（交通信息工程及控制专业论文）城市道路交通定点检测器优化布设研究.pdf

摘要 摘要 城市道路网定点检测器优化布殴是城市交通基础信息采集平台的关键技术 之一，如何对城市道路定点检测器进行优化布设，充分利用有限的检测器资源， 对于降低交通基础信息采集设施的建设成本，完善交通信息采集平台和提高交 通管理水平都具有重要意义。现阶段检测器通常根据交通工程师的经验进行布 设，布设理论相对缺乏。随着我国城市化进程的不断加快，城市规模逐步扩大， 交通状况越来越复杂，需要进一步提高信息采集和分析的能力，这就使得检测 器布设技术的研究具有非常重要的理论意义和实际价值。 论文在总结国内外交通检测器优化布设研究的基础上，指出了目前交通检 测器布设方面存在的不足，确定了以多目标优化为手段，以检测器布设的费用 和质量为约束，分别对没有布设检测器和已布设检测器的两种路网寻找最优解 和次优解的研究重点。论文主要研究内容包括： ( 1 ) 讨论了基于o d 估计的检测器布设的各种原则，推导了最少路径分隔 原则，建立了检测器优化布设原则的分级系统；建立了以o d 矩阵估计为目的， 基于两阶段多目标优化算法的检测器布设模型；建立了以o d 覆盖率、路径覆 盖率等间接评价指标及期望相对误差( e l 也) 等直接评价指标为主的检测器优化 布设评价体系；实现了没有布设检测器和己布没检测器的两种路网条件下求解 检测器布设的最优解和次优解；解决了o d 覆盖，o d 最大分隔及p a r e t o 非劣解 等问题。在求解算法上，改造了多目标遗传算法( n s g a ) ，使之能够更好地适 应路网检测器优化布设模型的特殊要求。 ( 2 ) 建立了以行程时间估计为目的，基于动态规划方法的城市快速路检测 器优化布设离散模型，通过将时空资源离散化，将检测器布设问题转化为动态 优化问题，实现了在没有布设检测器和已布设检测器的两种路网条件下进行检 测器的优化布设；同时进行了快速路检测器优化布设模型的敏感性分析，讨论 了车辆样本量、行程时间估计方法、检测器布设个数及独立性假设的正确性等 因素对于行程时间估计精度的影响。 ( 3 ) 开发了基于上述两类模型的检测器优化布设软件c o u n t l o c a t i o n ，该软 件基于开源语言p y t h o n 和开源数据库m y s q l ，实现了基于改进遗传算法的检测 摘要 器优化布设算法及布设成果的展示功能，可以解决路网和快速路检测器优化布 设问题，同时还具有操纵数据库、s h p 文件等辅助功能。 ( 4 ) 利用经验和理论相结合的方法，以检测器布设软件c o u n t l o c 撕o i l 为 平台，对上海市陆家嘴金融中心区路网和南北高架快速路进行了检测器优化布 设的实例研究。在陆家嘴金融中心区路网上进行了o d 覆盖、o d 分隔和两阶段 多目标的优化，并且在有无己存在检测器两种情况下分别进行了讨论；在南北 高架快速路上讨论了有无已存在检测器两种情况下的检测器优化布设，并与等 间隔检测器布设做了相应的对比。 关键词：交通网络，定点检测器，检测器布设，多目标优化，动态优化，多目 标遗传算法，逆序标号法 i i a b s t r a c t ab s t r a c t t h eo p t i m i z a t i o no fl o o pd e t e c t o rl o c a t i o no nc i t yr o a dn e t w o r ki so n eo ft h e k e yt e c h n o l o g i e so ft r a f f i cf u n d a m e n t a li n f o r m a t i o nc o l l e c t i o ns y s t e m h o wt om a k e f u l lu s eo fl i m i t e dd e t e c t o r sh a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ef o ri m p r o v i n gt r a f f i c i n f o r m a t i o nc o l l e c t i o ns y s t e ma n dp r o m o t i n gt r a f f i cm a n a g e m e n t e m p i r i c a lm e t h o d i su s u a l l yu s e dt ol o c a t ed e t e c t o r sa n dl o c a t i n gt h e o r yi sr e l a t i v e l yd e f i c i e n ta tp r e s e n t w i t ht h eu r b a n i z a t i o np r o c e s s ，w en e e di m p r o v et r a f f i cm a n a g e m e n tt od e a lw i t h c o m p l i c a t e dt r a f f i cs t a t u s b