道路運(yùn)輸運(yùn)行監(jiān)測(cè)指標(biāo)計(jì)算技術(shù)淺析
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摘要：國(guó)內(nèi)外基于交通流數(shù)據(jù)直接進(jìn)行交通運(yùn)行計(jì)算的研究較少，大多停留在利用GPS數(shù)據(jù)直接獲取車輛位置的階段，對(duì)交通流數(shù)據(jù)的研究多集中在交通狀態(tài)的估計(jì)和預(yù)測(cè)。在參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對(duì)交通運(yùn)輸運(yùn)行監(jiān)測(cè)的實(shí)際技術(shù)需求，文章提出了多種技術(shù)方案構(gòu)成的交通運(yùn)輸運(yùn)行監(jiān)測(cè)技術(shù)體系，體系主要包括三個(gè)主要技術(shù)層次，分別為基礎(chǔ)技術(shù)層、關(guān)鍵技術(shù)層、評(píng)價(jià)技術(shù)層。
關(guān)鍵詞：道路運(yùn)輸監(jiān)測(cè)；速度模式提取；交通流
0引言
近年來(lái)，隨著交通運(yùn)輸行業(yè)的迅猛發(fā)展，交通信息化水平不斷提升，應(yīng)用軟件開發(fā)基礎(chǔ)逐步完善，充分挖掘利用已有信息系統(tǒng)和行業(yè)信息資源開展行業(yè)運(yùn)行監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)與分析，為交通規(guī)劃、行業(yè)監(jiān)管、科學(xué)決策提供技術(shù)支撐。為使指標(biāo)要素形成可計(jì)算、可度量的計(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)輸行業(yè)多源數(shù)據(jù)融合開展道路運(yùn)輸運(yùn)行監(jiān)測(cè)指標(biāo)計(jì)算模型研究。
1基礎(chǔ)技術(shù)研究
基礎(chǔ)技術(shù)層是交通運(yùn)輸運(yùn)行監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)，是核心技術(shù)的準(zhǔn)備性技術(shù)，主要包括地圖網(wǎng)格化技術(shù)、速度模式提取技術(shù)以及設(shè)備自檢和校準(zhǔn)技術(shù)。（1）地圖網(wǎng)格化技術(shù)地圖網(wǎng)格化技術(shù)是對(duì)GIS地圖的路段重劃分技術(shù)，遵循路段等長(zhǎng)劃分為主，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)劃分為輔的基本原則，將GIS地圖中的公路劃分為基本的路段單元。路段的重新劃分主要為了解決以下兩個(gè)方面的問(wèn)題：①路網(wǎng)中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的識(shí)別。公路運(yùn)行監(jiān)測(cè)的一個(gè)主要方面就是對(duì)公路基礎(chǔ)能力和基礎(chǔ)設(shè)施的監(jiān)測(cè)，其中路網(wǎng)中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)（如收費(fèi)站、可分流節(jié)點(diǎn)等）和關(guān)鍵路段（如隧道、橋梁）是評(píng)估公路基礎(chǔ)能力的重要因素。②速度模式提取和交通流構(gòu)建。地圖上公路的原始劃分是以路鏈為基本單元，但路鏈?zhǔn)遣坏乳L(zhǎng)的且長(zhǎng)度差異顯著，這就導(dǎo)致了以路鏈為基礎(chǔ)的速度模式提取存在較大的誤差，并且無(wú)法通過(guò)路鏈的自由組合以實(shí)現(xiàn)任意路段、路線和區(qū)域的監(jiān)測(cè)分析。以1公里為基本的路段單元，可以實(shí)現(xiàn)路段速度模式的精細(xì)提取，通過(guò)對(duì)路段單元的組合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)任意路段、路線以及區(qū)域的運(yùn)行監(jiān)測(cè)指標(biāo)的計(jì)算。路網(wǎng)的重新劃分可基于目前最新的GIS地圖，地圖上除了有某公路的最新布局，還包括公路上各種基礎(chǔ)設(shè)施、檢測(cè)設(shè)備、特殊路段（如橋隧）、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)（如可分流節(jié)點(diǎn)）的標(biāo)注信息。地圖劃分的主要思路如下：首先，針對(duì)每條公路，從地圖文件中提取某路段的連續(xù)的經(jīng)緯度序列。其次，確定每條公路的起止樁號(hào)。