CN110245423B - 一种高速公路收费站间流量关系分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速公路收费站间流量关系分析方法，包括如下步骤：步骤1：在不考虑车辆时延性及离散性的理想条件下，假设车辆间距服从均匀分布，得到高速公路收费站间流量转移系数；步骤2：预估车辆通过各高速公路收费站的行程时间；步骤3：拟合各高速公路收费站间的车辆行程时间的分布；步骤4：在考虑车辆时延性的基础上修正收费站间的流量转移系数；步骤5：基于步骤4，在考虑车辆离散性的基础上进一步修正收费站间的流量转移系数；步骤6：结合步骤,步骤3～步骤5，建立各收费站间的流量转移矩阵。算法可消除不考虑车辆时延性和离散性理想条件下收费站间流量关系的误差，更加符合车辆在高速公路收费站间行驶的实际情况。

Description

一种高速公路收费站间流量关系分析方法

技术领域

本发明具体涉及自动化领域，具体的，涉及一种高速公路收费站间流量关系分析方法。

背景技术

随着我国各地经济互动越来越频繁，行驶在城际高速公路和环城高速公路上的车辆也越来越多，高速公路自20世纪90年代起在我国得到了突飞猛进的发展，以其本身固有的特点和优势，在现代交通运输中占有极为重要的地位和作用随着高速公路联网收费数据的全覆盖，利用高速公路联网收费数据对高速公路进行分析成为一大热点。

由于高速公路联网收费数据字段较多，并且能够获得车辆驶入路网以及驶离路网的各类信息数据，而断面检测设备只能获得车辆经过断面时的一些参数，所以目前也有越来越多的研究是以高速公路联网收费数据作为数据源展开的。而在使用高速公路联网收费数据研究高速公路交通问题时，从路网O(Origin)点驶入D(Destination)点驶出的车辆占O点驶入车辆的比例一般称之流量转移系数，路网两两收费站间全部的流量转移系数构成的矩阵叫做OD(Origin-Destination)矩阵，路网驶入流量乘以OD矩阵后，就可以计算得到路网驶出流量，所以流量转移系数作为研究高速公路收费站间流量转移关系不可或缺的一个重要组成部分，其估计值不仅可以计算得到路网的驶出流量，还可以清楚地反映两收费站间关联程度，为高速公路管理决策部门做出决策、乘客出行等提供参考信息，所以研究高速公路收费站间流量关系具有十分重要的现实意义。

通过查阅相关专利和论文，发现现有高速公路收费站间流量关系分析方法主要有：

现有技术一：专利CN103870890A在计算收费站间流量转移关系时未考虑流量的时延性和离散性，假设条件过于理想，这种方法计算得到的流量转移关系不准确，影响最终收费站的流量转移结果。

现有技术二：专利CN106327864A计算得到收费站间流量转移关系后，用信息熵衡量其稳定程度，对波动比较小的时段赋予高的权值，而对波动比较大的时段认为其可靠性低，赋予较小的权值，但是在计算收费站间流量转移关系时根据均匀行驶的基本假设，计算t时段内的流量转移系数，当t较大时假设对结果影响较小，当t较小时，计算结果与实际情况偏差较大。

发明内容

有鉴于此，为了解决现有技术中存在的不足，一种高速公路收费站间流量关系分析方法，可适用于分析高速公路收费站间流量关系以及收费站间流量转移规律。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种高速公路收费站间流量关系分析方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：在不考虑车辆时延性及离散性的理想条件下，假设车辆间距服从均匀分布，得到高速公路收费站间流量转移系数；

