一种基于考虑城市交叉口时间延误的实用路径选择方法
【专利摘要】本发明公开一种基于考虑城市交叉口时间延误的实用路径选择方法。通过借鉴弧标号的思想对传统A*算法进行改进，解决了路径规划问题中的交叉口转向时间延误问题。根据实时交通状况对路网数据进行更新，并在最优路径的选择过程中限制搜索区域，以路段行程时间变化率和交叉口延误时间变化率为依据有选择性地更新最优路径。本发明方法在考虑交叉口时间延误的基础上，可以根据实时路况为车辆提供合适的路径选择，实用性较高，对交通诱导路径规划的研究有重要意义。
【专利说明】-种基于考虑城市交叉口时间延误的实用路径选择方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于交通工程领域，涉及一种基于考虑城市交叉口时间延误的实用路径选 择方法。
【背景技术】
[0002] 为出行车辆提供路径选择是城市交通系统研究的重要组成部分。由于交叉口处 信号控制及拥堵造成的排队现象等原因，车辆行驶至交叉口处时将不可避免地产生时间延 误。对于车辆出行的整个行程时间而言，交叉口时间延误的比重不可忽略。因此，在进行路 径选择时，将交叉口时间延误作为考虑因素之一是十分有必要的。此外，城市交通路网是一 个动态变化的复杂系统，交通流参数是实时变化的，路径选择需要依据实时路况信息作出 判断，有选择性地重新选择路线。
[0003] 目前，国内外对于路径选择算法的研究已较为成熟，但大多停留在理论阶段，当结 合到实际路网中时，这些算法需要进行一些改进才能进行应用。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于考虑城市交叉口时间延误的 实用路径选择方法。
[0005] 该方法包括以下步骤：
[0006] 步骤（1).对待测实地区域采集路网数据，利用其生成路网，并用有向赋权网络G =(V，A，D，C)表示该路网；
[0007] 其中V=IviIi= 1，2,…，n}为网络G= (V，A,D,C)中的节点集合，表示城市道 路交叉口；A=IaijIi,j= 1，2,…，n}为网络G= (V，A,D,C)中的弧集合，表示城市道路相 邻交叉口之间的有向路段；C= {Cij|i，j= 1，2,…，n}为网络G= (V，A，D，C)中的弧权集 合，Cij表示车辆在弧aij上平均路段行程时间；D= {dijk|i，j，k= 1，2,…，n}为网络G= (V，A，D，C)中的点权集合，dijk表示弧aij转向弧ajk时在节点Vj处产生的平均转向延误时 间；
[0008] 所述的路网数据包括交叉口地理坐标、相邻交叉口间平均路段行程时间以及交叉 口平均转向延误时间；
[0009] 步骤（2).设定最优路径的起点和终点，根据当前路网数据，调用改进启发式￥算 法计算得到最优路径，具体步骤如2. 1?2. 5 :
[0010] 所述的最优路径起点为节点V。，终点为节点Vd ;最优路径由多条首尾相连的弧 构成，其中弧上的节点Vi和节点Vj分别为该弧的尾节点和头节点；
[0011] 2. 1考察终点节点Vd的所有入弧，建立目标弧集T;目标弧集T存放以终点Vd为头 节点的所有入弧，初始Kt_open=t，T'rAttsr#;
[0012] 2. 2初始化估价值fij，令fij=M，M为无穷大正数；
[0013] 所述的估价值t表示在弧％上产生的起点V。至终点Vd的估计行程时间；
[0014]2. 3在起点v。前添加虚拟节点Vt^，则弧a。：。是一条虚拟弧，根据公式fV。= g。，。+h。，。，g。，。= 〇,故f。，。=h。，。，p。，。=NULL,将弧a。，。移入OPEN表中；其中对于弧 aijGA而言，Pij为起点V。至弧aij头节点Vj的最短路径上弧aij紧前弧的尾节点的标号；
