CN104318794A - 一种基于考虑城市交叉口时间延误的实用路径选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于考虑城市交叉口时间延误的实用路径选择方法。通过借鉴弧标号的思想对传统A^*算法进行改进，解决了路径规划问题中的交叉口转向时间延误问题。根据实时交通状况对路网数据进行更新，并在最优路径的选择过程中限制搜索区域，以路段行程时间变化率和交叉口延误时间变化率为依据有选择性地更新最优路径。本发明方法在考虑交叉口时间延误的基础上，可以根据实时路况为车辆提供合适的路径选择，实用性较高，对交通诱导路径规划的研究有重要意义。

Description

一种基于考虑城市交叉口时间延误的实用路径选择方法

技术领域

本发明属于交通工程领域，涉及一种基于考虑城市交叉口时间延误的实用路径选择方法。

背景技术

为出行车辆提供路径选择是城市交通系统研究的重要组成部分。由于交叉口处信号控制及拥堵造成的排队现象等原因，车辆行驶至交叉口处时将不可避免地产生时间延误。对于车辆出行的整个行程时间而言，交叉口时间延误的比重不可忽略。因此，在进行路径选择时，将交叉口时间延误作为考虑因素之一是十分有必要的。此外，城市交通路网是一个动态变化的复杂系统，交通流参数是实时变化的，路径选择需要依据实时路况信息作出判断，有选择性地重新选择路线。

目前，国内外对于路径选择算法的研究已较为成熟，但大多停留在理论阶段，当结合到实际路网中时，这些算法需要进行一些改进才能进行应用。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于考虑城市交叉口时间延误的实用路径选择方法。

该方法包括以下步骤：

步骤(1).对待测实地区域采集路网数据，利用其生成路网,并用有向赋权网络G＝(V,A,D,C)表示该路网；

其中V＝{v_i|i＝1,2,…,n}为网络G＝(V,A,D,C)中的节点集合，表示城市道路交叉口；A＝{a_ij|i,j＝1,2,…,n}为网络G＝(V,A,D,C)中的弧集合，表示城市道路相邻交叉口之间的有向路段；C＝{c_ij|i,j＝1,2,…,n}为网络G＝(V,A,D,C)中的弧权集合，c_ij表示车辆在弧a_ij上平均路段行程时间；D＝{d_ijk|i,j,k＝1,2,…,n}为网络G＝(V,A,D,C)中的点权集合，d_ijk表示弧a_ij转向弧a_jk时在节点v_j处产生的平均转向延误时间；

所述的路网数据包括交叉口地理坐标、相邻交叉口间平均路段行程时间以及交叉口平均转向延误时间；

步骤(2).设定最优路径的起点和终点，根据当前路网数据，调用改进启发式A^*算法计算得到最优路径,具体步骤如2.1～2.5：

所述的最优路径起点为节点v_o，终点为节点v_d；最优路径由多条首尾相连的弧a_ij构成，其中弧a_ij上的节点v_i和节点v_j分别为该弧的尾节点和头节点；

2.1考察终点节点v_d的所有入弧，建立目标弧集T；目标弧集T存放以终点V_d为头节点的所有入弧，初始化T_OPEN＝T,

2.2初始化估价值f_ij，令f_ij＝M，M为无穷大正数；

所述的估价值f_ij表示在弧a_ij上产生的起点v_o至终点v_d的估计行程时间；

2.3在起点v_o前添加虚拟节点v_o′，则弧a_o′o是一条虚拟弧，根据公式f_o′o＝g_o′o+h_o′o，g_o′o＝0，故f_o′o＝h_o′o,p_o′o＝NULL，将弧a_o′o移入OPEN表中；其中对于弧a_ij∈A而言，p_ij为起点V_o至弧a_ij头节点v_j的最短路径上弧a_ij紧前弧的尾节点的标号；

