CN107945510A - 一种考虑交通需求和道路网络运行效率的路段检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种交通需求和道路网络运行效率的路段检测方法，通过对城市道路的相关出行数据的收集和整理，获得该城市路网中各条城市道路的广义出行费用等信息。通过测算交通需求、建立出行需求OD矩阵和基于用户均衡模型的算法，可以找出在当前交通需求水平下城市路网中的无效路段。该方法通过路段费用和路径费用的矩阵变换，使交通管理者得知当交通需求发生改变时，这些路段的有效性发生改变的时机。本发明的优点在于所述的检测方法可以用于实时分析路段的有效性，并且可以用于分析多OD对的城市复杂路网；运用该方法，交通管理者无须改变路网的硬件设施，适时地限制和开放路网中的此类路段，提高城市道路网络的整体运行效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种路段检测方法，具体涉及一种考虑交通需求和道路网络运行效率的路段检测方法。
背景技术
随着在城市交通领域中信息技术的飞速发展，提高了全社会对出行信息和技术的需求。保持城市交通网络通畅作为城市交通管理的主要的目的之一，在城市居民的生产和生活中发挥了重要的作用，而提高城市路网的总体运行效率正是保持城市交通网络通畅的主要手段。它作为保持城市交通网络通畅的重要方式，在交通管理中占有重要地位。从城市交通网络模型的角度来说，提高网络的总体运行效率绝不是一个一成不变的静态问题。同一个城市的交通路网系统，在不同的交通需求水平下会产生不同的运行结果。而城市的交通需求是时刻处在变化中的，受到诸多因素的影响。因此，提高城市路网的总体运行效率应当充分考虑和结合城市的交通需求水平。一个考虑交通需求和道路网络运行效率的路段检测方法可以更好地适应我国城市交通环境的变化，具有更好的适用性和广泛性。结合先进的交通信息技术，一个考虑交通需求和道路网络运行效率的路段检测方法可以更好地为决策者提供实时的交通管理信息和策略。
一种具有多源数据的路段交通判别方法(申请号20140790524.5)和车载单体道路交通状态判别装置与方法(申请号201410404974.6)。然而，以上两项发明存在以下三方面的缺陷。1、发明20140790524.5基于多源数据计算出路段的空间平均速度，并通过直接判断法以及支持向量机模型判别了当前时段的道路交通状态，该方法可以运用于路网中的全部或部分路段，但由于该发明需要对路网中的路段分别进行监测和计算，也就是说，路网中有多少条路段就需要设置多少组检测器，并且需要对每条路段的交通状态分别进行计算和判断，才能得出路网的整体运行情况，因此，随着城市路网中路段的增加，该方法的成本和计算压力也相应增加。发明201410404974.6采用视频图像处理技术，分析得到相应的交通参数，并通过交通状态判别规则来显示实时的道路交通状态。该发明也有着与发明20140790524.5同样的问题。2、由于这两项发明是对路网即时状态的计算和判断，不存在对未来可能变化的道路状态进行分析的方法，因此以上两项发明均未能基于考虑交通需求的变化建立路网状态与交通需求之间的联系，因此至多只能依赖实时采集的数据对道路交通状态进行实时判断，而无法根据交通需求变化而判断道路的状态。3、由于以上两项发明仅仅是对现有道路网络的检测，并没有提出优化的方案，因此基于以上两项发明的检测结果，均无法直接制定出提高路网运行效率的措施。
发明内容
技术问题：本发明提供一种可以根据不同的城市交通路网和城市交通需求的水平，找出路网中的无效路段并暂时关闭该路段的服务功能，以提高路网总体运行效率的考虑交通需求和道路网络运行效率的路段检测方法。该方法可以提供这些路段随着交通需求而变化的有效性变化曲线，为交通管理措施的决策者提供开放/关闭路段的时机。
技术方案：本发明的考虑交通需求和道路网络运行效率的路段检测方法，包括以下步骤：
1)由城市交通路网获得路网的拓扑结构，由交通调查得到路网中各路段的广义出行费用，由出行需求调查方法得到城市路网当前的交通出行需求；
2)使用交通分配原则对路网进行交通分配，然后计算路网的总运行时间T0，基于所述总运行时间，检测出影响路网运行效率的无效路段；
3)计算所述影响路网运行效率的无效路段分别在有效和无效时的交通需求变化范围；
4)根据所述步骤3)得出的变化范围，采取交通管理措施开放或关闭该路段。