u ta l lo ft h e s en e e dt h ep e r f e c tt r a f f i ci n f o r m a t i o n c o l l e c t i o ns y s t e m t h i sd i s s e r t a t i o ns u m m a r i z e dt h es t a t u si nq u oo fc o u n tl o c a t i o np r o b l e m r e s e a r c ha r o u n dt h ew o r l d ，p o i n t e do u tt h ed e f i c i e n c ya n dp r o b l e ma m o n gt h ep a s t r e s e a r c h e sa n dd e s i g n a t e dt h ed i r e c t i o no fs t u d y i n gi nt h i sp a p e r - b a s e do nt h em u l t i o b je c t i v eo p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e ，c o n s i d e r i n gc o s ta n de f f i c i e n c yo fc o u n tl o c a t i o na t t h es a m et i m e ，f i n d i n ge q u i l i b r i u ms o l u t i o n ；f i n d i n go p t i m a ls o l u t i o na n ds u b _ o p t i m a l s o l u t i o nu n d e rn e wr e a dn e t w o r ka n dc o u n t e dn e t w o r k t h er e s e a r c hc a nb e s u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) f o rp u r p o s eo fo de s t i m a t i o n ，b a s e d o nt w os t a g e m u l t i o b je c t i v e o p t i m i z a t i o nd e t e c t o rl o c a t i n gm o d e l ；e s t a b l i s he v a l u a t i o ns y s t e mb a s e do ni n d i r e c t e v a l u a t i o ni n d e x ，s u c ha so dc o v e r a g er a t i o ，p a t hc o v e r a g er a t i oe t c a n dd i r e c t e v a l u a t i o ni n d e x , s u c ha se r e ；f i n dt h eo p t i m a ls o l u t i o na n ds u b o p t i m a ls o l u t i o n u n d e rn e wn e t w o r ka n dc o u n t e dn e t w o r k ；s o l v eo dc o v e r i n g ，m a x m u mo dc a p t u r i n g a n dp a r e t oe q u l i b r i mp r o b l e m s ( 2 ) f o rp u r p o s eo fe s t i m a t i n gt r a v e lt i m e ，b a s e do nd y n a m i cp l a n n i n gd e t e c t o r l o c a t i n gm o d e lf o re x p r e s s w a y , t h r o u g hd i s c r e t i z a t i o no ft i m e _ s p a c er e s o u r c e st o t r a n s f e rc o u n tl o c a t i o np r o b l e mi n t od y n a m i co p t i m i z a t i o np r o b l e m ，f i n dt h eo p t i m a l s o l u t i o na n ds u b o p t i m a ls o l u t i o nu n d e rn e wn e t w o r ka n dc o u n t e dn e t w o r k ( 3 ) d e v e l o p e dt h ec o u n tl o c a t i o ns o f t w a r eb a s e da b o v et w om o