CN104615897B - 基于低频gps数据的路段行程时间估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于低频GPS数据的路段行程时间估算方法，在分析了车辆在道路交叉口影响区域的延误特征的基础上，根据两个相邻GPS点是否跨越多个交叉口影响区域，及其跨越的交叉口影响区域是否存在GPS点，划分了4种GPS分布类型，针对以上4种类型，设计相应的基于交叉口延误计算的路段行程时间差值算法，本发明的估算方法应用在交叉口延误时间较大的路段效果显著。

Description

基于低频GPS数据的路段行程时间估算方法

技术领域

本发明涉及基于交通信息采集数据的路段行程时间估算领域，尤其涉及考虑交叉口信号延误的路段行程时间估算领域。

背景技术

利用GPS浮动车技术为采集手段进行路段行程时间估算的方法有很多，主要包括几个过程：GPS地图匹配、行驶路径估算、单车路段行程时间(速度)估算、交通流路段行程时间(速度)估算。但在实际应用中由于GPS数据丢失、通信成本高或海量数据存储限制等原因，致使GPS数据采集频率往往较低(30s-180s次)。就会造成某些路段上的GPS数据过少，甚至没有数据的情况发生，极大地增加了行程时间估算的误差与难度。本发明针对此问题，在前两步已完成的情况下，研究单车路段行程时间估算方法以提高低频GPS数据下的估算精度。

目前常用的单车行程时间估算模型是速度-时间积分模型与坐标-时间内插模型。如速度-时间积分法和基于运行时刻的内插值法，但主要适用于较高频GPS数据，在低频GPS数据限制下使用会有很大的误差。此外，这些算法大都忽略了交叉口信号控制延误对行程时间估算的重要影响。而针对交叉口延误的算法，现有技术中提出了基于GPS数据的交叉口延误估算模型，但都建立在交叉口范围内存在一定GPS数据的条件下，对低频GPS也不适用。因此，针对低频GPS数据和交叉口信号延误造成的路段行程时间估算难题，研究解决这一难题的估算方法提高其准确度非常具有必要性。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明通过交叉口信号延误分析，针对低频GPS数据在交叉口影响区域的四种分布特征，对单车行程时间估算方法进行了设计。本发明具体采用的技术方案是：包括如下步骤：

(1)计算车辆通过交叉口影响域所用时间t′_h，

t′_h＝t′_N+h-t′_m+h；

其中，N和m为路段节点，h为路段编号，h≧1，节点N+h代表第h个交叉口出口对向停止线的延长线位置，节点m+h代表第h个交叉口影响区域的边界点，t′_N+h为车辆在路段平稳区域匀速到达节点N+h的时刻，t′_m+h为车辆在路段平稳区域匀速到达节点m+h的时刻；

(2)计算车辆以畅行速度通过交叉口影响区域的时间t_s，

t_s＝(l+l')/v_s；

其中，l’为车辆通过交叉口的行驶距离，l为交叉口域范围选取值，v_s为车辆畅行速度；

(3)计算交叉口影响区域的延误时间

(4)在交叉口延误时间下，计算车辆实际通过路段边界点N+h的时刻t_N+h,

其中，t"_N+h为不考虑交叉口延误时间时车辆平稳通过路段边界点的时刻；

(5)计算路段行程时间t_h，

t_h＝t_N+h-t_N+(h-1)；

其中，t_N+(h-1)车辆实际通过上一路段边界点的时刻。

优选地，还包括如下步骤：

(一)判断两个连续GPS匹配点是否跨越一个交叉口并分别位于两个路段的平滑区域；

若是，则路段行程时间无需修正；

若否，则进入步骤(二)；

(二)判断两个连续GPS匹配点是否跨越一个交叉口并分别位于两条路段的平滑区域，同时位于交叉口域还有一个或多个GPS匹配点P_i(i≥1)；

若是，则计算所述步骤(1)前，t′_m+h或t′_N+h采用车辆通过P_i点的时刻t_Pi进行修正，修正方法为：当t′_m+h>t_P1时，令t′_m+h＝t_P1；当t′_N+h<t_Pi时，令t′_N+h＝t_Pi；其中t_P1为车辆行驶至P₁点的时刻，然后依次进行步骤(1)-(5)。

