本發(fā)明涉及一種基于車(chē)聯(lián)網(wǎng)的城市干道車(chē)輛行程時(shí)間實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)方法，屬于智能交通技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

城市干道路段車(chē)輛行程時(shí)間預(yù)測(cè)一直是交通管理與控制領(lǐng)域的難題，特別是針對(duì)單個(gè)車(chē)輛的路段行程時(shí)間進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)，個(gè)性化的實(shí)時(shí)行程時(shí)間獲取難度大。以往的行程時(shí)間預(yù)測(cè)大多基于檢測(cè)器采集的歷史數(shù)據(jù)來(lái)獲取所有車(chē)輛在一段時(shí)間內(nèi)的平均行程時(shí)間，缺乏實(shí)時(shí)性和針對(duì)性，而單個(gè)車(chē)輛的行程時(shí)間實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)相比平均行程時(shí)間對(duì)于出行者來(lái)說(shuō)更具價(jià)值。

隨著城市道路交通問(wèn)題日益嚴(yán)峻，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)逐漸延伸到智能交通領(lǐng)域從而誕生了車(chē)聯(lián)網(wǎng)這個(gè)新興概念。車(chē)聯(lián)網(wǎng)通過(guò)裝載在車(chē)輛及道路上的電子設(shè)備，借助無(wú)線射頻等識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛的屬性信息、動(dòng)態(tài)和靜態(tài)的數(shù)據(jù)信息的獲取，能實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效地將車(chē)輛的速度、位置、時(shí)刻等信息發(fā)送給接收基站，車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可運(yùn)用于智能交通運(yùn)輸領(lǐng)域的管理，能提高城市道路交通系統(tǒng)的運(yùn)行效率。隨著先進(jìn)的城市交通管理系統(tǒng)，特別是智能交通領(lǐng)域中車(chē)聯(lián)網(wǎng)的逐步發(fā)展，城市干道路段行程時(shí)間的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)變得可行。如果能夠?yàn)槌鲂姓咛峁﹤€(gè)性化的、實(shí)時(shí)的路段行程時(shí)間預(yù)測(cè)，一方面可為出行者提供實(shí)時(shí)高效的行程時(shí)間信息供其進(jìn)行更加合理的路徑規(guī)劃，有助于緩解交通擁擠；另一方面，路段行程時(shí)間實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)可讓管理者更高效管理城市道路系統(tǒng)。然而，目前尚未發(fā)現(xiàn)有此類(lèi)技術(shù)被公開(kāi)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種基于車(chē)聯(lián)網(wǎng)的城市干道車(chē)輛行程時(shí)間實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)方法，可實(shí)現(xiàn)對(duì)城市干道中任一車(chē)輛的行程時(shí)間進(jìn)行準(zhǔn)確地實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)。

本發(fā)明具體采用以下技術(shù)方案解決上述技術(shù)問(wèn)題：

基于車(chē)聯(lián)網(wǎng)的城市干道車(chē)輛行程時(shí)間實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)方法，所述城市干道中所有車(chē)輛均為車(chē)聯(lián)網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)；該方法包括以下步驟：

步驟1、獲取待研路段在上一信號(hào)控制周期中的排隊(duì)累積沖擊波波速u(mài)_w和排隊(duì)消散沖擊波波速w，并根據(jù)以下公式計(jì)算待研路段在當(dāng)前信號(hào)控制周期中車(chē)輛的最大排隊(duì)長(zhǎng)度q_max以及排隊(duì)延誤最大時(shí)的排隊(duì)長(zhǎng)度q_m：

其中，u_f表示車(chē)輛在待研路段上的自由流速度；r為待研路段的信號(hào)控制紅燈時(shí)間；

步驟2、以待研路段上一信號(hào)控制周期的紅燈結(jié)束時(shí)刻為時(shí)間原點(diǎn)，確定當(dāng)前信號(hào)控制周期的四個(gè)臨界時(shí)間點(diǎn)t₀、t₁、t₂、t₃：