步骤2：预估车辆通过各高速公路收费站的行程时间；

步骤3：拟合各高速公路收费站间的车辆行程时间的分布；

步骤4：在考虑车辆时延性的基础上修正收费站间的流量转移系数；

步骤5：基于步骤4，在考虑车辆离散性的基础上进一步修正收费站间的流量转移系数；

步骤6：结合步骤,步骤3～步骤5，建立各收费站间的流量转移矩阵。

进一步，所述步骤1的计算方法如下：

步骤11：计算得到时间窗内各收费站之间的流量转移系数；

步骤12：假设车辆间距服从均匀分布，修正步骤11所述的流量转移系数。

进一步，所述步骤2中所述行程时间包括起始路段的行程时间和非起始段行程时间。

进一步，预估所述起始段的行程时间方法具体为：

当统计时间窗τ内路段的实际数据量Q_0,1大于等于χ时，车辆的行程时间为：

当统计时间窗τ内路段的实际数据量Q_0,1等于0时，用下游收费站的数据去估计起始路段的行程时间，所以车辆的行程时间为：

式中，

表示通过其他收费站数据估计得到的收费站0,1之间的行程时间，f为扩展路段数，d表示目标路段下游方向，

表示统计时间窗τ内车辆经过收费站0和收费站a+1的行程时间，

表示统计时间窗τ内车辆经过收费站f和收费站f+1的行程时间，χ为路段数据量；

当统计时间窗τ内路段的实际数据量Q_0,1小于χ但大于0时，车辆的行程时间用实际的数据量加估计的行程时间计算得到，所以车辆的行程时间为：

式中，δ为权重参数，

表示统计时间窗τ内由路段的实际数据量Q和路段行程时间估计值相结合计算得到的行程时间；

进一步，预估所述非起始段的行程时间方法具体为：

当统计时间窗τ内路段k的实际数据量Q_k-1,k大于等于χ时，车辆的行程时间为：

当统计时间窗τ内路段k的实际数据量Q_k-1,k等于0时，用上下游收费站的数据去估计路段m+1的行程时间，所以车辆的行程时间为：

式中，

表示通过其他收费站数据估计得到的收费站k-1,k之间的行程时间，f、ε为扩展路段数，η为权重参数，u表示目标路段上游方向，d表示目标路段下游方向，

表示统计时间窗τ内车辆经过收费站k-1-ε和收费站k的行程时间，χ为路段数据量；

当统计时间窗τ内路段k的实际数据量Q_k-1,k小于χ但大于0时，车辆的行程时间用实际的数据量加估计的行程时间计算得到，所以车辆的行程时间为：

式中，μ为权重参数，

表示统计时间窗τ内由路段的实际数据量Q和路段行程时间估计值相结合计算得到的行程时间。

进一步，所述步骤5具体为：

步骤51：模拟流量Q_un从高速公路上游驶入路网；

步骤52：统计下游流量Q_dn的变化情况；

步骤53：将上游流量Q_un考虑时间滞后的简单平移得到Q_un′；

步骤54：将Q_un′进行平滑处理得到Q_un ^*；

步骤55：将Q_un ^*与Q_dn进行对比分析车辆离散性特点，进而修正所述步骤4得到的流量转移系数。

本发明的有益效果在于：

首先计算不考虑车辆时延性和离散性的高速公路收费站间流量转移系数，在此基础上，分别对车辆的时延性和离散性进行分析计算，由于时延性涉及到高速公路行程时间，所以再对高速公路行程时间进行估计拟合；在结合车辆时延性和离散性的基础上，修正不考虑车辆时延性和离散性的高速公路收费站间流量转移系数，通过流量转移系数建立流量转移矩阵，分析收费站间流量关系。算法可消除不考虑车辆时延性和离散性理想条件下收费站间流量关系的误差，更加符合车辆在高速公路收费站间行驶的实际情况。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1示出了本发明的流程示意图；

图2示出了步骤1中单向高速公路示意图；

图3示出了步骤3中计算行程时间的收费站分布的示意图；

图4示出了步骤7中收费站间流量转移示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

参见图1，本实施例的一种高速公路收费站间流量关系分析方法，包括如下步骤：

步骤1：参见图2，在不考虑车辆时延性及离散性的理想条件下，对流量转移系数进行计算，定义流量转移系数α_ij为时间窗τ内从i收费站驶入路网、从j收费站驶离路网的车辆数与从i收费站进入路网车辆总数的比值，也就是时间窗τ内，OD的流量占D流量的比值，即Q_ij(τ)与Q_i(τ)的比值。计算公式如下：

对于α_ij(τ)约束条件为：

其中，τ为时间窗；

Q_ij(τ)为时间窗τ内从i收费站驶入路网、从j收费站驶离路网的车辆数；

Q_i(τ)为时间窗τ内从i收费站进入路网车辆总数；

α_ij为时间窗τ内从i收费站驶入路网、从j收费站驶离路网的流量转移系数；

假设车辆间距服从均匀分布，对时间窗τ内从i收费站驶入路网、从j收费站驶离路网的流量转移系数进行修正。

其中，τ为时间窗；

t₀为下道收费站j统计下道车流量的起始时刻；

T_ij为上道收费站i和下道收费站j间的平均行程时间；

Q_ij(t₀,t₀+τ)为t₀到t₀+τ时间段内从i收费站上从j收费站的下的流量；

Q_i(t₀-T_ij,t₀+τ-T_ij)为t₀-T_ij到t₀+τ-T_ij时间段内从i收费站的上道流量；

α_ij(t₀,t₀+τ)为t₀到t₀+τ时间段内上道收费站i和下道收费站j收费站之间的流量转移系数。

步骤2：预估车辆通过各高速公路收费站的行程时间，收费站分布图参见图3。

定义χ为路段的数据量，当实际数据量s_k-1,k+a大于χ时，数据量充足，单车的行程时间为通过联网收费数据得到的车辆下道驶离高速公路网的时刻和车辆上道驶入高速公路网的时刻的差值。

