專利名稱：：基于浮動車數(shù)據(jù)的宏觀路網(wǎng)交通狀態(tài)評價方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于宏觀交通流領(lǐng)域，具體涉及一種宏觀路網(wǎng)交通狀態(tài)評價方法。
背景技術(shù)：
：經(jīng)濟的快速發(fā)展和出行觀念的變化，使得城市交通系統(tǒng)運行中的不確定因素越來越多，矛盾越來越復雜，其中最突出的表現(xiàn)就是交通擁堵。交通擁堵直接導致了延誤、燃料消耗、環(huán)境污染、車輛損耗以及交通事故等問題的增長，而這些問題將產(chǎn)生巨大的社會成本。當前，各大城市的交通擁堵已經(jīng)成為困擾我國城市健康發(fā)展的重大難題，如何保證交通系統(tǒng)的健康運行，最大限度地發(fā)揮它的城市載體功能，是新形勢下城市交通發(fā)展面臨的一個嚴峻課題。不同頻率和程度的交通擁堵會導致路網(wǎng)的運行狀態(tài)產(chǎn)生巨大的差異，單純的擴充容量和增加通行能力的方法已經(jīng)被證明不能從根本上解決問題。目前國內(nèi)外對交通狀態(tài)的評價研究開展較多，但大都以城市道路網(wǎng)的各個組成部分作為研究對象，如快速路、主干道和交叉口等。交叉口、路段等交通設施的服務水平對實踐有一定的指導作用，但仍有其局限性。城市交通系統(tǒng)是一個復雜的動態(tài)系統(tǒng)，由多個靜態(tài)或動態(tài)的有機組成部分構(gòu)成，狀態(tài)隨時間變化而變化，網(wǎng)絡中不同的交叉口、路段交通運行狀況差異很大。為了使路網(wǎng)得到充分的有效使用，指導交通管理和城市發(fā)展管理政策的制定，既需要了解交叉口、路段的交通狀態(tài)，也要了解城市交通網(wǎng)絡的整體運行狀況。同時，雖然運行狀況的評價方法一直在不斷革新，但交通流運行狀態(tài)評價指標的應用，如服務水平、延誤、飽和度、可靠度等，往往受到已有的數(shù)據(jù)采集方式制約，很難對路網(wǎng)運行狀況進行有效評價。總的來說，目前對于城市路網(wǎng)交通狀態(tài)的評價還沒有形成系統(tǒng)的評價方法和全面的評價指標體系，在評價指標的測度上也缺乏可靠的數(shù)據(jù)支持。現(xiàn)有的評價方法大多具有一定的局限性，已難以適應交通管理和規(guī)劃等不同層次用戶的需求。因此，必須利用定量分析的方法，深入研究交通狀態(tài)的變化過程，找出內(nèi)在的因果關(guān)系和規(guī)律，建立客觀、實用的評價模型，確定路網(wǎng)是否適應現(xiàn)狀及未來的各項需求，運行狀況和適應程度如何，存在什么問題，發(fā)展方向如何等。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種基于浮動車數(shù)據(jù)的宏觀路網(wǎng)交通狀態(tài)評價方法，使得城市宏觀路網(wǎng)交通狀態(tài)評價更加完整、可靠。本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)基于浮動車數(shù)據(jù)的宏觀路網(wǎng)交通狀態(tài)評價方法，其特征在于，應用安裝有全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)設備的浮動車系統(tǒng)進行行程時間數(shù)據(jù)的采集，在利用地理信息系統(tǒng)技術(shù)進行數(shù)據(jù)處理，獲得測度各項交通狀態(tài)評價指標，然后利用宏觀路網(wǎng)交通狀態(tài)評價模塊進行評價，其中宏觀路網(wǎng)交通狀態(tài)評價模塊包括目標函數(shù)構(gòu)造模塊、指標向量構(gòu)造模塊、理想?yún)^(qū)間向量構(gòu)造模塊、評價指標權(quán)重值確定模塊、評價等級確定模塊；其具體步驟如下4(1)數(shù)據(jù)獲取，以交通網(wǎng)格為單位將城市路網(wǎng)劃分為若干個區(qū)域，應用安裝有全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)設備的浮動車系統(tǒng)采集行程時間數(shù)據(jù)，在地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)支持下，運用宏觀交通流理論計算各評價指標；(2)構(gòu)造評價目標函數(shù)，選用評價標準所控制的n個指標來綜合評價城市路網(wǎng)交通狀態(tài)，由此構(gòu)造模型的目標函數(shù)，即F(x)=[f批f2(x)，…fj(x)，…，fn(x)]T(1)式中F(x)為目標函數(shù)，fj(x)為第j個指標，j=l，2，...