一种面向用户的高速公路交通指数发布系统的制作方法

本发明涉及高速公路运营管理领域，尤其是一种面向用户的高速公路交通指数发布系统。

背景技术：

近年来我国高速公路的建设和运营处于快速发展阶段，高速公路车流量也在逐年递增，尤其是节假日期间，高速公路容易发生拥堵的现象。高速公路管理者目前正面临着交通供需矛盾带来的挑战，如何直观及时地了解高速公路上的交通运行状态，并在此基础上对高速公路出入口进行科学管控，成为解决交通供需问题，并为高速公路使用者提供更优质服务并缓解高速公路拥堵的关键。

近年来，道路交通指数的概念成为国内外交通领域研究的热点，道路交通指数(又称交通拥堵指数)是指用量化的方法表达道路交通运行拥堵程度。道路交通指数反应了一定范围内道路的平均车速和人们对道路交通拥堵程度的感受。一般而言，交通指数数值越大，表明道路交通越拥堵，数值越小，表明交通越畅通。

综上所述，目前国内外学者已经对城市道路交通指数进行了大量研究，并于美国、日本等城市及国内的北京、上海、深圳等城市进行了应用探索。城市道路交通指数都是以速度作为指标的方式量化描述道路交通运行状态。然而，只有一些学者则选用多指标和聚类算法量化的方式来研究高速公路交通运行状态，但相关指标和聚类算法内容未能完全地应用到高速公路交通指数。而且几乎没有学者对高速公路交通指数体系的研究与应用进行探讨，进一步掌握高速公路交通状态研究也显得尤为重要。因此本文基于高速公路交通指数的内涵，结合高速公路交通运行状态情况，选取便于应用的统计算法构架交通指数模型，并提出完整的交通指数发布应用策略，从而构建面向用户高速公路交通指数体系，进而更好服务于高速公路用户出行。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种面向用户的高速公路交通指数发布系统，可以基于交通指数体系识别交通拥堵情况，进而准确把握出入口管控的程度、时机，根据拥堵的范围和程度对出入口流量合理控制，为高速公路进一步提升服务管理水平提供技术支撑和保障，为出行者提供安全、畅通和优质的高速公路出行服务。

为解决上述技术问题，本发明提供一种面向用户的高速公路交通指数发布系统，包括：

交通指数划分模块，用于根据高速公路路段的历史交通流率和速度数据构建交通流基本图并对基本图中的数据点进行聚类运算，先划分高速公路交通状态等级，再与交通指数等级对应转化，并确定每一数据点的具体交通指数等级数值范围，最后确定划分同一指数等级中不同水平交通指数数值的交通密度临界阈值；

交通数据采集模块，用于以设定的采样周期实时采集高速公路路段的交通流率和速度数据；

交通指数确定模块，用于将实时采集的交通流率和速度数据先进行交通状态和交通指数等级划分，再基于交通密度确定具体的交通指数数值；

以及交通指数发布模块，用于实时发布具体高速公路路段的交通指数等级或交通指数数值。

所述交通指数划分模块，包括：

历史数据库构建单元，用于选择采集的交通流率和速度历史数据，构建历史数据库；

交通流基本图构建单元，用于基于历史数据库中的交通流量和速度数据构建高速公路交通流基本图；

交通状态等级划分单元，用于根据确定的高速公路交通状态的聚类数目，对基本图中的数据点进行聚类运算，将高速公路交通状态划分为不同等级；

交通指数转换单元，用于将高速公路交通状态等级与交通指数等级对应转化，确定每一数据点对应的具体交通指数等级，并结合设定的交通指数等级数值范围，确定每一数据点的对应的交通指数等级数值范围；

以及，交通密度阈值计算单元，用于基于同一交通指数等级数值范围中数据点的密度数值的累计百分率直方图，结合该交通指数等级范围内不同交通指数数值类别数目，确定划分同一指数等级中不同水平交通指数数值的临界阈值。

所述交通状态等级划分单元中基于基本图和五相交通流理论，将基本图中的数据点运用K-means聚类算法聚成5类，对应于自由流、同步流和堵塞流状态以及它们之间的过渡状态；所述交通指数转换单元中将交通指数量化分为5个等级，将高速公路交通状态等级与交通指数等级一一对应转化，采用数值[0-10]作为交通指数数值范围，[0-2]为第1等级、(2-4]为第2等级、(4-6]为第3等级、(6-8]为第4等级和(8-10]为第5等级。

