（系统工程专业论文）基于证据推理预测模型的城市快速路VMS交通诱导系统研究.pdf

摘要 摘要 城市交通系统为城市居民的各种出行活动提供了必要的条 件。城市交通系统不仅为城市提供服务，也是城市社会、经济运 转的重要基础设施，它是一个动态而复杂的大系统，是城市社会 活动、经济活动的纽带和动脉。随着社会经济的快速发展以及城 市化进程的不断推进，城市交通需求量急剧增长，城市交通发展 所面临的问题日趋严峻，特别是交通拥堵、交通事故、能源短缺、 环境污染等问题日益显著。 城市交通流量的不均衡导致了重现性的交通拥堵( 如上下班 高峰期) ，同时一些突发的交通事故引起了非重现性的交通拥堵。 这些都致使车辆行驶缓慢，从而引发了能源浪费和排放增加造成 的环境污染。为有效解决这些问题，采用现代科学技术的智能交 通系统日益得到世界各国的高度重视，其中，交通诱导系统的研 究和应用是一个重要分支，实现城市交通诱导的基础与核心是交 通流的预测。 本文针对交通诱导的核心问题，对交通流理论及其预测方法 进行了重点研究。首先，研究并提出了基于城市快速路时间序列 的异常数据提取算法，对流量数据进行预处理；然后，根据快速 路交通流变化特征，借鉴证据推理理论，基于幼稚预测思想和交 通流增长衰减模式建立了交通流预测模型n f p m ，并进行了仿真 验证；在此基础上，设计了v m s 交通诱导系统的框架结构模型。 关键词：交通流异常数据处理v m s 交通诱导系统证据推理 垒! ! 黧蹩 _wm“_hn”_-。_-“w*m_h_”“_。-_h*一 一 a b 鲥糍 u 心挂nt r a 簸es y 鼗t e m 妇拄s y s t 龆m 撒a tp r o d 喀sh e c 嚣8 s a f yc o n 硪畦o n 南f a l l 谢涔 渤f 黼i 蠖托s ，嚣嚣o te 鞋l y 蓼蛰v i d 嚣8 辩i 董醣嚣嚣i 犊b 鞋 霹s oi s 出eb 勰i e 翔魏s 勃m 站f u 鳓勰o i 艇，e e o 黼i es 姆垂e 粥a s 鑫 t 鑫c h oa l l da r t e r vo f 瑚电a l ls o c i o * e e o n o m i ca e 畦v i t i e s ，啪b 珏娃静a 掰ci sa 鸯潮i 礅；e 鑫蟠e o 搽争l 棼x 蹿l 私l 。弋磷魄最蕊或嚣嶷l i o 耗8 fs o e i 秘黼粼髓疆。 交w 嚣 o p m e 矗鞠d 蛄a 辩t i g 器d v 强n c 淞鼹o 爹h r 转a 撼嚣主i 蟊鹣馥e 虢痨翘 枉a 赫od e m a n di s 懿a s i n gf 狮i d 娩w h i c h 懈酞燃p r o b l 饿sf a c e db y 妇鞭。癌姆e l 擞黜黼馥暑sl 巍黻盎e e i 翻嫩& # 媳鞠& i 黼e y 戚 p o l l 滋。如秘s o 撵瓤c a s i 麓移 t l 枣d i 蛳r o p o r f i a no f t r a 壤cf b wr e s u l t s 主琏趟o u 烈n gt 嫩攒棼j 8 撇s ( e g 。 挚e 癌薮p 糕b 。莲s 蠢蛾c 。糖黜墩嗡，a l 蠢蒜辫鞋e 斑l 罄潜燃搬蘸钯l 蘧c 鑫。畦蠢秘t se 鞠s e 瀚玲f 疆撼醛j 黼撬重量l e 蠡糠群j a m sm 馥i 薅霪v e 魏i e l e s d r 童v i n gm o r es l o w 嗽w h i c hl e 馥d 蒜协e n e r g yw a s t 嚣a n de n v i 蝴e n l a l 笋i 1 毽蔽嫩鼗黜溆馘蘸l i 荽燃飘箍矬擎。嫩t i 鳓s 羚髓s 疆国 撼 颦铲l i e s 撒o d 锵l8 e i 黼螽曩et e e 纛蕺o l o 掰e sa 重l 糕。豁露镪撞鑫穗e 懿鼋差8 赣攮像e w o r l 臁涟e ，o f 绯i 穗r c s e 粼h 黼矗a p p l i c 蠡主i 蝴o ft 特溆f l 蹦 g 驻i 矗黼游s y 辩擞翦臻w 括鞠e 甜i 瑙粼哟磁e 黼b 淼鞋漱强据捷蟪婚袁e 撼 o f 搬电鑫麸柏 嚣c 黼瓤礤g e m t 翘莲艄l r o l 。 v 婚8 摊誓h 燕ef l 制铲聪蜒建鞠c 霉s 辩嵇拄i gg 麟o f c 雠e n 鳓拯辞f 疆s 鹣瓣瓣矗摊h 勰疽帮妒i e 鑫蠢锶泰耕豁黜ts i g 癌耗8 n e 。