專利名稱：一種城市快速路交通流狀態(tài)實時判別方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種快速路交通狀態(tài)實時判別方法，用于城市快速路交通狀態(tài)的判別。

背景技術：
城市快速路是全封閉、無信號燈控制、以機動車為主要服務對象的城市道路系統(tǒng)，構成城市交通的主干路網(wǎng)。由于承擔大量交通需求，城市快速路交通擁擠一直是國內(nèi)許多大城市的通病。以北京為例，三條主要快速路二、三、四環(huán)的總長度僅占北京路網(wǎng)長度的8％，卻承載了近50％的車流量，交通擁擠成為日益嚴重的社會問題。
近年來交通管理部門采用多種智能交通技術對交通流進行控制和誘導，如通過廣播和路邊VMS(可變信息牌)發(fā)布實時交通狀態(tài)等方法，使駕駛員提前知道交通信息，從而選擇最優(yōu)路徑。目前VMS將交通狀態(tài)劃分為3類暢通(綠色)、輕微擁堵(黃色)和嚴重擁堵(紅色)，劃分依據(jù)為速度。但通過研究實際交通數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，僅根據(jù)速度對交通狀態(tài)進行劃分是不準確的，首先由于流量-密度關系的二維特性，同樣速度的交通流可能對應不同的擁堵狀態(tài)；其次，速度閾值的確定缺少理論依據(jù)，且不同地點的交通流具有不同特性，如果用統(tǒng)一的閾值劃分則不符合實際情況；最后，檢測器有可能存在系統(tǒng)偏差，使交通參數(shù)中的一個或幾個值偏離實際值。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決這些問題，一方面需要對城市快速路交通流特性進行分析，根據(jù)其統(tǒng)計和運行規(guī)律將其劃分為合理的交通狀態(tài)，另一方面需要對檢測器數(shù)據(jù)進行校正，使測量數(shù)值能夠反映真實交通狀態(tài)。
快速路交通流劃分為4個相位自由流、諧動流、同步流和堵塞。其中 1)自由流自由流相位為車輛完全不受其他車輛影響的自由行駛狀態(tài)，“自由行駛”的含義是車輛可以行駛在任何速度，因此實際情況中自由流相位下的車輛速度方差較大，但其速度均值維持在較高水平。
2)諧動流諧動流相位下，車輛受到周圍車輛影響，行駛自由程度受到限制，車輛速度和速度方差都有所降低，但交通流仍處于速度較高的暢通狀態(tài)。
3)同步流同步流相位下，車輛速度較自由流和諧動流相位顯著下降，所有車輛以相似的速度同步行駛，但未發(fā)生完全停車現(xiàn)象，交通流量大。
4)堵塞車輛處于堵塞狀態(tài)即車輛完全停止狀態(tài)。
諧動流和同步流相位在流量-密度平面中表現(xiàn)為二維區(qū)域，因此實際情況中交通流相位劃分不能僅根據(jù)一個參數(shù)，需要結合流量和速度進行綜合考慮，其中一些閾值對相位的確定起到重要作用，如自由流最大密度ρmax(free)、速度陡降關鍵密度ρcr、諧動流最大密度ρmax(coh)、同步流最大密度ρmax(syn)、堵塞最大密度ρmax、自由流速度vf和諧動流最小流量qmin(syn)等。
本發(fā)明的技術方案 一種城市快速路交通流狀態(tài)實時判別方法是在每個交通流數(shù)據(jù)采樣時刻進行如下步驟 步驟1，計算原始交通流數(shù)據(jù)的偏差系數(shù)，過濾掉偏差系數(shù)大于0.25的原始交通流數(shù)據(jù)； 步驟2，對偏差系數(shù)小于0.25的原始交通流數(shù)據(jù)中的交通流速度、交通流密度進行校正處理，得到校正后的交通流數(shù)據(jù)包括校正后的交通流量、校正后的交通流速度、校正后的交通流密度，并將這些校正后的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫； 步驟3，從數(shù)據(jù)庫中查詢交通流狀態(tài)閾值； 步驟4，根據(jù)校正后的交通流數(shù)據(jù)計算當前交通流狀態(tài)預判值； 步驟5，在每個交通流狀態(tài)發(fā)布時刻，根據(jù)當前發(fā)布周期內(nèi)交通流狀態(tài)預判值確定當前交通流狀態(tài)； 步驟6，發(fā)布當前交通流狀態(tài)自由流、諧動流、同步流或堵塞。
