基于OD的高速公路斷面交通流量推算方法

基于OD的高速公路斷面交通流量推算方法*

靳引利1,2▲張英1韓雪婷1

(1.長安大學(xué)電子與控制工程學(xué)院西安 710064； 2.長安大學(xué)交通系統(tǒng)工程研究所西安 710064)

摘要目前，對高速公路斷面交通流量的采集主要依靠人工方式或交通流量檢測設(shè)備，沒有充分利用已有的OD數(shù)據(jù)資源。針對非擁擠的交通狀態(tài)，根據(jù)現(xiàn)有的高速公路OD數(shù)據(jù)，綜合考慮高速公路不同路段對于不同車型車輛的限速要求及車輛在白天或夜間的運行狀況等因素，在空間和時間上同時對OD數(shù)據(jù)進行分析處理，提出了1種高速公路斷面交通流量推算方法，得到高速公路指定時間段內(nèi)的斷面交通流量及車型，采用趨勢圖描述斷面交通流量的分布規(guī)律，對比分析基于OD數(shù)據(jù)得到的斷面交通流量與車檢器檢測得到斷面交通流量，并通過實例驗證該算法的可靠性與實用性。

關(guān)鍵詞交通規(guī)劃；斷面交通流量；Dijkstra算法；OD數(shù)據(jù)；高速公路

中圖分類號：U49文獻標(biāo)志碼：A

收稿日期：2014-09-25修回日期：2014-11-15

通訊作者▲第一作者()簡介：靳引利(1972-)，博士.研究方向：交通系統(tǒng)分析與仿真、交通控制與評估.E-mail:yljin@chd.edu.cn

Estimation Method of Expressway Section

Traffic Flow Based on OD Data

JIN Yinli1,2ZHANG Ying1HAN Xueting1

(1.CollegeofElectricalandControlEngineering,Chang′anUniversity,Xi′an710064,China；

2.InstituteofTransportationSystemsEngineering,Chang′anUniversity,Xi′an710064,China)

Abstract:At present, the traffic flow acquisition for expressway section mainly depends on manual counts or using traffic flow detection equipment. The OD data is not fully used for estimating the section traffic flow. This study proposes a traffic flow calculation method for non-congested expressway section. This method analyzes the OD data in space and time to estimate the traffic flow and vehicle classifications during a specified period, considering different speed limits on different expressway sections or operation conditions during the day or night etc. This paper uses tendency chart to describe the distribution of the section traffic flow and comparison analysis of the section traffic flow based on the OD data. The reliability and practicability of the method is validated through real traffic flow data collected by the vehicle detectors.

Key words:Transportation planning; section traffic flow; Dijkstra algorithm; OD data; expressway

*陜西省科技攻關(guān)項目(批準(zhǔn)號：2012K06137)資助

0引言

截止到2013年底，我國高速公路通車?yán)锍桃淹黄?0萬km，在全球范圍內(nèi)位居前列。完整而準(zhǔn)確的高速公路收費數(shù)據(jù)為高速公路斷面交通流量的計算與分析奠定了基礎(chǔ)。

目前，國內(nèi)外部分學(xué)者將研究的重點集中在數(shù)學(xué)倉庫的更新[1]、數(shù)學(xué)模型的建模等技術(shù)上[2-3]。重慶交通大學(xué)萬金朋[4]在分析高速公路聯(lián)網(wǎng)收費數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提出了1種估算交通流量的算法。長安大學(xué)付鑫[5]提出基于高速公路收費站的通行記錄數(shù)據(jù)庫的OD矩陣整理算法以及斷面流量的計算方法。

我國在交通流量采集的分析技術(shù)和理論研究上都取得了一些成果[6]。但實際的高速公路運行狀況是1個變化的過程，不同路段受其實際路況影響，各路段對于不同車型車輛的限速要求也有所不同，即使是同一路段不同車型的運行情況也存在明顯差異[7]。對于這些問題，國內(nèi)外相關(guān)的研究較少。