d e l s ，w h i c hi s b a s e do no p e nd e v e l o p m e n tl a n g u a g ep y h o na n do p e nd a t a b a s em y s q la n dr e a l i z e d i i i a b s t i a c t c o u n tl o c a t i o nf u n c t i o n sb a s e do ng aa l g o r i t h ma n dr e s u l t sd i s p l a yf u n c t i o n s ( 4 ) c o m b i n e de m p i r i c a lm e t h o da n dt h e o r e t i c a la l g o r i t h mt ol o c a t ed e t e c t o r so n l u ji a z u ic b da n dn o r t h s o u t he l e v a t e de x p r e s s w a y k e yw o r d s ：t r a f f i cn e t w o r k ，l o o pd e t e c t o r , c o u n tl o c a t i o n ，m u l t io b j e c t i v e o p t i m i z a t i o n ，d y n a m i cp r o g r a m m i n g ，m u l t i - o b je c t i v eg e n e t i c a l g o r i t h m ，i n v e r t e ds e q u e n c el a b e l i n gm e t h o d i v 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它个人和集 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。 学位论文作者签名：易吖劢弓 胡年协月幻日 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：耋吻勾 酪年d 月叻日 第1 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 随着经济发展和产业结构调整，中国步入了城市化水平快速发展的时期。 2 0 0 7 年，中国城市化水平达到4 3 7 1 1 ；2 0 2 0 年，将达到5 5 ；预计在未来5 0 年中，中国城市化水平将达到7 0 6 。城市规模不断扩大，汽车保有量急剧上升， 交通拥挤在大城市中普遍发生，这些都为中国交通带来新的挑战。同时，中国 是一个人均土地和能源稀缺的国家，大规模道路修建、汽车能源消耗、尾气排 放对资源的消耗和环境的污染，都是城市化发展和机动化出行所带来的负面影 响。另外由于交通而引发的交通安全问题也日益突出，自2 0 0 3 年起，中国年交 通事故死亡人数达到了l o 万人，居世界首位。多方面原因造成了上述结果，究 其根本原因是持续快速增长的交通需求与交通供给之间的不平衡。 解决上述矛盾主要从两方面努力：一是交通需求方面，一是交通供给方面。 多年来，国内外的实践经验证明，解决城市交通问题单纯依靠修建道路基础设 施是不能奏效的，除了要有相应的宏观交通政策予以支持，现代化的交通管理 也是一个十分重要的环节。随着电子技术、通信技术、计算机技术等高新技术 的发展，为交通管理提供了解决交通问题的新思路和新手段，对提高交通的机 动性、安全性、有序化，最大限度地发挥现有道路交通系统的使用效率提供了 技术支持。发达国家交通发展的实践证明，采用智能交通系统( i n t e l l i g e n t t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ，i t s ) 是解决交通拥堵、减少交通事故、防止交通污染、 提高交通管理水平的最有效办法。 世界各国正大力发展i t s 技术，以实现道路交通的科学化、现代化管理， 创造可持续发展的交通运输环境。智能交通系统就其本质主要是最大限度的实 现信息的采集、处理、加工和共享，并根据所获得的实时信息不断的优化交通 系统的控制策略和调整各类交通参与者的行为，实现交通系统的优化运行。随 着智能交通运输系统在我国的不断推进和深入，相关城市均已建立了不同程度 的智能交通运输系统，如何提高这些系统的运行效率和服务水平，关键在于交 通信息的丰富性。因此，实时交通数据的采集、传输和处理直接制约了智能交 第l 章绪论 通运输系统运行效率和服务水平的提高，同时交通技术人员也越来越重视交通 信息的实时采集和处理技术，这正是i t s 技术的基础。 近年来，我国不少城市都建立了自己的交通信息采集系统。2 0 0 1 年9 月， 上海市立项“地面道路机动车交通信息采集、处理、发布综合系统”并建立实 验小区。借以通过此项目实现上海市主要地面道路的机动车交通信息实时采集、 处理，实现地面交通信息的多媒体实时发布，并在一个实验小区内建成系统运 行实体，以利完善巩固、推广应用。