其中步驟1中的偏差系數(shù)ε計算方法如下ε＝|1-λ|，λ＝q0/(v0·ρ0)，q0、v0、ρ0分別為原始交通流量、原始交通流速度和原始交通流密度； 步驟2中，對原始交通流數(shù)據(jù)校正處理是指原始交通流數(shù)據(jù)中的原始交通流量，原始交通流速度和原始交通流密度，校正后的交通流量q＝q0，校正后的交通流速度v＝v0·λα，校正后的交通流密度ρ＝ρ0·λ1-α，其中α為調(diào)整權重，α＝0.5。
步驟3中所述的交通流狀態(tài)閾值，每隔一個月計算一次，交通流狀態(tài)閾值共有7個，包括自由流最大密度、速度陡降密度、諧動流最大密度、同步流最大密度、堵塞最大密度、同步流最小流量、自由流速度；其交通流狀態(tài)閾值 ρmax(syn) 表示同步流最大密度； qmin(syn) 表示同步流最小流量； ρmax＝150veh/km ρmax 表示堵塞最大密度； 自由流最大密度、速度陡降密度、諧動流最大密度和自由流速度，通過對一個月內(nèi)的所有交通流數(shù)據(jù)的統(tǒng)計得到。
ρmax(free) 表示自由流最大密度； ρcr 表示速度陡降密度； ρmax(coh) 表示諧動流最大密度； vf 表示自由流速度； 其中j∈{0，1，2，…ρmax}，Diρ，Div分別為交通流數(shù)據(jù)Di中的交通流密度和交通流速度，{Di}(i＝1，2，…M)，表示一個月內(nèi)的所有的校正后的交通流數(shù)據(jù)的個數(shù)，Di為第i個交通流數(shù)據(jù)，M為一個月內(nèi)的所有交通流數(shù)據(jù)的個數(shù)，Var(·)為方差函數(shù)，Kur(·)為峰度函數(shù)，Mean(·)為均值函數(shù)。
步驟4中所述的計算交通流狀態(tài)預判值P1(ρ，q)的步驟為 1)根據(jù)交通流狀態(tài)閾值和校正后的交通流量和校正后交通流密度計算P2(ρ，q)
其中， q表示校正后的交通流量，ρ表示校正后的交通流密度，μ＝0.9表示交通流由諧動流狀態(tài)變化至同步流狀態(tài)時流量下降的平均程度； lf＝0，lm＝1，ls＝2，lj＝3； 2)計算交通流狀態(tài)預判值P1(ρ，q) 若P2(ρ，q)≠P2(ρt-Δt，qt-Δt)且P2(ρt-Δt，qt-Δt)＝P2(ρt，n，qt，n)，則P1(ρ，q)＝P2(ρt-Δt，qt-Δt)；其他情況則P1(ρ，q)＝P2(ρ，q)； 其中t為當前交通流數(shù)據(jù)采樣時刻，Δt為交通流數(shù)據(jù)采樣周期，qt-Δt，qt-2·Δt…qt-n·Δt，ρt-Δt，ρt-2·Δt…ρt-n·Δt分別為前n個交通流數(shù)據(jù)采樣時刻的校正后的交通流量和校正后的交通流密度；ρt，n、，qt，n分別為qt-Δt…qt-n·Δt的均值和ρt-Δt…ρt-n·Δt的均值。
步驟5所述的確定當前交通流狀態(tài)是，首先確定Pt 最后根據(jù)Pt確定交通流狀態(tài)STt 其中F表示自由流狀態(tài)，M表示諧動流狀態(tài)，S表示同步流狀態(tài)，J表示堵塞狀態(tài)；

其中ΔT為交通流狀態(tài)發(fā)布周期，

為向下取整符號。
本發(fā)明的有益效果能夠?qū)⒖焖俾方煌鲗崟r的劃分為更合理的狀態(tài)，該實時交通狀態(tài)可通過交通誘導系統(tǒng)(如可變信息牌)發(fā)布，使駕駛員更好的了解當前交通情況，輔助駕駛員選擇最優(yōu)出行路徑，從而提高整個快速路交通系統(tǒng)的效率，有效緩解交通擁堵現(xiàn)象。



圖1交通流實時判別方法流程 圖2速度標準差隨密度變化曲線，用以確定最大自由流密度和速度陡降關鍵密度。
圖3速度分布峰度隨密度變化曲線，最高點為諧動流最大密度。