其中，L為待研路段的長(zhǎng)度；γ_a、γ_d分別為待研路段的車(chē)輛加速速率、車(chē)輛減速速率；l_s為車(chē)輛的有效長(zhǎng)度；g為待研路段的信號(hào)控制綠燈時(shí)間；

步驟3、根據(jù)待研車(chē)輛進(jìn)入待研路段的時(shí)間點(diǎn)t_in，計(jì)算待研車(chē)輛在待研路段的行程時(shí)間預(yù)測(cè)值TT(t_in)，具體如下：

如t₀≤t_in＜t₁，則：

式中，L_s為路段總長(zhǎng)度減去交叉口長(zhǎng)度；min(·)、max(·)分別表示取最小值、取最大值；

如t₁≤t_in＜t₂，則：

如t₂≤t_in≤t₃，則：

優(yōu)選地，按照以下方法獲取待研路段在當(dāng)前信號(hào)控制周期中的排隊(duì)累積沖擊波波速u(mài)_w和排隊(duì)消散沖擊波波速w：

選取上一信號(hào)控制周期中先、后進(jìn)入待研路段的兩輛接入車(chē)聯(lián)網(wǎng)的車(chē)輛分別作為第一探測(cè)車(chē)和第二探測(cè)車(chē)，然后根據(jù)以下公式計(jì)算u_w、w：

其中，t₁'、t'₂分別為第一探測(cè)車(chē)、第二探測(cè)車(chē)剛加入待研路段交叉口排隊(duì)隊(duì)列時(shí)的時(shí)刻；d₁'、d'₂分別為第一探測(cè)車(chē)、第二探測(cè)車(chē)剛加入待研路段交叉口排隊(duì)隊(duì)列時(shí)距停車(chē)線的距離；t₁"、t₂"分別為第一探測(cè)車(chē)、第二探測(cè)車(chē)在排隊(duì)隊(duì)列中剛開(kāi)始移動(dòng)的時(shí)刻；d₁"、d₂"分別為第一探測(cè)車(chē)、第二探測(cè)車(chē)在排隊(duì)隊(duì)列中剛開(kāi)始移動(dòng)時(shí)距停車(chē)線的距離。

相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果：

傳統(tǒng)的行程時(shí)間預(yù)測(cè)大多數(shù)是根據(jù)檢測(cè)器等所采集到得歷史數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)路段上所有車(chē)輛行程時(shí)間的平均值，缺乏實(shí)時(shí)性和針對(duì)性。本發(fā)明可以實(shí)時(shí)地預(yù)測(cè)單個(gè)車(chē)輛的行程時(shí)間，可以為駕駛員提供有效的出行信息以助于路徑規(guī)劃，促使路網(wǎng)上的交通流更加合理分配，有助于緩解交通擁擠。通過(guò)實(shí)時(shí)的行程時(shí)間預(yù)測(cè)，可對(duì)城市干道路段的信號(hào)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，并且為交通管理與控制的決策提供輔助支撐，可讓城市道路管理者更高效地監(jiān)控和管理城市道路系統(tǒng)。

附圖說(shuō)明

圖1是城市干道路段示意圖；

圖2a～圖2d是采集交通沖擊波的原理示意圖；

圖3是排隊(duì)延誤計(jì)算示意圖；

圖4是不同臨界時(shí)間車(chē)輛時(shí)空軌跡示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明：

本發(fā)明的發(fā)明思路是在車(chē)聯(lián)網(wǎng)背景下，提供一種城市干道車(chē)輛行程時(shí)間實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)方法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)城市干道中任一車(chē)輛的行程時(shí)間進(jìn)行準(zhǔn)確地實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)。在車(chē)聯(lián)網(wǎng)背景下，車(chē)輛對(duì)車(chē)輛(V2V)和車(chē)輛對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施(V2I)通過(guò)無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)車(chē)輛與環(huán)境之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互。該技術(shù)不僅車(chē)輛可以相互之間實(shí)現(xiàn)互動(dòng)，而且可以2000米范圍內(nèi)的交通信號(hào)燈、路標(biāo)等周邊基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行互動(dòng)。如可當(dāng)前信號(hào)相位及持續(xù)時(shí)長(zhǎng)發(fā)送給駕駛員。

