基于傳感器判斷交通擁堵度網(wǎng)絡(luò)協(xié)同算法研究

孫 靜

(遼寧對外經(jīng)貿(mào)學(xué)院,遼寧大連116052)

基于傳感器判斷交通擁堵度網(wǎng)絡(luò)協(xié)同算法研究

孫 靜

(遼寧對外經(jīng)貿(mào)學(xué)院,遼寧大連116052)

隨著經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展,人們生活水平的不斷提高,機(jī)動車進(jìn)入家庭的速度加快,導(dǎo)致機(jī)動車數(shù)量激增,從2005年末至2006年末,我國機(jī)動車保有量由8850萬輛猛增到1.07億輛,年增長率達(dá)到了20. 9%。而我國道路增長速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于車輛增長速度,由此導(dǎo)致交通擁擠現(xiàn)象日益加劇。城市道路交通擁堵已經(jīng)成為阻礙城市快速健康發(fā)展的一個主要問題。本文實現(xiàn)了將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到交通控制系統(tǒng)中,通過搭建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信平臺來將交通中的實體給聯(lián)系起來,從而為進(jìn)行提高城市交通信號控制效率提供一種新的方法。

傳感器;交通擁堵;代理

1 交通擁堵特性及主要影響因素分析

1.1 擁堵的定義、分類

1.1.1 交通擁堵的定義

交通擁堵的具體定義各國尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),日本建設(shè)省1994 年在制定新交通擁堵對策計劃時,確定一般道路擁堵長1km 以上或擁堵時間10m in 以上定義為交通擁堵,首都高速公路擁堵量(擁堵時間×持續(xù)時間)在15h - km /d以上定義為交通擁堵;美國道路通行能力手冊在對城市干線街道的服務(wù)水平的等級劃分中,將車速為22km / h以下的不穩(wěn)定車流稱為擁堵車流;我國公安部則對擁堵路口和擁堵路段分別給出了定義:車輛在無信號燈控制的交叉路口外車行道上受阻且排隊長度超過250m ,或車輛在信號燈控制的交叉路口, 3 次綠燈顯示未通過路口的狀態(tài)定義為擁堵路口;擁堵路段則定義為車輛在車行道上受阻且排隊長度超過1km 的狀態(tài)。

交通擁堵是指交通需求(一定時間內(nèi)想要通過某道路的車輛數(shù))超過某道路的交通容量(一定時間內(nèi)該道路所能通過的最大車輛數(shù))時,超過部分交通滯留在道路上的交通現(xiàn)象。大多數(shù)擁堵定義中的一個主題就是擁堵產(chǎn)生的影響- 即反映了超出出行者可接受的出行時間或延誤的增長。出行時間及其相關(guān)指標(biāo)在擁堵定義和評價中被廣泛應(yīng)用。但是,出行者可接受的出行時間、速度和延誤反映的擁堵是隨著城市大小、在市區(qū)的位置和時間段而變化的。根據(jù)城市規(guī)模、擁堵地點、擁堵時段和擁堵人群的不同,對擁堵的接受程度也不同。實際上擁堵總是存在的,只是有的擁堵可以接受,而有的擁堵則不可接受,人們所要解決的擁堵問題主要是針對不可接受擁堵,因此可以將擁堵定義為:可接受擁堵和不可接受擁堵。

可接受擁堵(acceptable congestion):當(dāng)出行時間或延誤超過自由流狀態(tài)下正常發(fā)生的時間或延誤時形成的擁堵。

不可接受擁堵(unacceptable congestion):當(dāng)出行時間或延誤超過了共同接受標(biāo)準(zhǔn)(agreed-upon nor m)時,則為不可接受擁堵。這個統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)隨著交通設(shè)施類型、出行方式、地理位置和出行時段的不同而不同。

1.1.2 交通擁堵的分類

(1)根據(jù)產(chǎn)生交通擁堵的原因不同,交通擁堵可分為:常發(fā)性交通擁堵(recurrent congestion)和偶發(fā)性交通擁堵(non-recurrent congestion)。

由于交通流量突然增大超出道路設(shè)施正常的容量所引起的交通擁堵稱為常發(fā)性交通擁堵。常發(fā)性擁堵相對是穩(wěn)定有規(guī)律和可以預(yù)測的,最容易發(fā)生在高峰時間,屬于周期性擁堵。它多是由于道路設(shè)計交通容量不足或交通需求增長過快等造成,具有較顯著的客觀性特征。由于一些特殊事件引起道路容量的減少或是吸引過多的流量而引起的擁堵為偶發(fā)性交通擁堵。最常見的道路上突發(fā)事件有:大型活動、交通事故、道路維修、惡劣天氣等,偶發(fā)性擁堵是沒有規(guī)律和不可預(yù)測的,且可能持續(xù)時間較長。

(2)根據(jù)交通擁堵形成的先后次序,交通擁堵可分為:原始擁堵和后續(xù)擁堵。在一個瓶頸處首先形成的擁堵,稱為原始擁堵;由原始擁堵的回流和蔓延而形成的擁堵,稱為后續(xù)擁堵。