再次，從起始位置開始，利用距離計(jì)算算法將當(dāng)前公路進(jìn)行劃分，劃分的方式主要包括以下三種：以可分流節(jié)點(diǎn)為劃分節(jié)點(diǎn)；以特殊路段的起始點(diǎn)作為劃分節(jié)點(diǎn)；若無(wú)分流節(jié)點(diǎn)和特殊路段情況下，以1公里為基本的劃分單元。最后，以劃分的路段為基礎(chǔ)，形成公路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，包括各個(gè)路段單元的基本屬性（路段編碼、路段屬性、起始經(jīng)度、起始緯度、路段上設(shè)備ID、路段長(zhǎng)度、下一路段編碼等）以及各個(gè)路段之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。在路網(wǎng)重新劃分的基礎(chǔ)上，路網(wǎng)拓?fù)渲写鎯?chǔ)了公路的所有基礎(chǔ)能力和基礎(chǔ)設(shè)備信息，對(duì)任意指定的空間范圍實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確快速的信息提取。指定公路的任意空間范圍，結(jié)合重新劃分得到的路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提取路段單元，分析符合要求的路段單元的基礎(chǔ)能力數(shù)據(jù)（如路網(wǎng)總里程、橋隧長(zhǎng)度、監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)量、監(jiān)測(cè)范圍等），得到基礎(chǔ)能力信息，提取步驟如下：第一步：指定需要提取公路基礎(chǔ)能力信息的空間范圍，如果是路段或路線可以采用經(jīng)緯度或樁號(hào)表達(dá)范圍，如果為區(qū)域則采用經(jīng)緯度表達(dá)范圍。第二步：結(jié)合重新劃分后路段單元的位置信息（經(jīng)緯度和樁號(hào)表達(dá)），提取在指定范圍內(nèi)的所有路段單元。第三步：結(jié)合路段單元的屬性信息（橋隧信息、檢測(cè)設(shè)備信息、服務(wù)區(qū)信息等）分析提取制定空間范圍內(nèi)的公路基礎(chǔ)能力信息。（2）路段速度模式提取技術(shù)在基于節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的交通流構(gòu)建模型中，當(dāng)車輛從節(jié)點(diǎn)進(jìn)入路段之后，需要為車輛設(shè)置初始速度。速度大小與所處的路段相關(guān)，因此結(jié)合大量的歷史交通數(shù)據(jù)，分車型的提取路段的經(jīng)驗(yàn)速度（自由流情境下），為車輛提供基本的速度參考，并作為后續(xù)速度實(shí)時(shí)調(diào)整（根據(jù)實(shí)時(shí)的車流量、天氣、占有率等）的基礎(chǔ)。因?yàn)榭紤]到測(cè)速儀數(shù)據(jù)質(zhì)量以及延誤的問(wèn)題，因此，路段速度模式提取以GPS數(shù)據(jù)和UGC數(shù)據(jù)作為主要數(shù)據(jù)源。GPS數(shù)據(jù)主要以“兩客一危”車輛的數(shù)據(jù)為主。UGC數(shù)據(jù)主要以私家車的數(shù)據(jù)為主。在進(jìn)行速度模式提取前，需先進(jìn)行路段匹配，其作用是將車輛的GPS軌跡點(diǎn)或UGC軌跡點(diǎn)投影到實(shí)際道路路段上，以確定車輛的道路匹配位置。在路段匹配的基礎(chǔ)上，可以得到路段上各種不同車型在不同時(shí)間的速度分布情況，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，獲取固定路段上不同時(shí)段、不同車型、不同車重的車輛的速度模式，為交通流構(gòu)建模型提供基礎(chǔ)的速度參考，即完成路段速度模式提取。（3）設(shè)備自檢和校準(zhǔn)技術(shù)為防止節(jié)點(diǎn)和測(cè)速儀的系統(tǒng)工作時(shí)鐘存在偏差，使得到的實(shí)時(shí)車輛位置與車輛的實(shí)際位置有較大誤差。因此需進(jìn)行設(shè)備自檢和時(shí)間校準(zhǔn)。設(shè)備自檢和校準(zhǔn)工作可按以下步驟實(shí)施，第一步：測(cè)速儀自檢和校準(zhǔn)；第二步：計(jì)算當(dāng)前車輛的GPS點(diǎn)與測(cè)速儀的位置點(diǎn)之間的距離，并與該車之前GPS點(diǎn)與當(dāng)前測(cè)速儀的距離對(duì)比；第三步：針對(duì)每個(gè)測(cè)速儀，剔除該測(cè)速儀下記錄的GPS點(diǎn)與測(cè)速儀距離超過(guò)閥值的車輛。第四步：計(jì)算每個(gè)測(cè)速儀中剩余車輛的GPS時(shí)間與測(cè)速儀檢測(cè)時(shí)間的時(shí)間偏差，并計(jì)算該測(cè)速儀中所有車輛時(shí)間偏差的平均值作為系統(tǒng)時(shí)間偏差；第五步：分析每個(gè)測(cè)速儀的系統(tǒng)時(shí)間偏差，若小于30秒則該測(cè)速儀的時(shí)間準(zhǔn)確，反之亦然。交通節(jié)點(diǎn)的自檢和校準(zhǔn)技術(shù)與測(cè)速儀的技術(shù)思路基本相同，但因?yàn)楣?jié)點(diǎn)處存在多個(gè)車道，因此，在節(jié)點(diǎn)自檢和校準(zhǔn)應(yīng)以車道數(shù)為單位進(jìn)行。
