一種基於高速公路聯網收費數據的交通流估計方法與流程

2024-01-25 01:09:15 1

本發明屬於智能交通技術領域，涉及一種根據高速公路聯網收費數據估計實時路網交通流的方法。

背景技術：

隨著我國經濟的快速發展，高速公路交通的發展和管理效率的提高變得至關重要。有效對高速公路網的交通流進行準確反演和估計是提升高速公路運營管理水平與服務質量的基礎。

現有高速路網交通流估計方法主要依賴各類交通檢測器，如視頻、微波、線圈、GPS、音頻等。一方面，所有這些設備的安裝都需要很高的成本，給高速公路的業主帶來很重的經濟負擔，同時也很難實現全路網無縫覆蓋，因此很難實現全路網的交通流監測和估計；另一方面，基於這些設備所採集的路網交通流都存在各自不同的缺陷。如基於視頻道路交通流監測方式在夜間或者霧天等不良能見度的情形下往往無法有效的工作；線圈交通流監測方式往往需要挖開高速公路地面進行布設，導致對道路一定程度上的損壞，卻在出現故障時往往不能得到有效的維護，導致目前高速路網上的線圈很少在正常的工作；GPS交通監測方式存在數據樣本少的問題，導致對路況估計的準確度存在很大的不確定性；基於微波的道路交通流檢測方式往往只能對道路斷面進行監測，因此要想實現大範圍高速路網的交通流監測存在很大的挑戰；另外，基於音頻的交通流監測方法雖然成本很低，且不受路網能見度等的影響全天候的工作，但是該方式在交通流擁堵的情形下往往很難高效工作。總之，每種監測方式都存在各自的優缺點，沒有任何一種方式能夠適合於所有的工況。

聯網收費數據是為收費服務的，它存在樣本全、質量高、全路網覆蓋且有專門的團隊維護等優勢；基於聯網收費數據進行交通狀態估計不需要付出額外的交通流檢測設備購置成本。但是，目前尚缺少能夠根據高速公路聯網收費數據針對實時路網交通流進行估計的有效方法。

技術實現要素：

為了克服上述現有技術的不足，本發明提供一種基於高速公路聯網收費數據的交通流估計方法，基於歷史高速公路聯網收費數據，首先估計得到歷史上不同時段路網上各個路段的交通流；再分析得到在過去若干時間段內路網各個進口交通流的分配模式；然後基於當前所有在途車輛的進入路網入口位置和時間，完成高速路網實時交通流的估計；本發明在不投入 額外硬體成本前提下解決了高速公路網交通流的估計問題。

本發明提供的技術方案是：

一種基於高速公路聯網收費數據的交通流估計方法，所述方法基於歷史高速公路聯網收費數據，獲取聯網高速公路的歷史OD(Original Destination)記錄作為數據樣本，通過估計歷史交通流、獲取路網車輛OD分配模式和估計實時交通流來獲得高速路網實時交通流信息，具體包括如下步驟：

1)基於歷史高速公路聯網收費數據，通過高速公路網歷史交通流估計方法得到歷史上不同時段路網上各個路段的交通流；

2)根據當前路網上所有已經駛離高速路網車輛收費數據，通過高速公路網入口交通流分配模式提取方法，獲得在過去若干時間段內路網各個進口交通流的分配模式；

3)基於當前所有在途車輛的進入路網的入口位置和時間，實現高速路網實時交通流的估計，獲得高速路網實時交通流信息。

針對上述基於高速公路聯網收費數據的交通流估計方法，進一步地，步驟1)所述高速公路網歷史交通流估計方法具體包括如下步驟：

11)針對每條歷史OD記錄，計算該歷史OD記錄對應的最短路徑和行駛時間；

12)針對每條歷史OD記錄，根據勻速行駛的基本假設計算車輛進入各個路段的時刻，並更新速度的統計樣本量和流量值；

13)針對每條歷史OD記錄，計算各個時段車輛所處的路段；

14)針對所有歷史OD記錄均執行步驟11)～14)，得到樣本中每一條歷史OD記錄對應的最短路徑、行駛時間和在各個時段車輛所處的路段；

15)用樣本平均值計算得到所述最短路徑的車輛速度和流量，得到路網中各時空點上的歷史交通流狀態。

步驟2)所述高速公路網入口交通流分配模式提取方法具體包括如下步驟：

21)構造T*P的矩陣V，其中P為OD對個數，T為時間間隔；V的每一列i表示OD對i在時序上的流量變化；V的每一行j表示了在j時段內全路網OD流量變化；

22)將t時段一個O相對於D的貢獻率記作COD；基於矩陣V，構造一個COD序列，首先取得COD的分布區間[min(COD)，max(COD)]；之後將該區間10等分，然後統計得到處於不同區間的COD的個數，即某一COD值出現的次數，作為ai值；