[0015] 2. 4判断OPEN表是否为非空，若是则执行以下操作步骤2. 4. 1?2. 4. 4,若否则执 行步骤2. 5:
[0016] 2. 4. 1对于OPEN表中的所有弧，选取最小值对应的弧，记为ars;将a,sWOPEN 表中删除，并将are插入到CLOSE表中；判断弧are是否在T_0PEN表中，若是则执行步骤 2. 4. 2,若否则执行步骤2.4. 3;
[0017] 2. 4. 2若弧are在T_0PEN表中，则将其从T_0PEN表中删除，并将插入到T_CL0SE 表中；然后判断是否F 若是则执行步骤2. 5,若否则跳转执行步骤2. 4;
[0018] 2. 4. 3若弧a,s不在T_0PEN表中，判断弧are的头节点Vs的所有出弧ast是否都在 CLOSE表中，若是则执行步骤2. 4,若否则对不在CLOSE表中的出弧进行考察，然后判断是否 成立fst >g"+d"t+cst+hst,若是则重新赋予fst =gre+d"t+cst+hst,pst =r后执行步骤 2. 4. 4 ; 若否则直接执行步骤2. 4. 4 ;
[0019] 2. 4. 4判断弧ast是否在OPEN表中，若不在则将该弧移入OPEN表后跳转执行步骤 2. 4;若在则直接跳转执行步骤2. 4;
[0020] 2. 5根据T_CL0SE表中各弧紧前弧的尾节点标号Pij，回溯得起点V。至该弧头节点 的最短路径；比较终点Vd各入弧的估计值，取最小估计值对应的终点Vd入弧；该入弧头 节点所对应的最短路径即为起点V。至终点Vd的最优路径；
[0021] 步骤（3).按照步骤（2)得到的最优路径行驶，每间隔Ts时间后，根据路面检测器 检测到的实时路网数据对路网进行更新，并检测车辆行驶位置；根据车辆当前行驶位置，选 取最近的交叉口设定为当前考察节点，记为V。；
[0022] 所述的最近的交叉口是指路段上沿车辆行程方向距离车辆位置最近的交叉口；
[0023] 步骤（4).判断当前考察节点V。是否为终点Vd，若是则算法终止；若否则执行步骤 (5)；
[0024] 步骤（5).根据当前考察节点V。和终点Vd确定限制搜索区域Z:
[0025] 所述的限制搜索区域Z是指根据路网中各交叉口的地理坐标，运用一些几何规 贝U，对路网范围进行划分，在最优路径的搜索过程中只对落入限制区域Z内的节点和弧段 进行考察，忽略限制搜索区域Z外的节点和弧段；
[0026] 步骤（6).根据当前最优路径所对应的路网数据，计算该时段限制搜索区域Z内各 路段的行程时间变化率和各交叉口延误时间变化率，最后取上述所有变化率的平均值入；
[0027]步骤（7).判断变化率平均值入是否大于阈值a，若是贝U跳转执行步骤（2)，并重 新赋予V。为起点，vd为终点，以上述步骤（5)得到的限制搜索区域Z建立新路网；若否则执 行步骤（3)。
[0028]本发明的有益效果是：
[0029] 应用本发明方法可以解决城市道路路径规划中的交叉口转向时间延误问题，并能 根据实时路网数据为出行车辆提供符合实际交通状况的路径选择，对城市道路交通诱导体 系的研究具有重要的应用价值。
【专利附图】
【附图说明】
[0030] 图1是实际路网转换为有向赋权网络G= (V，A，D，C)的示例图；其中图（a)为实 际受叉口路网不意图（有两个受叉口），图（b)为抽象后的有向赋权网络不意图；
[0031] 图2是弧和节点关系不意图；
[0032] 图3是本发明方法流程图。
【具体实施方式】
[0033] 下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
[0034] 本发明方法包括以下步骤：