，n;(3)構(gòu)造指標向量，即代表評價區(qū)域的各項評價指標值Fk=[fu，f2,k，.…fj,k，….，fn,k]T(2)式中Fk為評價區(qū)域指標向量，k表示第k個評價區(qū)域，k=1，2，...，u，u為評價區(qū)域個數(shù)；(4)構(gòu)造理想?yún)^(qū)間向量，利用每一等級各評價指標閾值構(gòu)成理想?yún)^(qū)間向量，確定宏觀路網(wǎng)交通狀態(tài)評價等級劃分標準，即巧*=[/1:i'/2:i'…力:i'…'/n:i]式中Fj為理想?yún)^(qū)間向量，i=1，2，...，m，m為等級個數(shù)，f」,J表示第i個」第j個標準指標所對應指標變化區(qū)間，aj,i，bj,i分別為第i個等級第j個標準指標所對應指標變化區(qū)間的下限值和上限值；(5)確定評價投影方向，在各標準等級理想?yún)^(qū)間內(nèi)，利用均勻隨機數(shù)產(chǎn)生若干個樣本值，并對各指標進行無量綱化處理，利用投影尋蹤法確定其一維投影值z(i);然后，用實數(shù)編碼加速遺傳算法(RAGA)推求最佳投影方向a*;用到的公式如下=S=1a(y')x(iJ)(4)式中:z(i)為一維投影值，{x(i，j)|i=1，2，...，m;j=l，2，...n}為利用均勻隨機數(shù)產(chǎn)生若干個樣本值，a=(a(1)，a(2)，，a(n))為投影方向。(6)建立基于Logistic曲線的等級評價模型，確定評價區(qū)域的交通狀態(tài)評價等級；根據(jù)最佳投影方向的估計值^推求第i個樣本的投影值z、i);按公式(5)求解等級計算值/(i)，對/(i)取整數(shù)，即得到該評價區(qū)域交通狀態(tài)宏觀評價的等級；根據(jù)z*(i)和樣本對應的標準等級y(i)的散點圖建立基于Logistic曲線的等級評價模型；其中/(i)的計算公式如下y*(o=(5)她雖,/S)=I]f=1(y*(i)-y(O)2(6)式中y*(i)為第i個評級區(qū)域的等級計算值；最高等級N為該曲線的上限值；z*(i)為第i個樣本的投影值；a、P為待定參數(shù)，其數(shù)值可由公式(6)確定。在上述基于浮動車數(shù)據(jù)的宏觀路網(wǎng)交通狀態(tài)評價方法中，所使用的評價指標為4個，分別是最小平均行程時間Tm、路網(wǎng)運行阻尼系數(shù)n、路網(wǎng)擁堵指數(shù)c和主干道交通狀態(tài)參量S;其中，Tm和n為現(xiàn)有宏觀交通流理論參數(shù)；C和S的計算方法如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>式中，C網(wǎng)擁堵指數(shù)，S為主干道交通狀態(tài)參量，Tm為最小平均行程時間，Tij為第i個車輛在第j個路段所用的行程時間，路段長度為Lj;Lengthi為第i條主干道道路長度；M為區(qū)域路網(wǎng)被采樣到的路段數(shù)量，N為觀測周期該路段的浮動車數(shù)量。在上述基于浮動車數(shù)據(jù)的宏觀路網(wǎng)交通狀態(tài)評價方法中，所用到的基于Logistic曲線的等級評價模型將區(qū)域路網(wǎng)的運行狀態(tài)劃分為暢通、基本暢通、輕微擁堵、擁堵、嚴重擁堵五個等級。本發(fā)明具有以下有益效果1.在宏觀尺度上研究整體路網(wǎng)交通狀態(tài)的變化，運用模型的方法揭示路網(wǎng)點、線、面的交通流特性及其相互聯(lián)系，運用模型的方法揭示路網(wǎng)點、線、面的交通流特性及其相互聯(lián)系，有效避免了過去只著眼于各個微觀層面交通設施進行評價的缺陷。2.