基于路側(cè)標(biāo)識(shí)站系統(tǒng)的高速公路旅行時(shí)間計(jì)算研究

劉偉銘，韓廣廣

（華南理工大學(xué)土木交通學(xué)院，廣東廣州 510640）

基于路側(cè)標(biāo)識(shí)站系統(tǒng)的高速公路旅行時(shí)間計(jì)算研究

劉偉銘，韓廣廣

（華南理工大學(xué)土木交通學(xué)院，廣東廣州 510640）

針對(duì)目前高速公路旅行時(shí)間采集復(fù)雜、信息數(shù)據(jù)缺失和準(zhǔn)確率較低的問題，提出了利用路側(cè)標(biāo)識(shí)站系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛旅行時(shí)間計(jì)算的方法，通過劃分基本路段并采用平均速度法和累計(jì)車輛數(shù)均衡法實(shí)現(xiàn)對(duì)基本路段旅行時(shí)間的估計(jì)，通過權(quán)重分配模型實(shí)現(xiàn)對(duì)旅行時(shí)間估計(jì)數(shù)據(jù)的有效融合。算例計(jì)算結(jié)果表明，基于路側(cè)標(biāo)識(shí)站系統(tǒng)的高速公路旅行時(shí)間在數(shù)據(jù)融合后的平均絕對(duì)相對(duì)誤差減小，精度得到提高，可為出行者提供可靠的旅行時(shí)間信息保障。

公路交通；旅行時(shí)間；路側(cè)標(biāo)識(shí)站系統(tǒng)；平均速度法；累計(jì)車輛數(shù)均衡法

隨著智能交通系統(tǒng)與信息技術(shù)的飛速發(fā)展，一方面出行者對(duì)出行信息的可靠性要求越來越高，另一方面，為出行者提供可靠而準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)信息能更好地引導(dǎo)出行者，減少出行的盲目性，不僅能讓出行者受益，還可優(yōu)化現(xiàn)有高速公路的交通狀況，降低擁堵事件發(fā)生概率。旅行時(shí)間是出行者選擇出行路線、出行方式和出行目的地的重要參考依據(jù)，可靠而及時(shí)的旅行時(shí)間估計(jì)可更好地服務(wù)出行者，保障高速公路的暢通。

1 研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外高速公路旅行時(shí)間估計(jì)的數(shù)據(jù)采集主要利用環(huán)形線圈檢測(cè)器、視頻檢測(cè)器、車牌識(shí)別器和車載GPS等，其成本高，利用率低，精度不高，不適于高速公路上大范圍連續(xù)布設(shè)和使用。為獲得更為準(zhǔn)確的旅行時(shí)間估計(jì)，研究人員利用不同檢測(cè)器的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行融合，如：高學(xué)英基于線圈和GPS浮動(dòng)車法檢測(cè)并通過自適應(yīng)加權(quán)平均法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，實(shí)現(xiàn)了有效的行程時(shí)間估計(jì)；李繼偉根據(jù)城市道路控制中的交通檢測(cè)器和車載GPS所獲取的車輛基本數(shù)據(jù)，提出了將城市道路局部與整體相對(duì)應(yīng)的路段行程時(shí)間估計(jì)方法；李朝提出了基于粒子濾波算法的旅行時(shí)間預(yù)測(cè)方法，無需建立預(yù)測(cè)旅行時(shí)間與歷史旅行時(shí)間的狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)，僅利用歷史數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)移，具有良好的預(yù)測(cè)效果。這些研究雖然在一定程度上提高了旅行時(shí)間估計(jì)精度，但其實(shí)施范圍小、數(shù)據(jù)采集量低、設(shè)備維護(hù)困難、成本高。近年來，部分學(xué)者利用高速公路全封閉管理的特點(diǎn)，通過研究收費(fèi)數(shù)據(jù)信息實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛旅行時(shí)間的估計(jì)，有效解決了車輛數(shù)據(jù)信息不足的問題，如：莊嚴(yán)浩通過研究收費(fèi)數(shù)據(jù)，提出了依據(jù)軌跡法計(jì)算車輛時(shí)空坐標(biāo)軌跡并以路段長度為權(quán)重進(jìn)行路段速度修正的路段旅行時(shí)間估計(jì)算法；趙建東等研究了收費(fèi)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)修正處理方法，引入分段線性插值方法構(gòu)建卡爾曼濾波模型，達(dá)到了高速公路站間旅行時(shí)間實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)的目的。但收費(fèi)數(shù)據(jù)僅含有車輛在收費(fèi)站處的數(shù)據(jù)信息，而收費(fèi)站間的距離一般達(dá)幾十到上百公里，長距離的旅行時(shí)間估計(jì)會(huì)因車輛故障、交通堵塞和交通事件等因素出現(xiàn)較大偏差和延誤，嚴(yán)重影響旅行時(shí)間估計(jì)的可靠性。

