（交通信息工程及控制专业论文）北京市实施移动检测系统关键问题的研究.pdf

北方交通大学硕士学位论文 y8 7 8 躯8 摘要 本文首先介绍了当前国内外一些i t s 发展状况和相应的移动检测技术的 应用，并将移动检测技术与传统的交通信息采集方法作了比较，而后分析了 北京市实施移动检测技术可能选用的车辆类型及通信网络。 论文定义了评价移动检测车系统的指标，并通过应用稳态交通流延误模 型，通过将移动检测车所检测的旅行时间看作一个随机样本，应用概率的理 论对带有信号交叉口的路段满足一定的旅行时间相对误差所需要的移动检测 车数量进行分析，得到了相应的量化公式并作了初步的分析，在此基础上推 导出路网覆盖率的公式。分析了北京市路网实施移动检测车系统时，整个系 统应该覆盖的范围，以及要求的旅行时间相对误差的及网络覆盖率等参数的 范幽，然后据此推算出北京市实施移动检测所需要的移动捡测车辆的数量。 本文在介绍微观交通仿真软件v i s s i m 的应用范围及其理论模型的基础 上，阐述了应用v i s s i m 获得仿真的旅行时间的方法，然后应用了v i s s i m 微观交通仿真软件对带有信号交叉口的单车道路段分别设定不同的流量、刷 新周期、移动检测车比率采用多个随机种子进行仿真。得到了与理论分析比 较一致的结果，然后对北京市快速环路网进行仿真，得到所需要的移动检测 车比率。 最后，论文对下一步工作进行了展望。 关键字：移动检测，旅行时间，移动检测车比率 北方交通人学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t i h ec u r r e n ts t u d ys i t u a t l o na 【l df 嘶ed e v e l o p m e n td l r e c t i o no fi 。i su s e dmc h i n a a n df o r c i g nc o u n t r i e sp l u st 1 1 ea p p l i c a t i o no ft h ep r o b ev e h i c l es y s t c m 、v 硒 i n t r o d u c e da tf i r s t t h e nt l l ep a p e re x p l a i n e dm eb 踮i cs t r u c t u r ea n dt h e 矗m c t i o n o fm ep r o b ev e h i c l e a n d 、v ea l s oc o m p a r e d 血ep r o b ev e h j c l es y s t e m 、 ，i t h t r a d i t i o n a l t r a m ci n f b m a t i o nc o l l e c t i o nm 甜l o d s t h c nm ec h o i c eo fv e h i c l ec l a s s f o rp m b ev e h i c l ea 1 1 dm ew i r e l e s sc o n l m u l l i c a t i o nn e t w o r kw a sd i s c u s s e da b o u t t h ei m p l e m e n t a t i o no f b e 巧i n g sp r o b ev e h i c l es y s t e m s e c o n d ly ，i nt h i sp a p e r ，t h ee v a l u a t i o ni n d e x e so nt h ep m b ev e h i c l es y s t e mb a s e d o nt h eg p s w i r e l e s sc o u n u n i c a t i o nt e c h n o l o g yw e r ed e 矗n e df i r s t ，t h ed e l a y m o d e lw a se s t a b l i s h e db yt a k i n gt h et r a v e lt i m ef 如mt h ep r o b ev e h i c l e sa s s t o c h a s t i cs a r i l p l ea c c o r d i n gt ot 1 1 es t e a d y s t a t eq u e u i n gt h e o r y r h ef b 玎r l u l af o r c a l c u l a t i n gn e c e s s a r yn m b e ro fp m b ev e l l i c l e sa b o u tas i n g l ei i n kw i t l ls i g n a l i n t e r s e c t i o nw 懿d c d u c e d a n dm ef o 衄u l af o rc a l c u l a t i n gt h ec o v e m g