CN105702073B

CN105702073B - 一种基于路网决策点行程时间索引值的动态转向导航方法

Info

Publication number: CN105702073B
Application number: CN201610232014.5A
Authority: CN
Inventors: 徐亚国; 徐广宁
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-04-13
Filing date: 2016-04-13
Publication date: 2018-01-02
Anticipated expiration: 2036-04-13
Also published as: CN105702073A

Abstract

本发明公开了一种基于路网决策点行程时间索引值的动态转向导航方法，该方法将道路路网中的交叉口下游设为决策点，在每个决策点可采用短距离通讯或移动通信模式实现对用户车辆的通信和感知：在短距离通讯模式下，每个车道的决策点设置了用于感应车辆和引导车载通讯终端的用户车辆的短距离无线通信路标；在移动通信模式下，用户车辆在到达决策点坐标的一定距离内时通过移动通信上报当前坐标及转向指引请求。该方法采用即时交通数据与历史最优路径行程时间索引值之和的最小值为目标的策略，在每个决策点为每一时刻达到的用户车辆提供最优转向选择建议，达到为每一时刻的这部分车辆提供最短行程时间的动态路径导航信息的目标。本发明引入索引值，减少实时计算量，提高对即时路况的响应速度，保证导航最终轨迹为全局最优。

Description

一种基于路网决策点行程时间索引值的动态转向导航方法

技术领域

本发明涉及智能交通系统与车联网技术领域，更具体地说，特别涉及一种基于路网决策点行程时间索引值的动态转向导航方法。

背景技术

随着移动互联网的快速发展和手持或车载终端技术的成熟，各种移动动态交通信息服务逐渐渗透到城市交通出行的方方面面，特别是针对车辆出行路径和路况规划决策的导航应用中发挥着越来越重要的作用。在城市路网中建立路况导航信息服务，不仅为个体车辆出行提供了极大便利，随着该服务使用率的提高，也会影响个体车辆的路径选择行为，从而对城市道路交通路况产生深远的影响。因此，如何设计最优的路况选择策略，是智能交通系统与车联网技术发展的重要问题之一。

目前的车载导航终端或导航路径信息服务主要基于三类导航方式，第一种忽略实时交通状况，仅对距离最短路径进行搜索(如传统的GPS导航终端)，显然该方式给出的仅是距离最短路径而非时间最短的路径；第二种是给出整个城市路网的即时路况，让用户依据经验自行决定最优路径(如百度地图、高德地图、Google Traffic等)，这种方式无法保证用户一定能获得时间最短路径；第三种则是根据实时路况(主要是各路段的行程时间)的更新，不断向用户推荐一到数条从当前位置到达目的地的最优路径(如Waze，Nokia Here、高德地图以及部分的GPS导航设备等等)，这一类产品主要基于实时的路段行程时间，通过最短路搜索等算法得到最优的动态转向结果，是当前较常用的路况导航处理方法。然而，在交通高峰时段的城市道路路网，路网结构复杂，路段行程时间变化迅速，就算是基于实时路况的导航方式，也难以准确预测下一阶段的交通状态，例如即时最优路径上可能发生的周期性拥堵等；即使采用动态更新模式，也仅能提供局部最优解，使车载导航终端车辆不但找不到最有效率的通行路径，还引起车载导航终端车辆聚集，而引发城市道路路网交通往拥堵加剧的状态演化。

因此，基于以上现状，有必要提供一种能满足城市道路路网各种不断变化的交通状况下(如高峰时段)最短行程时间的导航新方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于路网决策点行程时间索引值的动态转向导航方法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于路网决策点行程时间索引值的动态转向导航方法，该方法包括以下步骤：

步骤S1、决策点的设置，将道路路网中所有的交叉口下游，即每一路段的入口处设为决策点(Checkpoint)，对用户车辆的通信和感知采用短距离无线通讯或移动通信模式；在短距离无线通讯模式下，每个车道的决策点设置了用于短距离无线通信(如低功耗蓝牙)信标，以实现对用户车载终端的感应与通讯；在移动通信模式下，当到达决策点坐标的一定距离内时，用户车载终端通过移动通信上报当前坐标及转向指引请求，从而实现系统对车辆的感知和通信；

