CN110232822A - 基于轨迹数据的平面交叉口交通秩序评价参数求解方法 - Google Patents

基于轨迹数据的平面交叉口交通秩序评价参数求解方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于轨迹数据的平面交叉口交通秩序评价参数求解方法，针对平面交叉口，基于车辆轨迹数据，求解车辆运行轨迹偏差和运行速度偏差，并基于车辆运行轨迹偏差和运行速度偏差得到了各车道、流向及交叉口的轨迹偏差和速度偏差，从而本发明可反映平面交叉口运行轨迹离散的特点，并可对平面交叉口交通秩序进行评价。

Description

基于轨迹数据的平面交叉口交通秩序评价参数求解方法
技术领域
本发明属于平面交叉口的交通评价技术领域，尤其涉及一种基于轨迹数据的平面交叉口交通秩序评价参数求解方法。
背景技术
交叉口是城市道路交通的关键区域。近年来，随着国内外在交叉口精细化交通设计和精准化交通控制需求的不断提高，对交叉口交通秩序的可控性要求也随之提出。交通秩序作为交通效率与安全的基础，是精准化管理与控制的保障。经对现有技术的文献检索发现，有关平面交叉口的运行评价主要有以下几种：1)平面交叉口运行效率评价：主要包括通行能力、延误和排队长度。其观测方法主要包括人工、线圈、浮动车、视频等，通过对固定断面数据采集，并基于数理统计、交通波理论和仿真模拟等方法，得到评价参数。代表性著作包括美国的《Highway Capacity Manual》、我国的《道路通行能力分析》等。2)平面交叉口运行安全评价：主要包括基于交通事故数据统计分析的直接评价方法和基于交通冲突技术的间接评价方法。其中，直接评价方法依赖于历史事故数据，总结事故发生规律并预测事故数和发生概率。间接评价方法是以交通冲突数与交通事故数之间相关关系为基础，从交通事故发生的可能性和严重性两个层面来评价和分析交叉口交通安全水平。代表性著作包括美国的《Highway Safety Manual》、我国的《交通安全》等。3)道路交通运行秩序评价：主要对道路上车辆、行人有序或无序的交通状况进行评价，具体评价指标将交通量、行程车速、行车延误、违章率等关于交通设施、需求、效率、安全指标进行加权计算。代表性著作包括《道路交通秩序评价》。方法1和方法2是在一般城市道路效率和安全评价方法的基础上，针对平面交叉口的特征，分别从效率和安全两方面进行评价，目前已有了较为成熟的技术成果。方法3为一般城市道路交通秩序的评价方法，未考虑平面交叉口内部车道概念弱化的特征，未认识到由于车道概念弱化导致的运行轨迹分布和车速分布对平面交叉口交通运行秩序的负面影响。
因此，目前的信号控制交叉口交通秩序评价参数计算主要沿用一般城市道路的交通秩序评价计算方法，对于平面交叉口内部由于车道概念弱化导致的运行轨迹离散，未见有针对性的评价参数计算方法，并且也未检索到这类评价方法的发明专利。现有技术缺乏针对平面交叉口交通秩序评价较为科学合理的参数求解方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于轨迹数据的平面交叉口交通秩序评价参数求解方法，利用车辆轨迹数据，通过计算平面交叉口内部车辆运行轨迹偏差和速度偏差值，评价平面交叉口交通秩序。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于轨迹数据的平面交叉口交通秩序评价参数求解方法，包括以下步骤：
步骤1：获取输入数据，之后基于交叉口评价范围，获取完整的车辆轨迹数据；
步骤2：建立车辆的标准轨迹，之后结合车辆的实际运行轨迹，获取车辆运行轨迹偏差值，最后基于车辆运行轨迹偏差值，获取各车道、各流向及交叉口的轨迹偏差值；
步骤3：求解车辆的实际运行轨迹中各轨迹坐标点的点速度，之后基于点速度，获取各车辆、各流向的平均速度；基于车辆的平均速度和各流向的平均速度，求解各车辆的速度偏差值，最后基于各车辆的速度偏差值，获取各车道、各流向及交叉口的速度偏差值。
优选地，在步骤1中，所述输入数据包括车辆标号、车辆流向和每一时刻的车辆位置坐标。
优选地，在步骤1中，所述交叉口评价范围为交叉口停车线围成的区域。
优选地，在步骤1中，所述完整的车辆轨迹数据通过筛选车辆轨迹坐标量实现；所述车辆轨迹坐标量小于最小必要数据量的车辆数据。
