本發(fā)明屬于智能交通研究領(lǐng)域，涉及一種基于分布式聲傳感數(shù)據(jù)的道路區(qū)間雙向車流速度估計方法。

背景技術(shù)：

在城市交通和高速公路中，對車流速度進(jìn)行科學(xué)準(zhǔn)確的估計，可以為交通管理者和駕駛員提供動態(tài)車速控制和交通決策的依據(jù)，也為改進(jìn)交通管理方法提供數(shù)據(jù)支持。

目前的道路交通中對車流車速的檢測，主要依賴于地埋式環(huán)形感應(yīng)線圈、雷達(dá)測速檢測器、視頻檢測器等，這些檢測方法存在著易損壞、埋設(shè)成本高、點式感應(yīng)的缺陷；傳統(tǒng)的速度檢測方式對車流速度的估計主要是點式的、固定位置的，這種估計特性會導(dǎo)致不同路段的車流速度數(shù)據(jù)樣本量不足和分布不均勻，進(jìn)而影響交通管理者對相關(guān)交通參數(shù)設(shè)置的偏差；同時，當(dāng)前判斷整體交通狀態(tài)的依據(jù)主要是某些時刻的交通數(shù)據(jù)，忽略了不同時間同一路段、不同方向交通流的差異，檢測時間不同往往呈現(xiàn)出不同交通狀態(tài)。分布式聲傳感系統(tǒng)有對長距離光纖轉(zhuǎn)變?yōu)樘摂M麥克風(fēng)陣列的能力，它允許用戶實時監(jiān)控長距離線性財產(chǎn)，檢測在管線附近發(fā)生的聲學(xué)事件。應(yīng)用這一技術(shù)可以直接辨別和測量車輛移動、阻塞和排隊等交通特征，并在沿光纖的任何監(jiān)測點實時的實現(xiàn)這種辨別和測量。分布式聲傳感技術(shù)可以在長距離，復(fù)雜路段情況下取代點式車速檢測裝置，并得到更全面、實時的交通數(shù)據(jù)，隨著道路交通情況越來越復(fù)雜，交通管理者和使用者對車流車速信息的需求越來越迫切，建立一種基于分布式聲傳感的多維車輛速度估計方法十分必要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于分布式聲傳感數(shù)據(jù)的道路區(qū)間雙向車流速度估計方法。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出的利用分布式聲學(xué)傳感設(shè)備和系統(tǒng)，得到車輛在任意時刻經(jīng)過任意監(jiān)測斷面的振動信息步驟、單獨車輛行駛情況下的車速計算步驟、特定路段的車流平均車速估計步驟以及特定時間段內(nèi)全路段的車流平均車速估計步驟。其具體步驟如下：

c1、利用分布式聲學(xué)傳感設(shè)備或系統(tǒng)，得到車輛在任意時刻經(jīng)過任意監(jiān)測斷面的振動信息，通過分析光纖中的噪聲特性確定車輛信息；

c2、個體車輛在某個監(jiān)測斷面的車速估計；

c3、特定時間段內(nèi)全路段的車流平均車速估計。

步驟c1中得到車輛振動信息參數(shù)的過程包括：

c11、確定所需檢測的路段及所需檢測的時間范圍。

c12、通過分布式聲傳感系統(tǒng)，得到所關(guān)注路段和時間的相關(guān)振動數(shù)據(jù)，并剔除背景噪聲和相應(yīng)的較小的振動數(shù)據(jù)。

c13、以監(jiān)測路段的起始位置為橫軸的零點，以監(jiān)測起始時間為縱軸零點，并以時間為縱軸，檢測區(qū)間為橫軸建立直角坐標(biāo)系。

c14、對獲得的每個時間點的數(shù)據(jù)，以單個檢測區(qū)間為單位，對每個檢測區(qū)間內(nèi)的振動幅度最大的前15％的數(shù)據(jù)取期望。

