CN109035773A - 路口实际通行需求关联可视化分析方法和系统 - Google Patents

路口实际通行需求关联可视化分析方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种路口实际通行需求关联可视化分析方法和系统，基于路口实际交通通行数据以及信号控制配时数据，以可交互的可视化图表实现对路口各流向交通需求与信号配时方案匹配情况分析，进而评价信号控制方案的合理性；本发明通过直观的可视化方法和灵活的交互，能够清晰呈现信号控制路口的各流向交通实际需求，直观识别关键流向，配合需求与供给的平衡分析，识别信号控制方案中存在的配时不合理、阶段配置不合理、时段划分不合理等问题。

Description

路口实际通行需求关联可视化分析方法和系统
技术领域
本发明涉及一种路口实际通行需求关联可视化分析方法和系统。
背景技术
道路交通拥堵产生的根本原因在于交通供求关系的不平衡，从管理角度抑制交通需求或提升已有交通系统效率成为当前应对交通堵塞问题的重要手段，其中交通信号控制在提升道路交通效率方面发挥重要效用，已逐步成为缓解城市交通拥堵的主流方法。然而在拥堵状况下，诸多测试均表明既有的城市道路交通信号系统的控制效果不佳，其重要原因之一在于未能实现交通系统供给与需求的有效匹配。
目前交管部门在进行信号控制方案配置时主要依据管控经验进行，根据方案部署后的交通通行情况反馈再进行调整。现状表明，因缺乏有效的技术手段实施配时方案与实际交通需求的匹配程度分析判断，直接影响信号配时方案合理性，城市道路交通通行效率问题难以改善。
在信号控制研究领域，通过指标评估、虚拟仿真等手段能够实现对信号控制方案合理性以及实施效果的评价，但受制于指标计算仿真实施对专业性的要求，此类方法很难在实际应用中使用。目前的信号控制系统在方案配置时也未开放合理性评估功能，管控实施者缺乏便捷有效的辅助工具。
发明内容
本发明的目的是提供一种路口实际通行需求关联可视化分析方法和系统解决现有技术中存在的缺乏有效的技术手段实施配时方案与实际交通需求的匹配程度分析判断，直接影响信号配时方案合理性，城市道路交通通行效率问题难以改善的问题。
本发明的技术解决方案是：
一种路口实际通行需求关联可视化分析方法，基于路口实际交通通行数据以及信号控制配时数据，以可交互的可视化图表实现对路口各流向交通需求与信号配时方案匹配情况分析，进而评价信号控制方案的合理性，包括以下步骤，
S1、基于路口渠化情况与交通需求参数构建流向时序图，其中时间轴根据短时间隔τ均分为若干时间单元，流向轴根据路口各进口的车道转向确定；任一时间单元与任一流向对应的分析单元为该流向在该时间间隔内的交通需求；设置交通需求参数数值区间与色值的映射，并根据实际参数数值在时序图中对应分析单元区域着色，生成流向时序热力图；
S2、基于信号配时数据构建阶段时序图，时间轴与步骤S1中流向时序图采用相同的短时间隔τ，均分为若干时间单元，阶段绿灯时间轴表示控制阶段绿灯时长，同一方案各阶段的绿灯时间进行堆叠；任一时间单元与任一阶段对应的分析单元为该阶段在对应短时段内的绿时需求，包括阶段绿时需求与绿时利用率；设置绿时需求参数数值区间与色值的映射，并根据实际参数数值在阶段时序图中分析单元区域着色，生成阶段时序热力图；
S3、根据分析总时长内信号控制方案的时段划分情况，在步骤S1生成的流向时序热力图、步骤S2生成阶段时序热力图标示时段分割节点；
S4、基于流向交通需求以及信号阶段的关联关系，由流向时序热力图与阶段时序热力图实施路口交通需求及信号控制方案配置合理性的关联可视化分析，包括关键流向判别、阶段配置合理性分析、时段划分合理性分析、方案配时合理性分析。
