（交通运输规划与管理专业论文）基于FCD的道路实时信息精度检验与改善方法研究.pdf

摘要 摘要 随着信息采集技术的发展，基于g p s 的浮动车采集技术逐渐成熟。利用浮 动车采集信息处理得到的路网行程时间和行程速度参数可以作为判断道路交通 状态的主要依据，使实时发布动态交通信息成为可能。 浮动车采集与处理技术的本质是利用实时样本数据实现对整体动态特性的 评估，浮动车的样本量必须满足在任一时刻均达到足够的道路覆盖率。但在实 际情况中，某一路段上浮动车的覆盖情况并不稳定；在浮动车数据采集、处理 过程中也存在一些问题；此外，由于受到交叉口信号灯、其它车辆和行人干扰 等因素影响，单个车辆之间、单个车辆速度与全部车辆平均速度之间存在一定 差异。因此有必要对利用浮动车采集数据( f l o a t i n gc a rd a t a ，f c d ) 生成的道路 实时交通信息的可靠性及驾驶员感受( 即单个车辆速度) 与发布信息( 即全部 车辆平均速度) 问可能存在的差异进行分析。 本文首先分析了影响车辆速度三个因素道路几何条件、信号交叉口配 时、饱和度中的路段长度及信号交叉口车辆延误对速度的影响；利用调查数据 和仿真数据进行说明，并从理论上加以证明。其次，在分，析单个路段车辆速度 波动原因的基础上，提出利用“合并路段”的方法减少车辆问速度的差异，通 过仿真和理论分析证明路段合并的有效性，得出推荐的路段合并数目。再次， 结合实际情况中交通“突变点 的存在，利用聚类分析对四平路按照速度进行 分类。最后结合上海市跟车测试数据与现有浮动车采集系统数据，对单个路段 上样本与采集信息间的差异进行分析，并用“合并路段”的方法对路段进行合 并，验证提出方法的有效性。 关键词：f c d 实时交通信息精度信控交叉口延误单个路段合并路段聚类 分析 a b s t r a c t a b s t r a c t d a t ac o l l e c t i o nt e c h n o l o g yv i ah a sb e e nw e l ld e v e l o p e dr e c e n t l t y a sam a i n s o u r c ef o rd a t ac o l l e c t i o n ，f l o a t i n gc a ro w n si t sg o o dc h a r a c t e r i s t i c s t h ee s s e n c eo f t h i st e c h n o l o g yi su s i n gs a m p l e st or e f l e c tt h ec h a r a c t e r i s t i co fp o p u l a t i o n ，r e q u i r i n g t h a te n o u g hf l o a t i n gc a r ss h o u l db ec o l l e c t e dt oc o v e rm o s to fr o a d si ne a c ht i m e s e c t i o n i ti sac h a l l e n g et a s kd u et of e l i x a b l er o u t e so fd r i v e r sa n dp r o b l e m se x i s t i n g i nd a t ac o l l e c t i o na n dp r o c e s s i n g b e s i d e s ，t h es t a t u so fo n es i n g l ev e h i c l em a yb e i n f l u e n c e db yv a r i o u sf a c t o r s ，a n dv a r i a t i o ne x i s t sb e t w e e nd i f f e r e n tv e h i c l e s s oi ti s n e c e s s a r yf o ru st ov a l i d a t et h ea c c u r a c yo fr e a l t i m et r a f f i ci n f o r m a t i o n f i r s t l y , t h i sp a p e ra n a l y s e st w oo fm a i nf a c t o r sa f f e c t i n gv e h i c l es p e e d - - r o a d c o n d i t i o n ，s i g n a l i z e di n t e r s e c t i o na n dv c ，u s i n gt h ed a t a f r o mi n v e s t i g a t i o na n d s i m u l a t i o nt ov a l i d a t et h et h e o r y b a s e do nt h ea n a l y s i sa b o v