目前，在城市規(guī)劃中，常利用斷面交通流量反推OD交通量，而在高速公路建設(shè)中，通常需要通過已有封閉路段的OD數(shù)據(jù)，推算高速公路任意斷面的交通流量。筆者針對非擁擠的交通狀態(tài)，綜合考慮高速公路不同路段對于不同車型車輛的不同限速要求及車輛在白天或夜間的不同運行狀況等因素，在空間和時間上同時對OD數(shù)據(jù)進行分析處理，得到更加可靠的斷面流量，將推算得到的斷面交通流量與經(jīng)過校驗的工作狀況良好的車檢器檢測得到的斷面交通流量進行對比，并通過算例驗證了該推算方法的準(zhǔn)確性。對于未布設(shè)車檢器、車檢器故障或者車檢器精度不高的非擁擠狀態(tài)下的高速公路路段，應(yīng)用斷面推算方法可獲得任意斷面的交通流量，為交通預(yù)測提供數(shù)據(jù)支持。

1研究思路及數(shù)據(jù)預(yù)處理

1.1研究思路

針對高速公路對斷面流量全面、經(jīng)濟的需求，筆者提出基于OD數(shù)據(jù)分析的高速公路斷面交通流量推算方法。

1) 數(shù)據(jù)預(yù)處理。給出站表中添加行駛時間、行駛路徑、行駛距離及平均行駛時間信息列，并根據(jù)進出站時刻計算得出車輛的行駛時間，在此基礎(chǔ)上對車輛信息進行數(shù)據(jù)清洗，刪除因人工或儀器記錄錯誤而產(chǎn)生的錯誤數(shù)據(jù)。

2) 單車輛基礎(chǔ)信息處理模型。結(jié)合車輛的進出站名稱及實際路網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系，采用Dijkstra最短路徑算法，計算出車輛的行駛路徑、行駛距離，并根據(jù)車輛的行駛距離和行駛時間計算出車輛的平均行駛速度。

3) 封閉區(qū)段行程時間計算模型。首先計算各封閉區(qū)段白天、夜間各不同車型的平均速度，在此基礎(chǔ)上計算各封閉區(qū)段白天、夜間各不同車型的平均行駛時間，最后分析單車輛的行駛時間及車型分類，并結(jié)合其行駛路徑和各封閉區(qū)間不同車型的平均行駛時間，采用一定的分配方法計算得出車輛在其行駛路徑各封閉區(qū)段中的行駛時間，從而計算出車輛到達檢測斷面所需的時間。

4) 斷面流量分析模型。結(jié)合車輛的進站時刻及車輛到達檢測斷面所需的時間，計算得出車輛到達檢測斷面的時刻，在此基礎(chǔ)上計算檢測斷面不同車型的日流量，并與該斷面處車檢器檢測所得的數(shù)據(jù)進行對比分析，驗證該算法的可靠性與實用性。

1.2數(shù)據(jù)預(yù)處理

對海量的聯(lián)網(wǎng)收費數(shù)據(jù)和車檢器檢測得到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行處理，轉(zhuǎn)換為適合本文處理的可靠精確的數(shù)據(jù)[8]，數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)抽取[9]。

1) 數(shù)據(jù)清洗。過濾不符合要求的數(shù)據(jù)，主要包括異常數(shù)據(jù)、錯誤數(shù)據(jù)和冗余數(shù)據(jù)三大類。刪除由于記錄錯誤而造成的行駛時間為負(fù)的數(shù)據(jù)、行駛時間為零的數(shù)據(jù)、行駛時間大于1年的數(shù)據(jù)、進站名稱與出站名稱相同的數(shù)據(jù)等。