进一步地，步骤S1中，路口流向轴包括东左转、东直行、东右转、西左转、西直行、西右转、南左转、南直行、南右转、北左转、北直行、北右转；
交通需求参数，包括交通流量、饱和车头时距；若为单日数据，交通流量为流向所对应的最大车道流量；若为多日数据，流向交通流量为每日最大车道流量的统计值；饱和车头时距为达到该流向车道达到饱和状态时车头时距平均值。
进一步地，步骤S2中，绿时需求参数基于路口车辆通行数据以及信号配时参数计算；具体地，计算流向绿时需求gi’与流向绿时利用率ri’，根据流向与信号控制阶段关联关系，计算阶段绿时需求gj以及阶段绿时利用率rj；其中i为流向编号、j为阶段编号。
进一步地，步骤S2中，基于时间单元t内的车道k交通流量qk t，以及对应的饱和车头时距hk t，计算该车道在该时间单元内的绿时需求C为该时间单元内的信号周期长度，若该时间单元内存在多个周期长度不同的信号配时方案，则取持续时间最长的配时方案对应的周期长度；s为饱和度；流向绿时需求k取值为与流向i对应的车道编号；其中，若为单日数据，流向绿时需求即为上式所求解，若为多日数据，则基于上式对每日的流向绿时需求进行统计后获得；阶段绿时需求其中Gj为阶段j绿灯时长，∑G为放行流向i的所有阶段的绿灯时长累加。
进一步地，步骤S2中，基于阶段绿时需求gj计算阶段绿时利用率rj＝gj/Gj，其中Gj为阶段j绿灯时长；若时间单元内存在多个信号配时方案，则取持续时间最长的配时方案对应的绿灯时间；其中，若为单日数据，流向绿时需求即为上式所求解，若为多日数据，则基于上式计算每日的绿时利用率进行计算并对多日数据进行统计。
进一步地，步骤S4中，关键流向判别具体为：基于流向绿时利用率，识别每个时间分析单元内的绿时利用率最大的流向，对各流向在所有时间分析单元内判定为绿时利用率最大流向的次数，据此排序，前位流向为关键流向，并在流向时序热力图、阶段时序热力图中对关键流向及其对应的信号控制阶段进行高亮突出。
进一步地，步骤S4中，阶段配置合理性分析具体为：对于任一阶段分析单元，查看该阶段关联流向在该时间单元内的交通需求，若存在多个流向交通需求不均衡情况，判断信号控制阶段配置方案需调整。
进一步地，步骤S4中，时段划分合理性分析具体为：在流向时序热力图中，分析同一时段内是否存在连续n个分析单元热力突变，判断该时段内存在交通需求模式的差异，时段划分方案需提升合理性；其中，n>1；热力突变指该分析单元热力值与其周边单元热力差异超过阈值；分析是否存在相同热力等级的连续分析单元被划分在不同的时段，若存在，则时段划分方案有待提升合理性。
进一步地，步骤S4中，方案配时合理性分析具体为：对于任一时间单元内的若干阶段分析单元，分析单元热力值表征绿时利用率，若存在多个单元热力低于阈值，判断该信号控制方案与对应时段内的交通需求不匹配，需要调整配时。
一种路口实际通行需求关联可视化分析系统，包括数据采集与处理模块和可视化交互模块；
数据采集与处理模块：进行路口车辆通行数据、信号控制配时数据的获取，以及交通需求参数、绿时需求参数的计算；
可视化交互模块：采用上述任一项所述的路口实际通行需求关联可视化分析方法，生成流向时序热力图、阶段时序热力图，接收用户指令，根据用户设置的时间范围、参数、统计指标从数据采集与处理模块读取对应的交通需求参数、绿时需求参数，参数指标根据数据采集与处理模块输出的交通需求参数、绿时需求参数更新，并通过交互手段建立流向时序热力图与阶段时序热力图的关联关系，实现包括关键流向判别、阶段配置合理性分析、时段划分合理性分析、方案配时合理性分析的可视化分析。