2.4判断OPEN表是否为非空，若是则执行以下操作步骤2.4.1～2.4.4，若否则执行步骤2.5：

2.4.1对于OPEN表中的所有弧，选取最小f_ij值对应的弧，记为ars；将a_rs从OPEN表中删除，并将a_rs插入到CLOSE表中；判断弧a_rs是否在T_OPEN表中，若是则执行步骤2.4.2，若否则执行步骤2.4.3；

2.4.2若弧a_rs在T_OPEN表中，则将其从T_OPEN表中删除，并将a_rs插入到T_CLOSE表中；然后判断是否若是则执行步骤2.5，若否则跳转执行步骤2.4；

2.4.3若弧a_rs不在T_OPEN表中，判断弧a_rs的头节点v_s的所有出弧a_st是否都在CLOSE表中，若是则执行步骤2.4，若否则对不在CLOSE表中的出弧进行考察，然后判断是否成立f_st＞g_rs+d_rst+c_st+h_st，若是则重新赋予f_st＝g_rs+d_rst+c_st+h_st，p_st＝r后执行步骤2.4.4；若否则直接执行步骤2.4.4；

2.4.4判断弧a_st是否在OPEN表中，若不在则将该弧移入OPEN表后跳转执行步骤2.4；若在则直接跳转执行步骤2.4；

2.5根据T_CLOSE表中各弧紧前弧的尾节点标号p_ij，回溯得起点v_o至该弧头节点的最短路径；比较终点v_d各入弧的估计值f_ij，取最小估计值对应的终点v_d入弧；该入弧头节点所对应的最短路径即为起点v_o至终点v_d的最优路径；

步骤(3).按照步骤(2)得到的最优路径行驶，每间隔Ts时间后，根据路面检测器检测到的实时路网数据对路网进行更新，并检测车辆行驶位置；根据车辆当前行驶位置，选取最近的交叉口设定为当前考察节点，记为v_c；

所述的最近的交叉口是指路段上沿车辆行程方向距离车辆位置最近的交叉口；

步骤(4).判断当前考察节点v_c是否为终点v_d，若是则算法终止；若否则执行步骤(5)；

步骤(5).根据当前考察节点v_c和终点v_d确定限制搜索区域Z：

所述的限制搜索区域Z是指根据路网中各交叉口的地理坐标，运用一些几何规则，对路网范围进行划分，在最优路径的搜索过程中只对落入限制区域Z内的节点和弧段进行考察，忽略限制搜索区域Z外的节点和弧段；

步骤(6).根据当前最优路径所对应的路网数据，计算该时段限制搜索区域Z内各路段的行程时间变化率和各交叉口延误时间变化率，最后取上述所有变化率的平均值λ；

步骤(7).判断变化率平均值λ是否大于阈值α，若是则跳转执行步骤(2)，并重新赋予v_c为起点，v_d为终点，以上述步骤(5)得到的限制搜索区域Z建立新路网；若否则执行步骤(3)。

本发明的有益效果是：

应用本发明方法可以解决城市道路路径规划中的交叉口转向时间延误问题，并能根据实时路网数据为出行车辆提供符合实际交通状况的路径选择，对城市道路交通诱导体系的研究具有重要的应用价值。

附图说明

图1是实际路网转换为有向赋权网络G＝(V,A,D,C)的示例图；其中图(a)为实际交叉口路网示意图(有两个交叉口)，图(b)为抽象后的有向赋权网络示意图；

图2是弧和节点关系示意图；

图3是本发明方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

本发明方法包括以下步骤：

步骤(1).通过现有成熟技术对待测实地区域采集路网数据，利用其生成路网,并用有向赋权网络G＝(V,A,D,C)表示该路网，如图1所示；其中V＝{v_i|i＝1,2,…,n}为网络G＝(V,A,D,C)中的节点集合，表示城市道路交叉口；A＝{a_ij|i,j＝1,2,…,n}为网络G＝(V,A,D,C)中的弧集合，表示城市道路相邻交叉口之间的有向路段；C＝{c_ij|i,j＝1,2,…,n}为网络G＝(V,A,D,C)中的弧权集合，c_ij表示车辆在弧a_ij上平均路段行程时间；当考虑交叉口转向延误时，有向网络的节点带有权重，且权重不唯一，与节点相邻的弧段有关，表示的是与节点前后相邻的弧段在该节点产生的时间延误，D＝{d_ijk|i,j,k＝1,2,…,n}为网络G＝(V,A,D,C)中的点权集合，d_ijk表示弧a_ij转向弧a_jk时在节点v_j处产生的平均转向延误时间。