2) 數(shù)據(jù)集成。將清洗后的數(shù)據(jù)進行融合并統(tǒng)一存儲，建立數(shù)據(jù)倉庫。

3) 數(shù)據(jù)抽取。對集成后的收費數(shù)據(jù)及車檢器檢測得到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的有效信息進行提取。

收費數(shù)據(jù)提取的主要基礎(chǔ)字段有：車牌號、出(入)站編號、出(入)站時間、車種、車型、軸數(shù)和總重。

車檢器的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)提取的主要基礎(chǔ)字段有：車檢器編號、車檢器樁號、上游收費站名稱、下游收費站名稱和交通流量。

2單車輛基礎(chǔ)信息處理模型

2.1車輛行駛路徑及行駛距離的計算

設(shè)檢測斷面在圖1所示的位置，S0,S1,S2,…,Si,…,Sn為該高速公路收費站，由車行方向可知，S0,S1,…,Sx-1為檢測斷面A的上游收費站，其余收費站為檢測斷面A的下游收費站。將S0到Sn的整條路線以收費站為單位劃分為若干路段Li(i=1，2，…,n)，路段Li指2個相鄰收費站Si-1和收費站Si之間的封閉區(qū)段。

(1)式中：l總為車輛j的行駛距離；li為封閉區(qū)間Li的長度。

圖1　高速公路收費站點及檢測斷面示意圖

2.2車輛平均行駛速度的計算

對1個月內(nèi)某路段的單車輛基礎(chǔ)信息進行預(yù)處理，根據(jù)收費數(shù)據(jù)出站表的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，車輛j從收費站S0進入高速公路與從收費站Sx駛出高速公路的時間數(shù)據(jù)及車輛j的行駛距離，得到車輛j平均速度(j=1，2，…，N)。

(2)

3封閉區(qū)段的行程時間計算模型

封閉區(qū)段行駛特征主要包括車輛的平均速度與平均行駛時間。高速公路的車流量及車速在白天與夜間存在差異，故本研究將各封閉區(qū)段的平均速度分為白天的平均速度與夜間的平均速度。

根據(jù)“全國日出日落時刻表”，各月白天、夜間時段劃分見表1，不同地域的白晝時長可能有所差別，具體可根據(jù)所需分析計算的地域、季節(jié)對白晝劃分進行相應(yīng)調(diào)整。

表1　不同月份白天、夜間時段劃分表

3.1封閉區(qū)段平均速度計算

根據(jù)收費收據(jù)的基礎(chǔ)信息，將車型分為中小型客車、大型客車、小型貨車、中型貨車、大型貨車、特大型貨車等6種車型。

根據(jù)不同車型的車輛從其入口收費站行駛到出口收費站的時間數(shù)據(jù)及行駛路徑的長度，分車型求出各封閉區(qū)段在白天的平均速度與夜間的平均速度，封閉區(qū)段的單車輛的速度為單車輛從收費站S0進入高速公路，從收費站Sx駛出高速公路的平均速度。

(3)

如果某封閉區(qū)段在統(tǒng)計時間內(nèi)沒有某類車型的車輛經(jīng)過，則采用逼近類比的方法，用與該封閉區(qū)段相鄰的封閉區(qū)段的同車型車輛的平均速度和該路段其他相鄰車型車輛的平均速度來擬合該路段該車型車輛的平均速度。若路段Li-1在白天的統(tǒng)計時間內(nèi)沒有大型客車經(jīng)過，本研究用已有路段Li-1中小型客車白天的平均速度、路段Li中小型客車白天的平均速度、路段Li大型客車白天的平均速度來擬合路段Li-1大型客車白天的平均速度。

(4)

3.2封閉區(qū)段平均行駛時間計算

各類車型在封閉區(qū)段Li的平均行駛時間如下。

(5)

3.3車輛在封閉區(qū)段的行程時間計算

(6)

