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城市道路交通状态分析方法回顾与展望

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城市道路交通状态分析方法 回顾与展望 ■戢晓峰 西南交通大学交通运输学院,成都61 003 摘要: 阐述了城市道路交通状态分析的必要性,通过对实时交通状态进行科学分析和划分,为区域路 网的交通流控制、诱导等提供交通管理决策支持。并对现有的交通状态分析方法进行评述,提 出了进一步的研究方向。 关键词: 交通状态;交通信息;交通状态参数;交通流特征 城市交通系统是一个分布式、有人参与的时变复杂 交通信息之中的交通模式.为交通管理与控制提供有用 系统,而实际的城市交通流呈现出非线性、随机性和时 信息 空相关联的特征,这就意味着城市交通管理必然是一项 路网实时交通状态的变化,本质上是交通流的时空 异常困难而又极具开拓性的工作。随着交通拥挤加剧, 变化。不同的路网交通流特征将对应不同的交通状态。 利用先进的交通控制与管理手段缓解交通拥挤已成为共 因此,交通状态应该是伴随交通系统运行产生的一种动 识 在此基础上发展起来的智能交通系统也成为一个极 态的交通流状态或网络模式。根据交通管理需要的不 其重要的研究方向。在过去数10年问,来自交通、物 同.可以从微观或宏观层面对交通状态进行分析,从而 理、数学、通信、电子技术等不同专业领域的大批专家 更好的为区域路网的交通流控制、诱导等提供决策支 学者.对交通流理论、城市交通网络均衡分析、交通控 持。从本质上看,交通拥挤也是一种交通状态,因此可 制及交通流诱导等城市交通领域的热点和难点问题进行 以认为交通拥挤的判别等相关研究是交通状态分析的一 了大量研究,取得了众多开创性的成果。智能交通系统 个子集。目前,交通状态的评价方法及指标较多,如采 实施的先决条件是对交通流运行状态的科学划分与量化 用模糊评价、层次分析法等确定服务水平、拥挤度等, 方法有清晰、准确的理解和掌握 】。 同时有很多学者关注交通拥挤的自动判别 并提出了大 1交通状态分析的必要性 量的模型与算法。 到目前为止,国际上尚无统一的城市交通状态或交 通过观察城市交通实际运行和对所采集到的交通信 通拥挤的判别定义。比较通用的是美国的 道路通行能 息进行分析,可以发现路段和区域交通状态具有自身的 力手册》(Highway Capacity Manual,HcM)提出的描述 规律。在过去,这些规律需要交通管理人员长期的经验 车辆之间的运行条件及其驾驶员和乘客的主观感觉的质 积累才可发现.而现在充分利用智能交通系统的海量信 量测定标准——道路交通服务水平(1evel of service)。 息,运用模式识别、人工智能等方法,便可找出隐含在 Lomax T.在完成美国国家协作研究项目(National CO-- l1 收稿FI期:2007—08—2l 作者简介:戢晓峰(1982.9一),男,湖4E ̄,J J¨人,西南交通大学交通运输学院博士研究生,研究方向:智能交通系统。Email:yiluxinshi@sma cOlll 道路交通与安全·第8卷第3期2008年6月 operative highway research program NCHRP)Report398: 多样性和复杂性。交通状态分析能够从全局角度实时地 是交通控制系统与交通流诱导系 Quantifying congestion之后提出了一系列量化交通阻塞 反应路网的服务水平,的指标f3】.如:出行速率(travel rate)、延误率(delay 统协同的重要依据。首先.由于它反映了交通流客观运 rate)、总延误(total delay)、相对延误率(relative delay 行状态 可以向交通管理者提供准确地交通运行状况信 rate)、阻塞行程(congested trave1)、可达性(accessibi I ity) 息,并可以作为交通控制系统的输人参数优化区域路 等,但是没有进一步提出阻塞度的定义。另外,英国运 网:其次.由于交通状态能够反映出行者的心理,在确 输研究所(Transport Research Laboratory,TRL)的Wood 定诱导策略及发布交通信息时.科学地进行交通状态分 K等人提出了用通行能力损失来诊断城市交通阻塞的思 路 】,但该方法的分析数据来源于SCOOT交通控制系 统,因此不具有通用性。 