本文中所研究的擁堵主要指常發(fā)性交通擁堵。

1.2 城市道路交通擁堵的影響因素分析

交通擁堵不單是一個純技術(shù)性問題,更多地涉及到經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、居住、文化和行政等一系列問題。表1.1總結(jié)了我國大城市交通擁堵的主要因素。

表1.1 城市道路交通擁堵因素分析表

2 道路交通電視監(jiān)控?fù)頂D路段自動跟蹤顯示系統(tǒng)

2.1 自動跟蹤擁擠路段工作原理

該系統(tǒng)由實時路況信息采集系統(tǒng)、后臺處理計算機(jī)和控制各攝像頭云臺轉(zhuǎn)動的具有預(yù)置位功能的電視監(jiān)控主機(jī)構(gòu)成。其后臺處理計算機(jī)是自動跟蹤的核心,它接受信息采集系統(tǒng)送來的道路擁擠信息后,生成控制各攝像頭轉(zhuǎn)動的指令,并自動輸送給電視監(jiān)控控制主機(jī),使攝像頭自動、快速地轉(zhuǎn)向擁擠路段。

后臺處理計算機(jī)運行自行開發(fā)的應(yīng)用程序。該計算機(jī)內(nèi)存有兩個數(shù)據(jù)庫,一個是由監(jiān)控范圍內(nèi)的各路段編號、其所處的攝像頭編號和該攝像頭觀看該路段所需轉(zhuǎn)動的預(yù)置位代碼所構(gòu)成的"路段-攝像頭-預(yù)置位對應(yīng)表",另一個是由各攝像頭編號及其最常停留位置的預(yù)置位代碼所構(gòu)成的"攝像頭-缺省位置對應(yīng)表"。

后臺處理計算機(jī)接收到信息采集系統(tǒng)送來的實時路況擁擠信息后,即通過路段-攝像頭-預(yù)置位對應(yīng)表查出該條信息所載的擁擠路段編號所對應(yīng)的攝像頭及其預(yù)置位,然后生成相應(yīng)的控制指令輸送給電視監(jiān)控控制主機(jī);電視監(jiān)控控制主機(jī)則根據(jù)接收到的控制指令控制相應(yīng)的攝像頭轉(zhuǎn)向相應(yīng)的預(yù)置位,以顯示擁擠路段的狀況。

由于同一攝像頭所負(fù)責(zé)監(jiān)控的路段不只一個,且其所監(jiān)控范圍內(nèi)各路段的擁擠程度各異,故在自動跟蹤的設(shè)計上安排了優(yōu)先級。其設(shè)計思路是:在路段擁擠信息中包含了該路段擁擠程度的代碼,后臺處理計算機(jī)將先后接收到的各路段信息進(jìn)行擁擠程度比較,按照嚴(yán)重-中度-輕度的順序確定該攝像頭所應(yīng)轉(zhuǎn)動方向的優(yōu)先級(若擁擠程度相同則按接收的先后順序),然后根據(jù)最優(yōu)先轉(zhuǎn)動的方向生成控制指令輸送給電視監(jiān)控控制主機(jī)。

系統(tǒng)還對不同的擁擠程度設(shè)置了不同的攝像頭最短停留時間。

2.2 系統(tǒng)的構(gòu)成

該系統(tǒng)是由信息采集、分析處理和指揮控制三個部分組成,系統(tǒng)的構(gòu)成如圖2.1所示。

圖2.1 道路交通電視監(jiān)控?fù)頂D路段自動跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 交通傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)同算法研究

3.1 交通傳感器判斷交通擁堵度原理與分析

從城市道路交通運行狀況來看,道路交通一般可以分為兩種狀態(tài):順暢和擁擠。交通擁擠又可以分為由交通事件引起的偶發(fā)性擁擠和由交通需求接近或超過道路瓶頸處通行能力導(dǎo)致的常發(fā)性擁擠兩種。在一般情況下,交通流不會由順暢突然轉(zhuǎn)變?yōu)閾頂D,當(dāng)交通量逐漸增加接近某個臨界值時,交通狀態(tài)具有雙向性,將這種狀態(tài)稱為臨界交通狀態(tài)。臨界交通狀態(tài)既可能發(fā)展成為擁擠狀態(tài),也可能恢復(fù)成為順暢狀態(tài),主要取決與交通管理措施的及時性和有效性。

臨界狀態(tài)的確定可以引入一個擁擠度閥值。擁擠度闡值Sw的設(shè)定公式為其中兩個路面?zhèn)鞲衅鞴?jié)點間的距離, v為在擁擠情況下,車輛可能通過路面?zhèn)鞲衅鞴?jié)點的速度,v的取值可以參照我國公安部2002年在《城市交通管理評價指標(biāo)體系》中規(guī)定的城市主干路上機(jī)動車的平均行車車速與交通擁擠程度的對應(yīng)關(guān)系來取值,Tg為當(dāng)前周期的綠燈時間。