进一步的，本发明方法中，所述步骤2)的具体流程为：
步骤0：输入路网的拓扑结构、OD对w的交通需求qw和路段a的广义出行费用ta，令i＝1，其中i表示路网中的第i条路段；
步骤1：采用以下非线性规划公式进行交通分配：
其中，a表示路段；w表示OD对；k表示OD对w之间的路径；为OD对w之间的路径k的流量；qw为OD对w的交通需求；Kw为OD对w之间所有路径k的集合；W为路网中所有OD对w的集合；A为路网中所有路段a的集合；xa表示路段a的交通流量；表示路段a与路径k的关系，即路网的拓扑结构，当路段a属于路径k时，否则
步骤2：根据下式计算当前路网的总运行时间T0，令Tmin＝T0得到路网总运行时间最小值的初始值，其中Tmin表示路网总运行时间的最小值：
步骤3：在路网中关闭第i条路段，得到一个新路网；
步骤4：根据所述步骤1中的非线性规划公式，对所述步骤3中得到的新路网重新进行交通分配；
步骤5：根据公式计算新路网的总运行时间T*；
步骤6：如果T*小于或等于Tmin，则令Tmin＝T*，b＝i，其中b表示求出的无效路段的编号；否则不进行操作；
步骤7：判断是否已将路网中所有路段都进行了从步骤1到步骤6的测试，如是，则进入步骤8，否则令i＝i+1并返回步骤3；
步骤8：输出Tmin和b，其中b即为路网中的无效路段的标号，Tmin即为关闭该路段之后的新路网的总运行时间。
进一步的，本发明方法中，所述步骤0中的交通需求qw通过以下方式获得：交通需求调查、交通需求反推、智能交通监控系统获得的数据、手机数据或GPS数据。
进一步的，本发明方法中，所述步骤3)的具体流程为：首先将路径费用表示为路径流量的表达式如下所示：
c＝δβδTf+δα
式中，c为一个k维列向量，其每一个元素代表一条可行路径的费用；α和β中的各元素分别为各路段a的广义出行费用的参数；δ为一个k行a列矩阵，其元素即为f为一个k维列向量，其元素为代表OD对w之间的路径k的流量。
再通过解以下方程组将路径流量表示为关于交通需求qw的表达式：
其中，表示OD对w之间路径k-1的费用；表示OD对w之间路径k的费用；为OD对w之间的路径k的流量；qw为OD对w的交通需求；w表示OD对；k和k-1分别表示OD对w之间的路径k和路径k-1；Kw为OD对w之间所有路径k的集合；W为路网中所有OD对的集合；
然后根据公式将系统总运行费用表示为交通需求qw的表达式，通过解不等式T＜T*，即可得出该路段有效和无效时的交通需求的变化范围。
进一步的，本发明方法中，所述步骤4)的具体方式为：当所述步骤1)得到的城市路网当前的交通出行需求处在步骤3)所得的“无效路段在无效时的交通需求变化范围”时，关闭该路段；当步骤1)得到的城市路网当前的交通出行需求处在步骤3)所得的“无效路段在有效时的交通需求变化范围”时，开放该路段。
进一步的，本发明方法中，所述步骤2)中的交通分配原则为用户均衡交通分配原则或随机用户均衡交通分配原则。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明提供了一种考虑交通需求和道路网络运行效率的路段检测方法，该方法可以在不改变城市路网硬件结构的前提下，花费较少的管理成本，根据不同的城市交通路网和城市交通需求的水平，找出路网中的无效路段并暂时关闭该路段的服务功能，以提高路网的总体运行效率，同时该方法还可以提供这些路段随着交通需求而变化的有效性变化曲线，为交通管理措施的决策者提供开放/关闭路段的时机。
与本发明最接近的现有发明是一种具有多源数据的路段交通判别方法(申请号20140790524.5)和车载单体道路交通状态判别装置与方法(申请号201410404974.6)。然而，以上两项发明存在以下三方面的缺陷。1、需要对路网中的路段分别进行监测和计算，或者采用视频图像处理技术，分析得到相应的交通参数，成本和计算压力大。2、未能基于考虑交通需求的变化建立路网状态与交通需求之间的联系，因此至多只能依赖实时采集的数据对道路交通状态进行实时判断，而无法根据交通需求变化而判断道路的状态。3、无法直接制定出提高路网运行效率的措施。而本发明解决了以上三方面的不足：1、本发明在得出路网中各路段的广义出行费用函数之后就不再需要对道路进行后续的监测，而计算广义出行费用函数的现有方法(如浮动车法等)成本低廉且易于操作；同时，将路网作为一个整体进行分析，避免了逐条计算所有路段的繁琐工作，因此本发明即使用于大型的交通网络也不会增加成本和计算压力。2、本发明考虑了交通需求的变化，可以给出随着交通需求而变化的检测结果，因此本发明可以根据交通需求的变化而判断路网的状态。3、由于本发明是对整体路网络的运行效率进行优化，输出的结果即为提高路网整体运行效率的方案，因此本发明不仅可以检测路段的状态，还可以针对检测的结果给出提高路网运行效率的方案。
