基于数据可视化的城市路网拥堵特性描述分析方法与流程

本发明涉及一种基于数据可视化的城市路网拥堵特性描述分析方法。

背景技术：

随着城市化进程的推进和社会经济的稳步发展，城市交通系统的供需矛盾日渐激化，交通拥堵问题在近年成为国内各大中城市的交通管理难题，大量的智能化的交通监管系统逐步被推广使用，海量的交通运行数据以可视化交互方式加以展示并应用于交通运行的动态监测、交通信号控制等交通监管领域。

早期的交通数据可视化应用主要集中在交通流量的可视化说明，通过线条以及箭头对路段或路线的交通流量进行直观说明，展示交通流量的时空变化特性。目前大部分的交通运行监测系统均基于实时的交通流数据，根据交通状态判别模型输出路段的交通运行状态(拥堵、缓慢、畅通等)叠加地图显示图层，以不同色彩的线条标记路段的实时运行状态，在以GIS地图为底图的可视界面展示路网空间拥堵状况，实现了初步的交通数据可视化分析及交互。可视分析相较于传统的黑盒方式，通过丰富的交互手段为用户提供从概览到细节的探索能力，其图形化的分析结果展示方式也便于用户理解数据中蕴藏的规律。随着数据可视化技术的快速发展和广泛应用，越来越多的数据可视化展示方式在智能交通系统中亦得到应用，如交通热力图、交通马赛克图、交通指纹印等。

交通数据可视化图形不仅是数据分析结果的直观展示方式，同时可作为进一步数据挖掘的工具。相较于传统的数据挖掘分析算法，可视化的图形分析能够提供清晰的数据分析思路以及直观的规律探索。尤其在涉及到时空多维分析的道路交通流分析领域，交通运行状态的分析、拥堵的源头分析、拥堵辐射范围等可从数据可视化角度进行分析，减少了复杂的模型建设以及计算，便于交警等交通管理者理解、运用。

现有的交通数据可视化大多局限于数据展示层级，未能充分利用可视化技术在数据分析上的极大优势，缺乏基于可视化的交通数据挖掘和深入分析。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于数据可视化的城市路网拥堵特性描述分析方法，基于海量的交通数据，以可视化交互方式构建新型的交通管控模式，在道路交通拥堵等级监测的基础上，深入挖掘拥堵成因、路网拥堵时空特性、道路分流模式，在此基础上实现对交通信号控制策略、路径诱导策略的分析，为交通管理者提供直观的交通运行监测手段以及清晰的交通管控分析思路。

本发明的技术解决方案是：

一种基于数据可视化的城市路网拥堵特性描述分析方法，包括以下步骤：

S1、数据采集：从外部接口接入路网各交叉口的智能卡口检测数据，包括设备编号、车辆检测时刻、车牌号码；同时对路网静态信息进行采集，包括路网拓扑结构、路段长度及车道编号、交叉口进口道车道转向编号；

S2、数据预处理：包括数据质量检验以及车辆行驶轨迹分析，通过对采集的智能卡口原始检测数据进行数据质量检验，得到有效且完整的卡口检测数据；由卡口检测数据生成车辆行驶轨迹序列T；

S3、可视化分析：在路段拥堵等级分析及可视化结果已知的前提下，基于步骤S2获得的车辆行驶轨迹序列T对路网交通运行情况进行可视化描述性分析，具体为：生成过车轨迹-路段匹配情况，进而统计路段过车量并在电子地图上叠加路段过车量显示图层，进而进行路网拥堵态势的基础描述性分析；

S4、路网拥堵分析：基于步骤S3的可视化视图以及基础描述性分析结论，通过交互操作实现对路网拥堵以及交通运行态势的分析，分析内容包括拥堵成因、路网拥堵时空特性、道路分流模式以及路网管控措施。

进一步地，步骤S2具体包括以下步骤：

S21、数据质量检验：对采集的智能卡口原始检测数据进行数据有效性、完整性的检验，删除错误、字段缺失数据记录；

S22、车辆行驶轨迹分析：从卡口检测数据中提取号牌号码、检测时间、交叉口编号、车道编号字段数据，生成车辆过车检测矩阵P；按时间升序排列矩阵P，生成车辆行驶轨迹序列T。

进一步地，步骤S3具体包括以下步骤：

S31、根据已知的路段拥堵等级分析结果，选取某一拥堵路段为分析对象，根据路段上下游交叉口编号以及分析时段，从各车辆的行驶轨迹序列库内筛选出分析时段内经过该路段的车辆；

S32、根据步骤S31所得的分析路段过车筛选结果，对路段在分析时段内的过车数进行统计，并生成分析路段过车集合V；提取集合V的各元素车辆在驶入该路段前的行车轨迹子序列T’，根据路网拓扑关系，将其过车轨迹匹配至分析路段的上游路段；并依此逐级向上游关联区域内的路段进行匹配；