隨著高速公路ETC全國聯(lián)網(wǎng)的持續(xù)推進(jìn)，高速公路將逐步實(shí)現(xiàn)ETC全覆蓋。針對(duì)車輛的收費(fèi)問題，路側(cè)標(biāo)識(shí)站對(duì)車輛真實(shí)路徑的識(shí)別方法也將逐漸推廣，利用路側(cè)標(biāo)識(shí)站的信息采集功能可獲得標(biāo)識(shí)站處的車輛和時(shí)間信息，進(jìn)而得到車輛在不同標(biāo)識(shí)站間的通行時(shí)間。由于路側(cè)標(biāo)識(shí)站涉及高速公路不同業(yè)主的切身利益，需保證較高的信息準(zhǔn)確性和完整性，同時(shí)設(shè)備維護(hù)更加及時(shí)，建設(shè)資金更加充足，因而利用標(biāo)識(shí)站信息可進(jìn)一步提高旅行時(shí)間的可靠性。該文利用路側(cè)標(biāo)識(shí)站對(duì)高速公路路段進(jìn)行區(qū)間劃分，實(shí)現(xiàn)車輛路段旅行時(shí)間估計(jì)，并利用加權(quán)疊加法對(duì)平均速度法和累計(jì)車輛數(shù)均衡法的旅行時(shí)間估計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，獲得準(zhǔn)確的旅行時(shí)間估計(jì)，以解決目前檢測(cè)手段中旅行時(shí)間準(zhǔn)確率低、可靠性低

和車輛數(shù)據(jù)不足的問題。

2 旅行時(shí)間的定義

對(duì)于高速公路上行駛的車輛而言，收費(fèi)站間的旅行時(shí)間是指某一時(shí)間區(qū)間內(nèi)，其從出發(fā)地到目的地并離開高速公路收費(fèi)站的旅途上所花費(fèi)的時(shí)間。

現(xiàn)階段研究旅行時(shí)間的方法主要為直接測(cè)量法，即利用高速公路收費(fèi)站的收費(fèi)數(shù)據(jù)獲取車輛的出發(fā)地、目的地和所經(jīng)過路段的時(shí)間信息，由于高速公路經(jīng)營者需要這些信息實(shí)現(xiàn)對(duì)行駛車輛的通行費(fèi)征收，這給旅行時(shí)間的研究提供了巨大便利。但這種收費(fèi)站旅行時(shí)間估計(jì)法（Collecting-Toll Travel Time，CTT）對(duì)于真實(shí)旅行時(shí)間的計(jì)算存在嚴(yán)重缺點(diǎn)，即信息的滯后，收費(fèi)站獲得的收費(fèi)數(shù)據(jù)是在車輛駛離目的地收費(fèi)站后采集的，導(dǎo)致旅行時(shí)間計(jì)算的滯后，尤其是在旅途時(shí)間較長或出現(xiàn)交通堵塞時(shí)，無法在車輛行駛過程中根據(jù)已行駛的一段旅程計(jì)算旅行時(shí)間。同時(shí)旅行時(shí)間的路段計(jì)算長度較大時(shí)，在出行過程中可能出現(xiàn)交通事故、交通阻塞及車輛故障等，嚴(yán)重影響旅行時(shí)間計(jì)算的準(zhǔn)確性。

為減少旅行時(shí)間的滯后性和誤差，應(yīng)盡量保證測(cè)量旅行時(shí)間的行程較短。而隨著ETC的推廣，路側(cè)標(biāo)識(shí)站將能獲取高速公路上全部車輛信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)旅行時(shí)間的估計(jì)。利用路側(cè)標(biāo)識(shí)站可將出行者的長距離旅行劃分為一個(gè)個(gè)小區(qū)間的基本路段，根據(jù)路側(cè)標(biāo)識(shí)站所獲得的車輛及時(shí)間信息可得到每一段區(qū)間內(nèi)路側(cè)標(biāo)識(shí)站旅行時(shí)間（Roadside Travel Time，RTT）。利用高密度設(shè)置的路側(cè)標(biāo)識(shí)站的檢測(cè)功能可大大縮短路段的旅行時(shí)間，由于車輛在每一段上的旅行時(shí)間較短，可減少旅行時(shí)間計(jì)算的滯后，同時(shí)可通過去除問題路段旅行時(shí)間避免出現(xiàn)問題路段影響旅行時(shí)間準(zhǔn)確性的情況。根據(jù)收費(fèi)系統(tǒng)和信息采集的需要，可每1～5 km設(shè)置一處路側(cè)標(biāo)識(shí)站。路側(cè)標(biāo)識(shí)站設(shè)置越多，路段劃分精度越大，越能精確估計(jì)旅行時(shí)間，使計(jì)算出的旅行時(shí)間接近甚至等于出行者實(shí)際旅行時(shí)間（Actual Travel Time，ATT）。不同旅行時(shí)間之間的關(guān)系見圖1。