“城市道路交通动态信息采集系统”是2 0 0 1 年广州市畅通工程的重要组成部分。广州选择了1 5 个检测点，分布在“三横三 纵”的市区主干道上，采用超声波检测器，对每一条车道进行交通流信息的检 测。为了迎接北京2 0 0 8 年奥运会，北京市公安交通管理局制定了北京市智能交 通管理系统发展规划，交通流数据采集处理系统是其子系统。目前，北京市道 路交通流数据采集有4 种方式，即环形线圈检测、微波检测、视频检测和牌照 识别。市区内道路交通流信息的采集手段主要有与2 4 0 个路口信号控制系统相 配套的1 4 0 0 多个环型感应线圈检测器。微波检测器和视频检测器集中在二、三 环路。 目前，我国广泛采用定点检测技术，在高速公路和城市主干道上布设了一 定数量的检测器，为交通监控管理和信息服务提供了一定的基础数据支持。但 是还存在着如下的不足： 1 ) 检测器大多布设在快速路和主干路上，检测车辆到达，没有从系统角度 出发，在路网层面上进行整体优化； 2 ) 路网中的检测器相对较少，无法得到充足的能够准确体现交通流运行特 征的交通数据，并且对采集到的交通数据的分析处理方法也不完善： 3 ) 路网中的检测器分属不同部门，为不同的系统服务，一方面重复投资， 造成不必要的浪费，另一方面各个系统之间也难以实现数据共享、难以协调； 4 ) 检测器系统得不到有效的管理维护，不能有效发挥正常的检测功能。 1 2 研究定位 交通检测器布设是交通信息采集的一个关键技术，充分利用有限的检测器 资源，使之能够为交通管理系统提供准确、有效、实时、动态的交通信息，对 于提高城市交通管理的水平有着重要的理论意义和实际价值。 2 第1 章绪论 1 2 1 问题提出 1 交通运输规划方面 无论对于交通规划或是交通分析来说【2 l ，o d 矩阵都是重要的基础资料，它 表现了研究区域内人们的出行模式。通常，o d 矩阵是通过大型调查得到的，如 家访调查，路边调查，车牌照调查等，因为这些调查耗费大量人力、物力，财 力，调查的规模、范围及频率都受到了一定的限制。另外，中国城市处于快速 发展时期，交通格局及居民出行结构变化具有周期短，幅度大等特点，居民出 行调查难以满足o d 资料所需的时效性。一个得到o d 资料的较为合适的方法是 o d 矩阵估计一从路段流量，加上交叉口转弯率，延误等数据推导o d 矩阵。由 于交通部门通常也因为别的原因收集上述数据，并不需要消耗额外的资源，所 以o d 矩阵估计模型就可以用来更新o d 矩阵，以反映交通模式的变化。因为以 上优点，1 9 7 0 s 掀起了o d 估计模型的研究高潮【3 l ，国外数学规划和交通规划界 开始了由路段流量来推算o d 矩阵的研究，并获得了丰硕成果，其中比较典型的 有最小二乘法( g l s ) 、最大熵( ) 、信息最小化( i m ) * n 最小变差法，这些方 法都得到了广泛的应用。 o d 矩阵估计通常需要先验出行结构及路段交通量两方面的信息。先验的出 行结构通常使用历史o d 矩阵，而路段交通量由布设在路段上的检测器以固定间 隔更新。通常来说，如果检测器所在路段不能分隔所有的o d 对，那么o d 估计 的最大可能相对误差就没有边界。由于布设检测器需要花费巨额资金，不可能 覆盖路网中所有的路段，所以选择检测器的布设数量及位置对于o d 估计具有重 要意义。此外，通常路网上已经存在了检测器，如何在此基础上进行检测器的 优化布设同样具有重要意义。 所以本文研究的问题一可以表述为： 以提高o d 估计精度为目的，如何在未布设检测器路网和已布 设检测器路网上进行检测器的优化布设? 2 交通管理方面 交通管理部门必须掌握实时交通信息【4 1 ，当交通系统出现异常情况，比如： 事故、拥挤等情况时，及时给出适当的解决方案，从而使城市道路交通顺畅、 快捷。交通管理者利用各类交通信息了解交通系统运行状态，采取相应管理措 3 第1 章绪论 施，使交通系统安全、顺畅地运行，从宏观上制定合理的交通政策，从微观上 进行及时的交通控制与疏导，使交通系统经常处于一种良好的运行状态，为交 通使用者提供良好的服务。对于交通使用者而言，他们主要关心的是通往目的 地的道路交通状态信息，比如：行程时间、路况信息、拥挤与事件信息、交通 管制信息等，据此做出合理的出行计划。 目前国内外快速路在进行交通检测器布设时主要是在保证效益的条件下， 以尽可能准确的采集路段动态信息为目的，按固定间隔进行布设。例如在日本， m e i s h i n 和t o m e i 高速公路检测器的密度为2 公里，而东京都高速公路所有路段 上的超声波检测器的间距都是3 0 0 米；美国芝加哥3 5 5 k m 高速设有自动检测设 施1 7 0 0 处，平均2 0 0 m 一处。事实上，很少有文献对检测器间距问题进行系统 地研究，多是建立在已有检测器设置条件或经验阀值的基础上作事件检测算法 的研究或评价，通常认为检测器间距在2 0 0 m 5 0 0 m 之间是合适的，而实际应用 中则多在该值之上，且缺乏较为系统地论证。 所以本文研究的问题二可以表述为： 以提高行程时间估计为目的，如何在未布设检测器和己布设检 测器的快速路上进行检测器的优化布设? 