e ，an e wm e t h o dw h i c h m a i n l yf o c u s e so nm e r g i n ge s t a b l i s h e ds u b s e c t i o n si sp r o p o s e dt or e d u c et h ev a r i a t i o n ； a l s oar e c o n a m e n d a t b l ev a l u eo fs u b s e c t i o n sf r o ms i m u l a t i o nb yu s i n gc l u s t e r i n g a n a l y s i si sp r e s e n t e d a tl a s t ，m u m e r i a le x a m p l e so ff l o a t i n gc a rd a t af r o ma t e r i a l si n s h a n g h a ia r ep r e s e n t e db yt h i sn e wm e t h o d ，t h e r e s u l ts h o w si t se f f e c t i v i t yi n i m p r o v i n g t r a 【f f i ci n f o r m a t i o na c c u r a c y k e yw o r d s ：f c d ，t r a f f i ci n f o r m a t i o na c c u r a c y , s i g n a l i z e di n t e r s e c t i o nd e l a y , s i n g a l s u b s e c t i o n ，m e r g i n gs u b s e c t i o n ，c l u s t e r i n ga n a l y s i s i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年月 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月 日年 月 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名： 年月 第l 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 1 1 1 传统交通数据获取方法 交通数据获取的传统方法u 】是一种客观的手段，通过对多种交通现象进行调 查，测定道路交通流以及与其有关现象的片断，进行分析，了解和掌握交通流 的规律。从而为相关部门提供用于改善、优化道路交通的实际参考资料和数据； 为交通规划、交通设施建设、交通控制与管理、交通安全、交通环境保护和交 通流理论研究等服务。 交通现象是一种范围很广、随时间变化的复杂现象，交通调查只能在有限 的地点( 区域) 和有限的时间内，客观地探求与具体决策有关的最必需的资料。 从调查数据的主要服务对象来看，交通管理规划目的是在对道路网较长时 期内的交通运行状况分析的基础上，针对频繁产生拥挤或者发生事故的路段和 交叉口制订相应的管理策略；道路网规划的目的是通过道路改扩建的方式消除 路网中长期存在的瓶颈路段或危险地段，缓解交通拥挤，满足交通需求。两者 需要的数据主要是较长时期的、全路网的、相对静态的数据，需要在长期调查 的基础上，分析现状存在的问题。交通运行管理的主要目的是运用交通信号控 制、现场交通指挥和交通诱导等手段对道路交通流进行管理，降低道路的拥挤 程度和拥挤持续时间，提高现有道路的利用效率和安全性。为达到这一目的， 获得所有路段和交叉口在每个时段的信息及确切的交通参数数据十分必要。利 用传统的交通调查需要花费大量的人力、物力，并且调查结果存在随机性强、 样本量少的特点，数据可靠性有待验证。以行程车速的调查为例，传统的调查 方法是记录某一车辆通过起终点断面的时间即为行程时间，路段距离除以行程 时间，得到行程速度，往返几次，将得到的调查样本结果取均值。调查所测的 车速可以作为宏观控制，但难于用做微观分析。 此外，传统交通数据获取方法的不足之处是工作量大，得到的只能是调查 日或以前的数据；由于调查时间的限制，使得调查得到的数据的代表性和准确 性不足；而调查方法的限制使其数据更新频率很低；得到的数据是静态的，不 第l 章绪论 能随实际情况变化，随着时间的推移，适用性会下降，以此为基础进行的交通 预测无法准确反应未来的实际交通状况。 1 1 2 动态交通数据采集技术 近来兴起的智能交通系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，i t s ) t 2 】是一种 在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合交通运输管理系统。 从智能交通在世界范围内的发展现状和趋势来看，交通信息的采集、处理和分 析已成为交通问题研究和日常交通管理活动的数据基础和重要组成部分。