道路運輸運行監(jiān)測指標計算技術淺析
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摘要：國內(nèi)外基于交通流數(shù)據(jù)直接進行交通運行計算的研究較少，大多停留在利用GPS數(shù)據(jù)直接獲取車輛位置的階段，對交通流數(shù)據(jù)的研究多集中在交通狀態(tài)的估計和預測。在參考國內(nèi)外相關技術的基礎上，針對交通運輸運行監(jiān)測的實際技術需求，文章提出了多種技術方案構成的交通運輸運行監(jiān)測技術體系，體系主要包括三個主要技術層次，分別為基礎技術層、關鍵技術層、評價技術層。
關鍵詞：道路運輸監(jiān)測；速度模式提??；交通流
0引言
近年來，隨著交通運輸行業(yè)的迅猛發(fā)展，交通信息化水平不斷提升，應用軟件開發(fā)基礎逐步完善，充分挖掘利用已有信息系統(tǒng)和行業(yè)信息資源開展行業(yè)運行監(jiān)測、統(tǒng)計與分析，為交通規(guī)劃、行業(yè)監(jiān)管、科學決策提供技術支撐。為使指標要素形成可計算、可度量的計算模型，實現(xiàn)交通運輸行業(yè)多源數(shù)據(jù)融合開展道路運輸運行監(jiān)測指標計算模型研究。
1基礎技術研究
基礎技術層是交通運輸運行監(jiān)測的基礎，是核心技術的準備性技術，主要包括地圖網(wǎng)格化技術、速度模式提取技術以及設備自檢和校準技術。（1）地圖網(wǎng)格化技術地圖網(wǎng)格化技術是對GIS地圖的路段重劃分技術，遵循路段等長劃分為主，關鍵節(jié)點劃分為輔的基本原則，將GIS地圖中的公路劃分為基本的路段單元。路段的重新劃分主要為了解決以下兩個方面的問題：①路網(wǎng)中關鍵節(jié)點的識別。公路運行監(jiān)測的一個主要方面就是對公路基礎能力和基礎設施的監(jiān)測，其中路網(wǎng)中的關鍵節(jié)點（如收費站、可分流節(jié)點等）和關鍵路段（如隧道、橋梁）是評估公路基礎能力的重要因素。②速度模式提取和交通流構建。地圖上公路的原始劃分是以路鏈為基本單元，但路鏈是不等長的且長度差異顯著，這就導致了以路鏈為基礎的速度模式提取存在較大的誤差，并且無法通過路鏈的自由組合以實現(xiàn)任意路段、路線和區(qū)域的監(jiān)測分析。以1公里為基本的路段單元，可以實現(xiàn)路段速度模式的精細提取，通過對路段單元的組合，可以實現(xiàn)對任意路段、路線以及區(qū)域的運行監(jiān)測指標的計算。路網(wǎng)的重新劃分可基于目前最新的GIS地圖，地圖上除了有某公路的最新布局，還包括公路上各種基礎設施、檢測設備、特殊路段（如橋隧）、關鍵節(jié)點（如可分流節(jié)點）的標注信息。地圖劃分的主要思路如下：首先，針對每條公路，從地圖文件中提取某路段的連續(xù)的經(jīng)緯度序列。其次，確定每條公路的起止樁號。再次，從起始位置開始，利用距離計算算法將當前公路進行劃分，劃分的方式主要包括以下三種：以可分流節(jié)點為劃分節(jié)點；以特殊路段的起始點作為劃分節(jié)點；若無分流節(jié)點和特殊路段情況下，以1公里為基本的劃分單元。最后，以劃分的路段為基礎，形成公路的拓撲結構，在新的拓撲結構中，包括各個路段單元的基本屬性（路段編碼、路段屬性、起始經(jīng)度、起始緯度、路段上設備ID、路段長度、下一路段編碼等）以及各個路段之間的關聯(lián)關系。在路網(wǎng)重新劃分的基礎上，路網(wǎng)拓撲中存儲了公路的所有基礎能力和基礎設備信息，對任意指定的空間范圍實現(xiàn)準確快速的信息提取。