基于多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的高速公路交通狀況計算方法研究

龐星宇、成洪博、陳凌鋒、胡鄭雨、黃軍

（1.深圳高速公路股份有限公司，廣東 深圳 518038；2.北京北大千方科技有限公司，北京 100085）

0 引言

在高速公路交通狀況監(jiān)測工作中，高速公路管理部門能夠采集到的信息通常為車輛通行數(shù)據(jù)，無法直接得到車輛的實時行駛速度信息。為了更好地開展高速公路交通狀況監(jiān)測工作，需要相關(guān)部門不斷優(yōu)化基于車輛通行數(shù)據(jù)的交通狀況監(jiān)測技術(shù)，做到實時、直觀地監(jiān)控下轄高速公路的交通運行狀況。目前，根據(jù)我國相關(guān)建設(shè)規(guī)范可知，高速公路匝道收費站之間的距離一般為15km，城市周邊的高速公路，收費站之間的距離不小于3km，因此從收費站的收費數(shù)據(jù)中提取相關(guān)交通參數(shù)進行計算，得到的交通狀況空間粒度至少為3km，無法細(xì)致地反應(yīng)高速公路較小路段內(nèi)的交通狀況及變化情況。同時，由于大部分收費站為匝道收費站，以收費站劃分道路節(jié)點，會將車輛通行匝道的時間與通行高速公路主線的時間混合，無法準(zhǔn)確地描述高速公路主線的路況。

1 高速公路路段劃分

由于高速公路一般里程較長，對道路交通情況進行描述時需要對道路整體進行劃分，便于對路況進行細(xì)致描述，同時可以對擁堵等異常事件進行精確定位，這樣能夠更好地滿足高速公路管理需求。

在該研究中，以ETC 龍門架的里程樁號為節(jié)點，將高速公路劃分為若干個基本路段，然后根據(jù)視頻攝像頭的樁號與方向，將細(xì)化后的更小的路段融入基本路段。

首先采用ETC 龍門架的里程樁號作為節(jié)點將高速公路劃分為基本路段。單方向上，N 個龍門架可以將道路劃分為N+1 個基本路段，雙向則為N+2 個基本路段，如圖1所示：

圖1 基本路段劃分示意圖

2 高速公路交通狀況模型

由于高速公路交通具有很明顯的方向性、連續(xù)性以及有限的封閉性，結(jié)合前述的基本路段劃分示意圖圖1可以發(fā)現(xiàn)，高速公路上不同設(shè)備采集到的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)在空間上具有明顯的前后銜接關(guān)系。參考鏈?zhǔn)酱鎯Y(jié)構(gòu)，提出構(gòu)建交通數(shù)據(jù)鏈模型，對不同來源、不同結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)進行融合，便于進一步計算交通狀況。

2.1 高速公路交通數(shù)據(jù)

該研究中所指的高速公路交通數(shù)據(jù)為：通過ETC龍門架以及攝像頭等數(shù)據(jù)檢測點采集到的、可以對交通流現(xiàn)狀進行描述且能夠用于計算交通狀況的數(shù)據(jù)，具體包括宏觀層面的車輛行駛速度、空間占有率、檢測設(shè)備編號以及微觀層面的車輛編號、車輛通行時間、檢測設(shè)備編號等數(shù)據(jù)。

其中宏觀信息主要源于視頻攝像頭AI 分析結(jié)果數(shù)據(jù)，微觀信息主要源于ETC 龍門架統(tǒng)計的車輛通行數(shù)據(jù)，通過多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合技術(shù)對這些數(shù)據(jù)進行處理，能夠?qū)崿F(xiàn)對數(shù)據(jù)的有效存儲與調(diào)用，對計算高速公路交通狀況有較大的現(xiàn)實意義。

2.2 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合

參考鏈?zhǔn)酱鎯Y(jié)構(gòu)原理，通過構(gòu)建交通數(shù)據(jù)鏈模型的方式，對高速公路多源異構(gòu)交通數(shù)據(jù)進行融合。模型的構(gòu)建包含以下幾個步驟：

2.2.1 數(shù)據(jù)鏈接

參考鏈?zhǔn)酱鎯Y(jié)構(gòu)，根據(jù)檢測點的空間位置和先后銜接關(guān)系形成檢測點數(shù)據(jù)鏈條，數(shù)據(jù)鏈條中包含代表高速公路起止位置的頭尾結(jié)點，同時每個數(shù)據(jù)結(jié)點表示該位置存在一個數(shù)據(jù)檢測設(shè)備。

