CN109544934A - 基于城市交叉口混合交通流三维轨迹的效率安全监控系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于城市交叉口混合交通流三维轨迹的效率安全监控系统，该系统包括：基础交通信息处理模块：用以统计获取城市交叉口的基本交通信息；三维轨迹图绘制模块：选择绘制时间和空间范围、车道、车辆类型以及路径上的交通参与者绘制交叉口混合轨迹的三维轨迹图；交通效率分析模块：在空间平面和时间轴构成的三维立体空间中，以交通参与者的轨迹为基础数据，构建同时反映时间和空间使用情况的时空利用率模型；交通安全分析模块：结合车辆运行过程中的速度、方向、加速度的突变行为，以及阈值判断波动性，冰筛选出关键安全事件。与现有技术相比，本发明具有三维视角、安全评价、适用性广等优点。

Description

基于城市交叉口混合交通流三维轨迹的效率安全监控系统
技术领域
本发明涉及城市交通管控领域，尤其是涉及一种基于城市交叉口混合交通流三维轨迹的效率安全监控系统。
背景技术
城市道路交叉口的功能在于让交叉口的机动车、非机动车、行人等交通对象安全、有效地到达目的方向，其实现方式是通过道路交通规划设计和信号配时方案设计合理分配道路通行权和信号通行权。一般交叉口的效率和安全的评价会作为这些规划和设计的直接依据，比如通过通行能力、延误等评价指标来改善交叉口设计。这些评价指标所采用的数据来源大多是线圈、浮动车、电子警察等方式，所采集到的数据过于单一化和片面化，囿于传统的数据采集方式，不能完全体现交叉口内混合交通流的轨迹特性。目前我国城市道路交通的建设与发展正朝着精细化和智能化的方向前行，自动驾驶技术的日益成熟，机动车的轨迹可分析交通参与者交互全过程的驾驶行为，可直接作为数据重现交叉口内的运行状态，既精准化又精细化地反应交叉口的效率和安全状况，具体表现为1)评价整个交叉口的运行效率来改善信号配时方案，2)评价某方向的车辆的运行效率来服务自动驾驶路径规划，3)可以评价整个交叉口的安全性来改善道路几何特性和信号配时方案，4)多角度量化多车辆间交通冲突的形式和程度用于控制车辆避免冲突。故而基于三维轨迹的效率和安全评价将会是未来自动驾驶行业乃至智能交通行业的研究重点。
这些传统的评价指标存在如下问题：
1)交通运行效率方面
已有的主流交通效率评价指标各自有所侧重，需要同时运用多指标来评价交通运行效果，增加了实际应用的复杂程度。例如交通延误指标侧重于交通参与者在行程时间上的延迟；而停车次数指标侧重于观测其停止和启动次数以反映信号控制等方面的效果。在交通状况发生变化时，这些指标的反应不能体现交叉口的时空资源利用情况，缺少对全局的考虑。
2)交通运行安全方面
已有的交通安全评价大多基于安全替代指标，例如冲突时间(TTC)和后侵入时间(PET)等。这些安全替代指标是将车辆的横向位移和纵向位移合成为距离之后，预测车辆的位置，进而判断是否发生交通冲突事件。然而，在混合交通流条件下，车辆的运动轨迹多变，仅仅依靠传统的安全替代指标难以准确识别交通冲突及其严重性。另外，在二维平面空间上难以直观地分析交通冲突发生全过程的驾驶行为变化以及冲突角度等信息。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于城市交叉口混合交通流三维轨迹的效率安全监控系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于城市交叉口混合交通流三维轨迹的效率安全监控系统，该系统包括：
基础交通信息处理模块：用以统计获取城市交叉口的基本交通信息，包括交通量、平均密度、平均延误和平均速度；
三维轨迹图绘制模块：根据导入的车辆轨迹数据，选择绘制时间和空间范围、车道、车辆类型以及路径上的交通参与者绘制交叉口混合轨迹的三维轨迹图，并实现旋转、放大缩小、平移图像、变化三维视角查看以及选择剖面和切面查看；
交通效率分析模块：在空间平面和时间轴构成的三维立体空间中，以交通参与者的轨迹为基础数据，构建同时反映时间和空间使用情况的时空利用率模型，用以评价不同信号控制模式、不同饱和度条件下的交通运行场景；
交通安全分析模块：以交通参与者之间的交互行为作为分析对象，通过对识别含有避险行为的冲突、提取冲突事件发生的时间和空间位置，结合车辆运行过程中的速度、方向、加速度的突变行为，以及阈值判断波动性，冰筛选出关键安全事件。