2關(guān)鍵技術(shù)研究
以前節(jié)為基礎(chǔ)，對(duì)交通運(yùn)輸運(yùn)行監(jiān)測(cè)的路徑選擇技術(shù)和基于節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的交通流構(gòu)建技術(shù)進(jìn)行分析。（1）路徑選擇技術(shù)交通流模型構(gòu)建的主要思想是實(shí)時(shí)計(jì)算公路所有車輛的位置，因?yàn)槭腔诼肪W(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，所以車輛在公路可分流節(jié)點(diǎn)的路徑選擇是模型的構(gòu)建的主要問(wèn)題，車輛路徑選擇技術(shù)的目的就是實(shí)時(shí)的判別車輛選擇的路徑，保證基于單車位置計(jì)算的交通流模型構(gòu)建的正確性。車輛在行駛時(shí)，主要存在靜態(tài)路徑選擇和動(dòng)態(tài)路徑選擇兩種方式。靜態(tài)路徑選擇方式是指公路上營(yíng)運(yùn)車輛（如兩客一危車輛）的路由選擇一般是固定的，針對(duì)這類車型，可以結(jié)合歷史數(shù)據(jù)，分析車輛的行駛路由，并將車輛的路由靜態(tài)存儲(chǔ)，當(dāng)檢測(cè)到車輛進(jìn)入時(shí)，使車輛以固定的路由行駛。動(dòng)態(tài)路徑選擇方式主要是指高速上的非營(yíng)運(yùn)車輛和新入網(wǎng)車輛路由選擇是動(dòng)態(tài)變化的，在分流節(jié)點(diǎn)存在多種可能的行駛路徑，針對(duì)該類車型，主要是結(jié)合實(shí)時(shí)的檢測(cè)器數(shù)據(jù)識(shí)別車輛的實(shí)際行駛路徑。靜態(tài)路徑推導(dǎo)是通過(guò)對(duì)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)的挖掘，提取營(yíng)運(yùn)車輛的固定行駛路由。首先應(yīng)結(jié)合車輛的登記信息，提取車輛基本信息；通過(guò)分析歷史監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)以及車輛的GPS數(shù)據(jù)，提取車輛的行駛路由，以基本路段單元表達(dá)；最后，分析連續(xù)多天歷史數(shù)據(jù)，確定每輛車的路由選擇的固定性，若路由選擇基本固定，則保存到靜態(tài)路徑表中，若路由存在顯著差異，則歸于動(dòng)態(tài)路徑推導(dǎo)。動(dòng)態(tài)路徑推導(dǎo)針對(duì)非營(yíng)運(yùn)性的車輛，在可分流節(jié)點(diǎn)處，路徑選擇是動(dòng)態(tài)變化的，需要結(jié)合監(jiān)測(cè)器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)識(shí)別實(shí)際行駛路徑。首先，當(dāng)車輛行駛到可分流節(jié)點(diǎn)時(shí)，初始狀態(tài)下，設(shè)定車輛同時(shí)在所有路徑行駛；然后在車輛位置更新的過(guò)程中，結(jié)合實(shí)時(shí)測(cè)速儀數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)信息，識(shí)別車輛的實(shí)際行駛路徑，并刪除其他路徑上該車行駛軌跡，保證車輛行駛路徑的唯一性。重復(fù)第一二步，直到車輛通過(guò)節(jié)點(diǎn)離開路網(wǎng)。當(dāng)檢測(cè)到車輛進(jìn)入監(jiān)測(cè)路網(wǎng)時(shí)，識(shí)別車輛是否為營(yíng)運(yùn)車輛并且在靜態(tài)路徑表中存在固定路由，若是則該車輛根據(jù)固定路由行駛，否則當(dāng)?shù)竭_(dá)可分流節(jié)點(diǎn)時(shí)，采用動(dòng)態(tài)路徑推導(dǎo)技術(shù)識(shí)別該車輛的實(shí)際行駛路徑。（2）交通流模型構(gòu)建技術(shù)目前，公路的運(yùn)行監(jiān)測(cè)主要基于各種斷面監(jiān)測(cè)設(shè)備，由于建設(shè)等原因，各種監(jiān)測(cè)設(shè)備的布設(shè)密度稀疏，導(dǎo)致公路運(yùn)行監(jiān)測(cè)誤差大、覆蓋率低、監(jiān)測(cè)不全面。