t o 弼幽嘴s t p l l o b l e m sf 如e db yt r a 馒cd e v e 】o p n t e n t 转耩蓦鳐o n i 耀s 蕊l 撼鑫灌o f 蓬撵氧；玲c 毒l 释罄o f 蜘d 萎站葚畦d 鬟n e e l l a b s t r a c t t h e o r i e sa n dt r a m cn o wf o r e c a s tt h e o r i e s ，t l l i sp 印c rf i r s t l yp u t s f o r w a r d st h ee x 把t i o n 撕m m e t i co fa b n o 肌a ld a t ai np r e t r e a m l e n to f t m 币cn o wf o r e c a s t i n gd a t a ，a n dm a l ( e sa b n o m l a ld a t aj u d g m e mo n e x p r e s st r a f n cn o wd a t a s e c o n d l y ，i ts t u d i e so nt h ef - 0 r e c a s tm o d e lo f t r a m cn o w ，a 1 1 dd e m o n s 仃a t e sw i mc o m b i n i n gt t l ef 如t l l a l f i n a l l y ， b a s e do na b o v er e s e a r c h ，t h ep a p e rd e s i g n sm ea r c m t e c t u r eo fv m s g u i d a n c es y s t e m k e ) 哪o r d s ：t r a m cf l o w ，u h u s u a ld a t ap r o c e s s i n g ，v m st r a m c g l l i d a n c es y s t e m ，e v i d c n c er e a s o n i n g i i i 第一章绪论 第一章绪论 。 论文 舞究翡选题背景 城市交通系统照城市大系统巾的个重要的子系统，是由人 和物在城市空间内采用一定方式、在定设施祭件下的流动所构 袋，其动能是受公众瓣冬秘密行溪动提供必要瓣条磐。城零交逶 系统不仪为城市提供月骚务，也是城市社会、经济、物质结构的基 本组成部分。它是一个动态而复杂的大系统，烂城市社会活动、 经济活动的纽带和动脉。 1 1 1 城市交通存在的问题 隧饕享圭会经济麴快速发展戳及城枣纯避程瓣不赣摆进，域裹 交通需求量急屠l 增长，城市交通发展所面临的阍题目益严峻。 ( 1 ) 交邋拥堵 目简，交通拥堵融经成为一个世界性的难题，不仅大大降低 了交逶爨行效率，露整造残了旋滋豹无效港裁，大气污染严鬟。 在我国几乎所有的大城市都存在严重的交通拥堵问题。仅以北京 为例，据2 0 0 3 年的项调查显示，在2 0 0 0 户膀民家庭中，有六 藏以上熬夫每天上下褒经鬻遇到德车溃况。在经絮遥銎| 堵攀媾况 的人中聚坐公交车的占4 1 ，骑蠢行车酶占2 1 ，开私家车1 6 ， 乘出租车8 。著名经济学家茅于轼算了这样一笔账：北京一年 堵车大概造成6 0 亿元损失，平均一个北京人镣天损失1 1 元钱， 一年撰失4 0 0 元。隧整城枣琵襄瓿凌伍逶翟豹不繇接避，交暹糖 堵日盏成为实现城市可持续发展的突出“瓶颈”。 ( 2 ) 交通事故 交邋事敲是城枣交逮豹常见阕题，它造成了嚣大鳇经济锻失， 北寐交通大学硕士学位论文 给受害糟和肇事者都带来了物质和精神上的痛苦。全国道路交通 事数死亡入鼗，2 l 冬疫突酸l o 万人，这弱了l 锈9 3 0 久，魄 2 0 0 0 年灞长了1 3 ，糟当于平均每天死亡2 9 0 人。2 0 0 t 年度全 国共发生道路交通事敞7 5 5 万起，受伤5 4 5 8 万人，分别比j 二年 增热了2 2 和3 2 ，继续大堰增加，其中相当比铡的交通事故发 生在骧市交通系统蠹郝。这在缀大稳度上影嚷了城市交通的正常 运行，某一路段发生南故，往往会伴随发生大范围的交通拥堵。 ( 3 ) 能源短缺 交逡运浚瀵耗大豢能源，城枣交邋弓l 发醵缝潦遣遂丑趋严熬。 从1 9 9 3 年开始，我国虢进入了石油净进口国的行捌，而且进翻登 与日俱增。西欧的总人口比美国多玩7 5 ，而美圆每年耗费的石 油资源簧离子西欧所露国家耗能的憩和，其主要艨因便是过鬃的 汽车。考虑翻我国与焚蘑鲍天日羞鼹，翔栗我嚣憨轿车发震达裂 美国的水平，每年就要耗费5 0 亿吨的石油，而全世界的石油产量 总和也难以达到这样的规模。正如美国n 师o r m 公司1 9 9 8 年提 供豹一蹬摄誊中指爨豹，“如果中霆选割美国入甥汽车戆承乎，郧 么中国的公路上将存9 亿多辆汽车，眈目前全傲莽汽车的总和述 多4 0 。中国的石油需求将超过目前全球石油生产总量的1 8 。 朝着这个方向发展，溉疑将给中国釉全世界带来珂怕的后果。” 疆) 繇浚浮染 随着机动车保有爨的激增，排放的尾气严熏破坏了城市环境。 就北京而富，近年来，方面由于汽车数量增长过快，尾气排放 总量仍量鬟线上野态势，另一方嚣凌子城区交通翱圭蓦，芎亍车遮菠 过缓，魄造成尾气辩放过多。播估计，北京市 # 敲暖季节大气污 染的一半和冬季取暖攀节大气污染的三分之一是汽车尾气谶成 的。就全年平均来讲，北京城市大气污染中3 9 1 的一氧化碳、 7 4 ，8 黪碳鬣纯台兹亵4 6 2 懿氮戴纯台兹来蠡予辍动车兹怒气 排放。 综上所述，不难瓣出：城市交通流量的不均衡导致了重现性 靛交通绷墙( 如上下班裔烽期) ，弱对一些突发麴交通事敖引起了 第一章绪论 非重现性的交通拥堵，而交通拥堵则致使车辆行驶缓慢，从而引 发了麓源浪费秘巧境污染。 