（交通运输规划与管理专业论文）基于浮动车调查方法的信号交叉口延误估计研究.pdf

摘要 摘要 国内外研究表明，智能交通系统( i t s ) 能否高效运行的关键取决于能否获 取实时、准确的动态交通信息。动态交通信息检测技术是现代交通管理及控制、 诱导、规划的基础。现有固定点交通检测方法存在检测覆盖面小，设备安装和维 护投资大等不足，不能安全适应现代交通发展的需要。因此，随着城市安装g p s 接收机的车辆逐渐增多，浮动车技术已经成为一种新型的交通检测的方法。 目前，信号交叉口的运行状态评价主要取决于车辆经过交叉口的延误。信号 交叉口的延误是评价信号交叉口的运行效率和服务水平的重要度量，它不仅反映 了司机不舒适和受阻程度以及油耗和行驶时间损失，还反映了信号控制、设计的 合理性。但是，对于延误的计算，目前，只是局限于传统的公式计算法以及现场 实验计算的方法。通过以往的计算经验可以看出，这两种方法需要的计算参数较 多，在计算过程中是比较费时费力的。另外，面对数量巨大的浮动车回传数据， 国内外已经开始做了大量的数据挖掘以及分析、处理的工作，因此，有必要提出 一种利用浮动车采集数据估算交叉口延误的方法。 本文的重点是针对目前城市中现有的g p s 浮动车研究城市交叉口延误估计 方法。目的在于摆脱传统计算方法，提出一套利用浮动车数据估计延误的新方法， 该方法充分利用现有城市浮动车检测数据，分析现有电子地图并从中提取交叉口 信息，将检测数据与电子地图中交叉口弧段相匹配，计算得到交叉口延误值。 本文共由六章构成。第一章为绪论，简要论述了论文研究背景、研究内容以 及研究思路和技术路线。第二章主要介绍了国内外研究的历史和现状，侧重于介 绍交通信息采集和现有交叉口评价指标两部分内容。第三章分析了车辆经过交叉 口的受阻过程，界定了交叉口范围以及车辆经过交叉口的畅行速度，为交叉口延 误计算流程的建立奠定了基础。第四章是交叉口延误计算流程的具体内容，首先 是在原始电子地图中将交叉口与路段的信息进行区分，将交叉口信息单独提取出 来；其次，对单一浮动车检测回传数据进行分析、处理，根据电子地图的交叉口 信息及构成交叉口弧段节点位置，结合浮动车回传数据及其在交叉口范围内的分 布情况，对浮动车经过交叉口的延误进行估计。第五章是根据实测数据，对上述 流程进行验证。最后，总结了论文研究内容和研究成果，并对未来的研究工作做 了简要的前瞻。 关键词浮动车；信号交叉口；延误；计算流程 北京工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t b a d 衄t h eh o m ea n da b r o a d t h er e a l 虹m e 锄da c c i 聃c yo fd 蛐i c 台a 伍c j n l 研m a t i o ni sn ”k e yo fi n t e l l i g c n tt r 缸s p o r t a t i o ns y s t 锄( i t s ) 功咄匝i ct r a 伍c i n f o r m a 土i d e 删o ni s 韶s 础a lt 0m o d 唧也l 妇cm 艇哑掣n e n t ，c o n 由l ，g l l i d 跹 锄dp l a 蛐i n 晷e j ( i s d n ga 艘a c ：h e st 0d e t c c t 俩cc o 耐i t i o np v i d e 嘣cd a t ao n l y a t p a m c l l l 缸p o i n t sa l o n g t h e a d s 舭dc 粗p e d o 皿l i m i t o d m g e a sa 删t ，s 眦h a p p r o a c h 鹤c 缸n o tp e r f b r mw e l li nm o d c r nt r a m cd e 、，c i o p m e n t m o r e o v e r ，t b e i m p l 曲l t a t i a n dm a i l l 钯n 缸c eo fm c he q 陋p m e m 啪b ec o s n y s o ，嬲t h ev 枷c l 部 e q u i p p e d 谢t h g p s 崩湎v 盯h e i n c r e 髂e d i n p a s t 姗y e 嬲，a n e w w a y t oc o n e c t 蛔伍cd a t ai s 圮n o 撕n gv c h j d e s a tt h ep r c s 如t6 m ，t h es i g n a l i z e di n ：t e 船t i o np c r f 0 咖响n c ei n 出鼯a mm a i n i y d c c i d e d b ym ed c l a y t 毗v c h i c l ed c l a ya t 恤s i 耐i z e d m 微州o n i s 也e 硒咖锄 m e 船u r eo fp 盯f 0 加姗c ee 艏c i e n c y 瓤ds e r v e rq i l a l i 够n n e c t