若否，则进入步骤(三)；

(三)判断两个连续GPS匹配点是否跨越两个交叉口并分别位于两条路段的平滑区域；

若是，根据交叉口配时周期和车辆转向来分配两个交叉口的延误时间，分配公式如下：

其中和分别为两个交叉口的延误时间，T₁和T₂分别为两个交叉口的周期，z₁和z₂分别为两个交叉口的转向影响系数；

所述步骤(4)中计算车辆实际通过路段边界点N+h的时刻t_N+h修正为：

若否，则进入步骤(四)；

(四)判断两个连续GPS匹配点是否跨越两个交叉口并分别位于两条路段的平滑区域，同时位于交叉口域还有一个或多个GPS匹配点P_i、P_j(i≥1或j≥1,i≠j)；

若是，采用车辆通过P_i、P_j点的时刻进行修正车辆经过信号交叉口节点的时刻，并根据交叉口配时周期和车辆转向来分配两个交叉口的延误时间，分配公式如下：

所述步骤(4)中计算车辆实际通过路段边界点N+h的时刻t_N+h修正为：

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明考虑了交叉口信号延误，其估算值围绕实际值波动，总体上接近于实际值，具有更高的估算精度。并且在交通平峰和高峰时段，平均绝对误差都能控制到15％以内。

(2)在交叉口处于红灯相位控制或拥堵状态的路段，本发明估算方法的估算精度明显高于其他方法。

附图说明

图1是本发明总体流程图。

图2是GIS路段划分示意图。

图3是交叉口影响区域范围示意图。

图4是地图匹配直接投影示意图。

图5是交叉口车辆延误特征示意图。

图6是行程时间估算类型1示意图。

图7是行程时间估算类型2示意图。

图8是行程时间估算类型3示意图。

图9是行程时间估算类型4示意图。

具体实施方式

如图1所示，本方法的主要实现步骤有：

1)道路模型划分：包含道路模型路段分段，交叉口影响区域边界界定和路段行程时间划分；

2)判定GPS匹配点在道路上的分布类型(共四种类型)；

3)针对以上4种类型，基于交叉口延误计算路段行程时间。

道路模型划分：首先需要对电子地图GIS中的路段模型进行重新划分，并定义交叉口影响范围和路段行程时间。在城市道路中，通常将两个交叉口之间的弧段及与其相邻的下游交叉口合称为一个“路段”。在GIS路网模型中，通常用节点-弧段模型来表示道路交通网络，其中节点代表道路交叉口，弧段代表交叉口之间的路段。因本方法特点需要对路段和交叉口影响区域进行重新划分。

道路模型路段分段：如图2所示，N、n和m为路段节点，h(h≥0)为路段编号(图2中h设为1)，两个大节点N+h之间的弧段即为一个路段，在车辆行驶方向上将路段分为平稳区域和交叉口影响域两部分；其中大节点N+h代表第h个交叉口出口对向停止线的延长线位置，节点n+h代表第h个交叉口进口停止线的位置，节点m+h代表第h个交叉口影响区域的边界点。

交叉口影响区域范围界定：一般车辆在到达交叉口域后会受到排队延误、信号控制延误和启动延误的影响，为准确估算路段行程时间就需要对交叉口域的影响范围进行界定，即确定图2中节点m+h的位置。当浮动车通过该节点时，开始进行信号交叉口延误计算，在该范围外，进行路段平稳区域的行程时间计算。

交叉口域范围的界定需要结合实际情况，考虑交叉口实际排队长度，根据平面交叉口规划设计和对交叉口延误现场的实测数据，得到交叉口域范围的选取标准为l＝140-180m。本发明初步选定l为150m，即以交叉口转角缘石曲线的端点为计算起点，进口道向上游计算的150m范围；在交叉口内还包括各停车线之间的路口区域，其中l’为车辆通过交叉口的行驶距离，图3中，l’_L、l’_R、l’_D分别对应左转、右转和直行距离。