具體實施例方式 以在北京市三環(huán)路某處的實際情況為例，在某一交通流數(shù)據(jù)采樣時刻，程序讀取接收到的原始交通流數(shù)據(jù)，得到原始交通流量q0＝1890veh/h、原始交通流密度ρ0＝76veh/km，原始交通流速度v0＝21km/h，然后按照如下步驟計算交通狀態(tài)，流程圖見圖1 首先程序等待接收交通流數(shù)據(jù)，當有交通流數(shù)據(jù)到達時，程序接收到該數(shù)據(jù)并按如圖步驟1～步驟6進行處理 步驟1計算偏差系數(shù)ε ε＝|1-λ|＝|1-1.18|＝0.18， 其中λ＝q0/(v0·ρ0)＝1890/(21·76)＝1.18， 由于ε＝0.18＜0.25，進入到下一步。
步驟2對原始交通流數(shù)據(jù)中的交通流速度、交通流密度進行校正處理，得到校正后的交通流數(shù)據(jù)，包括 校正后的交通流量q＝q0＝1890veh/h， 校正后的交通流速度v＝v0·λα＝21·1.180.5＝22.8km/h， 校正后的交通流密度ρ＝ρ0·λ1-α＝76·1.180.5＝82.6veh/km， 其中α為調(diào)整權重，α＝0.5，然后將這些校正后的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。
步驟3從數(shù)據(jù)庫中查詢交通流狀態(tài)閾值；交通流狀態(tài)閾值每隔一個月計算一次，存儲在數(shù)據(jù)庫中供實時查詢。具體計算方法如下所示 交通流狀態(tài)閾值共有7個，包括自由流最大密度ρmax(free)、速度陡降密度ρcr、諧動流最大密度ρmax(coh)、同步流最大密度ρmax(syn)、堵塞最大密度ρmax、同步流最小流量qmin(syn)、自由流速度vf，其交通流狀態(tài)閾值 ρmax(syn) 表示同步流最大密度； qmin(syn) 表示同步流最小流量； ρmax＝150veh/km ρmax 表示堵塞最大密度； 自由流最大密度、速度陡降密度、諧動流最大密度和自由流速度，通過對近一個月內(nèi)的所有存儲在數(shù)據(jù)庫中的處理后的交通流數(shù)據(jù)的統(tǒng)計得到，由北京市三環(huán)路的實際數(shù)據(jù)得到相應的標準差和峰度隨密度變化曲線見圖2和圖3，ρmax(free)，ρcr和ρmax(coh)分別為標準差極小點、方差極大點和峰度極大點 ρmax(free)表示自由流最大密度； ρcr表示速度陡降密度； ρmax(coh)表示諧動流最大密度； vf表示自由流速度； 其中j∈{0，1，2，…ρmax}，Diρ，Div分別為交通流數(shù)據(jù)Di中的交通流密度和交通流速度，{Di}(i＝1，2，…M)，表示一個月內(nèi)的所有的校正后的交通流數(shù)據(jù)的個數(shù)，Di為第i個交通流數(shù)據(jù)，M為一個月內(nèi)的所有交通流數(shù)據(jù)的個數(shù)，Std(·)為標準差函數(shù)，Kur(·)為峰度函數(shù)，Mean(·)為均值函數(shù)。
步驟4計算交通流狀態(tài)預判值P1(ρ，q) 1)根據(jù)交通流狀態(tài)閾值、校正后的交通流量和校正后交通流密度計算P2(ρ，q)
其中， q表示校正后的交通流量，ρ表示校正后的交通流密度，μ＝0.9表示交通流由諧動流狀態(tài)變化至同步流狀態(tài)時流量下降的平均程度； lf＝0，lm＝1，ls＝2，lj＝3； 將校正后的交通流量q＝1890veh/h，密度ρ＝82.6veh/km和速度v＝22.8km/h帶入上式進行判斷 ①由于且q＝1890＜vf·ρ＝55·82.6＝4543，不滿足上式(1) ②由于 因此不滿足上式(2) ③q＝1890＜fms(ρ)＝2630， 且ρ＝86.2＜ρmax＝150 滿足上式(3) 因此P2(ρ，q)＝P2(86，1890)＝ls＝2 2)計算交通流狀態(tài)預判值P1(ρ，q) 若P2(ρ，q)≠P2(ρt-Δt，qt-Δt)且P2(ρt-Δt，qt-Δt)＝P2(ρt，n，qt，n)，則P1(ρ，q)＝P2(ρt-Δt，qt-Δt)；其他情況則P1(ρ，q)＝P2(ρ，q)； 其中t為當前交通流數(shù)據(jù)采樣時刻，Δt為交通流數(shù)據(jù)采樣周期，qt-Δt，qt-2·Δt…qt-n·Δt，ρt-Δt，ρt-2·Δt…ρt-n·Δt分別為前n個交通流數(shù)據(jù)采樣時刻的校正后的交通流量和校正后的交通流密度；ρt，n、qt，n分別為qt-Δt…qt-n·Δt的均值和ρt-Δt…ρt-n·Δt的均值。