交通状态包含2层含义 1)交通运行的客观状态, 即随着交通状态的变化.交通流特征参数也随之变化; 2)取决于驾驶员的心理感觉 对于不同的道路状况等条 件,驾驶员对交通状态的尺度也是不一样的【5】。虽然国 际上关于交通状态至今没有统一的定义.但其具体运用 却得到了广泛的重视。如服务水平(LOS)是指道路使用 者根据交通状态 从速度、行驶时间、驾驶自由度、交 通间断、舒适、方便等方面所得到的服务程度。在美国 道路通行能力手册》中.服务水平是描述交通流内的 运行条件及其影响驾驶员与乘客感觉的一种质量标准 亦即道路在某种交通条件下所提供的运行服务的质量 水平。美国将服务水平分为A到F6级,但是主要针对 非中断性交通流的公路设施。我国2002年公布 的《城市交通管理评价指标体系》中规定_6】,用城市主 干路上机动车的平均行程速度来描述其交通拥挤程度 1】畅通:城市主干路上机动车的平均行程速度不低于 30 km/hj 2)轻度拥挤:城市主干路上机动车的平均行 程速度低于30 km/h,但高于20 km/h:3)拥挤:城市 主干路上机动车的平均行程速度低于20 km/h,但高于 1O km/h;4)严重拥挤:城市主干路上机动车的平均行 程速度低于1 0 km/h。这些描述都是交通状态分析的具 体运用。 交通状态具有以下特性:1)层次性。与城市路网结 构的层次性相对应.道路交通状态也具有明显的层次 性;2)随机性。交通状态往往与时间紧密相关的随机过 程有关,并且由系统的动态性所决定;3)相对性。道路 堵塞与一定的交通环境有关,不同交通环境下的交通状 态以及对其描述与划分存在着不一致性 如采用不同的 描述方法,对于交通状态的划分就有所不同 4)数据的 12 析可以更好的被出行者所接受。 2不同层面的交通状态分析方法 路网交通状态判别涉及宏观、中观和微观交通参 数。宏观交通参数主要描述交通路网的网络特性和整体 状态的演变过程中观参数主要指路1:3与路段的交通状 态:微观参数主要是指车辆运行状态与相互影响关系。 因此,路网交通状态判别是涉及多尺度、多变量、高度 随机和时变的复杂系统分析问题。仅仅从交通流数据的 分析中很难得出交通状态的时空变化规律 还需要建立 合理的路网模型 并在此基础上,对路网交通状态及其 演变规律进行分析l7】。城市交通状态分析主要基于多源、 海量的交通信息,因为分布式的城市交通系统拥有大量 检测器.如检测线圈、雷达、视频检测器等。通过对交 通信息的提取和分析 可以得到能够科学表征网络交通 流状态的有用信息 进而实现对路网交通流状态地实时 响应.实现交通控制系统与诱导系统的相互协作。 微观交通状态分析主要集中于交通流的基础研究, 并开发了大量的模型。德国的Kerner B S提出了著名 的交通流3相论,认为交通之所以阻塞是发生了交通流 的相变,即交通状态的本质发生改变【8】。Ceder E.,Easa s M.Banka J H等一些学者将交通流分为2相:拥挤 和非拥挤。Bassan S将80km/h作为交通流“Breakdown” 的速度阈值【c】。 中观交通状态分析最具代表性的研究为道路交通事 件自动判别算法(ACI) 它也是智能交通系统的基础理 论,国内外进行了大量研究并开发了大量模型.这些模 型和算法主要关注于路段或交叉口的交通状态。国外最 早开发并投入使用的道路交通状态判别算法是以判别突 发交通事件为主要功能的加利福尼亚算法。这种算法开 发于1 965—1 970年之间,最初用于洛杉矶公路管理控 制中心。随后.国外许多研究人员对交通拥挤的自动判 城市道路交通状态分析方法回顾与展望·交通论坛 别进行了大量研究,提出的模型和算法大部分以检测器 拥挤度。将拥挤度划分为:通畅、稳定、非稳定、拥挤 信息为基础,主要适用于路段交通状态分析。相关研究 4个子集,用流量比的隶属度函数和行驶速率的隶属度  .。 可分为离散型和连续型2类:离散型是通过比较某一个 函数,通过9条推理规则,来判定拥挤度的隶属度[交通参数与一个阀值的关系,参数大于某一个阀值时. 戴红用速度、占有率、信号交叉口平均每车停车延误3 便认为发生了交通拥挤。连续型是认为交通情况从畅通 个交通参数进行多因素模糊模式识别评判交通状态,将 无阻到严重阻塞的变化是一个连续的过程,建立一个能 道路交通状态分为畅通、正常、拥挤、堵塞4个等级 。 