將得到的數(shù)據(jù)以檢測區(qū)間位置為橫軸X，時間為縱軸Y，標(biāo)記在直角坐標(biāo)系中。

步驟c2中對單獨車輛在監(jiān)測路段行駛情況下的車速估計的過程包括：

c21、選取檢測單車行駛速度的路段，截取路段長度為L_s，單位為米，對應(yīng)包含檢測區(qū)間個數(shù)為N_s。

c22、該路段在整個監(jiān)測路段中的位置為X_s1至X_s2，對應(yīng)直角坐標(biāo)系中橫軸位置為X₁至X₂。

選取檢測單車行駛速度的時間間隔為T_s(最小可以多少秒就能達(dá)到一定精度)，單位為秒，在直角坐標(biāo)系中對應(yīng)縱軸位置為t₁至t₂。

c23、在所選取的區(qū)域內(nèi)，對數(shù)據(jù)點進(jìn)行最小二乘法直線擬合。設(shè)已知數(shù)據(jù)點為(x_i，y_i)，i＝1,2,…,m，對分布作擬合直線：

y(x)＝ax+b

使直線與數(shù)據(jù)點的偏差的平方和：

達(dá)到最小值。對上式分別對a、b求偏導(dǎo)得：

整理后得到方程組：

求解上述方程組，求得擬合直線的參數(shù)a和b的最佳估計值：

代入式y(tǒng)(x)＝ax+b中，得到擬合直線。

擬合直線斜率的絕對值|a|即為單獨車輛行駛的速度，單位為米/秒。斜率的正負(fù)值代表行車方向，正值代表上行方向，負(fù)值代表下行方向。

步驟c3中對特定時間段內(nèi)全路段的車流平均車速估計的過程包括：

c31、選取需要檢測平均車流速度的時間段為T_t，單位為秒。T_t時間段內(nèi)包含的離散時間點為t_t1，t_t2，...，t_tm。對每個時間點t，在對應(yīng)直角坐標(biāo)系中，標(biāo)出每個檢測區(qū)間的數(shù)據(jù)點，在直角坐標(biāo)系中形成T_t時間范圍內(nèi)全路段的車輛振動信息。

c32、根據(jù)每個存在車輛振動信息的區(qū)間，對區(qū)間內(nèi)的數(shù)據(jù)點進(jìn)行最小二乘法直線擬合。

設(shè)所選區(qū)間內(nèi)每輛車輛對應(yīng)的數(shù)據(jù)點為(x_ij，y_ij)，其中i＝1,2,…,m為每輛車對應(yīng)的數(shù)據(jù)點總數(shù)，j＝1,2,…,n為所選時間內(nèi)在監(jiān)測路段上行駛的車輛數(shù)。

對所得數(shù)據(jù)點進(jìn)行最小二乘法直線擬合：

y_tj＝a_tjx+b_tj

使直線與數(shù)據(jù)點的偏差的平方和：

達(dá)到最小值。對上式分別對a_i、b_j求偏導(dǎo)得：

整理后得到方程組：

求解上述方程組，求得擬合直線的參數(shù)a和b的最佳估計值：

代入式y(tǒng)_ti＝a_tix+b_ti中，得到擬合直線。

擬合直線斜率的絕對值a_ti即為在此時間范圍內(nèi)，該行駛路段中所有車輛的行駛速度，單位為米/秒，表示為v_t1，v_t2，...，v_tn。行駛速度為正值代表車輛行駛方向為上行方向，負(fù)值代表下行方向。

c33、根據(jù)所得車輛速度的數(shù)據(jù)以正負(fù)值為依據(jù)，劃分為兩個車速集合分別為V_tc＝{v_tc1，v_tc2，...，v_tca}以及V_ta＝{v_ta1，v_ta2，...，v_tab}，其中V_tc表示下行方向，其元素為負(fù)值，V_tg表示上行方向，其元素為正值，且a+b＝n。

c34、對所得的速度數(shù)據(jù)取算術(shù)平均值，得到該時間段內(nèi)上行和下行車流車速的期望

得到該時間段內(nèi)在監(jiān)測路段行駛的車流平均車速估計。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明基于分布式聲傳感系統(tǒng)的全路段、全時間的交通車流數(shù)據(jù)，利用最小二乘法直線擬合獲取不同情況，不同時間段的車流速度估計，繼而對數(shù)據(jù)處理獲得各個時段區(qū)間車流平均速度估計。本發(fā)明設(shè)計新穎合理，安全便捷，安裝成本低，性能可靠，能夠?qū)崟r快速獲得車流車速，也能對數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理。