所述的路网数据包括交叉口地理坐标、相邻交叉口间平均路段行程时间以及交叉口平均转向延误时间；

步骤(2).设定最优路径的起点和终点，根据当前路网数据，调用改进启发式A*算法计算得到最优路径；

所述的最优路径起点为节点v_o，终点为节点v_d；最优路径由多条首尾相连的弧a_ij构成，其中弧a_ij上的节点v_i和节点v_j分别为该弧的尾节点和头节点；

2.1考察终点节点v_d的所有入弧，建立目标弧集T；目标弧集T存放以终点v_d为头节点的所有入弧，初始化T_OPEN＝T,实际上，在本算法中，T_OPEN表用于存放未移入CLOSE表中的目标弧集T中的弧，T_CLOSE表用于存放已经移入到CLOSE表中的目标弧集T中的弧；OPEN表存放已经搜索过但尚未完成考察的弧，CLOSE表用于存放已经完成考察不需要再搜索的弧。

所述的入弧是指网络G＝(V,A,D,C)中所有以节点v_d为头节点的弧；

2.2初始化估价值f_ij，令f_ij＝M，M为无穷大正数；

所述的估价值f_ij表示在弧a_ij上产生的起点v_o至终点v_d的估计行程时间；

实际上，在本算法中f_ij＝g_ij+h_ij，其中g_ij为起点v_o至弧a_ij头节点v_j最短路径的实际行程时间，h_ij为弧a_ij头节点v_j至终点v_d的估计行程时间，本发明实施例h_ij取弧a_ij头节点v_j至终点v_d间的欧氏距离除以当前路网中车辆平均速度。

2.3在起点v_o前添加虚拟节点v_o′，则弧a_o′o是一条虚拟弧，根据公式f_o′o＝g_o′o+h_o′o，g_o′o＝0，故f_o′o＝h_o′o,p_o′o＝NULL，将弧a_o′o移入OPEN表中；其中对于弧a_ij∈A而言，p_ij为起点V_o至弧a_ij头节点v_j的最短路径上弧a_ij紧前弧的尾节点的标号，如图2所示；

2.4判断OPEN表是否为非空，若是则执行以下操作2.4.1～2.4.4，若否则执行2.5：

2.4.1对于OPEN表中的所有弧，选取最小f_ij值对应的弧，记为a_rs；将a_rs从OPEN表中删除，并将a_rs插入到CLOSE表中；判断弧a_rs是否在T_OPEN表中，若是则执行步骤2.4.2，若否则执行步骤2.4.3；

2.4.2若弧a_rs在T_OPEN表中，则将其从T_OPEN表中删除，并将a_rs插入到T_CLOSE表中；然后判断是否若是则执行2.5，若否则跳转执行2.4；

2.4.3若弧a_rs不在T_OPEN表中，判断弧a_rs的头节点v_s的所有出弧a_st是否都在CLOSE表中，若是则执行步骤2.4，若否则对不在CLOSE表中的出弧进行考察，如果，判断是否成立f_st＞g_rs+d_rst+c_st+h_st，若是则重新赋予f_st＝g_rs+d_rst+c_st+h_st，p_st＝r，然后执行步骤2.4.4；若否则直接执行步骤2.4.4；

2.4.4判断弧a_st是否在OPEN表中，若不在则将该弧移入OPEN表中，然后跳转执行步骤2.4；若在则直接跳转执行步骤2.4；

2.5根据T_CLOSE表中各弧紧前弧的尾节点标号p_ij，回溯得起点v_o至该弧头节点的最短路径；比较终点vd各入弧的估计值f_ij，取最小估计值对应的终点v_d入弧；该入弧头节点所对应的最短路径即为起点v_o至终点v_d的最优路径。