路段行程时间定义：路段行程时间为车辆实际通过某一路段所用的总时间，包含了路段平稳行驶时间、交叉口车辆延误时间和下游交叉口通过时间。图3中，将某一路段的行程时间可分为3部分：路段平稳行驶时间t_r(如图2中节点N与节点n+1间车辆平稳通过的时间)、交叉口车辆延误时间t_d(l+l’段车辆的延误时间)、下游交叉口通过时间t_k(直行、左转或右转段平稳通过的时间)，则路段行程时间t为：

t＝t_r+t_d+t_k

地图匹配及车辆轨迹估计：关于GPS地图匹配算法及车辆轨迹估算算法有很多，本技术假定GPS地图匹配及车辆轨迹估算已经用常规算法完成，不进行算法改进。

地图匹配：地图匹配是指将GPS定位模块输出的位置信息与GIS地图数据库提供的道路位置信息进行比较，并通过适当的匹配模式和识别过程来确定车辆当前的行驶路段以及在路段中的准确位置。

如图4所示，P是车辆定位点，把待匹配的定位点向附近所有路段做投影，根据GPS定位点与各路段间的投影距离r，及车辆行驶方向与道路间的夹角θ,选出小于给定阀值的所有道路。根据公式计算所有道路的距离度量值:

λ_i＝ω_rr_i+ω_θθ_i

其中，ω_r和ω_θ分别是距离和方向夹角的权值。在所有候选路段中，选择距离度量值最小的作为匹配路段，即认为车辆在该道路上行驶，并将车辆在匹配路段上的投影点作为车辆当前的位置。

车辆轨迹估计：在低频GPS数据条件下，当相邻两个GPS跨越一个微型路网时，车辆行驶路径不唯一，无法确定车辆在实际行驶过程中具体选择了哪一条路径，这就需要进行车辆轨迹估计，通过合理的方法进行事后判断，选取出最可信的路径。

交叉口延误特征分析：如图5所示，车辆在进入交叉口域后，其状态可分为3种：

(1)红灯时车辆到达停车线前制动减速，进入排队一段时间后重新起动加速至正常速度，这个过程经历完全停车；

(2)完全停车的特殊情形是车速降到零后没有等待而立即重新起动；

(3)当遇到绿灯时，由于前面车辆的阻碍而减速，但车速并未降至为零，而后又加速到原来的速度，这个过程为不完全停车。

显然，完全停车和不完全停车都要造成运行时间的损失，即交叉口的延误时间。

交叉口畅行速度界定：交叉口延误时间的计算需要车辆以畅行速度通过交叉口的时间t_s，但畅行车速v_s的标定目前尚无定论。依据研究特点，将各交叉口的畅行车速统一按照规范规定的速度界定，本发明以规定的设计速度作为交叉口的畅行速度，见表1。

表1路段设计车速表

交叉口延误时间计算：依据地图匹配后的GPS匹配点计算延误时间，利用差分法得到浮动车经过交叉口的实际通行时间t_real，即车辆在节点N+h与节点m+h处通过时刻之差；然后由车辆实际行驶的长度l+l’与畅行速度v_s计算浮动车经过交叉口的畅行时间t_s，得到浮动车经过交叉口处的延误时间

t_d＝t_real-t_s

即：

式中t_N+h为车辆通过下游交叉口出口对向停止线延长位置的时刻，t_m+h为到达交叉口域边界点的时刻，此刻起到停车线之前车辆开始制动减速。

四种GPS分布类型划分：由于低频GPS匹配点在路段上分布较疏松，且连续GPS点在路段上的分布特点不同所造成的估算难度和不确定性也不同，所以针对连续GPS匹配点在路段上的四种GPS分布类型进行算法设计。

(1)类型1：两个连续GPS点跨越一个交叉口并分别位于两个路段的平滑区域；

(2)类型2：两个GPS点跨越一个交叉口并分别位于两条路段的平滑区域，同时位于交叉口域还有一个或多个GPS点P_i(i≥1)；

(3)类型3：两个连续GPS点跨越q(q≥2)个交叉口并分别位于两条路段的平滑区域；

(4)类型4：两个GPS点跨越q(q＝2)个交叉口并分别位于两条路段的平滑区域，同时位于交叉口域还有一个或多个GPS点P_ij(i≥1或j≥1)。

单车路段行程时间估算：针对以上4种类型，设计相应的基于交叉口延误计算的路段行程时间差值算法，其算法的核心是计算路段边界点时刻，然后利用差值法即可求得该路段的行程时间(为表述方便，后文取h＝1)。大致计算过程如下：