其中，a为扩展的路段数，τ为统计的时间窗，σ为车辆类型，

σ＝c时通过车辆为客车，σ＝t时通过车辆为货车，

表示统计时间窗τ内，车辆经过收费站k-1和收费站k+a的行程时间，

为统计时间窗τ内车辆经过收费站k-1的时刻，

为统计时间窗τ内车辆经过收费站k+a的时刻。

收费站k-1和收费站k+a的平均行程时间计算为：

式中，Q_k-1,k+a为统计时间窗τ内从收费站k-1驶入路网、收费站k+a驶离路网的车辆总数。

对起始路段的行程时间估计(k＝1)

当统计时间窗τ内路段的实际数据量Q_0,1大于等于χ时，车辆的行程时间为：

当统计时间窗τ内路段的实际数据量Q_0,1等于0时，用下游收费站的数据去估计起始路段的行程时间，所以车辆的行程时间为：

式中，

表示通过其他收费站数据估计得到的收费站0,1之间的行程时间，f为扩展路段数，d表示目标路段下游方向，

表示统计时间窗τ内车辆经过收费站0和收费站a+1的行程时间，

表示统计时间窗τ内车辆经过收费站f和收费站f+1的行程时间。

当统计时间窗τ内路段的实际数据量Q_0,1小于χ但大于0时，车辆的行程时间用实际的数据量加估计的行程时间计算得到，所以车辆的行程时间为：

式中，δ为权重参数，

表示统计时间窗τ内由路段的实际数据量Q和路段行程时间估计值相结合计算得到的行程时间。

对非起始路段的行程时间估计(k＞1)

当统计时间窗τ内路段k的实际数据量Q_k-1,k大于等于χ时，车辆的行程时间为：

当统计时间窗τ内路段k的实际数据量Q_k-1,k等于0时，用上下游收费站的数据去估计路段m+1的行程时间，所以车辆的行程时间为：

式中，

表示通过其他收费站数据估计得到的收费站k-1,k之间的行程时间，f、ε为扩展路段数，η为权重参数，u表示目标路段上游方向，d表示目标路段下游方向，

表示统计时间窗τ内车辆经过收费站k-1-ε和收费站k的行程时间。

当统计时间窗τ内路段k的实际数据量Q_k-1,k小于χ但大于0时，车辆的行程时间用实际的数据量加估计的行程时间计算得到，所以车辆的行程时间为：

式中，μ为权重参数，

表示统计时间窗τ内由路段的实际数据量Q和路段行程时间估计值相结合计算得到的行程时间。

步骤3：拟合k-1收费站与k+a间的车辆行程时间

的分布，拟合公式如下：

f(x)＝a₁*exp(-((x-b₁)/c₁)^2)

