專(zhuān)利名稱(chēng)：城市道路交通狀態(tài)時(shí)空分析方法與系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及交通狀態(tài)分析系統(tǒng)，特別是涉及一種城市道路交通狀態(tài)的時(shí)空分析方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
交通問(wèn)題是大城市所面臨的共同挑戰(zhàn)。為了解決交通問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外城市都付出了諸多努力，包括道路網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)建、交叉口優(yōu)化、智能交通系統(tǒng)建設(shè)、交通需求管理等措施。然而，城市道路網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)綜合而復(fù)雜的大系統(tǒng)，所承擔(dān)的交通行為是交通需求與交通供給之間相互作用的演化過(guò)程。在制定與采取交通管理措施之前，如果不能準(zhǔn)確識(shí)別交通網(wǎng)絡(luò)上的交通狀態(tài)(通暢與擁堵)及其時(shí)空演化規(guī)律，則可能出現(xiàn)所采取的措施與實(shí)際交通狀況在時(shí)空領(lǐng)域內(nèi)出現(xiàn)背離，不僅無(wú)法發(fā)揮交通管理措施的正面效果，甚至有可能導(dǎo)致交通狀況的進(jìn)一步惡化。為了保證交通管理措施合理有效，有必要對(duì)路網(wǎng)上的交通狀態(tài)進(jìn)行詳細(xì)的時(shí)空分析，掌握城市道路網(wǎng)絡(luò)交通狀態(tài)演化的基本時(shí)空規(guī)律，識(shí)別擁堵現(xiàn)象在時(shí)空上的演化特征，為及時(shí)有效的采取交通管理措施、緩解交通擁堵提供一種科學(xué)合理的分析方法與技術(shù)。在既有的城市道路交通狀態(tài)分析研究中，主要是從動(dòng)態(tài)交通分配理論預(yù)測(cè)分析、基于圖論的空間分析方法和交通仿真技術(shù)模擬再現(xiàn)等角度入手，探索交通狀態(tài)的時(shí)空演化特性。上述方法雖能比較方便的刻畫(huà)道路網(wǎng)絡(luò)上的交通狀態(tài)，但主要存在以下問(wèn)題(1)所用調(diào)查數(shù)據(jù)或行為參數(shù)始終為抽樣樣本數(shù)據(jù)，受樣本大小與精度的影響，與實(shí)際情況存在較大差距；(2)所用理論與方法為了保障可用性，存在較多假設(shè)前提，實(shí)際應(yīng)用中存在一定局限性；(3)從時(shí)間與空間維度分析交通狀態(tài)演化規(guī)律存在一定困難，對(duì)交通監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的應(yīng)用還不夠充分。近年來(lái)，隨著交通檢測(cè)技術(shù)與智能交通系統(tǒng)的發(fā)展，很多大城市積累了大量實(shí)時(shí)交通流特征數(shù)據(jù)(包括密度、速度、流量等)，這些數(shù)據(jù)反映了城市道路的實(shí)時(shí)交通狀況，可為道路交通狀態(tài)的時(shí)空特性分析提供準(zhǔn)確完善的資料。盡管目前空間統(tǒng)計(jì)理論和時(shí)間序列分析理論都較為成熟，但可用于同時(shí)從時(shí)間與空間兩個(gè)維度分析道路交通狀態(tài)的方法還比較缺乏。綜上所述，有必要開(kāi)發(fā)一種同時(shí)考慮數(shù)據(jù)時(shí)空特征的城市道路交通狀態(tài)時(shí)空分析方法與系統(tǒng)。本發(fā)明根據(jù)城市道路交通網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)交通流數(shù)據(jù)，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)原理與時(shí)空分析方法識(shí)別城市路網(wǎng)道路交通狀態(tài)的時(shí)空特性，有效分析城市路網(wǎng)道路交通狀態(tài)時(shí)空演化的規(guī)律，作為交通措施的制定與實(shí)施的依據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)以上現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種城市道路交通狀態(tài)時(shí)空分析方法和系統(tǒng)，它以空間與時(shí)間自相關(guān)理論為基礎(chǔ)，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)基本理論，根據(jù)道路網(wǎng)絡(luò)上實(shí)時(shí)交通流數(shù)據(jù)，分析交通狀態(tài)的時(shí)空演化以及擁堵的產(chǎn)生、發(fā)展和消散過(guò)程。運(yùn)用這種方法統(tǒng)計(jì)不同的道路狀態(tài)在時(shí)空上的分布特征，分析城市路網(wǎng)道路交通狀況演化的時(shí)空規(guī)律，識(shí)別和判斷在時(shí)間上的擁堵高峰時(shí)段以及空間上的瓶頸路段，進(jìn)一步支撐交通措施的制定和實(shí)施。