由于 静态交通信息相对较为稳定，动态交通信息由于各种外部因素的影响，呈现随 机变化的特性，因此准确、全面、可靠的动态交通信息采集是目前交通信息采 集工作的主要内容。 动态交通数据采集技术【3 】是指能够连续提供地点或区间交通流信息的各种 技术手段，根据交通检测器的工作地点不同划分为固定型采集技术和移动型采 集技术两大类。 随着信息采集技术的发展，移动型采集技术中的浮动车采集技术逐步成熟。 以出租牟为采集样本的浮动牟系统【4 】利用牟载g p s 设备，固定采样i 、日j 隔记录日 期、时间、车辆位置和车辆速度等数据，发送至监控中心；监控中心利用通信 服务器对原始f c d ( f l o a t i n gc a rd a t a ) 数据进行检查和纠错，提取有效数据，减 少通信信息量；对有效数据进行地图匹配、路径匹配和速度计算，得到路网中 路段的行程时问和行程车速；并提交数据库管理软件进行存储，见图1 1 。通过 对f c d 采集信息处理得到的路网行程时间和行程速度参数可以作为判断道路交 通状态、估计给定点之间的出行时间、推荐合理路径的主要依据，使实时发布 动态交通信息成为可能，从而可以使出行者了解当前道路交通状况、避开拥堵 路段，缓解道路交通拥挤状况；还可以定期发布交通报表( 月报、年报) ，为政 府部门提供决策支持，有效提高城市交通设施的规划建设与管理水平。 作为路网上机动车行程车速主要数据采集源的浮动车可以全天候工作。目 前大中城市的出租车、公交车、货运车等公司普遍建立了基于g p s 和无线通讯 的车辆实时监控指挥系统，利用这些数据可以获取动态交通流信息，不需额外 投资，具有独特优势和良好的使用效果。因此在城市范围内，基于g p s 的浮动 车采集技术具有良好的共享性、可扩展性和工程实施( g p s 基站、g i s 。t ) 的便 利性。 2 第1 章绪论 g p s 数据厂 车辆定位数据 一( 经度、纬度、叫车载单元卜( g p s 数据、下辆l d 、 地点车运：车辆状萄 图1 1 浮动车数据处理流程图 历史数据一一 馨鐾霆厘 但基于g p s 的浮动车采集技术也存在许多问题。首先，在城市高密度道路 线网中或被高大建筑物阻挡时，g p s 车辆定位可能出现“盲区”，不能精确识别 车辆的行驶方向和速度；在车辆速度很低的情况下可能会出现数据“漂移”，降 低数据的可信任度，影响道路车速统计的精度。其次，路段的行程车速不能直 接检测，需要通过地图匹配计算出各个路段的行程车速，这一过程可能出现误 差【5 j 。地图匹配将车辆位置与道路网通过模糊识别和匹配确定车辆最可能的行驶 路线及车辆在路段中的最大可能位置，当该区域仅包含一个路段或一个交叉口 时，只需进行一次匹配，进一步处理作为车辆的位置；当该区域内包含多个交 叉路口和多个路段时，需要经过多次匹配及连通性检验以确定车辆的可能位置， 具有不确定性；车辆在高架地面道路或主辅道上行驶时，系统需要根据g p s 采 集速度与埋设的线圈采集信息是否吻合进行判别；在计算路段行程速度时，由 于缺少更多的信息来帮助判别采样间隔内的车辆行为，相邻两个g p s 数据点间 的交通行为通常简单假设为匀速行驶，这种假设在特定情况下尤其是有信号控 制的交叉口附近将带来一定偏差，因此低频率数据【6j 也将加剧误差的影响。再次， 利用相同路段和时段多辆车的速度信息可以描述交通运行状况，作出交通状态 的基本判断，但在实际情况中，某一路段上浮动车辆的覆盖率并不稳定，据此 计算出某个时段内路段的平均行程速度可能存在较大偏差。 此外，目前由于出租车日有效里程远远超过其它车种，并且基本不存在隐 私问题，所以出租车数据得以广泛使用。但出租车驾驶员与其它驾驶员有较大 差异，如由于技术熟练或应乘客的要求高速行驶，频繁更换车道，可以避开交 通拥堵路段和区域等；出租车在停靠、上下客时运行不规律，系统较难区分是 因为候车停车还是因为交通信号、交通拥堵原因停车，给数据处理带来较大困 难。 基于以上原因，需要对利用浮动车采集数据生成的路网交通信息的可靠性 酒一 一 一 习 一c e 一 一 一f 女r 一虱l 一劂数一 第l 章绪论 进行验证。 1 1 3 出行者对信息的需求 对于用户来说，获得实时、预测和反映历史规律的路网交通状况信息，已 经成为一种现实的需求。出行者可以通过系统提供的实时交通信息和路径诱导 信息选择出行路径，避开拥挤路段和交通事故发生地点，减少车辆在途时间， 并达到缓解交通状况的目的。 出行者一般通过门户网站、道路上的可变信息板、先进的车载终端等了解 道路实时交通信息，主要包括：实时的交通流状况，显示在一张拥挤地图上， 以不同颜色和符号表示不同状态的交通流及不同性质事件，或配以相应的文字， 概括交通流状况并详细说明突发事件及进展；提供行程时间方面的实时信息、 最优路径规划、交通拥堵信息、事故信息、交通施工信息、电子地图查询信息、 导航信息等。 不同用户对发布信息的精度要求不同，不同出行目的的出行者对信息要求 有所区别，在一天不同的时段( 高峰、平峰) 用户的要求也不尽相同。就驾驶 员而言，选择自驾出行主要出十对通达性和快捷性的要求。