CN1937001A - 城市路段交通流平均速度获取方法 - Google Patents

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Abstract

一种城市路段交通流平均速度获取方法，属于智能交通技术领域。本发明包括：1)建立路口编号－路段名对应表；2)错误数据的判别与处理；3)路段平均速度获取：平均路段行驶时间为平均行使时间与平均等待时间之和，采用路段长度减去平均意义下交叉路口车辆排队长度的方法获得车辆行驶长度；将城市道路划分为快速路、主干路、次干路和支路，通过实地检测的办法得到不同道路等级的期望车速，通过车辆平均行驶长度除以道路等级的期望车速得到平均行驶时间；根据排队论M/M/1的理论，获取平均等待时间；最后根据道路长度、平均行驶时间和平均等待时间获得道路平均速度。本发明具有计算简便，运算速度快，可靠性高等优点。

Description

城市路段交通流平均速度获取方法
技术领域
本发明涉及一种智能交通技术领域的方法，具体是一种城市路段交通流平均速度获取方法。
背景技术
随着社会经济的快速发展，一方面交通需求大大增加，而道路的增长却逐步趋于极限，使得交通需求与供给的矛盾进一步激化；另一方面信息技术的飞速进步为综合解决交通问题带来了机遇。就是在这种背景下，先进的交通信息管理系统(ATIMS)先于智能交通系统(ITS)的其他系统受到了广泛的关注，在世界各国都得到了快速的发展，被应用于动态路径规划、动态导航、路网调协交通信号系统、动态交通调度等各个方面。其中，对城市路段交通流平均速度获取与预测是ATIMS中的关键组成部分。对城市路段交通流平均速度实时获取与预测和所采用的交通信息相关，不同的交通信息决定了获取与预测的不同的方法和精度。目前，国际上已经有许多相关研究。
经对现有技术的文献检索发现，童小华、陈建阳在《同济大学学报》2005年(1604-1607)上发表的文章“基于GIS和GPS的交通状态参数估计与仿真模型”中提出基于GPS和GIS信号的探测车对道路交通状态获取的研究，他们集成GIS和GPS技术，在大样本(车辆数5000-50000辆)和长周期(GPS位置信息传送间隔2-5min)的条件下，获得了各路段比较准确的交通速度。但就像他在文章中叙述的那样，该种方法严重依赖大样本探测车，在当前交通测量环境不健全的情况下很难达到如此之大的样本车辆数。此外，它是独立于交通运营管理部门的，需要额外的相应探测设备的巨大资金的投入，这也是制约这种方法进行推广的重要原因之一。
目前，国际上已经有很多交叉路口配时系统，其中，最具有代表性的是澳大利亚的悉尼SCATS(Sydney Coordinated Adaptive Traffic System)，SCATS是由澳大利亚新南威尔士道路和交通局(RTA)于上世纪70年代未研制成功的，从1980年起陆续在悉尼等城市安装使用。目前世界上大约有50个城市正在运行SCATS系统。所谓自适应控制是指计算机通过车辆检测器提供的交通流量的变化信息，实时自动调整交通信号的控制周期和绿灯时间长度，并且能实现控制区域或交通主干道上路口相互协调控制。SCATS系统是一种城市交通信号灯自适应控制系统，可以提供包括车辆流量、车辆占空比数据、路口的交通信号灯配置数据等信息。其中，车辆流量和车辆占空比数据通过埋设在路口出口处的检测环，各道路交通路口的交通信号灯时长依赖于车辆流量和车辆占空比数据自适应地调整。
发明内容
本发明的目的在于针对上述不足及实际需要，提出一种新的城市路段交通流平均速度获取方法，它利用现有的交通配时管理系统产生的配时数据，准确地获取各条路段的平均速度，并通过相应的交通地理信息系统进行交通状态的实时显示。本发明克服了传统的利用GPS探测车数据获取交通速度时所需要的大量资金投入和难以获取大的采样样本集等问题，具有投入小、计算简便、实时性好、对城市基础设施条件依赖性低等优点。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明着眼于具有精度高、数据量大、城市范围内分布广泛等优点的悉尼协调自适应交通系统(SCATS)提供的稳定的交通配时数据，具体实践中，将城市路网中两个信号灯之间的有向路段视为一个处理单元，把能够提供包括车流量、占空比、红绿灯时长的SCATS数据为基本获取数据来源，对一个红绿灯周期内的SCATS数据在研究路段上进行交通流建模，得到交通流在这段时长的路段平均速度。本发明以到达车辆视为顾客，信号灯控制的交叉口视为服务台。车辆的到达服从一定强度的泊松分布，车辆通过交叉口的服务时间(广义时间，包括在交叉口等待和通过交叉口)相互独立，服从一定参数的负指数分布。然后以排队论为核心，辅以交通工程学知识，得出一个适于信号灯控制下路段行程时间(可直接由此推出路段平均速度)的算法。以此为指标对路段的交通拥堵状态进行显示。路网中路段的平均速度被分为五个速度等级，分别对应通畅、较通畅、不通畅、拥堵、严重拥堵五种道路拥堵状态，实现对研究路段的交通流状态实时显示。
本发明方法包括以下几个步骤：
第一、建立路口编号-路段名对应表：
用于速度获取的数据来源是用于交叉路口的红绿灯配时系统的配时数据，在该系统中，每一条城市道路的交叉路口是用编号的方式表示的，在速度获取方法中，每一条最小的处理路段是用交通地理信息系统上面的路段名表示的，这就需要建立相应的路口编号与路段名称的对应表。在一般的表示方法中，每一条计算路段名由两个交叉路口唯一确定，而每一个交叉路口又由两条道路名称唯一确定，在对SCATS路口编号和路段名称进行对应时，只需将路口编号和该路口对应的两条道路名称一一对应起来，就可以建立相应的路口-获取路段的对应表。
第二、错误数据的判别与处理：
