基于可拓決策理論的城市交通狀態(tài)識(shí)別研究＊

劉小明 王 灝 李穎宏 王 力 張永忠

（北方工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院1） 北京 100144） （北京賽迪信息工程監(jiān)理有限公司2） 北京 100048）

城市交通系統(tǒng)具有很強(qiáng)的非線性、隨機(jī)性和時(shí)空關(guān)聯(lián)性等特征，但大量研究實(shí)踐表明［1］，城市交通流以一定的時(shí)間尺度為分析單元表現(xiàn)出可重復(fù)的多種交通模式.有關(guān)交通流的狀態(tài)判別，如文獻(xiàn)［2］中應(yīng)用多因素模糊模式識(shí)別方法評(píng)判交通狀態(tài)，將其分為暢通、正常、擁擠、堵塞4個(gè)等級(jí)；文獻(xiàn)［3］采用K均值聚類和EM算法相結(jié)合的方法，提取出特征向量以表征路口交通流運(yùn)行狀況，能夠?qū)Φ湫蛥^(qū)域路網(wǎng)交通狀況進(jìn)行評(píng)估；文獻(xiàn)［4］選用較多的交通參數(shù)，設(shè)計(jì)提出了基于聚類方法的細(xì)粒度交通模式劃分算法；文獻(xiàn)［5］從交通數(shù)據(jù)管理的角度研究了交通模式與區(qū)域交通流特征問(wèn)題，通過(guò)模糊聚類和數(shù)據(jù)挖掘的方法，得到代表區(qū)域交通網(wǎng)絡(luò)特征的特征點(diǎn)和特征交通模式.

可拓學(xué)理論由我國(guó)學(xué)者蔡文教授于1983年創(chuàng)立［6］，采用可拓識(shí)別方法可以定性和定量相結(jié)合，靈活地選擇能夠體現(xiàn)交通流特征的參數(shù)種類和數(shù)量，通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)奶卣饕蛩兀^為準(zhǔn)確的對(duì)交通流模式加以識(shí)別.基于此，本文將利用可拓集合理論，通過(guò)建立關(guān)聯(lián)函數(shù)，進(jìn)而計(jì)算待識(shí)別交通模式的經(jīng)典物元、節(jié)域物元的關(guān)聯(lián)度，最終得到準(zhǔn)確的交通模式評(píng)價(jià)結(jié)果.

1 交通流可拓識(shí)別物元模型

以城市中某區(qū)域的交通流作為研究對(duì)象，設(shè)該區(qū)域交通流的模式最終可以劃分為m類，影響交通流處于何種模式的因素有n個(gè)，則該區(qū)域交通流模式的經(jīng)典物元記為

式中：P0j為區(qū)域交通流模式（j＝1，2，…，m）；ci為區(qū)域交通流模式P0j的特征，即影響該區(qū)域交通流處于何種模式的主要因素（i＝1，2，…，n）；V0ji為區(qū)域交通流模式P0j對(duì)應(yīng)于影響因素ci的量值范圍，即經(jīng)典域＜a0ji，b0ji＞.

由集合P和它的n個(gè)特征ci及其將標(biāo)準(zhǔn)量值＜a0ji，b0ji＞范圍加以拓廣了的量值范圍Vpi＝＜api，bpi＞組成的物元稱為節(jié)域物元，記為

式中：P為區(qū)域交通流模式的全體；Vp1，Vp2，…，Vpn分別為P 關(guān)于c1，c2，…，cn的取值范圍，即集合P的節(jié)域.對(duì)比式（1）和式（2）并根據(jù)可拓學(xué)中的定義，顯然有V0ji?Vpi，（i＝1，2，…，n）.

對(duì)待識(shí)別的某區(qū)域交通流，將交通流模式、各影響因素的檢測(cè)結(jié)果、各影響因素的取值范圍用物元可表示如下.

式中：Rd為交通流模式的待識(shí)別物元；Pd為待識(shí)別交通流模式；Vi為Pd關(guān)于特征ci的量值，即待識(shí)別區(qū)域交通流關(guān)于影響交通模式因素的實(shí)測(cè)數(shù)值.

在獲得經(jīng)典域物元、節(jié)域物元、待識(shí)別物元后，根據(jù)可拓決策理論，接下來(lái)需要求取第i個(gè)影響因素關(guān)于第j類交通模式的關(guān)聯(lián)函數(shù)值，如下所示.

設(shè)各個(gè)特征的權(quán)系數(shù)分別為λ1，λ2，…，λn，則有

根據(jù)式（4）和式（5）可以計(jì)算待識(shí)別交通流p關(guān)于交通模式j(luò)的關(guān)聯(lián)度為

假如Kj0＝max Kj（p），則確定p屬于交通模式p0j.以上判斷p是否屬于p0j的方法就稱為可拓識(shí)別方法.該方法利用了關(guān)聯(lián)函數(shù)可以取負(fù)值的特點(diǎn)，使識(shí)別方法能全面地分析對(duì)象屬于集合的程度，同時(shí)也有助于從變化的角度來(lái)識(shí)別變化中的事物.