正楚由予上述闯越的日趋严黧和恶纯，使樽采用现代离新技 术的智镕交通系统曰靛得到世界备国的高度重视，其中，交通诱 导系统的研究和应用则是目前城市交通管理与控制领域的一个重 要分支秀淘。 1 1 2 城市快速路及其运行特性分析 城市快速路，怒捂在城市内修建懿，单向溉或多车道的城市 道路，烧实旋中央分割，全部控制出入，控制出入口间距及行驶 的交通设施，是专为车速高、行穰长的汽车交邋连续通行丽设鼍 瓣重要交通予路。 城市快速路对于疏导车流、减轻交通压力发挥了重要作用。 然而在很多大城市，幽于机动车保有数量飞速攀升等因素的影响- 快速路黔建成并没蠢从根本上解决其交通据堵炊况。嚣此，除了 增鸯l 鬟垂邋路硬释设藏的投入井，躲须简时挖掇餐理潜力，剃蠲信 息技术、交通路径优化技术、交通流预测等技术，实现路网交通 流的优化配置，最大限度地利用道路资源，缓解交通拥堵，其中， 交逶瀛鹣颈溺技术是鼹径聚蠢、黪经凌耗鼓零瓣基穑每孩，砖 保证v m s 交通诱导系统的有效健、可靠性，艇有十分重鼷的作 用。 城露快速路不同予麓速公路、城市道路，其交通流量分攒也 吴有与瑟者不两静特点。函建，霭爱分耩骧枣浚遽路酶运行特经， 并以此为基础，选择合适的交通流分析方法。 城市快速路的功脆是实现城市大运量、长距离的快速交邋服 务。箕姆蠡是，舞7 缳涯车辆孬驶熬抉速、安众，浃速路熬快速 车辆和慢速车辆分开荣，对向车行道之间设分隔带，进出瞬之间 采用究全控制或部分控制。 通常意义下，在考察城市快速鼹的运彳亍特燃对，主要考虑如 j b 京交通大学硕士学位论文 下两个方面的因素： 车辆褥毪 车辆特性指车辆的长度、宽度、载重量等等，主要包括车遴、 行驶速度、自由速度、车头时距、车头间距、最大加减速度等。 快速路流通特性 主要俸现为三静状态：蠡由行驶状态、稳定状态、捐薪状态， 分别以期望速度、队列时车辆间隔和队列时平均速度、最大堵塞 密度来进行标定。 这黧特茳决定了皴泰餐速臻交邋流量变化耱经。善先，捩邃 路功能特征决定了正常情况下交通流量的非负髓，其次，侠速路 上的车辆特征及其参数，在建立交通流量预测模型的时候，w 以 非为影确因素存在。另外，快速路流量特性变他也可以作为交通 流信息簸理及发布懿参考依据l l - 3 l 。 1 2 论文的主要研究目标 论文静研究毯标，就是通过对v m s ( v 撕a b l e m e s s a g e s i 黼) 交通诱鼯系统中的榱心技术，即交通流实时数据的处理与统计预 测方法进行较为深入豹研究，并以此为基础，利用信息技术和智 戆群擎麓激瑟繇究戒袋，送嚣骧索莰速路铷s 交逶诱导系绫熬 框架设计，从而为快速路交通提供有效的实时倍息，平衡交邋流 量，缓解拥堵提供模型和系统实现上的参考和借鉴。 论文进行的主要硪究工作包掇： 磷究著绘窭交遴流对阕露弼中异常数攥鹃提彀算法； 结合城市快速路交通流特点，研究交通流预测模型，并进 行预测仿真和精度分析； 结合售患技零魏最瓤疆究残杀，没诗簸枣抉逮黪v s 交 通诱导系统的框架结构。 。3 论文熬砑究思路和框架 4 第一章绪论 围绕上述目标论文确定了如下研究思路，如图1 1 所示。 营建，慧绩v m s 交通诱导系绞熬硬究魂浆，分辑其功黢与 技术结构体系，并对v m s 交通诱替系统的核心问题：交通流及 其预测理论的研究进行综述； 其次，重点研究v m s 交通诱咎系统的核心技术交邋流 数据楚瑗与统诗颈溺，舔，校撂搽迷路交逶滚跨阗痔强，磷究辩 间序列中异常数据的提取算法，建立基于“幼穰预测”思想鞠交 通流量增长衰减模式阪配的预测模趔n f p m ，并进行仿真验证和 精度分攒。 在j 醚：麓继上，进行城市茯速路v m s 交通诱导系统框架缩构 设计，详细分析了相成的系统结构并设计了其劝能模块；最麟， 结合北京市的交通状况，对v m s 诱导系统设计的合理性以及算 法有效瞧滋毒亍了慧缝分耩，莠提密谂文来来豹磷究方惫。 论文研究的主线如图1 1 所示。 论文研究的意义目的和主要研究内释 毒 交遥诱导理论的体系络梅及萁交通溅 预测理论文献综述 上 交通滚覆测数攒鞭处理： 异常数据撼敬算法 上 交通流预测模型研究 毒 基于交媳流预测模型的v m s 诱导系统 框架设计 上 蔻结与麟凌 豳1 1 论文的研究思路 京交通大学碗士学位论文 1 。4 论文的主要研究内容 论文的内容共分为五章，包凝以下尼卞部分； 第章绪论主要论述论文的研究背景、研究思路及主要 研究内搿，并给出论文创新点： 第二鬻交逶诱譬系统壤逮及英在l t s 孛戆瘫鬻主要论述 城市交通诱导系统主漤构成技术的研究现状，并对v m s 交通诱母系 统的核心技术：交通流理论及其预测技术的研究进行了较为详细 的综述； 第三章陕速路交遴流异常数獭翔断算法研究及实证针对 城市快媳路时间序列，分别根据逻辑推理、交通流的重复性和连 续性以及交通流的机理分析，提出了三种异常数据提取算法，并 怼算法逡行了实涯谚疯。 第网章基于证据推理思想的n f p m 预测模黧首先对城市快 速路的遮行特性进行分析，指出快遮路交通流变化的特征：然后， 根据证攒雉理理论，蒸予幼稚预测思想和交通流爨增长衰减模式， 建立预浏模型，朝n f 粼模壅；并对该模型兹有效经及其精度遴行 了实例验证和分析。 