23)收集t時段一個O相對於D的貢獻率COD在n天的取值，用信息熵對COD穩定模式 進行度量，獲得最頻繁的、最能代表某入口在某時段流量分配比例的模式，作為COD穩定模式；信息熵通過如下公式計算得到：

H(i)＝log(s)-(1/s)∑i ai log(ai) (式1)

式1中，ai為某一COD值在這n天中出現的次數；s是不同的COD值的個數。

步驟3)所述高速公路網實時交通流估計方法具體包括如下步驟：

31)使用歷史交通流估計方法，對當前時段之前的n個時間段進行歷史交通流估計，得到路網中任意原子路段在n個連續時段內的車輛通行速；

32)運用路網車輛分配模式提取方法，對該n個連續時間段內路網車輛的OD分配比例進行統計，得到任意站點Si到任意其他站點Sj的車輛分配比例Ci，j；

33)統計當前時段以及前n個時段內任意站點Si的入口車輛數目；

34)對任意站點Si，得到分配比例序列，根據該比例分配入口車輛數目序列至OD間最短路徑上；

35)對所有上述OD對Si和Sj，取其最短路徑，根據該路徑各時段速度與分配概率Pi，j，計算當前時段內，入口車輛數目序列分配到該路徑上的對應位置；

36)對各路段計算得到各站點在當前時段內能夠到達該路段的車輛總數，實現對各個路段實時的交通流估計值，包括速度和流量。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

高速路網交通流估計現有方法主要依賴各類交通檢測器，實施成本高，也很難實現全路網無縫覆蓋，而且基於這些設備所採集到的路網交通流都各有缺陷，難以適用於所有的工況。而聯網收費數據是為收費服務的，它存在樣本全、質量高、全路網覆蓋且有專門的團隊維護等得先天優勢，同時基於聯網收費數據進行交通狀態估計不需要付出額外的交通流檢測設備購置成本。本發明提供一種基於高速公路聯網收費數據的交通流估計方法，基於歷史高速公路聯網收費數據，首先估計得到歷史上不同時段路網上各個路段的交通流；再分析得到在過去若干時間段內路網各個進口交通流的分配模式；然後基於當前所有在途車輛的進入路網入口位置和時間，完成高速路網實時交通流的估計；本發明在不投入額外硬體成本前提下解決了高速公路網交通流的估計問題。

因此，本發明基於聯網收費數據進行交通狀態的估計，數據具有成本低、全路網覆蓋、全天候工作和數據質量高等優勢，可以成為現有路網交通流監測的有效手段和有益的補充。通過本發明提供的技術方案，短期來看，路網交通流估計能夠幫助用戶了解道路交通狀況，方便用於合理選擇出行時間和出行路線，同時能夠協助運營人員實時地對車輛及指示信號進行安排調度；從長期來看，高速公路管理人員可以低成本，高效率的獲知當前高速路網的交通流狀況，並以此作為管理決策的合理依據，有助於管理者更加合理的規劃與設計道路交通基礎建設。

附圖說明

圖1是本發明提供方法的整體流程圖。

圖2是本發明的歷史交通流估計的流程框圖。

圖3是本發明的路網車輛OD分配模式提取方法的流程框圖。

圖4是本發明的實時交通流估計方法的流程框圖。

具體實施方式

下面結合附圖，通過實施例進一步描述本發明，但不以任何方式限制本發明的範圍。

本發明提供一種基於高速公路聯網收費數據的交通流估計方法，圖1是本發明提供方法的整體流程圖，該方法基於歷史高速公路聯網收費數據，首先估計得到歷史上不同時段路網上各個路段的交通流；然後取當前路網上所有已經駛離高速路網車輛收費數據，分析在過去若干時間段內路網各個進口交通流的分配模式；再基於當前所有在途車輛的進入路網入口位置和時間，完成高速路網實時交通流的估計，具體包括如下步驟：

