DE102016225404A1 - A method, apparatus, computer program and computer program product for determining a fundamental diagram of a traffic flow for a space-time domain - Google Patents
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Abstract
Ein Verfahren zum Ermitteln eines Fundamentaldiagramms eines Verkehrsflusses für einen Raumzeitbereich umfasst die Schritte:- Bereitstellen von Fahrzeugdaten, die repräsentativ sind für Daten von Fahrzeugen in dem Raumzeitbereich,- Ermitteln abhängig von den Fahrzeugdaten Geschwindigkeiten der Fahrzeuge,- Ermitteln abhängig von den Geschwindigkeiten und einer Kontinuitätsgleichung eines Verkehrsflusses eine Zuordnung von Dichte und Geschwindigkeit und Ermitteln abhängig von der Zuordnung das Fundamentaldiagramm.A method for determining a fundamental diagram of a traffic flow for a space-time domain comprises the steps of: providing vehicle data representative of data of vehicles in the space-time domain, determining vehicle speeds depending on the vehicle data, determining depending on the speeds and a continuity equation a traffic flow, an assignment of density and speed and determine depending on the assignment of the fundamental diagram.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Fundamentaldiagramms eines Verkehrsflusses für einen Raumzeitbereich. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Vorrichtung zum Ermitteln eines Fundamentaldiagramms eines Verkehrsflusses für einen Raumzeitbereich. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Computerprogramm und Computerprogrammprodukt zum Ermitteln eines Fundamentaldiagramms eines Verkehrsflusses für einen Raumzeitbereich.The invention relates to a method for determining a fundamental diagram of a traffic flow for a space-time domain. The invention further relates to an apparatus for determining a fundamental diagram of a traffic flow for a space-time domain. The invention further relates to a computer program and computer program product for determining a fundamental diagram of a traffic flow for a space-time domain.
Verkehr lässt sich makroskopisch durch die drei Zustandsvariablen Fluss, Dichte und Geschwindigkeit über das sogenannte Fundamentaldiagramm des Verkehrsflusses beschreiben. Ein gut abgeschätztes Fundamentaldiagramm ermöglicht es, durch Messen von nur einer Zustandsvariable des Verkehrs Rückschlüsse über den Gesamtzustand zu ziehen. Den Gesamtzustand des Verkehrs zu kennen ist für viele Anwendungen wie beispielsweise Verkehrsplanung, Verkehrsinformationen und Verkehrsregelung entscheidend.Traffic can be described macroscopically by the three state variables flow, density and velocity via the so-called fundamental diagram of the traffic flow. A well-estimated fundamental diagram makes it possible to draw conclusions about the overall state by measuring only one state variable of the traffic. Knowing the overall condition of the traffic is crucial for many applications such as traffic planning, traffic information and traffic control.
Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist effizient ein gut abgeschätztes Fundamentaldiagramm zu ermitteln.The object underlying the invention is to efficiently determine a well-estimated fundamental diagram.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.The object is solved by the features of the independent claims. Advantageous embodiments are characterized in the subclaims.
Die Erfindung zeichnet sich aus durch ein Verfahren zum Ermitteln eines Fundamentaldiagramms eines Verkehrsflusses für einen Raumzeitbereich. Die Erfindung zeichnet sich des Weiteren aus durch eine Vorrichtung zum Ermitteln eines Fundamentaldiagramms eines Verkehrsflusses für einen Raumzeitbereich, wobei die Vorrichtung dazu ausgebildet ist das Verfahren zum Ermitteln eines Fundamentaldiagramms eines Verkehrsflusses für einen Raumzeitbereich oder eine optionale Ausgestaltung des Verfahrens auszuführen.The invention is characterized by a method for determining a fundamental diagram of a traffic flow for a space-time domain. The invention is further characterized by an apparatus for determining a fundamental diagram of a traffic flow for a space-time domain, the apparatus being adapted to carry out the method for determining a fundamental diagram of a traffic flow for a space-time domain or an optional embodiment of the method.
