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基于数据挖掘的车辆运行状态监控技术应用研究.pdf

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●●p多参未交专业硕士学位论文基于数据挖掘的车辆运行状态监控技术应用研究The Research of Monitoring Techniques which Basedon Data Mining in Vehicle Operation Condition作者丁博导师孟嗣仪北京交通大学201 1年6月学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特·授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,提供阅览服务,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。保密的学位论文在解密后适用本授权说明学位论文作者签名 了博签字日期v,t年7月g日挝”鲫嘲五脾中图分类号TP391UDC学校代码10004密级公开北京交通大学专业硕士学位论文基于数据挖掘的车辆运行状态监控技术应用研究The Research of Monitoring Techniques which Based 011 Data Mining.in Vehicle Operation Condition作者姓名丁博导师姓名孟嗣仪学 号09125010职 称副教授工程领域电子与通信工程 学位级别硕士北京交通大学201 1年6月致谢本论文的工作是在我的学校导师孟嗣仪副教授及实习单位导师刘应吉老师的悉心指导下完成的,孟嗣仪副教授和刘应吉老师严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢孟嗣仪老师和刘应吉老师对我的关心和指导。刘云教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作,在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助,在此向刘云老师表示衷心的谢意。张振江副教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见,在此表示衷心的感谢。另外也感谢家人,感谢父母多年来对自己的养育以及教育之恩,他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 j.’jE塞銮适盔堂童些亟±堂焦途塞 一 史塞撞噩中文摘要摘要随着全球信息化的迅猛发展,道路交通相关管理部门和运输企业普遍建成了道路运输管理信息系统,这些系统运行过程中积累了大量关于车辆运行状况数据,这些信息主要包括两部分一是车辆行驶过程中采集的运行状态信息,比如发动机转速、制动、加速等,这些数据主要反映的是车辆的实时运行状况;二是行驶过程中利用GPS采集的数据,比如经纬度等,这些数据主要反映的是行驶位置、速度等。如何对这些数据进行挖掘分析,辨识车辆运行状态以及提取车辆运行规律,从而为运输企业、相关职能部门实现车辆运行过程监控管理提供技术手段和决策依据,具有重要的应用价值和现实意义。本文在实现采集并传输车辆实时运行状态信息基础上,利用串口通信技术接收车辆运行状态数据,开发基于W mdows的上位机数据接收处理软件,实现数据预处理和存储;研究利用PCA主成分分析等数学分析方法对接收并存储的海量车辆运行状态数据进行处理分析,从车辆行驶过程中的发动机转速、油压等运行参数数据中提取出用于分析和预测车辆工作单元运行故障所使用的特征信息;针对车辆行驶过程中的GPS设备采集提供的车辆行驶位置和速度等数据,根据超速情况划分和确定重点监控车辆,同时实现对该车技术状况和驾驶人情况信息的查询和登记;研究DBSCAN算法在车辆超速规律数据挖掘中的应用,根据超速多发点确定运输路线中的超速多发路段。综合研究成果为道路运输管理部门和运输企业实现安全监管提供了有效的技术手段。关键词CAN总线;GPS;DBSCAN聚类算法;PCA主成分分析;车辆运行状态监控分类号TP391j£塞銮垣太堂童些亟主.堂焦途塞 △垦曼B△£IABSTRACTABSTRAC。IjWith the rapid development of global ination,road tra伍c management andtransportation-related businesses generally built a management ination systemabout road transport.T11is system gets a large number of accumulated data on vehicleoperating conditions.These data includes two partsfirst is the operational statusination about running vehicles,such as engine speed,braking,acceleration,etc.These data mainly reflect the