為了提高公路運(yùn)行監(jiān)測(cè)的精度和全面性，提出了以監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)為主、測(cè)速儀數(shù)據(jù)輔助校準(zhǔn)的公路全樣本車輛實(shí)時(shí)位置計(jì)算技術(shù)?；诒O(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的交通流構(gòu)建技術(shù)是公路運(yùn)行監(jiān)測(cè)的核心技術(shù)，可以計(jì)算任意車輛在任意時(shí)間的路網(wǎng)位置，結(jié)合地圖網(wǎng)格化技術(shù)對(duì)路網(wǎng)的劃分，可以分析任意空間區(qū)域的實(shí)時(shí)車流量，車型占比，擁堵度，橋隧等特殊路段的車流量和車型分布，服務(wù)區(qū)等場(chǎng)站設(shè)施內(nèi)的車流量等監(jiān)測(cè)指標(biāo)以及實(shí)現(xiàn)對(duì)各種監(jiān)測(cè)指標(biāo)變化趨勢(shì)的預(yù)測(cè)。交通流構(gòu)建技術(shù)的基本原理為：以節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)和測(cè)速儀數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，并對(duì)融合數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)測(cè)，模型如下圖所示。交通流構(gòu)建模型的實(shí)現(xiàn)主要依托于路網(wǎng)重新劃分后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及基于路段的速度分布模式，結(jié)合實(shí)時(shí)的節(jié)點(diǎn)通行數(shù)據(jù)和測(cè)速儀數(shù)據(jù)，構(gòu)建公路全樣本車輛實(shí)時(shí)位置計(jì)算的高精度計(jì)算框架。流程如下：進(jìn)入監(jiān)測(cè)路段：當(dāng)檢測(cè)到車輛進(jìn)入監(jiān)測(cè)路段時(shí)，根據(jù)路段節(jié)點(diǎn)信息查找路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，獲得當(dāng)前車輛的初始位置和初始速度，并將該車輛的基本信息插入到最新位置。駛離監(jiān)測(cè)路段：當(dāng)檢測(cè)到車輛駛離監(jiān)測(cè)路段時(shí)，根據(jù)離開節(jié)點(diǎn)信息查找路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，獲得當(dāng)前車輛的終止位置，查找最新位置中該車輛的基本信息進(jìn)行刪除，并將該車輛的基本信息插入到歷史位置中。過(guò)測(cè)速儀：當(dāng)測(cè)速儀檢測(cè)到車輛時(shí)，根據(jù)測(cè)速儀編號(hào)查找路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，獲得當(dāng)前車輛的當(dāng)前位置和速度，并更新該車輛在最新位置中的基本信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛位置的校準(zhǔn)。位置計(jì)算：設(shè)定固定的時(shí)間作為定時(shí)更新的時(shí)間間隔，當(dāng)需要進(jìn)行位置更新時(shí)，首先將當(dāng)前最新位置保存到歷史位置，然后對(duì)最新位置中的所有車輛位置進(jìn)行定時(shí)更新。上述過(guò)程是一個(gè)不斷重復(fù)迭代的過(guò)程，該過(guò)程的輸出主要包括兩部分：第一是當(dāng)前路網(wǎng)上所有車輛的最新位置；第二是出現(xiàn)在被測(cè)路段上的所有車輛的歷史運(yùn)行軌跡。
3評(píng)價(jià)技術(shù)研究
基于節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的交通流構(gòu)建技術(shù)可以得到路網(wǎng)上的全樣本車輛的歷史軌跡數(shù)據(jù)，車輛的歷史軌跡是計(jì)算得到的虛擬軌跡而不是實(shí)際檢測(cè)到的，因此與車輛的實(shí)際位置必然存在誤差，誤差的大小反映了虛擬軌跡的可信程度以及優(yōu)化方向。因此針對(duì)交通流構(gòu)建模型實(shí)現(xiàn)結(jié)果的評(píng)價(jià)體系十分必要?