可應用于交通信息服務、交通誘導等系統(tǒng)中，以更合理的控制交通出行，緩解交通擁堵狀況；本發(fā)明通過對路網(wǎng)運行狀態(tài)的評價和定量分析，可為交通管理和交通控制效果評價提供理論支持，本發(fā)明提高城市機動性；可為路網(wǎng)布局或土地利用規(guī)劃提供決策支持，為交通規(guī)劃部門提供科學依據(jù)。圖1城市宏觀路網(wǎng)交通狀態(tài)評價方法流程圖；圖2實例中樣本點投影值和標準等級的散點圖；圖3實例中交通狀態(tài)(五級)的三維顯示圖。具體實施例方式本發(fā)明以北京市朝陽區(qū)工作日早高峰時段的交通狀態(tài)為例進行路網(wǎng)交通狀態(tài)評價，實施步驟如下(1)計算評價指標，運用公式(1)和(2)，結(jié)合宏觀交通流理論求解選定區(qū)域評價指標Tm、n、C和S的計算值，計算結(jié)果見表2。(2)構(gòu)造評價目標函數(shù)，本發(fā)明評價指標共有4個，為4維數(shù)據(jù)，故n=4，從而模型的目標函數(shù)構(gòu)造如下F(x)=[4(x)，f2(x)，f3(x)，f4(x)]t(3)構(gòu)造指標向量，本案例選取朝陽區(qū)的20個分區(qū)為評價區(qū)域，故u=20，從而指標向量構(gòu)造如下Fk=[fu，f2,k，f3k，f4,jTk=1，2，...，20。(4)本發(fā)明將城市路網(wǎng)交通狀態(tài)等級分為五級暢通，基本暢通、輕微擁堵、擁堵和嚴重擁堵，通過公式(5)確定宏觀路網(wǎng)交通狀態(tài)評價等級劃分標準，如表1所示。表1路網(wǎng)交通狀態(tài)宏觀評價指標閾值<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>(5)確定模型投影方向本發(fā)明采用Matlab7.3隨機在各評價等級內(nèi)產(chǎn)生100個樣本及相應的等級，遺傳算法優(yōu)化過程選定父代初始種群規(guī)模n=400，交叉概率為0.80，變異概率為0.80，優(yōu)秀個體數(shù)目選定為20個，a=0.05，加速次數(shù)為5，當最優(yōu)個體的目標函數(shù)值小于0.0001時結(jié)束算法，得出最大投影指標值為0.9525。求得最佳投影方向為&*=(0.5894，0.5279，0.3783，0.4805)，最佳投影方向各分量的絕對值大小實質(zhì)上反映了各評價指標對路網(wǎng)交通狀態(tài)等級的影響程度，各分量絕對值越大，則相應的評價指標對評價等級結(jié)果的影響程度就越大。(6)基于Logistic曲線的等級評價模型在交通狀態(tài)各等級取值范圍內(nèi)隨機產(chǎn)生若干個評價指標值，和對應交通狀態(tài)標準等級組成樣本系列，將最佳投影方向^代入式(5)計算得到第i個樣本的投影值z*(i)，如表2所示。z*(i)_y(i)的散點圖反映出z*(i)和y(i)之間呈上下段有限、中間段變化迅速的單調(diào)遞增關(guān)系，如圖2所示。表2交通狀態(tài)等級的標準值和投影尋蹤等級評價計算值對比<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>采用式(7)來描述圖2所示的z、i)和y(i)的關(guān)系，式中參數(shù)N為5，對(8)采用遺傳算法求解得到a、|3分別為1.2204和-1.667，由此得到交通狀態(tài)的投影尋蹤等級評價模型為y*=1+el.22045,7(0至此，完成宏觀路網(wǎng)交通狀態(tài)評價的計算工作(如表2所示)，y*(i)為第i個評價區(qū)域的交通狀態(tài)宏觀評價等級計算值；與之對應的y(i)第i個評價區(qū)域交通狀態(tài)所在的宏觀評價等級。模型的評價結(jié)果如圖3所示。圖中以不同色彩灰度表示交通狀態(tài)的暢通與擁擠程度，最深顏色(黑色)表示嚴重擁堵，隨著色彩灰度的不斷變淺依次表示擁堵、輕微擁堵、基本暢通、暢通狀態(tài)；以區(qū)塊的高差表示交通狀態(tài)的投影尋蹤模型評價計算值，反映出處于同樣的標準等級下的不同路網(wǎng)之間的交通狀態(tài)差異。