本發(fā)明為了解決現(xiàn)有研究中所存在的與實(shí)際交通狀況有較大誤差和缺乏時(shí)空數(shù)據(jù)分析方法的問(wèn)題，采用的技術(shù)方案是一種城市道路交通狀態(tài)時(shí)空分析方法與系統(tǒng)。具體地說(shuō)，本發(fā)明是以空間自相關(guān)和時(shí)間自相關(guān)理論為基礎(chǔ)，定義某一條路段某一時(shí)刻的狀態(tài)為一個(gè)時(shí)空對(duì)象，那么時(shí)空自相關(guān)性就是指時(shí)空對(duì)象某一屬性值(如某路段某時(shí)刻的路況、流量等)與其相鄰的所有時(shí)空對(duì)象的同一屬性值之間的相關(guān)關(guān)系。從數(shù)理統(tǒng)計(jì)的角度，提出了衡量這種時(shí)空自相關(guān)性的指標(biāo)，從自相關(guān)的角度研究交通流時(shí)空狀態(tài)演化過(guò)程。本發(fā)明的目的通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)城市道路交通狀態(tài)的時(shí)空分析方法，該方法包括如下步驟I)從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取計(jì)算分析所需的道路網(wǎng)絡(luò)交通流時(shí)空數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)在臨時(shí)數(shù)據(jù)表中，建立時(shí)空基礎(chǔ)數(shù)據(jù)系統(tǒng)；2)利用數(shù)據(jù)異常識(shí)別和處理規(guī)則對(duì)所述交通流時(shí)空數(shù)據(jù)存在的異常進(jìn)行識(shí)別和修復(fù)；3)從GIS地圖中獲取道路之間的空間鄰接關(guān)系矩陣，結(jié)合時(shí)間鄰接關(guān)系，獲取時(shí)空對(duì)象之間的鄰接關(guān)系矩陣；4)根據(jù)步驟2中已進(jìn)行修復(fù)處理的道路網(wǎng)絡(luò)交通流時(shí)空數(shù)據(jù)，及步驟3得到的時(shí)空對(duì)象鄰接矩陣，及時(shí)空自相關(guān)指標(biāo)計(jì)算模型，計(jì)算得到時(shí)空自相關(guān)的全局指標(biāo)和局部指標(biāo)；5)對(duì)所述步驟4中得出的時(shí)空自相關(guān)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行多角度展示和輔助分析，以獲得城市道路交通狀態(tài)。進(jìn)一步，所述步驟I中從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取交通流時(shí)空數(shù)據(jù)包括101)將查詢條件設(shè)置成參數(shù)由用戶個(gè)性化設(shè)置，如起始日期和時(shí)間、終止日期和時(shí)間、道路網(wǎng)絡(luò)范圍，道路網(wǎng)絡(luò)范圍允許用戶從地圖上直接選擇，或者直接輸入路段名稱(chēng)或路段在數(shù)據(jù)庫(kù)中的編號(hào)；102)連接數(shù)據(jù)庫(kù)，將用戶輸入的查詢條件嵌套在查詢語(yǔ)句中輸入數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的查詢操作，查詢所得數(shù)據(jù)存放在一個(gè)臨時(shí)的數(shù)據(jù)表中，作為后續(xù)異常識(shí)別和處理操作的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。進(jìn)一步，所述步驟2中對(duì)數(shù)據(jù)存在的異常進(jìn)行識(shí)別和修復(fù)的具體步驟如下201)讀取步驟I產(chǎn)生的臨時(shí)數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)，按照異常數(shù)據(jù)的識(shí)別規(guī)則判斷數(shù)據(jù)中存在的缺失數(shù)據(jù)和錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，并進(jìn)行標(biāo)記，作為后續(xù)的異常數(shù)據(jù)修復(fù)操作的依據(jù)；202)根據(jù)異常數(shù)據(jù)識(shí)別過(guò)程標(biāo)記得出的異常識(shí)別結(jié)果，依據(jù)異常數(shù)據(jù)的修復(fù)規(guī)則對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)完畢的數(shù)據(jù)輸入到后續(xù)步驟進(jìn)行自相關(guān)指標(biāo)的計(jì)算。