eo f n e 砌r kw 龉p r e s e m e d t h e nm en 啪b e ro fp r o b ev e l l i c l e st oi n e e tb e 西i n g n e “r o 】出w 雒f o u g h i ye 鲥删疵d 删r d l y t l i i sp a p e ra p p l i e dn 把l i l i c r o s c o p i c 廿a 丘i cs i m u l a t i o ns o f t 、v a r ev i s s i m t o s i i n l l l 蛐gm e 仃娟cf l o wo fas 吨l el i l l k 、i ms i 删i n t e 糟e c t i o nt ov e r i 移m e f o m i l l ad e d u c e da t ) o v e t h e nm ei m p to fs e v e m lk e yp 盯锄e t e r ss u c h 鹤 v o l 啪e ，u p d a t i l l gp c r i o dt ot l l ep m b cv 出c ks y s t c mw 嬲d i s c l l s s e da c c o r d i n gt 0 t h es i m u l a t i o nr 船u l t a tt h es a n l et i m et l l eb e i j i n g st m s i tl o o pn e t w o r k 吣 s i m l l l a t e d a n dm en e c e s s a r yp r o b ep e n 烈船吐o na b o u tt h eb e i j i n g st r a n s i t1 0 0 p n e r k 、a sp r e s e n t e d i nt l l el a s tp a r to f m ep a p e r ，t 1 1 ep a p e rp o i n t e do u tt l l ec o n c l u s i o na n dm ew o r ks t i l l t ob es t u d i e df i l f 也e l k e yw o r d s ：p r o b ev e h i c l e s ，t r a v e lt i m e ， p r o b ep e r l e 缸a t i o n 2 北方交通大学硕士学位论文第一章 1 1 选题背景 第一章概述 2 0 世纪六七十年代，世界经济进入了一个高速增长的时期，交通工具的 数量急剧增加，导致了已有的道路远远满足不了经济快速发展的需要，交通 状况变得日益恶化。为了有效地解决交通阻塞问题，在扩建必要的道路网的 同时，世界各国都在不断地探索新的方法，并且进行了大量的研究工作，其 中美国、欧洲和日本所做的工作引人注目。到了9 0 年代，计算机技术、信息 技术、通信技术和电子控制技术飞速发展，人们意识到利用这些新技术把车 辆、道路和使用者紧密地结合起来，将会更有效地解决交通阻塞问题，而且 对交通事故的应急处理、环境保护和节约能源等都有显著效果。于是人们充 分利用系统的观点，来重新审视运输系统，进而导致智能交通系统( i n t e l l i g e n t t r a n s p o n a t i o ns y g t e m s i t s ) 的诞生。 i t s 是在交通运行过程中系统地将先进的信息技术、计算机技术、数据 通信技术、传感器技术、电子控制技术、自动控制技术、运筹学、人工智能 等学科成果综合运用于交通运输、服务控制和车辆制造，加强了车辆、道路 和使用者之间的联系。从而形成一种定时、准确高效的综合交通系统。 智能交通系统将交通管理过程智能化、自动化，其核心是为交通管理者 和交通参与者提供实时、准确、全面的交通信息，从而消除交通规划、建设、 运营、管理以及交通参与者的盲目性，大大提高既有交通基础设施的利用效 率。i t s 是一个复杂的大系统，其涉及到六个方面：先进的交通信息系统 ( a t i s ) 、先进的交通管理系统( a t m s ) 、先进的车辆控制系统( a v c s ) 、先进的 公共运输系统( a p t s ) 、商用车辆运营系统( c v 0 ) 、先进的郊区系统( a r t s ) 。 l 、先进的交通信息系统( a t i s ) 。其核心是信息中心，该中心为出行者提 供强大的信息支持。譬如：为出行者提供所需的有关公交线路图及发车时刻 表、某一时刻某一路段的车速状况、道路施工情况、绕行路线和气候条件等 实时信息：提供与目的地相关的信息如：沿途加油站、汽车修理厂、餐馆、 医院等设施的地理位置分布、地址、电话、营业时间等等；提供沿途交通及 道路状况信息如：道路线形、路宽、交叉口、坡度、交通堵塞情况等信息； ! ! 查窭望查兰堡! ：兰堡堡兰 苎二兰 提供最佳行驶路线及实时导航信息等等。 2 、先进的交通管理系统( a t m s ) 。该系统由一系列的监视公路状况、支持 交通管理与出行建议系统所组成。 