4斷面交通流量分析模型

4.1車輛到達斷面的時刻計算

檢測斷面A以車檢器在實際路網(wǎng)中的樁號進行定位，得到其相鄰的上游收費站編號、下游收費站編號以及檢測斷面A與上游收費站之間的距離，從而得到車輛只要經(jīng)過其相鄰的上下游收費站則一定經(jīng)過檢測斷面A，可計入檢測斷面A的交通流量[10]，再結(jié)合車輛的出發(fā)地點、出發(fā)時間以及各路段的相應(yīng)車型的行駛速度，計算出車輛到達該檢測斷面A的時刻。

假設(shè)車輛j在T′時刻從收費站S0駛?cè)敫咚俟罚琓′′時刻從收費站Sx駛離高速公路，則車輛j行駛至檢測斷面A的所需時間△tA的計算方法如下。

(7)

式中：ΔtA為車輛j從收費站S0出發(fā)行駛至檢測斷面A處所需時間；A為檢測斷面;tx為k型車輛從入口收費站Sx-1到出口收費站Sx分配的行駛時間；lx為封閉區(qū)段Lx的長度；l為上游相鄰收費站Sx-1到檢測斷面A之間的距離;ti為k型車輛從入口收費站Si-1到出口處收費站Si的行駛時間。

通過車輛j的出發(fā)時刻T″和其行駛至檢測斷面A的所需時間ΔtA，得到車輛j行駛至檢測斷面A的時刻TA為

(8)

式中：T′為車輛j從收費站S0出發(fā)的時刻；TA為車輛j行駛至檢測斷面A的時刻。

存儲車輛j行駛至檢測斷面A的時刻信息，用相同的方法對路網(wǎng)中所有經(jīng)過該斷面的車輛進行處理，得到所有經(jīng)過該檢測斷面A的車輛到達該斷面的時刻，并儲存相關(guān)車型及時間信息。

4.2分車型斷面交通流量計算

根據(jù)單車輛到達模型的計算結(jié)果(即所有車輛經(jīng)過指定檢測斷面A的時刻)，計算得出檢測斷面在指定周期下的分車型斷面交通流量。

假設(shè)需計算時間段(t0，t0+T)內(nèi)的分車型斷面交通流量，對于某一車輛j，先判斷其到達檢測斷面A的時刻TA，若TA∈(t0，t0+T)，再判斷其車型，并將該車輛計入相應(yīng)車型的斷面交通流量中，對經(jīng)過該檢測斷面的所有車輛進行相同處理。

(9)

式中：FA-1為未計算車輛j檢測斷面A相應(yīng)車型的流量；FA為計算車輛j之后的檢測斷面A相應(yīng)車型的流量。

4.3模型校驗

根據(jù)車檢器的數(shù)據(jù)(以下簡稱VD數(shù)據(jù))來校驗本研究基于OD數(shù)據(jù)計算得到的斷面交通流量，選擇某路段內(nèi)數(shù)據(jù)較完整的車檢器的斷面流量，通過對比分析，驗證該模型的可靠性與實用性。為了能評價和比較計算結(jié)果，研究使用性能指標(biāo)平均絕對誤差與平均相對誤差。

(10)

式中：MAE為平均絕對誤差；N為統(tǒng)計天數(shù)；fod(t)為某時間段內(nèi)OD數(shù)據(jù)的流量；fvd(t)為某時間段內(nèi)VD數(shù)據(jù)的流量。

(11)

式中：MRE為平均相對誤差;N為統(tǒng)計天數(shù)，fod(t)為某時間段內(nèi)OD數(shù)據(jù)的流量;fvd(t)為某時間段內(nèi)VD的流量。