進(jìn)一步，所述步驟3中獲取時(shí)空對(duì)象之間的鄰接關(guān)系矩陣的具體步驟如下301)獲取兩個(gè)時(shí)空對(duì)象所在的空間對(duì)象之間的鄰接關(guān)系，此處的空間對(duì)象指的就是空間上的某一條路段，兩條路段有共同的節(jié)點(diǎn)則表示它們相鄰，否則不相鄰；302)獲取兩個(gè)時(shí)空對(duì)象所在的時(shí)間對(duì)象之間的相鄰關(guān)系，此處由于交通流時(shí)空數(shù)據(jù)都是在路段上按一定的時(shí)間間隔進(jìn)行采集的，因此將研究的時(shí)間范圍按數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔分成很多個(gè)時(shí)段，若兩個(gè)時(shí)間在相鄰時(shí)段內(nèi)，則表明兩個(gè)時(shí)間對(duì)象相鄰；303)根據(jù)獲取的空間鄰接關(guān)系和時(shí)間鄰接關(guān)系確定時(shí)空對(duì)象之間的時(shí)空鄰接關(guān)系，若兩個(gè)時(shí)空對(duì)象在空間上和時(shí)間上都相鄰，那么他們?cè)跁r(shí)空關(guān)系上就相鄰；對(duì)于任意兩個(gè)時(shí)空對(duì)象都按上述步驟得出它們的鄰接關(guān)系，即可得到時(shí)空鄰接矩陣。進(jìn)一步，所述步驟4中時(shí)空自相關(guān)指標(biāo)計(jì)算模型具體包括如下401)全局自相關(guān)指標(biāo)的計(jì)算，全局自相關(guān)指標(biāo)是衡量全體時(shí)空對(duì)象自相關(guān)程度的量度，考察的是時(shí)空對(duì)象之間在所研究的交通狀態(tài)數(shù)據(jù)方面存在的自相關(guān)關(guān)系，可以直觀的反應(yīng)所有時(shí)空對(duì)象的自相關(guān)程度。402)局部自相關(guān)指標(biāo)的計(jì)算，局部自相關(guān)指標(biāo)是衡量具體某一個(gè)時(shí)空與其時(shí)空鄰域內(nèi)的所有時(shí)空對(duì)象之間自相關(guān)程度的一個(gè)量度，考察的是具體某一個(gè)時(shí)空對(duì)象與其時(shí)空鄰域內(nèi)所有時(shí)空對(duì)象之間在所研究的交通流屬性時(shí)空數(shù)據(jù)上的自相關(guān)關(guān)系。城市道路交通狀態(tài)的時(shí)空分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括交通流時(shí)空數(shù)據(jù)查詢模塊，用于實(shí)現(xiàn)交通流時(shí)空數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)查詢功能，且由于需要處理的數(shù)據(jù)量很大，而分析過(guò)程需要針對(duì)不同時(shí)間段、不同局部路網(wǎng)進(jìn)行，靈活性要求很高，因此所述數(shù)據(jù)查詢模塊能根據(jù)具體需求為后續(xù)的統(tǒng)計(jì)分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；異常數(shù)據(jù)的識(shí)別和修復(fù)模塊，用于對(duì)交通流時(shí)空數(shù)據(jù)查詢模塊所得出的交通流時(shí)空數(shù)據(jù)，進(jìn)行異常數(shù)據(jù)的識(shí)別和修復(fù)，由于檢測(cè)器失靈、傳輸線路故障等原因，數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)不可避免地存在錯(cuò)誤、缺失等情況，該模塊對(duì)這些異常數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，防止異常數(shù)據(jù)影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性；時(shí)空自相關(guān)指標(biāo)的計(jì)算模塊，用于接收進(jìn)行異常數(shù)據(jù)識(shí)別與修復(fù)處理后的交通流時(shí)空數(shù)據(jù)，根據(jù)由GIS地圖得到的空間鄰接關(guān)系和時(shí)間鄰接關(guān)系確定時(shí)空鄰接矩陣，然后將時(shí)空鄰接矩陣輸入本發(fā)明提出的時(shí)空自相關(guān)指標(biāo)計(jì)算模型，進(jìn)行時(shí)空自相關(guān)指標(biāo)的計(jì)算；計(jì)算結(jié)果輔助分析與展示模塊，用于對(duì)時(shí)空自相關(guān)指標(biāo)的計(jì)算模塊所得到的時(shí)空自相關(guān)全局與局部指標(biāo)，進(jìn)行圖形化的動(dòng)態(tài)展示，從時(shí)間維和空間維角度繪制趨勢(shì)折線圖、分布散點(diǎn)圖、柱狀圖以及交通狀態(tài)展示專(zhuān)題地圖，得到交通狀態(tài)時(shí)空演化規(guī)律。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明的有益效果是以城市道路網(wǎng)絡(luò)實(shí)際的交通流時(shí)空數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，以數(shù)理統(tǒng)計(jì)原理為基礎(chǔ)，從時(shí)間與空間自相關(guān)的角度提出了一種用于分析和探索交通流時(shí)空數(shù)據(jù)的方法和系統(tǒng)。該方法和系統(tǒng)能夠識(shí)別城市路網(wǎng)交通狀態(tài)變遷(例如擁堵發(fā)生)在時(shí)空上的發(fā)生、發(fā)展和消散過(guò)程，統(tǒng)計(jì)不同的道路交通狀態(tài)在時(shí)空上的分布特征，可科學(xué)、準(zhǔn)確的分析城市路網(wǎng)道路交通狀況演化的時(shí)空規(guī)律，識(shí)別和判斷在時(shí)間上的擁堵高峰時(shí)段以及空間上的瓶頸路段，進(jìn)一步提高交通措施制定和實(shí)施的合理性與有效性。