；A(chǔ)數(shù)據(jù)中存在部分車輛（“兩客一危”）的GPS數(shù)據(jù)，由于GPS數(shù)據(jù)是車輛實(shí)際產(chǎn)生的位置數(shù)據(jù)，可信度和采樣頻率較高，可將GPS數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。結(jié)合GPS數(shù)據(jù)和基于交通流構(gòu)建模型得到的計(jì)算軌跡數(shù)據(jù)，選擇樣本車輛，對(duì)車輛位置計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，流程為對(duì)GPS數(shù)據(jù)和車輛虛擬軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行樣本車輛提取，其中GPS數(shù)據(jù)記為樣本車輛實(shí)際軌跡，車輛虛擬軌跡數(shù)據(jù)記為樣本車輛虛擬軌跡，兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行軌跡標(biāo)準(zhǔn)化處理（統(tǒng)一用里程樁號(hào)表達(dá)的方式），通過(guò)實(shí)際軌跡與虛擬軌跡對(duì)比，可得模型標(biāo)準(zhǔn)性評(píng)價(jià)結(jié)果。樣本包括計(jì)算軌跡樣本和GPS軌跡樣本，利用以下兩種方法評(píng)價(jià)樣本的選擇，得到評(píng)價(jià)系統(tǒng)的輸入樣本：隨機(jī)樣本選擇：隨機(jī)樣本選擇的目的是從整體上對(duì)車輛位置計(jì)算模型的定位效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，首先從檢測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)中提取當(dāng)天進(jìn)入高速的所有大客車的車牌，之后基于提取的車牌信息，隨機(jī)挑選有GPS數(shù)據(jù)的車輛并分別提取該車的GPS數(shù)據(jù)和計(jì)算軌跡作為評(píng)價(jià)系統(tǒng)的輸入樣本?；跍y(cè)速儀校正作用驗(yàn)證的樣本選擇：該類樣本的選擇是為了驗(yàn)證測(cè)速儀在車輛位置計(jì)算模型中發(fā)揮的作用而挑選的，首先提取同一天中測(cè)速儀數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)同時(shí)存在的車牌構(gòu)成車牌信息庫(kù)，基于提取的車牌信息，對(duì)所有車分別提取該車的GPS數(shù)據(jù)和計(jì)算軌跡作為評(píng)價(jià)系統(tǒng)的輸入樣本。評(píng)價(jià)實(shí)施：在將計(jì)算軌跡和實(shí)際軌跡標(biāo)準(zhǔn)化之后，通過(guò)匹配計(jì)算軌跡和實(shí)際軌跡的時(shí)間，得到計(jì)算軌跡和實(shí)際軌跡的評(píng)價(jià)序列，計(jì)算每一個(gè)軌跡對(duì)的位置偏差，分析計(jì)算軌跡與實(shí)際軌跡的相對(duì)誤差和絕對(duì)誤差，評(píng)價(jià)交通流構(gòu)建技術(shù)的實(shí)施效果。
4結(jié)語(yǔ)
針對(duì)交通運(yùn)輸運(yùn)行監(jiān)測(cè)的實(shí)際技術(shù)需求，本文提出了多種技術(shù)方案構(gòu)成的交通運(yùn)輸運(yùn)行監(jiān)測(cè)技術(shù)體系，體系以地圖網(wǎng)格化技術(shù)、速度模式提取技術(shù)以及設(shè)備自檢和校準(zhǔn)技術(shù)為基礎(chǔ)，以路徑選擇技術(shù)和交通流模型構(gòu)建技術(shù)為關(guān)鍵，以模型評(píng)價(jià)技術(shù)為佐證，實(shí)現(xiàn)以交通流為交通重點(diǎn)監(jiān)測(cè)方向的新型監(jiān)測(cè)方式，實(shí)現(xiàn)交通數(shù)據(jù)與地圖信息、速度信息的有機(jī)結(jié)合，達(dá)到預(yù)判交通狀態(tài)的目的。
參考文獻(xiàn)：
[1]聶慶慧,夏井新,張韋華.基于多源ITS數(shù)據(jù)的行程時(shí)間預(yù)測(cè)體系框架及核心技術(shù)[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,41(01):199-204.
[2]朱雷雷,張韋華,聶慶慧.干線公路交通流數(shù)據(jù)有效性檢驗(yàn)規(guī)則[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,41(01):194-198.
[3]黃鐘.車聯(lián)網(wǎng)頻譜資源管理關(guān)鍵技術(shù)研究[D].電子科技大學(xué),2020.DOI:10.27005/d.cnki.gdzku.2020.003935.
作者:葛迪 姜子揚(yáng) 王琿 高鴻鵬 單位:黑龍江省交通運(yùn)輸信息和科學(xué)研究中心
