一種快速路網(wǎng)交通傳感網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化布設(shè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于城市交通技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種城市快速路網(wǎng)交通傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu) 化布設(shè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著城市化進(jìn)程的加快，機(jī)動車保有量逐年增大，交通擁堵現(xiàn)象日益突 出，這不僅給居民的日常生活造成了嚴(yán)重的影響，而且極大地阻礙了城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。為解 決交通擁堵問題，政府部門加大了基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投入。目前，我國很多城市已經(jīng)建成或者 正在建設(shè)快速路網(wǎng)絡(luò)，如北京的"環(huán)射狀"快速路、上海的"申"字狀快速路，其它城市如蘇 州、武漢、鄭州等也已建成了一定規(guī)模的城市快速路。
[0003] 城市快速路網(wǎng)提供了便捷的快速通道。同時，快速路交通擁堵也日益嚴(yán)重。為進(jìn) 一步解決擁堵問題，需要實時觀測道路上的交通狀況，并采取相應(yīng)的誘導(dǎo)和匝道控制策略。 因此，實時準(zhǔn)確的交通信息獲取是實現(xiàn)交通信息發(fā)布、誘導(dǎo)和控制的前提和保障。為實時測 量交通參數(shù)，需要在快速路網(wǎng)中布設(shè)交通傳感器（如線圈檢測器，微波檢測器、視頻檢測器 等）。只有當(dāng)路網(wǎng)中有足夠多的傳感器時，才能夠獲得完整的交通數(shù)據(jù)。但是，由于城市快 速路網(wǎng)規(guī)模龐大，在每一個路段上都安裝傳感器將會產(chǎn)生高額的費用。一個關(guān)鍵問題是：如 何布設(shè)最少數(shù)量的傳感器，達(dá)到既能估計全路網(wǎng)交通狀態(tài)，又能最大程度節(jié)約成本。本發(fā)明 提出一種解決方案來實現(xiàn)在快速路網(wǎng)絡(luò)中布設(shè)盡量少且位置合理的交通傳感器來獲取實 時的交通參數(shù)，其中在布設(shè)傳感器的路段可以通過傳感器直接檢測交通參數(shù)，而未布設(shè)傳 感器的路段可以借助于建立的交通流網(wǎng)絡(luò)模型和所檢測到的交通數(shù)據(jù)推演其交通參數(shù)。本 發(fā)明不僅可以大大節(jié)約投資成本，而且可以更有效地獲取路網(wǎng)交通信息，為城市快速路網(wǎng) 交通信息發(fā)布、誘導(dǎo)和匝道控制等提供數(shù)據(jù)支持。
[0004] 目前，國外在高速路網(wǎng)中布設(shè)交通傳感器一般是采用基于經(jīng)驗的固定間距方法進(jìn) 行布設(shè)，通過直接的數(shù)據(jù)處理方法來獲取實時交通數(shù)據(jù)。例如，美國芝加哥境內(nèi)355km的 高速路段埋有車輛自動檢測設(shè)備，平均200米設(shè)置一處，一共1700處。加拿大多倫多市某 高速公路平均600~700米設(shè)置一處交通傳感器。日本阪神高速平均500米設(shè)置一處檢測 器。國內(nèi)某些城市快速路網(wǎng)交通傳感器同樣采用密集布設(shè)的方法。例如，為了獲得北京二環(huán) 快速路外環(huán)的交通數(shù)據(jù)，在東南二環(huán)光明橋至西北二環(huán)德勝門大約12公里的路段上布設(shè) 了 26個微波檢測器，平均460米就設(shè)置一個。如果按照此種布設(shè)方法，北京市從二環(huán)到五 環(huán)共約245公里的道路上，若內(nèi)外環(huán)同時采集交通數(shù)據(jù)，則需要布設(shè)大約1060個微波檢測 器。由此可知，無論是國內(nèi)還是國外，采用的都是等間隔密集式的交通傳感網(wǎng)絡(luò)布設(shè)方法。 此方法雖然能夠?qū)崟r獲取各個路段的交通信息，便于對各路段的運行狀態(tài)進(jìn)行實時觀測和 分析，但同時也大大增加了資金投入，也不能充分發(fā)揮每個檢測器最大功效。因此有必要對 快速路網(wǎng)上的交通傳感網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)進(jìn)行優(yōu)化。
