CN110942644A - 一种道路瓶颈路段识别及交通拥堵传播预警系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种道路瓶颈路段识别及交通拥堵传播预警系统和方法，无线通信设备检测单元采集车辆中无线通信设备的mac地址，同时记录下对应的时间戳，将mac地址、时间戳及该无线通信设备检测单元自身的位置信息打包，并将打包后的数据发送给数据处理中心单元；数据处理中心单元对无线通信设备检测单元发送来的数据进行分析计算，得出路段在预设时间周期内的平均车速，并识别道路的瓶颈路段；当识别到瓶颈路段后，以交通波动理论为基础对瓶颈路段的拥堵传播进行预测，并向预警发布单元发送控制命令；预警发布单元根据接收到的控制指令后发布拥堵预警提示信息。本发明不仅能检测道路交通状态识别道路瓶颈路段，更能对瓶颈路段的交通拥堵传播进行预测，并及时对瓶颈路段上游车辆发布交通拥堵预警。

Description

一种道路瓶颈路段识别及交通拥堵传播预警系统和方法

技术领域

本发明属于交通安全领域，特别是在道路发生交通安全事故时，本发明能识别某路段是否为瓶颈路段，且对瓶颈路段的拥堵传播进行预测，并能对瓶颈路段上游车辆进行预警，其涉及一种基于无线通信的道路瓶颈路段识别及交通拥堵传播预警系统和方法。

背景技术

当道路某路段发生交通安全事故时，该路段会成为一个瓶颈路段，即车辆行驶到此路段时速度会变缓，并产生交通拥堵情况，而且拥堵会不断地向该路段上游传播。现有检测路段交通状态的技术有线圈、地磁和视频检测等。这些设备仅仅能采集某一道路断面的交通信息，不能反映一个区域的交通状态。线圈和地磁检测设备均需要安装道路面以下，需要对路面做切割处理，施工期间对交通有一定影响。此外，由于线圈和地磁埋在路面以下，其会受到车辆的挤压，这类设备的使用寿命较短，需要不断的更换。视频检测设备价格昂贵，且视频数据较大，在进行数据传输时对带宽有一定的要求，成本较高。另外，最关键的是，这些设备仅仅只能检测到道路上的交通状态，而无法对交通拥堵的传播进行预测和预警。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于无线通信的道路瓶颈路段识别及交通拥堵传播预警系统及方法，能更好地实现路段的，甚至是整个路网的交通信息的采集，完成对道路平均车速，车辆行驶时间信息的提取，从而来识别道路瓶颈路段并能对交通拥堵传播进行预警，且该检测设备的安装过程不损伤路面，成本低。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于无线通信的道路瓶颈路段识别及交通拥堵传播预警系统，包括：无线通信设备检测单元、数据处理中心单元和预警发布单元；

无线通信设备检测单元，按照预设间隔安装于道路一侧，用于采集车辆中无线通信设备的mac地址，同时记录下对应的时间戳，将mac地址、时间戳及该无线通信设备检测单元自身的位置信息打包，并将打包后的数据发送给数据处理中心单元；

数据处理中心单元，用于对无线通信设备检测单元发送来的数据进行分析计算，得出预设时间周期内道路平均车速，识别路段的交通状态，当识别出某路段交通状态为拥堵时，判断该路段为瓶颈路段；当识别到瓶颈路段后，以交通波动理论为基础对瓶颈路段的拥堵传播进行预测，并向预警发布单元发送控制命令；

预警发布单元，按照预设间隔布设于道路一侧，用于根据接收到的控制指令后发布拥堵预警提示信息。

优选的，数据处理中心单元包括瓶颈路段识别模块和交通拥堵传播预测模块；

瓶颈路段识别模块，用于对无线通信设备检测单元发送来的数据进行分析计算，得出预设时间周期内道路平均车速，识别路段的交通状态，进而判断该路段是否为瓶颈路段，当判断为瓶颈路段时，发送给交通拥堵传播预测模块；

