劉星良 李孟暉 熊子瑜

（長安大學(xué)公路學(xué)院 西安710064）

0 引 言

路網(wǎng)行程時間是評價道路交通運行狀態(tài)的重要參數(shù)，也是現(xiàn)代化道路交通管理與控制的基礎(chǔ)。近年來，車載藍牙設(shè)備的應(yīng)用逐漸廣泛，通過檢測車載藍牙信息可實現(xiàn)實時、精確及便捷地檢測道路行程時間。因此，開發(fā)基于車載藍牙信息的路網(wǎng)行程時間檢測設(shè)備對于有效地獲取路網(wǎng)行程時間具有重要意義，也是我國發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)造車路協(xié)同環(huán)境的重要組成部分。

通過在路段上下游或交叉口處設(shè)置路側(cè)藍牙信息檢測單元，采集不含私人信息的藍牙設(shè)備識別碼（media access control，MAC），可獲取路網(wǎng)行程時間。國外有學(xué)者研究了在國外道路交通環(huán)境中，藍牙信息檢測設(shè)備在檢測距離的誤差、檢測頻率、偵測范圍與車速的關(guān)系、檢測精度的提高及概率模型［1］等方面的內(nèi)容，并對天線特性對于藍牙檢測器性能的影響進行分析，給出了藍牙檢測器的設(shè)置位置及天線設(shè)置方法［2］；國內(nèi)學(xué)者對于藍牙檢測器的應(yīng)用前景、數(shù)據(jù)傳輸性能及安全問題也有相關(guān)研究［3］，但依然屬于起步階段，需要進一步的發(fā)展。

通過對所開發(fā)的基于藍牙信息的路網(wǎng)行程時間檢測設(shè)備在理想環(huán)境和西安市南二環(huán)的實際道路環(huán)境中的測試，分析了設(shè)備的特性，為有效采集路網(wǎng)行程時間提供了依據(jù)及參考。

1 設(shè)備運行原理

藍牙檢測設(shè)備通過無線通信和串口，將各設(shè)備間相互連接。藍牙模塊檢測到過往車輛的車載藍牙信號并進行匹配，采集其MAC地址、設(shè)備類型和信號強度，通過串口上傳至ARM單片機，單片機對信號進行處理并驅(qū)動藍牙模塊。所檢測的信息通過串口上傳信息至上位機，由上位機進行數(shù)據(jù)的顯示、配時、存儲及分析處理。設(shè)備整體運行原理見圖1，所開發(fā)的設(shè)備見圖2。

圖1 硬件系統(tǒng)運行原理圖Fig.1 The schematics of hardware system

2 藍牙檢測設(shè)備的場地測試及數(shù)據(jù)分析

2.1 漏檢率影響因素分析

漏檢率測試以單車搭載藍牙設(shè)備為基礎(chǔ)，選擇某無車路段，將檢測設(shè)備同錄像設(shè)備置于路段中間外緣處。使試驗車以不同的速度多次通過測試點，記錄每次通過測試點時的設(shè)備偵測狀況，計算不同車速下的平均漏檢率，并分析漏檢率與車速的關(guān)系。

圖2 藍牙行程時間檢測設(shè)備Fig.2 Bluetooth based road travel time detection deveice

在忽略車體對信號的屏蔽情況下進行試驗，漏檢率普遍較高。為降低車體對信號的阻隔，試驗人員持藍牙設(shè)備，打開兩側(cè)車窗，測試20～80 km／h區(qū)間內(nèi)各速度下的漏檢率，共獲取7組140條數(shù)據(jù)，漏檢率－速度關(guān)系圖見圖3。由圖3可見，漏檢率與車速關(guān)系近似于凹形拋物線，在50和60 km／h的2種速度下達到最低。測試發(fā)現(xiàn)，車體對車載藍牙設(shè)備的檢測影響較大。

圖3 漏檢率－速度關(guān)系圖Fig.3 The relationship between undetected rate and vehicle speed

2.2 設(shè)備初次檢測位置分布規(guī)律分析

應(yīng)用視頻拍攝方式記錄車輛的運行位置，拍攝時長為15 min，期間使試驗車以30～60 km／h之間的隨機速度往返通過測試點。通過視頻信息和采集的藍牙信息讀取時刻相對比，記錄車輛所處的位置見圖4。由圖4可見，大部分車輛將會在道路中線以前檢測到，因此建議將定向天線設(shè)置在所檢測方向的中線前方區(qū)域。

圖4 初次檢測到的車輛分布位置圖Fig.4 The distribution of first－detected location

3 實地測試及設(shè)備可靠性分析

為獲取國內(nèi)道路交通流中藍牙設(shè)備的采樣率及其交通運行特征，選取西安市南二環(huán)西安科技大學(xué)人行天橋至文藝路南口人行天橋間自西向東長度為600 m的路段進行實地測試。測試時間為2013年6月1日（周六）17：05～18：05時。所選取測試路段為北側(cè)路段，測試過程中全程錄像，以獲取全樣本信息，測試路段見圖5。