通過圖3可以看出，朝陽區(qū)早高峰時段CBD區(qū)域的交通狀態(tài)較為擁擠，需采取一定的管理與控制措施加以改進；其他區(qū)域的交通狀態(tài)基本屬于暢通或輕微擁堵狀況，處于可接受范圍。對比表2中的交通狀態(tài)等級的標準值、計算值和表l，基于投影尋蹤的等級評價模型是合理的，它進一歩刻畫了各評價指標數(shù)量差異對交通狀態(tài)等級判定的影響。y*(i)和y(i)的間的誤差分析(見表3)結(jié)果表明本文模型能夠較好的描述各交通狀態(tài)評價指標和等級之間的關(guān)系，準確性較高。圖3為根據(jù)等級評價結(jié)果得到的北京市朝陽區(qū)工作日早高峰時段的交通狀態(tài)三維分級圖。以不同色彩灰度表示交通狀態(tài)的暢通與擁擠程度，最深顏色(黑色)表示嚴重擁堵，隨著色彩灰度的不斷變淺依次表示擁堵、輕微擁堵、基本暢通、暢通狀態(tài)；以區(qū)塊的高差表示交通狀態(tài)的投影尋蹤模型評價計算值，在表征各區(qū)域交通狀態(tài)的同時，還能反映出了處于同樣的標準等級下的不同路網(wǎng)之間的交通狀態(tài)差異。表3交通狀態(tài)等級的標準值和投影尋蹤等級評價計算值對比誤差絕對值落在下列區(qū)間的百分比<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>權(quán)利要求基于浮動車數(shù)據(jù)的宏觀路網(wǎng)交通狀態(tài)評價方法，其特征在于，應用安裝有全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)設備的浮動車系統(tǒng)進行行程時間數(shù)據(jù)的采集，再利用地理信息系統(tǒng)技術(shù)進行數(shù)據(jù)處理，獲得測度各項交通狀態(tài)評價指標，然后利用宏觀路網(wǎng)交通狀態(tài)評價模塊進行評價，其中宏觀路網(wǎng)交通狀態(tài)評價模塊包括目標函數(shù)構(gòu)造模塊(1)、指標向量構(gòu)造模塊(2)、理想?yún)^(qū)間向量構(gòu)造模塊(3)、評價指標權(quán)重值確定模塊(4)、評價等級確定模塊(5)；利用前述所構(gòu)建的評價模塊進行宏觀路網(wǎng)交通狀態(tài)評價，基于浮動車數(shù)據(jù)的宏觀路網(wǎng)交通狀態(tài)評價方法的具體步驟如下1)數(shù)據(jù)獲取，以交通網(wǎng)格為單位將城市路網(wǎng)劃分為若干個區(qū)域，應用安裝有全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)設備的浮動車系統(tǒng)采集行程時間數(shù)據(jù)，在地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)支持下，運用宏觀交通流理論計算各評價指標；2)構(gòu)造評價目標函數(shù)，選用評價標準所控制的n個指標來綜合評價城市路網(wǎng)交通狀態(tài)，由此構(gòu)造模型的目標函數(shù)，即F(x)＝[f1(x)，f2(x)，...fj(x)，...，fn(x)]T(1)式中F(x)為目標函數(shù)，fj(x)為第j個指標，j＝1，2，...，n；3)構(gòu)造指標向量，即代表評價區(qū)域的各項評價指標值Fk＝[f1，k，f2，k，...fj，k，...，fn，k]T(2)式中Fk為評價區(qū)域指標向量，k表示第k個評價區(qū)域，k＝1，2，...，u，u為評價區(qū)域個數(shù)；4)構(gòu)造理想?yún)^(qū)間向量，利用每一等級各評價指標閾值構(gòu)成理想?yún)^(qū)間向量，確定宏觀路網(wǎng)交通狀態(tài)評價等級劃分標準，即式中Fi*為理想?yún)^(qū)間向量，i＝1，2，...，m，m為等級個數(shù)，fj，i*表示第i個等級第j個標準指標所對應指標變化區(qū)間，aj，i，bj，i分別為第i個等級第j個標準指標所對應指標變化區(qū)間的下限值和上限值；5)確定評價投影方向，在各標準等級理想?yún)^(qū)間內(nèi)，利用均勻隨機數(shù)產(chǎn)生若干個樣本值，并對各指標進行無量綱化處理，利用投影尋蹤法確定其一維投影值z(i)；然后，用實數(shù)編碼加速遺傳算法(RAGA)推求最佳投影方向a*；用到的公式如下式中z(i)為一維投影值，{x(i，j)|i＝1，2，...