本发明的有益效果是：该种路口实际通行需求关联可视化分析方法和系统，通过直观的可视化方法和灵活的交互，能够清晰呈现信号控制路口的各流向交通实际需求，直观识别关键流向，配合需求与供给的平衡分析，识别信号控制方案中存在的配时不合理、阶段配置不合理、时段划分不合理等问题，在信号控制配时参数配置、方案调度等应用中简化操作者的数据调取、分析等操作，本发明的成果可作为信号控制方案配置和实施应用评价的可靠辅助工具。
附图说明
图1是本发明实施例路口实际通行需求关联可视化分析方法的流程示意图。
图2是本发明实施例中具体示例生成的流向时序热力图与阶段时序热力图。
图3是本发明实施例中信号控制方案调整后的流向时序热力图与阶段时序热力图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
实施例
一种路口实际通行需求关联可视化分析方法，基于路口实际交通通行数据以及信号控制配时数据，以可交互的可视化图表实现对路口各流向交通需求与信号配时方案匹配情况分析，进而评价信号控制方案的合理性；如图1，具体包括以下步骤：
S1.基于路口渠化情况构建流向时序图，在时间轴根据短时间隔τ均分为若干时间单元；路口流向轴包括东左转、东直行、东右转、西左转、西直行、西右转、南左转、南直行、南右转、北左转、北直行、北右转，具体根据路口实际渠化情况确定；任一时间单元与任一流向对应的分析单元为该流向在该时间间隔内的交通需求，包括交通流量、饱和车头时距；设置交通需求参数数值区间与色值的映射，并根据实际参数数值在时序图中对应分析单元区域着色，生成流向时序热力图。
其中，交通需求参数根据路口车辆通行数据计算获得；若为单日数据，交通流量为流向所对应的最大车道流量；若为多日数据，流向交通流量为每日最大车道流量的统计值，统计值从平均值、中位数、85分位数、95分位数中选择；饱和车头时距为达到该流向车道达到饱和状态时车头时距平均值。
S2.基于信号配时数据构建阶段时序图，时间轴与流向时序图采用相同的短时间隔τ，均分为若干时间单元，阶段绿灯时间轴表示控制阶段绿灯时长，同一方案各阶段的绿灯时间进行堆叠；任一时间单元与任一阶段对应的分析单元为该阶段在对应短时段内的绿时需求，包括阶段绿时需求与绿时利用率；设置绿时需求参数数值区间与色值的映射，并根据实际参数数值在阶段时序图中分析单元区域着色，生成阶段时序热力图。
其中，绿时需求参数基于路口车辆通行数据以及信号配时参数计算；具体地，计算流向绿时需求gi’与流向绿时利用率ri’，根据流向与信号控制阶段关联关系，计算阶段绿时需求gj以及阶段绿时利用率rj；其中i为流向编号、j为阶段编号；其中：
①基于时间单元t内的车道k交通流量qk t，以及对应的饱和车头时距hk t，计算该车道在该时间单元内的绿时需求C为该时间单元内的信号周期长度，若该时间单元内存在多个周期长度不同的信号配时方案，则取持续时间最长的配时方案对应的周期长度；s为饱和度，数值可调整，通常取值为0.9；其他参数同前。
流向绿时需求k取值为与流向i对应的车道编号，为单一值或多个值，由流向与车道的对应关系确定；其中，若为单日数据，流向绿时需求即为上式所求解，若为多日数据，则基于上式对每日的流向绿时需求进行统计后获得；统计值从平均值、中位数、85分位数、95分位数中选择。
阶段绿时需求其中Gj为阶段j绿灯时长，∑G为放行流向i的所有阶段的绿灯时长累加。