Bei dem Verfahren werden Fahrzeugdaten bereitgestellt, die repräsentativ sind für Daten von Fahrzeugen in dem Raumzeitbereich. Abhängig von den Fahrzeugdaten werden Geschwindigkeiten der Fahrzeuge ermittelt. Abhängig von den Geschwindigkeiten und einer Kontinuitätsgleichung eines Verkehrsflusses wird eine Zuordnung von Dichte und Geschwindigkeit ermittelt. Abhängig von der Zuordnung wird das Fundamentaldiagramm ermittelt.The method provides vehicle data representative of data of vehicles in the space-time domain. Depending on the vehicle data speeds of the vehicles are determined. Depending on the speeds and a continuity equation of a traffic flow, a correlation of density and velocity is determined. Depending on the assignment, the fundamental diagram is determined.
Durch das Verfahren wird es ermöglicht ein Fundamentaldiagramm mit Hilfe nur einer Zustandsvariable, nämlich der Geschwindigkeit, zu ermitteln. Hierdurch kann das Fundamentaldiagramm kostengünstiger und effizienter ermittelt werden, da beispielsweise keine Sensordaten, die mindestens zwei Zustandsvariablen messen, wie Schleifendetektoren, notwendig sind. Es reichen Fahrzeugdaten, mittels dessen genau eine Zustandsvariable (die Geschwindigkeit) ermittelt werden kann. Derartige Fahrzeugdaten sind beispielsweise Positionsdaten, die mittels eines globalen Navigationssatellitensystems zur Positionsbestimmung ermittelt wurden, wie beispielsweise mittels dem Global Positioning System (GPS). Da die Messung von Verkehrsdaten mit hohem Kostenaufwand verbunden ist, stellt eine Reduzierung der zu messenden Variablen einen hohen Mehrwert dar. Durch Einsatz des vorgeschlagenen Verfahrens können somit Kosten bei der Erfassung der notwendigen Daten gespart werden.The method makes it possible to determine a fundamental diagram with the help of only one state variable, namely the velocity. As a result, the fundamental diagram can be determined more cost-effectively and more efficiently, since, for example, no sensor data which measures at least two state variables, such as loop detectors, are necessary. There are enough vehicle data, by means of which exactly one state variable (the speed) can be determined. Such vehicle data are, for example, position data which has been determined by means of a global navigation satellite system for position determination, for example by means of the Global Positioning System (GPS). Since the measurement of traffic data is associated with high costs, a reduction of the variables to be measured represents a high added value. Using the proposed method thus costs can be saved in the acquisition of the necessary data.
Das ermittelte Fundamentaldiagramm wird anschließend beispielsweise einer Anwendung bereitgestellt und in der Anwendung verwendet. Derartige Anwendungen sind beispielsweise eine Verkehrsplanung, eine Darstellung von Verkehrsinformationen und/oder eine Verkehrsregelung.The determined fundamental diagram is then provided, for example, to an application and used in the application. Such applications are, for example, a traffic planning, a representation of traffic information and / or a traffic control.
Gemäß einer optionalen Ausgestaltung wird abhängig von den Geschwindigkeiten und der Kontinuitätsgleichung und der Methode der kleinsten Quadrate die Zuordnung von Dichte und Geschwindigkeit ermittelt.According to an optional embodiment, the assignment of density and velocity is determined depending on the velocities and the continuity equation and the method of least squares.
Mittels der Methode der kleinsten Quadrate kann auf sehr einfache und somit schnelle und kostengünstige Weise das Fundamentaldiagramm abgeschätzt werden.Using the method of least squares, the fundamental diagram can be estimated in a very simple and thus fast and cost-effective way.
Gemäß einer weiteren optionalen Ausgestaltung erfolgt bei der Methode der kleinsten Quadrate bei der Kontinuitätsgleichung eine Ersetzung von Fluss durch Dichte multipliziert mit Geschwindigkeit und anschließend wird eine Diskretisierung in Zeit und Ort durchgeführt. Die Dichte wird durch eine vorgegebene von der Geschwindigkeit abhängige Funktion ersetzt und die Lösung der Methode der kleinsten Quadrate ergibt die Durchschnittsdichten an einer vorgegebenen Anzahl an Stützstellen der Geschwindigkeiten.According to another optional embodiment, in the least squares method, the continuity equation replaces flux by density multiplied by velocity, and then performs discretization in time and location. The density is replaced by a given speed dependent function, and the least squares solution gives the average densities at a given number of speed nodes.
Mittels dieser Ausgestaltung der Methode der kleinsten Quadrate können auf sehr einfache Weise Durchschnittsdichten ermittelt werden und somit die Zuordnung von Dichte und Geschwindigkeit ermittelt werden. By means of this embodiment of the method of least squares, average densities can be determined in a very simple manner and thus the assignment of density and speed can be determined.