由圖1可知：僅通過收費(fèi)站數(shù)據(jù)進(jìn)行旅行時(shí)間計(jì)算，其結(jié)果與出行者實(shí)際旅行時(shí)間誤差較大，而利用路側(cè)標(biāo)識(shí)站劃分基本路段，將基本路段的旅行時(shí)間疊加后獲得的結(jié)果與實(shí)際旅行時(shí)間較接近，當(dāng)基本路段足夠短時(shí)，標(biāo)識(shí)站旅行時(shí)間就是出行者的真實(shí)旅行時(shí)間。

圖1 旅行時(shí)間的定義及表示的關(guān)系

鑒于貨車等車型速度較低，不宜統(tǒng)一計(jì)算，這里以小型汽車為例進(jìn)行討論。在進(jìn)行旅行時(shí)間估計(jì)前，通過數(shù)據(jù)處理過濾掉錯(cuò)誤、多余和異常事件導(dǎo)致的偏差數(shù)據(jù)。

2.1 平均速度法的旅行時(shí)間估計(jì)

利用路側(cè)標(biāo)識(shí)站可獲得車輛在標(biāo)識(shí)站處的經(jīng)過時(shí)間和車輛信息，根據(jù)路段長度計(jì)算車輛在基本路段上的旅行時(shí)間：

式中：T（1）i，j，t為在時(shí)間間隔（t-1，t）內(nèi)車輛在高速公路路段（i，j）上的平均旅行時(shí)間；li，j為路段（i，j）的路段長度；v-i，j，t為在時(shí)間間隔（t-1，t）內(nèi)高速公路路段（i，j）上車輛的調(diào)和平均速度，可由n（i，j，t）輛車在路段（i，j）上的速度v（k）i，j，t通過調(diào)和平均計(jì)算得到。

該模型假設(shè)在高速公路基本路段上和時(shí)間空間內(nèi)車輛的交通流特性保持穩(wěn)定。為了克服該模型算法的時(shí)間滯后性，標(biāo)識(shí)站的設(shè)置距離應(yīng)盡量小，保證獲得及時(shí)的車輛信息，并且路段的時(shí)間更新間隔盡量小于10 min。

另外，當(dāng)擁擠路段出現(xiàn)車輛走?，F(xiàn)象的交通狀態(tài)時(shí)，路段的調(diào)和平均速度不同于實(shí)際的平均速度，因?yàn)闃?biāo)識(shí)站之間計(jì)算車輛速度只考慮車輛的行駛時(shí)間，不考慮車輛停止的時(shí)間，從而使速度較實(shí)際值偏大，會(huì)導(dǎo)致旅行時(shí)間的計(jì)算值偏低。

2.2 累計(jì)車輛數(shù)均衡法的旅行時(shí)間估計(jì)

累計(jì)車輛數(shù)均衡法的旅行時(shí)間估計(jì)直接利用某

一時(shí)間區(qū)間內(nèi)通過路側(cè)標(biāo)識(shí)站的累計(jì)車輛數(shù)，不需計(jì)算車輛速度，可解決高速公路擁擠路段的平均速度計(jì)算誤差問題。該方法利用高速公路主干道上下游和收費(fèi)站出入口匝道的車輛數(shù)信息，通過計(jì)算進(jìn)入和離開路段車輛數(shù)間的動(dòng)態(tài)平衡實(shí)現(xiàn)對(duì)高速公路路段旅行時(shí)間的估計(jì)（見圖2）。

圖2 累計(jì)車輛數(shù)均衡法的旅行時(shí)間計(jì)算示意圖

在時(shí)間區(qū)間（t-1，t）內(nèi)，在路側(cè)標(biāo)識(shí)站i和i+ 1之間的路段（i，i+1）上總進(jìn)入、總離開的車輛數(shù)分別為：

旅行時(shí)間的估計(jì)可通過研究路段上的累計(jì)車輛數(shù)與時(shí)間的關(guān)系獲得（見圖3）。

圖3 累計(jì)車輛數(shù)均衡法中車輛數(shù)與時(shí)間的關(guān)系

路段（i，i+1）上車輛的平均旅行時(shí)間可通過計(jì)算圖3中陰影部分面積A（i+1，t）與時(shí)間間隔（t-1，t）內(nèi)離開路段的車輛數(shù)的比值獲得，即：