②基于阶段绿时需求gj计算阶段绿时利用率rj＝gj/Gj，参数含义同上；若时间单元内存在多个信号配时方案，则取持续时间最长的配时方案对应的绿灯时间；其中，若为单日数据，流向绿时需求即为上式所求解，若为多日数据，则基于上式计算每日的绿时利用率进行计算并对多日数据进行统计，统计值包括平均值、中位数、85分位数、95分位数，从中选择一种。
S3：根据分析总时长内信号控制方案的时段划分情况，在流向时序热力图、阶段时序热力图标示时段分割节点。
S4：基于流向交通需求以及信号阶段的关联关系，由流向时序热力图与阶段时序热力图实施路口交通需求及信号控制方案配置合理性的关联可视化分析，包括关键流向判别、阶段配置合理性分析、时段划分合理性分析、方案配时合理性分析；具体地：
①关键流向判别：基于流向绿时利用率，识别每个时间分析单元内的绿时利用率最大的流向，对各流向在所有时间分析单元内判定为绿时利用率最大流向的次数，据此排序，前位流向为关键流向，并在流向时序热力图、阶段时序热力图中对关键流向及其对应的信号控制阶段进行高亮突出。
②阶段配置合理性分析：对于任一阶段分析单元，查看该阶段关联流向在该时间单元内的交通需求，若存在多个流向交通需求不均衡情况，判断信号控制阶段配置方案需调整。
③时段划分合理性分析：在流向时序热力图中，分析同一时段内是否存在连续n个分析单元热力突变，判断该时段内存在交通需求模式的差异，时段划分方案需提升合理性；其中，n>1，热力突变指该分析单元热力值与其周边单元热力差异超过阈值；分析是否存在相同热力等级的连续分析单元被划分在不同的时段，若存在，时段划分方案有待提升合理性。
④方案配时合理性分析：对于任一时间单元内的若干阶段分析单元，分析单元热力值表征绿时利用率，若存在多个单元热力低于阈值，判断该信号控制方案与对应时段内的交通需求不匹配，需要调整配时。
根据路口车辆通行数据与信号控制配时方案信息，生成路口流向时序热力图以及阶段时序热力图，通过可视化图形综合表示短时间隔内的路口流向交通需求以及实施的信号配时方案(包括时段划分情况、周期长度、阶段配置情况、阶段绿时)，基于流向-阶段关联关系，结合交互操作，对路口实际通行需求以及信号控制方案合理性进行分析判断，应用在信号控制配时方案配置以及评估。
实施例还提供一种路口实际通行需求关联可视化系统，包括数据采集与处理模块和可视化交互模块。
数据采集与处理模块：进行路口车辆通行数据、信号控制配时数据的获取，以及交通需求参数、绿时需求参数的计算。
可视化交互模块：采用上述任一项所述路口实际通行需求关联可视化方法生成流向时序热力图、阶段时序热力图，接收用户指令，根据用户设置的时间范围、参数、统计指标从数据采集与处理模块读取对应的交通需求参数、绿时需求参数，图中参数指标根据数据采集与处理模块输出的交通需求参数、绿时需求参数更新，同时该模块通过交互手段建立流向时序热力图与阶段时序热力图的关联关系，用户可实现包括关键流向判别、阶段配置合理性分析、时段划分合理性分析、方案配时合理性分析的可视化分析。
实施例方法与系统根据路口车辆通行数据以及信号控制方案，自动生成流向时序热力图与阶段时序热力图，基于流向与阶段的关联特性，以可视化图表及交互分析路口各流向的实际交通需求以及信号控制与交通需求的匹配程度，从而分析信号配时方案的合理性，包括时段划分合理性、阶段配置合理性、阶段配时合理性等。
实施例的路口实际通行需求关联可视化分析方法和系统，以可视化图形以及交互，实现路口交通需求与信号控制方案的直观呈现，通过关联分析可实现控制阶段配置情况、控制时段划分以及方案配时的合理性判断，在信号控制方案配置、信号控制实施效果评价等应用场景下，能够发挥显著的辅助决策作用。
实施例的一个具体示例如下：