步骤S2、实时行程时间T1的计算，定义两个邻接决策点之间的路段行程时间为T1，系统对路网中的所有T1进行实时估计；

步骤S3、最优行程时间索引值T2的计算，定义每个决策点到达路网所有目的地节点的最优路径行程时间按到达该决策点的时刻索引的值列表为索引值T2，该索引值T2基于数日的即时交通估计数据计算获得；

步骤S4、用户车辆在到达旅程中每个决策点的一定范围内时，通过短距离无线通讯信标或移动通信与系统进行双向通讯，获取当前时刻的T1估计值和T2索引值；

步骤S5、计算T1与T2值之和，即以当前决策点至目的地的行程时间最小为其最优化转向，为用户车辆更新最优转向，即下一个需到达的决策点或目的地节点；

步骤S6、重复以上S4至S5的过程，直到用户车辆到达出行目的地或交通高峰时段结束为止。

优选地，所述步骤S1具体包括：

S11、系统的决策点设置在道路路网中交叉口下游路段的入口处；

S12、每个交叉口的每一个流出方向至少设置一个决策点，且每个决策点具有以下属性：车辆通过该决策点后进入一个新的路段或下一个的交叉口，则该决策点至少有相邻一到数个的决策点；

S13、在短距离通讯模式下，在各个决策点附近埋设或架设一到数个定向天线的短距离通讯信标；在移动通信模式下，定位信息能准确分辨用户车辆是否接近决策点地理位置；

S14、每个定向天线的短距离无线通讯器或移动通信保证通讯器仅与车载通讯终端用户车辆进行双向通讯，即能发送最优转向信息以及通行权信息给用户车辆，又可以记录用户车辆进入交叉口的参数，包括进入时间、车辆请求导航的终点等动态导航最优转向计算所需数据。

优选地，所述步骤S2具体包括：

S21、采用实时交通检测或移动通信模式获取网络中所有决策点相邻路段的短时交通数据；

S22、计算用户车辆在该决策点至所有可供选择路段的实时行程时间T1，T1采用短时交通预测方法估计。

优选地，所述步骤S3具体包括：

S31、通过记录路网中所有各路段在高峰时刻的实时行程时间T1，作为历史数据存储到数据库中；

S32、基于以往数日的T1历史数据计算获得路网中所有决策点到达路网所有目的地节点的最优行程时间索引值T2，并将T2按车辆进入该决策点的时刻索引的值列表；

S33、最优行程时间索引值T2是随着时刻不断变化行程时间值；

S34、T2基于以往数日各时刻(由管理员确定准确更新日数)的T1历史数据计算获得。

优选地，所述步骤S4具体包括：

S41、用户车辆在到达新决策点的通讯器的无线传播或移动通信范围时，与用户车辆的通讯器进行双向通讯，用户车辆至少上传所需前往的目的地节点信息；

S42、系统至少反馈当前决策点所有可选转向所在路段的T1估计值与到达下一邻接决策点时该邻接决策点到达目的地的T2索引值。

优选地，所述步骤S5具体包括：

S51、最优转向计算采用最短行程时间期望值作为目标函数，即计算T1与T2之和；

S52、根据T1与T2之和的最小值，确定这一决策点的最优转向信息，即下一个需到达的决策点。

优选地，所述步骤S6具体包括：

S61、从一个决策点到下一个决策点需根据到达新决策点的时间，不断更新T1与T2，并计算T1与T2之和，从而更新在新决策点的最优转向信息；

S62、系统不断重复S3至S4过程，直到车辆到达出行的目的地或交通高峰时段结束为止。

优选地，计算获得路网中所有决策点到达路网所有目的地节点的最优行程时间索引值T2具体方法为：

1.1、对从任意决策点A出发前往目的地节点D的用户出行，令其最优行程时间为：

当进入决策点的时刻为t≥T，任意路段a的阻抗可表示为[x]⁺符号的定义参见本说明书的具体实施方式部分，对从任意决策点A出发前往目的地节点D的用户出行，其最优行程时间可通过一般最短路搜索算法确定，即：

此时可初始化T2为分段函数为：

令k＝n；

1.2、一对多最优路搜索，若k＝0则循环结束，否则k＝k-1，对网络中所有决策点A执行以下操作：

1.2.1、确定用户在估计区间内可到达范围，按下式构造第k个估计区间内从决策点A可到达的节点集合Γ_A(k):