[0005] 參考文獻(xiàn)：
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【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明的目的在于提供了一種城市快速路網(wǎng)交通傳感網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化布設(shè)方法。該 方法提出只在快速路網(wǎng)的某些路段布設(shè)交通傳感網(wǎng)絡(luò)直接獲取其交通參數(shù)，且保證整個系 統(tǒng)是可觀測的；而未布設(shè)交通傳感網(wǎng)絡(luò)的路段交通參數(shù)則可以結(jié)合布設(shè)路段獲取的交通參 數(shù)和路網(wǎng)交通流模型以及歷史數(shù)據(jù)推演得到。從而可以優(yōu)化快速路網(wǎng)中交通傳感網(wǎng)絡(luò)的布 設(shè)，降低道路設(shè)施的投入成本，提高交通傳感器的使用效率，為城市快速路網(wǎng)交通狀態(tài)估計 和匝道調(diào)節(jié)提供重要的基礎(chǔ)性保障，進(jìn)而為改善城市交通擁堵方案的制定提供依據(jù)。
[0012] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種城市快速路網(wǎng)交通傳感網(wǎng)絡(luò)的優(yōu) 化布設(shè)方法，該方法包括如下步驟：
[0013] 步驟一，劃分快速路網(wǎng)：按照劃分規(guī)則將快速路網(wǎng)劃分成若干路段，每個路段稱為 一個元胞，因此也稱為元胞劃分。元胞劃分的基本原則：保證劃分以后每個元胞都是均衡 的，即保證每個元胞由一個基本圖描述（本方法采用三角基本圖近似描述元胞的流量一密 度關(guān)系，如圖1所示）。首先，以快速路網(wǎng)中的入口匝道和出口匝道位置為基本依據(jù)，任意 相鄰的兩個匝道之間的路段作為一個元胞，并觀察劃分后每個的元胞中是否有變道情況； 若有，則在變道的地方將元胞進(jìn)行二次劃分。其次，在彎道和直行道變化的地方進(jìn)行元胞劃 分。最后，為便于分析研究，將劃好的元胞，依次標(biāo)定序號。
[0014] 步驟二，建立路網(wǎng)交通流模型：針對快速路網(wǎng)絡(luò)，并結(jié)合步驟一的元胞劃分結(jié)果， 利用基于動態(tài)圖混雜自動機(jī)（DGHA)理論的元胞傳輸模型（CTM)對其建立路網(wǎng)交通流模型 (詳細(xì)步驟見【具體實施方式】），并求出其狀態(tài)方程：
[0015]
[0016] 其中，XeRn表示快速路網(wǎng)中交通流密度的向量，η表示快速路網(wǎng)中元胞的數(shù)量； ueRP表示由匝道進(jìn)入快速路網(wǎng)的交通需求，Ρ表示施加控制的入口匝道數(shù)量；yeRm表示 交通傳感器能夠直接獲取的交通參數(shù)的向量，m表示布設(shè)交通傳感器的路段的數(shù)量，交通參 數(shù)中的時間占有率指的是在一定時間內(nèi)，全部車輛通過某斷面所需時間的累計值與觀測時 間的比值；其中快速路的出口匝道不施加控制，按一定比例分配給出口匝道交通流量，其交 通流密度包含在與其相鄰的上游路段中。A是和系統(tǒng)的狀態(tài)（交通流密度）相關(guān)的矩陣，稱 為系統(tǒng)矩陣；B是和系統(tǒng)的輸入（由匝道進(jìn)入快速路網(wǎng)的交通需求）相關(guān)的矩陣，稱為輸入 矩陣；C是和路網(wǎng)布設(shè)的交通傳感相關(guān)的矩陣，稱為輸出矩陣；F是和元胞的最大通行能力 相關(guān)的矩陣；Q是和元胞的最大密度值相關(guān)的矩陣；矩陣F和Q都是常數(shù)陣。