凶此与公共交通的 出行者相比，自驾者本身对于城市道路交通运行状况比较敏感，参与性更强， 在交通信息的实时性方面要求较高。但过高的信息精度对于系统的运行而言需 要较高的成本，在项目实施初期也不现实。 浮动车采集与处理技术的本质是利用实时样本数据实现对整体动态特性的 评估。但由于单个车辆受交叉口的信号、停车标志、让路标志及平交道口，或 其它转弯、故障车辆的干扰，行人过街的干扰，交通合流及交织区交通等因素 的影响，同一时段行驶在同一路段上的车辆在路段上的空间分布具有不确定性， 遇到延误的情况及程度不同，造成不同车辆通过相同路段的行程速度有较大差 异。因此，针对相同的实时交通信息，不同车辆的驾驶员感受会有较大差异。 目前对于出行者信息服务的研究多集中在用户需求分析的一些具体方面，如出 行者希望获得的服务内容、实日、j 道路交通状况图的表达方式【_ 7 】等；也有对出行者 可以接受的信息精度的研究【8 】，见表1 1 ，在实践中往往通过调查问卷的方式获 取误差水平的评定或简单参考其它国家和地区的经验值。如西雅图的一份调型9 】 表明，大部分出行者在出行选择时会受到交通信息的影响，有5 2 4 的出行者在 出行途中会受到交通信息的影响而转向另一路线。1 9 9 8 年，在美国的m slj 4 第l 章绪论 m o l n a r 教授等人的组织下，针对出行者所关心的信息种类，在美国成年居民中 抽样1 5 0 0 0 个出行者进行了问卷调查。调查结果表明出行者对于与时间有关的 交通信息需求较大。但对于现有的实时路况发布系统，并无统一的标准对其信 息的准确性进行规范和检验。 表1 1 道路使用者对行程时间不同精度的接受水平 l 相对误差 55 1 51 5 2 52 5 l i 接受程度 评价】 非常满意基本满意部分参考 基本无用l 注：适用于行程时间在2 0 3 0 m i n 的出行。 1 2 国内外综述 近年来浮动车数据采集及处理技术在世界范围内得到了积极开发和推广应 用。对浮动车采集及处理系统的研究多集中在浮动车样本量的确定方面 【1 0 】【l l 】 1 2 】【1 3 】，在采集成本与采集数据的有效利用之间寻找最优的平衡；或是利用 交通流时间的延续性( 即历史数据或相邻时段数据) 及空间的延续性( 即拥堵 状况下相邻路段的交通状况有较强的相关性) 对缺失数据进行修复【l 4 1 。 对于浮动车系统提供的实时道路交通状态信息的精度检验研究主要有， 1 9 9 6 年s r i n i v a s a n 和j o v a n i s 对浮动车数据的有效性进行了检验，利用统计方法 分析了行程时间误差，提出误差与样本比例关系的模型；北京交通研究中心【l 5 j 利用浮动车、车牌识别和线圈的数据分析了不同样本量及不同交通状态对信息 精度的影响情况，将车牌自动识别数据作为基准对浮动车数据进行检验，认为 在交通流比较稳定时，浮动车系统的信息精度相对较高；也有学者采用仿真【l 6 】 的方法对浮动车数据的有效性进行检验；h e n r yx l i u 17 】等利用虚拟浮动车采集 的数据与实际观测值进行比较：c e l l i n t 的t r a f f i c s e n s e 系统【l8 】利用道路上感应线 圈采集的地点车速检验浮动车系统数据；b o b b ar o h i n i 等【l9 】【2 0 】利用单辆浮动车 的行驶速度与路段平均行程车速实测数据进行对比，认为利用所设计的算法得 到的路段行程车速精度能够满足一般交通信息发布方式的需求；本文主要介绍 德国d m o t i o n 项目中对浮动车数据检验的过程及结论。 1 2 1 浮动车采集系统现状 国际上比较典型的浮动车项目有美国的a d v a n c e 和t r a n s t a r ，德国的d d g 第1 章绪论 和x f c d ，英国的t r a f f i c m a s t e r 和f v d ，日本的s m a r t w a y 、j a r i 和i p c a r 等。 在我国的北京、卜海、广州、杭州、宁波等城市，也拥有一定规模的浮动车， 并且实现了将浮动车数据实时1 量回监控中心的基本功能。一些高校、科研机构 和企事业单位也先后开展了浮动车交通信息采集与处理技术的国际合作或自主 研发t 作。 日本最早的浮动车试验是上世纪8 0 年代开始肩动的a v i 系统，该系统为有 限的道路网提供了交通时问信息。从1 9 9 6 年起大范围肩用的v i c s ( v e h i c l e i n f o r m a t i o na n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 系统【2 l 】覆盖了日本所有的高速公路、各 级公路和主要城市道路，大大推动了浮动车系统的进程。1 9 9 8 年在日本国土交 通省和日本自动车研究所的推动下，启动了真正意义上的浮动车项目，利用正 在行驶的出租车、货运车、公交车和私人小汽车观测交通状况。同时，移动电 话、小灵通和便携式个人数字助手也成为种可能性的动态交通观测工具得到 广泛的关注和可行性研究，见图1 2 。 