第藏章v m s 交通诱导系统设计进行城市快速路v m s 交通诱 导系统缓絮结麴设嚣，绘窭了其中瓣交通浚实辩蕊态售惠采繁、 处理、发布系统和道路交通事件检测系统的方案设计。 第六章结论与展望总结了论文的主要结论并对今后的研 究方向避行了分析和壤望。 1 。5 论文创新点 论文戆主要翻耨杰懿下： ( 1 ) 旗于聚类理论给出了城市快速路交通流时间序列异常数 据的提取算法。 ( 2 ) 旗于证据推理理论，结合幼稚预测思想秘交逸滚增长袋减 6 第一章绪论 模式分析，建立城市快速路交通流_ 爨预测分析模型。 ( 3 ) 浚诗了城泰快速路v m s 交逮诱导系统豹框黎结棱浚嫠。 j t 京交通大学磷学位论文 第二章交通诱导系统及交通流理论 2 1 交通诱导系统概述 交邋诱导系统( t g s ，n a 强cg u i d a n c es y s t o m ) 是玎s 熬重 要组成帮分，也是w s 能够实施静关键技术之一l 瑚】【6 】【”，它憝根 据出行者的不同需求，通过充分利用现有道路网的通行能力，找 到一条嘏佳的行驶路线，从而缩短出行时间，最大限度地减少可 骚窦囊瓣延误蠢撰失。筝( 落主要遴遥霹车舞逶行诱导羧及为亵嚣 者提供出行参考信息，来实现在控制范围内的最优交通流分布以 及车辆的最优行驶路线规划。它通过城市的交通管理系统全面掌 握城市道路网的实时交通状况，剩= j 实时动态交通分配及交邋流 预溅理论，为出行豢掇供到这蠢静堍的最饶路线，觚雨使城索戆 交通流趋向最优的分布。无论是先进的交通管理系统，还是先进 的驾驶员信息系统等i t s 其他组成系统，都需骤对行驶车辆进行 实嚣诱嚣。 交邋诱导技术是难确弓l 导道路使精者顺利到达目的地、实现 交通流优化、避免交通堵塞、更有效地管理城市交通的一种技术 璐4 】【3 0 l i 3 7 j 。具体来说，当发生重魏j 陡或非重现性交通拥堵状况罐， 交逶警联中心通过褒场静信惑采繁设备及簿获褥蕊场信惑，然屠 生成诱替信息，并通过通信和计算机网络传输给显示屏或者率载 终端等人机交互设备，引导驾驶员及时决定其行驶路线，从而起 至l 乎鬻、分配交通浚，缓舞交通掇缝压力豹作搦。 2 1 1 交通诱导系统的主要功能 骧泰交遂流主要濑糕家车、公务车潋及公共交遽车辆构成。 交通管理中心通常是交通诱导系统的核心，它通过城市交通控制 系统对城市交叉口信号灯配时进行控制，并通过交通信息中心与 其毡子系绞的信息共搴，将售号酝孵信息发送绘予系统；劳借鼬 第二牵交透诱导系统及交通流理论 于多种手段，实现控制及诱导信息与其他交通参与者的共享。 致爨嚣考魏囊菠来游，交透诱蟹系统熬主簧动g l 奏： ( 1 ) 在线驾驶员信息服务 在线驾驶员信息服务包括驾驶员的引导系统和车内标忠系 统。驾驶员的引导系缀主要为驾驶员提供实时黝交通流状况、交 逶事馥、遵路麓工清凝、公共交遴露蘩表、气稷条俘等穰患。翊 用这些信息，驾驶员w 以选择最饿的行驶路线，出行者可以在中 途改变其出行方式。车内标志系统主要提供与路面实际标志相同 豹车痰搽惠，氇可以识瑟道路条传瓣警告标恚釉一些特殊车凝静 安全限逮。这一服务良容特剐适合予老年驾驶爨、旅游区窝危险 道路条件下的驾驶。 ( 2 ) 路径诱导服务 臻疑诱导骚务是蠢凌态车载诱静系统瑟8 l 湃琊】，稷据交逶僚怠 中心提供的实时道路交通信息及e 糖s 设备得到的车辆定位僚息， 在电子地图的帮助下为出行者提供条最优的行驶路径。早期的 路径萼| 嚣楚一个静止鹣信惠系统，主要袭出行纛提供起终点蝴豹 最短鼯离路线；霹前途项蘼务趋向予通过无线遴信技术，使_ 苹载 设备可以从交通管理中心获取实时道路交通信恩，使“最优”的 概念成为在实时道路交通信息基础上的时间最优、距离最优戚出 孬者镳黟最霞等。交予s 定穰动施戮及毫予熄溪豹存在，藏可 以实现车辆的实时导航。实时导航服务可以提简城市道路的时间 利用率和空间利用率，均衡城市道路的交通流分布，是城市交通 诱导系统的核心功能。 ( 3 ) 崮抒静信意服务 出行前信息服务为出行者提供在出行前需鼹知道的信息，如 天气及道路情况。出行规划服务可以为出行者制定出行路线，计 矧窭行辩麴表敬避开交逶毒蜂越莰。魏癸，该鞭务还可戳继诗毽 行时间以及提供有关融门的其它注意事项。 总之，交通诱导劝能的实现可以有效地减少城市交通拥挤， 提蠢道鼹通行能力，改善道路交通炭全状况。箕主要强标有龋个， 9 北索交通大学硕士学位论文 从宏观网络的角度：可以均衡网络上的交通流量使网络的综合交 逶能力实瑷充分裁蠲；扶徽蕊车鞣熬熊褒：达翻缭短每单车 亍坡 的距离，减少行驶时间的目的。 2 。1 。2 交通诱导系统的类别 根据交通诱导信息作用的范围，交通诱导系统可以分为窜载 导航系统和出行者信息系统两大类娃】【4 6 4 9 】。车躐导航系统程车 辆上安装定位装置、接熙攘救装受，遗过路径谯化款 串对单个车 辆进行安时诱导。由于诱导对象是肇部车辆，因褥也称为单率诱 导系统。这类系统的诱导机理比较明确，容易达剥诱导目的。出 行者信息系统主要通过其它的通信方式为用户提供交通动态信息 送行交逶诱导。车载器靛系统稷据诱导售寒戆获定方式分灸申洛 式诱导和分布式诱导。中心式诱导由诱导信息中心按照车辆的要 求，根据动态交通分配理论确定车辆的行驶路线，下传到车辆， 分布式诱姆出诱导蕊惑中心下砖实瓣的交通信息数据，车载露t 凝 摇实时静交通信息确定诱导彳亍驶路线。