real-time vehicle operating conditions.Second is the GPSdata about running vehicles,such as the latitude and longitude.These data mainlyreflects the driving position,speed and SO on.How to nline these data in order toidentify the state of running vehicle and extract the rules of vehicle operation isimportant.This can help the transport enterprises and the relevant functionaldepartments to achieve the vehicle monitoring and management.This has importantapplication value and practical significance.’ms article is based on achieving collection and transport real-time vehicleoperating status ination.卫bis paper develops Windowsbased PC data receivingand processing software to achieve data preprocessing and storage.ne data is receivedby using the serial communication.It processes and analyses the received and storedvehicle running state data by lls堍PCA principal componem analysis and othermathematical s.TMs can help to extract the characteristic ination which isused to analyze and forecast the operational failure of vehicle unit of work from theengine speed,oil pressure and other operating parameters.We can determine the maincars that need to be monitored according to speeding situation through the GPS datasuch as vehicle position,speed and so on.Meanwhile,we Call get the state oftechnology and the drivers’ination of these main cars.T【lis paper also researcheson how to find the rules of speeding by using DBSCAN data mining algorithm.Through this algorithm,we call get the multiple sections of speeding in transportationroutes.Consolidated results provide an effective safety control techniques for roadtransport authorities and transport enterprises.KEYWORDSCAN;GPS;DBSCAN;PCA;Condition monitoring ofvehicle operationCLASSNOTP39】目录中文摘要.iiiABSTRACT.iv1 引言...11.1 课题背景及研究意义11.1.1课题背景11.1.2研究目的和意义11.2 国内外研究现状..21.3 论文研究内容与章节安排32 车辆运行状态监控的相关技术。_~52.1 CAN总线技术.52.1.1 CAN总线概述52.1.2 CAN总线协议规范62.1.3 CAN总线数据的上位机接收72.2 聚类分析技术82.2.1聚类分析概述.82.2.2聚类算法的要求82.2.3聚类算法的分类92.3 数据抽取、转换和装载技术102.3.1数据抽取.102.3.2数据转换和装载.1 12.4 主成分分析.1 l2.5 本章小结..123 车辆运行状态监控总体方案1 33.1 车辆运行状态监控系统现状。133.2 车辆运行状态监控的需求143.3 解决方法143.4 车辆运行状态监控系统的总体架构153.5 车辆状态监控系统的工作原理及流程。163.5.1主成分分析功能.1 73.5.2重点监控车辆信息功能.183.5.3聚类分析功能..193.6 关键技术203.7 本章小结.214 基于数据抽取、DBSCAN的车辆GPS数据分析.224.1 GPS数据分析中的数据抽取224.1.1抽取GPS数据。