图1 2 日本v i c s 系统示意 k 海市对智能交通系统的研究与应刚也非常重视。为推进和完善上海智能 交通的研究和应用工作，有关部门及时组织开展“上海市智能交通系统体系结 构研究”和“上海市智能交通系统发展规划和可行性研究”项目。2 0 0 5 年上海 建成中心区道路交通信息采集系统工程、道路交通信息发布系统、中心城分区 停车诱导系统，以及覆盖公共汽车、出租车、地铁、高速公路付费、停车场付 费( 部分) 的公共交通“一卡通”。目前上海已经建成五大g p s 调度中心，调度 6 第1 章绪论 中心利用车载g p s 设备采集实时交通信息并上传到信息平台，通过对数据的融 合、处理分析，通过安装在车内的语音或导航设备将实时路况反馈给驾驶员， 实现出租车与管理中心的双向信息交流。 从数据源、浮动车规模、信息服务对象、发布终端种类、采集覆盖范围等 方面综合比较几个典型的浮动车系统如表1 2 所示。 表1 2 典型浮动车信息采集系统对比 上海 德国日本美国深圳宁波 检测器检测器检测器检测器 动态信息源 检测器出租车 出租车出租车出租车出租车 采集规模3 0 0 0 辆1 0 0 0 辆3 0 0 0 辆5 0 0 0 辆1 0 0 0 辆 服务对象三类用户三类用户三类用户三类用户三类用户公众 网站、 网站、网站、网站、 发布终端信息板网站 移动终端 移动终端移动终端移动终端 覆盖范围全路网全路网全路网公路全路网城市干道 技术支持技术人员技术人员 决策支持行政人员行政人员 1 2 2 浮动车处理数据检验 d m o t i o n 项卧2 2 】【2 3 1 是德国经济技术部出资赞助的一个研究项目，目的是为 d u s s e l d o r f 卫星城建立综合交通管理系统。系统的数据来源包括环形感应线圈和 浮动车采集，对采集的数据进行处理并判别道路交通状态，通过v m s 、网站及 车载导航设备为出行者提供实时路况信息。 在d m o t i o n 项目中，浮动车样本为1 2 0 0 辆出租车，受传输能力限制，只有 少量车辆可以持续发送高频位置信息。通过数据分析发现，出租车并非均匀的 分布在城市路网中，而是大部分集中在市中心及邻近区域( 如商业中心、体育 场馆等) ；并且只有在重车情况下，出租车发回的数据才能如实反映道路交通状 况。此外，在路径匹配过程中，当车辆发送的数据量较少甚至只有起终点信息 时，尽管设计的算法中会对某些数据进行标识，仍不可以避免的存在较大误差。 为检验系统发布信息的可靠性，在2 0 0 6 年4 月的工作日对d u s s e l d o r f 市中心的 7 第1 章绪论 主干道进行了测试。测试方法是车牌自动识别技术，利用3 辆配有g p s 设备的 车辆在既定路线上行驶，对两条路径的平均行程车速进行测量，将实测得出的 结果与系统计算出的结果进行对比，测试时间持续约7 小时。 调查结果见图1 3 ，实测的行程速度比系统速度高1 3 1 6 k m h ，合理的解释 为系统样本中出租车存在乘客上下车时间。 另外，测试还将8 个月的浮动车系统的历史数据进行对比，选取工作目( 剔 除节假日) ，将历史速度与系统速度的时变曲线进行比较，发现历史数据比系统 速度低3 6 k m h ，所以认为当实时数据缺失时，可以利用历史数据进行修复。 测试的结论为利用出租车作为采集样本，其采集的数据可以用于描述道路 上的交通运行状况，并可以描述速度的时变特征；利用历史数据修复和增加采 集样本量的方法可以增加数据精度。 耋 善 薹 ，e s ：l m a t e dp a t hs p e e d a v e r a g ep a 铂s p e e d h l s t o n c a ip a t hs p e e d 。 - ： ； j ! f 【，。， r d t e r e de s 咖a l e dd a t hs p e e d f m e r e da v e r a g ep a t hs p e e d n n e f e ah i s t o r i c a ld 3 t hs p e e d 捌面向删呼，甲二一h + 勰1 i i i 埘_ yk _ 嘲神唰脚渤酽 ； 4 1 3 研究思路与内容 图1 3d r n o t i o n 测试结果 1 3 1 研究思路 城市道路实时交通信息的准确获取是交通诱导、交通控制等应用的基础， 也是出行者信息服务的重要内容。本文的重点在于检验浮动车系统信息的可靠 性，并在现有发布信息技术的基础上，提出改善信息精度的方法。 文章首先分析单个路段不同车辆速度差异的原因路段长度和交叉口延 第1 章绪论 误，利用调查数据和仿真数据进行说明，并从理论上加以证明；为减小这一差 异，本文采用路段合并的方法，即把多个路段作为一个“合并路段”，以减少单 个路段车辆速度的波动性；最后应用实例进行验证。 文章研究思路示意图见图1 4 。 浮动车系统信息精度检验 单个路段 车辆速度延误分析 0 调查 信控交叉口车辆模型 运行特征分析 i 、 仿真 交叉口延误交叉口间距 l k 个路段 模型 车辆速度延误分析 仿真 | 推荐的合并方法l 图1 4 文章研究思路 仁! ：甄瑟 仁降 仁 更醚j 江二万多 1 3 2 研究内容 论文由六章组成。