优选地，在步骤2中，具体为：
步骤21：建立车辆的标准轨迹；所述车辆的标准轨迹具体为：从起点Amk＝(xmk,ymk)以O1mk(xc1mk,yc1mk)为圆心、rmk为半径作圆弧至切点p1mk(xp1mk,yp1mk)；由切点p1mk作直线至切点p2mk(xp2mk,yp2mk)，由切点p2mk以O2mk(xc2mk,yc2mk)为圆心、rmk为半径作圆弧至终点Bmk＝(xmk,ymk)；
步骤22：求解车辆的实际运行轨迹中各轨迹点与各标准轨迹的最小距离Lijk；
步骤23：求解车辆i所有轨迹坐标点与其所在流向车道k标准轨迹最小距离的均值Lik，之后求出均值Lik的最小值，即为车辆运行轨迹偏差值Li；
步骤24：各车道、各流向及交叉口的轨迹偏差值求解模型分别为：
优选地，步骤21中，起始转弯圆圆心O1mk(xc1mk,yc1mk)的求解模型为：
优选地，步骤21中，终止转弯圆圆心O2mk(xc2mk,yc2mk)的求解模型为：
优选地，步骤21中，直线切点p1mk(xp1mk,yp1mk)、p2mk(xp2mk,yp2mk)的求解模型分别为：
优选地，在步骤3中，包括以下步骤：
步骤31：计算各轨迹坐标点的点速度：
vij＝σdij；
步骤32：求解各车辆、各流向的平均速度：
步骤33：求解各车辆速度偏差Si：
步骤34：求解各车道、各流向及交叉口的速度偏差值：
与现有技术相比，本发明的优点为：
1)本发明基于实测的车辆轨迹数据，体现了交叉口内部车道概念弱化的特征；
2)本发明提出了轨迹偏差和速度偏差两个交叉口交通秩序评价参数，并分别以车辆的轨迹偏差和速度偏差为基础，得到了各车道、流向及交叉口的轨迹偏差和速度偏差，可反映平面交叉口运行轨迹离散的特点，并可对平面交叉口交通秩序进行评价。
附图说明
图1为本发明一实施例的基于轨迹数据的平面交叉口交通秩序评价参数求解方法的流程图；
图2为图1中各流向、车道及交叉口评价范围的示意图；
图3为图1中车辆运行轨迹偏差分布图；
图4为图1中车辆速度偏差分布图。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的基于轨迹数据的平面交叉口交通秩序评价参数进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
如图1所示，一种基于轨迹数据的平面交叉口交通秩序评价参数求解方法，包括以下步骤1～3中数据预处理、机动车运行轨迹偏差计算和机动车运行速度偏差计算三部分内容，具体如下：
步骤1：数据预处理，筛选有实际意义的完整车辆轨迹数据。
首先获取包括车辆标号、车辆流向和每一时刻的车辆位置坐标的输入数据，之后基于交叉口评价范围，筛选车辆轨迹坐标量实现获取完整的车辆轨迹数据。其中，交叉口评价范围为交叉口停车线围成的区域。筛选时，首先根据式(1)判断轨迹坐标数据是否在该范围内，保留该范围内的轨迹坐标数据，并记录该范围内不同编号车辆的轨迹坐标数据量ni；
(xij,yij)∈Ω (1)
式(1)中，(xij,yij)表示车辆i的第j个轨迹坐标；Ω表示评价范围，交叉口停车线组成的区域；
之后，为保证车辆轨迹数据的完整性，删除交叉口评价范围内车辆轨迹坐标数据量小于最小必要数据量的车辆数据，如式(2)所示；
式(2)中，ni是车辆i的轨迹坐标数据量；Di是车辆i所在流向通行距离，m；v0是交叉口最大车速，取25m/s；σ是轨迹坐标数据的采样频率，个/s；
步骤2：比较车辆实际行驶轨迹与标准轨迹，取两者之间的距离差作为车辆运行轨迹偏差值，该评价指标可反映车辆在交叉口通行期间的偏差程度。具体求解过程为：首先建立车辆的标准轨迹，之后结合车辆的实际运行轨迹，获取车辆运行轨迹偏差值，最后基于车辆运行轨迹偏差值，获取各车道、各流向及交叉口的轨迹偏差值，包括步骤21～24：
