day when she picked me up at Narita Airport. Yukiko Sonoi has spent a lot of time to help me find suitable apartment.
Midori Yabe has supported me on any daily difficulty, from teaching me Japanese, interpreting documents issued by the city hall, to ex- plaining the worries coming from the Great Tohoku Earthquake to me. I am grateful to Ms. Yukari Moriuchi, Ms., at the Graduation School Section who always kindly support and ad- vise the procedures related to my research duty at SIT. I would like to thank Prof.
Ayao Tsuge, Prof. Masato Murakami, Prof. Chiaki Nakayama for their great Human Resource Fostering Program which positively influences the way I do this research. I also wish to thank SIT’s Hybrid Twining Program (HBT), Japanese Government (Mon- bukagakusho: MEXT) scholarship, and Dept.
of Computer Science and Engineering (HCM Uni. Vietnam) for their supports when I study in Japan for my Ph. I would like to acknowledge the fine work of the other individuals who have contributed to this research. Pawel Gora (from Univ.
of Warsaw, Poland) provided traffic simulation software, namely the traffic simulation framework (TSF), to generate traffic synthetic data. He also generously donated his time and expertise in customizing the TSF for special requirements on data generation in this research. Issei Yajima at SIT donated his time taking me on his motorbike to collect surrounding noise data on streets which is used for evaluating the proposed vehicle classification model. I would like to thank all my wonderful friends and colleagues at Mobile Multimedia Communications Laboratory.
Hiroki Murata, Mr. Keizaburo Nishina, Mr. Kaoru Koshimizu, Mr. Shigeki Nakamura, Mr.
Tomoki Takemura, Mr. Yuji Yoshimura have spent a lot of time instructing me on the campus life. We have also had enjoyable time in Okinawa when participating in a scientific conference there. I would especially like to thank my collaborators, Mr.
Muhammad Ariff Buharudin and Mrs. Effiyana Binti Ghazali Nurzal. Finally, I would like to thank my family, my parents, my wife, and my little daughter for their love and support. My parents give me the life and have provided me with steady guidance, knowledge, and encour- agement.
My wife, Nguyen Thi Hang, has made countless sacrifices to be always with me giving me her great support and encouragement. My little daughter, Tran Thi Minh Tam (Chip-chan) always gives me happy laughs which ultimately helps me to forget the work whenever it was at a standstill. My parents, my wife and my little daughter are levers for me to accomplish the thesis. This dissertation is dedicated to them.
Abstract Traffic congestion causes several social issues such as economic loss, air and noise pollution, quality of life degradation, and so forth. Traffic state estimation (TES) is one of the most important fields in intelli- gent transportation systems (ITS) aiming at alleviating traffic conges- tion. Conventional TES systems which utilize road-side fixed sensors such as loop detectors, RFID readers, video cameras, etc., confront essential issues of coverage limitation, real time effect and invest- ment/maintenance cost, since it is impractical to install a huge num- ber of sensors at every street. In the recent years, with the advances of mobile phone technologies, mobile devices such as mobile phones, PDA, etc., are utilized as traffic probes to overcome the aforemen- tioned road-side fixed sensor systems’ disadvantages.