2.2.2 數(shù)據(jù)填充

鏈條中的頭結(jié)點代表高速公路的起始點，不包含數(shù)據(jù)域，在指針域填入該方向上第一個數(shù)據(jù)檢測點的空間信息；在鏈條中數(shù)據(jù)節(jié)點的數(shù)據(jù)域，填入對應(yīng)數(shù)據(jù)檢測點采集到的屬性信息，在鏈條中數(shù)據(jù)節(jié)點的指針域，填入下一個數(shù)據(jù)檢測點的空間信息；鏈條中的尾結(jié)點代表高速公路的終止點，不包含數(shù)據(jù)域，且指針域為空值。數(shù)據(jù)填充模式見圖2。

圖2 檢測點數(shù)據(jù)鏈條示意圖

其中設(shè)備類型為E 的數(shù)據(jù)結(jié)點表示，該位置為通過ETC 龍門架檢測的交通數(shù)據(jù)，設(shè)備類型為C 的數(shù)據(jù)結(jié)點則表示，該位置為通過視頻攝像頭檢測的交通數(shù)據(jù)?？紤]到視頻攝像頭采集到的數(shù)據(jù)為車輛通過當(dāng)前道路斷面的瞬時數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)中提取出的交通狀況信息只能說明附近較短距離內(nèi)的道路交通狀況，因此應(yīng)在對應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)點上游補充一個虛擬結(jié)點，明確視頻攝像頭檢測數(shù)據(jù)的覆蓋范圍，完整數(shù)據(jù)鏈條示意圖如圖3所示。

圖3 完整檢測點數(shù)據(jù)鏈條示意圖

2.2.3 數(shù)據(jù)處理

不同來源的交通數(shù)據(jù)形成完整的交通數(shù)據(jù)之后，還需要進一步將各個數(shù)據(jù)結(jié)點中不同結(jié)構(gòu)、不同量綱的交通數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一量綱，完成真正的數(shù)據(jù)融合。考慮到實時判別高速公路運行狀況的目標(biāo)，模型選取車輛行駛速度這一指標(biāo)作為融合方向。

第一，針對通過視頻攝像頭采集數(shù)據(jù)的檢測點A，通過對視頻畫面進行AI 分析可以直接得到車輛行駛速度，而對應(yīng)的虛擬結(jié)點A′位于點A 上游100m處，根據(jù)前文所述的路段劃分過程，兩者之間為細(xì)化路段A′-A，可以通過下式計算車輛通過細(xì)化路段A′-A 的平均時間t。

式（1）中：

l

'為細(xì)化路段的長度，為固定值100m；

v

為車輛的平均通行速度。從數(shù)據(jù)鏈條的起始點依次向后檢索數(shù)據(jù)結(jié)點中設(shè)備類型的值，當(dāng)找到設(shè)備類型為C 的數(shù)據(jù)結(jié)點后，利用上式計算車輛平均通過時間t，并存入該數(shù)據(jù)結(jié)點的數(shù)據(jù)域，同時將細(xì)化路段長度

l

'存入該數(shù)據(jù)結(jié)點的數(shù)據(jù)域，并繼續(xù)向后檢索。

第二，針對通過ETC 龍門架采集數(shù)據(jù)的檢測點C，可以采集到通過車輛的編號和通過時間，結(jié)合上游ETC 龍門架B 的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，可以利用同一車輛通過的時間差得到車輛通行時間，根據(jù)前文所述的路段劃分方法，兩者之間為基本路段B-C?？紤]到單一車輛可能出現(xiàn)臨時停車等異常情況，導(dǎo)致通行時間過長等，所以可以采用單位時間內(nèi)的平均通行速度作為指標(biāo)，描述基本路段內(nèi)的整體路況。平均通行速度vˉ通過下式計算。

式（2）中：

S

為ETC 龍門架B 的里程樁號；

S

為ETC龍門架C 的里程樁號；

t

為車輛通過ETC 龍門架B 的時間；

t

為車輛通過ETC 龍門架C 的時間。

考慮到車輛通過基本路段的同時，必定通過了基本路段內(nèi)包含的細(xì)化路段。為了避免重復(fù)計算，需要按照以下計算方式，將細(xì)化路段的長度和對應(yīng)的車輛通過時間從基本路段數(shù)據(jù)中去除。