圖1為道路交通狀態(tài)時(shí)空分析系統(tǒng)基本體系框架圖；圖2為數(shù)據(jù)識(shí)別與修復(fù)處理流程圖；圖3為研究的實(shí)例路網(wǎng)中所有時(shí)空對(duì)象的局部自相關(guān)指標(biāo)在各區(qū)間分布的分小時(shí)概率統(tǒng)計(jì)圖4為研究實(shí)例路網(wǎng)中所有時(shí)空對(duì)象的自相關(guān)散點(diǎn)圖；圖5為研究的實(shí)例路網(wǎng)中所有時(shí)空對(duì)象在自相關(guān)散點(diǎn)圖中分布的分小時(shí)概率統(tǒng)計(jì)圖；圖6為研究的實(shí)例路網(wǎng)早上7:10到7:15時(shí)段位于自相關(guān)散點(diǎn)圖第一象限的路段。圖7為研究的實(shí)例路網(wǎng)早上7:10到7:15時(shí)段位于自相關(guān)散點(diǎn)圖第二象限的路段。圖8為研究的實(shí)例路網(wǎng)早上7:10到7:15時(shí)段位于自相關(guān)散點(diǎn)圖第三象限的路段。圖9為研究的實(shí)例路網(wǎng)早上7:10到7:15時(shí)段位于自相關(guān)散點(diǎn)圖第四象限的路段。圖10為東便門(mén)橋到建國(guó)門(mén)橋路段統(tǒng)計(jì)路況在一天24小時(shí)中的趨勢(shì)圖；圖11為位于東便門(mén)橋到建國(guó)門(mén)橋路段的所有時(shí)空對(duì)象的局部自相關(guān)指標(biāo)一天24小時(shí)中趨勢(shì)圖；圖12為位于東便門(mén)橋到建國(guó)門(mén)橋路段的所有時(shí)空對(duì)象的自相關(guān)散點(diǎn)圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明一種城市道路交通狀態(tài)時(shí)空分析方法，該方法以空間自相關(guān)和時(shí)間自相關(guān)理論為基礎(chǔ)，定義某一條路段某一時(shí)刻的狀態(tài)為一個(gè)時(shí)空對(duì)象，則時(shí)空自相關(guān)性就是指時(shí)空對(duì)象某一屬性值(如某路段某時(shí)刻的路況、流量等)與其相鄰的所有時(shí)空對(duì)象的同一屬性值之間的相關(guān)關(guān)系。從數(shù)理統(tǒng)計(jì)的角度，提出了衡量這種時(shí)空自相關(guān)性的指標(biāo)，從自相關(guān)的角度研究交通流時(shí)空狀態(tài)的演化過(guò)程。本發(fā)明的方法主要包括以下幾個(gè)步驟步驟一從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取計(jì)算分析所需的路網(wǎng)交通流時(shí)空數(shù)據(jù)。此時(shí)空數(shù)據(jù)不僅對(duì)于每條路段具有不同的觀測(cè)值，對(duì)于同一路段在不同時(shí)刻也有不同的觀測(cè)值，具有典型的時(shí)空雙重性質(zhì)。數(shù)據(jù)讀取具體過(guò)程如下I)為了能根據(jù)需要實(shí)時(shí)查詢路網(wǎng)交通流時(shí)空數(shù)據(jù)，將查詢條件設(shè)置成參數(shù)由用戶個(gè)性化設(shè)置，如起始日期和時(shí)間、終止日期和時(shí)間、道路網(wǎng)絡(luò)范圍等。道路網(wǎng)絡(luò)范圍允許用戶從地圖上直接選擇，或者直接輸入路段名稱(chēng)或路段在數(shù)據(jù)庫(kù)中的編號(hào)。2)連接數(shù)據(jù)庫(kù)，將用戶輸入的查詢條件嵌套在查詢語(yǔ)句中輸入數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的查詢操作。查詢所得數(shù)據(jù)存放在一個(gè)臨時(shí)的數(shù)據(jù)表中，作為后續(xù)異常識(shí)別和處理操作的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。步驟二 利用數(shù)據(jù)異常識(shí)別和處理規(guī)則對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別修復(fù)。由于檢測(cè)器失靈和傳輸線路故障等原因，數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢獲得的原始交通流時(shí)空數(shù)據(jù)可能存在異常，數(shù)據(jù)異常包括數(shù)據(jù)缺失和錯(cuò)誤。缺失和錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的存在，影響了數(shù)據(jù)的有效性，因此在進(jìn)行分析之前，需要識(shí)別這些數(shù)據(jù)中存在的異常現(xiàn)象，并運(yùn)用一定的方法對(duì)其進(jìn)行處理，以免影響分析結(jié)果。異常數(shù)據(jù)識(shí)別和修復(fù)的具體過(guò)程如下I)讀取步驟一產(chǎn)生的臨時(shí)數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)，按照異常數(shù)據(jù)的識(shí)別規(guī)則判斷數(shù)據(jù)中存在的缺失數(shù)據(jù)和錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，并進(jìn)行標(biāo)記，作為后續(xù)的異常數(shù)據(jù)修復(fù)操作的依據(jù)。