However, mobile phone based traffic state estimation (M-TES) approach introduces emerging challenges which relate to (1) Processing lack informative data reported by “on-the-shelf” mobile phones; (2) Managing limited resources such as low computational capacity and narrow bandwidth; and (3) Solving difficulties rooted from low and uncertain penetration rate. This dissertation proposes a novel mobile phone based context- aware traffic state estimation (MC-TES) framework which consists of notable solutions for difficulties mentioned about. Among achieved results, most important ones include: (1) Inventing a notable traffic state quantification (TSQ) model by which traffic state is granularly quantified; (2) Proposing a novel data collection policy based on the “3R” philosophy (the Right data is collected at the Right time by the Right devices) to control data transmission load and min- imize data redundancy; (3) Designing a unique vehicle classification method, using only the data reported by mobile phones, to improve the effectiveness of the proposed TSQ model, especially when the model is applied in developing countries where several vehicle types participate in road networks; (4) Investigating thoroughly the effect of low penetration rate on traffic state estimation to figure out the so-called “acceptable” penetration rate for a predefined “expected” accuracy; (5) Inventing two novel velocity-density inference circuits (VDICs), namely the adaptive and the adaptive feedback VIDCs, to improve the traffic state estimation effectiveness even if the pene- tration rate is low; (6) Proposing a notable genetic algorithm (GA) based velocity-density estimation (GA-VDEM) model to optimize the previously proposed VDICs; (7) Introducing a practical artificial neu- ral network (ANN) based prediction model to assure the traffic state estimation accuracy even when the penetration rate becomes unac- ceptably low, namely just several percent or even zero; (8) Discussing and proposing suitable context-aware approaches to the difficulties of “less informative” data remaining in each issue mentioned above. Each of the proposed solutions mentioned above was evaluated thor- oughly using both the real field experimental data and numerous sim- ulated data.
Evaluation results reveal the effectiveness, the robustness as well as the scalability of the proposed solutions. For example, the proposed TSQ accurately provides quantitative traffic state of even irregular traffic flows where velocity and density do not relate to each other in a common way. The GA-VDEM provides traffic state esti- mation as high accuracy as around 90% when the penetration rate is low but still relevant, namely larger than 18%. The ANN based prediction approach ensures the accuracy as around 73% even if the penetration rate is unacceptably low, namely just several percent or even zero.
Consequently, this thesis opens a new research direction on the mobile probe based traffic state estimation, accelerating the M-TES, or more general the mobile phone based ITS (M-ITS), into realization. Contents Contents vi List of Figures ix 1 Introduction 1 1.2 Existing Technologies and Challenges .3 Mobile Phone Based Context-Aware Traffic State Estimation (MC- TES) .4 Contributions and Thesis Organization. 14 2 Mobile Phone Based Traffic State Quantification 19 2.2 Traffic State Indicators .3 Traffic State Quantification. 31 3 Controlling Communication Cost and Ensuring Estimation Ac- curacy 34 3.2 The “3R” Data Collection Policy .4 Traffic State Quantification with Different Participating Vehicle Modes .1 Effecticveness of the “3R” Data Collection Policy .2 Effectiveness of the Vehicle Classification Method.
58 4 Adaptive Approaches to Low Penetration Rate Issues 60 4.2 Influence of Penetration Rate on Traffic State Estimation Accuracy 63 4.3 Velocity-Density Inference Circuits (VDICs) .1 Conventional Velocity-Density Inference Models .2 The Adaptive Velocity-Density Inference Circuit .3 The Adaptive Feedback Velocity-Density Inference Circuit 75 4.2 Effect of Penetration Rate on the Estimation Accuracy .3 Effectiveness of the Velocity-Density Inference Circuits. 85 5 Synergistic Approaches to Optimize the Velocity-Density Infer- ence Model 87 5.2 The Modified VDEM .3 Intelligent Context-Ware Approach to Velocity-Density Estimation 90 5.1 Overview of the Genetic Algorithm .2 GA-based Velocity-Density Inference Mechanism .3 GA-Based Velocity-Density Estimation Model (GA-VDEM) 95 5.4 Traffic State Prediction Under Unacceptably Low Penetration Rate 98 5.1 The Proposed ANN-based Prediction Model .2 Narrowing the Computational Space .1 Effectiveness of the GA-VDEM .1 The Detailed Optimization Capacity .2 The Overall Effectiveness of the Proposed GA- VDEM .2 Effectiveness of the ANN-based Prediction Model .3 Effect of Related Road Segments on Prediction Accuracy .1 Traffic State Quantification Model .2 Solutions for Low and Uncertain Penetration Rate Issues .3 Implementation Difficulties in MC-TES .5 Potential Business Model. 120 7 Conclusion and Future Work 123 7. 125 8 Summary 128 Glossary 131 References 132 viii List of Figures 1.1 The architecture of a context-aware system .2 The overall architecture of the MC-TES .3 Organization of the thesis .1 Road segmentation: Principle and practice .2 Capacity, C k,i = Qi0 + Qk,i , of a road segment i with 2 lanes .3 The traffic-state quadrant space .4 Better qualifying traffic states based on the Goodness metric .5 Quantifying traffic states based on the Goodness metric .6 A visual view of identifying traffic state level based on the Good- ness metric .1 A vehicle reports its information based on its velocity change rate 37 3.2 The boundary of a walker mobile phone at point P0 .3 Data uploading decision in a walker mobile phone .4 Vehicle classification model .5 Vehicle classification at the server side based on GPS data .6 Vehicle classification based on acceleration patterns .7 An ANN model for vehicle classification using relative acceleration and surrounding noise patterns .8 Two connected biological neurons (Source: “Neural Network De- sign”, T.