1 2 2 研究范围 检测器布设通常涉及下列问题，如图1 1 所示。检测器布设是为了达到什么 目的，在哪些位置布设，布设多少数量的检测器，选取哪种类型的检测器，是 否符合预算要求等。下面就从这几方面去规定本文的研究范围。 1 布设对象 。 。j ， 检测器优化锥设涉及的内容j 检测器布设目的 检测器布设数量 检测器布设种类 检测器布设位置 检测器布设花费 图1 1 检测器优化布设内容示意图 第l 章绪论 基于o d 估计的检测器布没称之为网络检测器位置优化问题( n e t w o r kc o u n t l o c a t i o np r o b l e m ，n c l p ) ，是检测器优化的宏观方面，主要面向的是城市的地 面道路：基于事件检测和行程时间估计的快速路通道的检测器布设称之为通道 检测器优化布设问题( c o r n d o rc o u n tl o c a t i o np r o b l e m c c l p ) ，是检测器优化的 中观方面，主要面向的是城市快速路；检测器在路段上的位置优化问题是检测 器优化的微观方面( l i n kc o u n tl o c a t i o np r o b l e m ，l c l p ) 。由于检测器在路段上 位置的确定影响因素较多，如路段长度、交叉口渠化、信控方案、交通流量等 的影响，难以确定其规律，不作为论文的研究重点，本文着重要研究n c l p 和 c c l p 两方面内容。 2 检测器类型 定点检测器在二十世纪六十年代开始被采用作为车辆检测器，成为到目前 为止使用最广泛的检测系统。此方法检测精确，设备稳定，且在恶劣天气条件 下仍具备出色的性能。此外，廉价的成本也是其在世界范围内得以广泛应用的 原因之一，所以本文主要研究定点检测器的优化布设问题，不涉及如何选择检 测器的种类。 综上所述，本文研究的范围如图1 2 所示。 - 1 地面道路检鬻宏卜 f 城市羹裴交通卜 一定点检测器 j 快速路j 僻 、i 检测器布设巾 7 f观方面 1 3 研究目的及意义 1 3 1 研究目的 图1 2 研究范围图 本文主要回答两个问题：“在同时考虑费用和质量前提下，如何在城市道路 网中布设检测器才能使o d 估计更加准确”，“如何在快速路上布设检测器才能使 行程时间估计更加准确”。具体讲，就是从最大可能误差出发，推导布设原则， 5 第l 章绪论 建立多目标一两阶段模型在新建和已经布设检测器的路网中布设检测器，利用 期望相对误差评价检测器布设的效果；从假定行程时间估计方法有效的前提下， 建立快速路检测器布没的离散模型，在新建和已经布设检测器的路网中进行检 测器的优化布设。论文的研究成果可以为今后进行交通检测器的布设提供技术 支持。 1 3 2 研究意义 交通检测器布设是交通信息检测的关键技术之一，现阶段检测器的布设主 要根据交通工程师的经验，布没理论尚不成熟，因此对于检测器布设理论的研 究无论是在理论上，还是实际价值上都具有较为重要的意义。 具体来说，开展交通检测器布设的研究具有下列理论意义： 1 ) 交通检测器优化布设是一种较为特殊的l o c a t i o na l l o c a t i o n 问题，进行检 测器布没理论的研究，对于丰富l o c a t i o na l l o c a t i o n 问题的理论和研究方法具有 重要意义。同时还可以为交通工程中的类似问题，例如选址问题，提供理论支 持； 2 ) 本文研究的是以o d 估计为目的和以行程时间估计为目的的固定检测器 的优化布设理论，这将为今后以其他目的进行多种类型检测器的混合布设打下 理论基础： 3 ) 本研究成果可以为今后编写我国交通检测器手册提供理论帮助。 同样，本研究也将具有以下实用价值： 1 ) 本文建立的多目标布设模型可以求解出考虑费用和质量的平衡解，有利 于决策人员进行根据具体情况进行决策； 2 ) 利用本研究成果可以在新建和已布设检测器的地面道路网和快速路上进 行检测器的优化布设，这样可以使检测器布设在整个路网层面寻求最优： 3 ) 利用编写的c o u n t l o c a t i o n 软件，可以方便的在实际路网中进行检测器 的优化布设及成果展示，同时也为进一步开发打下良好基础。 1 4 研究内容与方法 1 4 1 研究内容 6 第l 章绪论 总结目前国内外研究的不足，结合实际需要，本文拟从以下几个方面来开 展研究： 1 ) 对众多布设原则进行系统分析和总结，根据其出处进行相互之间相容性 分析，根据满足的难易程度进行整理，为检测器布设建模打下基础： 2 ) 建立以o d 估计为目的的路网检测器多目标布设模型，寻找检测器布设 数目及质量的平衡解，在新建路网和己布设检测器路网中进行优化布设； 3 ) 建立以行程时间估计为目的的快速路检测器离散布设模型，结合交通状 态在新建快速路和已布设检测器快速路上进行优化布设； 4 ) 编写以多目标遗传算法为基础的检测器优化布设软件c o u n t l o c a t i o n ，综 合解决路网和快速路的检测器布设问题。 