所述的三维轨迹图绘制模块中，交叉口混合轨迹的三维轨迹图由交叉口的平面投影产生轨迹重叠交织形成，以交叉口平面为XOY面，以时间轴为Z轴，绘制交叉口机动车、非机动车、行人的三维轨迹图像。
所述的时空利用率模型的自变量包括车辆长度、车辆宽度、交叉口各个流向的流量、控制延误、信号周期、绿信比、交叉口面积，用以获取时空利用率、平均时空利用率及绿灯浪费率。
所述的时空利用率STE的计算式为：
Q＝(W1*L1+W2*L2-W1*W2)*(T2-T1)
其中，STU为被利用的时空资源，Q为交叉口的时空资源总量，W1、W2为路段1和路段2的宽度，L1、L2为路段1和路段2在交叉口处的空间限度，T1、T2为时空资源总量的时间下、上限。
所述的平均时空利用率Pe的计算式为：
其中，N为一定时间段内交叉口车辆数。
所述的绿灯浪费率Rgw的计算式为：
其中，tgw为一个相位内的绿灯浪费时长，tg为一个相位内的绿灯时长。
所述的交通安全分析模块中，根据交通冲突的轨迹数据，识别冲突参与者并采取的避险措施，包括加速、制动、转向、加速转向和制动转向。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、三维视角：构建全新的时间空间三维视角来模拟微观交通流，突破传统的二维平面展示手段，有利于分析跟车间距、跟车时距等交通行为和特性；
二、安全评价：基于轨迹数据，形成一套交通安全的评价方法。提出适应三维立体分析思路的算法以PET为指标识别交通冲突，结合交通冲突的数量和严重程度提出评价指标并作安全水平评价。
三、适用性广：建立用于交通效率评价的时空利用率模型，打破传统的时间与空间隔阂，以便于优化时间和空间资源的利用效率，本发明的效率评价在不同信号控制模式(定时、感应、自适应)、饱和度条件下均适用。
附图说明
图1为本发明所述的基于城市交叉口混合交通流三维轨迹的效率和安全分析系统层次模块结构图。
图2为交叉口时空资源总量计算示意图。
图3为本发明的三维轨迹绘制模块的三维图示。
图4为本发明的三维轨迹绘制模块的俯视图。
图5为本发明的三维轨迹绘制模块的剖面图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明提出一种基于城市交叉口混合交通流三维轨迹的效率和安全分析系统，包括数据输入模块、三维轨迹图像绘制模块、道路交通基本信息分析模块、交叉口效率分析模块、交叉口安全分析模块、数据输出模块，其中：
数据输入模块的作用是提供数据接口，可以读取从仿真软件、视频、GPS等中采取到的轨迹数据，以及交叉口的背景图也可以插入便于观察。
三维轨迹图像绘制模块的作用是在三维立体时空中分析交通运行轨迹，有助于提取不同于二维视角下的交通特征，有利于工程师多维度地理解交通运行状态。
道路交通基本信息分析模块的作用是处理数据以及其他输入信息，呈现交叉口的基本信息包括交叉口道路规划设计参数、信号配时方案、车辆运行状况指标如平均速度等，如图3-5所示。
交叉口效率分析模块的作用是在空间平面和时间轴构成的三维立体空间中，以交通参与者的轨迹为基础数据，提出能够同时反映时间和空间使用情况的时空利用率模型，模型的自变量包括车辆长度、车辆宽度、交叉口各个流向的流量、控制延误、信号周期、绿信比、交叉口面积等等，能够评价不同信号控制模式、不同饱和度等复杂条件下的交通运行场景。
交叉口安全分析模块的作用是运用三维时空PET算法分析速度等指标，定量化分析避险行为的紧急程度，用于描述冲突的严重性，用来评价交叉口的安全性。
数据输出模块的作用是把以上的数据结果整合以文本形式输出，方便后续查看和对比。
本发明的具体功能实现如下：
模块A：数据输入模块将符合数据结构形式的车辆轨迹数据导入系统，数据来源可以是仿真软件、视频、GPS等，采样间隔可按需变化。部分数据结构如果有缺失或异常，系统会自动做数据清洗。该模块也允许插入背景图片，自主调节图片透明度以适应图形观察的需求。
模块B：三维轨迹图像绘制模块中，接收模块A中的轨迹数据，以交叉口平面为XOY面，以时间轴为Z轴，绘制交叉口机动车、非机动车、行人的三维轨迹图像，可旋转、放大缩小、平移图像，变化三维视角查看混合交通流轨迹。更进一步，可以筛选轨迹数据来查看三维轨迹，可选择机动车、非机动车、行人或者混合交通流轨迹，进一步可以选择交通参与者的路径、类型、道路。