Gemäß einer weiteren optionalen Ausgestaltung wird abhängig von den Geschwindigkeiten und der Kontinuitätsgleichung und einem Markov-Chain-Monte-Carlo-Verfahren, MCMC-Verfahren, die Zuordnung von Dichte und Geschwindigkeit ermittelt.According to another optional embodiment, the assignment of density and velocity is determined depending on the speeds and the continuity equation and a Markov chain Monte Carlo method, MCMC method.
Durch das MCMC-Verfahren kann berücksichtigt werden, dass eine Varianz der Dichten nicht konstant ist, sondern abhängig von der Geschwindigkeit ist. Somit kann durch das MCMC-Verfahren ein sehr genaues Fundamentaldiagramm ermittelt werden.It can be taken into account by the MCMC method that a variance of the densities is not constant but is dependent on the speed. Thus, a very accurate fundamental diagram can be determined by the MCMC method.
Gemäß einer weiteren optionalen Ausgestaltung werden bei dem MCMC-Verfahren Wahrscheinlichkeitsdichten abhängig von den Geschwindigkeiten ermittelt. Eine Simulation der Dichten, Flüsse und Geschwindigkeiten erfolgt mit Hilfe einer vorgegeben Diskretisierung des Verkehrsflussmodells. Anschließend wird eine Bestimmung der Wahrscheinlichkeit der simulierten Dichten, Flüsse und Geschwindigkeiten durch Vergleich der simulierten Dichtewerte mit den Wahrscheinlichkeitsdichten abgeleitet. Die Wahrscheinlichkeitsdichte der Dichtewerte ergeben sich beispielsweise aus gegebenen Geschwindigkeiten im Raumzeitbereich und gewählten Stützstellen von Funktionen r(v) und σ(v).According to a further optional embodiment, in the MCMC method, probability densities are determined as a function of the speeds. A simulation of the densities, flows and velocities is carried out with the help of a given discretization of the traffic flow model. Subsequently, a determination of the probability of the simulated densities, flows and velocities is derived by comparing the simulated density values with the probability densities. The probability density of the density values results, for example, from given velocities in the space-time domain and selected interpolation points of functions r (v) and σ (v).
Mittels dieser Ausgestaltung des MCMC-Verfahrens kann auf sehr einfache Weise ein sehr genaues Fundamentaldiagramm ermittelt werden.By means of this embodiment of the MCMC method, a very accurate fundamental diagram can be determined in a very simple way.
Gemäß einer weiteren optionalen Ausgestaltung ist die vorgegebene Diskretisierung eine Godunov Diskretisierung.According to a further optional embodiment, the predetermined discretization is a Godunov discretization.
Mittels der Godunov Diskretisierung kann eine sehr genaue und dennoch einfache Diskretisierung erfolgen.By Godunov discretization can be done a very accurate yet simple discretization.
Gemäß einer weiteren optionalen Ausgestaltung werden die Bestimmung der Wahrscheinlichkeit mehrmals durchgeführt wird.According to another optional embodiment, the determination of the probability is performed several times.
Hiermit kann ein Durchschnittsergebnis über alle Geschwindigkeiten ermittelt werden und somit die Genauigkeit des ermittelten Fundamentaldiagramms erhöht werden.With this an average result over all speeds can be determined and thus the accuracy of the determined fundamental diagram can be increased.
Gemäß einer weiteren optionalen Ausgestaltung wird zusätzlich ein vorgegebenes heuristisches Optimierungsverfahren durchgeführt.According to a further optional embodiment, a predetermined heuristic optimization method is additionally performed.
Hierdurch kann die Genauigkeit des ermittelten Fundamentaldiagramms noch weiter erhöht werden.As a result, the accuracy of the determined fundamental diagram can be further increased.
Gemäß einer weiteren optionalen Ausgestaltung ist Simulated Annealing das heuristische Optimierungsverfahren.According to another optional embodiment, simulated annealing is the heuristic optimization method.