其中E^-为元素E按下式扩张过程中的前继节点：

注意

1.2.2、读取已完成的索引值，对所有目的地节点D执行以下操作：遍历集合Γ_A(k)中的每个元素，获得出行时间的为

注意上述表达式部分的成立区间为故而当集合Γ_A(k)内所有节点完成式(6)的整合时，整个成立区间为[T_k,T_k+1)。

1.3、索引值整合，按下式生成索引值列表：

返回步骤1.2。

优选地，确定用户车辆的最优新的转向即在进入时刻t为决策点A选择下一决策点F的依据为：

其中τ＝t+T1_AF(t)，为车辆通过路段AF到达下一决策点F的时刻，T2_FD(τ)为从决策点F出发按最优路况导航指导前往目的地节点D的历史数据T2。

可知T2是一个以进入时刻为索引，按出发点和目的地不同而建立的最优行程时间表。

优选地，所述最优行程时间索引值T2是随着时刻不断变化行程时间值。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明通过在城市道路路网中设置了决策点交叉路口及短距离通讯设备(或能够由移动通信和定位信息得到的各个决策点位置信息及通信)，以保证动态转向引导的行程最短时间信息能及时传递给用户车辆；同时通过即时交通数据的在线计算与离线的索引值组合为车辆提供新的转向，其导航方法在任何时候都能为引导出行的车辆行驶在最短行程时间的动态路径上，其方法同样可以在城市道路交通高峰出行时段应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于路网决策点行程时间索引值的动态转向导航方法一实施例的示意图。

图2为本发明中决策点交叉路口系统的引导信息与车辆间交换示意图。

图3为本发明的实施步骤示意图。

图4为本发明中索引值T2算法示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

结合图1-图4所示，本发明提供一种基于路网决策点行程时间索引值的动态转向导航方法，包括

步骤S1、决策点的设置

1)系统的决策点交叉路口设置位置应能够满足被引导车辆变道有足够距离和驾驶员反应时间，即用户车辆在接收到最优转向建议信息后，能在前往下一个路口的停车线前变换车道，使车辆能按选择的建议完成转向；各个决策点的一般可选取在上一交叉路口的停车线至下一路段入口前的任一位置(图2所示)；

2)每个交叉口的每一个流出方向至少设置一个决策点，且每个决策点具有以下属性：车辆通过该决策点后进入一个新的路段或下一个的交叉口，则该决策点至少有相邻一到数个的决策点。

决策点的通讯条件为：

1、短距离无线通讯模式

1)在各个决策点附近埋设或架设一到数个的定向天线短距离无线通讯器，具体数目由决策点附近车道数量而定(图2)。

2)各个决策点应能感应和发送交通诱导信息给车载通讯终端的用户车辆，并保证信标仅与在通讯器上方的车载通讯终端用户车辆进行双向通讯，即能感应行驶车辆，又能发送交通诱导信息给车载通讯终端的用户车辆。

2、移动通信模式

1)用户车辆在到达决策点坐标的一定范围内时通过移动通信上报当前坐标；

2)用户车辆在到达决策点可通过移动通信与系统进行双向通讯，接受转向信息建议。

步骤S2、系统通过路口的实时交通检测器(例如环形线圈、视频、超声波等车辆检测器)采集各个直行、右转、左转等车道的交通流量和经过路口时间数据，进行该路口至相邻路口的短时交通时间预测，获得该用户车辆在该决策点至所有可供选择路段的即时行程时间估计值T1。

为保证T1的实时性，将高峰时段[0,T]划分为n个估计区间，即在以下时刻每个路段的T1都将得到更新：

0,T₁,T₂,T₃,...,T_k-1,T_k,T_k+1,...,T_n-1,T_n＝T

每个估计区间的长度(及估计的时间分辨率)既可以是相等的，也可以是不相等的。T1(0)可以通过计算高峰时段开始前时段的平均行程时间获得；需要估计的是k>0时T1(k)的读数。