3 、先进的车辆控制系统( a v c s ) 。该系统是指借助车载设备及路侧、路 表的电子设备来检测周围行驶环境的变化情况，进行部分或完全的自动驾驶 控制以达到行车安全和增加道路通行能力的目的。 4 、先进的公共运输系统( a p t s ) 。作为智能交通系统的子系统其部分原因 是保证对各种可选交通方式有足够的考虑。该系统采用先进的公共汽车、车 辆全球定位系统和先进的电子技术等来达到不需要新建另外的公路却运送更 多的出行者的目的。 j 、商用车辆运营系统( c v o ) 。商用车辆包括货运汽车、公共汽车、出租 车和紧急车辆。该系统可为商用车辆运营业户提供电子收费、监测、危险时 预警并在必要时进行自动控制；还可帮助司机确定车辆位置，避开交通阻塞 路段，大大提高运输效率。 6 、先进的郊区系统( a r t s ) 。包括郊区交通规划建设，相关车辆运营以及 适合郊区特定条件的和特点的交通管理。 从上述6 个系统我们可以看出，除先进的车辆控制系统( a v c s ) 致力于 交通安全及自动驾驶外，在其他系统中，道路交通信息是所有i t s 项目中最 为重要和核心的内容之一，也是制约i t s 研究计划顺利执行的关键因素 1 。 从广义信息角度看，i t s 可用图1 1 所示的交通信息流模型表示。 图1 1 i t s 信息流模型 从图中看出，i t s 研究内容是针对交通信息的各种操作，包括信息采集、 处理、发布和利用等，因此l t s 可以认为是信息技术在交通领域内的具体应 用。其中数据采集是利用各种检测设备获得交通量、路面参数、车辆速度等 信息：数据处理技术用于分析交通量、速度等传输来的信息，并进行事故预 ! ! 查銮望查兰堡主兰堡丝苎 箜= 兰 测、车辆诱导、选择控制策略；信息发布是指通过各种信息媒体向广大i t s 用户提供处理得到的交通信息，并将该信息施加给车辆、行人或交通标志等。 实现交通管理从简单静态管理到智能动态管理的转变，满足了人们对实时、 动态及历史交通信息的需求。 目前交通信息的采集技术有很多种比如感应线圈检测、超声波检测、 红外线检测、微波检测、视频图像处理技术、全球卫星定位系统( g l o b a l p o s i t i o n i n gs y s t e m g p s ) 和自动车辆识别等。这些交通信息采集技术各有利 弊，通常采用多数据源信息融合的方式获得可靠的交通信息。除了上述这些 传统的交通信息采集技术，通过利用检测检测车( 详见第二：章) 获得路段旅 行时间、平均旅行速度等信息作为一种相对而言新型的技术正越来越受到重 视。该技术与传统的交通信息采集方法相比具有数据采集灵活、覆盖面广， 受自然条件影响小等优势。 1 2 国内外发展概况 1 2 1 国外发展状况 目前领导世界智能交通系统研究和应用潮流的依 橙测至袭置籀通通套攫堡弱藕錾霸动艳犁玉篓曩堪馐毒薪g 墟强避甥；遂 衍瞒酱瓣，稽息，翰鐾润。雾壁犁。摘茬遒；蚋耐拍阳奏一豢裂疆誊匙舅鲥 艘鞫甜蝻“朔妹鲢j 墨弱滩趣嚣通过交通流中一定比例的移动检测车辆与交 通信息中心实时交换数 据的一种新型交通信息采集系统。当移动检测在道路上行驶时，来自路 网纵剖面的交通流数据将被收集，这样可靠和准确的旅行时间等参数可 以直接和方便的测得。该系统作为一种重要的实时交通信息采集方法目 前已得到世界各国的普遍承认。并成为交通信息工程的研究热点。 1 3 该系统通常由三个部分组成：( 1 ) 车辆； ( 2) 一种：车辆定位技术 ( 如g p s 、电子标签、移动电话等) ；( 3 )实现车辆和交通信息中心之 间数据传输的通倩系统。 问数据传输的通信系统 x ! ! 查窒望查兰婴主兰垡丝墨里三兰 器使用反射接收器，用来反射光束和接收反射光束，通过记录路面和车 顶反射率的变化对车辆进行检测。阻断式红外检测器由位于道路一侧的 反射接收器和车道另一侧的强反射板组成，车辆通过时，反射波被切断 而检测到车辆。红外检测器能采集车辆流量、点速度和占用率信息。 ( 3 ) 微波检测器 微波检测器是按照多普勒效应原理工作。该检测器向行驶的车辆反 射l o m c 的微波束时，波束被车辆阻挡而产生反射波，引起频率变化， 经过接收，鉴频放大，输入一个检测信号，以检测流量和点速度。 ( 4 ) 视频图像处理技术 视频图像处理技术是将一段道路的交通状况摄成图像，然后对图像 进行处理和分析。采用这种技术获取数据，可通过下列两种方法：1 1 通 过控制中心大屏幕画而人工获取交通量信息：2 ) 通过以正常速度重放录 像带自动采集交通量信息。这两种方法获取交通量信息均存在磁带延迟 效应，即放带速度慢于交通事件发生的真实时间。因此，使用采集到的 交通数据之前必须预先处理。 ( 5 ) 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数据检测装置，s c 0 0 t 系统就是利用它进行交通数据采集的。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。当车辆通过线圈时产生电感量的变化引起相位的变化，通 过相位比较器获得一个相应的信号，它可用来检测交通流量、占有率和 点速度等。 ( 6 ) g p s 技术 g p s 是一个定位和导航系统。g p s 卫星不问断地发送自身的星历参 数和时间信息，车载单元接收这些信息后，经过处理，可对车辆进行定 位。 ( 7 ) 自动车辆识别( a u t o m a t i cv c 惦c l e si n d e f i n a t i o n a v i ) 自动车辆识别技术是将一种小的电子标签装置在车窗上，标签中有 一个微型无线电发射器，它可发射出车辆自身特征信息码，在道路两侧 装有高灵敏度的天线及终端识别器，终端识别器能识别车辆自身特征码， ! ! 互銮望查竺堡主兰丝丝奎里二兰 ( v e h k l ei n f o m a t i o na n dc o m m u l l i c a t i o ns y s t em ，v i c s ) 项目中，采用一种新 的远红外车辆检测器。这种检测器可以作为高带宽双向通讯发射与接收器， 向车辆提供实时车速等交通信息，并从装备了这种检测器的车辆获取路段旅 行时间“。 除了v i c s 外，目前一些日本的企业如富士通公司等也在积极地推进移 动检测车系统的研究和应用，具有特色的是其应用并非单纯局限于采集交通 流信息，而且还用于城市天气预报的收集，这些实践对拓展移动检测的应用 提供了有益的探索。 1 2 2 国内发展状况 9 0 年代初，我国学者开始关注国际上i t s 的发展，1 9 9 5 年以后，我国 关于智能交通系统的研究、试验和国际交流同益频繁。交通部已将智能交通 系统列入中长期规划。同时，许多单位、高校和科研院所等也都分别成立了 智能交通系统工程研究中心，专门进行智能交通系统研究。 我国许多城市现代化交通管理己初具规模，智能交通控制系统集成了交 通电视监视、交通信息检测、交通信号控制、交通信息综合、交通诱导、停 车管理、交通违章检测和交通通讯等技术，形成一个计算机管理网络。智能 化的交通信息采集和处理成为交通信息流的主体部分。 尤其是于2 0 0 4 年1 2 月1 9 日开通的在宁波试验开通的中德合作项目“城 市实时交通信息发布与动态导航系统”，标志着移动检测车系统首次在中国得 到实际应用。该系统由德国宇航中心交通研究所、宁波保税区管委会和安徽 省软件工程中心合作实施。这套系统是采集市区3 0 0 0 多辆出租车上的g p s 运动数据，对道路负荷、交通流量和畅通能力进行分析，为出行者提供导航 服务。该系统将作为“宁波市智能交通系统”的重要组成部分，通过交警、 交通、城建、公交等部门使用该系统，提高宁波市的交通管理水平、运行效 率和畅通能力。该系统的开通使宁波司机的出行将更加方便。司机可以通过 手中 x 苎查銮望查兰堡主竺竺丝苎兰二里 北京市因为堵车而导致的损失在6 0 亿元左右，虽然根据发展规划，截止2 0 0 4年底北京在市区三环范围内建成了“二环四横两竖”的交通信息采集系统， 无论在检测方式还是在检测范围上都有了较大的改善，但相对于i t s 的广泛 实施还是远远不够的，主要存以下问题：1 信息采集覆盖的区域非常有限， 信息采集点的数量和分布范围还没有达到一定规模。2 所采集到的信息滋峨 弼西：竖可全婪扣豁群垃弗醑啡醍薹誊囊薹蒌囊薹冀蠢翼謇| 蠡雾塞矍蘩薹妻 霪矍萎j 霞篓藿薰羹荦未制裴囊奏；羔薹雾囊囊薹羹囊羹霸蠊繇螺茁酗孵醢 明醛够酶簸翡霸褂药糖；嘉南蕈苗萄鼯l l l 溯拍铺泪疆，麴县晷型辟。枣 篡颦善兽褒攀磊。：瑟璺霰剥釜基喇剑型剐! 滗蝠缯港峨珀碗噬锣州懈i 妻臻搿善簇捌啮溪灞滋。涤峪芝赢词墨型毫翼掣 。粗码”( c a c o d e ) 的标准定位服务( s p s ) 和基于“精码”( p 厂yc o d e ) 的精确定位服务( p p s ) 。 定位时接收机的位置是一系列卫星伪距的交点，用四颗卫星即可确定三 维坐标和时间。由于其高动态、实时、高精度等特点，因此在军事，民 用等方面都有重要的意义和应用价值。 g ps 系统的高精度、快速实时定位能力来源于其科学严密的组成与 精心设计。该系统主要由三大部分组成：空间部分、地面监控部分和用 户设备部分。 空间部分：2 l 颗工作卫星，3 颗备用卫星。卫星轨道面相对于地 1 7 郑l颗工作卫星，3颗备用卫星。卫星轨道面相对于地17x 北方交通大学硕士学位论文第二章 图2 1 采用g p s ( 含差分站) 和无线通信网的移动检测系统结构图【1 4 l 2 2 移动检测车与传统检测方法的比较 动态交通信息自动采集技术有感应线圈检测、超声波检测、红外线 检测、微波检测、视频图像处理技术、g p s 技术和自动车辆识别等。 ( 1 ) 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并经车辆 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、车辆类型、占有率 和排队长度。用双探头可以检测车速。 ( 2 ) 红外线检测器 红外线检测器一般采用反射式和阻断式检测技术。反射式红外检测 1 4 北方交通大学硕士学位论文第二章 基于上述情况，可以认为出租车是作为移动检测车辆的理想选择。 