一種基于pm2.5健康出行的路徑規劃裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于大數據下的路徑規劃導航系統，具體是一種能夠檢測PM2.5值，實現健 康出行路徑規劃的裝置及方法。
【背景技術】
[0002] 隨著公路網的逐步完善，汽車保有量越來越大，高密度城市化進程使得交通狀況 日益緊張，大氣污染日益嚴重。由于大氣顆粒物成分復雜，其所攜帶的重金屬元素、環烴有 機物等成分隨呼吸道進入人體，嚴重危害人體健康。而其中PM2.5的危害性最為嚴重，其粒 徑小、比表面積大，更易富集有毒物質。經研究，PM2.5污染與成人呼吸系統的病癥率呈正相 關。
[0003] 因此，在人們出行時，如何準確獲取大量PM2.5濃度值，根據濃度值整體情況規劃 出一條便捷、健康的出現線路是在已存在PM2.5值過高的情況下避免直接吸入大量有害氣 體，最小程度受到傷害的健康出行應重點考慮的問題。
[0004] 目前國內外的研究中，路徑規劃方面主要是按照用戶需求進行的基于交通信息的 最優路徑規劃，最優路徑的準則有:代價最低、路段規避、通過特定區域等，當前路徑規劃算 法都是以距離、時間或花費為代價最低準則由起點到終點的導航過程，對健康方面的需求 并未涉及;應對大氣污染方面主要是群眾自發帶口罩或在PM2.5值爆表天氣減少出門等消 極應對的個人行為。因此，發明一種針對PM2.5值的健康出行導航系統及路徑規劃方法是十 分必要的。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的在于將PM2.5值放入大數據中，為出行提供一種新的導航方法，使出 行過程能夠更加便捷、健康。
[0006] 實現本發明目的的技術解決方案為：
[0007] 一種基于PM2.5健康出行的路徑規劃裝置，包括車載PM2.5檢測設備、信息傳輸模 塊和服務器終端三大部分，其中，信息傳輸模塊包括GPS模塊和GPRS模塊，服務器終端包括 路徑規劃模塊，PM2.5檢測設備安裝于浮動車上，并與信息傳輸模塊相連，信息傳輸模塊與 服務器終端相連;PM2.5檢測設備可直接采集浮動車所經路徑PM2.5值，GPS模塊獲取浮動車 地理位置信息，GPRS模塊將獲取PM2.5值與地理位置信息傳輸給服務器終端的路徑規劃模 塊，路徑規劃模塊實現最終路徑規劃。信息傳輸模塊傳輸所檢測到的PM2.5值、地理坐標和 檢測時間；地理坐標記錄檢測PM2.5的浮動車所經過位置，采用標準經煒度坐標;路徑規劃 模塊采用改進型Dijkstra算法規劃健康出行路線，以原路網結構為基礎定位起、終點，根據 PM2.5檢測值形成帶權重的網絡拓撲圖并簡化為有向賦權連通圖，以PM2.5濃度最優為目標 遍歷節點，遍歷區域根據搜索限制條件進行縮小，當搜索區域滿足矩形限制搜索條件時，以 節點為單位進行本層搜索工作，當距離大于一定值R后，可提高搜索層次，直到到達路網最 高級；當搜索區域不滿足矩形限制搜索條件時，更改搜索區域為矩形搜索，并重新重復以 PM2.5濃度值最小為目標的最短路搜索過程，隨著搜索層級升高，逐步完善規劃路徑;其中 車載PM2.5檢測設備所獲取不同時刻同一地點的PM2.5檢測值需重復記錄。
[0008]基于PM2.5健康出行的路徑規劃方法，具體過程為：
[0009]步驟一:確定單路段浮動車樣本量
[0010] 統計時間段TP內，平均PM2.5估計值為F為： - 1 Λ' !：>
[0011] Ρ^-Υ,Ρ； Np i:\
[0012]式中，Pi為第丨輛浮動車的ΡΜ2.5值;i為浮動車序號;ΝΡ為統計時間段內經過路段的 浮動車總數。
[0013] 浮動車所測得的ΡΜ2.5日平均濃度的分布頻率接近對數正態分布，令Μ為ΡΜ2.5濃 度值Ρ的對數，即Μ=Ιη(Ρ)，對Μ進行標準化處理，以為標準分布的上α分位點，則單路段 上的浮動車數量計算模型為： σρ 2
[0014] Νρ~ (--ΓΖαρμΥ ερ
[0015] 式中，為上α分位點;σρ為標準差；ερ為允許濃度誤差值。
[0016] 考慮線路長度對浮動車數量的影響，對ΝΡ進行修訂得： ,Nd4 N-1
[0017] Νρ = == ^- Μ 7；, ln{P) Tp
[0018] 式中，1為目標路段長度;ΤΡ為統計時間。
[0019]步驟二:確定路網浮動車樣本量
[0020] 由于浮動車線路不固定，為保證目標精度，可用交通流密度描述頻率。浮動車在任 意道路上出現的概率PiS: V Σ(α·α,)
[0021] Pt=- (i a) ΣΣ(α]') ?-1 /-1
[0022] 式中，a為道路等級個數，為常數;Ni為類型i道路總數;Pi為i道路交通流密度；li,j 為類型i道路中第j段路段的長度。
[0023] 浮動車在類型i道路中第j段路段上出現的概率為： p - d
[0024] ，J ^ Μ.
