一种基于路网等级划分的高速公路VMS布局优化方法与流程

本发明涉及一种高速公路vms布局优化方法，尤其是涉及一种基于路网等级划分的高速公路vms布局优化方法。

背景技术：

高速公路作为城际间快速交通走廊，对国民经济的发展有着重要意义。然而随着今年来我国汽车保有量的不断增长，高速公路拥堵现象时有发生，可变信息情报板(vms-variablemessagesigns)在路网交通指挥和拥堵疏导中的使用越来越广。vms通过为在途驾驶员提供交通信息，如下游路段事故、拥堵信息、预估行程时间等，有效的帮助驾驶员进行路径选择，进而提高道路设施使用效率。

vms的作用取决于vms在路网中的合理布设，然而调查发现我国的高速公路vms的布设主要依靠工程经验完成。对于vms的布设的研究我国目前还未出现较为适合工程实践的方法。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于路网等级划分的高速公路vms布局优化方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于路网等级划分的高速公路vms布局优化方法，该方法包括如下步骤：

(1)将待布局的路网进行等级划分，包括国家级路网和省际级路网，所述的国家级路网以地级市作为网络节点，连接全国主要高速公路干线，省际级路网以收费站作为网络节点，连接省内的各条高速公路；

(2)对国家级路网和省际级路网分别进行分析，将各路网中网络节点之间的道路作为一个路段，获取各路段的流量数据以及路段关键度；

(3)对每个路网根据路网中各路段的流量数据以及对应的路段关键度建立vms布局模型；

(4)分别对各路网的vms布局模型进行求解得到相应路网中的vms布设情况。

步骤(2)中路段关键度通过下述方式求取：

ψk＝nk·log10mk，

其中，k表示该路网中路段标号，ψk为k路段的路段关键度，nk为k路段的路段可靠性线性分级值，mk为k路段的路段重要度。

k路段的路段重要度mk通过下述任一方式求得：

或

其中，(p,q)表示路网中将网络节点p作为起点、路网节点q作为终点的网络节点对，c表示该路网中的所有网络节点对，hpq表示网络节点p和网络节点q之间的交通流量，和对应表示k路段阻断前和k路段阻断后从网络节点p到网络节点q的行程时间，m表示路网中所有未阻断的路段的集合，m表示路网中未阻断的路段标号，和对应表示k路段阻断前和k路段阻断后m路段内的交通流量，和对应表示k路段阻断前和k路段阻断后m路段内的的行程时间。

k路段的路段可靠性线性分级值nk通过如下方式获得：

(a)将全年时间划分为连续的时间片段，记第i天第j个时间片段(i，j)，所有时间片段的集合记作t；

(b)判断k路段在时间片段集合t中的每个时间片段是否发生拥堵，若是，则记否则，记

(c)计算k路段的路段可靠性

(d)对pk进行线性分级得到nk。

步骤(4)中vms布局模型包括：

目标函数：

其中，rpq表示将路网节点p作为起点、路网节点q作为终点时所有路径的集合，r表示rpq中的一条路径，hpqr表示属于rpq内的路径r上的交通流量，(p,q)表示路网中将网络节点p作为起点、路网节点q作为终点的网络节点对，c表示该路网中的所有网络节点对，ar表示路径r中的路段集合，k表示ar中的一条路段，xk为待求变量，xk＝{0,1}，若在路段k上安装有vms则xk＝1，否则xk＝0，表示路径r中路段k上vms的独立影响路段集合，a表示集合中的一条独立影响路段，ψk为k路段的路段关键度，表示路径r中路段k对于独立影响路段a的信息作用的衰减因子；

约束条件：

其中，m为投入时所用的最大vms数量。

对于国家级路网，忽略信息在路段间的衰减，进而令等于ψk对目标函数进行简化，得到国家级路网的目标函数为：

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明对待布局的路网进行等级划分，划分为不同的层次，分别为国家级和省际级，通过相应的求解算法得到使得路网中的出行者得到最大化信息的布局方案，对我国高速公路vms布设提供了科学的指导，在高速公路管理与控制领域有着良好的应用前景；