2 交通流狀態(tài)經(jīng)典域及節(jié)域的確定

隸屬度函數(shù)合適與否直接影響到交通狀態(tài)判定的準(zhǔn)確率，本文采用文獻(xiàn)［3］表示方法.

式中：i為交通狀態(tài)為暢通模式；j為交通流速度特征.或i表示交通狀態(tài)為堵塞模式，j表示交通流占有率或停車延誤時(shí)間特征.

式中：i為交通狀態(tài)為暢通模式；j為交通流占有率或停車延誤時(shí)間特征.或i表示交通狀態(tài)為堵塞模式，j表示交通流速度特征.

式中：i為交通狀態(tài)為正?；驌頂D模式；j為交通流占有率、停車延誤時(shí)間或速度特征.

上述交通模式與單一交通參數(shù)之間映射的各隸屬度函數(shù)中門限值aij，bij，cij，dij可以通過(guò)對(duì)大量交通檢測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析及專家打分等方式來(lái)完成，本文采用文獻(xiàn)［3］中給出的數(shù)值，見(jiàn)表1.

根據(jù)上面的隸屬度函數(shù)及對(duì)應(yīng)的門限值，則交通狀態(tài)識(shí)別條件物元的經(jīng)典域可定義如下.

表1 在各種城市道路交通狀態(tài)下的速度、占有率和停車延誤的門限值

式（12）～（14）中：Rd1，Rd2，Rd3，Rd4分別為速度、占有率、停車延誤時(shí)間三種交通流特征因素作用下暢通、正常、擁擠、堵塞四種交通模式的經(jīng)典物元，其中堵塞模式中停車延誤時(shí)間最大理論上可取無(wú)窮大，但由于交叉路口的最大控制周期一般不超過(guò)200s，因此為便于計(jì)算此處停車延誤時(shí)間上限取為200s.

根據(jù)上面的隸屬度函數(shù)及對(duì)應(yīng)的門限值，則交通狀態(tài)識(shí)別條件物元的節(jié)域可定義如下.

式（15）～（18）中：Rp1，Rp2，Rp3，Rp4分別為三種影響因素下暢通、正常、擁擠、堵塞四種交通模式的節(jié)域物元.

3 實(shí)例分析

通過(guò)檢測(cè)器及浮動(dòng)車等手段測(cè)得北京市學(xué)院路某待識(shí)別路段08：30～09：30間交通狀態(tài)物元如下.

則根據(jù)式（4）可計(jì)算關(guān)聯(lián)度，計(jì)算前要對(duì)影響交通模式的因素的量值采用極差化方法進(jìn)行量綱一的量化處理.

式中：V′i為極差化后的數(shù)據(jù)；Vi為原始數(shù)據(jù)；Vimax，Vimin分別為第i因素的最大評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值和最小評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值.

對(duì)應(yīng)表1，關(guān)聯(lián)度計(jì)算如下.

通過(guò)專家調(diào)查確定權(quán)重分別為0.2，0.3，0.5，根據(jù)式（4）、（7）可計(jì)算

同理：ρ（v1，Vp31）＝ －0.01；ρ（v2，Vp32）＝－0.03；ρ（v3，Vp33）＝－0.03；ρ（v1，V031）＝0.01；ρ（v2，V032）＝0.02；ρ（v3，V033）＝－0.02.

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)交通狀態(tài)識(shí)別這一問(wèn)題，提出了基于可拓決策理論的解決方法.值得提出的是，在應(yīng)用可拓決策理論進(jìn)行交通狀態(tài)識(shí)別時(shí)，不同的交通環(huán)境所對(duì)應(yīng)的經(jīng)典域可能也有差別，如何針對(duì)具體應(yīng)用確定最佳的經(jīng)典域?qū)罄m(xù)交通狀態(tài)識(shí)別的準(zhǔn)確率至關(guān)重要；此外在識(shí)別過(guò)程中各輸入?yún)⒘康臋?quán)重對(duì)最終的識(shí)別結(jié)果也有較大影響，在后續(xù)的工作中，研究更為先進(jìn)的交通狀態(tài)特征參數(shù)經(jīng)典域及權(quán)重確定方法，將會(huì)對(duì)可拓學(xué)在智能交通系統(tǒng)中的應(yīng)用起到重要的推動(dòng)作用.

［1］TRB Special Report 209［R］.Highway Capacity Manual，2000.

［2］戴 紅.基于模糊模式識(shí)別的城市道路交通狀態(tài)檢測(cè)算法［J］.吉林工程技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，21（3）：41－45.

［3］郭 偉，姚丹亞，付 毅.區(qū)域交通流特征提取與交通狀態(tài)評(píng)估方法研究［J］.公路交通科技，2005，22（7）：101－114.

［4］李志恒，孫 東.基于模式的城市交通狀態(tài)分類與性質(zhì)研究［J］.交通運(yùn)輸系統(tǒng)工程與信息，2008，8（5）：83－87.

［5］張和生，張 毅，胡東成.區(qū)域交通狀態(tài)分析的時(shí)空分層模型［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，47（1）：157－160.

［6］蔡 文，楊春燕，林偉初.可拓工程方法［M］.北京：科學(xué)出版社，1997.