模块C：道路交通基本信息分析模块中，接收模块A的轨迹数据，结合在客户端的界面中用户输入道路交通信息和信号配时方案，该模块在界面中输出混合交通流在交叉口的运行状况包括平均速度、平均行程时间、平均密度等指标，可以根据需求筛选，输出不同空间范围、时间范围、车辆类型等情况下各项指标的结果。
模块D：交叉口效率分析模块中，接收模块A的轨迹数据和模块C的客户端输入的数据，该模块实现时空利用率模型的计算，并在界面中输出计算结果，可得到整个交叉口整个时段的时空利用率，也可按需求分时段、分空间把计算时空利用率便于分析交叉口运行效率。
模块E：交叉口安全分析模块中，接受模块A的轨迹数据和模块C的客户端输入的数据，该模块通过分析交通冲突的轨迹数据，识别冲突参与者采取的避险措施，包括加速、制动、转向、加速转向、制动转向五种类型，运用三维时空PET算法分析速度等指标，定量化分析避险行为的紧急程度，用于描述冲突的严重性。
模块F：以上模块C、D、E所输出的结果都可以在数据输出模块以文本形式导出。
实施例：
本发明用南京市中山南-升州街十字交叉口做案例分析。中山南路-升州路处于市中心位置，位于三山街站地铁站附近，交通流量较大，交叉口面积较大。该交叉口东进口道展宽至4个车道，中间两个直行车道，一个左转车道，一个右转车道，西方向2个进口道，左转和直右车道；南北方向进口道展宽至5个车道，中间三个直行车道，一个左转车道，一个右转车道。交叉口内标志标线明确，渠化设计较好。非机动车辆较多，但是除了对右转车辆，基本不影响交叉口内机动车通行。
交叉口的信号配时方案如表1所示，周期总长135s。
表1交叉口信号配时方案
(1)用户在数据输入模块将符合数据结构形式的车辆轨迹数据导入本系统，数据来源可以是仿真软件、视频、GPS等，采样间隔可按需变化。部分数据结构如果有缺失或异常，系统会自动做数据清洗。该模块也允许用户插入背景图片，自主调节图片透明度以适应图形观察的需求。
(2)三维轨迹图像绘制模块中，接受数据输入模块中的轨迹数据，以交叉口平面为XOY面，以时间轴为Z轴，绘制交叉口机动车、非机动车、行人的三维轨迹图像，可旋转、放大缩小、平移图像，变化三维视角查看混合交通流轨迹。更进一步的功能中，可以筛选轨迹数据来查看三维轨迹，可选择机动车、非机动车、行人或者混合交通流轨迹，进一步可以选择交通参与者的路径、类型、道路。
(3)道路交通基本信息分析模块中，接受数据输入模块的轨迹数据，结合在客户端的界面中用户输入道路交通信息和信号配时方案，该模块在界面中输出混合交通流在交叉口的运行状况包括平均速度、平均行程时间、平均密度。
(4)交叉口效率分析模块中，接受数据输入模块的轨迹数据和道路交通基本信息分析模块的客户端输入的数据，该模块实现时空利用率模型的计算，并在界面中输出计算结果，可得到整个交叉口整个时段的时空利用率，也可按需求分时段、分空间把计算时空利用率便于分析交叉口运行效率。
(5)交叉口安全分析模块中，接受数据输入模块的轨迹数据和道路交通基本信息分析模块的客户端输入的数据，该模块通过分析交通冲突的轨迹数据，识别冲突参与者采取的避险措施，包括加速、制动、转向、加速转向、制动转向五种类型，运用三维时空PET算法分析速度等指标，定量化分析避险行为的紧急程度，用于描述冲突的严重性。
(6)以上模块所输出的结果都可以在数据输出模块以文本形式导出。
表1效率和安全分析结果
表2交叉口信号配方案分析
本发明基于城市交叉口混合交通流三维轨迹的效率和安全分析系统能够全面地评估交叉口运行效率和安全状况，其不仅包括传统评价的参数，如延误、密度等，主要还包括以下各指标：
时空利用率(Space-Time Utilization)：在交叉口的特定时间、空间范围内，机动车利用时空资源总量与交叉口时空资源总量的比值。
(1)交叉口时空资源总量，如图2所示，时空资源总量计算公式表示为：
Q＝(W1*L1+W2*L2-W1*W2)*(T2-T1)
Q：交叉口的时空资源总量
W1、W2：路段1、2的宽度(m)；
L1、L2：路段1、2在交叉口处的空间限度(m)；
T1、T2：时空资源总量的时间下、上限(s)。
(2)时空利用率