步骤(3).按照步骤(2)得到的最优路径行驶，每Ts时间间隔后，根据路面检测器检测到的实时路网数据对路网进行更新，并检测车辆行驶位置；根据车辆当前行驶位置，选取最近的交叉口设定为当前考察节点，记为v_c。

所述的Ts是指以分钟单位的时间间隔，一般取5～10min，根据路面交通流检测器的检测周期进行确定。

所述的最近的交叉口是指路段上沿车辆行程方向距离车辆位置最近的交叉口。如果车辆当前位置位于路段上的非交叉口处，则该最近交叉口是指车辆将要到达的下一个交叉口，如果车辆当前位置处于交叉口处，则该最近交叉口是指当前交叉口。

步骤(4).判断当前考察节点v_c是否为终点v_d，若是则算法终止；若否则执行步骤(5)；

步骤(5).根据当前考察节点v_c和终点v_d确定限制搜索区域Z：

所述的限制搜索区域Z是指根据路网中各交叉口的地理坐标，运用一些几何规则，对路网范围进行划分，在最优路径的搜索过程中只对落入限制区域Z内的节点和弧段进行考察，忽略限制搜索区域Z外的节点和弧段。这样可以控制最优路径的搜索方向，防止出行路线折回，同时减少搜索规模，提高搜索效率。

本专利实施例采用椭圆算法来限制搜索区域，根据当前考察节点v_c和终点v_d的平面坐标，结合椭圆坐标公式，根据本领域技术人员经验建立一个椭圆范围，即限制搜索区域Z。

所述的椭圆算法是依据椭圆是平面内到两个焦点的距离之和是常数的点的轨迹,以起点和终点为焦点建立起椭圆区域，则该区域内部任意点到起点和终点的距离之和都限定在一个常数范围内，这样就给起点和终点之间路径的长度规定了一个上限，从而到达限制的目的；

步骤(6).根据当前最优路径所对应的路网数据，计算该时段限制搜索区域Z内各路段的行程时间变化率和各交叉口延误时间变化率，最后取所有变化率的平均值λ；

所述的当前最优路径所对应的路网数据是指计算出当前行驶的最优路径时，所用的路网数据；

所述的变化率是指相对变化率。

步骤(7).判断变化率平均值λ是否大于阈值α，若是则跳转执行步骤(2)，并重新赋予v_c为起点，v_d为终点，以上述步骤(5)得到的限制搜索区域Z建立新路网；若否则执行步骤(3)；

所述的阈值α是经验值，本专利实施例取20％。

上述实施例并非是对于本发明的限制，本发明并非仅限于上述实施例，只要符合本发明要求，均属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于考虑城市交叉口时间延误的实用路径选择方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤(1).对待测实地区域采集路网数据，利用其生成路网,并用有向赋权网络G＝(V,A,D,C)表示该路网；

其中V＝{v_i|i＝1,2,…,n}为网络G＝(V,A,D,C)中的节点集合，表示城市道路交叉口；A＝{a_ij|i,j＝1,2,…,n}为网络G＝(V,A,D,C)中的弧集合，表示城市道路相邻交叉口之间的有向路段；C＝{c_ij|i,j＝1,2,…,n}为网络G＝(V,A,D,C)中的弧权集合，c_ij表示车辆在弧a_ij上平均路段行程时间；D＝{d_ijk|i,j,k＝1,2,…,n}为网络G＝(V,A,D,C)中的点权集合，d_ijk表示弧a_ij转向弧a_jk时在节点v_j处产生的平均转向延误时间；