[0035] 步骤（1).通过现有成熟技术对待测实地区域采集路网数据，利用其生成路网，并 用有向赋权网络G= (V，A，D，C)表示该路网，如图1所示；其中V=IviIi= 1，2,…，n}为 网络G= (V，A，D，C)中的节点集合，表示城市道路交叉口；A={aijIi，j= 1，2,…，n}为 网络G= (V，A，D，C)中的弧集合，表示城市道路相邻交叉口之间的有向路段；C= {Cij|i，j =1，2,…，n}为网络G= (V，A，D，C)中的弧权集合，Cij表示车辆在弧aij上平均路段行程 时间；当考虑交叉口转向延误时，有向网络的节点带有权重，且权重不唯一，与节点相邻的 弧段有关，表示的是与节点前后相邻的弧段在该节点产生的时间延误，D= {dijkIi,j,k= 1，2,…，n}为网络G= (V，A，D，C)中的点权集合，dijk表示弧aij转向弧ajk时在节点Vj处 产生的平均转向延误时间。
[0036] 所述的路网数据包括交叉口地理坐标、相邻交叉口间平均路段行程时间以及交叉 口平均转向延误时间；
[0037] 步骤（2).设定最优路径的起点和终点，根据当前路网数据，调用改进启发式A*算 法计算得到最优路径；
[0038] 所述的最优路径起点为节点V。，终点为节点Vd ;最优路径由多条首尾相连的弧 构成，其中弧上的节点Vi和节点Vj分别为该弧的尾节点和头节点；
[0039] 2. 1考察终点节点Vd的所有入弧，建立目标弧集T;目标弧集T存放以终点Vd为头 节点的所有入弧，初始KT_0PEN=T，T1 ?66万=0。实际上，在本算法中，T_0PEN表用于存 放未移入CLOSE表中的目标弧集T中的弧，T_CL0SE表用于存放已经移入到CLOSE表中的 目标弧集T中的弧；OPEN表存放已经搜索过但尚未完成考察的弧，CLOSE表用于存放已经完 成考察不需要再搜索的弧。
[0040] 所述的入弧是指网络G= (V，A，D，C)中所有以节点Vd为头节点的弧；
[0041] 2. 2初始化估价值t，令=M，M为无穷大正数；
[0042] 所述的估价值表示在弧％上产生的起点V。至终点Vd的估计行程时间；
[0043] 实际上,在本算法中Aj=gij+hij,其中gij为起点V。至弧ay头节点Vj最短路径的 实际行程时间，为弧头节点\至终点Vd的估计行程时间，本发明实施例取弧 头节点Vj至终点vd间的欧氏距离除以当前路网中车辆平均速度。
[0044] 2. 3在起点V。前添加虚拟节点，则弧a。：。是一条虚拟弧，根据公式fV。= g。，。+h。，。，g。，。= 〇,故f。，。=h。，。，p。，。=NULL,将弧a。，。移入OPEN表中；其中对于弧 aijGA而言，Pij为起点V。至弧aij头节点Vj的最短路径上弧aij紧前弧的尾节点的标号， 如图2所示；
[0045] 2. 4判断OPEN表是否为非空，若是则执行以下操作2.4. 1?2. 4. 4,若否则执行 2. 5：
[0046] 2. 4. 1对于OPEN表中的所有弧，选取最小fu值对应的弧，记为;将areW〇PEN表 中删除，并将are插入到CLOSE表中；判断弧are是否在T_0PEN表中，若是则执行步骤2. 4. 2， 若否则执行步骤2. 4. 3;
[0047] 2. 4. 2若弧are在T_0PEN表中，则将其从T_0PEN表中删除，并将插入到T_CL0SE 表中；然后判断是否T1OZ7Ol若是则执行2. 5,若否则跳转执行2. 4;
[0048] 2. 4. 3若弧a,s不在T_0PEN表中，判断弧are的头节点Vs的所有出弧ast是否都在 CLOSE表中，若是则执行步骤2. 4,若否则对不在CLOSE表中的出弧进行考察，如果，判断是 否成立fst >g"+dret+cst+hst，若是则重新赋予fst =gre+dret+cst+hst，pst =r，然后执行步骤 2. 4. 4 ;若否则直接执行步骤2. 4. 4 ;
[0049] 2. 4. 4判断弧ast是否在OPEN表中，若不在则将该弧移入OPEN表中，然后跳转执 行步骤2. 4;若在则直接跳转执行步骤2. 4;