相对来讲，中心式诱譬对 通信系统鼹求较高，谯理论上符合w a r d r o p 第二准则【5 0 】；分布式 诱导在强调为用户本身寻找最佳路径，理论上倾向于w a r d r o p 第 一缕錾。 2 1 3 交通诱导的实现技术 实魏交遴诱导，需癸多矮商耨技术的系凌集成，其中矮主要 的有： ( 1 ) 车辆定位技术 萋为车载诱导系绕鹣一顼基本功糍，零要实霹蘧了簿车辗豹 准确位霞及其它参数，即经度、纬度、海拔、行驶速度、行驶方 向等数据以实现实时导航功能。车辆定位技术的优势在于，第一， 可以全球地面连续覆藏，从面保证全球全天候实辩导航与定位的 第二露交通诱导系统及交通流理论 需要：第二，( 平s 可以为用户提供动态目标的三三维位置、三维速 度及时耀信息，著基建继速疫快，一次定位秘测速工嫠在秽至数 秒便可究成。 ( 2 ) 城市交通地理信息系统【1 6 1 f 2 2 】【2 4 _ 2 5 j 地璩信息系统用予采集、分析朔显示描述浆一地区范围的自 然特 蒌帮逻辑蒋薤豹鸯关蔷感。程交逶诱导系统中，遮毽僖惑系 统一方面提供城市道路信息，也掇供有关出行熬它信息的沓询。 同时，戴中的核心部分数字化电子地图将为牟载诱导系统提 供准确鲍定位功憩并援她实瑰实辩弹靛功憩。 ( 3 ) 数攒遴信系统 服务于智能交通诱导系统的交通信息具有多个层次 5 ”，其中 第一层次是基于无线通信网络进行交通信息中心与移动用户之间 懿数字璐滚逶售；第二瑟凌是捷鬟蚤越髓蛾或蓑宅逶售载俸舞瘸 户提供城市道路交邋情况的全面储恿，包括城市实时交通信息、 最优路径及备选路径选择以及道路规划等服务。 舀翦，取向信息抟递技术和垒球定使技术溉经趋向成熟，只 需进行毖要静改避移搿税结合，藏w 以完成车辆定位盼各种信怠 的转换与传送。 2 。2 交遴诱导系统戆结构框架 2 。2 。1 交通诱导系统的结构框架 为有效实现实时诱导功能，个完整的交通诱导系统通常包 括信息采集、数据处璃、交通流预测和诱导信息发布等组成部分， 其结构橼浆如图2 一l 骚示。 北京交通大学硪士学位沦文 麟蘸浏 ll i珧挑交通状况非牵现雌交通状况 lt 细事堍巍峰等)( 始凑敝，管魏、天气嚣睇境静器话警球等 li l 藕簿爨夔鬓熏鬻薄鬻麓鬻割 签糕沙 t1 f刁 l 赜寨阵选择 j 诱导巷惑发匆 嘲2 * l 交通诱碍累统的结构框浆 ( 1 ) 交通流信息采集模块 交遴浚壤患兹采集主要是在交遴控割中& 宠戏，裘_ 譬乏，城毒 安装自遥应式的交通信号系统是实现交通诱导的前提条件。这个 子系绫涉及到两个关键闯题： 交通信号控雠系统瘦该燕窝时自适应交遴信号控铡蓉统。 攘墨技术静磷究。把交遥控麓孛，瞄藤褥滟瓣络中懿交遴流 传送剽嶷遥诱导主机。 ( 2 ) 数据处理子模块 对瑗采集夔霹囊瑷犍交通镶惑徽处理裁分捞，跨蠢掰豹、无 异常瓣数据提供绘交通流预测穰筑。 ( 3 ) 交通满预测模块 交道流颈溺模块建交通诱导悉统的主要组成部分，通过对交 1 2 第二鬻交逶诱导系绫及交透流理论 通流的有效预测，结合预案选择库熙的信息和格式为交通诱姆信 惠豹发礤摄撰了蔹据。 汹诱导德惑发布模敬 将交通流预测结聚、非重现性变通状况与预策选择库里的信 息相结裔，为最终的储息发布提供必要的信息。诱导信息主安包 摇毒鑫行肴最嚣黪授逸捧，交逶警瓤、交遵捐堵区蠛等， 现阶段，在诱导授术中，最桉心问题是诱导依据和方法闻磁， 即把什么样的信息提供给用户才能达到避免拥挤、提高路网能用 效率靛秘的；据强在短潜翔内褥要这些信惠；| 宝王及翔褥投据遮鳌 信惠嵌速确定窭最谴游行路径。换富之，翅褥襄蠛交逶滚颈浏， 提高其预测的精度和嶷效性，是城市交通诱导系统发展过程中筒 临的主要往务。 2 2 2 交通流预测懋论 2 ，2 2 ，l 交邋流预测系统渤办学模型 簧统的交通流理论怒采焉系统瀚力学的方法建立影响霹豢与 目标变爨即交通流量之间的动力学关系，在分析相关性的基础上 建立豹模型；比较典型驹有：格抟糟尔治模型、伊迪模型和v a n a 8 r 蠡嚣线健模墼瑟? 噩4 。 格林希尔治横激 1 9 3 5 年格林希尔治通过对交叉嘲交通状态进行大量的调鬻， 羹；稷率论秘数理绕计数方法建立了交通流参数：速度一密度一滚 量三誊瀚数学模辇，麓蔽籀述交逶滚整帮速度、密度翡关系，遮 模型奠定了交通流瑕论的基础。 对于格林希尔治遮度一密度线性模型，在过泼区域仅有缀少 靛溪羹点霹餐震，默经验寒看，在离交逶密凄鼹，采霸这个模壁 时道路的窬量被过离评价所以这个模型通常是不鬻用的。对予格 林希尔治速度流量抛物线模型，从目前的研究来看存在着以下 j e 京交通大学硕士学位论文 几个问磁：第一，当初在进行交通腮测时，每1 0 0 辆车作为缎， 隔 o 辆车就开始耨缝静记录，良每缰翡乎臻臻进 亍绘錾，瓣藏 相邻两组有9 0 是相互交叠的：第二，该模型在建立时所做的交 通调查怒在假期进行的，不具有代袭性。因此格林希尔治速度 流量擞纺线模型存在麓一定的偏差。 伊迪模型 伊迪( e d i e ) 将格林伯对数模型和安德伍德指数模型有机的 结合在一起。密度较小时用安德像德指数模型，密度较大时用格 拣貔对数模鍪。 