S33、根据步骤S32所得的过车轨迹-路段匹配情况，进行路段车辆通行数据的空间汇集，对车辆在分析路段的上游关联区域的路段分布情况进行统计；基于可视化展示技术，在电子地图的底图上叠加路段过车量显示图层；

S34、基于步骤S33生成的数据可视化视图并通过交互操作，进行路网拥堵态势的基础描述性分析，即通过叠加过车辆显示图层从电子地图视图中直观查看拥堵路段在最近的分析时段内的关联区域范围以及车辆在关联区域内的空间分布情况。

进一步地，步骤S33中，路段过车量显示图层以线条宽度描述路段过车数量，以线条色彩区分路段等级，其中线条宽度与过车数量成正比，路段等级指路段距离目标分析路段的层级。

进一步地，步骤S34中，交互操作通过地图元素选择工具刷实现，以工具刷选择拥堵路段，查看相关可视化描述性结论。

进一步地，步骤S4具体包括以下步骤：

S41、拥堵成因分析：在叠加有路段拥堵等级图层的电子地图界面，选择拥堵路段，查看路段当前时段内的交通流量以及步骤S3所述的可视化视图，根据上游关联区域内路段车辆分布情况分析拥堵路段的车辆来源；

S42、路网拥堵时空特性分析：基于可视化视图对常发拥堵点及常发拥堵点关联区域进行描述性分析；

S43、道路分流模式分析：基于可视化视图对路段的车辆分流情况进行描述性分析；具体地，基于目标路段的历史过车信息，构建过车在驶出目标路段后的轨迹序列Td；根据过车在驶出目标路段后的轨迹序列Td对目标路段过车在其下游路段的分布进行可视化描述分析，直观查看下游各流向路段车辆比例，对目标路段的车辆分流模式以及路网车辆的驾驶行为进行描述性分析。

进一步地，步骤S42中，具体地，

常发拥堵点分析：基于历史的路网交通状态判别数据，可视化交互界面以动态拥堵热力图显示空间范围内的拥堵时间波动特性以及拥堵的空间传播特性，直观分析常发性拥堵区域；对路段的拥堵等级进行时间维度统计，地图标示拥堵状态时长超过阈值的路段，直观分析常发拥堵路段；

常发拥堵点关联区域分析：基于常发性拥堵的历史过车记录以及相应车辆的行驶轨迹序列，以步骤S3所述的可视化分析方法对其上游关联区域进行描述性分析，通过叠加过车量显示图层，直观分析常发拥堵点关联区域内的过车路段。

进一步地，步骤S4还包括以下步骤：

S44、路网管控措施分析：根据步骤S41、步骤S42、步骤S43的可视化分析结果，对信号控制策略、交通诱导策略进行分析；具体为：

信号控制策略：采用主动式控制，即在常发拥堵路段的上游进行交通流的主动控制，从拥堵源头出发，提前限流；基于实时的拥堵监测以及成因分析可视化结论，分析需实施主动式信号控制策略的交叉口；

交通诱导策略为：在常发拥堵点的上游关联路段以及关联区域实施路径诱导，向实施诱导区域的过车提供避开常发拥堵区域的路线；具体为，基于常发拥堵点上游关联区域内的车辆空间分布量以及所处路段级别，对拥堵来源路段实施诱导策略；根据常发拥堵路段分流模式对诱导路径进行描述性分析。

本发明的有益效果是：该种基于数据可视化的城市路网拥堵特性描述分析方法，基于数据可视化思想，以可视化交互界面为实现平台，在城市道路交通拥堵可视化监测的基础上对路网交通拥堵特性进行描述性分析，跳脱现有普遍的表面化的拥堵等级监测模式，以数据可视化方式深入挖掘道路交通运行状况以及拥堵时空特性，直观掌握拥堵成因；进一步地，通过对路网拥堵时空特性、道路分流模式的描述性分析，交通管理者能够从中获得清晰的交通管理控制思路，为交通信号控制策略、路径诱导策略的研究和实施提供依据。

附图说明

图1是本发明实施例基于数据可视化的城市路网拥堵特性描述分析方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例

一种基于数据可视化的城市路网拥堵特性描述分析方法，如图1，包括以下步骤：

S1、数据采集：从外部接口接入路网各交叉口的智能卡口检测数据，包括设备编号、车辆检测时刻、车牌号码；同时对路网静态信息进行采集，包括路网拓扑结构、路段长度及车道编号、交叉口进口道车道转向编号。

S2、数据预处理：包括数据质量检验以及车辆行驶轨迹分析，通过对采集的智能卡口原始检测数据进行数据质量检验，得到有效且完整的卡口检测数据；由卡口检测数据生成车辆行驶轨迹序列T。

S21、数据质量检验：对采集的智能卡口原始检测数据进行数据有效性、完整性的检验，删除错误、字段缺失数据记录。

S22、车辆行驶轨迹分析：从卡口检测数据中提取号牌号码、检测时间、交叉口编号、车道编号字段数据，生成车辆过车检测矩阵P；按时间升序排列矩阵P，生成车辆行驶轨迹序列T。