指定公路的任意空間范圍，結合重新劃分得到的路網(wǎng)拓撲結構，提取路段單元，分析符合要求的路段單元的基礎能力數(shù)據(jù)（如路網(wǎng)總里程、橋隧長度、監(jiān)測設備數(shù)量、監(jiān)測范圍等），得到基礎能力信息，提取步驟如下：第一步：指定需要提取公路基礎能力信息的空間范圍，如果是路段或路線可以采用經(jīng)緯度或樁號表達范圍，如果為區(qū)域則采用經(jīng)緯度表達范圍。第二步：結合重新劃分后路段單元的位置信息（經(jīng)緯度和樁號表達），提取在指定范圍內(nèi)的所有路段單元。第三步：結合路段單元的屬性信息（橋隧信息、檢測設備信息、服務區(qū)信息等）分析提取制定空間范圍內(nèi)的公路基礎能力信息。（2）路段速度模式提取技術在基于節(jié)點數(shù)據(jù)的交通流構建模型中，當車輛從節(jié)點進入路段之后，需要為車輛設置初始速度。速度大小與所處的路段相關，因此結合大量的歷史交通數(shù)據(jù)，分車型的提取路段的經(jīng)驗速度（自由流情境下），為車輛提供基本的速度參考，并作為后續(xù)速度實時調(diào)整（根據(jù)實時的車流量、天氣、占有率等）的基礎。因為考慮到測速儀數(shù)據(jù)質(zhì)量以及延誤的問題，因此，路段速度模式提取以GPS數(shù)據(jù)和UGC數(shù)據(jù)作為主要數(shù)據(jù)源。GPS數(shù)據(jù)主要以“兩客一危”車輛的數(shù)據(jù)為主。UGC數(shù)據(jù)主要以私家車的數(shù)據(jù)為主。在進行速度模式提取前，需先進行路段匹配，其作用是將車輛的GPS軌跡點或UGC軌跡點投影到實際道路路段上，以確定車輛的道路匹配位置。在路段匹配的基礎上，可以得到路段上各種不同車型在不同時間的速度分布情況，通過統(tǒng)計分析，獲取固定路段上不同時段、不同車型、不同車重的車輛的速度模式，為交通流構建模型提供基礎的速度參考，即完成路段速度模式提取。（3）設備自檢和校準技術為防止節(jié)點和測速儀的系統(tǒng)工作時鐘存在偏差，使得到的實時車輛位置與車輛的實際位置有較大誤差。因此需進行設備自檢和時間校準。設備自檢和校準工作可按以下步驟實施，第一步：測速儀自檢和校準；第二步：計算當前車輛的GPS點與測速儀的位置點之間的距離，并與該車之前GPS點與當前測速儀的距離對比；第三步：針對每個測速儀，剔除該測速儀下記錄的GPS點與測速儀距離超過閥值的車輛。第四步：計算每個測速儀中剩余車輛的GPS時間與測速儀檢測時間的時間偏差，并計算該測速儀中所有車輛時間偏差的平均值作為系統(tǒng)時間偏差；第五步：分析每個測速儀的系統(tǒng)時間偏差，若小于30秒則該測速儀的時間準確，反之亦然。交通節(jié)點的自檢和校準技術與測速儀的技術思路基本相同，但因為節(jié)點處存在多個車道，因此，在節(jié)點自檢和校準應以車道數(shù)為單位進行。
2關鍵技術研究
以前節(jié)為基礎，對交通運輸運行監(jiān)測的路徑選擇技術和基于節(jié)點數(shù)據(jù)的交通流構建技術進行分析。（1）路徑選擇技術交通流模型構建的主要思想是實時計算公路所有車輛的位置，因為是基于路網(wǎng)結構進行計算，所以車輛在公路可分流節(jié)點的路徑選擇是模型的構建的主要問題，車輛路徑選擇技術的目的就是實時的判別車輛選擇的路徑，保證基于單車位置計算的交通流模型構建的正確性。車輛在行駛時，主要存在靜態(tài)路徑選擇和動態(tài)路徑選擇兩種方式。靜態(tài)路徑選擇方式是指公路上營運車輛（如兩客一危車輛）的路由選擇一般是固定的，針對這類車型，可以結合歷史數(shù)據(jù)，分析車輛的行駛路由，并將車輛的路由靜態(tài)存儲，當檢測到車輛進入時，使車輛以固定的路由行駛。