一種高速公路擁堵指數(shù)的獲取方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及公路擁堵指數(shù)計(jì)算方法，具體涉及一種基于高速公路進(jìn)出口收費(fèi)數(shù)據(jù) 的分層擁堵指數(shù)建模和擁堵指數(shù)獲取方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，我國的高速公路路網(wǎng)基本實(shí)現(xiàn)了省級(jí)的聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)，以普通的高速公路收費(fèi) 系統(tǒng)為例，其基本運(yùn)作方式就是車輛進(jìn)入高速公路路網(wǎng)系統(tǒng)時(shí)發(fā)卡寫卡，車輛駛出高速公 路路網(wǎng)系統(tǒng)時(shí)讀卡收費(fèi)；雖然收費(fèi)系統(tǒng)的主要系統(tǒng)目標(biāo)即是聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)，但是每天大量的交 通流會(huì)產(chǎn)生海量的收費(fèi)記錄原始數(shù)據(jù)，而在這些收費(fèi)記錄中又包含豐富的屬性信息，比如 進(jìn)入/駛出高速路網(wǎng)的時(shí)間、車型、進(jìn)入/駛出高速公路的站點(diǎn)、車牌等。通過對(duì)這些信息 的統(tǒng)計(jì)分析，應(yīng)用數(shù)據(jù)挖掘的相關(guān)方法和知識(shí)，我們不難獲得更多的交通參數(shù)特征，比如各 個(gè)原子路段和站點(diǎn)的流量信息、車輛來源分析、車輛成分分析，甚至進(jìn)一步對(duì)這些交通參數(shù) 進(jìn)行預(yù)測和估計(jì)。
[0003] 所謂保有量，即是指某時(shí)刻t，當(dāng)前路段、道路或路網(wǎng)上所有行駛的當(dāng)量車輛數(shù)，單 位是輛小客車。所謂擁堵指數(shù)，指的是通過合理建立模型，以特定的交通參數(shù)作為模型輸 入，最終輸出一個(gè)具體的量化的指數(shù)值，用于刻畫擁堵水平。
[0004] 美國聯(lián)邦高速公路局在1990年發(fā)布的城市道路擁堵評(píng)估報(bào)告中，提出了道路擁 堵指數(shù)的概念，其形式化表達(dá)如下：
[0005]
[0006] 其中，F(xiàn)reeway為快速路每日車輛行駛里程；FreewayVMT/Ln. -Mi為快速路每日 每車道公里的車輛行駛里程；PrinArtStrVMT為主干路每日車輛行駛里程；PrinArtt rVMT/Ln. -Mi為主干路每日每車道公里的車輛行駛里程。
[0007] 該指數(shù)考慮了兩類道路（快速路和主干道）的日均車輛行駛里程（vehiclemiles traveled)，并用閾值進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。通過該模型計(jì)算道路擁堵指數(shù)存在的問題是：日均車 輛行駛里程是一個(gè)間接的交通參數(shù)，在目前國內(nèi)高速公路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)條件下，難以獲取。
[0008] 德州運(yùn)輸局在1993年的年度城市移動(dòng)性報(bào)告中提出了利用高速公路性能檢測系 統(tǒng)（HighwayPerformanceMonitoringSystem,HPMS)的數(shù)據(jù)計(jì)算擁堵嚴(yán)重性指數(shù)CSI，該 指數(shù)用于評(píng)估美國37個(gè)大型城市區(qū)域的擁堵等級(jí)；其形式化表示如下：
[0009]