下述是其中一种通过路段中下游直行、右转、左转等不同车道的实时交通检测数据估计路段平均行驶速度从而获得即时行程时间估计值的算法。例如传统的算法中涉及到变量包括：

L-路段的长度，即决策点到下一决策点的物理距离；

V_f-自由流的行驶速度，即该路段的法定速度上限；

q_i-上一个估计区间内通过磁感线圈的第i次交通量读数；

o_i-上一个估计区间内磁感线圈的第i次占有率读数；

-路段的容量比。

先估计路段的平均行驶速度，其经验公式为：

其中0＜γ_k＜1，γ_k与估计区间内路段的拥挤程度有关——拥挤程度越高，该值越趋向于1，否则越接近0，可以通过路段出入口得到流量进入数据分级级别来进行估计；α和β与线圈位置和路段通过的车型(主要按车辆长度划分)概率有关，需要通过预验证过程来确定。数据预验证过程主要通过带有计时装置的测试车辆(Probe Vehicle)行驶过所需验证路段，通过样本数据反求平均速度从而确定α和β的读数，这两个参数一旦确定后可以持续套用。为保证q_i和o_i有足够的样本数量，估计时间分辨率推荐设为5分钟左右。

通过公式(9)得到路段的平均行驶速度之后，可用下面的表达式来确定T1：

即在整个估计区间内，T1都被近似估计为路段长度L除以路段平均行驶速度的商。符号[]+表示对除法运算结果进行量化处理——设最小的离散时间单位为σ(如取σ为1秒、0.5秒、0.2秒或0.1秒，越小的时间单位使量化造成的累积损失越少，但计算量越大)，则结果被量化为mσ，其中m为使量化值大于等于计算结果的最小自然数。

上述方法仅为通过实时检测数据获得T1的做法之一，这种方法估计分辨率较低，但具有不需要实时绿信比等动态参数的特点，适合于导航用户车辆占总交通量比例较小，而实时信号参数不可知的场合(如路网中采用了SCATS系统的交通信号控制)。本方法不排除在其他条件下搭配不同的短时估计算法进行T1估计。若能获得即时绿信比等动态参数，则可以采用其他高精度的T1估计算法，使其估计时间分辨率精确到1秒以内。

S3：基于S2步骤所收集的T1离线数据，系统计算下一日的行程时间索引值(RouteTravel Time Profile,RTTP)数据记录T2。下面给出一种T2的算法实现，计算过程的调用顺序如图4所示，所用到的主要符号包括：

t-用户进入决策点的时刻；

-从起始点O到达目的地节点D所需要的最短路径行程时间；

A^--节点A的前继决策点；

Φ(A)-决策点A的后继邻接节点集合。

以下为具体实现步骤：

1.1(初始化)首先对从任意决策点A出发前往目的地节点D的用户出行，令其最优行程时间为

当进入决策点的时刻为t≥T，任意路段a的阻抗可表示为对从任意决策点A出发前往目的地节点D的用户出行，其最优行程时间可通过一般最短路搜索算法确定，即：

此时可初始化T2为分段函数

令k＝n。

1.2(一对多最优路搜索)若k＝0则循环结束，否则k＝k-1。对网络中所有决策点A执行以下操作：

1.2.1(确定用户在估计区间内可到达范围)按下式构造第k个估计区间内从决策点A可到达的节点集合Γ_A(k)：

其中E^-为元素E按下式扩张过程中的前继节点：

注意

1.2.2(读取已完成的索引值)对所有目的地节点D执行以下操作：遍历集合Γ_A(k)中的每个元素，获得出行时间的为

注意上述表达式部分的成立区间为故而当Γ_A(k)集合内所有节点完成式(6)的整合时，整个成立区间为[T_k,T_k+1)。

1.3(索引值整合)按下式生成索引值列表：

返回步骤1.2。

本方法不排除使用其他算法对T2进行计算，且T1和T2的其他计算方法组合也在本专利保护范围内。例如，当T1采用高精度算法进行估计时，式(5)和(6)等同于下式：

S4：当用户车辆到达一个新的决策点A(即进入一个新的路段)后，与决策点信标(或移动通信)进行双向通讯，向系统提交目的地信息D和当前时间信息t，计算当前时刻即时估计的值T1和读取索引值T2。

S5：得到了所有可能转向的T1和T2数据之后，车载终端将按一定评价逻辑(如T1与T2之和)计算所有转向的权值，并选择其中最小的一项作为当前转向的最优结果推荐给用户。即最优转向可表示为：

其中Φ(A)为与当前决策点相连的后继决策点集合，结果F为当下导航推荐前往的下一决策点，τ＝t+T1_AF(t)，为车辆通过路段AF到达下一决策点F的时刻，T2_FD(τ)为从决策点F出发按最优路况导航指导前往目的地节点D的历史数据索引值。