2)根據(jù)異常數(shù)據(jù)識(shí)別過(guò)程標(biāo)記得出的異常識(shí)別結(jié)果，依據(jù)異常數(shù)據(jù)的修復(fù)規(guī)則對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)完畢的數(shù)據(jù)可輸入到后續(xù)步驟進(jìn)行自相關(guān)指標(biāo)的計(jì)算。步驟三從GIS地圖中獲取道路之間的空間鄰接關(guān)系矩陣，結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)中時(shí)間鄰接關(guān)系，計(jì)算獲得時(shí)空對(duì)象之間的鄰接關(guān)系矩陣。根據(jù)時(shí)空自相關(guān)指標(biāo)的涵義，定義與一個(gè)時(shí)空對(duì)象相鄰空間位置、相鄰時(shí)間點(diǎn)上的所有時(shí)空對(duì)象為該時(shí)空對(duì)象的時(shí)空鄰域，則時(shí)空鄰接關(guān)系就可以由空間鄰接關(guān)系和時(shí)間鄰接關(guān)系獲得。因此，計(jì)算兩個(gè)時(shí)空對(duì)象的時(shí)空鄰接關(guān)系的步驟如下I)獲取兩個(gè)時(shí)空對(duì)象所在的空間對(duì)象之間的鄰接關(guān)系，此處的空間對(duì)象指的就是空間上的某一條路段，兩條路段有共同的節(jié)點(diǎn)則表示它們相鄰，否則不相鄰。2)獲取兩個(gè)時(shí)空對(duì)象所在的時(shí)間對(duì)象之間的相鄰關(guān)系，此處由于交通流時(shí)空數(shù)據(jù)都是在路段上按一定的時(shí)間間隔進(jìn)行采集的，因此可將研究的時(shí)間范圍按數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔分成很多個(gè)時(shí)段，若兩個(gè)時(shí)間在相鄰時(shí)段內(nèi)，則表明兩個(gè)時(shí)間對(duì)象相鄰。3)根據(jù)獲取的空間鄰接關(guān)系和時(shí)間鄰接關(guān)系確定時(shí)空對(duì)象之間的時(shí)空鄰接關(guān)系，若兩個(gè)時(shí)空對(duì)象在空間上和時(shí)間上都相鄰，那么他們?cè)跁r(shí)空關(guān)系上就相鄰。對(duì)于任意兩個(gè)時(shí)空對(duì)象都按上述步驟得出它們的鄰接關(guān)系，即可得到時(shí)空鄰接矩陣。步驟四根據(jù)步驟二中修復(fù)完成的道路網(wǎng)絡(luò)交通流時(shí)空數(shù)據(jù)，以及步驟三得到的時(shí)空對(duì)象鄰接矩陣，依照本發(fā)明提出的時(shí)空自相關(guān)指標(biāo)計(jì)算模型，計(jì)算得到時(shí)空自相關(guān)的全局指標(biāo)和局部指標(biāo)。計(jì)算模型具體過(guò)程如下I)全局自相關(guān)指標(biāo)的計(jì)算。全局自相關(guān)指標(biāo)是衡量全體時(shí)空對(duì)象自相關(guān)程度的量度，考察的是時(shí)空對(duì)象之間在所研究的交通狀態(tài)數(shù)據(jù)方面存在的自相關(guān)關(guān)系，可以直觀的反應(yīng)所有時(shí)空對(duì)象的自相關(guān)程度。2)局部自相關(guān)指標(biāo)的計(jì)算。局部自相關(guān)指標(biāo)是衡量具體某一個(gè)時(shí)空與其時(shí)空鄰域內(nèi)的所有時(shí)空對(duì)象之間自相關(guān)程度的一個(gè)量度，考察的是具體某一個(gè)時(shí)空對(duì)象與其時(shí)空鄰域內(nèi)所有時(shí)空對(duì)象之間在所研究的交通流屬性時(shí)空數(shù)據(jù)上的自相關(guān)關(guān)系。步驟五計(jì)算結(jié)果的多角度展示與輔助分析。對(duì)于計(jì)算出來(lái)的自相關(guān)指標(biāo)，全局指標(biāo)只是一個(gè)數(shù)值，但局部自相關(guān)指標(biāo)對(duì)于不同的時(shí)空對(duì)象會(huì)有不同的取值，因此，計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)量較大。按一定的線索和邏輯展示這些數(shù)據(jù)才能便于研究分析，展示的手段包括分時(shí)間維和空間維的趨勢(shì)折線圖、分布散點(diǎn)圖、柱狀圖以及交通狀態(tài)展示專(zhuān)題地圖?？梢暂o助交通管理和研究人員分析和研究交通狀態(tài)在時(shí)空上的分布特征和變化規(guī)律。上述步驟二、三、四是本方法的核心，下面對(duì)步驟二、三、四中的計(jì)算方法和過(guò)程進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。所述步驟二對(duì)異常數(shù)據(jù)的識(shí)別與修復(fù)的具體方法如下對(duì)于缺失數(shù)據(jù)的識(shí)別，由于交通流時(shí)空數(shù)據(jù)是由檢測(cè)器按一定的時(shí)間間隔進(jìn)行采集，所以數(shù)據(jù)很容易進(jìn)行校驗(yàn)。