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基于压缩传感的交通流量数据压缩方法

李清泉 周尧 乐阳 叶嘉安

李清泉, 周尧, 乐阳, 叶嘉安. 基于压缩传感的交通流量数据压缩方法[J]. 交通运输工程学报, 2012, 12(3): 113-119. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2012.03.017
引用本文: 李清泉, 周尧, 乐阳, 叶嘉安. 基于压缩传感的交通流量数据压缩方法[J]. 交通运输工程学报, 2012, 12(3): 113-119. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2012.03.017
LI Qing-quan, ZHOU Yao, LE Yang, YE Jia-an. Compression method of traffic flow data based on compressed sensing[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2012, 12(3): 113-119. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2012.03.017
Citation: LI Qing-quan, ZHOU Yao, LE Yang, YE Jia-an. Compression method of traffic flow data based on compressed sensing[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2012, 12(3): 113-119. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2012.03.017

基于压缩传感的交通流量数据压缩方法

doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2012.03.017
基金项目: 

国家自然科学基金项目 41171348

国家自然科学基金项目 60872132

国家自然科学基金项目 40830530

香港研究资助局项目 HKU754109

详细信息
    作者简介:

    李清泉(1965-), 男, 安徽天长人, 武汉大学教授, 工学博士, 从事地理信息系统与智能交通研究

  • 中图分类号: U491.112

Compression method of traffic flow data based on compressed sensing

More Information
    Author Bio:

    LI Qing-quan (1965-), male, professor, PhD, +86-27-68778222, qqli@whu.edu.cn

  • 摘要: 为准确获得用于数据压缩的变换矩阵, 引入了基于压缩传感的交通流量数据压缩方法, 在数据压缩端无需考虑变换矩阵的选择问题, 直接通过高斯投影实现高效数据压缩。首先验证了交通流量数据在经过K-SVD方法训练过的字典上能够实现稀疏表达; 然后在数据压缩端, 通过具有限制性等距条件的随机矩阵将原始高维数据投影到低维空间上, 实现数据的高效快速压缩; 最后在数据传输后, 通过凸优化算法在交通信息处理端完成数据解压缩。以美国某高速公路线圈传感器采集到的交通流量数据, 对本文方法进行了验证。试验证明: 该方法能够实现快速高效的压缩编码, 当压缩比为4∶1时, 解压缩相对误差仅为0.060 8。

     

  • 图  1  压缩传感流程

    Figure  1.  Compressed sensing flow

    图  2  传统数据压缩流程

    Figure  2.  Traditional data compression flow

    图  3  压缩流程

    Figure  3.  Compression flow

    图  4  不同域的压缩传感数据

    Figure  4.  Compressed sensing data in different domains

    图  5  线圈传感器分布

    Figure  5.  Distribution of coil sensors

    图  6  车道与线圈传感器的关系

    Figure  6.  Relationship between coil sensors and lanes

    图  7  Ff的比较

    Figure  7.  Comparison of F and f

    图  8  FF′的比较

    Figure  8.  Comparison of F and F

    表  1  检测站地理位置

    Table  1.   Geographical locations of inspection stations

    检测站 经度/(°) 纬度/(°) 所属高速路 方向
    1 93.40 45.08 I-94
    2 93.31 45.07
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    表  2  线圈传感器的检测值

    Table  2.   Detection values of coil sensors

    时间段 车流量/(veh·h-1) 占有率/%
    1 2 760 10
    2 1 680 7
    3 1 920 6
    4 2 400 10
    5 2 520 6
    6 1 320 7
    7 1 440 7
    8 2 880 11
    9 2 160 6
    10 1 440 8
    11 2 040 7
    12 2 040 6
    13 2 280 10
    14 2 280 4
    15 960 8
    16 2 160 8
    17 1 440 10
    18 3 480 10
    19 2 640 13
    20 2 400 7
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    表  3  稀疏表达误差分析

    Table  3.   Error analysis of sparse representation

    原始数长度 字典原子个数 稀疏表达选用原子个数 相对误差‖F-f2/‖F2
    120 2 000 10 0.033 2
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    表  4  压缩传感误差分析

    Table  4.   Error analysis of compressed sensing

    原始数据长度 压缩后数据长度 压缩比 相对误差‖F-F′‖2/‖F2
    120 30 4∶1 0.060 8
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    表  5  数据压缩端对比

    Table  5.   Comparison at data compression side

    乘法次数 加法次数 计算量
    正交变换 N2 N(N-1) O(N2)
    压缩传感 MN M(N-1) O(MN)
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  • [1] 肖扬, 鲁凌云, 高爽, 等. 基于二维离散小波变换的智能交通系统数据去噪声压缩[J]. 北京交通大学学报, 2004, 28(5): 1-5. doi: 10.3969/j.issn.1673-0291.2004.05.001

    XIAO Yang, LU Ling-yun, GAO Shuang, et al. Traffic data denoising compression for intelligent traffic systems based on2-D discrete wavelet transformation[J]. Journal of Beijing Jiaotong University, 2004, 28(5): 1-5. (in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1673-0291.2004.05.001
    [2] 练秋生, 王成儒, 孔令富. 心电图压缩算法中的小波基选择[J]. 计算机工程与应用, 2002, 38(18): 6-8. doi: 10.3321/j.issn:1002-8331.2002.18.003

    LIAN Qiu-sheng, WANG Cheng-ru, KONG Ling-fu. The choice of wavelet in electrocardiogram compression algorithm[J]. Computer Engineering and Applications, 2002, 38(18): 6-8. (in Chinese). doi: 10.3321/j.issn:1002-8331.2002.18.003
    [3] COIFMAN R R, WICKERHAUSER M V. Entropy-based algorithms for best basis selection[J]. IEEE Transactions on Information Theory, 1992, 38(2): 713-718. doi: 10.1109/18.119732
    [4] 蔡敦虎. 多种小波基的图像去噪性能研究[D]. 武汉: 武汉大学, 2003.