sn o to n l yt h e “v e 巧 d i s c o m f o n ，地s h 逝o i lc 0 瑚u m e ，妇el o s c ，b u ta l n e c t st h el o j 画c a lo fs i 扣a l c o m m l 柚dd e s i g mb m ，a tp r e s t ，t h ec o m p l i c 觚o no f d e l a yo i l l yl i m 蹦t h em e t h o d w h i c hc a l c l l l 舢t ot h e 蛔d i t i o n a lf 0 恤l l l ac 0 嘞p l i l a 蛀o nm e t h o d 舔w e u 船t h e e n e a 【p 盯i m e n t w ec 缸蛳t b r o u g hm ef o 姗盯咖p l i t a 缸o ne x p e r i e 珊岛t h e t w o 础o d sn e e dm o 北p 眦m l e t e 培a n di 协q l l i t e 矗m e - c m 坷曲血g 趾dt a ：k e st h e 缸o _ l i b l ei n t h ec o 如i p 删o np r o c e s s ，f k i n gt h en o a t i n gv 础c l ef c o 曲a c kd a t a ，d o m e s 吐c 雒d f b r e i g a l 】c e a d ys t ；l r t c dt 0 m a k et b cm a s s i v ed 舡am i n m 岛锄_ a l y s i s 蹈w e u 鹪 p r o c e s s i n gw o r k ，t h e 糟f o r e ，i ti sn c c e s s a r yt op p o al 【i n do fe s t j m a t c dm e i h o dt o c o m p u t ct h ei n t 盯c 的nd e l a yu s i i 培t h en o a t i n gv c b i d ed 瓶 t h e a r c hd e s c 酊b e di nt h i sp a p 盯i s 玳捌：n c dw i 也e s t i m 撕n g1 i n l 【血n e 蜘 o f b a ns i g n a l i di n _ t e i 。c t i o n 丘o m 础cd a ：t at h a tc o i l 。c t l e db yc ) 【i s 吐n gn o a 吐n g v e b i c l e si nc i 够t h ep r o p o o f 也e 弘i p 盯i st 0g c tr i do f l h e 砌协衄m e t h o d 柚d p l 印o s e dan e wm e t l l o dt o 伪血n 砷b dd e l a y 璐i i l gt h en o a 恤g 删c l ed a 协t h i s m c t h o dl l e 虹s 吐n gn o 妇gv 出c l ed a t a 锄d 姐a l y s i sc 】( i s t i n gd e 咖nm a p 锄d w i t h d i 挪t b e 抽t c 秘时c t i o i 卫出) i m 羽i 删1 ，i tw i a 阴m i n et h c 戳n 觚h t 也触t h e m p i l 锄o n 丽no b t a i nt h ei i 髓s e c t i o nd e l a y t h cp a p 盯c 0 咀鲥o fs i 】【p a r t s t h e 触i sa 鲫m m a 彤w h i c hs i m p 炒 i n 扫酬i u c 嚣t h es t i l d yb k g r o 眦l d ，n t 锄：t s ，c i 锄dt c c h n i c a l l i t e t k c o n dp a r t m a i n l yr e “e w c d t h es t i 】由1 l i s t o 】了粗d 删雠s s s e d 幽d u c t i t w op a r t so f c o n t c i i t s 仃a i 嘲) 0 r t a t i o ni n f o m l a t i o nc o u c c 矗o na n dt h ee 姬s 吐n gi n t e 塔硎e v a l 删o n i n d e x e 8 ht h et h i i dp a 咄山ed e l a y 呻e s sa ts i 驴a ：i i z e di n l 粥c c 6 i sm a i n l y a n a l y 趵d d c f i m st b e 瑚g ca n dt h ce x p e d i t e 仃a 耽ls p c o do ft h es i 驴a l i z c d a b s t r