兩個(gè)采集到的相鄰數(shù)據(jù)之間的時(shí)間差正常情況下就是I個(gè)數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔，多于I個(gè)時(shí)間間隔的時(shí)候表示它們之間存在數(shù)據(jù)缺失。對(duì)于錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的識(shí)別，有以下兩種方法I)常用的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的識(shí)別方法是閾值法，超過(guò)一定的閾值就被認(rèn)為是錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。2)用幾個(gè)交通參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合判斷的方法。對(duì)于某一種交通數(shù)據(jù)，可以依據(jù)交通流理論中的速度、密度和流量之間的關(guān)系，用其他兩種數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證它是否為錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。識(shí)別出異常數(shù)據(jù)之后，就可以對(duì)其進(jìn)行修復(fù)。修復(fù)的方法有I)采用前一天的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行修復(fù)，適用于丟失數(shù)據(jù)；2)采用歷史趨勢(shì)數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)加權(quán)估計(jì)值進(jìn)行修復(fù)，適用于錯(cuò)誤數(shù)據(jù)；3)利用相鄰時(shí)段數(shù)據(jù)進(jìn)行線性插值來(lái)修復(fù)；4)由前η個(gè)時(shí)段的數(shù)據(jù)得到缺失時(shí)段的預(yù)測(cè)值來(lái)修復(fù)；5)由相鄰路段得到的預(yù)測(cè)值來(lái)修復(fù)。其中利用相鄰時(shí)段數(shù)據(jù)進(jìn)行線性插值來(lái)修復(fù)的方法簡(jiǎn)明易行，而且效果較好。因此是本發(fā)明中的推薦方法。對(duì)于兩個(gè)數(shù)據(jù)y (i)和y (j) (i〈j)，其左側(cè)、右側(cè)與中間的缺失數(shù)據(jù)y (n) (i〈n〈j)可以用以下公式進(jìn)行插值>< η) = — iy(j) - >< )
J-ι所述步驟三的時(shí)空對(duì)象鄰接關(guān)系矩陣計(jì)算的具體方法如下根據(jù)定義，與一個(gè)時(shí)空對(duì)象相鄰空間位置、相鄰時(shí)間點(diǎn)上的所有時(shí)空對(duì)象為該時(shí)空對(duì)象的時(shí)空鄰域。那么，時(shí)空鄰接關(guān)系就可以通過(guò)空間鄰接關(guān)系和時(shí)序鄰接關(guān)系來(lái)確定。由于鄰接權(quán)重是一個(gè)取O或I的值，取I表示鄰接，取O表示不鄰接，因此時(shí)空鄰接權(quán)重值可以表示為空間鄰接權(quán)重值和時(shí)間`鄰接權(quán)重值的乘積。設(shè)時(shí)空對(duì)象ST (p，i)和ST (q，j)分別是路段P在i時(shí)刻的狀態(tài)和路段q在j時(shí)刻的狀態(tài)，那么時(shí)空對(duì)象ST (p，i)和ST (q，j)之間的鄰接權(quán)重為=w(pjq)Xw(ijJ)其中w(p,q)為路段P和路段q之間的空間鄰接權(quán)重
= ι若路段μ相鄰否則w(ijJ)為時(shí)刻i和時(shí)刻j之間的時(shí)間鄰接權(quán)重
il若時(shí)刻^相鄰=
W,..,=<
(,J) [O否則需要注意，此處規(guī)定相鄰空間位置的同一個(gè)時(shí)刻互為時(shí)空鄰域，但同一個(gè)空間位置的相鄰時(shí)刻之間不互為時(shí)空對(duì)象，這是由于同一空間地理對(duì)象(如某一條路段)的相鄰時(shí)刻的狀態(tài)是一個(gè)時(shí)間序列，這種時(shí)間自相關(guān)性可能會(huì)掩蓋空間異質(zhì)性。因此，在計(jì)算公式中規(guī)定同一個(gè)路段(P=q)不互為空間鄰域，但同一時(shí)刻(i = j)互為時(shí)間鄰域。計(jì)算出所有的W(p, i)(q, p得到一個(gè)時(shí)空對(duì)象鄰接矩陣。這一步驟計(jì)算獲得的時(shí)空對(duì)象鄰接矩陣，同上一步修復(fù)后的交通流時(shí)空數(shù)據(jù)，一起輸入下一步驟進(jìn)行時(shí)空自相關(guān)指標(biāo)計(jì)算。所述步驟四的時(shí)空自相關(guān)全局與局部指標(biāo)的計(jì)算具體方法和過(guò)程如下假如y(p,i)是時(shí)空對(duì)象ST (p，i) (P路段i時(shí)刻的狀態(tài))的某一屬性值(如交通量，速度，密度等)，那么在一定時(shí)間段與空間范圍內(nèi)，所有的時(shí)空對(duì)象關(guān)于這一屬性值的全局自相關(guān)指標(biāo)A可表示為