拟合完成后在95％置信度下确定合理的置信区间，得到k-1收费站与k+a间车辆行程时间的上下界

再将区间外的数据进行剔除。

步骤4：在考虑车辆时延性的基础上修正收费站间的流量转移系数，在考虑车辆时延性的基础上修正收费站k-1与收费站k+a间的流量转移系数，公式如下：

对于α_k-1,k+a(t₀,t₀+τ)约束条件为：

式中，α_k-1,k+a(t₀,t₀+τ)为t₀到t₀+τ统计时间段内k-1收费站与k+a收费站间的流量转移系数；

t₀为统计时间段开始的时刻；τ为统计时间窗；

为统计时间窗τ内k-1收费站和k+a收费站间的车辆行程时间在95％置信度下确定合理的置信区间上界；

为统计时间窗τ内k-1收费站和k+a收费站间的车辆行程时间在95％置信度下确定合理的置信区间下界；

Q_k-1,k+a(t₀,t₀+τ)为t₀到t₀+τ统计时间段从k-1收费站驶入路网、k+a收费站驶离路网的车辆数；

为

到

统计时间段从k-1收费站驶入路网的车辆数。

步骤5：基于步骤4，在考虑车辆离散性的基础上进一步修正收费站间的流量转移系数。

步骤51：利用仿真软件VISSIM仿真任意流量Q_un从高速公路上游驶入路网的变化情况。

步骤52：统计下游流量Q_dn的变化情况。

步骤53：将上游流量Q_un考虑时间滞后的简单平移得到Q_un′。

步骤54：将Q_un′进行平滑处理得到Q_un ^*

步骤55：将Q_un ^*与Q_dn进行对比分析车辆离散性，进而修正步骤4得到的流量转移系数。

步骤6：参见图4收费站间流量转移示意图，结合步骤3～5，建立流量转移矩阵。对于(t₀,t₀+τ)统计时间段内从k+a收费站驶离路网的车流量满足：

其中，

表示

到

统计时段内从r收费站驶入路网的流量，

α_r,k+a(t₀,t₀+τ)为从r收费站驶入路网到k+a收费站驶离路网的流量转移系数，

Q_k+a(t₀,t₀+τ)为t₀到t₀+τ统计时段内从k+a收费站驶离路网的流量。

默认车辆不会在极小时间段内从同一个收费站上道再下道，上述公式也可表示为：

对于(t₀,t₀+τ)统计时间段内从k-1收费站驶入路网，k+a收费站驶离路网的车流量满足：

用矩阵形式表示为：

Φ(t₀,t₀+τ)＝A(t₀,t₀+τ)·Ψ(t₀-t_{ij_up},t₀+τ-t_{ij_down})

其中，Φ(t₀,t₀+τ)表示下道流量向量，为以y_j(t₀,t₀+τ)为元素的m维列向量，y_j(t₀,t₀+τ)为(t₀,t₀+τ)统计时间段内从j收费站驶离路网的车流量，j＝1,2,...,m；

A(t₀,t₀+τ)为以α_i,j(t₀,t₀+τ)为元素的m×n维矩阵，i＝1,2,...,n，j＝1,2,...,m；

Ψ(t₀-t_{ij_up},t₀+τ-t_{ij_down})表示上道流量向量，为以Q_i(t₀-t_{ij_up},t₀+τ-t_{ij_down})为元素的n维列向量，

Q_i(t₀-t_{ij_up},t₀+τ-t_{ij_down})为(t₀-t_{ij_up},t₀+τ-t_{ij_down})统计时间段内从i收费站驶入路网的车流量，i＝1,2,...,n，j＝1,2,...,m。

默认车辆不会在极小时间段内从同一个收费站上道再下道，i、j随收费站的变化而变化，上述公式也可表示为：

本实施例一种高速公路收费站间流量关系分析方法，首先考虑数据充足和不足时对收费站间行程时间进行估计，求得收费站间行程时间，然后在考虑车辆时延性及离散性的基础上，提出了一种收费站间流量转移系数的计算方法，在此基础建立路网收费站间流量转移矩阵，算法突破传统方法假设车辆间距服从均匀分布的理想条件，与实际高速公路交通情况更加相符。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (1)

1.一种高速公路收费站间流量关系分析方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：在不考虑车辆时延性及离散性的理想条件下，假设车辆间距服从均匀分布，得到高速公路收费站间流量转移系数，其中，流量转移系数α_ij(τ)为时间窗τ内从i收费站驶入路网、从j收费站驶离路网的车辆数Q_ij(τ)与从i收费站进入路网车辆总数Q_i(τ)的比值，用公式表示为：