取n＝5，前5個采樣點時刻的校正后的交通流量為qt-Δt＝1780veh/h，qt-2Δt＝1810veh/h，qt-3Δt＝1910veh/h，qt-4Δt＝1780veh/h，qt-5Δt＝1840veh/h，交通流密度為ρt-Δt＝74veh/km，ρt-2Δt＝78veh/km，ρt-3Δt＝90veh/km，ρt-4Δt＝81veh/km，ρt-5Δt＝76veh/km。
根據(jù)P2(ρ，q)計算公式得到P2(ρt-Δt，qt-Δt)＝P2(74，1780)＝ls＝P2(ρ，q)，即P1(ρ，q)＝P2(ρ，q)＝ls＝2。
此時程序判斷當前是否為交通狀態(tài)發(fā)布時刻，若是，則繼續(xù)進行步驟5。
步驟5確定當前交通流狀態(tài)需要首先確定Pt 然后根據(jù)Pt確定交通流狀態(tài)STt 其中F表示自由流狀態(tài)，M表示諧動流狀態(tài)，S表示同步流狀態(tài)，J表示堵塞狀態(tài)；

其中ΔT為交通流狀態(tài)發(fā)布周期，

為向下取整符號。
實際情況中Δt＝2min，交通狀態(tài)發(fā)布周期為ΔT＝5min，則

那么根據(jù)上述計算結果，有P1(ρ，q)＝ls＝2，P1(ρt-Δt，qt-Δt)可由P2(ρt-Δt，qt-Δt)得到 由于P2(ρt-2Δt，qt-2Δt)＝P2(78，1810)＝ls＝P2(ρt-Δt，qt-Δt)，因此 P1(ρt-Δt，qt-Δt)＝P2(ρt-Δt，qt-Δt)＝ls＝2 這樣即得到 將lf＝0，lm＝1，ls＝2，lj＝3代入式(5)得到 由于Pt＝2，由式(6)得到最終交通流狀態(tài)STt＝S，即發(fā)布當前交通狀態(tài)為同步流狀態(tài)。
權利要求
1.一種城市快速路交通流狀態(tài)實時判別方法，其特征在于該實時判別方法是在每個交通流數(shù)據(jù)采樣時刻進行如下步驟
步驟1，計算原始交通流數(shù)據(jù)的偏差系數(shù)，過濾掉偏差系數(shù)＞0.25的原始交通流數(shù)據(jù)；
步驟2，若偏差系數(shù)≤0.25，對原始交通流數(shù)據(jù)中的交通流速度、交通流密度進行校正處理，得到校正后的交通流數(shù)據(jù)包括校正后的交通流量、校正后的交通流速度、校正后的交通流密度，并將這些校正后的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫；
步驟3，從數(shù)據(jù)庫中查詢交通流狀態(tài)閾值；
步驟4，根據(jù)校正后的交通流數(shù)據(jù)計算當前交通流狀態(tài)預判值；
步驟5，在每個交通流狀態(tài)發(fā)布時刻，根據(jù)當前發(fā)布周期內(nèi)交通流狀態(tài)預判值確定當前交通流狀態(tài)；
步驟6，發(fā)布當前交通流狀態(tài)自由流、諧動流、同步流或堵塞。
2.如權利要求1所述的城市快速路交通流狀態(tài)實時判別方法，其特征在于
步驟1中，原始交通流數(shù)據(jù)的偏差系數(shù)ε＝|1-λ|，λ＝q0/(v0·ρ0)，q0、v0、ρ0分別為原始交通流量、原始交通流速度和原始交通流密度；
步驟2中，對原始交通流數(shù)據(jù)校正處理是指校正原始交通流數(shù)據(jù)中的原始交通流量，原始交通流速度和原始交通流密度，校正后的交通流量q＝q0，校正后的交通流速度v＝v0·λα，校正后的交通流密度ρ＝ρ0·λ1-α，其中α為調(diào)整權重，α＝0.5。
3.如權利要求1所述的城市快速路交通流狀態(tài)實時判別方法，其特征在于
步驟3中所述的交通流狀態(tài)閾值，每隔一個月計算一次，交通流狀態(tài)閾值共有7個，包括自由流最大密度、速度陡降密度、諧動流最大密度、同步流最大密度、堵塞最大密度、同步流最小流量、自由流速度；其交通流狀態(tài)閾值