所述交通指数划分模块根据设定的计算周期自动更新历史数据库并重新进行交通指数划分计算。

所述交通数据采集模块以2km为长度单位，以5min为采样周期采集高速公路各路段的交通流率和速度数据。

所述交通指数发布模块在平峰时段的发布时间间隔为10-15min，在高峰时段的发布时间间隔为5-10min。

所述交通指数发布模块通过多种方式，包括可变情报板、网站和移动App端实时发布高速公路路段的交通指数，并通过不同的颜色来区分不同交通指数等级。

与现有技术相比，本发明基于高速公路交通指数的内涵，结合高速公路交通运行状态情况，选取便于应用的统计算法构架交通指数模型，并提出完整的交通指数发布应用策略，从而构建面向用户高速公路交通指数发布系统，可以基于交通指数体系识别交通拥堵情况，进而准确把握出入口管控的程度、时机，根据拥堵的范围和程度对出入口流量合理控制，为高速公路进一步提升服务管理水平提供技术支撑和保障，为出行者提供安全、畅通和优质的高速公路出行服务。

附图说明

图1为本发明实施例的系统模块示意图。

图2为本发明实施例中检测点交通流率-速度宏观基本图。

图3为本发明实施例中的高速公路路段交通状态划分的示意图。

图4为本发明实施例中的交通密度数值累计百分率直方图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，本发明实施例公开的一种面向用户的高速公路交通指数发布系统，主要包括交通指数划分模块，交通数据采集模块，交通指数确定模块和交通指数发布模块。其中交通指数划分模块主要基于历史数据库中的交通流率和速度数据进行交通指数划分，主要包括历史数据库构建单元，用于选择采集的交通流率和速度历史数据，构建历史数据库；交通流基本图构建单元，用于基于历史数据库中的交通流量和速度数据构建高速公路交通流基本图；交通状态等级划分单元，用于根据确定的高速公路交通状态的聚类数目，对基本图中的数据点进行聚类运算，将高速公路交通状态划分为不同等级；交通指数转换单元，用于将高速公路交通状态等级与交通指数等级对应转化，确定每一数据点对应的具体交通指数等级，并结合设定的交通指数等级数值范围，确定每一数据点的对应的交通指数等级数值范围；以及，交通密度阈值计算单元，用于基于同一交通指数等级数值范围中数据点的密度数值的累计百分率直方图，结合该交通指数等级范围内不同交通指数数值类别数目，确定划分同一指数等级中不同水平交通指数数值的临界阈值。

交通数据采集模块用于以设定的采样周期实时采集高速公路路段的交通流率和速度数据，并将数据存储到实时数据库。交通指数确定模块用于将实时采集的交通流率和速度数据先进行交通状态和交通指数等级划分，再基于交通密度确定具体的交通指数数值。具体为计算实时采集的交通流量和速度数值对应的数据点与各交通状态聚类中心的距离，先将该数据点划分到具体的高速公路交通状态等级；再计算数据点对应的交通密度数值，根据交通密度临界阈值确定具体的交通指数数值。交通指数发布模块用于实时发布具体高速公路路段的交通指数等级或交通指数数值。

由于城市道路有大量的浮动车数据，可以依据此数据库建立城市道路交通指数。但高速公路只能依靠固定式检测设备采集速度数据，另一方面高速公路检测设备还能够采集相对精度较高的流量数据，从而可以利用流量和速度数据作为高速公路路段交通指数的指标。选取交通调查站检测设备作为高速公路路段交通流数据采集的数据源，采集待校验高速公路路段的交通数据，包括交通流率和速度，其采样周期为每5分钟一次，并且构建所选取高速公路路段的历史数据库。

由于基本图理论可以作为量化路段或路网内交通流参数间关系的模型和方法，所以可通过构建高速公路交通流基本图，探索高速公路不同时间段的交通流基本图特征，便于掌握高速公路的交通运行态势，进而初步分析高速公路交通运行状况。

交通指数划分模块中根据基本图模型中散点的分布位置，综合基本图和五相交通流理论，提前确定高速公路交通状态的聚类数目，选取速度和流量作为主要评价指标，运用K-means聚类算法，将高速公路交通状态划分为不同等级。

基于高速公路所划分的交通状态等级，相对应确定高速公路交通指数等级，从而将高速公路交通状态等级与其交通指数等级一一对应转化，并确定每一数据点的具体交通指数等级，结合设定交通指数等级数值范围，确定每一数据点确定的交通指数等级数值范围。

基于每一数据点所在交通指数等级数值范围，计算每一类别中数据点的密度数值(流率与速度之比)，统计并绘制每一类别所有数据点密度数值的累计百分率直方图，结合该交通指数等级范围内不同交通指数数值类别数目，设定交通密度百分率临界数值，并作为划分同一指数等级中不同水平交通指数数值的临界阈值，从而确定每一数据点在相应指数等级内的具体交通指数数值。

交通指数发布模块基于得到的高速公路交通指数等级，结合高速公路指数发布的实施策略可进行实时指数发布，实施策略具体包括路段划分、时间间隔、颜色等级、发布形式等方面。高速公路交通指数使用不同颜色分别表示不同等级的相关策略，还确定了高速公路基本路段划分原则及方法以及最优发布周期，并且针对用户的交通指数采用不同的实时发布方式。