1)估計得到歷史交通流信息

收費數據包含車輛進出路網的完整記錄，內容包含了車輛進入、離開路網的時間和站點、車牌、車型等重要信息。簡單地來說，假設所有車輛在路網中勻速行駛，所有車輛選擇起點到終點的最短路逕行駛。已知車輛進入、離開路網的站點和時間，可以推算出車輛的速度以及任意時刻車輛在路網中的位置，即所處的路段。進一步可以統計出各個路段的流量和平均速度。如此一來，便可以由路口進出車輛的收費數據復現道路運行狀況。

圖2是本發明的歷史交通流估計圖。歷史交通流估計方法的基本流程包括如下過程：

11)取一條OD記錄，根據其起點和終點編號，基於路網拓撲結構計算在路網中由多個路段組成的最短路徑，即{Section1，Section2，…Sectionn}；

12)根據其起點終點時間以及勻速行駛的假設，計算車輛進入各個路段的時刻，記作{t1，t2，…tn}，則流量Flow(Sectioni，ti)增加1，速度Speed(Sectioni，ti)的統計樣本量增加1；

13)計算各個時段(通常以15分鐘或1小時為單位)車輛所處的路段，避免步驟12)中有遺漏的路段、時刻的組合(例如，當車輛在一個路段中行駛時間小於給定時段時，如小於15分鐘或1小時，步驟2會有遺漏的路段、時刻的組合)，將遺漏的路段、時刻的流量加1，速度樣本加1；

14)如果所有記錄計算完畢，執行步驟15)，否則回到步驟11)；

15)用樣本平均值作為Speed(Sectioni，ti)，得到最終的速度和流量。

通過上述方法，可以估計得出路網中各時空點上的歷史交通流狀態，包括車流量、車速等信息。

2)提取得到路網車輛OD分配模式

在交通狀態實時估計的情形下，路網中的在途車輛信息僅包含入口站點、時間等，並不包含出口站點位置、出口時間等重要信息，路網中的在途車輛路徑和位置無法得知，因此需要利用數據挖掘方法，研究得到車輛在路網上的OD分配模式。

在某時間段內由同一入口站點進入路網的車輛，其對應的出口分配比例保持相對穩定，每一時段的分配比例情況都一定程度上反映了在未來時段內的分布情況。這一規律在整個高速公路路網的收費數據中得到很好的驗證。因此，路網中的在途車輛，其出口站點的分布可由較前的時間段內由其入口進入路網而目前已離開路網的車輛的收費數據綜合計算推測。

設定VOD為一個OD對在給定時段內的流量；Vo為一個OD對的O在給定時段內的流入量，其中有VD為一個OD對的D在給定時段內的流出量，其中有COD為在一定時段內，OD的流量佔O流量的比例，其中有COD＝VOD/Vo；根據收費數據對應的OD矩陣，得到上述四個量：VOD、Vo、VD和COD。

圖3是本發明的路網車輛OD分配模式提取方法的流程框圖，分配模式提取的基本流程包括：

21)構造T*P的矩陣V，其中P為OD對個數，T為時間間隔。V的每一列i表示OD對i在時序上的流量變化；V的每一行j表示了在j時段內全路網OD流量變化；

22)基於矩陣V，構造一個COD序列，首先取得COD的分布區間[min(COD)，max(COD)]之後將該區間10等分，然後統計處於不同區間的COD的個數，作為ai值來進行計算；

23)在所有COD模式中，獲得最頻繁的、最能代表某入口在某時段流量分配比例的模式， 作為COD穩定模式；用熵對COD穩定模式(即在所有COD模式中，最頻繁的最能代表某入口在某時段流量分配比例的模式)進行度量：信息熵越大，分配模式越不穩定；信息熵越小，說明分配模式越穩定，預測價值越高；根據熵的定義，收集t時段一個O相對於D的貢獻率COD在n天的取值，信息熵的定義為：

H(i)＝log(s)-(1/s)∑i ai log(ai) (式1)

其中，H(i)為COD穩定模式的信息熵；ai為某一COD值在這n天中出現的次數，s是不同的COD值的個數。

COD的經驗概率分布為P(i)＝ai/s。

3)估計得到實時交通流信息

高速公路路網OD分配的穩定性模式可以用於推測在途車輛可能的出口位置分布。另一方面，通過對已駛離路網車輛的收費數據記錄進行歷史反演，我們能夠得到在過去時間段內各原子路段上交通流的通行量與通行速度。在這一基礎上，我們能夠根據在途車輛的入口記錄中的入口站點信息與入口時間信息，推測實時情況下車輛在路網中位置的時空分布，而將經由各站點進入路網的在途車輛分布進行綜合，便可得到整個高速公路路網整體的車流分布特徵，這一過程即為實時交通流估計。