步骤21：建立车辆的标准轨迹；标准轨迹本发明中采用Dubins曲线作为车辆通行标准轨迹，该曲线为在满足曲率约束和起终点位置及方向的条件下的最短路径，由起始转弯圆、直线段以及终止转弯圆构成；对于各流向各车道，已知流向m车道k的起点位置Amk＝(xmk,ymk)、终点位置Bmk＝(xmk,ymk)、起始角度θAmk、终止角度θBmk、转弯半径rmk；所述车辆的标准轨迹具体为：从起点Amk＝(xmk,ymk)以O1mk(xc1mk,yc1mk)为圆心、rmk为半径作圆弧至切点p1mk(xp1mk,yp1mk)；由切点p1mk作直线至切点p2mk(xp2mk,yp2mk)，由切点p2mk以O2mk(xc2mk,yc2mk)为圆心、rmk为半径作圆弧至终点Bmk＝(xmk,ymk)；起始转弯圆圆心O1mk(xc1mk,yc1mk)的求解模型为：
终止转弯圆圆心O2mk(xc2mk,yc2mk)的求解模型如式(4)所示：
直线切点p1mk(xp1mk,yp1mk)、p2mk(xp2mk,yp2mk)的求解模型分别如式(5)、(6)所示：
式(5)、(6)中，圆心O1mkO2mk连线与x轴夹角为βmk、起始转弯圆圆心O1mk与起始转弯圆切点p1mk之间夹角为αmk。
步骤22：求解车辆的实际运行轨迹中各轨迹点与各标准轨迹的最小距离Lijk。
任意车辆每一坐标轨迹点与其所在流向各车道的标准轨迹的最小距离可由式(9)计算；
式(9)中，Lijk表示车辆i轨迹坐标点j与其所在流向车道k的标准轨迹的最小距离，m；(Xmk,Ymk)表示流向m车道k的标准轨迹坐标点。
步骤23：求解车辆i所有轨迹坐标点与其所在流向车道k标准轨迹最小距离的均值Lik，之后求出均值Lik的最小值，即为车辆运行轨迹偏差值Li；求解模型如式(10)、(11)所示：
其中，Lik表示车辆i与其所在流向车道k标准轨迹的轨迹偏差，m；Li表示车辆i的运行轨迹偏差，m。
步骤24：各车道、各流向及交叉口的轨迹偏差值求解模型分别如式(12)～(14)所示：
式(12)中，Lmk是流向m车道k的轨迹偏差，m；nmk表示流向m车道k的车辆数，veh；
式(13)中，Lm是流向m的轨迹偏差，m；nm是流向m的车道数；
式(14)中，LA是交叉口的轨迹偏差，m；nA是交叉口的流向数量。
步骤3：比较车辆实际行驶速度与该流向的平均行驶速度，取两者差值作为车辆运行速度偏差值，该评价指标可反映车辆在交叉口通行期间的速度分布。具体求解过程为：首先求解车辆的实际运行轨迹中各轨迹坐标点的点速度，之后基于点速度，获取各车辆、各流向的平均速度；基于车辆的平均速度和各流向的平均速度，求解各车辆的速度偏差值，最后基于各车辆的速度偏差值，获取各车道、各流向及交叉口的速度偏差值，如步骤31～34所示：
步骤31：计算各轨迹坐标点的点速度，如式(15)-(16)所示；
式(15)中，dij为车辆i轨迹坐标点j与前一轨迹坐标点j-1间的距离，m；
vij＝σdij (16)
式(16)中，vij表示车辆i轨迹坐标点j点速度，m/s。
步骤32：求解各车辆、各流向的平均速度，分别如式(17)和(18)所示：
式(17)中，vi表示车辆i平均行驶速度，m/s；
式(18)中，vm表示流向m的平均行驶速度，m/s。
步骤33：求解各车辆速度偏差Si，如式(19)所示；
式(19)中，Si表示车辆i的速度偏差，m/s。
步骤34：求解各车道、各流向及交叉口的速度偏差值：以车辆速度偏差为基础，各车道、流向及交叉口速度偏差可分别按式(20)、(21)和(22)计算；
式(20)中，Smk是流向m车道k的速度偏差，m；
式(21)中，Sm是流向m的轨迹偏差，m；
式(22)中，SA是交叉口的轨迹偏差，m。
在本实施例中，以某交叉口作实例分析，利用视频提取机动车通行轨迹数据。以该交叉口直行方向1(如附图2所示)为例，计算其交通秩序指标，包括数据预处理、机动车运行轨迹偏差计算、机动车运行速度偏差计算三部分内容：
1)数据预处理
首先根据公式(1)判断每一组轨迹坐标数据是否在交叉口停车线组成的交叉口评价范围内，删除评价范围外的数据；整理车辆编号集合及每辆车对应的坐标数据量ni，直行通行距离为26m，轨迹坐标数据采样频率是24个/s，故根据式(2)删除坐标数据量小于的车辆信息。
2)机动车运行轨迹偏差计算
首先标准轨迹。直行方向1上共有两条进口道，将车道中心线中点矢量坐标作为标准轨迹曲线初始条件，如表1所示，转弯半径取5m。根据公式(3)～(8)计算得到标准轨迹曲线。
表1标准轨迹曲线输入参数
然后计算各轨迹点与各标准轨迹的最小距离。根据式(9)计算各轨迹点与各标准轨迹的距离，计算结果示例如表2所示。