交通拥堵传播预测模块，用于对瓶颈路段的拥堵传播进行预测，并向预警发布单元发送控制命令。

优选的，预警发布单元为预警电子显示屏。

优选的，无线通信设备检测单元为Wi-Fi检测单元，无线通信设备为Wi-Fi移动设备；或者，无线通信设备检测单元为蓝牙检测单元，无线通信设备为蓝牙。

一种基于无线通信的道路瓶颈路段识别及交通拥堵传播预警方法，包括如下步骤：

步骤1，将无线通信设备检测单元按照预设间隔安装于道路一侧，无线通信设备检测单元扫描车内无线通信设备的mac地址，同时记录下对应的时间戳，无线通信设备检测单元将mac地址数据、对应的时间戳数据和该无线通信设备检测单元位置信息打包，并将打包后的数据传输到数据处理中心单元；

步骤2，数据处理中心单元接收无线通信设备检测单元传输来的数据，通过对数据进行分析计算，得出预设时间周期内道路上平均车速，以分析道路某路段的交通状态，进而识别该路段是否为瓶颈路段；当识别到瓶颈路段后，以交通波动理论为基础对瓶颈路段的拥堵传播趋势进行预测，并向预警发布单元发送控制命令。

步骤3，预警发布单元按照预设间隔布设于道路一侧，预警发布单元接受到数据处理中心单元的控制指令后，发布拥堵预警提示信息。

优选的，步骤2中，数据处理中心单元采用的算法具体为：

1)匹配mac地址：数据处理中心单元首先对mac地址进行匹配，得出同一mac地址在经过各无线通信设备检测单元的时间戳，通过时间戳和无线通信设备检测单元的编号判断出车流的行驶方向；

2)数据清洗：计算同一mac地址对应的两个时间戳差值，得出车辆在相应的两个无线通信设备检测单元之间的行程时间t，利用预设公式：

计算两个无线通信设备检测单元距离之差l和同一mac地址通过这两个无线通信设备检测单元的行程时间t得到速度值v。通过判断速度值v的大小来过滤杂质数据；

3)瓶颈路段识别：利用预设公式：

n为预设时间周期内检测到的车辆数，i＝1,2,3,…,n，计算预设周期内速度平均值

通过速度平均值

来分析检测区间路段的交通状态，进而识别该路段是否为瓶颈路段；

4)交通拥堵传播预测：以交通波动理论为基础，分析瓶颈路段的拥挤波；通过预测拥挤波的传播，预测拥堵向路段上游的传播情况，将预测结果发送至预警发布单元，对预警发布单元发出控制指令。

优选的，无线通信设备检测单元为Wi-Fi检测单元，无线通信设备为Wi-Fi移动设备；或者，无线通信设备检测单元为蓝牙检测单元，无线通信设备为蓝牙。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明系统和方法是基于无线通信网络实现，采用的设备成本低，且安装在道路一侧，在安装过程中无需封闭道路交通，对交通流影响极低，设备不会受车辆挤压，使用寿命长，无需频繁更换。并且，本发明不仅能检测道路交通状态，识别道路瓶颈路段，更能对瓶颈路段的拥堵传播进行预测，从而及时对瓶颈路段上游车辆发布交通拥堵预警。

附图说明

图1为系统架构示意图；

图2为设备布设示意图；

图3为数据处理中心单元工作流程图；

图4为拥堵波节点计算示意图；

图5为预测拥堵波分析拥堵传播示意图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

如图2所示，本发明系统包含以下几个部分：无线通信设备检测单元、数据处理中心单元和预警发布单元。

无线通信设备检测单元，按照一定的间隔安装于道路一侧，用于采集车辆中无线通信设备的mac地址，同时记录下对应的时间戳，将mac地址、时间戳及该无线通信设备检测单元自身的位置信息打包，并将打包后的数据发送给数据处理中心单元。

数据处理中心单元，用于对无线通信设备检测单元发送来的数据进行分析计算，得出道路在预设时间周期内的平均车速，分析道路交通状态，当识别出某路段交通状态为拥堵时，判断该路段为瓶颈路段。当识别到瓶颈路段后，以交通波动理论为基础对瓶颈路段的拥堵传播趋势进行预测，并向预警发布单元发送控制命令。