a c i n c c r s c c 曲n ，i tl a yaf o u n d a t i o nf o rt h en o wo ft h es i 鄹| a l i z c di n t 婚嘣o nd d a y n 坨 自呸t hp a r ta n a l y z e st h e 础t e r i a lc o n l 崩如o f l h en o w f i r s ti sd i s t i n g l l i s h e si 玎：t e 侣c c 吐o n i n f b 锄a 虹缸吼r o a d c t i o ni n f o i m a t i 衄o i i to ft h e 砸m i t i v ee l e c 嘶cm a pa n d s c l tt h ei n t e 培e c 畦o ni n f b r m a 硒no n l y s 仪搬d l 品c a i i i 懿衄t h ea n a l y s i st ot h e n o a 士i n gv c h i c l e 瑚血1 k 面ed e l a yo fan o a 虹n gv c h i c l ep 螂i n gas i 印a l i z e d j 缸c 吐i s 铬向1 删b y 趾a l g o r ! i t b m ，谢1 i c hi m e g r a t e sg p sp o s m 伽i a ld a 乜o f m e v c h i c l ea n d 吐峙i n ：魄c 曲nn o d cp o s i 石伽i a ld a 土ai ng i sm 印1 k 丘f l hp a r tv a l i d a t e s l h e n o w b a s e d t h er c a l 觚a t l a s t ，m c p 驴础a n d 血d i n g 雠s 啪蒯 m 触w o 蚰a l s o s l l g g e s t c d k q w o r d sn o a ：t i n gv e h i c k ；s i 乎m i i z c di n t e 璐硎o n ；t m 地d c l a y ；c a l c u l a 虹o np r o c e 韶 m 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： ，堙 日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 砼 导师签名： 垒i ! 磊四日期：幽：! ：! z 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景 随着经济和社会的发展，城市规模日益扩大，城市人口数量急剧增加，城市 车辆不断增多。然而，由于城市发展空间的限制，交通基础设施建设的速度远远 跟不上交通车辆的增长速度。据统计，世界上各种车辆的增长速度为道路增长速 度的2 3 倍【1 1 。对城市而言，机动车辆增长与道路增长的速度差距更大，由此导 致的交通拥挤问题也日益加剧。事实上，无论是在发达国家还是发展中国家，城 市交通拥挤的现象随处可见，城市的交通状况正日益恶化。 交通拥挤严重制约城市经济的发展，影响了城市经济的运行节奏。最近的一 项研究表明，仅美国的主要城市每年由于交通拥挤造成超过4 7 5 亿美元及2 7 亿 工作小时的浪费，导致的经济损失达每年2 3 7 0 亿美元。在我国百万人口以上的 大城市，每年由交通拥挤造成的直接和间接经济损失约计1 6 0 0 亿元1 2 j 。 国内外实践表明，解决城市交通拥挤问题的有效出路之一是对其进行科学的 管理和控制，而非单一地增加道路建设。为了解决城市交通拥挤问题，必须从供 求两方面同时入手：一方面加快道路建设，改善现有道路设施，提高道路的通行 能力；另一方面加强道路管理，限制交通需求无限制增长。当城市发展到一定规 模以后，交通管理的作用就更加突出，西方发达国家现在解决城市交通问题的重 点，就在于加强城市交通管理1 2 j 。 进入二十世纪九十年代以来，由于城市机动车辆的急剧增加，交通阻塞问题 开始日益严重。创建新型的智能化道路交通系统，成为减少道路交通拥挤，提高 道路运行效率和安全水平的一种经济实用、行之有效的方法。 与传统的交通控制技术相比，智能交通系统( i n t e l l i g 衄tt r a n 驴r t 撕s y s t e m ， 1 1 r s ) 从系统的观点出发，在现有较完善的交通基础设施基础上，综合考虑车辆和 道路因素，将先进的信息融合、电子通信、自动控制、计算机处理等技术有效集 成，综合运用于道路交通管理，从而建立起在大范围发挥作用的、实时、准确、 高效的交通控制管理系统【3 】【4 】。r r s 以信息采集技术为基础，集成各种高新技术 完成数据通信、处理、利用及发布，实现交通管理控制的智能化、信息化和现代 化。实践表明，i t s 是解决当前城市交通拥挤的有效途径【5 】嘲。智能交通信息平 台是一种整合i t s 各子系统信息资源，按一定标准规范完成多源异构数据的接 入、处理、分发等功能，并面向应用服务且能支撑r r s 业务的物理系统，其实质 是交通信息的共享和综合利用。