權(quán)利要求
1.城市道路交通狀態(tài)的時(shí)空分析方法，其特征在于，該方法包括如下步驟1)從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取計(jì)算分析所需的道路網(wǎng)絡(luò)交通流時(shí)空數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)在臨時(shí)數(shù)據(jù)表中，建立時(shí)空基礎(chǔ)數(shù)據(jù)系統(tǒng)；2)利用數(shù)據(jù)異常識(shí)別和處理規(guī)則對(duì)所述交通流時(shí)空數(shù)據(jù)存在的異常進(jìn)行識(shí)別和修3)從GIS地圖中獲取道路之間的空間鄰接關(guān)系矩陣，結(jié)合時(shí)間鄰接關(guān)系，獲取時(shí)空對(duì)象之間的鄰接關(guān)系矩陣；4)根據(jù)步驟2中已進(jìn)行修復(fù)處理的道路網(wǎng)絡(luò)交通流時(shí)空數(shù)據(jù)，及步驟3得到的時(shí)空對(duì)象鄰接矩陣，及時(shí)空自相關(guān)指標(biāo)計(jì)算模型，計(jì)算得到時(shí)空自相關(guān)的全局指標(biāo)和局部指標(biāo)；5)對(duì)所述步驟4中得出的時(shí)空自相關(guān)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行多角度展示和輔助分析，以獲得城市道路交通狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的城市道路交通狀態(tài)的時(shí)空分析方法，其特征在于，所述步驟I中從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取交通流時(shí)空數(shù)據(jù)包括101)將查詢條件設(shè)置成參數(shù)由用戶個(gè)性化設(shè)置，如起始日期和時(shí)間、終止日期和時(shí)間、道路網(wǎng)絡(luò)范圍，道路網(wǎng)絡(luò)范圍允許用戶從地圖上直接選擇，或者直接輸入路段名稱(chēng)或路段在數(shù)據(jù)庫(kù)中的編號(hào)；102)連接數(shù)據(jù)庫(kù)，將用戶輸入的查詢條件嵌套在查詢語(yǔ)句中輸入數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的查詢操作，查詢所得數(shù)據(jù)存放在一個(gè)臨時(shí)的數(shù)據(jù)表中，作為后續(xù)異常識(shí)別和處理操作的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的城市道路交通狀態(tài)的時(shí)空分析方法，其特征在于，所述步驟2中對(duì)數(shù)據(jù)存在的異常進(jìn)行識(shí)別和修復(fù)的具體步驟如下201)讀取步驟I產(chǎn)生的臨時(shí)數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)，按照異常數(shù)據(jù)的識(shí)別規(guī)則判斷數(shù)據(jù)中存在的缺失數(shù)據(jù)和錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，并進(jìn)行標(biāo)記，作為后續(xù)的異常數(shù)據(jù)修復(fù)操作的依據(jù)；202)根據(jù)異常數(shù)據(jù)識(shí)別過(guò)程標(biāo)記得出的異常識(shí)別結(jié)果，依據(jù)異常數(shù)據(jù)的修復(fù)規(guī)則對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)完畢的數(shù)據(jù)輸入到后續(xù)步驟進(jìn)行自相關(guān)指標(biāo)的計(jì)算。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的城市道路交通狀態(tài)的時(shí)空分析方法，其特征在于，所述步驟3中獲取時(shí)空對(duì)象之間的鄰接關(guān)系矩陣的具體步驟如下301)獲取兩個(gè)時(shí)空對(duì)象所在的空間對(duì)象之間的鄰接關(guān)系，此處的空間對(duì)象指的就是空間上的某一條路段，兩條路段有共同的節(jié)點(diǎn)則表示它們相鄰，否則不相鄰；302)獲取兩個(gè)時(shí)空對(duì)象所在的時(shí)間對(duì)象之間的相鄰關(guān)系，此處由于交通流時(shí)空數(shù)據(jù)都是在路段上按一定的時(shí)間間隔進(jìn)行采集的，因此將研究的時(shí)間范圍按數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔分成很多個(gè)時(shí)段，若兩個(gè)時(shí)間在相鄰時(shí)段內(nèi)，則表明兩個(gè)時(shí)間對(duì)象相鄰；303)根據(jù)獲取的空間鄰接關(guān)系和時(shí)間鄰接關(guān)系確定時(shí)空對(duì)象之間的時(shí)空鄰接關(guān)系，若兩個(gè)時(shí)空對(duì)象在空間上和時(shí)間上都相鄰，那么他們?cè)跁r(shí)空關(guān)系上就相鄰；對(duì)于任意兩個(gè)時(shí)空對(duì)象都按上述步驟得出它們的鄰接關(guān)系，即可得到時(shí)空鄰接矩陣。