Martin, at el.9 Modeling an artificial neuron .11 A Feed-forward, multilayer neural network. 48 ix LIST OF FIGURES 3.12 The velocity change calculating and data upload timing .13 AAThe error rate of pedestrian estimation .14 Data transmission load under the “3R” data collection policy .15 Vehicle classification result using an ANN with the combination of acceleration and surrounding noise patterns as contextual input data 58 4.1 Vehicles that report data are denoted as the car-shape ones.2 Effect of penetration rate on velocity and density estimations .3 The adaptive Velocity-Density inference circuit .4 Relation between the meanspeed capacity and the velocity estima- tion error (both are estimated from sensed data) .5 The adaptive Feedback Velocity-Density inference circuit .6 The road segmentation in TSF .7 The relation between the penetration rate and the everage velocity and density estimation errors .8 Comparing the effect of penetration rate on velocity estimation error with the Herring work .9 Effectiveness of the velocity-density inference circuits in estimating the average velocity .10 Effectiveness of the velocity-density inference circuits in estimating the density .1 The flowchart of a GA’s process .2 The pseudo code of the Genetic Algorithm .
Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ
Câu hỏi thường gặp
Luận án "Ước tính trạng thái giao thông ngữ cảnh bằng điện thoại di động" nghiên cứu về vấn đề gì?
Nghiên cứu ước lượng trạng thái giao thông bằng dữ liệu điện thoại di động, tích hợp ngữ cảnh. Mô hình cải thiện dự báo, giảm ùn tắc hiệu quả.
Luận án "Ước tính trạng thái giao thông ngữ cảnh bằng điện thoại di động" được bảo vệ tại trường nào?
Luận án này được bảo vệ tại Shibaura Institute of Technology. Năm bảo vệ: 2012.
Luận án "Ước tính trạng thái giao thông ngữ cảnh bằng điện thoại di động" thuộc chuyên ngành gì?
Luận án "Ước tính trạng thái giao thông ngữ cảnh bằng điện thoại di động" thuộc chuyên ngành Computer Science. Danh mục: Trí Tuệ Nhân Tạo.
Luận án "Ước tính trạng thái giao thông ngữ cảnh bằng điện thoại di động" có bao nhiêu trang?
Luận án "Ước tính trạng thái giao thông ngữ cảnh bằng điện thoại di động" có 157 trang. Bạn có thể xem trước một phần tài liệu ngay trên trang web trước khi tải về.
Cách tải luận án "Ước tính trạng thái giao thông ngữ cảnh bằng điện thoại di động" về máy như thế nào?
Để tải luận án về máy, bạn nhấn nút "Tải xuống ngay" trên trang này, sau đó hoàn tất thanh toán phí lưu trữ. File sẽ được tải xuống ngay sau khi thanh toán thành công. Hỗ trợ qua Zalo: 0559 297 239.