首先，由于出租车辆的行驶路线是应客户要求而定，所以就整个出 租车系统而言其路网覆盖率是相当高。而且由于其交通高峰期往往行驶 于出行量巨大的快速路，主干道，所以有出租车所采集的数据基本上可 以认为是优质数据，特别在交通高峰期，由于出租车辆相对其他时段在 干道上分布密度加大，相应地采集到数据量会增加，对于实时检测干道 交通流会有很大作用。 其次，由于出租车出行率非常高，所以就同一个车载终端而言提高 了设备利用率，而且根据f v d 的经验，一台出租车采集的数据相当于多 辆私家小汽车的数据量。 再次，由于出租车基本由出租车公司来管理，所以使管理变得相应 的简单。 最后，如果考虑到一些出租车公司会在移动检测系统的基础来丌发 调度系统，这样在降低空驶率的同时也相应的减轻路网的压力。而空驶 率的降低会给出租车运营者带来利益，有可能形成共同负担车载终端和 运营费用的机制，在这种情况下，会降低移动检测系统的投资和运营费 用。 2 3 2 2 公交车 北京市现有公交车辆约2 万余辆，分别属于北京市公交总公司和北 京市运通客运有限公司等。其运行路线基本覆盖了北京市路网，并深入 到各个居民小区。 公交车来作为移动检测系统车辆有其独特的优势和局限性： 其优势首先在对路网覆盖率高，其次运行时间长，往往在1 2 个小 时以上，所以每台车辆采集的数据量大，车载终端设备利用率高。其次 由于其运行路线固定，所以采集的数据有利于和历史数据进行对比分析， 分析算法相对而言简单。再次交通流在很大程度上受到公交车的影响， 或者可以说公交车本身就是交通流的一个重要部分，而且公交车有其自 己的特点，所以如果没有从公交车作为移动检测车辆所收集的数据，进 行各种分析、建模时，数据就是不完整的，不利于得出正确的结论。 但是由于公交车本身要有停靠站点，所以给后端数据处理算法带来 1 9 ! ! 查奎望盔兰堡兰兰堡丝苎堡三兰 很大挑战。而且由于其停靠的原因，其数据所反映的并不是一个确定的 连续交通流参数。这样的数据会对下一步处理带来难度。 2 3 2 3 私家小汽车 目前，根据统计北京市的私家小汽车拥有量已经达到8 0 万辆，而 且数量还在以很高的速度增长，逐渐成为高峰时期交通流的主体。就北 京市私家小汽车作为移动检测车辆来看现在有如下的问题： 首先，其出行率低，通常仅用作上下班的代步工具，这样就降低了 车载终端设备利用率。其次，目前多数私家小汽车内空间狭小，而且车 主往往不愿意在没有任何利益的情况装载此类车载终端设备。再次，由 于私家小汽车属于个人，所以导致设备的维护、升级等管理非常困难 而且工作量非常大。最后，由于隐私问题同益引起人们的关注，所以在 没有相关法律的情况，容易引发法律纠纷。 另一方面，由于私家小汽车出行非常规律( 特别是在工作日) ，而 且中间不存在停车问题，可以完整表达连续的交通流，同时其数据有利 于制订特定的居民小区出行规划等，所以在可能的情况下，应进一步做 认真研究，如何有效利用私家小汽车作为移动检测车辆。 2 3 1 4 结论 基于以上的分析，可以认为在当前情况下，应首先考虑采用出租车 和公交车，特别是出租车来作为移动检测车辆，同时可以有选择地按一 定比例选取一定区域( 如望京、海淀的一些居民小区) 的私家小汽车来 混入整个移动检测系统，来看结果是否理想。 2 3 3 通信方式的选择 2 3 3 1 采用g s mg p r s 通信模式 g p r s 是g s mp h a s e 2 1 规范实现的内容之一，能提供比现有g s m 网 9 6 k b i t s 更高的数据率。g p r s 采用与g s m 相同的频段、频带宽度、突 发结构、无线调制标准、跳频规则以及相同的t d m a 帧结构。因此，在 北方交通大学硕士学位论文第三章 第三章p r o b ep e n e t r a t i o n 的理论分析 3 1 目前尚未解决的问题 移动检测车比率( p i o b cp e n e 昀吐o n ) 是指移动检测车辆在交通流中所占的 比例。目前的研究大部分是通过仿真或小规模实验的方法来确定，并未应用有 关的交通流理论来进行比铰严格地推导。而且大部分研究仅仅局限于高速路或 者是城市快速路，对于带有信号交叉口的城市主干道或者次干道并未进行相应 的研究。 此外大部分研究结果只是针对特定路网并没有一个普遍适用的数学公式 来确定，即使有个别理论推导由于数学模型过于简化而显得不适用。而仿真结 果也一般仅仅是精确到百分之几，对于拥有几百万辆机动车的特大城市而言， 这个结果往往是不够满意的。 由于交通流本身的复杂性以及目前相应的交通流理论的不太完善所以导 致准确确定p m b ep e 眦缸血0 n 是件十分困难的事情。然而p r o b ep 由曲o n 的确 定却具有重要意义，直接决定整个路网的移动检测车系统的规模，并对后端数 据处理具有重要影响，同时也直接影响到旅行时间的准确性。特别对于北京市 而言，北京市所拥有的机动大部分并未装载车载终端，如果实施移动检测车系 统的话，仅仅车载终端一项就意味着巨大的投资，又北京市交通流十分复杂， 据一些国外相关专家根据经验估计，北京市所需的移动检测车数量为5 0 0 0 辆而 另一些专家则认为需要1 删辆，两者相差2 0 倍。