1 4 2 研究方法 本文拟采用的研究方法包括以下几种： 1 ) 数据采集通过真实数据和仿真数据相结合的方法： 2 ) 利用数学规划和运筹学理论，结合多目标最优化理论及g a 算法建立检 测器布设的优化模型； 3 ) 以实验交通工程学理论为指导，编写布设软件c o u n t l o c a t i o n 进行实验 研究。 1 4 3 技术路线 论文从目前检测器布设的实际问题出发，提炼出几个科学问题，利用数学 规划、交通工程理论解析问题，从而构建检测器布设的基础理论，最后通过实 例分析，验证理论的科学性。研究路线遵循：实际问题一问题提炼一理论剖析一 模型构建一模型测试一实例验证。本文的技术路线如图1 3 所示。 7 第l 章绪论 图1 3 技术路线图 1 ) 通过对国内外交通检测器优化布设研究现状调查、总结，分析目前研究 的不足，提出论文的研究方向： 2 ) 由最大可能相对误差入手，推导路网检测器布设原则，分析布设原则的 相容性和满足难易度，建立多目标检测器优化布设模型，设计g a 算法进行求解： 3 ) 在假定估计方法有效的基础上，建立快速路检测器布设的离散模型，利 用g a 算法进行求解： 4 ) 编写检测器布设软件c o u n t l o c a t i o n ，进行检测器布设的实例分析和模型 验证： 5 ) 总结研究成果，提出未来研究方向 1 5 论文章节安排 8 第l 章绪论 根据研究内容、研究定位及技术路线，本论文的结构安排如下： 第一章绪论 主要内容：研究背景、问题提出、交通信息概述、研究定位、研究内容及 技术路线。 第二章基本概念和文献研究 主要内容：定点检测器的原理及应用、基于o d 估计的路网检测器优化布设、 快速路检测器优化布设。 第三章基于o d 估计的检测器优化布设 主要内容：检测器布设原则推导及兼容性分析、两阶段多目标检测器布设 规划模型推导、基于n s g a 遗传算法构建、基于卡尔曼滤波的o d 估计模型、 检测器优化布设的评价方法。 第四章基于行程时间估计的快速路检测器布设 主要内容：行程时间估计方法、快速路检测器布设的动态规划模型构建、 动态规划模型求解、快速路检测器优化布没的敏感性分析。 第五章软件实现和实例演示 主要内容t 基于开源程序p y t h o n 和开源数据库m y s q l 开发检测器布设软件 c o u n t l o c a t i o n ，陆家嘴金融中心区检测器优化布设、南北高架快速路检测器优 化布设。 第六章研究结论和展望 1 6 小结 本章分析了论文研究的现实背景和理论背景，对目前检测器布设存在的应 用问题和理论问题进行了简要的概括，确定了论文研究的范围、主要内容、技 术路线及预计采用的研究方法。 9 第2 章基本概念及文献研究 2 1 概述 第2 章基本概念及文献研究 为了明确论文研究的方向、把握国内外研究现状和发展趋势、体现研究内 容的先进性和实用性、为后续研究服务，下面从定点检测器的技术及应用、基 于o d 估计的检测器优化布设及快速路检测器的优化布设三方面进行文献的研 究综述。 章节安排如下：定点检测器的检测原理、流量及点速度的检测方法在第二 节中论述；第二节论述基于o d 估计的检测器优化布设方法分类、布设原则及布 设模型；基于行程时间和事件检测的快速路检测器优化布发在最后一节中论述。 2 2 定点检测技术 交通信息采集【8 】是指利用各种交通检测器对城市交通领域中所需求的动态 和静态交通信息进行获取的过程。由于静态信息是相对固定的，在一定时期内 具有一定的稳定性，因此，动态交通信息的采集就成为提高城市交通管理与交 通出行决策科学性的关键。 动态交通数据采集技术 9 1 主要包括定点采集技术和移动型采集技术两大类。 定点检测技术是运用安装在固定地点的检测设备对移动的车辆进行交通参数检 测的方法，能够提供地点交通参数如交通流、地点平均速度、车头时距、车型 分类和车道占有率等；移动型检测技术是运用移动的车辆检测固定的标识物来 确定交通参数的方法，主要有g p s 检测和电子卷标检测等工作方式，它能提供 车辆的瞬时速度、车辆在特定路段上的行程时间、行程速度和交通拥挤长度等 数据。相对于只能检测地点数据的固定型检测方式而言，移动型检测技术可以 获取整个路网的交通数据。但由于固定型检测技术具备检测方式多、信息类型 多样、准确性高、适应性好、用途广泛等特点，所以尽管目前移动型采集技术 受到广泛关注，但是在动态交通信息采集方面固定型采集技术仍然为主流。 1 1 定点检测技术 1 0 第2 章基本概念及文献研究 ( 1 ) 磁频检测技术【1 0 1 。当有机动车通过检测区域时，交通检测器内的电流在 电磁感应的作用下会跳跃式上升，当电流超过指定阈值时会触发记录仪，完成 对车辆数及其持续时间的记录。使用的设备主要包括：环形线圈、磁力计等； ( 2 ) 波频检测技术【1 1 】。波频检测技术主要有两种工作方式：其一是交通检测 器向检测区域发射具有定波长的能量波束( c w 或f c m w ) ，当有机动车穿过检测 区域时，该波束经车辆反射后被检测器接收和处理后获得所需交通参数。这类 设备包括：微波检测器、超声波检测器和主动红外检测器等。另一种工作方式 是检测器对通过检测区域的机动车辆本身发出的具有一定波长的能量波束进行 接收，经过处理后获得所需的交通参数。