CN104050803B - 一种区域高速路网运行状态评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种区域高速路网运行状态评价方法，通过下述步骤实现：步骤1：划分高速路网路段；步骤2：获取高速公路子路段微观交通运行状态评价；步骤3：获取高速公路路段中观交通运行状态评价；步骤4：获取基于路网结构的高速路网宏观交通运行状态评价；步骤5：获取高速公路路网交通出行指数；本发明适用于区域高速路网，首先对高速公路各路段速度与阈值的判定确定各路段拥堵度，再通过计算拥堵里程占路网总里程的比例确定路网的交通拥堵指数，该指数是评价区域高速路网的宏观指数，能够直观地反映区域高速路网运行状态，为交通管理者和交通出行者提供动态出行指数。

Description

一种区域高速路网运行状态评价方法

技术领域

本发明涉及高速路网运行状态评价方法，是一种利用单一指标评价高速路网交通运行状态的评价方法。

背景技术

近年来，我国高速公路建设快速发展，但同时，运行过程中仍存在交通安全、交通效率、环境污染等问题，节假日和早晚高峰期问题尤为突出。高速路网运行状态评价指标能够直观动态地反映高速路网运行状态，为交通出行者提供重要的交通信息参考，对有效管理和运营高速公路、充分发挥和协调高速路网通行能力起着关键的作用。

目前，城市道路网交通状态评价指标体系相对完善，能够为交通参与者提供直观的交通状态的感知。但目前国内对高速公路运行状态评价的研究还比较零散，且大部分为多指标运行状态评价方法，无法直观地量化动态交通运行状态，不能为交通参与者提供一个明确的动态的出行指标。而要解决这个问题，就必须研究一套切实可行的多层次、单指标高速路网运行状态评价方法。

高速路网运行状态评价方法分为单指标评价和多指标评价两种方式。多指标评价方法主要是选取平均车速、平均行程延误、饱和度、时间占有率等多个交通指标进行综合的交通评价。但是，各指标权重的确定具有不确定性，因为不同的高速公路路段、同一路段的不同时间，不同指标对高速路网运行状态反映的重要程度是不同的。而单指标能够反应高速路网动态的运行状态，且判定标准统一，选取恰当的指标具有十分重要的现实意义。

现有的一些专利中，已有一些对路网交通流运行状态评价指标确定的方法。申请号为：200910081851.2，专利《区域交通服务水平的多粒度分析评估方法与评价系统》中提出了一种基于速度、流量、占有率的多指标、多粒度区域交通服务水平的评价方法，但是该方法侧重于信息和数据的交换和传输层面，没有提出具体的评价计算方法；申请号为：200910081852.7，专利《区域交通服务水平微观指标及评价方法》中提出的基于交通速度、流量、占有率等指标的服务水平评价方法，通过将指标归一化处理得到微观服务水平与等级，没有对中观、宏观路网综合分析，不能全面地反映路网运行状态；申请号为：201210084221.2，专利《一种区域交通状态评价方法》中提出了一种基于路段平均行程时间的单指标区域交通状态评价方法，应用模糊综合评价方法，但该评价方法只适用于城市区域路网，对区域高速路网不适用。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种基于宏观、中观、微观的多层次区域高速公路路网运行状态的单指标评价体系，能够对区域高速路网实时运行状态进行动态评价，计算出行指标的方法。

本发明的一种区域高速路网运行状态评价方法，通过下述步骤实现：

步骤1：划分高速路网路段；

高速路网划分为h个路段，每个路段包括m个子路段，路段的划分以高速公路相交的枢纽互通立交为控制节点，子路段的划分以高速公路相邻检测器作为控制节点；

步骤2：获取高速公路子路段微观交通运行状态评价；

将车速作为高速公路子路段微观交通运行状态评价指标；

以D为时间节点计算各子路段空间平均车速，D的单位为min，采集子路段平均行程时间、路段长度信息，得到子路段空间平均车速：

$V_s=\frac{1}{\frac{1}{n}\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{v_k}}=\frac{\mathrm{nx}}{\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{t}_k}$