所以对此必须进行深入研 究才能得到比较准确的结果。 3 2 移动检测系统的评价指标 为了确定非常p m b ep e n 曲面0 n 同时也是评价一个移动检测车系统的必要， 必须建立一定的评价指标。我们可以直观的发现两个指标是非常重要的： 1 路网上有多少路段被移动检测车旅行，从而可以得到相关的旅行时间检 测数据? 在这里我们将它定义为：路网覆盖率。路网覆盖 x 苎查! 翌查堂堡主堂丝堡塞 墨三皇 定常数的概率 2 移动检测车所检测的旅行时间与实际的路段旅行时间的偏差到底 有多大? 在这里我们定义：旅行时间估计误差，即移动检测车所得到旅行 时间经一定处理后与路段实际平均旅行时间之差的绝对值与路段实际平 均旅行时间之比，常用百分比表示。 这两个指标是非常重要的，它们分别从空间上，精度上对整个移动 检测车系统进行了定量描述，并且基本上可以比较准确地对整个系统进行 评价。 3 3 路网覆盖率的分析 为了分析的方便同时考虑到一些城市路网的实际情况，我们先做 些假设： 路网上行驶的车辆的都是相同的； 路网上所有的路段都是相同的，特别具有相同的长度； 路网上的移动检测车的报告频率足够的高，可以提供其所在 路段的交通流信息，即通信链路不是瓶颈； 移动检测车在路网上需要采集交通流信息的路段上是随机分 布的。 设路网上的移动检测车数量为n ，需要采集交通流信息的路段数为 n ，则对于一辆特定的移动检测车而言，其正好处于路段a 上的概率为l n ， 所以某一路段a 上正好有m 辆移动检测车的概率分布服从二项分御 1 2 l l m 】，即 p 僻壮陕卅圹= ( 学 p t ， 可以得到某一路段上，移动检测车辆数f 辆的概率为： p ( x ，) = 1 一p ( x = 小) 记之为尸 ( 3 2 ) 那么整个路网上，恰有j 个路段满足移动检测车辆数，的概率分布同样 服从二项分布，即 北方交通大学硕| ：学位论文第三章 p ( y _ j 卜 ；j p “( 1 一p 甲1 记之为尸， ( 3 - 3 ) 则整个路网上，满足移动检测车辆数，的路段数量大于q 的概率为： 尸+ ( y g ) = l 一尸( x = ，) 记之为p ( 3 - 4 ) 由上述知道，如果能确定，的值，则整个路网的移动检测车辆数量就 可以确定了。那么一个关键问题是如何确定z 的值。，的值是受旅行时间 相对误差制约的，为了达到比较准确地确定，的之值需要分两种情况考 虑：城市快速路和带有信号交叉口的道路。 3 4 对带有信号交叉口的路段的旅行时间进行分析 目前有很多研究报告表明在城市快速路上，移动检测车比率相对而 占是比较小的，约在3 5 2 3 】f 2 4 1 ，对于这一结论不同的研究分别根据 不同的路网情况进行试验和仿真，得到的结果基本上是一致的。那么现在 问题就是主要是确定带有信号交叉口的路段的，冉g 值。 要准确地测定路段的旅行时间，必须要考虑车辆在交叉口的受阻滞 过程，则平均旅行时间是： t = t c 七d 其中：，是实际完成行程，所花费的时间； l 是若不受红灯阻滞，以正常行驶速度完成行程三所需要的 时间，即= 工虬( 为正常行驶车速) ； d 是车辆受阻的总延误时间。 这里在忽略交通流中大型客车的情况下可以近似地认为是一个常 量，则r 主要由d 来决定。目前关于d 的研究主要有：稳态延误模型、定 数延误模型及过渡函数延误模型。本文主要研究稳态延误模型下，车辆受 阻的总延误时间对移动检测车数量的影响。 稳态理论是基于低饱和度的情况下建立的，稳态模型中假设的随机 2 6 ! ! 翌苎兰查兰竺兰兰堡堡墨 要三要 加排队，另一种是不参加排队。我们这里首先考虑参加排队的情况，根据 上图可以知道，如果移动检测车在( o 歹) 时段内到达，则该车辆将会参 加排队。而如果在( 芒了，c ) 内到达该车辆将不会参加排队直接通过信号 交叉口。在这里假设y 足够小，从而保证一c ，即五 y ，即不会发 l v 生二次排队的情况。 在这罩先考虑参加排队的车辆延误时间，如果将到达车辆作为一个 随机样本的话，那么显然它的到达时刻为一个随机变量，考虑到车辆的到 达率是恒定的，那么车辆到达时刻显然是在( q f 专) 上服从均匀分布。 而车辆的延误时间。是x 的函数，即。= ，一旦孑x ( 3 - 6 ) ，并且 厂( x ) ：上2 ( 3 7 ) ，则可以得到车辆的延误时间在( o ，) 上服从均匀分 布。那么实际上参加排队的车辆在该路段上所需要的旅行时间实际是( f 。， + r ) 上的均匀分布。 综合上述两种情况，可以得出： 对于任意一辆移动检测车而言，在一个信号周期c 内，其有两种不同 的方式通过信号交叉口： 1 不参加排队 这种情微生的概鞔草：苦，在这种情况下其延误 这种情况发生的概率为：= 上= 竺2 ，在这种情况下其延误 时间。为。即尸( ，s 。s ，+ r i x 三了) = 。c ，- s ，这里k r + r 】c ( 。，) 北方空通大学硕士学位论文 第三章 这种情况发生的概率为：三兰，在这种情况下其延误时间d 服从( o ， r ) 上的均匀分布。即 聊鲫纠埘卜南，= 等 这里【f ，f + f 】c ( o ，r ) 这样，我们就得到了移动检测车延误时间的概率分布： 邶，2 苦+ 等苦引 ，。