圖4是本發明的實時交通流估計方法的流程框圖，實時交通流估計過程的步驟如下：

31)使用歷史交通流估計方法對當前時段[Tbegin，Tend]之前的n個時間段([T0，T1]，[T1，T2]，...，[Tn-1，Tn])(通常以15分鐘為時間單位)進行歷史交通流估計，得到路網中任意原子路段在n個連續時段內的車輛通行速{Vsec，0，Vsec，1，...，Vsec，n-1}；

32)運用高速公路網入口交通流分配模式提取方法對該n個連續時間段內路網車輛的OD分配比例進行統計，得到任意站點Si到任意其他站點Sj的車輛分配比例Ci，j；

33)統計當前時段[Tbegin，Tend]以及前n個時段內任意站點Si入口車輛數目{INi0，INi1，...，INin}；

34)對任意站點Si，得到其分配比例序列，記為{Si1，Si2，...，Sim}，根據該比例分配入口車輛數目序列{INi1，INi2，...，INin}至OD間最短路徑上；

35)對所有上述OD對Si和Sj，取其最短路徑{Sectioni，j，1，Sectioni，j，2，…Sectioni，j，l}，根據路徑各時段速度與在提取OD模式中得到的每個入口進入的車輛前往各個出口的比例分配概率Pi，j(即在提取OD模式中得到的每個入口進入的 車輛前往各個出口的比例)，計算當前時段[Tbegin，Tend]內{INi1，INi2，...，INin}分配到該路徑上的對應位置；

36)對各路段Seci計算各站點在時間區間[Tbegin，Tend]內能夠到達該路段的車輛總數實現對各個路段實時的交通流估計值，包括速度和流量。

本發明一實施例針對某省內高速公路，將高速路網拓撲結構與網絡中歷史的和當前的交通流狀況相結合，通過本發明提供的基於高速公路聯網收費數據的交通流估計方法，提出一套能夠反映進出口和路段狀態的交通流估計數據。該省經過多年經濟建設，省內高速公路總裡程劇增，網狀結構愈發複雜。對於高速公路管理人員，管理效率的提高變得至關重要。過去簡單的人工統計和報表已經不足以反映全省高速公路運營情況。現採用基於高速公路聯網收費數據的交通流估計方法，獲得高速路網的進出口和路段狀態的交通流估計。

首先，管理人員利用原有的數據上報體系，採集並存儲各進出口各時段的收費數據，該數據應該包含車牌信息，進口站點，出口站點，進入時間，駛出時間等信息。按照如下步驟，對交通流進行估計，得到各路段的實時交通流估計值：

步驟一：提取當前時段n個時段之前的收費數據，根據每條數據的車輛進口、出口信息，計算該車在路網中行駛的最短路徑；

步驟二：根據平均速度假設，計算車輛進入各個路段的時刻；

步驟三：計算所有數據，根據不同時刻，針對各路段疊進入該路段的車輛數，得到對應時刻的歷史流量，再根據進出口時間，計算樣本速度均值，得到歷史速度；

步驟四：構造OD分配矩陣，根據信息熵定義選擇穩定的OD分布，記作歷史入口OD分配模式；

步驟五：統計當前時段所有入口站點車輛數，根據OD分配模式得到任意站點的分配序列；

步驟六：按照入口分配序列，將入口車輛分配到最短路徑上；

步驟七：根據歷史數據，計算該時段的路徑速度，並計算車輛在該時段進入的路段；

步驟八：對各路段計算當前時段到達車輛總數，得到各路段的實時交通流估計值，包括流量和速度；

上述過程具體運用歷史交通流估計方法對當前時間之前的n個時間段進行歷史交通流估計，得到路網中任意原子路段在n個連續時段內的車輛通行速度，並計算前n個時段內任意各個站點的分配模式。根據當前每個入口站點的流量值，計算得到分配到各個出口站點的車 流量，並計算其相應的最短路徑，進而計算每輛車在當前時段和相應路徑上速度和位置，從而實現路網交通流的在線估計。通過本發明提供的技術方案，高速公路管理人員可以低成本，高效率的獲知當前高速路網的交通流狀況，並以此作為管理決策的合理依據。

需要注意的是，公布實施例的目的在於幫助進一步理解本發明，但是本領域的技術人員可以理解：在不脫離本發明及所附權利要求的精神和範圍內，各種替換和修改都是可能的。因此，本發明不應局限於實施例所公開的內容，本發明要求保護的範圍以權利要求書界定的範圍為準。