建设i t s 信息平台是当前i t s 领域研究的热点之 一。智能交通信息平台在智能交通系统中具有信息枢纽的作用，信息平台的建立 将为智能交通系统其他各个子系统的有效集成提供基础和可能，同时将为公共交 通系统间的信息共享提供一种机制和技术手段。利用信息平台提供的信息资源， 北京工业大学硕士学位论文 可以通过各种方式向社会公众提供高效、实时、全方位的与交通相关的信息服务。 智能交通系统的应用将极大地提高交通运输效率，保障交通安全，增强行车 的舒适性，改善环保质量，提高能源的利用率。浮动车数据采集系统是智能交通 系统中的重要子系统之一，作为一种新兴的数据采集技术，目前被广为应用。在 本论文中，浮动车上传的数据直接汇集到信息平台中，作为信息平台中不可缺少 的一部分信息资源，经过处理、分析以及数据的挖掘，最终作为交通系统中可以 直接利用的数据资源【7 】。国外浮动车主要采集行程时间和平均速度等交通信息， 并经过数据处理、融合后向用户提供实时的路线诱导等信息。目前国内基于浮动 车数据的交通信息处理研究相对较少。在所开展的试验研究中，主要集中在路段 行程时间的估计上，但是计算方法相对复杂，参数确定困难，难以满足实际应用 的需要。 浮动车数据采集的主要目的是为出行者提供全路网的行程时间、行程速度、 车辆延误等方面的实时交通流信息，并结合其它信息为交通用户提供咨询服务， 从而实现对交通流的主动引导，提高城市交通的管理水平。因此，从这个意义上 讲，浮动车数据采集系统是智能交通系统( i t s ) 框架下出行者交通信息服务子 系统的重要组成。 1 2 研究目的 延误这一指标是评价信号交叉口运行效率和服务水平的重要度量，它不仅反 映了司机不舒适性、受阻、油耗和行驶时间损失，还反映了信号控制规划、设计 的合理性，延误评价是目前交叉口评价中最为常用的指标。本文的目的在于摆脱 传统计算方法，提出一套利用浮动车数据估计延误的新方法，该方法充分利用现 有城市浮动车检测数据，分析现有电子地图并从中提取交叉口信息，将检测数据 与电子地图中交叉口弧段相匹配，计算得到交叉口延误值。 1 3 研究内容 本论文的研究重点主要是浮动车数据分析、处理，利用浮动车数据的延误计 算流程得到交叉口延误值，具体研究内容包括： ( 1 ) 根据车辆经过交叉口受阻过程确定交叉口范围以及车辆经过交叉口时 的畅行速度。 ( 2 ) 根据电子地图弧段数据库的数据特点，从现有m a 呻n f o 电子地图数据库 中将交叉口信息提取出来。 ( 3 ) 利用交叉口延误计算流程估计浮动车经过交叉口时的延误值。 ( 4 ) 利用现场实验的方法对延误估计方法进行精度的验证。 1 4 研究思路和技术路线 本论文的技术路线是：利用浮动车上传的实时数据，利用数据挖掘技术和处 2 第l 章绪论 理融合技术，与电子地图中交叉口信息相匹配，计算得到某一交叉口的延误值。 将利用浮动车得到的延误值与现场实验测得延误值比较，确定其精度。 具体研究思路如下图所示： 图l 1 研究思路 f 培u m 1 - l 黜a k hc h l e 1 5 本章小结 在关键基础理论研究的前提下，将先进的信息技术、数据通信技术及电子控 制技术等有效的综合运用于地面交通运输系统的智能交通系统越来越被研究人 员重视。浮动车技术研究的重点和难点在于对浮动车采集数据进行充分的利用和 合理的处理、综合和归纳，以实现对交叉口延误的准确的估计。在已有的电子地 图中提取交叉口弧段信息，并且利用浮动车上传的数据准确估计交叉口的延误是 本篇论文研究的核心内容。 3 北京工业大学硕士学位论文 第2 章交叉口信息采集及评价指标介绍 2 1 交通信息采集技术现状 2 1 1 固定点信息采集方法 各种交通信息是描述交通状态的重要指标，交通信息的自动采集技术已经有 了很大发展。目前实用的采集技术有感应线圈检测器、超声波检测器、磁性检测 器、红外线检测器、微波检测器等。视频图像处理技术也正在应用于交通信息的 检测。 ( 1 ) 感应线圈检测器 感应线圈检测器是目前使用最为广泛的交通流量检测装置，其安装为地埋 型。它是利用埋设在车道下的环形线圈对通过线圈或存在于线圈上的车辆引起电 磁感应的变化进行处理而达到检测目的的。传统的感应线圈检测器能提供车辆通 过、车辆出现、车辆计数及占有率等数据，对车辆计数等的检测精度也比较高。 虽然感应线圈检测器不能直接测量车速，但其可通过两个线圈所形成的速度陷阱 来测量车速或只用一个线圈、同时应用算法( 算法输入线圈有效长度、平均车辆 长度、车辆经过线圈所用的时间及经过车辆的数目) 来测量车速。由于其性价比 较高，感应线圈检测器应用比较广泛。 ( 2 ) 超声波检测器 超声波检测器是通过接收由超声波发生器发射的超声波束和车辆反射的超 声回波来检测车辆。它由车道上方的超声波探头向下发射一束超声波，车辆通过 这些波束时，引起波束反射回发送部件，通过判断信号与原反射回波信号在时间 上的差异来检测车辆数和车辆类型。超声波检测器为非地埋式安装。对流量、车 速的检测精度高，在城市拥挤的混合交通状况下仍能保持很高的检测精度。 ( 3 ) 磁力检测器 磁力检测器通过检测磁场强度的异常来确定车辆出现，是被动接收设备，其 安装为地埋型。将高导磁材料绕上线圈，用绝缘管封装埋设在车道下面来感应车 辆，当车辆靠近或通过线圈时，穿过线圈的磁场发生变化，这样即可检测车辆的 信息。对流量的检测精度较高。磁性检测器的优点是价格便宜，安装容易，特别 是地磁检测器。 一 ( 4 ) 红外线检测器 包括主动式红外线检测器和被动式红外线检测器，为非地埋式安装。主动式 红外线检测器中，激光二极管发射低能红外线照射检测区域，并经车辆的反射或 散射返回检测器，用于测量车辆出现等交通参数。被动式红外线检测器本身不发 射红外线，而是接收来自两个来源的红外线：检测器检测范围内的车辆、路面及 其它物体自身散发的红外线和它们反射的来自太阳的红外线。 4 第2 章国内外研究综述 ( 5 ) 微波雷达检测器 路旁安装的雷达有两种类型：连续波多普勒雷达和调频连续波雷达。微波雷 达检测器可通过发射不同的雷达波的波形获取交通参数。微波雷达传感器为非地 埋式安装，可安装在单车道中央的上方以检测该车道的交通参数，还可在多车道 道路的路边安装以测量多条车道上车辆的交通参数。路旁安装、多检测区域的雷 达传感器可提供多条车道交通流的交通参数，但其准确性要低于正向安装的同种 类型的雷达传感器。 黻霄达 蠡据线 哺li 图2 1 微波雷达的工作原理 f i g l 鹏2 - l1 kw o i kp r i 丑c i p l eo f m i h 哪er a d 盯 ( 6 ) 视频检测器 视频图像处理技术是将一段道路的交通状况摄成图像，并将原有的道路和路 旁景物图像迭加在图像上而检测出交通流量和速度的新兴技术，它能够提供一段 道路上的交通状况数据。一个典型的视频图像处理( d e o i m a g e p m c e s s 鸭) 系统包括：一个或多个摄像机、一个基于微处理器的计算机( 用于将图像进行数 模转换，处理图像) 及软件系统( 用于编译图像及由图像获得交通流数据) 。一 部p 系统可实现多条车道的车辆检测，而且维修保养费用较低。有的系 统可处理由多个摄像机采集的信息。 ( 7 ) 气压式检测器 一般适用于交通量不大情况下的短期交通数据的采集。气压式检测器埋设在 车道下方，沿道路横向布置，并将气压计连接到路旁的计数器上。安装过程简单， 但是会对交通流造成一定的干扰。气压式检测器将橡皮管放置在路面上，当车辆 驶过橡皮管时，橡皮管发出气压脉冲信号。这个气压脉冲信号使压力起动开关闭 北京工业大学硕士学位论文 合，向计数器或分析软件发出一个电信号。交通量较高时，气压式检测器计数的 准确度会下降。 ( 8 ) 声学检测器 声学检测器检测来自车辆内部和车辆轮胎与地面接触等多个来源的声音信 号，可检测车辆通过、车辆出现及车速等交通信息。当车辆通过检测区域时，信 号处理算法感知到声音能量的提高，产生车辆出现信号。当车辆驶离检测区域时， 声音能量减少，低于检测器的检测阙值时，车辆出现信号消失哪 2 1 2 浮动车交通信息采集方法 浮动车交通数据采集系统就是基于全球定位技术( g p s ) ，地理信息技术g i s 无线通信技术( 如g s m ，c d m a 或专网) ，计算机网络通信与数据处理技术， 利用安装在运行车辆上配备g p s 定位模块和内置无线通信装置的浮动车终端， 实时回传所经过的路网纵断面的交通流数据，所采集的信息可以作为传统交通检 测数据的重要补充，并且为车载导航系统提供动态的路网交通信息。 基于g p s 技术的交通浮动车信息采集方式，避免了传统交通检测方式的高 投入、数据精度和实时性差等缺点，既可以显著地降低成本，又可以有效地利用 现有的运行车辆，获取较高精度的道路交通信息。本研究中所采用的交通信息采 集方法就是基于浮动车技术的方法( 包括通信模块和块终端的车载设备) 。 基于浮动车的交通信息采集系统的开发源于特殊车辆的监控管理系统。同检 测器采集方式相比，需要较少的前期投入，运行费用低，而且实时性较强。因此， 由于浮动车采集系统上述的低投入，高覆盖率，实时性等特点，国内外对于浮动 车采集系统的研究开展较多。国外典型的系统有德国的f c d ( f l o a t i n g c 盯d a t a ) 浮动车系统，英国的f v d s ( f l o a 土i n g 雌c l c d a 土a s y s t e m ) 系统，美国的a d 州c e ( a d v a n c c d d d v c r a n d 虹c l e a d v i s o r y n a v i g 瓶o n c c e p t ) 系统，日本新一代的 c s ( v c h i c l ei n 】o 姗撕o n 觚dc 伽瑚砌c 撕o ns y s t 唧) 系统以及日本的p d r g s ( f l o a l i n g d m a m i cr d l 如g 1 1 i d 孤c cs y s t e i n ) 动态路径诱导系统国内目前已 建成的浮动车系统主要有浙江宁波的城市实时交通信息发布与动态导航系统。吉 林大学，北京交通大学等高校也在浮动车交通信息采集方面展开了相关的研究。 