對(duì)于圖1所示的待研城市干道路段，其中的車(chē)輛均為車(chē)聯(lián)網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)，車(chē)與車(chē)之間以及車(chē)與基站之間可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的信息交互。該路段長(zhǎng)度為L(zhǎng)，在交叉口處布設(shè)有信號(hào)機(jī)以及信號(hào)燈，可通過(guò)車(chē)聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)采集信號(hào)控制紅燈時(shí)間r、綠燈時(shí)間g，并可根據(jù)該路段歷史數(shù)據(jù)獲取車(chē)輛在路段上的自由流速度u_f，車(chē)輛加速度γ_a和減速度γ_d。

在對(duì)進(jìn)入該路段的任一車(chē)輛進(jìn)行行程時(shí)間預(yù)測(cè)時(shí)，可按照以下步驟：

步驟1：獲取待研路段上一信號(hào)控制周期中的排隊(duì)累積沖擊波波速u(mài)_w和排隊(duì)消散沖擊波波速w，并計(jì)算待研路段在當(dāng)前信號(hào)控制周期中車(chē)輛的最大排隊(duì)長(zhǎng)度q_max以及排隊(duì)延誤最大時(shí)的排隊(duì)長(zhǎng)度q_m：

排隊(duì)累積沖擊波波速u(mài)_w和排隊(duì)消散沖擊波波速w的獲取可采用現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明優(yōu)選利用隨機(jī)選取的上一信號(hào)控制周期中先、后進(jìn)入待研路段的兩輛接入車(chē)聯(lián)網(wǎng)的車(chē)輛：探測(cè)車(chē)1、探測(cè)車(chē)2來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)探測(cè)車(chē)1剛加入交叉口排隊(duì)隊(duì)列時(shí)，播報(bào)所處時(shí)刻和距停車(chē)線距離，分別為t'₁，d'₁，如圖2a所示；當(dāng)探測(cè)車(chē)2剛加入交叉口排隊(duì)隊(duì)列時(shí)，播報(bào)所處時(shí)刻和距停車(chē)線距離，分別為t'₂，d'₂，如圖2b所示；當(dāng)探測(cè)車(chē)1在排隊(duì)隊(duì)列中剛開(kāi)始移動(dòng)時(shí)，播報(bào)所處時(shí)刻和據(jù)停車(chē)線的距離，分別為t"₁，d"₂，如圖2c所示；當(dāng)探測(cè)車(chē)2在排隊(duì)隊(duì)列中剛開(kāi)始移動(dòng)時(shí)，播報(bào)所處時(shí)刻和據(jù)停車(chē)線的距離，分別為t"₂，d"₂，如圖2d所示。

則可根據(jù)以下公式計(jì)算出排隊(duì)累積和排隊(duì)消散沖擊波波速分別為u_w，w：

設(shè)t_d為排隊(duì)長(zhǎng)度達(dá)到最大的時(shí)間，根據(jù)圖3中的幾何三角形得到以下等式：

因此，在當(dāng)前周期車(chē)輛的最大排隊(duì)長(zhǎng)度排隊(duì)延誤最大時(shí)的排隊(duì)長(zhǎng)度

步驟2、臨界時(shí)間點(diǎn)計(jì)算：

車(chē)輛進(jìn)入路段的時(shí)間t_in以紅燈結(jié)束時(shí)刻為原點(diǎn)。臨界時(shí)間點(diǎn)是針對(duì)進(jìn)入路段的時(shí)刻而言，在不同的臨界時(shí)間點(diǎn)前后進(jìn)入路段的車(chē)輛將經(jīng)歷不同的路段行程時(shí)間。