[0017] 步驟三，布設(shè)交通傳感網(wǎng)絡(luò)：完成上述兩個步驟以后，即開始布設(shè)交通傳感網(wǎng)絡(luò)。 首先，每一個元胞都布設(shè)一個傳感器，并計算出相應(yīng)的輸出矩陣C為一個η維單位陣，根據(jù) 步驟二計算的系統(tǒng)矩陣Α，可驗證系統(tǒng)的能觀測性。若系統(tǒng)可觀測，則任意選取一個元胞去 掉其傳感器，可得出相應(yīng)的輸出矩陣，再次驗證系統(tǒng)的可觀測性；若系統(tǒng)不可觀測，則可確 定滿足系統(tǒng)能觀測時所需布設(shè)交通傳感器的數(shù)量為η。若系統(tǒng)可觀測，則繼續(xù)任意選取一個 元胞去掉其傳感器，并驗證系統(tǒng)的可觀測性。直至滿足系統(tǒng)能觀測時，計算出所需布設(shè)交通 傳感器的最少數(shù)量，此時對應(yīng)的輸出矩陣記為C%輸出矩陣C算法流程圖如圖4所示。
[0018] 步驟四，優(yōu)化交通傳感網(wǎng)絡(luò)，步驟三中滿足系統(tǒng)完全能觀測時，若所需布設(shè)交通傳 感器最少數(shù)量的情況不唯一時，即輸出矩陣(Τ不唯一時，計算出所有滿足條件的輸出矩陣， 并結(jié)合步驟一標(biāo)定的元胞序號確定實際道路中傳感器的布設(shè)位置，由此可結(jié)合實際路網(wǎng)特 征對交通傳感器布設(shè)位置進(jìn)行優(yōu)化。
【附圖說明】
[0019] 圖1交通流三角基本圖；
[0020] 圖中：Ρ:交通流密度；Ρ。:交通流臨界擁堵密度；Ρ交通流最大擁堵密度；V: 交通流平均速度；W:交通流反向波速；C:元胞的最大通行能力。
[0021 ] 圖2北京三環(huán)快速路基本結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022] 圖3快速路交通傳感網(wǎng)絡(luò)布設(shè)方案流程圖；
[0023] 圖4輸出矩陣C計算流程圖；
【具體實施方式】
[0024] 下面結(jié)合附圖和實施例子對本發(fā)明作詳細(xì)說明。
[0025] 本發(fā)明以北京三環(huán)快速路外環(huán)為例進(jìn)行說明。
[0026] 一種快速路網(wǎng)交通傳感網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化布設(shè)方法，該方法包括劃分快速路網(wǎng)、建立路 網(wǎng)交通流模型、布設(shè)交通傳感網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)化交通傳感網(wǎng)絡(luò)四個步驟：
[0027] 步驟一，劃分快速路網(wǎng)：首先，所述北京三環(huán)快速路共有124個匝道口，包括62個 入口匝道和62個出口匝道，據(jù)此可以將北京三環(huán)快速路分成124個路段，S卩124個元胞。其 次，所述北京三環(huán)快速路在不同路段有車道數(shù)的變化，因此在每處變道的位置須將元胞進(jìn) 行二次分割。再次，所述北京三環(huán)快速路在東、南、西、北各環(huán)的連接處以及南三環(huán)西段共有 五處彎道，并且每個彎道長度和轉(zhuǎn)彎半徑都不一樣，因此在每個彎道和直行道變化的位置 將元胞進(jìn)行第三次分割。
[0028] 另外，元胞劃分要滿足L多VT(即在一個采樣周期內(nèi)車輛以自由流速度不能駛過 元胞）（L:元胞長度（米），T:采樣時間（秒），V:車輛自由流速度（米/秒）），否則在采樣 時刻采集不到車輛信息。例如若取T= 10s，V= 16m/s，則元胞長度至少為160米，對于相 鄰兩個匝道距離過短的情況，不能將其看作一個元胞，可作為一個匯合分離點處理。所述北 京三環(huán)快速路外環(huán)路由于在十里河橋，潘家園橋等處的出入口匝道距離不足140米，根據(jù) 元胞長度要求，此類路段不能作為完整的元胞