式（3）中：

x

為該基本路段內(nèi)包含的細(xì)化路段個數(shù)。式（4）中：

t

為第i 個細(xì)化路段的通過時間。

則基本路段的平均通行速度計算公式變形如下。

從數(shù)據(jù)鏈條的起始點依次向后檢索數(shù)據(jù)結(jié)點中設(shè)備類型的值，當(dāng)找到第一個設(shè)備類型為E 的數(shù)據(jù)結(jié)點A 時，將該數(shù)據(jù)結(jié)點標(biāo)記為上游結(jié)點并繼續(xù)向后檢索，當(dāng)找到第二個設(shè)備類型為E 的數(shù)據(jù)結(jié)點B 時，將該數(shù)據(jù)結(jié)點標(biāo)記為下游結(jié)點，最近的上游結(jié)點與下游結(jié)點之間組成一個基本路段。按照上面的步驟，計算出基本路段A-B 的車輛平均通行速度vˉ，并將車輛平均通行速度vˉ存入該數(shù)據(jù)結(jié)點以及基本路段A-B 上所有虛擬結(jié)點的數(shù)據(jù)域。完成后將數(shù)據(jù)結(jié)點B 的下游結(jié)點標(biāo)記改為上游結(jié)點并繼續(xù)向后檢索。

2.2.4 刪除無效數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)處理完成后除頭結(jié)點與尾結(jié)點外，所有節(jié)點數(shù)據(jù)域內(nèi)均存有結(jié)點里程樁號數(shù)據(jù)以及上游對應(yīng)路段的車輛通行速度數(shù)據(jù)，保留這些數(shù)據(jù)，刪除其他無效數(shù)據(jù)，便于后續(xù)計算。

2.3 路段通行狀況

經(jīng)過多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合過程后，數(shù)據(jù)鏈條中的所有數(shù)據(jù)結(jié)點的數(shù)據(jù)域都存有該結(jié)點對應(yīng)的數(shù)據(jù)檢測點的里程樁號數(shù)據(jù)，以及對應(yīng)路段的平均通行速度數(shù)據(jù)。根據(jù)里程樁號數(shù)據(jù)可以顯著區(qū)分各個不同的路段，而根據(jù)平均通行速度數(shù)據(jù)可以直觀地判別路段的通行狀態(tài)。

平均通行速度對應(yīng)的路段通行狀態(tài)為：＞75 表示暢通，＞55 表示一般，＞35 表示緩行，＜35 表示擁擠。

2.4 異常狀況預(yù)警

通過上述步驟可以得到研究范圍內(nèi)高速公路各路段的實時路況信息，篩選車輛通行狀況為擁堵的路段，認(rèn)為該路段可能發(fā)生影響交通暢通性的事件，與對應(yīng)時間段的交通事件數(shù)據(jù)進行對比，如果該路段沒有上報交通事件，則上報預(yù)警信息，提醒管理人員注意。

3 實例驗證

該實例驗證過程采用的數(shù)據(jù)為2021年8月11日全日深圳某高速公路主線上的ETC 龍門架以及視頻攝像頭采集到的數(shù)據(jù)總數(shù)據(jù)集，同時通過互聯(lián)網(wǎng)公開數(shù)據(jù)采集方法，采集高德地圖路況信息數(shù)據(jù)，用于數(shù)據(jù)對比。總數(shù)據(jù)集中共有數(shù)據(jù)條目2124624 條，其中ETC 龍門架數(shù)據(jù)條目共計2115984 條，視頻攝像頭AI分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計頻率為5min，數(shù)據(jù)條目共計8640 條。結(jié)合數(shù)據(jù)檢測點分布圖，將路段通行狀態(tài)表與互聯(lián)網(wǎng)路況數(shù)據(jù)進行對比，發(fā)現(xiàn)細(xì)化路段10016′-10016，10015′-10015，10012′-10012，10011′-10011 處于緩行或擁擠的狀態(tài)，其他基本路段均保持暢通狀態(tài)，與互聯(lián)網(wǎng)路況數(shù)據(jù)基本一致。其中存在部分誤差，是由于前端檢測設(shè)備的布設(shè)位置及密度引起的。對比結(jié)果表明，基于鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)融合的路況計算模型可以正確反映道路的通行狀況，有一定的實際意義。

4 結(jié)論

綜上所述，根據(jù)高速公路通行數(shù)據(jù)的空間特征，采用數(shù)據(jù)鏈模型對多源異構(gòu)的數(shù)據(jù)進行融合，并在融合的基礎(chǔ)上進一步計算道路通行狀態(tài)，經(jīng)過與實際情況的對比，發(fā)現(xiàn)模型具有良好的適用性。同時，模型具有以下應(yīng)用價值：

第一，在以往技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出用ETC 龍門架與攝像頭代替收費站對高速公路路段進行劃分，提高了道路交通狀況的空間粒度，能夠更好地滿足管理人員對細(xì)節(jié)路段路況的管理需求。

第二，通過路況計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)可能存在的交通事件，能有效彌補交通事件發(fā)現(xiàn)機制的不足，避免部分發(fā)生在監(jiān)控盲區(qū)的交通事件難以被發(fā)現(xiàn)。