道路配时系统赖以配时的依据来源于埋设在各交叉路口停车线后面的感应线圈，感应线圈在繁重的交通负载和损耗之下难免损坏和需要维修，在损坏期间，配时系统得到的监测环车流量数据就是错误的数据，因此在速度获取的过程中需要对这部分数据进行相应的判别和处理。本发明采用的判别方法就是察看该检测环绿灯时的检测数据，如果发现该检测数据保持一个常数时，表明该检测环已经损坏，在进行速度获取时将该数据剔除，并用相应的颜色在交通GIS上面进行显示。
第三、路段平均速度获取：
车辆从上个路口的停车线到下个路口停车线间的行驶过程包括两部分：一部分为行驶部分，另一部分为排队等待信号和通过信号灯的部分，平均路段行驶时间为平均行使时间与平均等待时间之和。采用路段长度减去平均意义下交叉路口车辆排队长度的方法获得车辆行驶长度，将城市道路划分为快速路、主干路、次干路和支路，通过实地检测的办法得到不同道路等级的期望车速，通过车辆平均行驶长度除以道路等级的期望车速就可以得到平均行驶时间。根据排队论M/M/1的理论，可以获取平均等待时间。对于单位有向路段，在其速度分布曲面模型的数学表达式的基础上，令时间变量为时间段T中的一个常值t0，得到时刻t0该单位有向路段沿道路方向上的速度分布曲线。对这个速度分布曲线在道路方向上积分，得到t0时刻该单位有向路段道路方向的平均速度。对路网中各个有向路段逐一进行路段平均速度的计算，得到了t0时刻城市路网中各个有向路段道路方向的平均速度。
第四、处理过饱和状态
当流量接近甚至超过交叉口的服务能力时，平均等待时间的值将趋向于无穷大，这会造成获取结果的严重失真。本发明的解决方法是为平均等待时间设置一个阈值使其小于等于一个红绿灯相位时长。当平均等待时间大于上限时，就将其视为拥堵状态。
与现有技术相比，本发明有效地克服了一般交通流平均速度获取方法中对交通探测车数量的严重依赖，避开了一般城市交通探测手段不够完善，可靠性低的问题，具有计算简便，运算速度快，可靠性高等优点，为整个城市交通的控制提供信息资料。
附图说明
图1为本发明提出的城市路段交通流平均速度获取方法的流程框图。
图2为道路交叉路口检测器分布示意图。
图3为某路段24小时路口通行能力的变化情况示意图。
图4某路段24小时平均速度变化。
图5为采用本方案获取的上海市交通路网交通流状态GIS示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本实施例所要求的输入数据是由安装在上海市外环以内的SCATS系统提供的各主要交通信号交叉口SCATS系统的检测线圈实时采集得到车流量、红绿灯时长等数据。
图1所示，本实施例城市路段交通流平均速度获取方案，具体实施步骤如下：
1、建立路口编号-路段名对应表
首先通过SCATS系统获取城市道路每个十字交叉路口编号以及其对应的检测环配置图(如图2)，根据该检测环配置图来确定城市道路每一条路段所对应的2个交叉路口编号，每一个交叉路口由两条道路唯一确定，因此对于每一条道路建立相应的路口编号-路段名对应表时需要4个道路名，2个交叉路路口编号，一个路段名，一个检测环号以及一个红绿灯相位，具体实施示例如下：
编号1   路名1     路名2     检测环号  红绿相位  编号2   路名2      路名4
379     冠生园路  漕溪路    9         A         378     康健路     漕溪路
378     康健路    漕溪路    7         A         377     漕宝路     漕溪路
377     漕宝路    漕溪路    11        A         311     田林东路   漕溪路
311     田林东路  漕溪路    8         A，       309     中山西路   漕溪北路
…….
2、错误数据的判别与处理：
SCATS系统的信息采集是以检测环为最小处理单元的。一般一条道路包括两个方向道路，而每个方向道路包括多条车道。检测环一般位于车道下游靠近信号灯的位置。需要读入数据为静态和动态：静态数据包括：路段长度、道路等级、自由速度等动态数据包括：SCATS系统提供的信号灯信息配置和配时信息和流量占空比信息。然而在使用过程中，由于硬件本身或者繁重的交通负载的原因，某些检测环已经损坏，不能提供或者提供错误的本发明所需要的相应的检测数据。本发明在读取数据前有一个错误数据判别和处理模块，通过对数据库中某一时段内某单个检测环数据值进行判断，如果该数值保持一个常值，则中止速度获取模块的运行，并用相应的颜色在交通地理信息系统上将检测设备损坏的路段进行标识。
3、道路平均速度的获取
将车辆从上个路口的停车线到下个路口停车线间的行驶过程分成两部分：一部分为行驶部分，另一部分为排队等待信号和通过信号灯的部分，平均路段行驶时间为平均行使时间与平均等待时间之和。采用路段长度减去平均意义下交叉路口车辆排队长度的方法获得车辆行驶长度；将城市道路划分为快速路、主干路、次干路和支路，通过实地检测的办法得到不同道路等级的期望车速，通过车辆平均行驶长度除以道路等级的期望车速得到平均行驶时间；根据排队论M/M/1的理论，获取平均等待时间；最后根据道路长度、平均行驶时间和平均等待时间获得道路平均速度。图3为某路段24小时路口通行能力与车辆到达率的变化情况；图4为某路段24小时平均速度变化情况。
4、处理过饱和状态
在获取平均速度时，如果流量接近甚至超过交叉口的服务能力时，平均等待时间的值将趋向于无穷大，处理饱和状态模块为平均等待时间设置一个阈值使其小于等于一个红绿灯相位时长。当平均等待时间大于这个上限时，就将其视为拥堵状态。
5、交通地理信息系统显示道路拥堵状态
以城市路网中各个有向路段道路方向的平均速度为指标进行道路拥堵状态显示。按照车辆在道路上的不同行驶方向，将车辆的速度信息分类，得到道路的平均上行速度、下行速度。动态显示于GIS地图上，如图5所示，城市交通信息系统按照下表以不同的颜色对路网平均行程速度进行区分和显示。