预警发布单元，按照一定的间隔布设于道路一侧，预警发布单元接受到控制指令后，发布拥堵预警提示信息。

数据处理中心单元包括瓶颈路段识别模块和交通拥堵传播预测模块。瓶颈路段识别模块，对无线通信设备检测单元发送来的数据进行分析计算，得出预设时间周期内道路平均车速，识别路段的交通状态，进而判断该路段是否为瓶颈路段，当判断为瓶颈路段时，发送给交通拥堵传播预测模块。交通拥堵传播预测模块对瓶颈路段的拥堵传播趋势进行预测，并向预警发布单元发送控制命令。

预警发布单元为预警电子显示屏，预警信息为预计前方道路将在xx分钟后产生拥堵，请注意安全行驶。

无线通信设备检测单元为Wi-Fi检测单元，无线通信设备为Wi-Fi移动设备；在无线通信技术的发展中，Wi-Fi技术已趋于成熟稳定。Wi-Fi技术可以在众多设备间进行信息交换，Wi-Fi采集设备会周期性扫描一定范围内的Wi-Fi设备，获取周边设备的mac信息。

或者，无线通信设备检测单元还可以为蓝牙检测单元，无线通信设备采用蓝牙。

如图1所示，基于上述系统，本发明方法具体步骤为：

1.无线通信设备检测单元按照一定的间隔安装于道路一侧。无线通信设备检测单元扫描车内无线通信设备唯一的mac地址，同时记录下对应的时间戳。其中，需要说明的是，仅保存无线通信设备被无线通信设备检测单元第一次识别到mac地址的时间戳。无线通信设备检测单元将mac地址数据、对应的时间戳数据和该无线通信设备检测单元位置信息打包，并将打包后的数据传输到数据处理中心单元。

2.数据处理中心单元接收无线通信设备检测单元传输来的数据。通过对数据进行分析计算，得出一定时间周期内道路平均车速，判断道路的交通状态进而识别瓶颈路段。当识别到瓶颈路段后，以交通波动理论为基础对拥堵传播进行预测，并向预警发布单元发送控制命令。

3.预警发布单元按照一定的间隔布设于道路一侧。预警发布单元接受到数据处理中心单元的控制指令后，发布拥堵预警提示信息。预警信息的格式为：本路段将于xxx分钟后发生拥堵，请提前规划好路线，注意行车安全。

如图3所示，数据处理中心单元的核心算法具体实现如下：

1)匹配mac地址。数据处理中心单元首先将对无线通信设备的mac地址进行匹配，得出携带该无线通信设备的车辆在经过各无线通信设备检测单元的时间戳。通过时间戳和无线通信设备检测单元的编号可判断出车流的行驶方向。

2)数据清洗。利用预设公式(1)，计算第i个无线通信设备在两个无线通信设备检测单元之间的时间差Δt_i,j，进而得到携带该无线通信设备的车辆在这两个无线通信设备检测单元间的行程时间。利用公式(2)，计算第i个无线通信设备在这两个无线通信设备检测单元之间行程速度v_i,j。在k分钟内得到m+1个无线通信设备速度数据集{v_i,j,v_i+1,j,…,v_i+m,j}。

Δt_i,j＝t_i,j+1-t_i,j (1)

公式(1)中，Δt_i,j表示第i个无线通信设备通过第j个无线通信设备检测单元和第j+1个无线通信设备检测单元的时间差；t_i,j+1表示第i个无线通信设备的mac地址连续被第j+1个无线通信设备检测单元识别到的时间戳；t_i,j表示第i个无线通信设备的mac地址连续被第j个无线通信设备检测单元识别到的时间戳。

公式(2)中，v_i,j表示第i个无线通信设备在第j个无线通信设备检测单元和第j+1个无线通信设备检测单元之间的速度值；l_j,j+1表示第j个无线通信设备检测单元和第j+1个无线通信设备检测单元之间的路程；Δt_i,j表示第i个无线通信设备通过第j个无线通信设备检测单元和第j+1个无线通信设备检测单元的时间差。