第一章是绪论，第二章对影响车辆在单个路段行程速度 的两个主要因素路段长度和交叉口进行解析；第三章通过调查数据、模型 和仿真对单个路段上车辆的延误情况及由此引起的行程速度的差异进行描述； 第四章是在前面分析的基础上，通过合并路段的方法减少车辆速度的差异；第 五章利用上海市跟车测试的数据对浮动车系统速度进行验证，对合并后的结果 进行分析，说明合并方法的有效性。具体包括： 第一章：将传统交通数据获取方法与动态交通数据采集方法的特点进行比 9 第1 章绪论 较，说明传统方法的局限性，从出行者需求的角度阐述检验动态交通数据采集 信息的可靠性的必要；列举了国内外典型的浮动车采集系统，并简要介绍了德 国浮动车数据检验的试验。 第二章：首先引用现有关于行程时间、延误的定义，界定本文中延误的研 究范围，在模型分析和调查数据中使用停车延误，在仿真数据中利用控制延误； 并对“色级”和“色级差异”进行定义：从车辆行程速度计算模型中的变量入 手，分析了交叉口间距对行程速度的影响，概述国外交叉口间距的标准，统计 上海市主次干道及支路的交叉口现状；对车辆在信号控制交叉口的运行特征进 行分析，介绍常用的也是本文利用的信号交叉口延误的三种计算方法。 第三章：利用第二章介绍的计算方法对单个路段车辆延误及速度进行分析。 其中，利用调查数据对车辆全程速度、单个路段车速、相同时段不同车辆的延 误、相同路段车辆速度的差异、车辆停车等待情况进行对比分析：利用模型对 车辆延误与平均延误的差异、车辆速度与平均速度的差异进行分析，并在设定 的条件下使用算例进行说明；通过仿真对模型分析结果进一步说明。 第四章：在第三章分析的基础上，对单个路段进行合并。利用模犁分析不 同“合并强度”下车辆速度延误及与平均速度延误的差异；通过仿真进行验证； 考虑到实际交通情况中可能存在交通突变点，利用聚类分析法对路段按照速度 进行分类；并利用现有系统数据分析路段长度对速度一致性的影响，说明合并 路段时还需考虑到路段长度因素的影响。 第五章：使用现有上海市浮动车系统的速度数据与跟车测试数据对单个路 段车辆速度差异、交通状态差异及不同时段的交通状态差异进行对比分析；利 用本文提出的合并路段方法对两条测试路线进行合并，将合并前后结果对比， 证明方法的有效性。 第六章总结本文所作的工作及研究成果，并提出进一步研究的方向。 1 0 第2 章车辆速度差异影响冈素分析 2 1 有关定义 第2 章车辆速度差异影响因素分析 2 1 1 行程时间 行程车速【l 】，也称区间速度，是车辆行驶在道路某一区间时，区间距离与行 程时问的比值。行程车速是评价道路行车通畅程度和分析车辆发生延误原因的 重要数据。车辆在城市道路上运行时，正常情况下，从起点到目的地的行程时 问主要是由车辆在路段上的行驶时间和在交叉口的延误时间两部分组成。我国 城市道路上混合交通流的特点决定了这两部分是起讫点问行程时间的重要组 成，缺一不可。因此，本文采用分段模型的形式表示城市道路阻抗模型，见图 21 。 圈 1-r 7 2 一 、- l l 一匿 一 纠 图2 1 路段与交叉口示意图 i i ! n 甲f 。 即车辆驶过某一交叉口，经历一段行驶时间段；驶至下个交叉口，经历延 误时问t 交叉口，驶向再下个交叉口。车辆经过道路上某两个相邻交叉口的总时间 为： t = 路段+ 交叉口 ( 2 1 ) 车辆从起点到终点经历了i 个交叉口，则总的行程时间可以用分段叠加的方 式表示为： 丁= i = t 璐段+ k 叉口 ( 2 2 ) f = ib l 第2 章车辆速度差异影响因素分析 由式2 2 知，利用该模型的关键是在确定行驶时间t 路段和交叉口延误时间 叉口。 本文在叠加多个路段的交叉口延误时，认为各个交叉口相互独立，即某路 段的车辆不受上、下游交叉口影响而随机到达，相邻交叉口的交通信号未进行 协调控制。 2 1 2 延误 我国城市交通方式比国外城市复杂，主要采用的“三块板”横断面形式， 这虽然在路段上解决了机非混行的问题，但在交叉口，机动车、非机动车和行 人混行在一起，相互干扰，因此我国城市道路交叉口延误远大于国外城市。交 叉口延误在行程时间中占很大比重，尤其是在交叉口拥挤或堵塞时，交叉口延 误可能远大于路段的行驶时间。 交叉口作为城市道路网上的节点，是城市道路交通系统的咽喉。根据统计 资料，车辆通过信号控制交叉口时所需的时间约占全程时间的3 1 f 2 4 1 。其中， 由信号灯引起的延误是车辆总延误的重要组成部分，杭州某调查数据表明，在 城市道路上，红灯延误占总延误的比例一般均在7 0 l l j 以上。 广义的延误指由于道路与环境条件、交通干扰以及交通管理与控制设施等 驾驶员无法控制的因素所引起的行程时间损失。狭义的延误【2 5 】由w e b s t e r 提出， 指车辆受信号控制影响后，实际通过交叉口的时间与车辆以正常速度行驶通过 交叉口( 不受任何阻滞) 的时间差，也称为“交叉口行程延误”，包括停车延误 及加、减速延误三部分。 对于信号交叉口，停车延误、引道控制延误都属于延误，不同的是度量的 时间范围不同。