下面用结合具体示例说明本发明系统的实施过程。以沪宁高速公路无锡段，桩号K1102+200无锡互通检测设备为研究对象，在检测点所在路段布置检测设备，为微波交通流检测设备。

检测点坐在路段的交调采集设备以5分钟为一个采样单位采集交通流率和速度，数据收集期间为2016年9月30日-10月7日，建立检测数据数据库来进行研究与分析。为了保证模型的准确性，保证模型能够反映交通流状态的运行情况，样本应该足够大，根据统计的数据为2189个。

运用三参数基本图关系绘制该检测点交通流率-速度宏观基本图，如图2所示。根据流率与速度的关系图呈现典型向右凸的抛物线形式，国庆数据散点分布较为相似，通行能力大概标定为7000pcu/h，且速度集中分布在20-100km/k区间，平均速度数值略高于通行能力下的速度数值。结合上文对高速公路交通状态相关分析，国庆期间的高速公路交调站的交通流数据散点主要分布在整个交通状态区间，即所有高速公路交通状态都存在，对于交通指数模型构建可能具有代表性。

基于利用采集数据点进行相应交调站所在路段交通流三参数基本图的绘制，运用交通三相交通流及其状态过渡理论，从图中观察得知，数据散点遍布在自由流、同步流和堵塞流状态以及它们之间的过渡状态。因此使用K-means算法进行聚类分析，需将聚类目标数设定为5类，从而获得具体的沪宁高速公路无锡互通检测点所在路段的交通状态划分情况，如图3所示。

无锡互通交通状态划分图中绿色代表自由流，红色代表自由流-同步流的过渡状态，黄色代表同步流状态，蓝色代表同步流-堵塞流的过渡状态，紫色代表堵塞流状态，以此作为最终标准的高速公路交通指数等级划分结果。并且交通流率和速度的聚类中心，如表1所示。

表1 无锡互通交调站交通状态聚类中心

基于沪宁高速公路交通状态等级划分结果，并借鉴大部分城市中相关的“道路交通运行指数”的量化方法，将交通指数量化分为5个等级，分别为I级(畅通)、II级(基本畅通)、III级(轻度拥堵)、IV级(中度拥堵)和V级(严重拥堵或阻塞)。

基于高速公路所划分的交通状态等级，并借鉴大部分城市中相关的“道路交通运行指数”的数值量化方法，采用数值[0-10]作为交通指数数值范围，[0-2]为第1等级、(2-4]为第2等级、(4-6]为第3等级、(6-8]为第4等级和(8-10]为第5等级，结合设定交通指数等级数值范围，确定每一数据点确定的交通指数等级数值范围。

基于每一数据点所在交通指数等级数值范围，确定在该交通指数等级范围内2个交通指数数值类别数目，计算每一类别中数据点的密度数值(流率与速度之比)，统计并绘制每一类别所有数据点密度数值的累计百分率直方图。

绘制第I指数等级中所有数据点密度数值的累计百分率直方图，如下图4所示，根据同一等级内所划分类别数目选取密度累计百分率图50％频率作为临界点，其所对应的横坐标密度数值4pcu/km/l，因此在第I指数等级中数据点小于4pcu/km/l，交通指数被确定为1；大于4pcu/km/l，交通指数被确定为2，其它交通指数等级范围依据此方法可对所有数据点具体交通指数进行确定。

根据其它城市的交通指数等级划分颜色，本项目分别选取绿色、浅绿色、浅黄色、黄色、红色作为高速公路交通指数颜色分级。

针对高速公路交通满足交通指数发布要求，对常用路段划分长度500m、1km、2km及5km的优缺点进行对比分析，通过上述路段划分长度比选，采用2km为长度单位，具体如表2。

表2 路段划分长度优缺点比较

对于沪宁高速公路交通指数发布周期，需面向公众发布一次间隔时间，它的下限为数据采集最小间隔时间为1min，其上限为交通指数发布周期时间为15min(因状态过渡需要)。交通指数发布时间间隔应综合考虑实践间隔上限和下限，与实际情况的需求如数据源满足最小间隔获取和实际大规模计算要求，可取1-5min；否则，在平峰时段可选取为10-15min(避免频繁发布信息)；在高峰时段可选取为5-10min。综合考虑可选用5min作为发布时间间隔，并与交调站采集数据时间间隔相匹配。

交通运行指数计算的基础数据来源于建成区道路内已有的交调系统的数据，为了尽可能提高实时准确率，交通指数系统根据计算周期自动更新一次。结合实时采集的数据，进而相应确定交调站所在路段的交通状态，并换算相应等级的沪宁高速公路交通指数，从而及时发布在可变情报板、相关网站和app上，以便公众用户实时查询沪宁高速公路交通指数，提供的实时高速公路路段交通状态信息，更可直接服务于公众用户实时出行的需求。