通常進(jìn)入路段的車(chē)輛通過(guò)交叉口時(shí)將會(huì)遇到以下三種情況之一：由于紅燈相位或者需要排隊(duì)而產(chǎn)生完全停車(chē)，即停車(chē)后通過(guò)交叉口；減速至某一速度加入到正在移動(dòng)的隊(duì)列，即減速通過(guò)交叉口；直接通過(guò)交叉口。這三種情況分別對(duì)應(yīng)三種不同的交叉口延誤，存在四個(gè)臨界時(shí)間點(diǎn)t₀，t₁，t₂，t₃用以劃分三種情況下車(chē)輛的進(jìn)入路段所對(duì)應(yīng)的臨界時(shí)間區(qū)段。

步驟2.1：確定臨界時(shí)間點(diǎn)t₀：

如果當(dāng)車(chē)輛進(jìn)入路段，剩余的綠燈時(shí)間小于需要的最小旅行時(shí)間，所述車(chē)輛將會(huì)停車(chē)等待下一個(gè)綠燈時(shí)間，如果車(chē)輛在剛到達(dá)交叉口時(shí)信號(hào)燈恰從綠燈變成紅燈，可倒推出車(chē)輛進(jìn)入路段的時(shí)間第一臨界時(shí)間點(diǎn)t₀由下式計(jì)算：

其中，r為紅燈時(shí)間，L為路段長(zhǎng)度，u_f為自由流速度。在臨界時(shí)間點(diǎn)t₀之后進(jìn)入路段的車(chē)輛應(yīng)減速停車(chē)并在交叉口排隊(duì)等候。

步驟2.2：確定臨界時(shí)間點(diǎn)t₁：

當(dāng)信號(hào)燈由紅燈變成綠燈時(shí)，隊(duì)首的車(chē)輛開(kāi)始啟動(dòng)，排隊(duì)消散波開(kāi)始向后傳播，如果更多的車(chē)輛在消散過(guò)程中到達(dá)，排隊(duì)將會(huì)增加，直到最后一輛排隊(duì)車(chē)輛開(kāi)始移動(dòng)。當(dāng)車(chē)輛恰好在排隊(duì)消散波傳到隊(duì)列尾部時(shí)加入隊(duì)列，這個(gè)車(chē)輛將成為最后一輛需要完全停車(chē)的車(chē)輛，此車(chē)進(jìn)入路段的時(shí)間為第二臨界時(shí)間點(diǎn)t₁。

當(dāng)車(chē)輛在時(shí)刻t_d時(shí)到達(dá)排隊(duì)隊(duì)列的末尾，將成為最后一輛需要完全停車(chē)的車(chē)輛，T₁代表車(chē)輛以完全停車(chē)狀態(tài)加入隊(duì)列之前所需要的時(shí)間。那么有車(chē)輛行駛的距離等于路段長(zhǎng)度減去除去車(chē)輛有效長(zhǎng)度的排隊(duì)長(zhǎng)度，可以計(jì)算出T₁。

其中，γ_d為車(chē)輛減速速率，l_s為車(chē)輛的有效長(zhǎng)度。

因此，臨界時(shí)間點(diǎn)在t₀和t₁之間進(jìn)入路段的車(chē)輛當(dāng)其通過(guò)交叉口時(shí)需要完全停車(chē)。

步驟2.3：確定臨界時(shí)間點(diǎn)t₂：

當(dāng)最后一輛排隊(duì)車(chē)輛由速度0加速至自由流速度，恰好有一輛車(chē)輛不需要減速，以自由流速度接入正在消散的隊(duì)列，該車(chē)輛進(jìn)入路段的臨界時(shí)間點(diǎn)為t₂。假設(shè)不需要減速的車(chē)輛加入移動(dòng)的隊(duì)列的時(shí)間為T(mén)₂，隊(duì)列最后一輛車(chē)距停車(chē)線的距離等于路段長(zhǎng)度減去不需要減速加入移動(dòng)隊(duì)列的車(chē)輛行駛的距離。那么：