浮动车系统的基本依据是车辆的实时地理坐标，校准时间，行驶速度。这些 数据反映了车辆在城市中的相对位置以及运行状态。由于装载了g p s 系统的车 辆在城市道路上的运行状态是取决于其所行驶的路段的道路状况、拥挤程度、交 通流量等交通状况。可以认为，当系统拥有一定数量规模的浮动车情况下，将有 效、实时地采集包括点车速、路段平均车速、路段交通流量等在内的道路交通信 息。 在浮动车应用方面主要有以下几点优势： ( 1 ) 能良好的反映路网的交通状况； 6 第2 章国内外研究综述 ( 2 ) 车辆行驶里程以及运营时间长； ( 3 ) 覆盖面广。 2 2 基于浮动车的交通状态估计技术研究现状 发达国家在2 0 世纪8 0 年代就开始了浮动车技术的研究，早期研究倾向于将 其作为传统交通信息采集方式的补充手段。近年来，随着g p s 在社会各个领域 的广泛应用，研究人员开始尝试将其作为交通信息采集的主要手段，如以公交车 辆作为浮动车，估计交通参数的研究【9 q o 】和英国浮动车数据系统的应用；在我 国，研究人员也展开了对该项技术的研究和探索1 4 删。 应用浮动车进行交通状态估计的关键是交通数据的采集和交通状态的准确 估计。首先，在数据采集环节，为了减小个体浮动车随机性的影响，保证数据采 集的信息量满足交通信息估计精度的要求，需要确定路网或路段上信息采集单元 的数量，即路网或路段上浮动车对全部车辆的比值。怎样确定这一比值，这即是 浮动车最小覆盖率的问题【2 l 】。其次，在数据采集的基础上，建立精确的实时交 通状态估计模型，是这项技术的目的。浮动车覆盖率研究的目的之一是确保路限 浮动车在满足最小覆盖率的条件下，采用统计平均的方法得到可靠的交通信息估 计结果。但最近的研究和实践表明【1 3 1 【蠲，满足了浮动车最小覆盖率的要求并不 能确保交通状态估计结果一定可靠，还应当考虑浮动车的种类是否具有代表性。+ 因此，研究浮动车运行的特点以及它们与道路车流之间的联系，减小随机误差的 影响，通过数据处理技术等多种方法，建立精确的估计模型，是该技术研究的关 键。接下来本文就对浮动车交通参数估计模型简单的进行国内外研究现状回顾。 ( 1 )多元回归模型 2 0 0 2 年，r 0 h i n ib o b b a 在其博士论文中提出了应用公交车作为浮动车通过多 元回归建立路段平均速度估计模型的方法【1 1 】。研究借助统计软件s a s ( s t a t i s 吐c a l a n a l y s i ss o m 咖哟的分析，显示公交浮动车平均速度、车道数和道路限速值这三 个独立变量能反映6 7 路段平均速度的变化，进而建立了多元回归模型： 路段平均速度= 5 6 0 8 7 5 + o 5 5 8 1 4 x 公交平均速度+ 2 8 2 5 7 车道数 ，、 十o 3 9 7 4 5 道路限速值 测试表明在9 5 的时间里路段平均速度真实值位于此模型计算值的正负 l 仳m p h 内。 2 0 0 3 年，在另一类似研究中，d a v i da i 岫采用统计软件s p s s 测试不同 的自变量和因变量的共线性，经过方差分析建立了多元回归模型【1 2 】： 路段平均速度= l o 3 2 + o 6 9 公交平均速度+ 0 7 5 公交车站数 ，。 一1 6 9 x 路段交通信号灯数量 通过对模型的标准差分析和残差散布图的分析，显示出模型的精度为6 0 。 7 北京工业大学硕士学位论文 同时，研究也指出交通高峰期对模型的估计影响不大。 以上两个模型自变量不同的原因在于，第一个模型选择公交车站和道路交叉 口作为路段划分的依据，路口交通指示灯就正处于路段的进口或出口处。第二个 模型以公交车站作为路段划分的依据，路口交通指示灯就包含在路段内了。这样， 路口交通指示灯对这两种模型的影响就不同。这说明了不同的路段划分方法对模 型的建立有影响；在不同的道路条件下，各种因素对交通参数的影响程度也有差 异。 ( 2 )神经网络模型 d 删da m _ i h o n y 在其研究中，为了进一步提高交通参数估计的准确性，尝试 采用神经网络建立估计模型【1 2 】。研究应用n 肌r o s o l u 如n s 专用神经网络软件，选 择隐层数为2 、双曲正切函数为激活函数的b p 网络，选取了公交平均速度、路 段限速值、交通信号灯数量和路段公交车站数量作为网络输入变量，输出为路段 平均速度，建立网络模型。通过实际数据测试，模型计算结果的精度大于7 0 。 对比回归模型，神经网络模型具有更高的计算精度，这也说明了神经网络的 非线性函数逼近能力对于交通参数估计这一类复杂的、多因数影响的非线性求解 问题有其特有的优势。 ( 3 ) 模糊推理模型 y a 蛳n gl i 和 虹k em c d o n a l d 应用模糊推理策略，提出了采用一辆普通浮 动车估计路段行程时间的模型田】。该模型基于对浮动车的速度一时间行驶特征 的分析，引入一个新的变量最大连续加速度m a c ： 脚一l 警+ 警卜硝秒 q i 乞一 蚝 i 其中，岛和是浮动车采样数据时间系列中速度连续增加子系列的起始和结束时 间：瓦= ! 一p 协，是浮动车平均速度。