，m；j＝1，2，...n}為利用均勻隨機數(shù)產(chǎn)生若干個樣本值，a＝(a(1)，a(2)，...，a(n))為投影方向；6)建立基于Logistic曲線的等級評價模型，確定評價區(qū)域的交通狀態(tài)評價等級；根據(jù)最佳投影方向的估計值a*推求第i個樣本的投影值z*(i)；按公式(5)求解等級計算值y*(i)，對y*(i)取整數(shù)，即得到該評價區(qū)域交通狀態(tài)宏觀評價的等級；根據(jù)z*(i)和樣本對應的標準等級y(i)的散點圖建立基于Logistic曲線的等級評價模型；其中y*(i)的計算公式如下式中y*(i)為第i個評級區(qū)域的等級計算值；最高等級N為該曲線的上限值；z*(i)為第i個樣本的投影值；α、β為待定參數(shù)，其數(shù)值可由公式(6)確定。dest_path_FA20183078200910088917001C00011.tif,dest_path_FA20183078200910088917001C00012.tif,dest_path_FA20183078200910088917001C00021.tif,dest_path_FA20183078200910088917001C00022.tif2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于浮動車數(shù)據(jù)的宏觀路網(wǎng)交通狀態(tài)評價方法，其特征在于，所述的評價指標為4個，分別是最小平均行程時間Tm、路網(wǎng)運行阻尼系數(shù)n、網(wǎng)擁堵指數(shù)C和主干道交通狀態(tài)參量S;其中，Tm和n為現(xiàn)有宏觀交通流理論參數(shù)；C和S的計算方法如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>式中，C網(wǎng)擁堵指數(shù)，S為主干道交通狀態(tài)參量，Tm為最小平均行程時間，為第車輛在第j個路段所用的行程時間，路段長度為Lj;Lengthi為第i條主干道道路長度；M為區(qū)域路網(wǎng)被采樣到的路段數(shù)量，N為觀測周期該路段的浮動車數(shù)量。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于浮動車數(shù)據(jù)的宏觀路網(wǎng)交通狀態(tài)評價方法，其特征在于，所述的基于Logistic曲線的等級評價模型將區(qū)域路網(wǎng)的運行狀態(tài)劃分為暢通、基本暢通、輕微擁堵、擁堵、嚴重擁堵五A」全文摘要基于浮動車數(shù)據(jù)的宏觀路網(wǎng)交通狀態(tài)評價方法，涉及宏觀交通流領(lǐng)域。本發(fā)明應用安裝有全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)設備的浮動車系統(tǒng)進行行程時間數(shù)據(jù)的采集，再利用地理信息系統(tǒng)技術(shù)進行數(shù)據(jù)處理，獲得測度各項交通狀態(tài)評價指標，然后分別依次構(gòu)造評價目標函數(shù)、指標向量、理想?yún)^(qū)間向量，確定評價指標權(quán)重值模，最后利用投影尋蹤方法確定宏觀路網(wǎng)交通狀態(tài)的評價等級。本發(fā)明所使用的評價指標為4個，分別是最小平均行程時間Tm、路網(wǎng)運行阻尼系數(shù)η、路網(wǎng)擁堵指數(shù)C和主干道交通狀態(tài)參量S。本發(fā)明實現(xiàn)了針對城市路網(wǎng)運行狀態(tài)的宏觀評價，為交通管理、交通規(guī)劃和決策提供了有效的分析工具，使得城市宏觀路網(wǎng)交通狀態(tài)評價更加完整、可靠。文檔編號G06Q50/00GK101794507SQ20091008891公開日2010年8月4日申請日期2009年7月13日優(yōu)先權(quán)日2009年7月13日發(fā)明者周翔,翁劍成,榮建,鄒文杰申請人:北京工業(yè)大學