[0050] 2. 5根据T_CL0SE表中各弧紧前弧的尾节点标号Pij，回溯得起点V。至该弧头节点 的最短路径；比较终点vd各入弧的估计值&，取最小估计值对应的终点Vd入弧；该入弧头 节点所对应的最短路径即为起点V。至终点Vd的最优路径。
[0051] 步骤（3).按照步骤（2)得到的最优路径行驶，每Ts时间间隔后，根据路面检测器 检测到的实时路网数据对路网进行更新，并检测车辆行驶位置；根据车辆当前行驶位置，选 取最近的交叉口设定为当前考察节点，记为V。。
[0052] 所述的Ts是指以分钟单位的时间间隔，一般取5?lOmin，根据路面交通流检测器 的检测周期进行确定。
[0053] 所述的最近的交叉口是指路段上沿车辆行程方向距离车辆位置最近的交叉口。如 果车辆当前位置位于路段上的非交叉口处，则该最近交叉口是指车辆将要到达的下一个交 叉口，如果车辆当前位置处于交叉口处，则该最近交叉口是指当前交叉口。
[0054] 步骤（4).判断当前考察节点V。是否为终点Vd，若是则算法终止；若否则执行步骤 (5)；
[0055] 步骤（5).根据当前考察节点V。和终点Vd确定限制搜索区域Z:
[0056] 所述的限制搜索区域Z是指根据路网中各交叉口的地理坐标，运用一些几何规 贝U，对路网范围进行划分，在最优路径的搜索过程中只对落入限制区域Z内的节点和弧段 进行考察，忽略限制搜索区域Z外的节点和弧段。这样可以控制最优路径的搜索方向，防止 出行路线折回，同时减少搜索规模，提高搜索效率。
[0057] 本专利实施例采用椭圆算法来限制搜索区域，根据当前考察节点V。和终点Vd的平 面坐标，结合椭圆坐标公式，根据本领域技术人员经验建立一个椭圆范围，即限制搜索区域 Z。
[0058] 所述的椭圆算法是依据椭圆是平面内到两个焦点的距离之和是常数的点的轨迹， 以起点和终点为焦点建立起椭圆区域，则该区域内部任意点到起点和终点的距离之和都限 定在一个常数范围内，这样就给起点和终点之间路径的长度规定了一个上限，从而到达限 制的目的；
[0059] 步骤（6).根据当前最优路径所对应的路网数据，计算该时段限制搜索区域Z内各 路段的行程时间变化率和各交叉口延误时间变化率，最后取所有变化率的平均值入；
[0060] 所述的当前最优路径所对应的路网数据是指计算出当前行驶的最优路径时，所用 的路网数据；
[0061] 所述的变化率是指相对变化率。
[0062] 步骤（7).判断变化率平均值入是否大于阈值a，若是贝U跳转执行步骤（2)，并重 新赋予V。为起点，vd为终点，以上述步骤（5)得到的限制搜索区域Z建立新路网；若否则执 行步骤（3);
[0063] 所述的阈值a是经验值，本专利实施例取20%。
[0064] 上述实施例并非是对于本发明的限制，本发明并非仅限于上述实施例，只要符合 本发明要求，均属于本发明的保护范围。
【权利要求】
1. 一种基于考虑城市交叉口时间延误的实用路径选择方法，其特征在于该方法包括以 下步骤： 步骤（1).对待测实地区域采集路网数据，利用其生成路网，并用有向赋权网络G= (V，A，D，C)表示该路网； 其中V=IviIi= 1，2, ···，!!}为网络G= (V，A，D，C)中的节点集合，表示城市道路交叉 口；A=IaijIi,j= 1，2,…，η}为网络G= (V，A,D,C)中的弧集合，表示城市道路相邻交叉 口之间的有向路段；C= {Cij|i，j= 1，2，···，η}为网络G= (V，A，D，C)中的弧权集合，Cij表 示车辆在弧Bij上平均路段行程时间；D= {dijkIi，j，k= 1，2,…，η}为网络G= (V，A，D，C) 中的点权集合，dijk表示弧ay转向弧ajk时在节点Vj处产生的平均转向延误时间； 所述的路网数据包括交叉口地理坐标、相邻交叉口间平均路段行程时间以及交叉口平 均转向延误时间； 步骤（2).