附图说明
图1为本发明方法流程图。
具体实施方式
下面结合实例和说明书附图对本发明作进一步的说明。
本发明的考虑交通需求和道路网络运行效率的路段检测方法，包括以下步骤：
1)由城市交通路网获得路网的拓扑结构。
根据地理位置和交通要素的不同，通常可以把城市的不同区域划分成不同的交通小区，每个小区通常既是交通出行的发生源又是交通出行的吸引源。对于一个方向的交通出行来说，当某个小区是该方向上出行的发生源时，称其为交通出行的起点或O点，从该小区发生的交通量用符号qr，·表示；当某个小区是该方向上出行的吸引源时，称其为交通出行的讫点或D点，该小区吸引的交通量用q·，s表示，一个起点和一个讫点组成了一个OD对，路网中OD对用符号w来表示，其间的交通流量称为OD流量，用符号qw表示。
城市中的各交通小区之间由城市道路相连，在路网的拓扑结构中，这些城市道路称为路段，用符号linka表示，路段上的交通流量称为路段流量，用xa表示路段a的流量。
从一个交通小区行驶到另一个交通小区，通常可以有多条可供选择的路线，这样的路线称为路径，用符号pathk表示。通常来说，一条路径是由一条或多条路段串联而成。路径的交通流量称为路径流量，fk表示路径k的流量。根据以上三者的定义以及路网结构，OD流、路段流量和路径流量之间满足如下关系：
式中，W为路网中所有OD对的集合；A为所有路段的集合；当路段a属于路径k时，否则，
2)由交通调查得到路网中各路段的广义出行费用。
广义出行费用是路段检测的基础数据之一。为获得城市路网中各路段的广义出行费用，我们可以由交通调查获得各路段上车辆的行驶数据，从而推算出路段的广义出行费用。路段a的广义出行费用可以表示为：
ta＝αa+βaxa (3)
式中，ta为路段a的广义出行费用；xa为路段a上的交通量；αa和βa为待定参数。
通过交通调查，可以得到路段上车辆的多日行驶数据，其中包括多日的交通量和广义出行费用，即公式(3)中的xa和ta。通过交通调查获得的多日行驶数据，可以标定式(3)中的参数αa和βa，从而得到路网中各路段的广义出行费用。
3)由出行需求调查等方法得到城市路网当前的交通出行需求。
获取城市的交通出行需求有许多方法，其中较为常用的有出行需求调查和交通需求反推等方法。
通过向城市居民发放调查问卷进行交通出行调查，可以得到城市各交通小区之间的出行需求，即qw。在无法进行或不进行大规模的出行需求调查的情况下，我们也可以通过交通需求反推的方法获得城市的交通出行需求。常用的交通需求反推方法是通过观测到的部分路段流量来反推城市各交通小区之间的交通需求qw。此类方法常是交通规划相关领域的研究重点，因此有许多方法可以实现获取出行需求的目的。不论是通过什么方法获取的出行需求数据都可以应用于本发明。
4)找出路网中的无效路段。
随着交通需求的不断发展，城市交通路网的规模和复杂性不断得到提升。由于交通路网的复杂性以及交通悖论的存在，根据交通分配原理，有时在路网中增加路段反而会导致路网总运行时间和车辆平均运行时间增加，这就是交通运输领域著名的Braess悖论。本发明结合交通分配原理，按照以下算法逐条测试路网中的路段，从而找出引起路网总运行时间增加的无效路段：
步骤0：在数学规划软件中，根据步骤1)所得的路网拓扑结构标注路网中的各个OD对w、各条路段a和各条路径k，输入由步骤2)和步骤3)获得的交通需求qw和各路段的广义出行费用ta，令i＝1，其中i表示路网中的第i条路段；
步骤1：根据博弈论和交通分配问题中常用的用户均衡原则对当前路网进行交通分配，所采用的非线性规划公式如下：
式中，a表示路段；w表示OD对；k表示OD对w之间的路径；为OD对w之间的路径k的流量；qw为OD对w的交通需求；Kw为OD对w之间所有路径k的集合；W为路网中所有OD对w的集合；A为路网中所有路段a的集合；xa表示路段a的交通流量；表示路段a与路径k的关系，即路网的拓扑结构，当路段a属于路径k时，否则