其定义【2 6 】分别为： 夺停车延误是车辆由于某种原因而处于静止状态所产生的延误，等于车辆停驶 时间，包括车辆由停止到再次启动时驾驶员的反应时间； 夺引道延误是车辆在引道实际消耗时间与引道自由行驶时间之差。引道实际消 耗时间是车辆通过延误段实际所用时间；引道延误段是指引起全部或大部分 车辆延误的路段，其长度随引道上的排队车辆数而变化。实际研究时，通常 将可能出现的最大排队长度作为引道延误段长度； 控制延误是由交通控制设施引起的延误。美国1 9 9 7 年通行能力手册对控制 延误的界定为停车延误与减一加速损失时间之和。对于信号交叉口，由信号 1 2 第2 章车辆速度差异影响因素分析 控制引起的车辆运行时间的损失，为车辆实际通过交叉口的时问与正常速度 通过交叉口的时问之差。正常速度为当前条件下，车辆在路段上行驶的速度， 与自由车速不同。 三者的关系为：引道延误是车辆在停车线之前行程时间的损失，包含了停 车延误时问和车辆在停车线之前经历的减速延误和加速延误；控制延误则包括 停车延误与车辆在达到正常速度之前经历的减、加速延误，即控制延误包含引 道延误。 信号交叉口的延误受多种因素影响，如信号联动、上游交叉口信号、车辆 类型组成和车辆到达等。本章在假设车辆均匀到达，饱和度小于1 的前提下( 即 不出现二次停车的情况下) ，对信号交叉口车辆受阻过程进行讨论，详细分析了 停车延误对车辆路段行程车速的影响。 2 1 3 色级 目前国内如上海、北京等大城市，已经实现通过互联网或道路上的可变信 息板描述道路运行状况，为出行者提供实时路况信息。在确定道路服务水平等 级时，一般采用平均行程速度作为评价依据。对不同等级的道路，同一等级的 服务水平或者相同状况的道路交通运行状况所对应的车速不同，需要根据不同 等级的道路进行不同标准的速度分级。从使用者认同的角度出发，利用拥挤地 图进行信息发布时通常采用三种颜色( 绿色、黄色、红色) 表达道路运行状况 信息，将从专业角度的服务水平的定量划分转化成面向公众用户的定性描述， 反应畅通、缓慢、拥堵三种交通运行状况。 为便于比较，本文使用的速度划分为浮动车系统发布时采用的划分，见表 2 1 。 表2 1 上海市浮动车信息发布系统道路交通状态划分标准 高架道路 状态对应颜色地面道路 内环、延安、南北中环、沪闵 畅通 鼍蘑| 鹈i 镌镶 v 2 5 k m hv 4 5 k m hv ) 4 5 k m h 缓慢 ii 12 k m h v 2 5 k m h2 0 k m h v 4 5 k m h2 0 k m h v 4 5 k m h 拥堵 墨嘲豫翻e 目一 蹦嘲麟船暖翻曩翰丽 v 1 0 其中，c 为信号周期( s ) ；u 为绿信比；x 为饱和度；g 为绿灯时间( j ) 。 d ：= 吾l ( x 一，) + 1 ( x _ 1 ) 28 m i x l ( 2 j - ) 其中，r 为分析时段( 一般取1 5 m i n ，计算时以秒为单位) ；m 为参数，对 定时信号控制，m = 0 5 ；i 为校正参数，对独立信号交叉口1 = 1 0 ；c 为车道 组通行能力( p c u s ) ；x 为饱和度。 维吉尼亚大学交通运输学院的f r a n c o i sd i o n 对各种信号交叉口车辆延误估 计模型在单进口道的情况下做了比较研究，发现饱和度在0 1 0 6 范围内( 不 饱和) 时，两类模型的估计结果接近；饱和度在0 6 1 4 范围内( 从不饱和到过 饱和) ，时间依赖随机延误模型与i n t e g r a t i o n 微观交通仿真模型的仿真结果 比较吻合，而w - b 模型延误估计严重失真。但h c m 2 0 0 0 方法在计算国内信号 交叉口延误时不太稳定，饱和度大于1 0 时计算结果的误差较大。 2 4 2 2 本文模型 在一个信号周期内，非饱和状况下车辆延误主要是正常相位延误。为便于 分析，本文只考虑车辆均匀到达，交叉口各进口道饱和度小于1 0 ，无初始排队 的情形下，交叉口一个进口方向的车辆经历的正常相位延误。模型的假设条件 为： 2 4 第2 章车辆速度差异影响因素分析 整个周期车辆平均到达率在所取的时间段内稳定不变，用q 表示： 令绿灯相位结束时，排队长度为0 ； 令绿灯时间内，当有排队时，车辆以饱和流率s 离开交叉口； 令排队消失后，车辆以到达率q 离开交叉口； 到达的车辆不会超过通行能力。 蒜 龟 d f i 口么 c 吼 一。 e 一 4 一 ， 一 g 一 跳 图2 8 非饱和情况卜车辆停车延误不意图 h o a b 中水平线为到达停车线( 到达等候车队的队尾) 的每辆车的延误，垂 直线为不同时刻停车线后的车辆排队长度。 基于上述假设条件，对于较小及中等程度饱和度的路段，有以下等式成立： s t = g r + t ) ( 2 1 2 ) j t = 旦 ( 2 1 3 ) j q 在一个信号周期内，该进口方向全部车辆的正常相位延误d ( p c u s ) 等于 o o a b 的面积，即： 嘎1 ( r + t ) 2 【、q 。 一r 萄2 ( 2 1 4 ) 一个信号周期内到达的车辆数为c q ，可以求出信号周期内每辆车的平均 2 5 第2 章车辆速度差异影响因素分析 孔寿= 丽高q s 亿 c g2 c ( 1 一) 。 