其中，γ_a為加速率；為隊(duì)列向前移動(dòng)的距離。

車(chē)輛在時(shí)刻到達(dá)隊(duì)列的尾部，此時(shí)隊(duì)列達(dá)到最大排隊(duì)長(zhǎng)度，然后車(chē)輛加速至自由流速度，被認(rèn)為是進(jìn)入路段但是不需要減速的臨界時(shí)間點(diǎn)。

步驟2.4：確定臨界時(shí)間點(diǎn)t₃：

最后，對(duì)于那些進(jìn)入路段時(shí)剩余綠燈時(shí)間不足以讓該車(chē)輛通過(guò)交叉口，將在交叉口停車(chē)。該車(chē)輛進(jìn)入路段的時(shí)間為t₃：

步驟3：進(jìn)入路段的關(guān)鍵時(shí)間區(qū)域判別及延誤計(jì)算：

車(chē)輛進(jìn)入該路段的時(shí)刻可分為三種情況：

(1)車(chē)輛在t₀到t₁之間進(jìn)入路段，車(chē)輛在交叉口之前需完全停車(chē)排隊(duì)；

(2)車(chē)輛在t₁到t₂之間進(jìn)入路段，車(chē)輛將會(huì)減速通過(guò)交叉口；

(3)車(chē)輛在t₂到t₃之間進(jìn)入路段，車(chē)輛將不減速直接通過(guò)交叉口。

判斷車(chē)輛進(jìn)入路段的時(shí)間t_in屬于(1)-(3)的哪種情況，從而分別預(yù)測(cè)交叉口延誤。車(chē)輛在路段上的行程時(shí)間包括兩部分：運(yùn)行時(shí)間和交叉口延誤。運(yùn)行時(shí)間是指在路段上以自由流行駛的時(shí)間，為固定值；交叉口延誤包括信號(hào)延誤和排隊(duì)延誤。信號(hào)延誤包括車(chē)輛減速時(shí)間D_d、紅燈等待時(shí)間D_W、車(chē)輛加速時(shí)間D_a；排隊(duì)延誤D_q為等待排隊(duì)消散的時(shí)間。以下分情況進(jìn)行分析討論：

(1)：在t₀和t₁進(jìn)入路段的車(chē)輛將會(huì)經(jīng)歷減速延誤D_d，加速延誤D_a，排隊(duì)延誤D_q以及等待延誤D_w，等待延誤主要是指在停車(chē)線前的等待時(shí)間。

計(jì)算減速延誤D_d、加速延誤D_a：

以自由流速度經(jīng)過(guò)減速或者加速區(qū)段與減速或者加速時(shí)間的差值即可得到D_d和D_a：

計(jì)算等待延誤D_w：

當(dāng)處于紅燈相位時(shí)車(chē)輛到達(dá)排隊(duì)，將會(huì)產(chǎn)生等待時(shí)間，即等待剩下的紅燈時(shí)間。假設(shè)排隊(duì)從紅燈相位一開(kāi)始便以沖擊波速u(mài)_w累積，當(dāng)車(chē)輛到達(dá)排隊(duì)隊(duì)列尾部時(shí)，排隊(duì)長(zhǎng)度為(t_in+r+T₃)·u_w，T₃是車(chē)輛到達(dá)排隊(duì)隊(duì)列之前所經(jīng)歷的時(shí)間。

q(t_in)是當(dāng)車(chē)輛在t_in時(shí)刻進(jìn)入路段時(shí)直到到達(dá)排隊(duì)隊(duì)列尾部時(shí)將會(huì)遇到的排隊(duì)長(zhǎng)度。