步骤2：计算当前路网的总运行时间，并设Tmin＝T0，计算公式如下：
步骤3：在路网中关闭第i条路段；
步骤4：根据步骤1所述的非线性规划公式，对新路网重新进行交通分配；
步骤5：根据步骤2所述的计算公式，重新计算新路网的总运行时间T*；
步骤6：如果T*小于等于Tmin，则令Tmin＝T*，且令b＝i，其中b表示求出的无效路段的编号；否则不进行操作；
步骤7：判断是否已将路网中所有路段都测试完毕，如是，则进入步骤8，否则令i＝i+1并返回步骤3；
步骤8：输出Tmin和b，其中b即为路网中的无效路段的标号，Tmin即为关闭该路段之后的新路网的总运行时间。
通过交通管理措施关闭路段b，交通管理措施包括限制车辆通行、封闭道路、交通管制等。
5)计算该路段有效或无效时的交通需求的变化范围。
设矩阵α、β和δ。
矩阵α中的各元素为公式(3)中各路段a的广义出行费用的参数αa，如：
矩阵β中的各元素为公式(3)中各路段a的广义出行费用的参数βa。考虑到现实路网中的路段费用函数可能与多种因素有关，目前比较常见的有两种模型：1.路段的广义出行费用函数只与路段自身的流量有关，与其他路段无关，即不同路段的广义出行费用函数是相互独立的；2.路段的广义出行费用函数不止于自身的流量有关，还与路网中的其他路段的流量有关，即路网中各路段(特别是与之直接相连的路段)的广义出行费用函数是相关的。针对工程中的这两种假设，本算法设计了两种用以表示矩阵β的方法，这两种方法不论在软件和工程中都可以较好地实现。当路段的广义出行费用函数只与路段自身的流量有关时，矩阵β中的各元素为公式(3)中各路段a的广义出行费用函数的参数βa，如：
式中，βi，j表示第i条路段的广义出行费用函数中与第j条路段的流量相关的参数。
当路段的广义出行费用函数与路网中其他路段的流量相关时，矩阵β中的各元素为公式(3)中各路段a的广义出行费用函数的参数βa，如：
对于单OD对的路网，矩阵δ中的元素为公式(2)中的参数δa，k，如：
对于多OD对的路网，矩阵δ中的元素为公式(2)中的参数如：
式中，当路段a属于OD对w中的路径k时，否则δw表示所有的OD对w的系数矩阵。由于δw表示所有OD对w的系数矩阵，因此，一个有OD对w的路网也共有w个系数矩阵。
我们定义路径费用函数的矩阵形式为：
c＝δβδTf+δα (12)
式中，c为一个k维列向量，其每一个元素代表一条可行路径的费用；δ为一个k行a列矩阵，其元素即为f为一个k维列向量，其元素为fk w，fk w代表OD对w之间的路径k的流量。
根据用户均衡的交通分配原理，所有使用的路径的费用都相等，所有路径费用大于使用的路径的费用的路径，其路径流量为零，我们可以列出如下方程组：
式中，表示OD对w之间路径k-1的费用；表示OD对w之间路径k的费用；为OD对w之间的路径k的流量；qw为OD对w的OD流；w表示OD对；k和k-1分别表示OD对w之间的路径k条和路径k-1；Kw为OD对w之间所有路径k的集合；W为路网中所有OD对的集合。
根据公式(12)，可以将公式(13a)用含有fk w的方程组进行表示，并且由于公式(13b)中的qws为常数，因此方程组(13)中含有w×k个未知数(即)，和w×k个相互独立的方程，所以方程组(13)有唯一解。解该方程组可以将所有的变量都用未知常数qw来表示。
在得到方程组(13)的解之后，用以下公式来计算路网的总运行时间：
由此可将路网的总运行时间表达为一个含有qw的表达式(其值正比于qw的二次方)，而qw即为交通需求，因此我们得到了路网的总运行时间随着交通需求的改变而改变的函数表达式。
通过公式(7)～(14)，我们同样可以计算路段限制后的新路网的总运行时间T新与交通需求之间的表达式。
通过解不等式：
T＜T新 (15)
得到qw的解集：
{qw|T＜T新} (16)
由此我们可以知道交通需求变化到什么范围内，会使得路段限制措施失效，此时重新开放已关闭的路段会使得系统的总运行时间降低。
6)当城市路网的交通需求qw变化到{qw|T＜T新}范围内时，重新开放路网中已关闭的路段。
开放或关闭该路段可以通过多种方式实现这一功能，包括但不限于实行交通管制、设立禁行标识等方式。
上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种考虑交通需求和道路网络运行效率的路段检测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