實驗共取得匹配數(shù)據(jù)80組，去除不可靠數(shù)據(jù)（明顯大于時段內(nèi)平均通行時間）5組，共得到75組匹配數(shù)據(jù)，通過起終點的時刻計算實地測試路段的時長，計算其平均值，得到路網(wǎng)平均通行時間，見表1。通過觀測到視頻信息可獲取測試過程中共通過車輛3 826輛，采樣率為2.1%，與國外采樣率類似［4］。由表1可見，路段行程時間隨時間推移而不斷增加，數(shù)據(jù)的整體走勢與晚高峰時期的交通特征相符。為進一步確定設(shè)備的可靠性，和視頻采集的全樣本數(shù)據(jù)進行比較分析。

圖5 實地測試路段衛(wèi)星圖Fig.5 The satellite map of the section of real－road test

通過視頻全樣本數(shù)據(jù)分析可知，交通量在晚高峰時期呈明顯的上升趨勢，對應(yīng)的出行時間不斷增長，與設(shè)備數(shù)據(jù)所呈現(xiàn)的趨勢一致。視頻采集而得的平均通行時間為2 min 12 s，與設(shè)備數(shù)據(jù)統(tǒng)計而得的2 min 18 s相差6 s?？梢?，在交通特性明顯的情況下，設(shè)備擁有一定的準(zhǔn)確性與可靠性。

表1 藍牙設(shè)備檢測數(shù)據(jù)Tab.1 The data of Bluetooth device

通過實地測試、計算得到誤差率為4.5%；在實地測試中將誤差率穩(wěn)定在此水平是可以接受的［5］，證明設(shè)備具有應(yīng)用推廣的條件。此外，在車流量較高的情況下，在60 min內(nèi)可以實現(xiàn)80組以上的配對數(shù)目，且車載藍牙設(shè)備的應(yīng)用將會愈加廣泛，檢測數(shù)會進一步提高。雖然誤差穩(wěn)定在較小的范圍之內(nèi)，但數(shù)據(jù)的離散度仍然較高，以視頻統(tǒng)計時間差和設(shè)備實測時間差為依托制作盒型圖，觀測數(shù)據(jù)的均值及離散程度，見圖6。

圖6 均值及離散度盒形圖Fig.6 The boxplot of dispersion and mean

盒形圖中央黑色部分為均值大小，可見視頻數(shù)據(jù)與設(shè)備數(shù)據(jù)所得均值相近，但盒型圖覆蓋面積較大，所以數(shù)據(jù)離散度較高，那么設(shè)備數(shù)據(jù)是否可靠，則需要進一步的驗證。以視頻采集數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，以設(shè)備采集數(shù)據(jù)為判別數(shù)據(jù)，假設(shè)未知2組數(shù)據(jù)的總體及分布，設(shè)2組數(shù)據(jù)均值相等，來自于同一總體，且符合相同分布；分別對2組數(shù)據(jù)進行2個獨立樣本的t檢驗、曼－惠特尼U檢驗和W－W檢驗，以驗證2組數(shù)據(jù)是否來自同一總體，是否能夠接受均值相等，以及2組數(shù)據(jù)是否符合相同的分布規(guī)律。檢驗均采用90%的置信區(qū)間［6］，表2～4分別為為各項檢驗的結(jié)果數(shù)據(jù)。

表2 t檢驗結(jié)果分析表Tab.2 The analysis table of t－tests result

由表2可見，方差項中的顯著性水平為0.703，大于0.1（置信區(qū)間取值為0.9），所以無法由方差項否定原假設(shè)，且雙側(cè)顯著性水平0.031＜0.1，那么原假設(shè)成立，即2組數(shù)據(jù)擁有相等的均值，且來自于同一總體。由表3、表4可見，曼－惠特尼U檢驗中雙側(cè)顯著性水平為0.081＜0.1，W－W檢驗中雙側(cè)顯著性水平為0.012＜0.1，所以原假設(shè)成立，即2組時間數(shù)據(jù)符合相同的分布規(guī)律。所以，設(shè)備采集的數(shù)據(jù)不論從數(shù)據(jù)量、均值、方差或者分布等方面來看，均具有較高可靠度，可應(yīng)用于實際分析之中，而設(shè)備的實際應(yīng)用性也得到了證明。

表3 曼－惠特尼U檢驗結(jié)果分析表Tab.3 The analysis table of Mann－Whitney U test｀s result

表4 W－W檢驗結(jié)果分析表Tab.4 The analysis table of W－W tests result

4 結(jié)束語

通過場地測試，得出了藍牙檢測設(shè)備漏檢率與速度的關(guān)系，證明在無干擾的情況下，漏檢率與速度的關(guān)系曲線呈凹形拋物線狀；同時分析了檢測位置的分布規(guī)律。初步驗證了設(shè)備用于實地測試的可行性。通過對實地測試結(jié)果進行詳細的分析，探索了實際交通狀況下平均車速與檢測數(shù)及配對數(shù)的關(guān)系，通過建立統(tǒng)計學(xué)模型與深入研究數(shù)據(jù)間的相關(guān)關(guān)系，確定了設(shè)備所檢測而得平均通行時間的可靠度，進一步證明了設(shè)備的可靠性及實用性。

基于藍牙的路網(wǎng)行程時間檢測器的相關(guān)研究在設(shè)備精度方面仍有不足。由場地測試和實地測試可知，降低漏檢率對于提高檢測精度和效率都具有十分重要的意義。而解決設(shè)備漏檢率問題應(yīng)著重研究如何增加藍牙模塊的搜索信號強度和功率。

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