， 显然，对于一辆移动检测车而言，其延误时问的数学期望是： e ( d 、= 二! 二生+ o 生= 型尘 ( 3 1 1 ) 、 2l y l y2 ( 1 一y ) 该式与( 3 5 ) 式一致。 其方差为： 即，= 警弓一焉， 协 根据前述，可以认为就某一特定路段而言，t 是一个常量，那么要 保证平均旅行时间的估计误差p ，。在1 0 以内的概率9 0 ： 讹。：罐圳冰毗 ( 3 1 3 ) 其中：乇为移动检测车所检测到的旅行时间，可以认为是一个抽样，这样 的话，假设交通流信息的发布频率为t ，则t 时段内通过的移动检测车的 数量为，则 北方交通大学硬士学位论文 第三章 2 喜，显然，= + 包并且( ) = i + 爰鲁务，记睡= 喜喀， p ( 1 西，一e ( d ) j o 1 ( ，。+ e ( d ) ) o 1 ，同时由切比雪夫不等式知道： 尸( i 包一e ( 。) i 。- ( ，c + e ( 。) ) 丽器c ，一1 ，a ， 丛生盟= so 1( 3 1 4 ) o 1 ( f ，+ e ( d ) 】2 ，当萼黑 ( 3 _ 1 5 ) ，。+ e ( d ) 】2 、 e ( d ) 2 端，d ( d ) _ 警弓一悬似中等正好为车辆参 加排队的概率，令七： 兰，则式( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) 可分别写成： 即) = 等 ( 3 _ 1 6 ) d ( 。) = 凡2 【壶一扣 ( 3 _ 1 7 ) 怂群 b ! ! 查奎望查兰堡主兰些丝苎塑三兰 从式( 3 一1 8 ) 可以看出，当红灯时间，越大，则相应的，越大，即所需要 的移动检测车越多。而实际情况中，大部分交叉口是固定配时的，即信号 周期c ，红灯时间r 是固定的。这样，的大小实际上取决二f 和七。现分 别取实际路网上可能的= lr ，2 r ，3 ，4 r ，5 r ，1 0 r ；七取o 6 1 分别计算 ，的值，计算结果见图l 。 05o 60 70 8o 9lk 图3 2 ，与及t 的关系 从该图我们可以看出，除去f ， 2 r 时七的变化对，的影响不大。从另外 一个方面来看，t 对f 具有决定性的影响，特别当 ，并且= o 6 7 + 羔 o ，工矗 由此可以认为若x s 0 6 7 则不会产生过饱和车辆排队，所以 e ( 岛) 苦锗 0 ) 北方交通大学硕士学位论文第四覃 6 驾驶员在近距离开始注意同前方车辆的负速度差： o p d v = c l d v + ( 一k 6 一k 7 + n f z ) 其中：k l k 7 为需确定的模型参数； z f l 和z f 2 为反映驾驶员特性的介于【0 ，l 】的正态分布随机数； n z f 为一个纯数学的介于 o ，l 】的正态分布随机数。 如所述，心理一物理车辆跟驰模型视驾驶员一车辆单元为一个统一提， 它通过在交通网络上移动驾驶员一车辆单元来仿真交通六，经过交通网络的 每一个驾驶员的驾驶行为依附于特定的车辆，依赖于改车辆技术性能。从这 个意义上来说，在v i s s i m 仿真交通网络上移动的不仅仅视一辆辆的交通工 具，而是带有“思维”的驾驶员一车辆智能综合体。 在驾驶员一车辆单元通过交通网络的过程中，驾驶员在多车道上不仅受 前车的影响，而且还受相邻车道上行驶车辆的影响，其行为特性采用速度随 机分布与车间距临界值的随机分布来表示。 v i s s i m 交通仿真的核心是驾驶员一车辆单元。它包括一系列属性，现 简单介绍如下： 车辆的技术性能指标，它包括长度、最大速度、潜在加速度、在网络 中的实际位置、实际速度与加速度等； 驾驶员一车辆单元的行为，它包括驾驶员的心理敏感度的阈值( 估计 能力与谨慎程度) 、驾驶员的记忆力、当前速度下的加速度与驾驶员的期望速 度； 驾驶员一车辆单元的相互关系，它涉及本车道及要变换的车道的前后 车，并涉及现有路段与下一交叉口，以及下一交通信号。 w i e d e m a n n 的交通流模型是饱含车辆纵向运动与横向运动算法的心理 一物理跟驰模型。此模型假设一个驾驶员的驾驶模式是以下四种驾驶模式之 一： 1 f r e ed r i v i n g 此模型中驾驶员保持其期望速度。实际上驾驶员不能保 持恒定的速度，而是在期望速度上下波动。 2 a p p r o a c h i n g 在靠近的过程中，当达到期望的安全距离时，驾驶员减 速以使两车的速度差为零 3 f o l l o 咖g 大体上保持安全距离，当由于估计方面的不准而使速度差 在零上下波动 ! ! 互銮望查兰堡主堂丝堕苎；苎婴兰 4 b r a l 【i n g 这通常在前车突然改变速度或前方另一辆车变换车道的情况 下发生。 以上四种驾驶模式对应与图2 中四个区域，对于以上任何一种模式，加 速行为可以视为速度、速度差、距离、驾驶员与车辆个体特性等因素综合作 用的结果。一旦打到某临界值时，驾驶员即从一种模式变换到另一种模式， 该临界值是速度差和距离的综合表现。比如，速度差别小的只能在小距离范 围内察觉，而速度差别大可在大距离范围内觉察，因而速度差别大时可使跟 随的驾驶员提前作出相应反应措施。