用巧和m a c 来表征浮动车在路段车 f 2 一f l ： 流中行驶的快慢程度，建立推知该浮动车相对于路段车流速度的快慢程度的模糊 推理规则，通过推理结果修正浮动车的行程时闻，将修正值作为路段行程时间。 通过验证，模型估计值正确率是9 8 ，估计值与真实值的误差绝对平均百分比小 于2 1 。 该模型融入了人工智能的思想，利用了浮动车检测数据中蕴含车流速度变化 的浮动车瞬时速度值，并且不依赖于道路因素，体现了在交通参数估计时浮动车 技术的优势。 ( 4 )速度积分模型 速度积分方法利用了浮动车检铡的离散瞬时速度时间系列，应用数值积分方 8 法计算浮动车的行驶路程。c e s a r a q u i f o g a 在其研究中描述了如下速度积分 计算方法刚计算车辆的行驶速度： v = 罢= 孚z 射钭+ 附毕华”“， 研究通过实际采集数据比较了此方法和选取路段两端车辆g p s 采样点 通过距离与时间之比计算路段平均速度的方法，结果显示，在采样时间间隔 小于1 0 秒时，此方法的误差明显较小，当采样时间间隔大于1 0 秒时，两方 法的误差差距明显减小，但依然存在。 我国学者李筱菁等人也提出了类似的计算模型瞄l ，并针对采样周期为 一秒的g p s 浮动车速度采样时间系列，提出用m a r l a b 软件拟合浮动车的 速度函数，然后积分求出平均速度。另外，北京工业大学交通研究中心研发 的交通诱导( 车辆导航) 系统n 6 】中，考虑在浮动车以接近于车流平均速度 的车速行驶的情况下，由浮动车的区间速度来近似表征所对应弧段的区间平 均车速的方法计算路段的平均车速。 2 3 现有交叉口评价指标介绍 交叉路口( 锄粥硎o n ，j 1 】n c t i ) 的功能是把道路相互连结起来使其构成道 路网。交叉路口通常有多向交通流集中，该交通流又有交通信号中断，从而该处 形成交通瓶颈的情况比较多。并且，右转弯车辆和直行车辆交通流以及汽车和行 人等在此交错，交通事故的危险性高【”。研究显示，道路的通行能力在交叉口处 降低了4 6 至5 0 ，车辆在交叉口产生的延误约占全程行车时间的3 l ，发生 在交叉口的交通事故约占总量的“，而且交叉口的拥挤、延误、事故往往波及 路段和整个路网系统，并同时引发噪声、废气污染、能源浪费等问题。因此，道 路网畅通与否，很大程度上取决于交叉口交通问题处理得好坏。 近年来，国内外对交叉口交通评价作了不少研究，下面就对国内外常用的一 些信号交叉口评价方法作一介绍和分析，并且简单介绍了交叉口畅通可靠度的评 价方法。由于本论文主要研究的是交叉口运行状态的评价方法，所以只对安全评 价、环境质量评价以及综合评价作简单介绍。 2 3 1 运行状态评价 2 3 1 1 延误评价 延误是指车辆在行驶中，由于受到驾驶员无法控制的或意外的其他车辆的干 扰或交通控制设施等的阻碍所损失的时间。延误能反映司机不舒适、受阻、油耗 和行驶时间损失，所以是最常用的评价信号交叉口运行状态优劣的指标。延误的 9 北京工业大学硕士学位论文 种类有很多，如固定延误、排队延误、引道延误等等，美国1 9 8 5 年版的h c m 【2 q 中，用1 5 m i n 分析期间内每辆车的平均停车延误来衡量信号交叉口的服务水平， 具体标准见表2 1 唧。 表2 1 信号交叉口服务水平标准 1 曲k2 - l1 kl o sc r i 吲o no f a n i e r i c as i g e l a li n t 啦e c t i 咖 服务水平 平均停车延误( s ) 服务水平平均停车延误( s ) a ! 三5 o d2 5 1 4 0 0 b5 1 1 5 0e4 0 1 6 0 o c1 5 1 0 5 of 6 0 该服务水平划分标准应用较为广泛，但具体的延误估计模型不尽相同。从以 前出版的h c m ( 包括1 9 8 5 、1 9 9 4 、1 9 9 7 ) 和最新出版的h c m ( 2 0 0 0 ) 给出的 延误分析方法可以反映出，所有的h c m 对延误公式都作了校正圆，不同的是 1 9 8 5 年版的h c m 模型对整个公式作了校正；1 9 9 4 年修订版的h c m 中的停车延 误模型对重车、公共汽车停靠、保护左传和许可左转、信号联动、车辆到达类型 和车队化程度等方面进行了更细致地考虑和处理【2 9 】p 田；9 7 年修订版的h c m 采 用控制延误来作为划分信号交叉口服务水平的依据，平均控制延误为停车延误和 由停车而造成的加减速延误之和【3 n ，总的来看，平均控制延误大约是平均停车 延误的1 3 倍；2 0 0 0 年出版的h c m 手册更加全面的讨论了各种干扰条件的影响， 更加细致地考虑由于信号联动和交通特性及交通环境对延误的影响网，是近年 来研究的一个趋势。 2 3 1 2 饱和度评价 饱和度，是交叉口实际交通量( 或车辆到达率) v 与通行能力c 的比值。当 饱和度接近或超过1 o 时，交叉口处于拥挤状态，在这种情况下，只用停车延误 来判定交叉口的服务水平是不合适的，需要结合饱和度来评价，其服务水平的划 分见表2 2 】。 。 表2 - 2 考虑饱和度的信号交叉口服务水平划分 1 曲l e2 2佻l o sc r i t c r i o fs i 趴a lm e 僦枷c s i d 。