1)由城市交通路网获得路网的拓扑结构，由交通调查得到路网中各路段的广义出行费用，由出行需求调查方法得到城市路网当前的交通出行需求；
2)使用交通分配原则对路网进行交通分配，然后计算路网的总运行时间T0，基于所述总运行时间，检测出影响路网运行效率的无效路段；
3)计算所述影响路网运行效率的无效路段分别在有效和无效时的交通需求变化范围；
4)根据所述步骤3)得出的变化范围，采取交通管理措施开放或关闭该路段。
2.根据权利要求1所述考虑交通需求和道路网络运行效率的路段检测方法，其特征在于，所述步骤2)的具体流程为：
步骤0：输入路网的拓扑结构、OD对w的交通需求qw和路段a的广义出行费用ta，令i＝1，其中i表示路网中的第i条路段；
步骤1：采用以下非线性规划公式进行交通分配：
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其中，a表示路段；w表示OD对；k表示OD对w之间的路径；为OD对w之间的路径k的流量；qw为OD对w的交通需求；Kw为OD对w之间所有路径k的集合；W为路网中所有OD对w的集合；A为路网中所有路段a的集合；xa表示路段a的交通流量；表示路段a与路径k的关系，即路网的拓扑结构，当路段a属于路径k时，否则
步骤2：根据下式计算当前路网的总运行时间T0，令Tmin＝T0得到路网总运行时间最小值的初始值，其中Tmin表示路网总运行时间的最小值：
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步骤3：在路网中关闭第i条路段，得到一个新路网；
步骤4：根据所述步骤1中的非线性规划公式，对所述步骤3中得到的新路网重新进行交通分配；
步骤5：根据公式计算新路网的总运行时间T*；
步骤6：如果T*小于或等于Tmin，则令Tmin＝T*，b＝i，其中b表示求出的无效路段的编号；否则不进行操作；
步骤7：判断是否已将路网中所有路段都进行了从步骤1到步骤6的测试，如是，则进入步骤8，否则令i＝i+1并返回步骤3；
步骤8：输出Tmin和b，其中b即为路网中的无效路段的标号，Tmin即为关闭该路段之后的新路网的总运行时间。
3.根据权利要求2所述的考虑交通需求和道路网络运行效率的路段检测方法，其特征在于，所述步骤0中的交通需求qw通过以下方式获得：交通需求调查、交通需求反推、智能交通监控系统获得的数据、手机数据或GPS数据。
4.根据权利要求1、2或3所述的考虑交通需求和道路网络运行效率的路段检测方法，其特征在于，所述步骤3)的具体流程为：首先将路径费用表示为路径流量的表达式如下所示：
c＝δβδTf+δα
式中，c为一个k维列向量，其每一个元素代表一条可行路径的费用；α和β中的各元素分别为各路段a的广义出行费用的参数；δ为一个k行a列矩阵，其元素即为f为一个k维列向量，其元素为代表OD对w之间的路径k的流量；
再通过解以下方程组将路径流量表示为关于交通需求qw的表达式：
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其中，表示OD对w之间路径k-1的费用；表示OD对w之间路径k的费用；为OD对w之间的路径k的流量；qw为OD对w的交通需求；w表示OD对；k和k-1分别表示OD对w之间的路径k和路径k-1；Kw为OD对w之间所有路径的集合；W为路网中所有OD对的集合；
然后根据公式将系统总运行费用表示为交通需求qw的表达式，通过解不等式T＜T*，即可得出该路段有效和无效时的交通需求的变化范围。
5.根据权利要求1、2或3所述的考虑交通需求和道路网络运行效率的路段检测方法，其特征在于，所述步骤4)的具体方式为：当所述步骤1)得到的城市路网当前的交通出行需求处在步骤3)所得的“无效路段在无效时的交通需求变化范围”时，关闭该路段；当步骤1)得到的城市路网当前的交通出行需求处在步骤3)所得的“无效路段在有效时的交通需求变化范围”时，开放该路段。
6.根据权利要求1、2或3所述的考虑交通需求和道路网络运行效率的路段检测方法，其特征在于，所述步骤2)中的交通分配原则为用户均衡交通分配原则或随机用户均衡交通分配原则。
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