将数据集{v_i,j,v_i+1,j,…,v_i+m,j}中的数据按照从小到大排列；再统计出最小数值V_min，25％位数值V_25％，中位数数值V_50％，75％位数值V_70％，最大数值V_max；然后，计算出V_25％和V_75％之差IQR(IQR＝V_75％-V_25％)；接着，计算上限值α*IQR+V_75％和下限值V_25％-α*IQR，α取0.4，删除上下限之外的数据，计算保留下数据的算术平均值v；最后，对平均速度v做分级处理，分级标准如下所示。按照分级表取值，最终得到该路段在时刻T的速度v_T。

3)瓶颈路段识别。上述步骤得到各时刻速度的数据集{v_T,v_T+1,v_T+2,v_T+3,…}。当从某时刻T开始速度v_T<85km/h，且v_T≥v_T+1≥v_T+2≥v_T+3，则认为该路段拥堵于时刻T开始形成，且识别该路段为瓶颈路段。当从某时刻T+h开始有v_T+h≤v_T+h+1≤v_T+h+2≤v_T+h+3，则认为该瓶颈路段的拥堵于时刻T+h开始消散。

4)交通拥堵传播预测。以交通波动理论为基础，分析瓶颈路段的拥挤波。交通波动理论将交通流看成一个流体，当车辆减缓车速，陆续排队行驶时，形成的车流波为拥堵波。

交通拥堵传播预测的步骤如下：

如图4所示，当车辆i经过无线通信设备检测单元时，其被无线通信设备检测单元Y_j识别到的时间戳x_i,j将会被标记在时空图中对应无线通信设备检测单元Y_j位置水平标线上。当车辆经过下一个无线通信设备检测单元Y_j+1时，其被无线通信设备检测单元Y_j+1识别到的时间戳x_i,j+1将会被标记在时空图中对应无线通信设备检测单元Y_j+1位置水平标线上。连接时空图上点(x_i,j，y_j)和点(x_i,j+1,y_j+1)得到车辆i的时空轨迹线。重复地，可获取车辆i+1，车辆i+2,…的时空轨迹线。

假设某瓶颈路段的拥堵在时刻T开始，该瓶颈路段拥堵于时刻T+h开始消散，则令k₁＝v_T-1，k₂＝v_T+h。

拥堵波在第i辆车的节点在时空图上的位置坐标

可由公式(3)和公式(4)联立方程得出，如图4所示。其横坐标时间如公式(5)所示，纵坐标位置如公式(6)所示。

式子中，k₁＝v_T-1；x_i,j为第i个车辆被上游无线通信设备检测单元Y_j检测记录下的时间戳；y_j为该车辆所处路段上游无线通信设备检测单元Y_j的位置；k₂＝v_T+h；x_i,j+1为第i个车辆被下游无线通信设备检测单元Y_j+1检测记录下的时间戳；y_j+1为该车辆所处路段下游无线通信设备检测单元Y_j+1的位置。

由此，可以得到无线通信设备检测单元Y_j和无线通信设备检测单元Y_j+1之间路段的拥堵波节点数据集

如图5所示，用最小二乘法对数据集

中的点进行线性拟合得到一条趋势线。

通过上述趋势线来预测拥堵波的传播情况，可预测路段上游何时何地将会发生拥堵。将预测结果发送至预警发布单元，对预警发布单元发出控制指令。预警单元发布预警信息。

Claims (7)

1.一种道路瓶颈路段识别及交通拥堵传播预警系统，其特征在于，包括：无线通信设备检测单元、数据处理中心单元和预警发布单元；

无线通信设备检测单元，按照预设间隔安装于道路一侧，用于采集车辆中无线通信设备的mac地址，同时记录下对应的时间戳，将mac地址、时间戳及该无线通信设备检测单元自身的位置信息打包，并将打包后的数据发送给数据处理中心单元；