这种方式的设备主要包括：被动红外 检测器、被动声学检测器等； ( 3 ) 视频检测技术【1 2 1 。这是一种将视频图像和计算机化模式识别技术相结合 并应用于交通领域的新兴检测技术。 2 ) 移动型采集技术 r 1 ) g p s 检测技术1 1 3 】 1 4 1 。g p s 主要用于检测车辆的行程时间、行程速度和瞬 时速度等参数。具体方法是在车辆上配备g p s 接收装置，以一定的采用问隔记 录车辆的三维位置坐标和时问数据，这些数据传人计算机后与地理信息系统( g i s ) 的电子地图相结合，经过重迭分析计算出车辆的瞬时速度及其通过特定路段的 行程时间和行程速度指针。 ( 2 ) 电子卷标检测技术”】 1 6 】。电子卷标的基本功能是通过与收费站的路边信 标( b e a c o n ) 交换信息，完成自动收费。如果在每个路段的特定位置设置信标，通 过比较同一个电子卷标通过相邻两个信标的时间，即可确定该车辆在该路段上 的行程时间与行程速度。 随着计算机及信息技术的迅速发展，动态交通检测技术发生了巨大变革， 使之朝数字化、灵巧化、智慧化方向发展，因而其测量精度、可靠性、灵敏度 大幅度提高，功能大大增强，检测器的体积和功耗显著减小。 2 2 1 定点检测器优缺点对比 随着计算机及信息技术的迅速发展，交通检测器技术发生了巨大变革，使 之朝数字化、灵巧化、智能化方向发展，因而其测量精度、可靠性、灵敏度大 幅度提高，功能大大增强，检测器的体积和功耗显著减小。我们从交通检测器 的检测参数、检测精度、环境适应性、检测需求和检测性能具体分析常规检测 1 1 第2 章基本概念及文献研究 器的技术特点。 表2 1 固定检测技术优缺点对比 检测技术 优点 缺点 1 需要切割地面，影响路面寿命， 并且安装过程对线圈可靠性和寿 1 技术成熟、易于掌握；命影响很大； 环形线圈检测器2 检测精度高，全天候工作；2 安装或维护需要中断交通，对已 3 设各价格低。建成道路应用相对困难： 3 容易被重型车辆、路面修理等损 坏 1 检测精度高，全天候工作； 1 检测精度易受环境的影响，尤其 超声波检测器2 可检测静止车辆； 是大风、暴雨等的影响； 2 探头下方通过的入或也会产生反 3 可检测| 日j 距很小的车流 射波，造成误检 1 在恶劣环境下仍可正常工作； 1 拥堵时检测精度低 雷达检测器2 可检测静止车辆； 2 侧挂时测速精度低。 3 可直接检测车速 l 坝4 速精度高 红外检测器易受外界灰尘、冰雾等影响 2 快速 2 2 2 交通参数定点检测方法 1 流量检测 流量1 8 1 是指在单位时间内，通过道路某一点、某一断面或者某一条车道的 交通实体数，通过定点检测器得到，其计算公式如2 1 所示。 q = n t ( 2 1 ) 式中： q 一流量( v e h h ) n 一数据采样间隔内的车辆数，即一个环形线圈的脉冲数 t 一资料统计采用的时间间隔 2 占有率检测 时间占有率【1 9 1 即车辆的时间密集度，就是在一定的观测时间t 内，车辆通 过检测器时所占用的时间与观测时段时间的比值。根据定义，其计算公式如2 2 1 2 第2 章基本概念及文献研究 所示。 d = t ( 2 2 ) 式中： o 一采样间隔内时间占有率 一采样间隔内第i 辆车占用检测器的时间 t 一资料统计采用的时间间隔 3 双检测器点速度检测 每辆车的点速度就可以用公式2 3 计算【2 0 】。 p ：旦( 2 3 )e = l z jj 式中： 一采集间隔内第i 辆车的点速度 越一采样间隔内第i 辆车通过前后线圈的时间差 d一前后线圈之间的距离 4 单检测器点速度检测 超声波、雷达、红外检测器都可以直接使用单个检测器检测出车辆点速度， 但是线圈单检测器能直接提供的数据有流量和占有率两个输出量，而无法直接 提供速度参数。为了满足a t m s 和a i t s 的需要，交通速度必须利用单线圈的两 个输出量一流量和占有率的测量值进行估计。单检测器模式下，道路占有率与 流量以及车长速度的基本关系如公式2 4 所示。 d i = 三t 争j = l 生v j ( 2 4 ) 式中： f 一采样时间间隔索引 歹一采样间隔内车辆索引 1 3 第2 章基本概念及文献研究 q一采样间隔时间内的道路占有率 m 一在采样间隔内通过单线圈的车辆数 ， 穿越线圈的第j 辆车的有效车长即为单线圈长度和车辆长度 。 之和 吩一穿越线圈的第j 辆车的速度 然而由于车长的随机性和不可预测性，该公式并不能直接利用到实际的单 线圈速度估计系统当中，仅仅具有理论上的意义。近年来，越来越多的学者展 开了对单线圈模式下如何进行速度估计的研究，并提出了一些算法。这些算法 包括g 因子算法【2 1 l 、统计滤波算、法【2 2 1 、模式识别算i ! 去【2 3 l1 2 4 ) 、识别错误源算法【2 5 l 等。 ( 1 ) g 因子法 早期的研究多集中在如何简化公式2 4 以便在实际工程中采用。a t h o l l 2 1 1 等 人忽略相邻采样间隔内车长的影响，提出常量g 因子算法，如公式2 5 所示。 v ( f ) = j ( q g 丁) ( 2 5 ) 常量g 因子算法简单，并且不需要校正，因此广泛应用在实际的工程当中。 