Claims (2)

1、一种城市路段交通流平均速度获取方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)建立路口编号-路段名对应表：利用两个交叉路口唯一确定每一条计算路段名，两条道路名称唯一确定每一个交叉路口，通过SCATS路口编号和路段名称进行对应，将路口编号和该路口对应的两条道路名称一一对应，建立相应的路口-获取路段的对应表；
2)错误数据的判别与处理：察看道路配时系统数据库检索每一个检测环绿灯时的检测数据，如果某检测环检测数据保持一个常值，表明该检测环已经损坏，在进行速度获取时将该数据剔除，并用相应的颜色在交通地理信息系统上面进行显示；
3)路段平均速度获取：将车辆从上个路口的停车线到下个路口停车线间的行驶过程分成两部分：一部分为行驶部分，另一部分为排队等待信号和通过信号灯的部分，平均路段行驶时间为平均行使时间与平均等待时间之和，采用路段长度减去平均意义下交叉路口车辆排队长度的方法获得车辆行驶长度；将城市道路划分为快速路、主干路、次干路和支路，通过实地检测的办法得到不同道路等级的期望车速，通过车辆平均行驶长度除以道路等级的期望车速得到平均行驶时间；根据排队论M/M/l的理论，获取平均等待时间；最后根据道路长度、平均行驶时间和平均等待时间获得道路平均速度。
2、根据权利要求1所述的城市路段交通流平均速度获取方法，其特征是，为平均等待时间设置一个阈值使其小于等于一个红绿灯相位时长，当平均等待时间大于上限时，就将其视为拥堵状态。
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