動態(tài)路徑選擇方式主要是指高速上的非營運車輛和新入網(wǎng)車輛路由選擇是動態(tài)變化的，在分流節(jié)點存在多種可能的行駛路徑，針對該類車型，主要是結合實時的檢測器數(shù)據(jù)識別車輛的實際行駛路徑。靜態(tài)路徑推導是通過對歷史運行數(shù)據(jù)的挖掘，提取營運車輛的固定行駛路由。首先應結合車輛的登記信息，提取車輛基本信息；通過分析歷史監(jiān)測節(jié)點數(shù)據(jù)以及車輛的GPS數(shù)據(jù)，提取車輛的行駛路由，以基本路段單元表達；最后，分析連續(xù)多天歷史數(shù)據(jù)，確定每輛車的路由選擇的固定性，若路由選擇基本固定，則保存到靜態(tài)路徑表中，若路由存在顯著差異，則歸于動態(tài)路徑推導。動態(tài)路徑推導針對非營運性的車輛，在可分流節(jié)點處，路徑選擇是動態(tài)變化的，需要結合監(jiān)測器的實時數(shù)據(jù)識別實際行駛路徑。首先，當車輛行駛到可分流節(jié)點時，初始狀態(tài)下，設定車輛同時在所有路徑行駛；然后在車輛位置更新的過程中，結合實時測速儀數(shù)據(jù)和基礎信息，識別車輛的實際行駛路徑，并刪除其他路徑上該車行駛軌跡，保證車輛行駛路徑的唯一性。重復第一二步，直到車輛通過節(jié)點離開路網(wǎng)。當檢測到車輛進入監(jiān)測路網(wǎng)時，識別車輛是否為營運車輛并且在靜態(tài)路徑表中存在固定路由，若是則該車輛根據(jù)固定路由行駛，否則當?shù)竭_可分流節(jié)點時，采用動態(tài)路徑推導技術識別該車輛的實際行駛路徑。（2）交通流模型構建技術目前，公路的運行監(jiān)測主要基于各種斷面監(jiān)測設備，由于建設等原因，各種監(jiān)測設備的布設密度稀疏，導致公路運行監(jiān)測誤差大、覆蓋率低、監(jiān)測不全面。為了提高公路運行監(jiān)測的精度和全面性，提出了以監(jiān)測節(jié)點數(shù)據(jù)為主、測速儀數(shù)據(jù)輔助校準的公路全樣本車輛實時位置計算技術。基于監(jiān)測節(jié)點數(shù)據(jù)的交通流構建技術是公路運行監(jiān)測的核心技術，可以計算任意車輛在任意時間的路網(wǎng)位置，結合地圖網(wǎng)格化技術對路網(wǎng)的劃分，可以分析任意空間區(qū)域的實時車流量，車型占比，擁堵度，橋隧等特殊路段的車流量和車型分布，服務區(qū)等場站設施內(nèi)的車流量等監(jiān)測指標以及實現(xiàn)對各種監(jiān)測指標變化趨勢的預測。交通流構建技術的基本原理為：以節(jié)點數(shù)據(jù)和測速儀數(shù)據(jù)為基礎進行數(shù)據(jù)融合，并對融合數(shù)據(jù)進行實測，模型如下圖所示。交通流構建模型的實現(xiàn)主要依托于路網(wǎng)重新劃分后的拓撲結構以及基于路段的速度分布模式，結合實時的節(jié)點通行數(shù)據(jù)和測速儀數(shù)據(jù)，構建公路全樣本車輛實時位置計算的高精度計算框架。流程如下：進入監(jiān)測路段：當檢測到車輛進入監(jiān)測路段時，根據(jù)路段節(jié)點信息查找路網(wǎng)拓撲結構，獲得當前車輛的初始位置和初始速度，并將該車輛的基本信息插入到最新位置。駛離監(jiān)測路段：當檢測到車輛駛離監(jiān)測路段時，根據(jù)離開節(jié)點信息查找路網(wǎng)拓撲結構，獲得當前車輛的終止位置，查找最新位置中該車輛的基本信息進行刪除，并將該車輛的基本信息插入到歷史位置中。過測速儀：當測速儀檢測到車輛時，根據(jù)測速儀編號查找路網(wǎng)拓撲結構，獲得當前車輛的當前位置和速度，并更新該車輛在最新位置中的基本信息，實現(xiàn)對車輛位置的校準。位置計算：設定固定的時間作為定時更新的時間間隔，當需要進行位置更新時，首先將當前最新位置保存到歷史位置，然后對最新位置中的所有車輛位置進行定時更新。上述過程是一個不斷重復迭代的過程，該過程的輸出主要包括兩部分：第一是當前路網(wǎng)上所有車輛的最新位置；第二是出現(xiàn)在被測路段上的所有車輛的歷史運行軌跡。