够连续描述交通拥挤的指标。国外有研究者尝试不直接 Kerner童小华、章威集成GIS和GPS技术的浮动车技术, 检测拥挤状态,而是采用相对简单的方法去寻找自由流 状态,即通过设定可行的时间窗及与特定车辆匹配来确 定交通状态。在下游确定跟踪车辆后 在给定时间内于 上游检测该车辆是否出现,该方法不但能够确定是否为 自由流状态而且能够检测到拥挤的开始并进行报告_ .。 宏观交通状态分析主要是评价交通网络的整体运行 状态,为交通管理者提供决策信息。一些研究者从交通 管理的实际应用为出发点进行研究.于春全从宏观层面 论证了进行交通状态评估的必要性,并以北京市路网为 例,初步探讨了宏观评价指标体系_.”。姜桂艳构建了3 层道路交通状态指标体系,其中城市道路交通状态分别 对主干路、次干路、快速路采用拥挤率进行评价_ .。时 变的交通状态是如ATMS、ATIS等先进的在线交通管理 与控制系统的重要输入变量。然而.通过可利用的测量 技术估计静态的交通状态变量是十分困难的,更何况是 动态的交通状态估计。国外尝试开发了新的基于实际可 利用的检测器数据的动态交通状态估计和OD需求估计 的框架.该框架采用新开发的滤波技术,即Unscented Kalman FiIter(UKF),并通过交通仿真来实现_. 。 3基于交通信息处理的道路交通状态分析 3.1交通状态参数估计 目前,绝大多数研究者将交通流量 占有率、行程 速度、行程时间和延误确定为交通状态的主要衡量指 标.并认为在城市道路中行程时间和延误是衡量交通状 态比较合适的指标f1 。现有研究多采用模糊数学、集成 GIS和GPS的浮动车技术、模式识别等方法 针对交通 状态参数估计构建模型 并在实际中得到应用。Meier 根据检测器的安装位置对路段进行划分,以时空推演的 思想对宏观交通流进行智能分区建模.通过卡尔曼滤波 技术对来自检测器的信息进行处理分析.实现交通状态 的估计¨ 。路加用模糊数学的方法描述交通参数及交通 以路段平均行程时间和平均速度作为主要表征参数.并 提出了以出租车为检测车的交通状态分析模型[1 8-20】。林 瑜采用车辆的平均行程速度与排队长度占路段长度的比 例2个变量 作为城市道路间断交通流阻塞的判断依据, 运用模糊逻辑对城市道路交通状态进行了量化分析¨】。 袁文平以上海城市快速路为应用背景,开发了相应的交 通状态自动辨识模型和行程时间预测模型 。 3.2基于交通流信息处理的交通状态分析 随着交通控制设备的大量投入使用和智能交通系统 研究的不断深入 交通管理控制中心不但积累了海量的 历史交通信息.同时能够提供丰富、准确的实时交通信 息,这就为通过交通信息处理进行交通状态分析创造了 条件,并使区域交通流特征提取、交通模式划分等方法 逐步应用于交通状态分析中得以实现。如利用历史数据 库的交通状态数据,确定交通畅通与不畅通之间的阈 值.并根据相邻交通状态点之间的关系将交通状态分为 畅通、过渡交通和拥挤3类_2 。而应用模式识别的理论 和方法,将路网的交通状态划分为数量有限且不同类型 的交通模式,当系统识别出路网处于某种模式时.就可 参照事先确定的优化参数及策略进行交通控制和诱导. 以提高交通系统的运行效率,模式划分主要基于整个路 网中各个路段的车流量、平均车速和车辆密度数据 】。 郭伟采用K均值聚类和EM算法相结合的方法,提取出 特征向量以表征路El交通流运行状况,能够对典型区域 路网交通状况进行评估 。张和生从交通数据管理的角 度研究了交通模式与区域交通流特征问题,通过模糊聚 类和数据挖掘的方法.对多路段历史交通流数据时空相 似性进行分析.得到代表区域交通网络特征的特征点和 特征交通模式【2】。另外,利用环形线圈检测系统采集到 的基础交通流特征数据.采用聚类分析方法研究交通状 态量化方法,也可以划分交通状态的不同等级【25 。 13 道路交通与安全-第8卷第3期2008年6月 3.3路网建模与交通状态分析 评价与微观交通状态分析相结合,为交通管理控制提供 仅仅对交通状态参数、交通流信息进行处理分析. 基础信息。同时,探讨能够面向控制系统、诱导系统等 并不能直接得到路网整体的交通流演化情况.还需要对 实际应用需要的交通状态分析方法和交通信息处理方法  路网进行建模分析 从而为交通管理者提供更直观的交 也是十分有价值的研究方向。通状态信息。