所述的路网数据包括交叉口地理坐标、相邻交叉口间平均路段行程时间以及交叉口平均转向延误时间；

步骤(2).设定最优路径的起点和终点，根据当前路网数据，调用改进启发式A^*算法计算得到最优路径：

所述的最优路径起点为节点v_o，终点为节点v_d；最优路径由多条首尾相连的弧a_ij构成，其中弧a_ij上的节点v_i和节点v_j分别为该弧的尾节点和头节点；

2.1考察终点节点v_d的所有入弧，建立目标弧集T；目标弧集T存放以终点V_d为头节点的所有入弧，初始化T_OPEN＝T,

2.2初始化估价值f_ij，令f_ij＝M，M为无穷大正数；

所述的估价值f_ij表示在弧a_ij上产生的起点v_o至终点v_d的估计行程时间；

2.3在起点v_o前添加虚拟节点v_o′，则弧a_o′o是一条虚拟弧，根据公式f_o′o＝g_o′o+h_o′o，g_o′o＝0，故f_o′o＝h_o′o,p_o′o＝NULL，将弧a_o′o移入OPEN表中；其中对于弧a_ij∈A而言，p_ij为起点V_o至弧a_ij头节点v_j的最短路径上弧a_ij紧前弧的尾节点的标号；

2.4判断OPEN表是否为非空，若是则执行以下操作2.4.1～2.4.4，若否则执行2.5：

2.4.1对于OPEN表中的所有弧，选取最小f_ij值对应的弧，记为a_rs；将a_rs从OPEN表中删除，并将a_rs插入到CLOSE表中；判断弧a_rs是否在T_OPEN表中，若是则执行步骤2.4.2，若否则执行步骤2.4.3；

2.4.2若弧a_rs在T_OPEN表中，则将其从T_OPEN表中删除，并将a_rs插入到T_CLOSE表中；然后判断是否若是则执行步骤2.5，若否则跳转执行步骤2.4；

2.4.3若弧a_rs不在T_OPEN表中，判断弧a_rs的头节点v_s的所有出弧a_st是否都在CLOSE表中，若是则执行步骤2.4，若否则对不在CLOSE表中的出弧进行考察；然后判断是否成立f_st＞g_rs+d_rst+c_st+h_st，若是则重新赋予f_st＝g_rs+d_rst+c_st+h_st，p_st＝r后执行步骤2.4.4，若否则直接执行步骤2.4.4；

2.4.4判断弧a_st是否在OPEN表中，若不在则将该弧移入OPEN表后跳转执行步骤2.4；若在则直接跳转执行步骤2.4；

2.5根据T_CLOSE表中各弧紧前弧的尾节点标号p_ij，回溯得起点v_o至该弧头节点的最短路径；比较终点v_d各入弧的估计值f_ij，取最小估计值对应的终点v_d入弧；该入弧头节点所对应的最短路径即为起点v_o至终点v_d的最优路径；

步骤(3).按照步骤(2)得到的最优路径行驶，每间隔Ts时间后，根据路面检测器检测到的实时路网数据对路网进行更新，并检测车辆行驶位置；根据车辆当前行驶位置，选取最近的交叉口设定为当前考察节点，记为v_c；

所述的最近的交叉口是指路段上沿车辆行程方向距离车辆位置最近的交叉口；

步骤(4).判断当前考察节点v_c是否为终点v_d，若是则算法终止；若否则执行步骤(5)；

步骤(5).根据当前考察节点v_c和终点v_d确定限制搜索区域Z：

所述的限制搜索区域Z是指根据路网中各交叉口的地理坐标，运用一些几何规则，对路网范围进行划分；在最优路径的搜索过程中只对落入限制区域Z内的节点和弧段进行考察，忽略限制搜索区域Z外的节点和弧段；

步骤(6).根据当前最优路径所对应的路网数据，计算该时段限制搜索区域Z内各路段的行程时间变化率和各交叉口延误时间变化率，最后取所有变化率的平均值λ；

步骤(7).判断变化率平均值λ是否大于阈值α，若是则跳转执行步骤(2)，并重新赋予v_c为起点，v_d为终点，以上述步骤(5)得到的限制搜索区域Z建立新路网；若否则执行步骤(3)。