Gemäß eines weiteren Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Computerprogramm, wobei das Computerprogramm ausgebildet ist, das Verfahren zum Ermitteln eines Fundamentaldiagramms eines Verkehrsflusses für einen Raumzeitbereich oder eine optionale Ausgestaltung des Verfahrens durchzuführen.According to a further aspect, the invention is characterized by a computer program, wherein the computer program is designed to perform the method for determining a fundamental diagram of a traffic flow for a space-time area or an optional embodiment of the method.
Gemäß eines weiteren Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Computerprogrammprodukt, das einen ausführbaren Programmcode umfasst, wobei der Programmcode bei Ausführung durch eine Datenverarbeitungsvorrichtung das Verfahren zum Ermitteln eines Fundamentaldiagramms eines Verkehrsflusses für einen Raumzeitbereich oder eine optionale Ausgestaltung des Verfahrens ausführt.According to a further aspect, the invention is characterized by a computer program product comprising executable program code, wherein the program code, when executed by a data processing device, executes the method for determining a fundamental diagram of a traffic flow for a space-time domain or an optional embodiment of the method.
Das Computerprogrammprodukt umfasst insbesondere ein von der Datenverarbeitungsvorrichtung lesbares Medium, auf dem der Programmcode gespeichert ist.In particular, the computer program product comprises a medium which can be read by the data processing device and on which the program code is stored.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
-
1 ein Ablaufdiagramm eines Programms zum Ermitteln eines Fundamentaldiagramms eines Verkehrsflusses für einen Raumzeitbereich.
-
1 a flowchart of a program for determining a fundamental diagram of a traffic flow for a space-time area.
Die
Eine Vorrichtung
Die Vorrichtung
Das Programm wird in einem Schritt S1 gestartet, in dem gegebenenfalls Variablen initialisiert werden können.The program is started in a step S1 in which variables can be initialized if necessary.
In einem Schritt S3 werden Fahrzeugdaten bereitgestellt, die repräsentativ sind für Daten von Fahrzeugen in dem Raumzeitbereich. Die Fahrzeugdaten sind beispielsweise Positionsdaten der Fahrzeuge, wie GPS-Daten.In a step S3, vehicle data representative of data of vehicles in the space-time area is provided. The vehicle data are, for example, position data of the vehicles, such as GPS data.
In einem Schritt S5 werden abhängig von den Fahrzeugdaten Geschwindigkeiten der Fahrzeuge ermittelt.In a step S5, speeds of the vehicles are determined as a function of the vehicle data.
In einem Schritt S7 wird abhängig von den Geschwindigkeiten und einer Kontinuitätsgleichung eines Verkehrsflusses eine Zuordnung von Dichte und Geschwindigkeit ermittelt und abhängig von der Zuordnung wird das Fundamentaldiagramm ermittelt.In a step S7, depending on the speeds and a continuity equation of a traffic flow, an assignment of density and velocity is determined and depending on the assignment, the fundamental diagram is determined.
In einem Schritt S9 wird das Programm beendet und kann gegebenenfalls wieder in dem Schritt S1 neu gestartet werden.In a step S9, the program is ended and may optionally be restarted in step S1.
Im Folgenden werden Ausführungsformen des Schrittes S7 vorgestellt:
- Bei einer ersten Ausführungsform wird die Methode der kleinsten Quadrate verwendet.
- In a first embodiment, the least squares method is used.
Ausgangslage ist die Kontinuitätsgleichung eines Verkehrsflusses, bei der eine Ersetzung von Fluss durch Dichte multipliziert mit Geschwindigkeit erfolgt:
ρ ist hierbei die (Verkehrs-)Dichte und v die Geschwindigkeit.Here, ρ is the (traffic) density and v the speed.
Beschreibt man nun einen rechteckigen Raumzeitbereich mit D = [xstart,xend]x[tstart,tend] (x ist hierbei eine Position und t eine Zeit)und gegebenenfalls weiteren Randbedingungen, so kann man eine Diskretisierung in Zeit und Ort durchführen, beispielsweise unter Verwendung der „central differences“:
Die Gleichsetzung mit 0 ist hierbei nur im idealen Zustand korrekt.The equation with 0 is correct only in the ideal state.