实施例中，对某十字型信号交叉口实施通行需求关联可视化分析，该交叉口四进口均包含专左、直行、专右三个车道。从路口安装的卡口系统检测获得的某一日全天的(0:00～23:59)通行车辆号牌检测数据。
S1.τ＝15min，横轴对0:00至23:59的时间长度进行单元划分，纵轴共东左转、东直行、东右转、西左转、西直行、西右转、南左转、南直行、南右转、北左转、北直行、北右转十二个流向，绘制包含1152个分析单元的流向时序图。根据各流向车辆号牌识别数据，统计各流向在各时间单元内的流量、饱和车头时距，生成流向时序热力图。
S2.路口全天共执行8套配时方案，阶段时序图横轴与流向时序图一致，纵轴区间根据配时方案的最大周期长度200s绘制，并根据S1计算的流量、饱和车头时距，计算各阶段绿时需求、绿时利用率，生成阶段时序热力图。
S3.该实施例中，分析日的信号控制方案共划分6个时段，五个时段分割点位于7:00、9:30、13:45、18:30、23:00。生成的流向时序热力图与阶段时序热力图示意图如图2所示。
S4.在阶段时序热力图中点选任意分析单元，流向时序热力图中高亮显示对应的流向分析单元。关联上下图分析关键流向、时段划分合理性、阶段配置合理性、方案配时合理性。
该实施例应用于信号控制方案配置过程，根据上述对现有方案的合理性分析，调整控制方案，对应的阶段时序热力图自动更新，如图3所示。

Claims (10)

1.一种路口实际通行需求关联可视化分析方法，其特征在于：基于路口实际交通通行数据以及信号控制配时数据，以可交互的可视化图表实现对路口各流向交通需求与信号配时方案匹配情况分析，进而评价信号控制方案的合理性，包括以下步骤，
S1、基于路口渠化情况与交通需求参数构建流向时序图，其中时间轴根据短时间隔τ均分为若干时间单元，流向轴根据路口各进口的车道转向确定；任一时间单元与任一流向对应的分析单元为该流向在该时间间隔内的交通需求；设置交通需求参数数值区间与色值的映射，并根据实际参数数值在时序图中对应分析单元区域着色，生成流向时序热力图；
S2、基于信号配时数据构建阶段时序图，时间轴与步骤S1中流向时序图采用相同的短时间隔τ，均分为若干时间单元，阶段绿灯时间轴表示控制阶段绿灯时长，同一方案各阶段的绿灯时间进行堆叠；任一时间单元与任一阶段对应的分析单元为该阶段在对应短时段内的绿时需求，包括阶段绿时需求与绿时利用率；设置绿时需求参数数值区间与色值的映射，并根据实际参数数值在阶段时序图中分析单元区域着色，生成阶段时序热力图；
S3、根据分析总时长内信号控制方案的时段划分情况，在步骤S1生成的流向时序热力图、步骤S2生成阶段时序热力图标示时段分割节点；
S4、基于流向交通需求以及信号阶段的关联关系，由流向时序热力图与阶段时序热力图实施路口交通需求及信号控制方案配置合理性的关联可视化分析，包括关键流向判别、阶段配置合理性分析、时段划分合理性分析、方案配时合理性分析。
2.如权利要求1所述的路口实际通行需求关联可视化分析方法，其特征在于：步骤S1中，路口流向轴包括东左转、东直行、东右转、西左转、西直行、西右转、南左转、南直行、南右转、北左转、北直行、北右转；
交通需求参数，包括交通流量、饱和车头时距；若为单日数据，交通流量为流向所对应的最大车道流量；若为多日数据，流向交通流量为每日最大车道流量的统计值；饱和车头时距为达到该流向车道达到饱和状态时车头时距平均值。
3.如权利要求1所述的路口实际通行需求关联可视化分析方法，其特征在于：步骤S2中，绿时需求参数基于路口车辆通行数据以及信号配时参数计算；具体地，计算流向绿时需求gi’与流向绿时利用率ri’，根据流向与信号控制阶段关联关系，计算阶段绿时需求gj以及阶段绿时利用率rj；其中i为流向编号、j为阶段编号。