STE：时空利用率(space-time efficiency)
Q：交叉口总资源(m2*s)
STU：被利用的时空资源(space-time utilization)
(3)车均时空利用率(Average Space-Time Utilization)：在交叉口的特定时间、空间范围内，平均每个车辆对时空资源的利用率。
Pe：车均时空利用率(％/pcu)
STE：时空利用率
N：一定时间段内交叉口车辆数(pcu)
(4)绿灯浪费率(Green Light Waste Rate)：在一个周期内，各相位中未得到有效利用的绿灯时长与绿灯时长的比值。
Rgw：绿灯浪费率(％)
tgw：某个相位内的绿灯浪费时长(s)
tg：某个相位内的绿灯时长(s)
(5)三维时空下的PET指标：识别交通冲突，提取冲突事件窗数据，时空格高度取PET阈值1.5s，以运动体向第一、三象限运动为例，时空格范围在xy平面满足下面条件。
其中，(x,y)为时空格内任一点，(x1,y1)为轨迹点，L为时空格长度，W为时空格宽度，vy为y方向速度，vx为x方向速度。
最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明参照上述的实时范例对本发明已经进行了详细的说明，但是，本领域的技术人员应当理解，仍然可对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (7)

1.一种基于城市交叉口混合交通流三维轨迹的效率安全监控系统，其特征在于，该系统包括：
基础交通信息处理模块：用以统计获取城市交叉口的基本交通信息，包括交通量、平均密度、平均延误和平均速度；
三维轨迹图绘制模块：根据导入的车辆轨迹数据，选择绘制时间和空间范围、车道、车辆类型以及路径上的交通参与者绘制交叉口混合轨迹的三维轨迹图，并实现旋转、放大缩小、平移图像、变化三维视角查看以及选择剖面和切面查看；
交通效率分析模块：在空间平面和时间轴构成的三维立体空间中，以交通参与者的轨迹为基础数据，构建同时反映时间和空间使用情况的时空利用率模型，用以评价不同信号控制模式、不同饱和度条件下的交通运行场景；
交通安全分析模块：以交通参与者之间的交互行为作为分析对象，通过对识别含有避险行为的冲突、提取冲突事件发生的时间和空间位置，结合车辆运行过程中的速度、方向、加速度的突变行为，以及阈值判断波动性，冰筛选出关键安全事件。
2.根据权利要求1所述的一种基于城市交叉口混合交通流三维轨迹的效率安全监控系统，其特征在于，所述的三维轨迹图绘制模块中，交叉口混合轨迹的三维轨迹图由交叉口的平面投影产生轨迹重叠交织形成，以交叉口平面为XOY面，以时间轴为Z轴，绘制交叉口机动车、非机动车、行人的三维轨迹图像。
3.根据权利要求1所述的一种基于城市交叉口混合交通流三维轨迹的效率安全监控系统，其特征在于，所述的时空利用率模型的自变量包括车辆长度、车辆宽度、交叉口各个流向的流量、控制延误、信号周期、绿信比、交叉口面积，用以获取时空利用率、平均时空利用率及绿灯浪费率。
4.根据权利要求3所述的一种基于城市交叉口混合交通流三维轨迹的效率安全监控系统，其特征在于，所述的时空利用率STE的计算式为：
Q＝(W1*L1+W2*L2-W1*W2)*(T2-T1)
其中，STU为被利用的时空资源，Q为交叉口的时空资源总量，W1、W2为路段1和路段2的宽度，L1、L2为路段1和路段2在交叉口处的空间限度，T1、T2为时空资源总量的时间下、上限。
5.根据权利要求4所述的一种基于城市交叉口混合交通流三维轨迹的效率安全监控系统，其特征在于，所述的平均时空利用率Pe的计算式为：
其中，N为一定时间段内交叉口车辆数。
6.根据权利要求3所述的一种基于城市交叉口混合交通流三维轨迹的效率安全监控系统，其特征在于，所述的绿灯浪费率Rgw的计算式为：
其中，tgw为一个相位内的绿灯浪费时长，tg为一个相位内的绿灯时长。
7.根据权利要求1所述的一种基于城市交叉口混合交通流三维轨迹的效率安全监控系统，其特征在于，所述的交通安全分析模块中，根据交通冲突的轨迹数据，识别冲突参与者并采取的避险措施，包括加速、制动、转向、加速转向和制动转向。
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