d 虹圮删 1 i r 蜥 服务水平 停车延误( s )饱和度( v ，c ) a三o! 鲫9 0 b5 1 1 5 o! 抑9 0 c1 5 1 ，2 5 o如9 3 d 2 5 1 4 0 o 璺o 9 5 e 4 0 1 5 0 o s 1 o f 6 0 1 0 2 3 1 3 负荷系数评价 负荷系数，是饱和绿灯时间次数与全部绿灯时间次数之比。所谓饱和绿灯时 1 0 第2 章国内外研究综述 问，即在绿灯信号期间，全部绿灯时间都充分用于车辆通行。负荷系数值为肛1 o 。 接近于1 o 的表示处于拥挤状态，接近于o 的表示处于清闲状态。在车辆到达随 机性较高的独立信号交叉口，负荷系数能够表示交叉口延误程度的相对状况。依 据负荷系数的信号交叉口服务水平等级划分见表2 3 田】。 表2 - 3 考虑负荷系数的信号交叉口服务水平划分 1 曲l e2 - 31 1 l el o sc i i t e i i o f s i 乎i a li i 耵辩c t i o c o 璐i d 即e d1 l l el o a d 丘疵叫 服务水平 abcde 负荷系数o 00 o 一_ 0 1o 1 0 30 3 卸7o 7 1 0 当加大信号周期时，交叉口的平均延误时间增大，而负荷系数则有变小的趋 势。交通量越大、车辆到达均匀性越高，这种倾向越明显。 2 3 1 4 畅通可靠度评价 系统或单元的可靠度是指一个系统或单元，在规定的使用期间和预定的工作 条件下，能正常工作的概率f 3 3 】。所以交叉口作为路网系统中的最小单元其畅通 可靠度可定义为，在规定的时间内，规定的条件下，道路交通运行状态满足畅通 状态的概率。文献p 4 j 中将规定时间定义为工作日的高峰时段，规定条件定义为 交叉口正常使用条件。所以，交叉口畅通可靠度可定义为：在工作日的高峰时段 内，交叉口在正常使用条件下，交叉口交通流运行状态能满足畅通状态的概率。 通过交通统计进行畅通可靠度评价就是对各路段和交叉口进行同一高峰时 段的多次交通数据采样，判断道路运行状况是否达到了预定的功能；这里的预定 功能主要指道路是否畅通。可采用式( 2 - 5 ) 计算单元畅通可靠度的近似值。单 元f 畅通可靠度表示为： 艘。：壹堕堕塑堕堕璧堕堕旦! 堑望塑达墼( 2 5 ) 高峰时间内路段或路口f 总的观测次数 交叉口的服务水平只能说明一个问题，即交叉口是怎样来满足人们交通需求 的，但却没有说明交叉口能在多大程度上保证这种能力的发挥，因此就需要创造 一个新的指标来综合这两方面的含义，而这就是交叉口可靠服务水平【3 5 】( l i a b l c l o so fs i 鲫l 砷肼c t i ) 提出的客观背景，它以交叉口可靠度为基础，结合交 叉口服务水平的概念，对交叉口性能作出了高度概括，其定义如下： 对于路网中任一交叉口，在任一时段都会同时对应一个可靠度和一个服务 水平，称这二者的乘积就是交叉口在任一时段的可靠服务水平。 与此类似，便可定义任一出行路径上所有交叉口的可靠服务水平，这也就是 路网中交叉口的可靠服务水平，它描述了在某一时段对整个路网中所有交叉口的 服务水平的保证程度。显然，可靠服务水平比传统的服务水平来得更确切，也更 加适合描述路网的实际情况。 北京工业大学硕士学位论文 路径全部交叉口可靠服务水平 为了使路网中全部交叉口的可靠服务水平能有更准确的表示，下面来进一步 量化这个指标。 设路网中的任一条路径中所有交叉口在某时段的可靠性所构成的行向量为 ，= g ，吃，l s = b ，屯，) 是与r 相对应的交叉口的服务水平，和分别 是第个交叉口的可靠度和服务水平。根据上述定义，这条路径上全部交叉口 的可靠服务水平一可以表示为： 。 矿= w = ，如 ( 2 6 ) ，l l 其中，就是第个交叉口的可靠服务水平。 2 3 1 5 其它评价方法 除了上述这些评价方法以外，排队车辆数、停车次数、停车率等指标也常常 用于信号交叉口的评价，但一般都要与其他评价指标结合使用。其中排队车辆数 包括红灯时间末排队车辆数和绿灯时间末排队车辆数。停车率是每个周期停驶车 辆所占整个周期到达车辆的比例。停车次数是指在一个平面信号交叉口的某个进 口道上，经过交叉口时某辆车连续遇到红灯而导致的该辆车要经过的停车次数。 同济大学的张建华晔1 ，林航飞在对上海市的许多交叉口进行实地调查分析之 后，提出了用两次停车率来对交叉口进行评价。同济大学的张毅媚，晏克非提出 的利用s r a 软件鲫来评价交叉口。湖南大学李嘉提出的灰色聚类的信号交叉 口综合质量评价【3 3 】，以及杨宇星，林航飞【3 9 】提出的基于g i s ( 地理信息系统) 的 城市交叉口管理与评价系统。 2 3 2 安全评价 道路交叉口对整个道路系统的安全水平有着十分重要的影响，同时交叉口的 事故对交叉口的交通流运行秩序有很大影响。目前进行交叉口安全评价的方法主 要有事故率法、经验模型法、回归模型法、灰色系统理论评价方法、交通冲突技 术等，其中，交通冲突在许多国家得到广泛应用。 2 3 3 环境评价 ( 1 ) 绿化情况 道路交叉口废气浓度较路段高，通