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的城市道路交通狀態(tài)的時(shí)空分析方法，其特征在于，所述步驟4中時(shí)空自相關(guān)指標(biāo)計(jì)算模型具體包括如下401)全局自相關(guān)指標(biāo)的計(jì)算，全局自相關(guān)指標(biāo)是衡量全體時(shí)空對(duì)象自相關(guān)程度的量度，考察的是時(shí)空對(duì)象之間在所研究的交通狀態(tài)數(shù)據(jù)方面存在的自相關(guān)關(guān)系，可以直觀的反應(yīng)所有時(shí)空對(duì)象的自相關(guān)程度； 402)局部自相關(guān)指標(biāo)的計(jì)算，局部自相關(guān)指標(biāo)是衡量具體某一個(gè)時(shí)空與其時(shí)空鄰域內(nèi)的所有時(shí)空對(duì)象之間自相關(guān)程度的一個(gè)量度，考察的是具體某一個(gè)時(shí)空對(duì)象與其時(shí)空鄰域內(nèi)所有時(shí)空對(duì)象之間在所研究的交通流屬性時(shí)空數(shù)據(jù)上的自相關(guān)關(guān)系。
6.城市道路交通狀態(tài)的時(shí)空分析系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括 交通流時(shí)空數(shù)據(jù)查詢模塊，用于實(shí)現(xiàn)交通流時(shí)空數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)查詢功能，且由于需要處理的數(shù)據(jù)量很大，而分析過(guò)程需要針對(duì)不同時(shí)間段、不同局部路網(wǎng)進(jìn)行，靈活性要求很高，因此所述數(shù)據(jù)查詢模塊能根據(jù)具體需求為后續(xù)的統(tǒng)計(jì)分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)； 異常數(shù)據(jù)的識(shí)別和修復(fù)模塊，用于對(duì)交通流時(shí)空數(shù)據(jù)查詢模塊所得出的交通流時(shí)空數(shù)據(jù)，進(jìn)行異常數(shù)據(jù)的識(shí)別和修復(fù)，由于檢測(cè)器失靈、傳輸線路故障等原因，數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)不可避免地存在錯(cuò)誤、缺失等情況，該模塊對(duì)這些異常數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，防止異常數(shù)據(jù)影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性； 時(shí)空自相關(guān)指標(biāo)的計(jì)算模塊，用于接收進(jìn)行異常數(shù)據(jù)識(shí)別與修復(fù)處理后的交通流時(shí)空數(shù)據(jù)，根據(jù)由GIS地圖得到的空間鄰接關(guān)系和時(shí)間鄰接關(guān)系確定時(shí)空鄰接矩陣，然后將時(shí)空鄰接矩陣輸入本發(fā)明提出的時(shí)空自相關(guān)指標(biāo)計(jì)算模型，進(jìn)行時(shí)空自相關(guān)指標(biāo)的計(jì)算； 計(jì)算結(jié)果輔助分析與展示模塊，用于對(duì)時(shí)空自相關(guān)指標(biāo)的計(jì)算模塊所得到的時(shí)空自相關(guān)全局與局部指標(biāo)，進(jìn)行圖形化的動(dòng)態(tài)展示，從時(shí)間維和空間維角度繪制趨勢(shì)折線圖、分布散點(diǎn)圖、柱狀圖以及交通狀態(tài)展示專(zhuān)題地圖，得到交通狀態(tài)時(shí)空演化規(guī)律。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種城市道路交通狀態(tài)時(shí)空分析方法和系統(tǒng)，它以空間與時(shí)間自相關(guān)理論為基礎(chǔ)，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)基本理論，根據(jù)道路網(wǎng)絡(luò)上實(shí)時(shí)交通流數(shù)據(jù)，分析交通狀態(tài)的時(shí)空演化以及擁堵的產(chǎn)生、發(fā)展和消散過(guò)程。運(yùn)用這種方法統(tǒng)計(jì)不同的道路狀態(tài)在時(shí)空上的分布特征，分析城市路網(wǎng)道路交通狀況演化的時(shí)空規(guī)律，識(shí)別和判斷在時(shí)間上的擁堵高峰時(shí)段以及空間上的瓶頸路段，進(jìn)一步支撐交通措施的制定和實(shí)施。
文檔編號(hào)G08G1/01GK103050005SQ20121046504
公開(kāi)日2013年4月17日 申請(qǐng)日期2012年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月16日
發(fā)明者陳紹寬, 毛保華, 關(guān)偉, 韋偉, 劉爽, 柏赟 申請(qǐng)人:北京交通大學(xué)