[0010] 其中，Total Freeway Delay (veh. hrs)為高速公路每日總的時(shí)間延誤，即高速公 路上每一輛行駛車輛的延誤時(shí)間累加，單位為輛?小時(shí)；Freeway VMT (million)為高速公 路每日車輛行駛里程，即為特定路網(wǎng)中所有車輛行駛里程的總和，單位為輛?公里。
[0011] 該指數(shù)存在的問題是：針對(duì)的是城市交通擁堵路段，且只關(guān)注局部的路段，無法系 統(tǒng)地評(píng)價(jià)整個(gè)交通系統(tǒng)的擁堵水平。
[0012] 德州運(yùn)輸局在后來的年度城市移動(dòng)性報(bào)告中還提出了一種旅行時(shí)間指數(shù)TTI，是 用高峰期旅行時(shí)間（Peakperiodtraveltime)與自由流下旅行時(shí)間（freeflowtravel time)的比值刻畫擁堵，其形式化表示如下：
[0013]
[0014] 旅行時(shí)間指數(shù)TTI除了存在與上述CSI相同的缺點(diǎn)外，旅行時(shí)間的獲取基本上是 基于有限斷面的線圈數(shù)據(jù)或者少量浮動(dòng)車數(shù)據(jù)得到的，這些數(shù)據(jù)的時(shí)空代表性較差，因而 采用該指數(shù)表示交通系統(tǒng)的擁堵水平，其準(zhǔn)確性并不確定。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種高速公路擁堵指數(shù)的獲取方法， 該方法基于高速公路網(wǎng)進(jìn)出口收費(fèi)數(shù)據(jù)，結(jié)合其數(shù)據(jù)優(yōu)勢和特點(diǎn)，構(gòu)建一種分層的擁堵指 數(shù)模型，用于量化路況和刻畫擁堵。
[0016] 本發(fā)明的原理是：通過對(duì)收費(fèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行交通參數(shù)反演，得到基本路況參數(shù)，進(jìn)而構(gòu) 建分層擁堵指數(shù)模型。具體地，在原子路段層面，我們提出路況參數(shù)作為刻畫其路況和擁堵 情況的基本參數(shù)，所謂路況參數(shù)，指的是在單位時(shí)空窗口內(nèi)，所有通過的車輛的旅行時(shí)間之 和。結(jié)合領(lǐng)域內(nèi)知識(shí)經(jīng)過推演之后，可以發(fā)現(xiàn)路況參數(shù)其實(shí)近似等于車流密度；而基于高速 公路進(jìn)出口收費(fèi)數(shù)據(jù)，我們通過交通流平均速度反演計(jì)算（圖2)，得到某一瞬時(shí)路段的保 有量；車流密度可通過保有量和路段長度及車道數(shù)量的比值得到，作為原子路段的路況參 數(shù)；原子路段的路況參數(shù)即為表征原子路段路況的擁堵指數(shù)。在此基礎(chǔ)上，通過計(jì)算道路中 各原子路段的動(dòng)態(tài)路段重要性，再計(jì)算得到道路擁堵指數(shù)；通過計(jì)算路網(wǎng)中各條道路的動(dòng) 態(tài)路段重要性，再計(jì)算得到全路網(wǎng)的擁堵指數(shù)。
[0017] 本發(fā)明提供的技術(shù)方案是：
[0018] -種高速公路擁堵指數(shù)的獲取方法，該方法通過定義并計(jì)算路況參數(shù)作為表征原 子路段路況的擁堵指數(shù)；通過計(jì)算道路中各原子路段的動(dòng)態(tài)路段重要性，計(jì)算得到道路擁 堵指數(shù)；再通過計(jì)算路網(wǎng)中各條道路的動(dòng)態(tài)路段重要性，計(jì)算得到全路網(wǎng)的擁堵指數(shù)，具體 包括如下步驟：
[0019] 1)計(jì)算得到各原子路段的路況參數(shù)（作為原子路段的擁堵指數(shù)），執(zhí)行如下操 作：
[0020] a)通過交通流平均速度反演計(jì)算得到各原子路段的保有量；
[0021] b)計(jì)算得到各原子路段的路況參數(shù)；