5實例

應(yīng)用本研究的所提出的方法對陜西省2013年9月的OD數(shù)據(jù)進行分析，并結(jié)合陜西省路網(wǎng)的實際拓?fù)潢P(guān)系，共計算32個檢測斷面的流量，現(xiàn)以車檢器編號為YUSUIMD_016處的數(shù)據(jù)計算結(jié)果為例，對研究結(jié)論進行驗證白天的時間段為06:10～18:30時，夜間的時間段為18:30～次日06:10時。9月下半月OD數(shù)據(jù)日流量與車檢器檢測得到的VD數(shù)據(jù)的日流量對比如圖2所示。(注：此處由于是地域為陜西省，且是秋季的9月，因此根據(jù)“全國日出日落時刻表”，將白天的時間段定為06:10～18:30時，夜間的時間段為18:30～次日06:10時)

圖2　9月下半月OD總?cè)樟髁颗cVD總?cè)樟髁繉Ρ葓D

由圖2可見，根據(jù)OD數(shù)據(jù)得到的9月下半月該斷面總?cè)樟髁颗c車檢器檢測得到的總?cè)樟髁孔邉莼疽恢?。與OD數(shù)據(jù)相比較，13日的VD數(shù)據(jù)異常，經(jīng)過查看16號車檢器13日的VD小時報表數(shù)據(jù)，得知該車檢器只檢測到夜間9點到夜間12點的流量，并且從16號車檢器13日的設(shè)備故障記錄得知，該車檢器在13日通信故障。

根據(jù)16號車檢器的9月下半月總?cè)樟髁壳€走勢較正9月13日的總?cè)樟髁?，將較正后的VD數(shù)據(jù)與OD數(shù)據(jù)進行對比，如圖3所示。

圖3　較正后的9月下半月OD總

VD數(shù)據(jù)較正后，通過計算可知，OD數(shù)據(jù)與VD數(shù)據(jù)的總?cè)樟髁科骄^對誤差為-13輛車/d，平均相對誤差1.14%。9月下半月OD數(shù)據(jù)與16號車檢器檢測得到的VD數(shù)據(jù)小型車、中型車及大型車的日流量如圖4所示。

圖4　9月下半月小型車、中型車及大型車

由圖4可見，通過計算可知，小型車日流量平均絕對誤差為14.8輛/d，平均相對誤差4.15%，中型車日流量平均絕對誤差為1.61輛/d，平均相對誤差2.43%，大型車日流量平均絕對誤差為-38.38 輛/d，平均相對誤差-12.15%，實例誤差值見表2。

表2　實例誤差分析表

如圖3所示，推斷得到的日流量分布情況與VD數(shù)據(jù)檢測得到的日流量非常接近，平均絕對誤差為1.14%。而在圖4中可以看出，分車型的斷面日流量誤差相對較大，由以上分析可以看出，是由于車檢器對小型車、中型車和大型車的車型判別精度不夠高導(dǎo)致的。

6結(jié)束語

本研究應(yīng)用高速公路OD數(shù)據(jù)，研究斷面流量的推算算法，提出了1種斷面流量推算算法模型，對比分析車檢器檢測得到的斷面流量與本研究得到的總斷面流量及分車型的斷面流量，驗證了該模型的可靠性與實用性。本研究對于2個收費站之間有惟一的高速公路行駛路徑的路段(以下簡稱非競爭性的高速公路路段)可準(zhǔn)確、快速地獲得高速公路任意斷面流量，不僅節(jié)約了設(shè)置新的車檢器而增加的成本，而且并充分利用了聯(lián)網(wǎng)收費所產(chǎn)生的收費數(shù)據(jù)，為高速公路運營管理提供科學(xué)依據(jù)。但是由于時間及空間等因素，研究還存在許多需要完善的方面，對于存在競爭性的路段可能產(chǎn)生較大的誤差，需采用在競爭性路段安裝車檢器采集數(shù)據(jù)的方法輔助計算各路段的流量，且研究計算的斷面流量精細程度只進行到了日流量，在后續(xù)的研究中還需對斷面的小時流量、分鐘流量計算方法進行研究，并挖掘該算法在不同單位時間下分車型流量的誤差變化規(guī)律，對算法進行進一步修正完善。

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