v a n a e r d e 非线性模型 格林希尔治模型、伊迪模型对道路的特性要求非常高，骚求 道路交邋流特性具有瞧好靛线性翻搬数对数特瞧，遗线的拟会效 果严重依赖子实际的物理参数，模麓物理意义袋求过于明确。于 是，1 9 9 5 年m i c h e lv a na e r d e 提出了用四个参数描述的非线性模 型，由予两个调节系数l ，m 不具有实际的物避意义，因此使得 模鍪暴露穰强熬鑫溺节貔力，其蠢踅好戆整合效果。v a 珏a o 撼e 模型中瘦用四个参数根据道路实际情况来拟合曲线，数据显示该 模型对于城市快速路、地下隧道、交通干线等锫种不同类型的道 路均具蠢缀好豹拟合皴果，具有缀强靛灵活性。在此模型串，理 个参数之闻不毒存在严稽静稽互依赖萑，基本上建柱互独立的， 这样减少了参数选择对模型的影响，提高了拟合的精度，便于进 行实时预测。 毽怒v 强a e 砖e 挨整遣存在羲不是，霆为灾繇熬交逶滤数摇 点不可熊严格与扭曲的s 型十分吻合，导致部分特殊数据区域 。 b 糸交通大学硕士学位论文 以及占有率o c c u p a l l c y o ； ( 2 ) 浚骞车壤逶过硷溺器：f l o 瓿一o ，s p 。e 器0 没有车硷蘸不瓣 速度，理论上为自由流速度) 以及o c c 印a n c y = o ： ( 3 ) 车辆停在检测器上n o w = 0 ，s p e e d - o 以及 o e c u p a n c 严l 不满怒良上3 个条律中任何一个静交遥流数瓣被谈为蔻硝瀑 异常数据。明显异常数据个数( a b n o 咖a 1n ) 与所谢数据个数( t o t a l n u m ) 的比例称为明鼹异常数据比例a e d p ( a p p a r c n te f r o rd a t a p g f c 懿t 8 9 麴式3 。1 ) 爨示。 爿层d 尸：垒旦跫坚竺坐堕1o o f 3 1 ) 3 3 - 2 重复性和连续性算法 交通流具有明显的蹩复性，在一定的区域中交通流重复出现 翁次数不会太蘸。阖饕幸交逶滚冥套滚续缝，帮交淹滚筑变绣不会 是突发的，而是从一个状态到另外一个状态连续变化。所以，在 某个区域中的交通流数据的相邻区域中必然也存在一定量的交通 流数据。也就是说孤立滋现的交通潦数据可能怒器常数据。 算法徽据数据范舔将交通流数据划分为若予榴等静区域，麓 区域中交道流数据婀个数( d e n s 时) 米镛量交遇流的重复性，以 该区域上下前后区域中的交通流数掇个数的总和( c o n t i 删i t y ) 米 餐量交遥浚连续程。蘩浆这嚣令臻鸯器遴，l 、 二予臻穰( m e 懿d 镰s i l y 和m e a i l o n t i n u i t y ) ，则怀疑该交通流数据是异常的数据。设定祭 件如式( 3 2 ) 式所示。 竺葛兰嚣麓怒商鲥；y 瞧：， o r c o n t i n 哦t v 0 o l m e a nc o n t i n u i t v 根据熬复性和连续性得出的交通流异常数据个数n r c 和所有 交通漉数掇个数n 的比例拣为r c e p ( r e c 砸s i v ea 戚c o 嫩i n u a le 删 第三章快速路交通流异常数据判断算法研究及实证 d a t ap e r c e n t a g e ) ，如式( 3 3 ) 所示。 曩疆l p ：! 塾l e o ( 3 3 ) 为方便计算，可在二维空间上计算r c e p ，包括3 个r c e p 子集合，即流量速度r c e p 矗，占肖率速度r c e p o s ，占有率流量 r c e p o 蠡这霆令集会豹稳互关系岛公式( 3 。4 ) 瓣示。 r c e p = 投c l e b u r c z u r c e f l 0 ， ( 3 4 ) 3 。3 。3 交逶流掇理分叛算法 该算法的基本思路是所测得的交通流数据的各分量之间不能 互褶矛鹰。首先根据梭测到的流鬃、速度和大窜数来推导占礴率 静理论镶。翔采实溺瓣占棼荤窝壤论诗算氇籀魄密较大误差，该 交通流数据可能为异常数据。具体推导过程如下： 车头时距： 辆：委：篓墼掣 ( 3 5 ) nn o w 车麸间距： 酗：妇y ：掣。社磁 ( 3 6 ) f f d w 平均车长： 蠡：坚雩垒亟：坚丝业妻( 3 7 ) 嚣。w嚣。w 。 f 1 大车数，普通车数。1 1 为大车长度，1 2 为普通车长度。 显然，理论计算的占有率为： m ：驾竺l o o ( 3 8 ) 风阳 z d 为检测区域宽度。 北京交通大学硕士学位论文 。为检测器输出的占有率，e 。为占有率理论谢一算值与实测值 茨稳对误夔： 口f 竺二竺l o o ( 3 9 ) 仉 由于车辆长度是变化的，每辆车的速度也不可能相同，谈麓 在嚣蕊凳。本算法李 竣定岛在委受5 0 之瓣为歪鬻，越过这个范 围则被认为是异常数掘。 3 。4 实际验证 3 ，4 1 检测数据描述 臻予验证算法酶稔漠l 器位于j l 柬兰环国贸桥掰劲松橇，魏豳 3 3 所示。选择在国贸桥的第8 号检测器进行研究，重点验证第1 车道的数据。检测时间共3 个星期，以个星期为一个阶段，取 4 4 ：0 0 ：0 嵇霹。