(2)本发明进行等级划分并在不同等级的路网中进行vms的布局优化主要考虑：部署vms不可能在所有高速公路的路段上布设，所以进行分级，在约束限制较大时，考虑将vms布设于层级较高的路网中，布设于不同层级的vms战略意义不同，高层级的vms对应的是大范围内信息的传递，底层级所对应的是小范围内信息传递，从而通过不同等级路网中vms的分级布局设计实现vms的合理布设；

(3)本发明省际级路网中的vms反映的是小范围信息，即vms上所显示的信息只服务于当前道路，具有一定的时效性，因此省际级路网布局设计时建立的目标函数考虑信息作用的衰减，即目标函数中参数考虑衰减特征使得计算更加符合实际，布设vms更加合理；

(4)本发明国家级路网中的vms是服务于大范围内路网，所显示信息服务于当前路网，这样对于国家级路网不考虑信息作用的衰减，一方面比较符合实际，另一方面使得计算更加简单。

附图说明

图1为本发明路网等级划分的高速公路vms布局优化方法流程框图；

图2为本发明od数据处理流程图；

图3为线性路网结构示意图；

图4为网状路网结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，一种基于路网等级划分的高速公路vms布局优化方法，该方法包括如下步骤：

(1)将待布局的路网进行等级划分，包括国家级路网和省际级路网，所述的国家级路网以地级市作为网络节点，连接全国主要高速公路干线，省际级路网以收费站作为网络节点，连接省内的各条高速公路；

(2)对国家级路网和省际级路网分别进行分析，将各路网中网络节点之间的道路作为一个路段，获取各路段的流量数据以及路段关键度，此过程中设计流量数据(od数据)的处理，对不同等级路网中的od数据进行管理：国家级od管理、省际od管理、线路od矩阵提取。如图2所示为具体od数据处理的流程框图，省际级的od矩阵通过高速公路收费站系统数据获取；国家层级的od矩阵通过将每个地级市作为入口单元段，并根据单元段重新合并获得。od矩阵数据由高速公路视频卡口数据库以及收费站收费数据库中的数据获取，以收费站为起讫点建立基础od矩阵。国家层级od矩阵以地级市为出入口单元重新合并后降维基础od矩阵得到；省级层级od矩阵则从基础od矩阵中提取出省内od，出入境od及过境od。

上述(1)、(2)即为路网预处理过程。

(3)对每个路网根据路网中各路段的流量数据以及对应的路段关键度建立vms布局模型；

(4)分别对各路网的vms布局模型进行求解得到相应路网中的vms布设情况。

步骤(2)中路段关键度通过下述方式求取：

ψk＝nk·log10mk，

其中，k表示该路网中路段标号，ψk为k路段的路段关键度，nk为k路段的路段可靠性线性分级值，mk为k路段的路段重要度。

k路段的路段重要度mk通过下述任一方式求得：

或

其中，(p,q)表示路网中将网络节点p作为起点、路网节点q作为终点的网络节点对，c表示该路网中的所有网络节点对，hpq表示网络节点p和网络节点q之间的交通流量，和对应表示k路段阻断前和k路段阻断后从网络节点p到网络节点q的行程时间，m表示路网中所有未阻断的路段的集合，m表示路网中未阻断的路段标号，和对应表示k路段阻断前和k路段阻断后m路段内的交通流量，和对应表示k路段阻断前和k路段阻断后m路段内的的行程时间。