[0022] 本發(fā)明提出的路況參數(shù)，指的是在單位時(shí)空窗口內(nèi)，所有通過的車輛其旅行時(shí)間 之和；其形式化表示如下：
[0023]
(式 1)
[0024] 式1中，CI一路況參數(shù)；Q-路段平均流率；C一車道數(shù)；a;-第i輛車當(dāng)量；t;一第 i輛車通過單位時(shí)空窗口的時(shí)間；At-時(shí)空窗口時(shí)間；AL-時(shí)空窗口長度。
[0025] 本發(fā)明中，路況參數(shù)近似等于車流密度；車流密度可通過路段保有量和路段長度 與車道數(shù)量乘積的比值得到；而基于高速公路進(jìn)出口收費(fèi)數(shù)據(jù)，我們可以利用交通流平均 速度反演方法，得到某一瞬時(shí)路段的保有量。
[0026] 2)計(jì)算得到道路擁堵指數(shù)，執(zhí)行如下操作：
[0027] a)計(jì)算得到道路中各原子路段的初始動(dòng)態(tài)路段重要性；
[0028] b)對(duì)各原子路段的初始動(dòng)態(tài)路段重要性進(jìn)行歸一化處理，得到各原子路段的動(dòng)態(tài) 路段重要性；
[0029] 具體通過式2進(jìn)行歸一化處理：
[0030]
(式 2)
[0031] 式2中，W]為原子路段j的動(dòng)態(tài)路段重要性；d,代表路段j的初始動(dòng)態(tài)重要性，n 代表當(dāng)前道路包含的原子路段數(shù)量；山代表當(dāng)前道路包含的每條原子路段的初始動(dòng)態(tài)重要 性；
[0032]c)計(jì)算得到道路擁堵指數(shù)；
[0033] 將各原子路段的動(dòng)態(tài)路段重要性作為權(quán)重，道路擁堵指數(shù)的計(jì)算具體通過原子路 段的路況參數(shù)的加權(quán)和得到；
[0034] 3)計(jì)算得到全路網(wǎng)擁堵指數(shù)，執(zhí)行如下操作：
[0035] a)計(jì)算路網(wǎng)中各條道路的初始動(dòng)態(tài)路段重要性；
[0036] 計(jì)算道路的初始動(dòng)態(tài)路段重要性，具體將同一道路的各原子路段的初始動(dòng)態(tài)路段 重要性進(jìn)行累加，得到該道路的初始動(dòng)態(tài)重要性；
[0037] b)對(duì)道路的初始動(dòng)態(tài)路段重要性進(jìn)行歸一化處理，得到各道路的動(dòng)態(tài)路段重要 性；
[0038] c)計(jì)算得到全路網(wǎng)的擁堵指數(shù)；
[0039] 將各道路的動(dòng)態(tài)路段重要性作為權(quán)重，路網(wǎng)擁堵指數(shù)的計(jì)算具體通過對(duì)道路擁堵 指數(shù)進(jìn)行加權(quán)和得到。
[0040] 針對(duì)上述高速公路擁堵指數(shù)的獲取方法，步驟1)中的a)通過交通流平均速度反 演計(jì)算得到各原子路段的保有量，具體流程包括：
[0041] al)收集所有的收費(fèi)記錄；
[0042] a2)針對(duì)其中一條收費(fèi)記錄，執(zhí)行如下操作：計(jì)算得到最短路徑；計(jì)算得到總的 旅行時(shí)間；計(jì)算得到在最短路徑上的平均速度；計(jì)算該最短路徑中的各原子路段的旅行時(shí) 間；相應(yīng)時(shí)間段該原子路段的保有量加1 ;
[0043] a3)遍歷所有收費(fèi)記錄，執(zhí)行步驟a2)中的操作；
[0044] a4)得到各原子路段的保有量。
[0045] 針對(duì)上述高速公路擁堵指數(shù)的獲取方法，步驟2)中計(jì)算得到道路中各原子路段 的初始動(dòng)態(tài)路段重要性，具體流程包括：
[0046] al)初始所有原子路段的動(dòng)態(tài)路段重要性均設(shè)為0 ;
[0047] a2)獲取指定時(shí)間段所有收費(fèi)記錄；
[0048] 針對(duì)任一條收費(fèi)記錄，執(zhí)行如下操作a3)~a5):
[0049] a3)獲取該記