其中，t_q是車(chē)輛到達(dá)排隊(duì)隊(duì)列尾部的時(shí)刻，如果t_q＜0，D_w＝-t_q；否則D_w＝0。

計(jì)算排隊(duì)延誤D_q：

在時(shí)間t_in進(jìn)入路段的車(chē)輛的排隊(duì)延誤由三部分組成。根據(jù)步驟1得到的q_max和q_m，分別有：

D_q＝d_q1+d_q2+d_q3

因此，車(chē)輛在該路段的行程時(shí)間預(yù)測(cè)值為：

將各參數(shù)代入可得：

(2)：在t₁與t₂之間進(jìn)入路段的車(chē)輛會(huì)經(jīng)歷減速延誤D_d'、加速延誤D_a'，不經(jīng)歷排隊(duì)延誤D_q和等待延誤D_w。

減速延誤D_d'計(jì)算:

在t₁與t₂之間進(jìn)入路段的車(chē)輛將減速通過(guò)交叉口。車(chē)輛加入隊(duì)列的速度取決于其進(jìn)入時(shí)間，在t₁到t₂之間進(jìn)入路段的車(chē)輛其速度會(huì)在0到u_f之間發(fā)生線性變化。進(jìn)入路段t_in的速度為：

車(chē)輛從自由流速度減速至u將經(jīng)歷的減速延誤為

加速延誤D_a'計(jì)算：

在車(chē)輛減速接入消散隊(duì)列之后，將逐漸加速至自由流速度，車(chē)輛從u加速到u_f所經(jīng)歷的加速延誤為：

因此，待研車(chē)輛在該路段的行程時(shí)間預(yù)測(cè)值為：

上式又可寫(xiě)為：

(3)：車(chē)輛在t₂到t₃之間進(jìn)入路段，將不會(huì)經(jīng)歷任何延誤。因此，待研車(chē)輛在該路段的行程時(shí)間預(yù)測(cè)值為：

為了驗(yàn)證本發(fā)明效果進(jìn)行了以下驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)：

(1)采集到某城市干道路段長(zhǎng)度為L(zhǎng)_s為176.58m，自由流速度u_f為14.72m/s，車(chē)輛加速度γ_a為2.0m/s²，車(chē)輛減速度γ_d為1.8m/s²，交叉口信號(hào)燈紅燈時(shí)間r為71s，綠燈時(shí)間g為80s。

(2)探測(cè)車(chē)采集到交通沖擊波數(shù)據(jù)u_w＝0.6m/s，w＝4.25m/s，計(jì)算出t_d＝11.67s，q_max＝49.60m，q_m＝40.93m。

(3)計(jì)算出t₀＝-83.00，t₁＝-1.52，t₂＝6.73，t₃＝68.00。

(4)由于在臨界時(shí)間點(diǎn)t₀到t₁進(jìn)入路段的車(chē)輛行程時(shí)間相對(duì)于其他兩個(gè)臨界時(shí)間段包含的延誤最多，計(jì)算最復(fù)雜，因此僅以車(chē)輛進(jìn)入時(shí)間t_in＝-24為例。計(jì)算得到減速延誤D_d＝4.09s，加速延誤D_a＝3.68s，排隊(duì)延誤D_q＝11.02s以及等待延誤D_w＝10.39s。

因此，車(chē)輛進(jìn)入路段時(shí)間t_in＝-24的車(chē)輛的路段行程時(shí)間實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)值為：

車(chē)輛進(jìn)入路段時(shí)間t_in＝-24的車(chē)輛的路段行程時(shí)間實(shí)測(cè)值為43.04s，誤差為4.5％，預(yù)測(cè)值誤差在可接受范圍。

在進(jìn)入路段時(shí)間為臨界時(shí)間區(qū)段t₁到t₂，t₂到t₃的車(chē)輛同理可求得車(chē)輛路段行程時(shí)間實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)值。