数据处理中心单元，用于对无线通信设备检测单元发送来的数据进行分析计算，得出预设时间周期内道路平均车速，识别路段的交通状态，当识别出某路段交通状态为拥堵时，判断该路段为瓶颈路段；当识别到瓶颈路段后，以交通波动理论为基础对瓶颈路段的拥堵传播进行预测，并向预警发布单元发送控制命令；

预警发布单元，按照预设间隔布设于道路一侧，用于根据接收到的控制指令后发布拥堵预警提示信息。

2.根据权利要求1所述的道路瓶颈路段识别及交通拥堵传播预警系统，其特征在于，数据处理中心单元包括瓶颈路段识别模块和交通拥堵传播预测模块；

瓶颈路段识别模块，用于对无线通信设备检测单元发送来的数据进行分析计算，得出预设时间周期内道路平均车速，识别路段的交通状态，进而判断该路段是否为瓶颈路段，当判断为瓶颈路段时，发送给交通拥堵传播预测模块；

交通拥堵传播预测模块，用于对瓶颈路段的拥堵传播进行预测，并向预警发布单元发送控制命令。

3.根据权利要求1所述的道路瓶颈路段识别及交通拥堵传播预警系统，其特征在于，预警发布单元为路侧电子显示屏。

4.根据权利要求1所述的道路瓶颈路段识别及交通拥堵传播预警系统，其特征在于，无线通信设备检测单元为Wi-Fi检测单元，无线通信设备为Wi-Fi移动设备；或者，无线通信设备检测单元为蓝牙检测单元，无线通信设备为蓝牙。

5.一种道路瓶颈路段识别及交通拥堵传播预警方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，将无线通信设备检测单元按照预设间隔安装于道路一侧，无线通信设备检测单元扫描车内无线通信设备的mac地址，同时记录下对应的时间戳，无线通信设备检测单元将mac地址数据、对应的时间戳数据和该无线通信设备检测单元位置信息打包，并将打包后的数据传输到数据处理中心单元；

步骤2，数据处理中心单元接收无线通信设备检测单元传输来的数据，通过对数据进行分析计算，得出预设时间周期内道路上平均车速，以分析道路某路段的交通状态，进而识别该路段是否为瓶颈路段；当识别到瓶颈路段后，以交通波动理论为基础对瓶颈路段的拥堵传播趋势进行预测，并向预警发布单元发送控制命令；

步骤3，预警发布单元按照预设间隔布设于道路一侧，预警发布单元接受到数据处理中心单元的控制指令后，发布拥堵预警提示信息。

6.根据权利要求5所述的道路瓶颈路段识别及交通拥堵传播预警方法，其特征在于，步骤2中，数据处理中心单元采用的算法具体为：

1)匹配mac地址：数据处理中心单元首先对mac地址进行匹配，得出同一mac地址在经过各无线通信设备检测单元的时间戳，通过时间戳和无线通信设备检测单元的编号判断出车流的行驶方向；

2)数据清洗：计算同一mac地址对应的两个时间戳差值，得出车辆在相应的两个无线通信设备检测单元之间的行程时间t，利用预设公式：

计算两个无线通信设备检测单元距离之差l和同一mac地址通过这两个无线通信设备检测单元的行程时间t得到速度值v；通过判断速度值v的大小来过滤杂质数据；

3)瓶颈路段识别：利用预设公式：

n为预设时间周期内检测到的车辆数，i＝1,2,3,…,n，计算预设周期内速度平均值

通过速度平均值

来分析检测区间路段的交通状态，进而识别该路段是否为瓶颈路段；

4)交通拥堵传播预测：以交通波动理论为基础，分析瓶颈路段的拥挤波；通过预测拥挤波的传播，预测拥堵向路段上游的传播情况，将预测结果发送至预警发布单元，对预警发布单元发出控制指令。

7.根据权利要求5所述的道路瓶颈路段识别及交通拥堵传播预警方法，其特征在于，无线通信设备检测单元为Wi-Fi检测单元，无线通信设备为Wi-Fi移动设备；或者，无线通信设备检测单元为蓝牙检测单元，无线通信设备为蓝牙。

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