步骤2：预估车辆通过各高速公路收费站的行程时间，其中，所述行程时间包括起始路段的行程时间和非起始路段的行程时间，

预估所述起始路段的行程时间方法具体为：

当统计时间窗τ内路段的实际数据量Q_0,1大于等于χ时，车辆的行程时间为：

当统计时间窗τ内路段的实际数据量Q_0,1等于0时，用下游收费站的数据去估计起始路段的行程时间，所以车辆的行程时间为：

式中，

表示通过其他收费站数据估计得到的收费站0,1之间的行程时间，f为扩展路段数，d表示目标路段下游方向，

表示统计时间窗τ内车辆经过收费站0和收费站a+1的行程时间，

表示统计时间窗τ内车辆经过收费站f和收费站f+1的行程时间，χ为路段数据量；

当统计时间窗τ内路段的实际数据量Q_0,1小于χ但大于0时，车辆的行程时间用实际的数据量加估计的行程时间计算得到，所以车辆的行程时间为：

上式中，δ为权重参数，

表示统计时间窗τ内由路段的实际数据量Q和路段行程时间估计值相结合计算得到的行程时间，

预估所述非起始路段的行程时间方法具体为：

当统计时间窗τ内路段k的实际数据量Q_k-1,k大于等于χ时，车辆的行程时间为：

当统计时间窗τ内路段k的实际数据量Q_k-1,k等于0时，用上下游收费站的数据去估计路段m+1的行程时间，所以车辆的行程时间为：

式中，

表示通过其他收费站数据估计得到的收费站k-1,k之间的行程时间，f、ε为扩展路段数，η为权重参数，u表示目标路段上游方向，d表示目标路段下游方向，

表示统计时间窗τ内车辆经过收费站k-1-ε和收费站k的行程时间，χ为路段数据量；

当统计时间窗τ内路段k的实际数据量Q_k-1,k小于χ但大于0时，车辆的行程时间用实际的数据量加估计的行程时间计算得到，所以车辆的行程时间为：

式中，μ为权重参数，

表示统计时间窗τ内由路段的实际数据量Q和路段行程时间估计值相结合计算得到的行程时间；

步骤3：拟合高速公路k-1收费站与k+a间的车辆行程时间

的分布，其中拟合公式为：

f(x)＝a₁*exp(-(x-b₁)/c₁)^2，a₁、b₁和c₁为拟合系数，

拟合完成后在95％置信度下确定合理的置信区间，得到统计时间窗τ内k-1收费站与k+a间的车辆行程时间的上下界

再将区间外的数据进行剔除；

步骤4：在考虑车辆时延性的基础上修正收费站k-1与收费站k+a间的流量转移系数，用公式表示为：

其中，α_k-1,k+a(t₀,t₀+τ)为t₀到t₀+τ时间段内收费站k-1与收费站k+a间的流量转移系数，Q_k-1,k+a(t₀,t₀+τ)为t₀到t₀+τ时间段从k-1收费站驶入路网、k+a收费站驶离路网的车辆数，

为

到

统计时间段从k-1收费站驶入路网的车辆数；

步骤5：基于步骤4，在考虑车辆离散性的基础上进一步修正收费站间的流量转移系数，具体为：

步骤51：模拟流量Q_un从高速公路上游驶入路网；

步骤52：统计下游流量Q_dn的变化情况；

步骤53：将上游流量Q_un考虑时间滞后的简单平移得到Q_un′；

步骤54：将Q_un′进行平滑处理得到Q_un ^*；

步骤55：将Q_un ^*与Q_dn进行对比分析车辆离散性特点，进而修正所述步骤4得到的流量转移系数；

步骤6：结合步骤3～步骤5，建立各收费站间的流量转移矩阵，具体为：

对于(t₀,t₀+τ)统计时间段内从k+a收费站驶离路网的车流量Q_k+a(t₀,t₀+τ)满足：

其中，

表示

到

统计时段内从r收费站驶入路网的车流量，α_r,k+a(t₀,t₀+τ)为从r收费站驶入路网到k+a收费站驶离路网的流量转移系数，

默认车辆不会在极小时间段内从同一个收费站上道再下道，则：

对于(t₀,t₀+τ)统计时间段内从k-1收费站驶入路网、k+a收费站驶离路网的车流量满足：

用矩阵形式表示为：Φ(t₀,t₀+τ)＝A(t₀,t₀+τ)·Ψ(t₀-t_{ij_up},t₀+τ-t_{ij_down})，其中，Φ(t₀,t₀+τ)表示下道流量向量，为以y_j(t₀,t₀+τ)为元素的m维列向量，y_j(t₀,t₀+τ)为(t₀,t₀+τ)统计时间段内从j收费站驶离路网的车流量，j＝1,2，...,m，A(t₀,t₀+τ)为以α_i,j(t₀,t₀+τ)为元素的m×n维矩阵，i＝1,2，...,n,Ψ(t₀-t_{ij_up},t₀+τ-t_{ij_down})表示上道流量向量，为以Q_i(t₀-t_{ij_up},t₀+τ-t_{ij_down})为元素的n维列向量，Q_i(t₀-t_{ij_up},t₀+τ-t_{ij_down})为(t₀-t_{ij_up},t₀+τ-t_{ij_down})统计时段内从i收费站驶入路网的车流量，

默认车辆不会在极小时间段内从同一个收费站上道再下道，i、j随收费站的变化而变化，则用公式表示为：

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