S3、可视化分析：在路段拥堵等级分析及可视化结果已知的前提下，基于S2获得的序列T对路网交通运行情况进行进一步的可视化描述性分析。具体地：

S31、根据已知的路段拥堵等级分析结果，选取某一拥堵路段为分析对象，根据路段上下游交叉口编号以及分析时段，从各车辆的行驶轨迹序列库内筛选出分析时段内经过该路段的车辆，其中分析时段为包含当前拥堵检测时段在内的最近的1小时，或根据分析需求取更长时段；车辆经过该路段指在分析时段内该路段的上游、下游交叉口均检测到车辆过车记录。

S32、根据S31中的分析路段过车筛选结果，对路段在分析时段内的过车数进行统计，并生成分析路段过车集合V；提取集合V的各元素车辆在驶入该路段前的行车轨迹子序列T’，根据路网拓扑关系，将其过车轨迹匹配至分析路段的上游路段；并依此逐级向上游关联区域内的路段进行匹配。

S33、根据S32的过车轨迹-路段匹配情况，进行路段车辆通行数据的空间汇集，对车辆在分析路段的上游关联区域的路段分布情况进行统计；基于可视化展示技术，在电子地图的底图上叠加路段过车量显示图层；该图层以线条宽度描述路段过车数量，以线条色彩区分路段等级，其中线条宽度与过车数量成正比，路段等级指路段距离目标分析路段的层级。

S34、基于S33生成的数据可视化视图并通过交互操作，进行路网拥堵态势的基础描述性分析，即通过叠加过车辆显示图层从电子地图视图中直观查看拥堵路段在最近的分析时段内的关联区域范围以及车辆在关联区域内的空间分布情况；其中，交互操作通过地图元素选择工具刷实现，以工具刷选择拥堵路段，查看相关可视化描述性结论。

S4、路网拥堵分析：基于S3的可视化视图以及基础描述性分析结论，通过交互操作实现对路网拥堵以及交通运行态势的深入分析，分析内容包括拥堵成因、路网拥堵时空特性、道路分流模式以及路网管控措施。具体地：

S41、拥堵成因分析：在叠加有路段拥堵等级图层的电子地图界面，以工具刷选择拥堵路段，查看路段当前时段内的交通流量以及S3所述的可视化视图，根据上游关联区域内路段车辆分布情况分析拥堵路段的主要车辆来源；

S42、路网拥堵时空特性分析：基于可视化视图对常发拥堵点及其关联区域进行描述性分析；具体地：

常发拥堵分析：基于历史的路网交通状态判别数据，可视化交互界面以动态拥堵热力图显示空间范围内的拥堵时间波动特性以及拥堵的空间传播特性，直观分析常发性拥堵区域；对路段的拥堵等级进行时间维度统计，地图标示拥堵状态时长超过阈值的路段，直观分析常发拥堵路段。

常发拥堵点关联区域分析：基于常发性拥堵的历史过车记录以及相应车辆的行驶轨迹序列，以S3所述的可视化分析方法对其上游关联区域进行描述性分析，通过叠加过车量显示图层，直观分析其关联区域内的主要过车路段。

S43、道路分流模式分析：基于可视化视图对路段的车辆分流情况进行描述性分析；具体地，基于目标路段的历史过车信息，构建过车在驶出目标路段后的轨迹序列Td；根据过车在驶出目标路段后的轨迹序列Td对目标路段过车在其下游路段的分布进行可视化描述分析，直观查看下游各流向路段车辆比例，对目标路段的车辆分流模式以及路网车辆的驾驶行为进行描述性分析；

S44、路网管控措施分析：根据S41、S42、S43的可视化分析结果，对信号控制、交通诱导策略进行分析；

实施例采用的信号控制策略为主动式控制，即在常发拥堵路段的上游进行交通流的主动控制，从拥堵源头出发，提前限流，降低常发拥堵点的交通负荷，缓解拥堵状况；

基于实时的拥堵监测以及成因分析可视化结论，分析需实施主动式信号控制策略的交叉口，从而对路段拥堵状况进行缓解；

实施例采用的交通诱导策略为：在常发拥堵点的上游关联路段以及关联区域实施路径诱导，向实施诱导区域的过车提供避开常发拥堵区域的路线，提高路网的整体通行效率；具体地：

基于常发拥堵点上游关联区域内的车辆空间分布量以及所处路段级别，对拥堵主要来源路段实施诱导策略；根据常发拥堵路段分流模式对诱导路径进行描述性分析，交通管理者可据此对诱导方案进行研究。

实施例的基于数据可视化的城市路网拥堵特性描述分析方法，采用数据可视化技术在交通管理的交互平台上实现对于道路拥堵状态及其路网传播以及时空演变等特性的描述性分析，从而对城市道路交通运行态势进行可视化的综合监测以及拥堵的成因及关联区域的分析；实施例提出的分析方法能够为交通管理者提供直观、清晰的道路运行态势监测与分析思路，进一步地为交通信号控制、交通诱导等道路交通管控措施的实施提供指导和依据。