3評價技術研究
基于節(jié)點數(shù)據(jù)的交通流構建技術可以得到路網(wǎng)上的全樣本車輛的歷史軌跡數(shù)據(jù)，車輛的歷史軌跡是計算得到的虛擬軌跡而不是實際檢測到的，因此與車輛的實際位置必然存在誤差，誤差的大小反映了虛擬軌跡的可信程度以及優(yōu)化方向。因此針對交通流構建模型實現(xiàn)結果的評價體系十分必要?；A數(shù)據(jù)中存在部分車輛（“兩客一?！保┑腉PS數(shù)據(jù)，由于GPS數(shù)據(jù)是車輛實際產(chǎn)生的位置數(shù)據(jù)，可信度和采樣頻率較高，可將GPS數(shù)據(jù)作為基準數(shù)據(jù)。結合GPS數(shù)據(jù)和基于交通流構建模型得到的計算軌跡數(shù)據(jù)，選擇樣本車輛，對車輛位置計算結果進行評價，流程為對GPS數(shù)據(jù)和車輛虛擬軌跡數(shù)據(jù)進行樣本車輛提取，其中GPS數(shù)據(jù)記為樣本車輛實際軌跡，車輛虛擬軌跡數(shù)據(jù)記為樣本車輛虛擬軌跡，兩種數(shù)據(jù)進行軌跡標準化處理（統(tǒng)一用里程樁號表達的方式），通過實際軌跡與虛擬軌跡對比，可得模型標準性評價結果。樣本包括計算軌跡樣本和GPS軌跡樣本，利用以下兩種方法評價樣本的選擇，得到評價系統(tǒng)的輸入樣本：隨機樣本選擇：隨機樣本選擇的目的是從整體上對車輛位置計算模型的定位效果進行評價，首先從檢測節(jié)點數(shù)據(jù)中提取當天進入高速的所有大客車的車牌，之后基于提取的車牌信息，隨機挑選有GPS數(shù)據(jù)的車輛并分別提取該車的GPS數(shù)據(jù)和計算軌跡作為評價系統(tǒng)的輸入樣本?；跍y速儀校正作用驗證的樣本選擇：該類樣本的選擇是為了驗證測速儀在車輛位置計算模型中發(fā)揮的作用而挑選的，首先提取同一天中測速儀數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)同時存在的車牌構成車牌信息庫，基于提取的車牌信息，對所有車分別提取該車的GPS數(shù)據(jù)和計算軌跡作為評價系統(tǒng)的輸入樣本。評價實施：在將計算軌跡和實際軌跡標準化之后，通過匹配計算軌跡和實際軌跡的時間，得到計算軌跡和實際軌跡的評價序列，計算每一個軌跡對的位置偏差，分析計算軌跡與實際軌跡的相對誤差和絕對誤差，評價交通流構建技術的實施效果。
4結語
針對交通運輸運行監(jiān)測的實際技術需求，本文提出了多種技術方案構成的交通運輸運行監(jiān)測技術體系，體系以地圖網(wǎng)格化技術、速度模式提取技術以及設備自檢和校準技術為基礎，以路徑選擇技術和交通流模型構建技術為關鍵，以模型評價技術為佐證，實現(xiàn)以交通流為交通重點監(jiān)測方向的新型監(jiān)測方式，實現(xiàn)交通數(shù)據(jù)與地圖信息、速度信息的有機結合，達到預判交通狀態(tài)的目的。
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作者:葛迪 姜子揚 王琿 高鴻鵬 單位:黑龍江省交通運輸信息和科學研究中心