采用路口可达性矩阵及路段连通性分析, 城市道路交通状态分析是综合运用交通流理论、概 结合适当的交通参数可以进行合理的路网交通状态建 率与数理统计理论、数据挖掘及人工智能等理论来分析 模。如通过设定交通拥堵的不同阈值,把路13状态划分 城市交通系统提供服务水平的过程.并以此为交通规划 为不同层次.建立了区域路网的时空分层模型,得到路 口可达性和路段连通性的分析结果和城市路网拥挤状态 的时空关系【2 ,同时综合考虑路段平均行程时间和路段 长度2类参数 用路段拥挤系数矩阵确定各个子区的交 通状态 。 另外,部分研究者对已有的交通状态评价指标进行 了改进,如服务水平、饱和度等。张修运用二流理论提 出了城市干道的交通状态评价方法_2 汤淑明应用服务 水平指标评价交通状态的不足.提出了一种基于处理能 力指数(PCI)的服务水平评价方法l3 .杜进有将饱和度 指标的应用推广到城市路网交通状态的评价中 。 4交通状态分析方法展望 交通状态的分析与评估至今还没有一个统一的定义 和标准,如何整合微观和宏观层面的分析方法还需要进 步进行研究。目前的交通状态分析研究分别涉及到微 观、中观与宏观应用层面,但缺乏科学的区分与评价, 针对各自的适用范围与应用目标还缺乏相应的研究。而 且许多研究主要针对城市快速路或高速公路.对城市道 路网的交通状态分析研究较为缺乏。应用微观参数估计 来分析交通状态的研究较多,且主要面向拥挤的自动判 别,但未能建立科学的宏观评价指标体系。取得最多研 究成果的道路交通拥挤自动判别算法(ACI)主要关注于 路段的拥挤判别 未能对交叉13交通状态作重点分析, 也不能直接应用于宏观交通状态分析与评价。 实际路网上的交通流是时变的 一个路段上流量的 变化会影响相邻路段上流量的变化.进而影响到整个路 网的变化,只有将交通网络视为一个整体,确定科学的 宏观网络交通状态分析方法,对于网络拥挤的控制至关 重要。因此,交通状态分析的一个重要研究方向是提出 能够合理表征路网交通状态的指标体系.同时研究更合 适的路网交通状态混合建模方法,将宏观路网交通状态 14 和管理的决策依据,提高路网的服务水平。因此.实现 路网的实时交通状态判别与控制是改善路网运营性能的 重要前提。在此基础上,结合交通流特征进行交通流的 运行组织规划,同时进行路网诱导与控制的集成.可以 减少出行者出行费用,提高系统总体效益。 参考文献 [1]林瑜,杨晓光,马莹莹.城市道路间断交通流阻塞量化方法 研究[J].同济大学学报(自然科学版),2007,35(3):336—340 [2]张和生,张毅,胡东成.海量数据管理框架与方法研究[J】. 计算机工程与应用,2004,(1 1):26-1 51 [ 】Lomax T.,Turner S.,Shrnik G.QuantLfyLE ̄congestion, volume1[R】.Washington D C:National Cooperative Highway Research Program,1 997 [4】Wood K.,Palmer J.P.,Bretherton R.D.Congestion analysis and diagnosis in UTC networks[C]// Proceedings of the 7th InternatiOnal Conference on Road Traffic Monitoring and Contro1.London: Transport Research Laboratory.U K,1 994:1 72-1 76 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Key words:travel state;traffic information;traffic state parameters;traffic flow feature 【25]任江涛,欧晓凌,张毅,等.交通状态模式识别研 J】.公路 交通科技,2005,20(2):63-67 深圳拟于201 1年私车出行 深圳市许宗衡最近透露,到2011年,深圳市轨道交通总长度可达到177km。届时,深圳将小汽车使用, 逐步改变深圳人们出行的方式和结构。 据介绍,拟对小汽车出行采取系列措施有:提高停车位价格,在市中心区或拥堵区采用电子计费系统分地段 和时段收取“拥堵费”等。 (姜学锋) 

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