3.1.1 判斷擁擠的基本原理

當(dāng)某一流向得到綠燈后,正常情況下車輛應(yīng)該魚貫快速通過路口,每輛車占用檢測器不應(yīng)超過2秒(檢測器車輛行進(jìn)方向長度為2米)。當(dāng)檢測器被連續(xù)占用2秒以上時,可以認(rèn)為是車輛因前方擁擠而行駛緩慢所致。將該流向整個綠燈期間內(nèi)檢測其被連續(xù)占用2秒以上的所有時間段累加,與綠燈相比即可得了擁擠度。

3.1.2 判斷路口塞死的基本原理

假定某一流向的停車線至檢測器間已經(jīng)排滿了車輛,那么正常情況下排空這些車輛所需要的時間稱為最大排隊清除時間。若某一流向從綠燈啟亮開始,到經(jīng)過最大排隊清除時間和一個適當(dāng)?shù)娜哂鄷r間止,檢測器始終被連續(xù)占用,說明路口被塞死,該流向車輛沒動。

3.2 交通信息采集與協(xié)同控制網(wǎng)絡(luò)協(xié)同算法

交通信息采集與協(xié)同控制網(wǎng)絡(luò)協(xié)同算法主要包括兩個部分,即交通信息采集部分和交通協(xié)同控制網(wǎng)絡(luò)部分。交通信息采集部分主要完成車輛信息的采集和信息的發(fā)送;而交通協(xié)同控制網(wǎng)絡(luò)部分主要完成實時交通信息的接收和信息的處理。交通信息采集部分的算法描述如下:

E01,E02,E03;//E01,E02,E03為垂直車輛行駛磁場方向的磁場初始化值;

Flag1=False,Flag2=False;Flag3=False ;//設(shè)3個節(jié)點中車輛通過標(biāo)識符均為假;

If E＞=E01then//車輛通過路面?zhèn)鞲衅?的磁場值大于預(yù)先設(shè)定閥值;

Flag1=True;i=1;//車輛通過標(biāo)識為真,計數(shù)器開始計數(shù);

while Flag1==True&&i＜10 do//循環(huán)計數(shù)到10來判斷車是否通過路面?zhèn)鞲衅?

If E＞=E01then

Flag1=True;i++;//路面?zhèn)鞲衅?中車輛通過標(biāo)識為真,并將車輛計數(shù)器加1;

Else

Flag1=False;//路面?zhèn)鞲衅?中車輛通過標(biāo)識設(shè)為假,車輛計數(shù)器停止計時;

If i==10 then//如果計時數(shù)器達(dá)到10,則為車輛通過,利用路面?zhèn)鞲衅鞴?jié)點2來計算車輛車速;

t2=1;//路面?zhèn)鞲衅鞴?jié)點2開始計時;

//取得車輛經(jīng)過節(jié)點2的磁場值

If E＞E02then

FIag2=True;i=1;//節(jié)點2的車輛通過標(biāo)識設(shè)為真,車輛計數(shù)器開始計數(shù);

While Flag2==True&&i＜10 do

If E＞E02then

Flag2=True;i++;

Else

Flag2=False;

If i==10 then//如果車輛也正在通過路面?zhèn)鞲衅鞴?jié)點2;

v=6/t2;//計算車輛的車速v;T=to+x/ v;//計算車輛到達(dá)下游路口的時間T;

Send To Message(id2,T,v);//將信息發(fā)送到路口傳感器節(jié)點;

4 結(jié)束語

本文首先介紹了現(xiàn)代交通擁擠的定義、分類及主要影響因素分析,開發(fā)處理交通擁擠方案的目的,接下來介紹了自動跟蹤顯示系統(tǒng)的工作原理與方法,最后針對基于Agent的交通傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)同模型判斷交通擁堵度并對主要算法進(jìn)行了分析與研究。

[1]談曉潔,周晶,盛昭瀚.城市交通擁堵特征及疏導(dǎo)決策分析.管理工程學(xué)報,2003,17(1):56-59.

[2]姜延順,朱朝輝,張吉輝.自動跟蹤擁擠路段的電視監(jiān)控系統(tǒng)及操作方法.中國,國際專利,ZL 99 1 12740.4.2001.

[3]熊才剛.基于Agnet交通傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)同模型和算法(碩士學(xué)位論文)遼寧:大連理工大學(xué),2007.

Based on Detector Estimate Traffic Congestion Degree Network Cooperation Algorithm Research

SUN Jing
(Liaoning University of International Business and Economics,Da Lian116052,China)

Along with the economy rapid development,people’s life level continuously raise,the number of private vehicle increased sharply,causing vehicle quantity surge,from 2005 year-end to 2006 year-end,our country’s vehicle quantity from 88,500,000 fierce increase to 107,000,000,the year growth rate comes to 20.9%.But road growth rate gets behind far and far,causing the phenomenon of traffic congestion turned worse increasingly.The city’s traffic congestion have already become a key problem that baffling city quickly and healthily development.This text carried out to apply wireless sensor network in the traffic control system,integrated the traffic control system through wireless sensor network platform,thus providing a new method for raising urban traffic control’s efficiency.

Sensor;Traffic congestion;Agnet

O175.29

A

1008-2395(2010)06-0050-03

2010-06-21

孫靜(1976-),女,副教授,Email:sunjing@163.com