該模型通過利用車輛在路段行駛中的連續(xù)性實(shí)現(xiàn)對(duì)路段內(nèi)車輛總旅行時(shí)間的估計(jì)來計(jì)算車輛平均旅行時(shí)間。

2.3 旅行時(shí)間的權(quán)重分配模型

根據(jù)模型算法估計(jì)精度的不同分配不同方法各自估計(jì)結(jié)果的權(quán)重，達(dá)到提高旅行時(shí)間估計(jì)準(zhǔn)確度和可靠性的目的。利用最優(yōu)估計(jì)，保證不同方法的數(shù)據(jù)融合后均方誤差最小。根據(jù)某一路段的旅行時(shí)間估計(jì)值確定該路段不同模型方法的數(shù)據(jù)所占權(quán)重，則融合后的旅行時(shí)間估計(jì)為：

式中：Ti，j，t為路段（i，j）在時(shí)間區(qū)間（t-1，t）內(nèi)不同數(shù)據(jù)融合后的旅行時(shí)間估計(jì)；w（k）i，j，t為路段（i，j）的第k種模型方法在時(shí)間區(qū)間（t-1，t）內(nèi)旅行時(shí)間的權(quán)重，其大小表示不同模型方法估計(jì)結(jié)果精度的高低；T（k）i，j，t為路段（i，j）的第k種模型方法在時(shí)間區(qū)間（t-1，t）內(nèi)的旅行時(shí)間估計(jì)。

不同模型計(jì)算方法的權(quán)重由不同方法各自的估計(jì)值與真實(shí)值誤差的平方來確定，權(quán)重計(jì)算公式為：

式中：σ（k）i，j，t為路段（i，j）的第k種模型方法在時(shí)間區(qū)間（t-1，t）內(nèi)的計(jì)算結(jié)果與真實(shí)值間的誤差。

3 案例分析

通過VISSIM仿真軟件進(jìn)行路段旅行時(shí)間仿真試驗(yàn)，路段形式和標(biāo)識(shí)站設(shè)置位置見圖4。將試驗(yàn)路段分為4個(gè)基本路段，其長度分別為2.3、4.1、3.5、3.1 km，通過仿真得到車輛經(jīng)過每個(gè)路側(cè)標(biāo)識(shí)站的旅行時(shí)間，獲得車輛在基本路段間的旅行時(shí)間。

圖4 試驗(yàn)路段的路側(cè)標(biāo)識(shí)站設(shè)置示意圖（單位：km）

利用平均速度法和累計(jì)車輛數(shù)均衡法分別進(jìn)行旅行時(shí)間計(jì)算，通過平均速度法和累計(jì)車輛數(shù)均衡法估計(jì)出的旅行時(shí)間及權(quán)重分配模型得到的旅行時(shí)

間與實(shí)際旅行時(shí)間的對(duì)比，得到各種模型方法旅行時(shí)間的平均絕對(duì)相對(duì)誤差（見表1）。

表13 種方法旅行時(shí)間估計(jì)的平均絕對(duì)相對(duì)誤差

由表1可知：1）經(jīng)過權(quán)重分析模型進(jìn)行數(shù)據(jù)融得到的旅行時(shí)間估計(jì)的平均相對(duì)誤差有所減少，說明權(quán)重分配模型可提高旅行時(shí)間估計(jì)的精度和可靠性；2）累計(jì)車輛數(shù)法旅行時(shí)間估計(jì)的精度比平均速度法的高，原因在于其不需考慮路段中的速度誤差。但經(jīng)過權(quán)重分配模型實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合后，旅行時(shí)間的精度更高，更接近于出行者實(shí)際旅行時(shí)間，可為出行者提供可靠的出行信息。

4 結(jié)語

該文利用高速公路現(xiàn)有路側(cè)標(biāo)識(shí)站系統(tǒng)的信息采集功能實(shí)現(xiàn)對(duì)高速公路路段的合理劃分，利用平均速度法和累計(jì)車輛數(shù)均衡法對(duì)路側(cè)標(biāo)識(shí)站間旅行時(shí)間的估計(jì)，通過權(quán)重分配模型實(shí)現(xiàn)對(duì)平均速度法和累計(jì)車輛數(shù)均衡法所得旅行時(shí)間的數(shù)據(jù)融合，提高旅行時(shí)間估計(jì)的精確度和可靠性。隨著ETC全國聯(lián)網(wǎng)進(jìn)程的加深，路側(cè)標(biāo)識(shí)站作為精確路徑識(shí)別的重要手段將得到進(jìn)一步推廣，利用路側(cè)標(biāo)識(shí)站采集車輛和時(shí)間信息的方法將成為未來發(fā)展趨勢(shì)，能有效減少信息采集成本，保證旅行時(shí)間的及時(shí)性和可靠性。

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2016-04-19