附圖說明

下面通過附圖和實例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步描述。

圖1a為分布式聲傳感系統(tǒng)概念及配置圖；圖1b為單個車輛振動引起的光纖振動強(qiáng)度分布示意圖；圖1c全路段中車輛振動的數(shù)據(jù)信息分布圖；

圖2為單獨車輛情況下的車輛振動數(shù)據(jù)點分布示意圖；

圖3為特定時間區(qū)間內(nèi)的所有車輛振動信息的數(shù)據(jù)點分布圖；

圖4為本發(fā)明方法流程圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

如圖1a所示，本發(fā)明包括一個分布式傳感檢測單元，它與鋪設(shè)在道路附近的單模光纖相連接，將光纖建立為完全分布式、無盲區(qū)的長距離偵聽陣列，并獲取每個偵聽通道中的車輛振動信息。圖1a中A表示單模光纖，B表示傳感檢測單元，C表示交通路段。

圖1b為單個車輛振動引起的光纖振動強(qiáng)度分布示意圖，路段上所有車輛引起的光纖振動數(shù)據(jù)，為本發(fā)明利用的原始數(shù)據(jù)。

如圖1c所示，將振動信息處理后標(biāo)在直角坐標(biāo)系中，得到全路段中車輛振動的數(shù)據(jù)點信息。

單獨車輛情況下的車輛振動數(shù)據(jù)點分布如圖2所示，對應(yīng)路段長度為L_s，單位為米，對應(yīng)包含檢測區(qū)間個數(shù)為N_s。在整個監(jiān)測路段中的位置為X_s1至X_s2，對應(yīng)直角坐標(biāo)系中橫軸位置為X₁至X₂。

選取檢測單車行駛速度的時間間隔為T_s，單位為秒，在直角坐標(biāo)系中對應(yīng)縱軸位置為t₁至t₂。

在所選取的區(qū)域內(nèi)，對數(shù)據(jù)點進(jìn)行最小二乘法直線擬合。設(shè)已知數(shù)據(jù)點為(x_i，y_i)，i＝1,2,…,m，對分布作擬合直線：

y(x)＝ax+b

使直線與數(shù)據(jù)點的偏差的平方和：

達(dá)到最小值。對上式分別對a、b求偏導(dǎo)得：

整理后得到方程組：

求解上述方程組，求得擬合直線的參數(shù)a和b的最佳估計值：

代入式y(tǒng)(x)＝ax+b中，得到擬合直線。

擬合直線斜率的絕對值|a|即為單獨車輛行駛的速度，單位為米/秒。斜率的正負(fù)值代表行車方向，正值代表上行方向，負(fù)值代表下行方向。

如圖3所示為特定內(nèi)時間段內(nèi)所有車輛振動信息的數(shù)據(jù)點分布。

選取需要檢測平均車流速度的時間段為T_t，單位為秒。T_t時間段內(nèi)包含的離散時間點為t_t1，t_t2，…，t_tm。對每個時間點t，在對應(yīng)直角坐標(biāo)系中，標(biāo)出每個檢測區(qū)間的數(shù)據(jù)點，在直角坐標(biāo)系中形成T_t時間范圍內(nèi)全路段的車輛振動信息。

對車輛振動信息對應(yīng)的數(shù)據(jù)點進(jìn)行最小二乘法直線擬合，得到在該時間段內(nèi)在監(jiān)測路段上行駛的全部n輛車的行駛速度，單位為米/秒，表示為v_t1，v_t2，...，v_tn。

根據(jù)所得車輛速度的數(shù)據(jù)以正負(fù)值為依據(jù)，分為兩個車速集合分別為V_tc＝{v_tc1，v_tc2，…，v_tca}以及V_ta＝{v_ta1，v_ta2，...，v_tab}，其中V_tc表示下行方向，其元素為負(fù)值，V_tg表示上行方向，其元素為正值。對所得的速度數(shù)據(jù)取算術(shù)平均值，得到該時間段內(nèi)上行和下行車流車速的平均車速估計

綜上，本發(fā)明是通過分布式聲傳感系統(tǒng)獲得監(jiān)測路段中所有車輛的振動信息，通過處理這些離散信息，計算得到單獨車輛行駛情況下的車速；對特定時間區(qū)間內(nèi)所有檢測斷面的車流振動信息分析，得到特定時間段內(nèi)全路段的車流平均車速估計，見圖4。