Die Dichte kann nun durch eine vorgegebene Funktion r(v) ersetzt werden:
Die Gleichung ist in der Realität ungleich 0, da Messfehler, Rauschen etc. auftreten.The equation is not equal to 0 in reality, since measurement errors, noise, etc. occur.
r(v) ist hierbei eine stückweise lineare Funktion die auf n Stützstellen (i = 1...n) aufbaut:
Anschließend kann eine Formulierung als Problem der linearen Regression erfolgen:Subsequently, a formulation can be made as a problem of linear regression:
Hierbei wird eine große Anzahl von Gleichungen aus den gegebenen Geschwindigkeitsinformationen erzeugt:
B ist hierbei eine Matrix aus Koeffizienten, die sich aus der Gleichung 3 ergibt.B is a matrix of coefficients which results from equation 3.
Insbesondere wird davon ausgegangen, dass die makroskopische Verkehrsgeschwindigkeit vollständig in Raum und Zeit gegeben ist.In particular, it is assumed that the macroscopic traffic speed is completely given in space and time.
Das Verfahren benötigt insbesondere einen „Stützpunkt“. In dem genannten Gleichungssystem (
Die Lösung der Methode der kleinsten Quadrate ergibt sich dann aus:
Die Lösung ergibt hierbei die Durchschnittsdichten an den n Stützstellen der Geschwindigkeiten.The solution gives the average densities at the n nodes of the velocities.
Bei einer zweiten Ausführungsform wird ein Markov-Chain-Monte-Carlo-Verfahren, MCMC-Verfahren, verwendet.In a second embodiment, a Markov chain Monte Carlo method, MCMC method, is used.
Zuerst werden hierbei alle Geschwindigkeiten am Rand des Raumzeitbereichs betrachtet (t= 0, x = 0, t = T, x = L).First, all velocities at the edge of the space-time domain are considered (t = 0, x = 0, t = T, x = L).
Für jeden dieser Werte wird ein Wert aus einer Wahrscheinlichkeitsdichte gewählt, die sich aus Funktionen r(v) und σ(v) ergibt:
r(v) und σ(v) sind hierbei stückweise lineare Funktionen die aus einem Vektor von Werten gebildet werden, wie oben beschrieben für r(v) beschrieben wurde. ρ(Ω) ist die Dichte am Rand des Raumzeitbereichs.r (v) and σ (v) are piecewise linear functions which are formed from a vector of values as described above for r (v). ρ (Ω) is the density at the edge of the space-time domain.
Anschließend erfolgt eine Simulation der Dichten und Flüsse und Geschwindigkeiten, insbesondere mit Hilfe der Godunov Diskretisierung des Verkehrsflussmodells und den Geschwindigkeiten am Rand des Raumzeitbereichs:
Nun kann die Wahrscheinlichkeit des simulierten Zustands durch Vergleich der simulierten Dichtewerte mit der Wahrscheinlichkeitsdichte der Dichtewerte, die aus den gegebenen Geschwindigkeiten im Raumzeitbereich und den gewählten Stützstellen der Funktionen r(v) und σ(v) ergeben:
Um eine robuste Abschätzung der Eintrittswahrscheinlichkeit (
Durch Maximierung der Eintrittswahrscheinlichkeit abhängig der Funktionen r(v) und σ(v) können mit Hilfe eines Optimierungsverfahrens wie zum Beispiel „Simulated Annealing“ die besten Werte für das zugrundeliegende Fundamentaldiagramm ermittelt werden.By maximizing the probability of occurrence as a function of the functions r (v) and σ (v), the best values for the underlying fundamental diagram can be determined by means of an optimization method such as simulated annealing.
Durch das Verfahren wird es ermöglicht ein Fundamentaldiagramm mit Hilfe nur einer Zustandsvariable, nämlich der Geschwindigkeit, zu ermitteln. Hierdurch kann das Fundamentaldiagramm kostengünstiger und effizienter ermittelt werden, da die Messung von Verkehrsdaten mit hohem Kostenaufwand verbunden ist.The method makes it possible to determine a fundamental diagram with the help of only one state variable, namely the velocity. As a result, the fundamental diagram can be determined more cost-effectively and efficiently, since the measurement of traffic data is associated with high costs.
Durch das MCMC-Verfahren kann berücksichtigt werden, dass eine Varianz der Dichten nicht konstant ist, sondern abhängig von der Geschwindigkeit ist. Somit kann durch das MCMC-Verfahren ein sehr genaues Fundamentaldiagramm ermittelt werden.It can be taken into account by the MCMC method that a variance of the densities is not constant but is dependent on the speed. Thus, a very accurate fundamental diagram can be determined by the MCMC method.
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