其中，V_s为子路段空间平均车速，x为子路段长度，n为车辆行驶于路段长度x的次数，V_k为第k辆车的地点车速，t_k为第k辆车的行驶时间；

根据子路段空间平均车速、拥挤度等级划分标准，确定各子路段拥挤度等级，分别是畅通、基本畅通、轻度拥堵、中度拥堵、严重拥堵；

步骤3：获取高速公路路段中观交通运行状态评价；

路段拥挤度为：

其中，F_i为高速公路路段i拥挤度，m为该路段子路段个数，为子路段j在时刻t拥挤状态赋值(0,1,2,3,4)；

步骤4：获取基于路网结构的高速路网宏观交通运行状态评价；

根据高速路网中h个路段拥挤度状态，计算路网加权后边数值e(t)以及高速路网时态加权γ(t)指数，其中路网加权后边数值为e(t)：

$e\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{F}_i^t$

其中：e(t)为路网加权后边数值，为第i个子路段权重加权值，α_i为边权值，等于1；

高速路网时态加权γ(t)指数为：

$\mathrm{\γ}\left(t\right)=\frac{1}{4}\frac{e\left(t\right)}{(3p-6)}$

其中：P为节点个数，0<γ(t)<1，当权γ(t)接近0时，路网整体状态拥堵，当γ(t)接近1时，路网整体状态畅通；

步骤5：获取高速公路路网交通出行指数；

高速路网交通出行指数基于高速公路路网交通拥堵指数，以D为时间节点计算高速公路路网交通拥堵指数，将高速路网拥堵里程比值转化为0-10的高速路网出行指数：

a(t)＝10γ(t)。

本发明的优点在于：

(1)本发明适用于区域高速路网，首先对高速公路各路段速度与阈值的判定确定各路段拥堵度，再通过计算拥堵里程占路网总里程的比例确定路网的交通拥堵指数，该指数是评价区域高速路网的宏观指数，能够直观地反映区域高速路网运行状态，为交通管理者和交通出行者提供动态出行指数；

(2)本发明基于一个完善的高速路网信息库，信息库中的内容包括区域高速路网各路段重点监测点动态的车辆速度信息、各路段长度信息、各路段限速信息等基本信息，每15min获取一次路网状态信息，计算交通拥堵指数；

(3)本发明克服了现有评价区域路网指标技术中选取因素多、模型复杂、主观性强等缺点和不足，提供了一种高速公路区域路网交通状态评价方法，实时准确地反映宏观路网交通运行状态。

附图说明

图1为本发明中路网层次划分；

图2为本发明评价流程图；

图3为本发明中微观层次拥堵度评价过程；

图4为本发明中中观层次出行指数评价过程；

图5为本发明中宏观层次出行指数评价过程。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步阐述。

本发明的一种区域高速路网运行状态评价方法，流程如图2所示，通过下述步骤实现：

步骤1：划分高速路网路段；

子路段的划分以高速公路相邻检测器作为控制节点，是因为该类控制节点是交通流变化的节点，且各子路段内的交通流变化具有一致性，是进行交通状态评价分析的最小单元。路段的划分以高速公路相交的枢纽互通立交为控制节点，原因是枢纽互通立交是交通流发生较大变化的节点，由若干子路段串联而成，该层次是微观路网与宏观路网运行状态评价的过渡。

本发明综合考虑高速路网拓扑结构和交通流特性，提出了一种适合区域高速路网交通状态评价的路网层次划分方法，具体划分方法如附图1所示。区域路网由n个路段组成(分别是路段1，路段2，…，路段n)，每个路段由m个子路段组成(分别是子路段1，子路段2，…，子路段m)；

步骤2：获取高速公路子路段微观交通运行状态评价；

首先分析高速公路区域路网中道路的组成和路段特征，选择以路段空间平均车速作为指标来刻画交通运行状态。通过高速路网中环形线圈检测器、视频检测器、微波检测器等固定检测设备，采集子路段平均行程时间、路段长度信息，得到子路段空间平均车速，通过空间平均车速，确定子路段拥堵级别。

空间平均车速的计算公式为：

$V_s=\frac{1}{\frac{1}{n}\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{1}{v_k}}=\frac{\mathrm{nx}}{\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{t}_k}$

其中，V_s为子路段空间平均车速；x为子路段长度；n为车辆行驶于路段长度x的次数；V_k为第k辆车的地点车速，可由检测器直接得到；t_k为第k辆车的行驶时间。具体评价方法如附图3所示，根据实时检测器速度数据，以5min为时间节点计算各子路段空间平均车速，根据拥挤度等级划分标准确定各子路段拥挤度等级，分别是畅通、基本畅通、轻度拥堵、中度拥堵、严重拥堵。

步骤3：获取高速公路路段中观交通运行状态评价；

根据中国《高速公路路段拥挤度等级划分标准》，对各子路段交通状态进行划分赋以不同权值：

高速公路子路段拥挤度等级划分标准

因此路段拥挤度可表示为：

其中，F_i为高速公路路段i拥挤度；m为该路段子路段个数；为子路段j在时刻t拥挤状态赋值(0,1,2,3,4)，计算流程如图4所示；

步骤4：获取基于路网结构的高速路网宏观交通运行状态评价；

高速路网的交通运行状态是随时间变化而变化的，因此本发明从时态变化的角度，提出一种动态的高速路网交通运行状态评价方法，计算得到的高速路网出行指数综合考虑了高速路网通阻度在一定时间段内的动态变化状况。