其中，d 为平均延误时间( s ) ；d 为车辆总延误时间( s ) ；c 为信号周期 ( s ) ；r 为有效红灯时间( s ) ；t 为排队消散时间( s ) ；q 为车辆平均到达率 ( 辆s ) ；s 为饱和流率( 辆j ) 。 2 4 3 仿真方法 仿真方法是根据车辆到达的概率统计模型和交通流理论，利用计算机进行 数值计算及逻辑检验来模拟车辆通过交叉口的各种运行状态及排队过程，得出 交叉口延误与车流量的数据关系。 不同的仿真软件计算车辆出行过程中各类延误的模型不同，如t r a f f i c w a r e 公司开发的s i m t r a f f i c 系统认为车辆速度低于3 0 m s 的行驶时间为停车延误【4 2 1 ， 但几乎所有仿真软件对于控制延误的定义都相同，从而为不同仿真系统结果的 对比分析提供了依据。国内一些研究通过将利用仿真方法得出的结果与调查方 法、模型分析方法的结果进行对比，得出仿真方法可以计算出较为准确的延误 数据。如陈绍宽等1 3 7 1 以十字型交叉口为例，分别使用点样本法、h c m 2 0 0 0 法、 s i m t r a f f i c 5 系统和v i s s i m 3 6 0 系统计算交叉口延误，得出的结论为v i s s i m 3 6 0 系统在交通行为描述和参数设置方面更为细致，适合计算国内混和交通流条件 下信号叉口延误；王玉鹏【4 3 】结合v i s s i m 仿真软件，对一新建信号交叉口进行 延误分析，通过与h c m 2 0 0 0 算法计算结果的比较，验证了v i s s i m 软件在实际 交叉口交通运行状况模拟中的有效性和实用性；马万经等】建立了基于上、下 游检测器数据的实时车辆平均延误模型，通过v i s s i m 仿真模型的结果进行检验 和分析，认为在不同流量情况下所建立的模型比h c m 的延误模型更能反映延误 值随车流量波动变化的趋势。本文利用v i s s i m 4 2 0 仿真软件对车辆延误进行模 拟。 v i s s i m l 4 5 】是德国p t v 公司的产品，是一个离散的、随机的、以十分之一秒 为时间步长的微观仿真软件。它以单个车辆为单位，对车辆的出行行为进行细 致的定义、跟踪和记录。车辆的纵向运动采用心理一生理跟车模型；横向运动 ( 车道变换) 采用基于规则( r u l e b a s e d ) 的算法；不同驾驶员行为的模拟分为 保守型和冒险型。 v i s s i m 软件【4 6 】的跟车模型为生理心理模型中的阈值模型，与跟驰模型相 2 6 第2 章车辆速度差异影响因素分析 比可以更加真实的模拟现状。在w i e d e m a n n 建立的m i s s i o n 模型中，车流状 况被分为三个反应区：有意识反应( p e r c e i v e dr e a c t i o n ) 、无意识反应区 ( u n c o n s c i o u sr e a c a t i o n ) 、无反应区( n or e a c t i o n ) 。经过阈值界限后，再细分 为各决策行为分区。有意识反应区分为逼近前车区、制动避祸区及撞车危险区； 无意识反应区又称跟车行驶区；无反应区分为反应上限、自由行驶区及脱离前 车区。换车道模型认为驾驶员的驾驶行为是对一系列感知界限值( 阈值) 的反 应，软件采用了s p a r m a n n 提出的换车道模型，所使用的参数有两种：向快速车 道转换和向慢速车道转换，其中向快速车道转换的类型包括自由车道转换、领 先车道转换、延迟车道转换和插空车道转换；向慢速车道转换包括自由车道转 换和加速车道转换。 微观仿真通过考察单个驾驶员和车辆及其相互作用的特征来描述系统的状 态，可用来研究交通流的特征，如交通流量、平均车速等，也可用来研究每辆 车的运动状态，具有计算控制延误、停车延误和引道延误的功能，在计算时系 统采用行程时间段来测量延误，用户可以得出车道延误、交叉曰延误甚至某一 转向车流的延误。 车辆在交叉口的行驶状态为： 夺在无信号控制影响时按正常行驶速度行驶； 令遇到信号控制或车辆排队时减速行驶； 令必须在车辆排队队尾或交叉口停车线前停止； 夺当排队消散或信号变为绿灯时，车辆加速再次达到正常行驶速度。 输出的描述延误的参数主要有每车平均总延误和每车平均停车时间。软件 中对于延误的定义为每辆车在设定断面的行驶时间减去正常速度行驶的时间， 本文仿真模型中对于断面的设定见3 3 中描述。 通过运行可以得到延误输出文件，由于仿真的随机因素，一次仿真结果具 有不确定性，为保证仿真结果的统计稳定性，采用不同的随机因子进行多次独 立的仿真。 2 7 第3 章单个路段车辆延误与速度分析 第3 章单个路段车辆延误与速度分析 由第二章的分析可知，单个车辆在交叉口的延误具有很强的随机性。理论 上交叉口各进口道饱和度只要小于1 就应该能够满足各方向车流的通行要求， 即交叉口延误中没有过饱和延误。实际情况中，交叉口进i s l 道饱和度x 是一个时 段丁内( 可包含若干信号周