1 0 ：2 3 ：5 8 惫簿令玲段，碡。l ：e 0 ：0 0 4 1 7 ：2 3 ：5 8 必篱二 个阶段；4 1 8 ：o o ：o o 4 2 4 ：2 3 ：5 8 为第三个阶段。拟将重点研究此三 个星期内的交通流数据。 髑3 - 3 实际检测地点示意圉 2 4 第三章快速路交通流异常数据判断算法研究及实证 3 。4 。2 辫常数据检测 第8 号检测器第l 车道第l 周检测数据共5 0 5 5 组，原始数据 如图3 4 所示。根据算法1 ，找到7 组异常数据如表3 一l 所示。去 捧这7 缝数据之爱耨熬数撵教点燕瑟3 4 搿示，不难发魏秘溺算 法l 能去掉的异常数据非常有限，即绝大多数数据是符合逻辑的。 在去掉明显的异常数据之后，分别采用算法2 和算法3 来判断异 常数据，再将两者的绪果求并集。 褒3 1 算法l 我戮豹异索数据 速度流量占有率长车数检测周期 o2 4 00 o6 6 o2 4 00o8 8 o2 4 0oo8 9 02 4 0o o7 9 9 o2 4 0 o08 5 8 o 2 4 00o2 2 4 7 o 2 4 0oo2 9 8 2 知帅喃脚删懈t _ 愀辩蝣 羽3 - 4 第1 罔艨始数据 2 5 北京交通大学硕士学位论文 w # p m t m # w 州獬 图3 5 算法l 综螽获缮豹正确数璐 算法2 共分成三个部分：利露流量和速度数攒我菇异常数撵 5 3 组，利用占有率和速度数据获取弹常数据共5 4 组，利用占有 率和流量数据获取异常数据8 l 组。将这三组数据合并，得到1 8 8 照异零数缓。去捧重复数据之嚣，褥鲻1 1 7 缀不嚣翡舅褰数懿， 新的散点图如图3 6 掰示。从圈3 s 和图3 6 的比较可以发现，孤 立不连续的交通流数据基本都去掉了，但似乎也损失了一点有用 的数据。 h 1 0 ，_ w c * ，麟 霭3 ，6 算法2 综台获得的正确数据 第三章快速漆交通流异常数据判断算法研究及实证 根据算法3 共找到了1 4 5 组异常数据。去掉异常数据之膳， 瑟魏教点粒懿霆3 7 掰示。篓滏3 怒综合攘据交遴滚槛理，袋媛 四个检测嶷量同时分章斥得到的缩粜，找到的异常数据主要在离速、 低占有率情况下流量过低的数据，在二维图上没有明显的显示。 图3 7 算法3 去掉异常数据后得至n 的数据 最厢将三组异常数据综合在一起，去掉重复数据后的数据共 有2 3 3 缀，如图3 毫错示，其中三类爨常数据分刚强7 ，1 1 7 和1 0 9 ， 昆镶分掰为3 1 ，5 2 5 ，4 8 9 。整个异常数据占慧数据静篦饿为 4 4 。 图3 8 第1 周去掉异常数据后的散点嘲 j b 意交通大学舔士学位论文 3 。4 ，3 结果分析 三个艟期的异常数播处理结果如表3 2 所示。图3 3 一圈3 7 对比了聚用异常数据判断算法前后的原始数据散点分布情况。另 癸秀个显麓黪数据楚遵藩嚣鏊蛰影分裂螽鋈3 9 蔓3 。i 2 繇示。 _ q 州，峰 趱3 毋第2 羽骧戆数舞 撤# - 州，f t 强3 一i o 第2 震去掉募鬻数据曩魏教蕊翅 2 s 第三章像速路交通流异常教箨判断算法研究及实证 曩3 1 2 第3 蕊去簿巽鬻鼗器霜酌漱燕蠢 表3 。2 兰个车道舁常数据处理比转 数器憨数l 类雾鬻2 类冥辫3 娄异鬻冥常数援魄爨 第l 周 5 0 5 57 1 1 7 1 0 9 4 4 !第2 蹋 5 筏899 01 1 9 毒。3 第3 周 5 0 5 5 2 2 9 91 5 l 5 + 4 对比图3 3 和图3 7 中可看出，虽然在高占有率部分也可能 多去簿了一垄歪确数摄，毽是，在集成三释舅辩羧器蘩赣箕法之 后，明鼹的异常数攥都已经基本袭掉，从而僚诞了基础数据的有 效性。 北京交通大学硕士学位论文 第四章基于证据推理理论的n f p m 预测模型 4 1 城市快速路交通流预测方法 城市快速路交通流预测是实现城市交通v m s 诱导系统的核 心技术。从图4 一l 可以看出，对于很多城市的快速路交通而言， 其交通流量的变化具有高度的不确定性。 在对快速路交通流量的变化曲线进行分析之后，发现快速路 交通流量变化仍然有一定的规律可循“1 j ”】，比如，这种变化和城 市客流变化峰谷值有一定的关联性；而且，大多数情况下，这种 随机性是由某些时间段上流量数值的突然变化引起的。可见，如 果能发现产生这些变化值的条件，就能够对整个时序数据集合的 变化规律进行比较合理的发掘，以此进行较为合理的预测。 从以上分析可以看出，时间间隔较长的数据之间的关联性较 弱。事实上，短时交通流预测技术的研究正是当前的热点问题 5 2 】陋5 7 p 。其土要思想是利用实时交通数据信息滚动预测未来1 5 分钟、甚至小于5 分钟周期内的交通状况，然后根据预测的交通 流信息去指导实现诱导方案的产生印j 口”。 然而，快速道路交通系统是一个有人参与的、时变的、复杂 的非线性大系统口“，它的显著特点之一就是具有高度的不确定 的非线性大系统口“，它的显著特点之一就是具有高度的不确定 第四章基于证据推理理论的n f p m 预测模型 性，交通流量预测受随机因素干扰大，使用系统动力学建模方法 具有很大的局限性：另外，现代智能优化理论的进展给交通流预 测研究提供了很好的思路【2 9 】 5 6 哪 ，但仍然存在结论可解释性不 强、聚类效果不明显等方面的缺陷，这给交通流量预测带来了很 大困难。 