高速路网的通阻特性由各路段通阻特性和路网拓扑结构决定的，其中路段通阻特性随时间变化而变化。假设：对于两个节点间的连通性而言，如果连接两点的路段的通阻状态越好，则认为在同等条件下，这两个节点间的连通度越高；若某路段的通阻状态越好，则为该路段所赋的权重也大；路段的通阻状态是时间T的函数。宏观层次出行指数评价流程如附图5所示，根据区域路网中n个路段拥挤度状态，计算路网加权后边数值e(t)及γ(t)指数，最后得到时态加权的γ(t)指数，即得到路网畅通状态。

针对一个路网G＝(V，A)，V是路网中所有节点的集合，A是路网中所有路段的集合，以路段通阻度的加权表示法为基础。路网实际边数与它可能存在的最大边数的比值称为路网的γ指数。P为节点个数，传统的γ指数表示如下：

$\mathrm{\&gamma;}\left(t\right)=\frac{e}{3p-6}$

传统的γ指数没有考虑高速路网交通状态(畅通、基本畅通、轻度拥堵、中度拥堵、严重拥堵)，也没有考虑高速路网实时交通状态的变化。本发明考虑时态加权的边数表示如下：

$e\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{F}_i^t$

其中为i个子路段权重加权值，e(t)是路网加权后边数值，对应于不同子路段通阻状态。由于每个节点处最多存在直行、左转、右转三个方向路径，因此最大加权边数为3p-6，时段t高速路网加权边数e(t)与它可能存在最大加权边数ω_max(3p-6)的比值(ω_max为权重中的最大值，这里ω_max＝4)称为高速路网时态加权的γ指数，表示如下：

$\mathrm{\&gamma;}\left(t\right)=\frac{1}{4}\frac{e\left(t\right)}{(3p-6)}$

对于连通的高速路网来说，0<γ(t)<1；当权γ(t)接近0时，路网整体状态拥堵；当γ(t)接近1时，路网整体状态畅通；

步骤5：获取高速公路路网交通出行指数；

高速路网交通出行指数基于高速公路路网交通拥堵指数，将5分钟作为一个时段，计算高速公路路网交通拥堵指数的结果。由于高速公路路网拥堵里程的比值和高速路网拥堵指数成正比，通过线性关系，可以将高速路网拥堵里程比值转化为0-10的高速路网出行指数：

a(t)＝10γ(t)

因为该指数是面向公众发布的，因此为了便于公众的理解，将出行指数的范围线性回归到0-10的范围内，并且该指数对应于不同拥堵级别。

出行指数拥堵级别

Claims (2)

1.一种区域高速路网运行状态评价方法，包括以下几个步骤：

步骤1：划分高速路网路段；

高速路网划分为h个路段，每个路段包括m个子路段，路段的划分以高速公路相交的枢纽互通立交为控制节点，子路段的划分以高速公路相邻检测器作为控制节点；

步骤2：获取高速公路子路段微观交通运行状态评价；

将车速作为高速公路子路段微观交通运行状态评价指标；

以D为时间节点计算各子路段空间平均车速，D的单位为min，采集子路段平均行程时间、路段长度信息，得到子路段空间平均车速：

$V_s=\frac{1}{\frac{1}{n}\underset{k=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}\frac{1}{v_k}}=\frac{nx}{\underset{k=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{t}_k}$

其中，V_s为子路段空间平均车速，x为子路段长度，n为车辆行驶于路段长度x的次数，V_k为第k辆车的地点车速，t_k为第k辆车的行驶时间；

根据子路段空间平均车速、拥挤度等级划分标准，确定各子路段拥挤度等级，分别是畅通、基本畅通、轻度拥堵、中度拥堵、严重拥堵；

步骤3：获取高速公路路段中观交通运行状态评价；

路段拥挤度为：

其中，F_i为高速公路路段i拥挤度，m为该路段子路段个数，为子路段j在时刻t拥挤状态赋值{0,1,2,3,4}；

步骤4：获取基于路网结构的高速路网宏观交通运行状态评价；

根据高速路网中h个路段拥挤度状态，计算路网加权后边数值e(t)以及高速路网时态加权γ(t)指数，其中路网加权后边数值为e(t)：

$e\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{m}{\&Sigma;}}{F}_i^t$

其中：e(t)为路网加权后边数值，为第i个子路段权重加权值，α_i为边权值，等于1；

高速路网时态加权γ(t)指数为：

$\mathrm{\&gamma;}\left(t\right)=\frac{1}{4}\frac{e\left(t\right)}{(3p-6)}$

其中：P为节点个数，0<γ(t)<1，当γ(t)接近0时，路网整体状态拥堵，当γ(t)接近1时，路网整体状态畅通；

步骤5：获取高速公路路网交通出行指数；

高速路网交通出行指数基于高速公路路网交通拥堵指数，以D为时间节点计算高速公路路网交通拥堵指数，将高速路网拥堵里程比值转化为0-10的高速路网出行指数：

a(t)＝10γ(t)。

2.根据权利要求1所述的一种区域高速路网运行状态评价方法，步骤5中，将出行指数的范围线性回归到0-10的范围内，并且该指数对应于不同拥堵级别：

出行指数拥堵级别