    CAI Dun-hu. The research on the performance of manifold wavelet basis in image denoising[D]. Wuhan: Wuahan University, 2003. (in Chinese).
    [5] 费铭薇, 乐全明, 张沛超, 等. 电力系统故障录波数据压缩与重构小波基选择[J]. 电力系统自动化, 2005, 29(17): 64-67, 97. doi: 10.3321/j.issn:1000-1026.2005.17.012

    FEI Ming-wei, YUE Quan-ming, ZHANG Pei-chao, et al. Wavelets selection of compression and reconstruction algorithm based on digital recorded data from a faulted power system[J]. Automation of Electric Power Systems, 2005, 29(17): 64-67, 97. (in Chinese). doi: 10.3321/j.issn:1000-1026.2005.17.012
    [6] 魏玉芬, 梦艳君. 图像编码压缩小波基的选择[J]. 装备制造技术, 2009(4): 49-50, 61. doi: 10.3969/j.issn.1672-545X.2009.04.020

    WEI Yu-fen, MENG Yan-jun. The choice of orthogonal wavelets base in image compression[J]. Equipment Manufac-turing Technology, 2009(4): 49-50, 61. (in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1672-545X.2009.04.020
    [7] 赵志强, 张毅, 胡坚明, 等. 基于PCA和ICA的交通流量数据压缩方法比较研究[J]. 公路交通科技, 2008, 25(11): 109-118. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GLJK200811022.htm

    ZHAO Zhi-qiang, ZHANG Yi, HU Jian-ming, et al. Compara-tive study of PCA and ICA based traffic flow compression[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Devel-opment, 2008, 25(11): 109-118. (in Chinese). https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GLJK200811022.htm
    [8] QU Li, HU Jian-ming, ZHANG Yi. A flow volumes data compression approach for traffic network based on principal component analysis[C]∥IEEE. Proceedings of the2007IEEE Intelligent Transportation Systems Conference. Seattle: IEEE, 2007: 125-130.
    [9] 耿彦斌, 于雷, 武旭, 等. 基于信号处理技术的ITS数据压缩方法与应用[J]. 土木工程学报, 2006, 39(11): 107-113. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TMGC200611017.htm

    GENG Yan-bin, YU Lei, WU Xu, et al. Signal-processing-based ITS data compression techniques and applications[J]. China Civil Engineering Journal, 2006, 39(11): 107-113. (in Chinese). https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TMGC200611017.htm
    [10] CANDES E J, ROMBERG J, TAO T. Robust uncertainty principles: exact signal reconstruction from highly incomplete frequency information[J]. IEEE Transactions on Information Theory, 2006, 52(2): 489-509. doi: 10.1109/TIT.2005.862083
    [11] DONOHO D L. Compressed sensing[J]. IEEE Transactions on Information Theory, 2006, 52(4): 1289-1306. doi: 10.1109/TIT.2006.871582
    [12] CANDES E J, WAKIN M B. An introduction to compressive sampling[J]. IEEE Signal Processing Magazine, 2008, 25(2): 21-30. doi: 10.1109/MSP.2007.914731
    [13] 金坚, 谷源涛, 梅顺良. 压缩采样技术及其应用[J]. 电子与信息学报, 2010, 32(2): 470-475. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DZYX201002041.htm

    JIN Jian, GU Yuan-tao, MEI Shun-liang. An introduction to compressive sampling and its applications[J]. Journal of Electronics and Information Technology, 2010, 32(2): 470-475. (in Chinese). https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DZYX201002041.htm
    [14] RAUHUT H, SCHNASS K, VAN DERGHEYNST P. Compressed sensing and redundant dictionaries[J]. IEEE Transactions on Information Theory, 2008, 54(5): 2210-2219. https://ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.jsp?arnumber=4494699&contentType=Journals+%26+Magazines
    [15] CANDES E J, ELDAR Y C, NEEDELL D, et al. Com-pressed sensing with coherent and redundant dictionaries[J]. Applied and Computational Harmonic Analysis, 2011, 31(1): 59-73. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1063520310001156
    [16] AHARON M, ELAD M, BRUCKSTEIN A. K-SVD: an algorithm for designing overcomplete dictionaries for sparse representation[J]. IEEE Transactions on Signal Processing, 2006, 54(11): 4311-4322. https://citeseer.ist.psu.edu/viewdoc/summary?doi=10.1.1.89.4935&rank=5&q=sparse%20radon%20transform&osm=&ossid=
    [17] 徐鹏. 信号的稀疏分解及其在脑电信号处理中的应用研究[D]. 成都: 电子科技大学, 2006.

    XU Peng. Study on sparse decomposition of signal and its application in EEG processing[D]. Chengdu: University of Electronic Science and Technology of China, 2006. (in Chinese).
    [18] TROPP J A, GILBERT A C. Signal recovery from random measurements via orthogonal matching pursuit[J]. IEEE Transactions on Information Theory, 2007, 53(12): 4655-4666. https://authors.library.caltech.edu/27144
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  • 收稿日期:  2012-01-17
  • 刊出日期:  2012-06-25

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