如w a s h i n g t o n 运输部( w s d o t ) 开发的旅行者信息系统( t i s ) w e b f l o w 系统 中采用g = 2 4 1 而c h i c a g o 交通系统中心采用g = 1 9 。 ( 2 ) 统计滤波方法 d a i l e y t 2 2 1 针对单线圈的输出量提出一种估计交通速度的鲁棒算法。d a i l e y 充 分考虑由交通管理系统得到的单线圈测量值的统计特性，将车长和速度均看成 具有均值和统计分布的随机变量。他分别将这两个变数写成均值和小量之和的 形式，并将车长与速度之比转化为等价形式。考虑到车长小量和速度小量相关 性极小，并且近似认为独立可以忽略车长小量项的影响，因此有公式2 6 。 互：竺生：l + ，l 兰( 土) ( 2 6 ) 二= = 上= p + = l = 卜一i ( 2 6 ) v ，y + v i1 ，+ f1 ，+ v ，v 、1 + v ，v ，。 利用泰勒公式对其右端项进行展开，并将其带入公式2 4 ，两边取期望后， 整理得到流量和道路占用率之比为确定性和随机性两个部分，如公式2 7 所示。 1 4 第2 章基本概念及文献研究 等2 争去，一等等r 专， 7 ， 在理想无噪声情况下，忽略随机性部分，通过推导获得关于均值速度的三 次代数方程的实根解，以给出准确测量的无偏估计量。在实际有噪声的情况下， 采用卡尔曼滤波方法对其中包含有随机性测量进行处理。 ( 3 ) 识别错误源方法 c o i f m a n t 2 5 1 于1 9 9 9 年提出了利用单线圈速度估计的改进算法，抛开以前大 部分工作没有考虑对错误源的识别而去追求复杂的模型的思想，提出一种简单 容易用硬件实现的算法，该算法通过分清许多错误源和建议减少错误带来影响 的方法给出一种新的角度。 对于错误源的认识考虑了车长的非典型分布，并指出在高、低交通流量时， 长车的车长所造成的影响，同时给出了改进车长估计的方法，指出以前车长的 估计对一天的全部时间段是有偏的。因此提出对车长的估计应该在自由流也就 是低占有率的情况下。根据经验设定占有率阂值，当占有率小于阈值时，可以 认为低占有率，而占有率阂值是从流量占有率关系图上设定。 ，= 朋p 册( 盗) ( 2 8 ) 吼 在研究中，c o i f m a n 设置为6 0 m p h ，k 为一天2 4 小时内给定车道的具有 q 0 ，吼 0 的所有自由流样本集。通过结果分析改变周期长短分析速度估计仍 然有噪声，在分析错误来源时，指出在低流量时，车长的变化所产生影响比较 大。另外的大小也影响均值速度估计。改进的速度估计公式如2 9 所示。 ；一警o k 麒 ( 2 29 一) ，= 吼 ( ) 【。 吼 网，即方程组 中未知量的个数大于方程的个数，因此仅由式( 2 1 0 ) 不能唯一确定一组矩阵， 必须采用数学优化模型进行优化求解。一般通过设立如下目标函数实现优化求 解m i n f ( r ，t ，v ，y ) ，其中，丁为估计矩阵，t 为先验矩阵，y 为路段观测交通量向 1 6 第2 章基本概念及文献研究 量，y 为按分配的交通量向量。 毫无疑问，o d 矩阵估计最为基础的信息是交通观测点所观测到的路段交通 量信息。由于交通观测点布设的数量和位置不同，获取的交通量观测值及对估 计矩阵所起的作用不同，得到的估计矩阵的精度也不同。或者说，在o d 矩阵估 计时，不同路段交通量所包含的信息并不一样多，有的路段交通量观测点的观 测资料甚至对o d 估计毫无用处。因此，在矩阵估计中，需要对路段交通量观测 点的设置方案进行优化研究。 此外，o d 矩阵估计精度的评价是o d 估计的一个技术难点。一般评价估计 值与真实值之间的离差都采用统计学中的标准差、相对误差等指标，但在实际 应用中，真实o d 矩阵大多都是未知的，所以基于统计学的各种统计指标和方法 在评价o d 估计精度时都有局限性。 2 3 1 路网检测器布设方法分类 1 经验布设法【3 5 】 ( 1 ) 随机选择法( r s ，r a n d o ms e l e c t i o n ) 是指不考虑任何约束条件，随机 选择路段作为交通量观测点，这使得选择交通量观测点的结果具有很大偶然性， 因此在大多数情况下，该方法的估算精度不高。 ( 2 ) 主要路段选择法( m l s ，m a j o rl i n ks e l e c t i o n ) 顾名思义是在主要道 路上设置交通量观测点，它往往会导致有用信息的重复观测，使其对o d 矩阵估 算的贡献大打折扣。 ( 3 ) 校核线选择法( s s ，s c r e e n 1 i n es e l e c t i o n ) 指在校核在线设置交通量观测 点的方法。由于该方法是依照天然或人工障碍等地理环境设定校核线，没有考 虑o d 矩阵估算的需要，因此较m l s 法适应性更差。 ( 4 ) 交通流量法( t f m ，t r a f f i cf l o wm e t h o d ) 依照路段交通流量大小，对 路段进行排序，优选前k 个路段设置交通量观测点。显然这一方法没有考虑到 路段独立性的原则。