224.1.2抽取重点监控车辆信息.234.2 GPS数据分析中的聚类算法254.2.1超速多发路段的规律和传统判断方法的缺点.264.2.2 DBSCAN聚类算法简介264.2.3 DBSCAN聚类算法的改进274.2.4 DBSCAN聚类算法的工作原理和流程294.3 本章小结3 15 基于PCA的车辆CAN总线数据主成分分析325.1 车辆故障诊断现状325.2 PCA在CAN总线数据分析中的应用.335.2.1 PCA简介335.2.2 PCA原理345.2.3 PCA的贡献率.355.2.4 PCA主成分分析实例模型.365.2.5应用PCA方法减少故障诊断输入向量维度365.3 本章小结..386 系统前台界面设计406.1 Swing概述一406.2 系统使用的主要Swing组件416.3 系统前台界面展示426.3.1系统初始登录界面.426.3.2 CAN总线数据相关功能界面。436.3.3 GPS数据相关功能界面.456.4 本章小结.467 总结与展望47参考文献.49作者简历5 1独创性声明52学位论文数据集531引言1.1 课题背景及研究意义1.1.1课题背景进入21世纪以后,我国道路运输业发生了巨大的变化,营运车辆大幅增加、道路交通日益繁忙,由此道路交通的安全问题逐渐成为焦点。特别是近年来,经济的迅猛发展,产业结构调整及城市的逐步扩大,加剧了道路交通中各要素不协调和矛盾冲突的程度,在很大程度上增加了道路交通的复杂性和引发事故的可能性。和谐的社会需要科学化、规律化的车辆监控管理,国家经济的发展不能以高事故死亡率为代价。随着人类逐渐步入信息时代,信息技术对整个社会的进步与发展所起到的作用也越来越明显,道路运输业及相关管理职能部门受信息技术的影响也越来越大。“十一五’’以来,道路运输行业监管部门和各个运输企业都在不断加大设备和人力的投入,从而使我国的道路运输行业的信息化水平逐年提高,进而为决策的科学化、管理的规范化打下了坚实的基础。如何进一步充分利用信息化技术手段,进行道路运输车辆在运营全生命周期内的安全监控管理,实现运输企业和行业管理部门智能化安全生产和指挥调度,具有重要的社会价值和现实意义。1.1.2研究目的和意义随着道路运输相关管理部门信息化应用程度的不断深入,GPS全球定位系统、CAN控制器局域网总线技术、GIS地理信息系统、计算机技术、无线通信技术和互联网技术等已经在道路运输监控管理中得到了广泛的集成应用[1】,从而实现了车辆在运行过程中运行状态的实时监控和调度管理,提升了相关管理部门的管理效率和水平。与此同时,这些技术也使得管理部门积累了与车辆运行状态相关的海量监控数据。实际上,这些海量监控数据为我们分析车辆的运行状态规律,包括车辆在行驶过程中的自身技术状况、车辆的超速规律等提供了非常好的数据源。但是目前为止,这些海量数据还都只是作为历史数据存储在相关的数据库中,并没有得到很好、很深入的挖掘与利用。随着数据挖掘中聚类分析和神经网络等技术的逐步成熟和快速发展,目前有条件能够充分深入的挖掘分析出隐藏在数据背后的知识,实现从数据向信息转换的过程,为道路运输管理部门和运输企业对营运车辆的监控提供了可靠的技术支持。本文针对道路运输监管部门和运输企业对营运车辆运行过程有效监管并提取用于安全管理的特征和规律等方面的迫切需求,利用现有的聚类分析技术对海量监控数据进行分析研究,从中提取得到车辆的行驶规律,以便更好的帮助监管部门和运输企业实时掌握车辆的具体情况,预防危险事故的发生,保障行车安全。该研究对提高运输企业和相关管理部门的科学化管理水平,减少道路交通的事故,增强道路交通的安全性具有重要意义。1.2 国内外研究现状目前世界的经济增长已经由资源密集型向技术密集型转变,国内外的道路运输在这种背景下也逐步向信息化进行改进。当前国内外许多国家根据自身的国情,利用智能检测装置、信息化技术、各种管理系统的数据等建立起用于分析的模型,开发与本国道路运输相匹配的支持系统,从而为营运车辆运行状态监控管理提供有效支持。 在美国,加利福尼亚州利用先进运输管理系统删S,通过大量集成各种道路网络包括所有的一般道路和高速公路的实时道路交通信息,为道路交通运输管理部门提供相对智能化的计算机辅助支持[2]。Ossowski等人提出了一种基于多个代理的道路交通运输管理的支持系统,该系统包括数据源代理、操作执行代理、管理代理、群体协调代理、用户接口代理等,通过各种代理之间的协同合作,完成对各种道路、车辆、信号、事故信息的分析处理,进而帮助道路运输管理部门制定决策,并且对道路上的车辆进行相对正确的交通诱导f31。在日本,Sapporo市利用了Seiichi Kagaya等人建立的一个辅助系统,该系统首先通过对道路环境因素建模,之后利用模糊理论对系统进行模型建立和量化分析,从而为管理部门提供有效信息,提高道路运输效率和安全性[4】。总体来说,国外在车辆运行状态监控管理方面已经做了大量的研究工作,并将工作的一部分研究成果投入到了实际的应用中,取得了良好的社会价值和经济效益。相对于以上的科技发达国家,我国在营运车辆运行状态监控管理上还存在较大差距。虽然在全球信息化的大背景下,道路运输监控管理的相关部门和运输企业采用了先进的全球定位技术GPS、移动通信技术MCS、电子数据交换技2
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