因受心理方面及生理的限制，如观察期 望速度和估计安全距离一样，驾驶员观察速度的变化及估计距离能力会因人 而异。 心理一物理车辆跟驰模型的基本思想是：驾驶行驶速度较快车辆的驾驶 员在与行驶速度较慢车辆的距离打到自己观测临界值时，它就开始减速。由 于无法确定前车的速度，他将使其速度一直低于前车速度，而一旦达到另一 个观测临界值使他又开始稍微加速。这便形成一个加速与减速的交替过程。 、聃e d e m 咖的跟驰模型是迄今用于计算机数字交通仿真的最为精确的 模型之一。因此，在这一理论基础上开发的微观交通仿真软件v i s s i m 能较 好地重现实际交通状况，是迄今最为详细的商业化的交通仿真软件。 v i s s i m 仿真软件中的车辆跟驰模型与车道变化模型中涉及到许多参 数。这些参数是程序运行的基本条件，可以根据不同的交通类型调接这些参 数，可以在驾驶行为参数( d r i v i i l gb e 姗i o rp a f 锄e t e r s ) 对话框中对这些参 数进行修改调整，修改好的参数将与交通网络信息一起保存在扩展名为i n p 的文件中。 4 2 检测旅行时间的方法 应用v i s s d 讧微观仿真软件可以测得在路网的每辆车通过一定长度的距离时 所用的旅行时间。 应用s s 玎“测定路网上行驶车辆的旅行时间的具体步骤如下： 1 建立路网 北方交通大学硕士学位论文第阴章 图年3 s s “仿真软件界耐2 6 要进行v i s s 讧仿真，所需要做的第一步工作就是建立路网，如图4 _ 4 所示， 就是进行s s “仿真的路网的局部。 要建立路网，首先需要个背景地图，s s 订软件可以导入位图( b n ) 文 件作为背景，并且可以在横向，纵向调整位图的比例，以使之符合实际要求。通过 v i s s n “中的菜单o p t i o n b a c l 嘻l l d 下的几个菜单项实现匕述功能。在建立好背 景地图后，就可以在背景上画路段，建立路网。 v i s s “中的路段共包括：路段的长度，车道数，路段的类型，车道的宽度， 坡度，方向等内容。为了后期生成结果文件及分析的需要，路段的属性还包括路段 编号和路段的名字。 北方交通人学硕士学位论文第四章 图4 _ 4 路段参数输入界面 s s 订中的连接器共包括：起始路段和目的路段，连接器分别在俩路段的起 始位置和终止位置，坡度，e 涨驾s 卸，l 丑ma 姗萨( 这两项的重新设置将影响交 通流模型，所以需要根据所仿真实际路网的调查数据慎重设置，以免造成仿真结果 失真) ，及d i 瞄6 0 n 属性( 一般选择a 1 1 ) 。 在v l s s “中，路网是由在v 璐s n 订中，路网是由路段( 1 i r 出) 和连接器( c 0 加t o r ) 组成。在实际路网中物理e 联通的路段在v i s s 订中必须通过连接器把代表实际路 网路段的两个v i s s 订仿真路段连接起来，不能通过将个仿真路段放置在另一个 仿真路段e 来达到两个仿真路段联通的目的。 根据输入的背景地图，建立路段并且将联通的路段通过连接器联通，这样就基 本建立了一个基本的路网。但是这并不是个完整的路网，除此之外还需要设置各 种交通标志，并且如果是城市平面路网的话，还需要设置信号交叉口的信号灯，以 及调整信号灯的配时。 北方交通大学硕士学位论文第四章 图4 - 5 连拯罱堙 狲喻入界面1 2 6 】 2完成e述工作，只是做了仿真工作的第一步，接下来我们需要做的是流量 的输入。流量的输包括两部分的内容，分别为：设置车轺特性，交通组成(缸棚州瞧幽纠刮i 粪雾l 陶i 写譬何i i 壅番|蓑iil芝繁，驾鲳豁饕蠢鏊鎏罄莲鼙蓉露瑟真熟蠢强l讳畦鳞霆顶馐镞螯 裂裂一e 锰爱璧鬟纬噬霸g 二墼爿需嚣省的车辆特性可能更符合发达国家路网上行驶的 车辆的特性所以在中国这个一些大城市月惘进入汽车化时代的国家是使用s s “ 进行伪真时，必须要根据史际调查数据进行调整。 在调整完车辆特性上后，接下柬需要做的工作确定交通组成，即不同种类的车 辆在交通流中所占的比例，这同样是要根据交通调查数据来获得。其界面如下； 图4 1 7 交i 恿坌酬瀚编辑界面2 6 l 接下来的工作是设置流量，在v i s s m 中可以输入时变的交通流量，并且变通 北方交通大学硕士学位论文第四章 图4 _ 8 交通流量输凡编辑界面f 2 6 3 设置旅行时间检测器( t 豫v e ln m es o 甜0 1 1 s ) 每个旅行时间包括两个部件：起点部件( s t a nc r o s ss e c n o n ) 和终点部件 ( d e s 【i n a d o nc r o s ss e c t i o n ) ，当仿真车辆通过起点部件时开始计时，当车辆到达终 点部件时停止计时，从而得到旅行时间，这罩的旅行时间包括车辆在行驶过程当中 等待和停留的时间。当设置旅行时间检测器时，需要切换到“定义 编辑旅行时问模 式”，同时应该注意的是旅行时间检澳懦的设置必须是起点部件和重点部件成对设置 的。 4 旅行时间仿真结果的生成 v i s s i m 可以有三种方式输出仿真结果：输出到窗口，