4.如权利要求3所述的路口实际通行需求关联可视化分析方法，其特征在于：步骤S2中，基于时间单元t内的车道k交通流量qk t，以及对应的饱和车头时距计算该车道在该时间单元内的绿时需求C为该时间单元内的信号周期长度，若该时间单元内存在多个周期长度不同的信号配时方案，则取持续时间最长的配时方案对应的周期长度；s为饱和度；流向绿时需求k取值为与流向i对应的车道编号；其中，若为单日数据，流向绿时需求即为上式所求解，若为多日数据，则基于上式对每日的流向绿时需求进行统计后获得；阶段绿时需求其中Gj为阶段j绿灯时长，∑G为放行流向i的所有阶段的绿灯时长累加。
5.如权利要求3所述的路口实际通行需求关联可视化分析方法，其特征在于：步骤S2中，基于阶段绿时需求gj计算阶段绿时利用率rj＝gj/Gj，其中Gj为阶段j绿灯时长；若时间单元内存在多个信号配时方案，则取持续时间最长的配时方案对应的绿灯时间；其中，若为单日数据，流向绿时需求即为上式所求解，若为多日数据，则基于上式计算每日的绿时利用率进行计算并对多日数据进行统计。
6.如权利要求1-5任一项所述的路口实际通行需求关联可视化分析方法，其特征在于：步骤S4中，关键流向判别具体为：基于流向绿时利用率，识别每个时间分析单元内的绿时利用率最大的流向，对各流向在所有时间分析单元内判定为绿时利用率最大流向的次数，据此排序，前位流向为关键流向，并在流向时序热力图、阶段时序热力图中对关键流向及其对应的信号控制阶段进行高亮突出。
7.如权利要求1-5任一项所述的路口实际通行需求关联可视化分析方法，其特征在于：步骤S4中，阶段配置合理性分析具体为：对于任一阶段分析单元，查看该阶段关联流向在该时间单元内的交通需求，若存在多个流向交通需求不均衡情况，判断信号控制阶段配置方案需调整。
8.如权利要求1-5任一项所述的路口实际通行需求关联可视化分析方法，其特征在于：步骤S4中，时段划分合理性分析具体为：在流向时序热力图中，分析同一时段内是否存在连续n个分析单元热力突变，判断该时段内存在交通需求模式的差异，时段划分方案需提升合理性；其中，n>1；热力突变指该分析单元热力值与其周边单元热力差异超过阈值；分析是否存在相同热力等级的连续分析单元被划分在不同的时段，若存在，则时段划分方案有待提升合理性。
9.如权利要求1-5任一项所述的路口实际通行需求关联可视化分析方法，其特征在于：步骤S4中，方案配时合理性分析具体为：对于任一时间单元内的若干阶段分析单元，分析单元热力值表征绿时利用率，若存在多个单元热力低于阈值，判断该信号控制方案与对应时段内的交通需求不匹配，需要调整配时。
10.一种路口实际通行需求关联可视化分析系统，其特征在于：包括数据采集与处理模块和可视化交互模块；
数据采集与处理模块：进行路口车辆通行数据、信号控制配时数据的获取，以及交通需求参数、绿时需求参数的计算；
可视化交互模块：采用权利要求1-9任一项所述的路口实际通行需求关联可视化分析方法，生成流向时序热力图、阶段时序热力图，接收用户指令，根据用户设置的时间范围、参数、统计指标从数据采集与处理模块读取对应的交通需求参数、绿时需求参数，参数指标根据数据采集与处理模块输出的交通需求参数、绿时需求参数更新，并通过交互手段建立流向时序热力图与阶段时序热力图的关联关系，实现包括关键流向判别、阶段配置合理性分析、时段划分合理性分析、方案配时合理性分析的可视化分析。
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