k路段的路段可靠性线性分级值nk通过如下方式获得：

(a)将全年时间划分为连续的时间片段，记第i天第j个时间片段(i，j)，所有时间片段的集合记作t；

(b)判断k路段在时间片段集合t中的每个时间片段是否发生拥堵，若是，则记否则，记

(c)计算k路段的路段可靠性

(d)对pk进行线性分级得到nk。

步骤(4)中vms布局模型包括：

目标函数：

其中，rpq表示将路网节点p作为起点、路网节点q作为终点时所有路径的集合，r表示rpq中的一条路径，hpqr表示属于rpq内的路径r上的交通流量，(p,q)表示路网中将网络节点p作为起点、路网节点q作为终点的网络节点对，c表示该路网中的所有网络节点对，ar表示路径r中的路段集合，k表示ar中的一条路段，xk为待求变量，xk＝{0,1}，若在路段k上安装有vms则xk＝1，否则xk＝0，表示路径r中路段k上vms的独立影响路段集合，具体是指当路段k上布设vms，路段k上vms的有效影响路段去掉下一个vms的有效影响路段后剩余的路段的集合，比如路径1中包括路段1、2、3、4、5、6、7路段，当在路段2上设置vms板，且该路径中下一个vms板设置在路段5上，路段2上vms的有效影响路段集合为{2,3,4,5,6,7}，路段5上vms的有效影响路段集合为{5,6,7}，则上述表示的集合为{2,3,4}。a表示集合中的一条独立影响路段，ψk为k路段的路段关键度，表示路径r中路段k对于独立影响路段a的信息作用的衰减因子；可取b∈(0,1)，n为路段a和路段k相隔的路段数，当路段k是路段a的下游紧邻路段时，n＝1，以此类推；也可取a为常数，需要说明的是，b值的选取与vms信息的准确性、可靠性和驾驶员对交通信息系统的信任程度相关，如果vms信息精度越高，驾驶员对交通信息系统越信任，b值越大(越接近于1)

约束条件：

其中，m为投入时所用的最大vms数量。

对于国家级路网，忽略信息在路段间的衰减，进而令等于ψk，此时将k路段上每一单位流量获得的vms信息看作一个常量，将优化问题转化为求解整数规划问题，对目标函数进行简化，得到国家级路网的目标函数为：

对于不同等级路网中的vms布局模型使用不同的算法求解，对于国家级路网，忽略信息在路段间的衰减，将模型简化为0-1整数规划优化模型并进行求解，对于省际级层级路网，考虑信息在路段间的衰减，使用遗传算法进行模型的求解。

本实施例中选取高速公路为s38沿江高速中峭岐枢纽至董滨枢纽段构成线性高速路网如附图3所示，其中①～⑦分别为霞客收费站、华西收费站、新桥北收费站、张家港收费站、凤凰收费站、常熟北收费站、常熟收费站，。

线性路网实施列主要考虑在由霞客收费站起始至董滨枢纽为终点以各收费站为节点形成的七个路段：路段1(霞客收费站至华西收费站)、路段2(华西收费站至新桥北收费站)、路段3(新桥北收费站至张家港收费站)、路段4(张家港收费站至凤凰收费站)、路段5(凤凰收费站至常熟北收费站)、路段6(常熟北收费站至常熟收费站)、路段7(常熟收费站至董滨枢纽)中安置两块vms，确定最佳布置方案。

线性路网实施例中设定峭岐枢纽至董滨枢纽的交通流量为2500pcu/h，路段1至路段7的关键度分别为6、3、4、3、5、4、3、4，衰减函数求解模型后得到的最优解f＝12.64，7个路段布设vms的方案为：1000100，1表示对应路段布设vms，0表示对应路段不布设vms。

线性路网实例最优的布局方案为在路段1、路段5布设vms此时路网得到的信息量最大为12.64。

网状路网实例取10×10典型的网络状交通网络，附图4网络节点编号原则为从左到右、从上到下，共100个节点，节点间的线段表示了两条逆向分离的路段。路段的编号原则为先横向再纵向，从上到下、从左到右。

网站路网实施例考虑在路网中布设10块vms，通过使用matlb产生的路段流量矩阵和路段关键度矩阵，对模型进行求解，得到布设路段编号：[3234819199101121123163174]。

网状路网实施例布设方案为在编号为32、34、81、91、99、101、121、163、174十个路段上布设vms。

本发明在高速公路vms布设优化问题上从国级、省级两个层面建立了模型，通过相应的求解算法得到使得路网中的出行者得到最大化信息的布局方案。对我国高速公路vms布设提供了科学的指导，在高速公路管理与控制领域有着良好的应用前景。