[0025] 考慮浮動車本身的停駛時間和錯誤次數，修訂為：
[0026] P/i)j = Pi)j(l-Ps)(l-Pc)
[0027] 式中，Ps為浮動車停駛率;P。為浮動車錯誤率。
[0028] 整個路網下的浮動車數量計算模型為： a
[0029] N: = Y}zi'N-J /-1
[0030] 式中，隊;1為1型道路所需浮動車數，可利用步驟一求得;ZiS不同類型道路的影響 因子，計算方法為：
[0031] _ ΣΣ^ /=1 j^i
[0032] 步驟三:根據PM2.5濃度值序列路徑規劃
[0033] 在起點(XI，yi)，終點(X2，y2)確定后，建立限制搜索的橢圓區域： |-0034] [c.0S:g(x-<7) + sin#(7-句]2 丨.[―sin.6>(x -"）+ cos錢7-fe)]2 A2 Bz
[0035] 式中，
[0036] θ = arcfgi^^-)： X2-X, X, + ·Χ,
[0037] a λ，.
[0038] b - "Vl +yi ·,
[0039] A^^yj(y2- Vj f + (x2 -X!)2 ；
[0040] β = 】Α2-(-ν「νι)2:(Λ?) 2
[0041 ]對X，y求偏導，可得到X、y的極值Xmin 、Xmax、ymin、ymax， 極點坐標(Xmax ，ymax)、（ Xmin， ymin)、（ Xmax，ymin)、（ Xmin，ymax)四點組成限制搜索的矩開多區域。
[0042] 其中，
[0043] xmax = a -i- yjA2 cos2 0 + B~s\n2 θ
[0044] ^ω?ι1 = α-^Λ1 cos: Θ+Β1 sin: θ
[0045] vmax = h + -slA1 cos" Θ + B2 sin2 Θ
[0046] V,,,,,, =h~s A: cos: Θ + B1 sin ' Θ
[0047] 在限制搜索的矩形區域內應用基于PM2.5濃度值路徑規劃的改進Di jkstra算法， 即環境最優路徑目標優化函數：
[./；(0. = min(^//(0 + .//(f+ g (0))
[0048] ? = 1，:2，..、ΛΓ -1
[/ΛΟ = 0
[0049] 式中，gij (t)為t時刻從節點i到j的ΡΜ2.5濃度值序列；f i (t)為t時刻從i到終點的 最優PM2.5濃度值序列，N為終點處節點。
[0050]本發明與現有技術相比，其顯著優點為：
[00511 (1)獲取PM2 · 5濃度值，健康路徑規劃
[0052]現有的導航系統在路徑規劃方面大多數都是針對時間最短、路程最短或花費最短 進行的路徑搜索，鮮有考慮出行人健康狀況的出行線路設計方案。本發明利用在浮動車上 安裝車載PM2.5檢測設備對路網上各路段的空氣質量進行檢測，根據各浮動車獲取的 PM2.5濃度值，形成以PM2.5值為權重的網絡拓撲圖，從而為出行者提供一種健康的出行線 路。
[0053] (2)路網分層，高效路徑規劃
[0054] 現在的路徑規劃方法為追求線路最佳，往往算法較為復雜，這大大影響了整個路 徑規劃過程的效率。本發明在路徑規劃算法方面提出路網分層的思想，采用區域限制搜索 的改進版Dijkstra算法將預處理與分層搜索相結合，將原始的路網平面轉換為多層路網， 各層次間不斷轉換搜索，這種方法大大節約了搜索空間，提供了線路搜索效率。
[0055] (3)實時數據處理，動態路徑規劃
[0056] 現在大多數的路徑規劃算法的基礎是基于固定道路邊權的最短路算法，也即靜態 最短路算法。由于交通路網規模大，靜態路徑求解過程的效率低，服務響應速度較慢。本發 明利用GPS模塊和GPRS模塊進行實時的數據獲取和傳輸，實現動態路徑規劃，提高了整個路 徑規劃過程的效率和準確