ρmax(syn)表示同步流最大密度；
qmin(syn)表示同步流最小流量；
ρmax＝150veh/km ρmax表示堵塞最大密度；
自由流最大密度、速度陡降密度、諧動流最大密度和自由流速度，通過對一個月內(nèi)的所有交通流數(shù)據(jù)的統(tǒng)計得到。
ρmax(free)表示自由流最大密度；
ρcr表示速度陡降密度；
ρmax(coh)表示諧動流最大密度；
vf表示自由流速度；
其中j∈{0，1，2，…ρmax}，Diρ，Div分別為交通流數(shù)據(jù)Di中的交通流密度和交通流速度，{Di}(i＝1，2，…M)，表示一個月內(nèi)的所有的校正后的交通流數(shù)據(jù)的個數(shù)，Di為第i個交通流數(shù)據(jù)，M為一個月內(nèi)的所有交通流數(shù)據(jù)的個數(shù)，Std(·)為標準差函數(shù)，Kur(·)為峰度函數(shù)，Mean(·)為均值函數(shù)。
4.如權利要求1所述的城市快速路交通流狀態(tài)實時判別方法，其特征在于步驟4中所述的計算交通流狀態(tài)預判值P1(ρ，q)的步驟
步驟1，根據(jù)交通流狀態(tài)閾值和校正后的交通流量和校正后交通流密度計算P2(ρ，q)
其中，
q表示校正后的交通流量，ρ表示校正后的交通流密度，μ＝0.9表示交通流由諧動流狀態(tài)變化至同步流狀態(tài)時流量下降的平均程度；lf＝0，lm＝1，ls＝2，lj＝3；
步驟2，計算交通流狀態(tài)預判值P1(ρ，q)
若p2(ρ，q)≠P2(ρt-Δt，qt-Δt)且P2(ρt-Δt，qt-Δt)＝P2(ρt，n，qt，n)，則P1(ρ，q)＝P2(ρt-Δt，qt-Δt)；其他情況則P1(ρ，q)＝P2(ρ，q)；
其中t為當前交通流數(shù)據(jù)采樣時刻，Δt為交通流數(shù)據(jù)采樣周期，qt-Δt，qt-2·Δt…qt-n·Δt，ρt-Δt，ρt-2·Δt…ρt-n·Δt分別為前n個交通流數(shù)據(jù)采樣時刻的校正后的交通流量和校正后的交通流密度；ρt，n、qt，n分別為qt-Δt…qt-n·Δt的均值和ρt-Δt…ρt-n·Δt的均值。
5.如權利要求1所述的城市快速路交通流狀態(tài)實時判別方法，其特征在于
步驟5所述的確定當前交通流狀態(tài)是，首先確定Pt
最后根據(jù)Pt確定交通流狀態(tài)STt
其中F表示自由流狀態(tài)，M表示諧動流狀態(tài)，S表示同步流狀態(tài)，J表示堵塞狀態(tài)；
其中ΔT為交通流狀態(tài)發(fā)布周期，
為向下取整符號。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種城市快速路交通流狀態(tài)實時判別方法，用于城市快速路交通狀態(tài)的判別。該實時判別方法是在每個交通流數(shù)據(jù)采樣時刻進行如下步驟步驟1，計算原始交通流數(shù)據(jù)的偏差系數(shù)，過濾掉偏差系數(shù)＞0.25的原始交通流數(shù)據(jù)；步驟2，若偏差系數(shù)≤0.25，則對原始交通流數(shù)據(jù)進行校正處理，得到校正后的交通流數(shù)據(jù)；步驟3，從數(shù)據(jù)庫中查詢交通流狀態(tài)閾值；步驟4，根據(jù)校正后的交通流數(shù)據(jù)計算當前交通流狀態(tài)預判值；步驟5，在每個交通流狀態(tài)發(fā)布時刻，根據(jù)交通流狀態(tài)預判值確定當前交通流狀態(tài)；步驟6，發(fā)布當前交通流狀態(tài)。本發(fā)明能夠?qū)⒔煌鲃澐譃楦侠淼臓顟B(tài)，有助于駕駛員選擇最優(yōu)出行路徑，提高交通系統(tǒng)的效率，從而有效緩解交通擁堵現(xiàn)象。
文檔編號G08G1/01GK101303801SQ20081011587
公開日2008年11月12日 申請日期2008年6月30日 優(yōu)先權日2008年6月30日
發(fā)明者偉 關, 何蜀燕 申請人:北京交通大學