针对此，并结合快速路交通流变化的特征分析，论文采用证 据推理理论建立交通流预测模型。 4 2 证据推理理论 证据理论( d e l p 曲。r - s h a f e r ，简称d s 法) 作为一种推理方 法，在解决不确定性问题中具有显著的特点。所谓不确定性问题 是指那些具有不完全、不清晰信息或数据的问题，是目标识别和 属性信息融合的基础。 证据理论的基本思想是：将证据本身所蕴含信息的不确定性 通过证据对应的基本概率分布函数来描述，各种证据对假设的支 持度可由它们各自的基本概率分布函数确定；不同源的信息对假 设可信度的共同影响可以由d e m 口s t e r 组合规则或者其他形式的 组合规则进行计算。 在d s 证据理论的目标方案识别过程中，可以利用多源数据 通过计算得到目标的综合可信度，以综合可信度为基础就可以实 现目标的识别决策。亦即，d s 方法首先计算各个证据的基本概 率分布函数、信任度函数和似然函数，然后利用d s 组合规则计 算所有证据联合作用下的基本概率分布函数，信任函数和似然函 数。最后根据一定的决策规则，选择联合作用下支持度最大的假 设。 证据理论的优势在于其在不确定性的表示、量测和组合方面。 证据理论在改进自身不足的同时又结合其他方法的长处，先后推 广到概率范围和模糊集，不仅可以像贝叶斯推理那样结合先验信 息，而且能够处理像语言一样的模糊概念证据。 北京交通大学硕士学位论文 证据推理的理论背景为解决交通流预测问题提供了很好的参 考和思路。对于交通流预测问题而言，一个时间段之内的交通流 时间序列数据具有一定的相关性，这种相关性提供了历史数据和 预测值之间的联系，也就是说，历史数据可以作为未来数据发生 的具有某种概率的依据。因此，预测值可以看作是在一定的概率 意义下，上述所有联系的加权，也可以看成是在为一个命题赋真 值，该命题为真的可以用介于o 与1 之间的数来标识。 对于历史数据和预测值之间联系发生的概率( 证据) 的推断， 不仅要强调证据的客观性而且也要强调证据估计的主观性，其主 要方式是在客观证据的基础上构造出一个数字化的概率。因为论 文中预测算法研究的对象是时间序列数据，因此，这些客观证据， 只能是从这些时间序列中提取出来的统计指标，比如均值、方差 等指标；然后，利用计算出来的概率计算预测值，并确定对预测 值的信任程度( 置信度) 。 如上所述，是论文建立预测模型的理论基础，也是论文中预 测模型建立的思路。 4 3 基于幼稚预测方法和历史数据模式匹配的交通 流预测模型( n f p m ) 交通流预测的关键问题是预测方法的选择。从预测学的角度 讲，预测方法可以分为定性预测和定量预测两种方式。 在使用定性方法进行预测的时候，通常采用的方式为：根据 经验和对预测对象影响因素所处状态的判断，对未来的趋势变化 量做出估计，比如经常使用类似“下个月的发生值和去年同时期 的数量基本一致”、“明天的发生值和今天无异”这样的规则进行 预测。从本质上讲，这是基于历史模式和当前状态之间的相似性 研判而进行的一种规则推理，通常称这种基于规则推理的预测方 第四章基于证据推理理论的n f p m 预测模型 法为“幼稚”预测法( n a j f v ef o r e c a s t i n gm e t h o d ) 。s h e r d e n ”1 和 s m i m 【8 0 1 在他们各自的论述中认为，“幼稚”预测在实际应用过程 中由于简单和易用而往往成为管理者们的首选，其精确性有时甚 至要“超过那些由上千个等式组成的计算模型”f 1 33 1 。但是，“幼 稚”预测本身也有自己不可逾越的一些缺陷，主要表现在主观性 太强，其预测效果往往因经验、知识水平而有很大的不同，不利 于定量化的表达与计算等。 因此，论文根据快速路交通流预测问题的基本特点，利用其 时间序列及变化曲线，提出了一种基于交通流均值一方差分析和 “幼稚”预测思想的定量预测模型( n f p m ，n a i v e f o r e c a s l j n g a n d p a t t e mm a t c h i n g ) ，即首先对交通流的均值一方差统计指标值进行 分析，划分交通流量变化的历史模式，然后根据交通流曲线的几 何特征，寻找当前点状态的最佳历史匹配，并据此决策下一周期 内交通流曲线的变化趋势，从而给出交通流量预测值。 4 3 1 交通流均值一方差分析 通常情况下，交通流均值一方差统计指标，反映的是交通流 量的总体增长或衰减的状况。如下给出交通流均值一方差的相关 定义及算法。 定义4 1交通流均值一方差状况，是指交通流量从总体上呈 现出来的增长或衰减的状况； 一般地，交通流均值一方差状况与通常意义上所谓的客流高 峰、低峰有很大的相关性，两者之间有很强的相互影响关系。 因此，本文采用交通流量的均值指标来描述交通流的增长衰 减状态，并借助对总体离差，亦即数据围绕均值数据波动幅度的 判断，给出了一种划分交通流均值一方差模式的算法。 通过观察可以直观发现，根据交通流量历史数据所描绘的交 通流量变化曲线由一系列的峰谷波动构成，