(1)计算车辆经过各个交叉口影响区域的延误时间t_d；

(2)不考虑交叉口延误的影响，计算车辆在路段平稳行驶的时间，得到的平稳通过路段边界点的时刻t"_N+1；

(3)考虑交叉口延误时间，计算车辆在路段边界点的实际通过时刻t_N+1；

(4)边界点时刻相减即可计算出路段的行程时间t。

(一)类型1：两个连续GPS点跨越一个交叉口并分别位于两个路段的平滑区域，如图6所示，t₁和t₂分别为路段1和路段2的行程时间；两个连续的GPS匹配点P_A、P_B跨越交叉口节点N+1，其运行时刻为t_A、t_B，瞬时速度为v_A、v_B；用(x,y)来表示某一点的经纬度坐标，则GPS匹配点的位置坐标分别为(x_A,y_A)、(x_B,y_B)，节点m+1的坐标为(x_m+1,y_m+1)。

(1)计算车辆经过交叉口的延误时间。依据车辆正常行驶特征，假定车辆在路段平稳区域时，距离交叉口较远不受排队的影响以匀速v_steady行驶，暂令GPS匹配点的瞬时速度v为v_steady计算交叉口的延误时间，此时得到的车辆在节点N+1时刻为：

式中l_|PB-(N+1)|表示节点N+1到P_B点的距离，同理t'_m+1也可由(t_A,v_A)得到。则交叉口延误时间为：

(2)计算车辆在路段平稳行驶的时间。不考虑交叉口延误的影响，假设车辆从P_A点匀速行驶到P_B点，得到的平稳通过路段边界点的时刻为：

(3)计算路段边界点的实际通过时刻t_N+1为：

(4)最后与上一路段边界点时刻相减即可计算出路段1的行程时间t₁为：

t₁＝t_N+1-t_N

(二)类型2：两个GPS点跨越一个交叉口并分别位于两条路段的平滑区域，同时位于交叉口域还有一个GPS点P_i(i≥1)，由于信号控制延误影响，车辆经常在拥堵交叉口范围内排队或者缓慢通过时，往往会有多个GPS点在停车线前聚集，如图7所示。其处理办法如下：

(1)依据类型1的算法计算车辆匀速经过信号交叉口节点的时刻t'_m+1与t'_N+1。

(2)利用P_i点时刻进行修正，即：

当t'_m+1＞t_P1时，令t'_m+1＝t_P1；

当t'_N+1＜t_Pi时，令t'_N+1＝t_Pi,i≥1，则：

(3)行程时间估算算法同类型1，得到边界时刻：

即可得到路段行程时间t。

(三)类型3：如图8所示，类型3为两个连续GPS点跨越q(q≥2)个交叉口并分别位于两条路段的平滑区域。

(1)首先需要求得两个GPS点之间q个交叉口的总延误

以跨域两个交叉口为例进行计算，假定在节点N+1和节点m+2之间车辆的运行速度为(v_A+v_B)/2，得

(2)根据交叉口配时周期和车辆转向来分配两个交叉口的延误时间。首先设两个交叉口的周期分别为T₁和T₂，信号周期的获取依托北京市交通控制信息平台，可实时获取交叉口当前的配时方案。另一方面，车辆因转向不同受信号控制引起的交叉口延误也不同，故可在GIS中建立交叉口转向表，依据实际调查数据，令左、直、右转向影响系数z分别近似为1、1/2、1/4。利用以下公式可得：

其中，无信号控制的交叉口周期应为非零值，另其等于最小周期30s。

(3)不考虑信号控制延误时，由两点间各路段的长度比，求得平稳通过路段时边界点时刻为：

(4)可得实际通过边界点时刻T_N+1与T_N+2为：

(5)计算得到两个路段的行程时间分别为：

t₁＝t_N+1-t_N

t₂＝t_N+2-t_N+1

同理，当两个连续GPS跨越q>2个交叉口时，也可得到两GPS点之间的路段行程时间。但考虑到运算量和实际通行情况，判断此时车速较快受交叉口影响较小，可以忽略交叉口延误，直接用插值法或者改进插值法估算路段行程时间即可。