表2各轨迹点与各标准轨迹的偏差
之后根据式(10)和式(11)计算各车辆所在车道及轨迹偏差，结果如表3所示，车辆运行轨迹偏差分布如附图3所示。
表3车辆轨迹偏差及所在车道
最后根据式(12)和式(13)计算车道及流向轨迹偏差，结果如表4所示。
表4车道及流向轨迹偏差
3)机动车运行速度偏差计算
首先根据式(15)和式(16)计算各轨迹坐标点的点速度，如表5所示。
表5车辆各轨迹坐标点的点速度
然后根据式(17)计算各车辆的平均速度，如表6所示；进而根据式(18)计算直行流向1的平均速度，得v1＝12.066m/s。
表6车辆平均行驶速度
之后根据式(19)计算各车辆速度偏差，如表7所示，速度偏差分布如附图4所示。
表7车辆行驶速度偏差
最后根据式(20)和式(21)计算车道及流向速度偏差，结果如表8所示。
表8车道及流向速度偏差
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于轨迹数据的平面交叉口交通秩序评价参数求解方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：获取输入数据，之后基于交叉口评价范围，获取完整的车辆轨迹数据；
步骤2：建立车辆的标准轨迹，之后结合车辆的实际运行轨迹，获取车辆运行轨迹偏差值，最后基于车辆运行轨迹偏差值，获取各车道、各流向及交叉口的轨迹偏差值；
步骤3：求解车辆的实际运行轨迹中各轨迹坐标点的点速度，之后基于点速度，获取各车辆、各流向的平均速度；基于车辆的平均速度和各流向的平均速度，求解各车辆的速度偏差值，最后基于各车辆的速度偏差值，获取各车道、各流向及交叉口的速度偏差值。
2.根据权利要求1所述的基于轨迹数据的平面交叉口交通秩序评价参数求解方法，其特征在于，在步骤1中，所述输入数据包括车辆标号、车辆流向和每一时刻的车辆位置坐标。
3.根据权利要求1所述的基于轨迹数据的平面交叉口交通秩序评价参数求解方法，其特征在于，在步骤1中，所述交叉口评价范围为交叉口停车线围成的区域。
4.根据权利要求1所述的基于轨迹数据的平面交叉口交通秩序评价参数求解方法，其特征在于，在步骤1中，所述完整的车辆轨迹数据通过筛选车辆轨迹坐标量实现；所述车辆轨迹坐标量小于最小必要数据量的车辆数据。
5.根据权利要求1所述的基于轨迹数据的平面交叉口交通秩序评价参数求解方法，其特征在于，在步骤2中，具体为：
步骤21：建立车辆的标准轨迹；所述车辆的标准轨迹具体为：从起点Amk＝(xmk,ymk)以O1mk(xc1mk,yc1mk)为圆心、rmk为半径作圆弧至切点p1mk(xp1mk,yp1mk)；由切点p1mk作直线至切点p2mk(xp2mk,yp2mk)，由切点p2mk以O2mk(xc2mk,yc2mk)为圆心、rmk为半径作圆弧至终点Bmk＝(xmk,ymk)；
步骤22：求解车辆的实际运行轨迹中各轨迹点与各标准轨迹的最小距离Lijk；
步骤23：求解车辆i所有轨迹坐标点与其所在流向车道k标准轨迹最小距离的均值Lik，之后求出均值Lik的最小值，即为车辆运行轨迹偏差值Li；
步骤24：各车道、各流向及交叉口的轨迹偏差值求解模型分别为：
6.根据权利要求5所述的基于轨迹数据的平面交叉口交通秩序评价参数求解方法，其特征在于，步骤21中，起始转弯圆圆心O1mk(xc1mk,yc1mk)的求解模型为：
7.根据权利要求5所述的基于轨迹数据的平面交叉口交通秩序评价参数求解方法，其特征在于，步骤21中，终止转弯圆圆心O2mk(xc2mk,yc2mk)的求解模型为：
8.根据权利要求5所述的基于轨迹数据的平面交叉口交通秩序评价参数求解方法，其特征在于，步骤21中，直线切点p1mk(xp1mk,yp1mk)、p2mk(xp2mk,yp2mk)的求解模型分别为：
9.根据权利要求1所述的基于轨迹数据的平面交叉口交通秩序评价参数求解方法，其特征在于，在步骤3中，包括以下步骤：
步骤31：计算各轨迹坐标点的点速度：
vij＝σdij；
步骤32：求解各车辆、各流向的平均速度：
步骤33：求解各车辆速度偏差Si：
步骤34：求解各车道、各流向及交叉口的速度偏差值：
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