设定最优路径的起点和终点，根据当前路网数据，调用改进启发式Y算法计 算得到最优路径： 所述的最优路径起点为节点v。，终点为节点Vd ;最优路径由多条首尾相连的弧％构 成，其中弧上的节点Vi和节点Vj分别为该弧的尾节点和头节点； 2. 1考察终点节点Vd的所有入弧，建立目标弧集T;目标弧集T存放以终点Vd为头节点 的所有入弧，初始化T_OPEN=T，ΓattST_=0; 2. 2初始化估价值A」，令=M，M为无穷大正数； 所述的估价值fij表示在弧上产生的起点V。至终点Vd的估计行程时间； 2. 3在起点V。前添加虚拟节点，则弧。是一条虚拟弧，根据公式。=g。，。+h。，。，g。，。= 〇,故f。，。=h。，。，p。，。=NULL,将弧a。，。移入OPEN表中；其中对于弧 aijeA而言，Pij为起点V。至弧aij头节点Vj的最短路径上弧aij紧前弧的尾节点的标号； 2. 4判断OPEN表是否为非空，若是则执行以下操作2. 4. 1?2. 4. 4,若否则执行2. 5 : 2. 4. 1对于OPEN表中的所有弧，选取最小&值对应的弧，记为;将are从OPEN表中 删除，并将are插入到CLOSE表中；判断弧are是否在T_0PEN表中，若是则执行步骤2. 4. 2， 若否则执行步骤2. 4. 3; 2. 4. 2若弧are在T_0PEN表中，则将其从T_0PEN表中删除，并将插入到T_CL0SE表 中；然后判断是否苕是则执行步骤2. 5,若否则跳转执行步骤2. 4 ; 2. 4. 3若弧不在T_0PEN表中，判断弧的头节点Vs的所有出弧ast是否都在CLOSE表中，若是则执行步骤2. 4,若否则对不在CLOSE表中的出弧进行考察；然后判断是否成立 fst >gu+dret+cst+hst，若是则重新赋予fst =g"+d"t+cst+hst，pst =r后执行步骤 2. 4. 4,若 否则直接执行步骤2. 4. 4; 2. 4. 4判断弧ast是否在OPEN表中，若不在则将该弧移入OPEN表后跳转执行步骤2. 4;若在则直接跳转执行步骤2. 4; 2. 5根据T_CL0SE表中各弧紧前弧的尾节点标号Pij，回溯得起点V。至该弧头节点的最 短路径；比较终点Vd各入弧的估计值，取最小估计值对应的终点Vd入弧；该入弧头节点 所对应的最短路径即为起点V。至终点Vd的最优路径； 步骤（3).按照步骤（2)得到的最优路径行驶，每间隔Ts时间后，根据路面检测器检测 到的实时路网数据对路网进行更新，并检测车辆行驶位置；根据车辆当前行驶位置，选取最 近的交叉口设定为当前考察节点，记为V。； 所述的最近的交叉口是指路段上沿车辆行程方向距离车辆位置最近的交叉口； 步骤（4).判断当前考察节点V。是否为终点Vd，若是则算法终止；若否则执行步骤（5); 步骤（5).根据当前考察节点V。和终点Vd确定限制搜索区域Z: 所述的限制搜索区域Z是指根据路网中各交叉口的地理坐标，运用一些几何规则，对 路网范围进行划分；在最优路径的搜索过程中只对落入限制区域Z内的节点和弧段进行考 察，忽略限制搜索区域Z外的节点和弧段； 步骤￠).根据当前最优路径所对应的路网数据，计算该时段限制搜索区域Z内各路段 的行程时间变化率和各交叉口延误时间变化率，最后取所有变化率的平均值λ; 步骤（7).判断变化率平均值λ是否大于阈值α，若是则跳转执行步骤（2)，并重新赋 予V。为起点，vd为终点，以上述步骤（5)得到的限制搜索区域Z建立新路网；若否则执行步 骤（3)。
【文档编号】G08G1/09GK104318794SQ201410578490
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年10月24日 优先权日:2014年10月24日
【发明者】张望, 王慧 申请人:浙江大学