(四)类型4：如图9所示，两个GPS点跨越q(q＝2)个交叉口并分别位于两条路段的平滑区域，同时位于交叉口域还有多个GPS点P_i、P_j(i≥1或j≥1,i≠j)。

(1)依据类型3的算法计算车辆经过信号交叉口节点的时刻t'_m+1、t'_N+2和两个交叉口延误时间t_d1、t_d2，然后利用车辆经过点P_i、P_j的时刻进行修正。

当t'_m+1＞t_P1时，令t'_m+1＝t_P1；

当t'_N+2＜t_Pj时，令t'_N+2＝t_Pj,j≥1；

当t'_m+1+t_d1＜t_Pi时，令t'_N+1＝t_Pi,i≥1；

当时，令

(2)求得修正后的交叉口延误时间和再利用类型3算法即可求得两个路段的行程时间t_d’1和t_d’2。

在针对上述四种GPS分布类型，设计的基于交叉口延误计算的路段行程时间差值算法中，若为类型2或类型4，依据交叉口域中的GPS定位时间修正t'_N+h、t'_m+h；若为类型3或者类型4，需依据信号周期和转向因子，对多交叉口的延误时间进行合理分配。

Claims (1)

1.一种基于低频GPS数据的路段行程时间估算方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)计算车辆通过交叉口影响域所用时间t’_h，

t'_h＝t'_N+h-t'_m+h；

其中，N和m为路段节点，h为路段编号，h≧1，节点N+h代表第h个交叉口出口对向停止线的延长线位置，节点m+h代表第h个交叉口影响区域的边界点，t’_N+h为车辆在路段平稳区域匀速到达节点N+h的时刻，t’_m+h为车辆在路段平稳区域匀速到达节点m+h的时刻；

(2)计算车辆以畅行速度通过交叉口影响区域的时间t_s，

t_s＝(l+l')/v_s；

其中，l’为车辆通过交叉口的行驶距离，l为交叉口域范围选取值，v_s为车辆畅行速度；

(3)计算交叉口影响区域的延误时间

(4)在交叉口延误时间下，计算车辆实际通过路段边界点N+h的时刻t_N+h,

其中，t"_N+h为不考虑交叉口延误时间时车辆平稳通过路段边界点的时刻；

(5)计算路段行程时间t_h，

t_h＝t_N+h-t_N+(h-1)；

其中，t_N+(h-1)车辆实际通过上一路段边界点的时刻；

还包括如下步骤：

(一)判断两个连续GPS匹配点是否跨越一个交叉口并分别位于两个路段的平滑区域；

若是，则路段行程时间无需修正；

若否，则进入步骤(二)；

(二)判断两个连续GPS匹配点是否跨越一个交叉口并分别位于两条路段的平滑区域，同时位于交叉口域还有一个或多个GPS匹配点P_i(i≥1)；

若是，则计算所述步骤(1)前，t’_m+h或t’_N+h采用车辆通过P_i点的时刻t_Pi进行修正，修正方法为：当t’_m+h>t_P1时，令t’_m+h＝t_P1；当t’_N+h<t_Pi时，令t’_N+h＝t_Pi；其中t_P1为车辆行驶至P₁点的时刻，然后依次进行步骤(1)-(5)；

若否，则进入步骤(三)；

(三)判断两个连续GPS匹配点是否跨越两个交叉口并分别位于两条路段的平滑区域；

若是，根据交叉口配时周期和车辆转向来分配两个交叉口的延误时间，分配公式如下：

其中和分别为两个交叉口的延误时间，T₁和T₂分别为两个交叉口的周期，z₁和z₂分别为两个交叉口的转向影响系数；

所述步骤(4)中计算车辆实际通过路段边界点N+h的时刻t_N+h修正为：

若否，则进入步骤(四)；

(四)判断两个连续GPS匹配点是否跨越两个交叉口并分别位于两条路段的平滑区域，同时位于交叉口域还有一个或多个GPS匹配点P_i、P_j(i≥1或j≥1,i≠j)；

若是，采用车辆通过P_i、P_j点的时刻进行修正车辆经过信号交叉口节点的时刻，并根据交叉口配时周期和车辆转向来分配两个交叉口的延误时间，分配公式如下：

所述步骤(4)中计算车辆实际通过路段边界点N+h的时刻t_N+h修正为：