S6：重复S4至S5过程，不断更新用到的T1和T2的数据，并得到新的最优转向，即下一个需到达的决策点，直到用户车辆到达目的地或交通高峰结束为止。

本发明通过在城市道路路网中设置了决策点交叉路口及短距离通讯设备(或能够由移动通信和定位信息得到的各个决策点位置信息及通信)，以保证动态转向引导的行程最短时间信息能及时传递给用户车辆；同时通过在线计算和离线计算的组合的动态转向计算，其导航方法在任何时候都能为出行的车辆提供了最短时间的动态路径导航引导，其方法同样可以在城市道路交通高峰出行时段应用。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，只要不超过本发明的权利要求所描述的保护范围，都应当在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于路网决策点行程时间索引值的动态转向导航方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤S1、决策点的设置，将道路路网中所有的交叉口下游设为决策点，对用户车辆的通信和感知采用短距离无线通讯或移动通信模式实现系统对车辆的感知和通信；

步骤S2、实时行程时间T1的计算，定义两个邻接决策点之间的路段行程时间为T1，系统用实时交通检测或短时交通预测方法对路网中的所有T1进行实时估计；

步骤S3、最优行程时间索引值T2的计算，定义每个决策点到达路网所有目的地节点的最优路径行程时间按到达该决策点的时刻索引的值列表为索引值T2，该索引值T2基于历史的数日即时交通估计数据计算获得；

步骤S5、计算T1与T2值之和，即以当前决策点至目的地的行程时间最小为其最优化转向值，为用户车辆更新最优转向，即下一个需到达的决策点或目的地节点；

步骤S6、重复以上S4至S5的过程，直到用户车辆到达出行目的地或交通高峰时段结束为止；

所述步骤S1具体包括：

S11、系统的决策点设置在道路路网中交叉口下游路段的入口处附近；

S14、每个定向天线的短距离无线通讯器或移动通信保证通讯器仅与车载通讯终端用户车辆进行双向通讯，既能发送最优转向信息以及通行权信息给用户车辆，又可以记录用户车辆进入交叉口的参数，包括进入时间、车辆请求导航的终点这两种动态导航最优转向计算所需数据。

2.根据权利要求1所述的基于路网决策点行程时间索引值的动态转向导航方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：

S21、采用实时交通检测或移动通信模式获取网络中所有决策点相邻路段的交通数据；

3.根据权利要求1所述的基于路网决策点行程时间索引值的动态转向导航方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：

S31、通过记录路网中所有各路段在每一时刻的实时行程时间T1，作为历史数据存储到数据库中；

S32、基于以往数日的T1历史数据计算获得路网中所有决策点到达路网所有目的地节点的最优行程时间索引值T2，并将T2按车辆进入该决策点的时刻索引的值列表。

4.根据权利要求1所述的基于路网决策点行程时间索引值的动态转向导航方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：

5.根据权利要求1所述的基于路网决策点行程时间索引值的动态转向导航方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括：

6.根据权利要求1所述的基于路网决策点行程时间索引值的动态转向导航方法，其特征在于，所述步骤S6具体包括：

S62、系统不断重复S4至S5过程，直到车辆到达出行的目的地或交通高峰时段结束为止。

7.根据权利要求4所述的基于路网决策点行程时间索引值的动态转向导航方法，其特征在于，实时计算实时行程时间T1与最优行程时间索引值T2之和，来确定用户车辆的新的转向，达到最优路径的行程时间，即在进入时刻t为决策点A选择下一决策点F的依据为：

<mrow> <mi>F</mi> <mo>=</mo> <munder> <mi>argmin</mi> <mrow> <mi>F</mi> <mo>&Element;</mo> <mi>&Phi;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>A</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </munder> <mrow> <mo>(</mo> <mi>T</mi> <msub> <mn>1</mn> <mrow> <mi>A</mi> <mi>F</mi> </mrow> </msub> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> <mo>+</mo> <mi>T</mi> <msub> <mn>2</mn> <mrow> <mi>F</mi> <mi>D</mi> </mrow> </msub> <mo>(</mo> <mi>&tau;</mi> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中τ＝t+T1_AF(t)，为车辆通过路段AF到达下一决策点F的时刻，T2_FD(τ)为从决策点F出发按最优路况导航指导前往目的地节点D的最优行程时间索引值T2；

8.根据权利要求4所述的基于路网决策点行程时间索引值的动态转向导航方法，其特征在于，所述最优行程时间索引值T2是随着时刻不断变化的行程时间值。