本发明涉及一种基于多维时间序列分段的路口控制时段划分方法及系统。
背景技术：
分时段单点交通信号控制是目前最常用的交通信号控制手段之一。在进行方案配置时，考虑交通需求的时变特征，在高峰、平峰等不同时间段内实施对应的信号控制配时方案。因此，时段划分方案直接影响交通信号控制效果。
目前应用中，依赖人工的手动时段划分仍为主流，此类划分方法较为粗糙，主要以交通流的历史通行规律为依据，容易导致绿灯时间的浪费，甚至会增加延误，影响交通流通行效率。为提升划分时段的合理性，目前在信号控制时段划分问题的研究领域内已积累了一定的研究成果，多种数据挖掘手段得到应用与改进，如k均值聚类、模糊c均值聚类、人工免疫算法fcm聚类、njw谱聚类等，以实现自动化地时段划分，但是此类方法大多无法兼顾最佳聚类数目的选取和聚类中心的优化，划分结果容易陷入局部最优，算法稳定性较差，在实际应用中效果不佳。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种基于多维时间序列分段的路口控制时段划分方法及系统，采用非参数多变化点分析的动态规划和修正算法，基于e-agglo分层聚合与循环拟合优度统计，估计多维时间序列的分段数量与分段点位置，实现基于交通需求特征的交叉口信号控制时段的自动划分，解决现有技术中存在的无法兼顾最佳聚类数目的选取和聚类中心的优化、划分结果容易陷入局部最优、算法稳定性较差、在实际应用中效果不佳的问题。
本发明的技术解决方案是：
一种基于多维时间序列分段的路口控制时段划分方法，包括以下步骤，
s1、配置路口静态信息表；
s2、将反映交通需求特征的参数作为时段划分依据，获取对应参数时间序列；根据路口静态信息配置表，对不同空间层级的参数数据进行汇集；由路口渠化情况确定路口时间序列维度d；
s3、根据设定的时间间隔τ，对参数数据进行时间维度汇集；根据总分析时段与时间间隔，构建t*d基础矩阵c，其中t＝总分析时段时长t/τ；
s4、设置时段划分最大数k，最小数minsize；
s5、采用非参数多变化点分析的动态规划和修正算法，确定基础矩阵c的分段数量以及具体的时段划分方案。
进一步地，步骤s5具体为：
s51、将基础矩阵c在时间维度划分为k个d行的矩阵：c＝{c1,c2,…,ck}；
s52、u＝k；计算初始划分方案的拟合优度su，计算公式为
式(1)中：
式(2)中，ci＝{cp:p＝1,…,n}，cj＝{cq:q＝1,…,m}，m、n分别为子集数量；
s53、u＝u-1；
s54、v＝1，合并cv与cv+1；计算合并后的拟合优度
s55、v＝v+1，循环步骤s54，直至v＝u-1；
s56、比较
s57、返回步骤s53，逐层合并，直至u<2；
s58、绘制拟合优度su＝{s2,…,sk}变化曲线，将拟合优度平稳变化的转折点对应的u作为时段划分数；对应的时段划分方案即为最优划分方案。
进一步地，通过r语言实现步骤s5算法的运行，从数据库中读取交通流数据并实现空间与时间维度的汇集，调用ecp程序包，利用命令e.cp3o(c,k,minsize,alpha)计算出拟合优度以及最优子区划分方案，其中alpha设为1，其余参数根据步骤s3、s4的设置情况定义。
进一步地，步骤s1中，路口静态信息表包含的字段包括区域id、路口id、路口名称、路口类型、进口id、车道编号、车道类型。
进一步地，步骤s2中，空间层级包括车道、进口道行车方向、进口道、路口。
一种基于多维时间序列分段的路口控制时段划分系统，包括方案调度模块、路口渠化配置模块和数据库，
方案调度模块，提供路口分析维度的自主配置，进行自动控制时段划分，根据各时段的交通需求特征配置对应的信号配时参数与相序；包括配置单元、数据对接单元、计算单元和可视化图形交互单元，
方案调度模块，根据路口分析维度进行自动控制时段划分，根据各时段的交通需求特征配置对应的信号配时参数与相序；包括配置单元、数据对接单元、计算单元和可视化图形交互单元，
配置单元：用户通过交互界面选取参数、设置数据提取时间范围、空间层级、最大划分时段数、最小划分时段数；其中，参数包括交通流流量、绿信比等；空间层级包括路口、进口、方向、车道；根据用户在信号控制系统的路口渠化配置模块的指令确定路口静态信息；
数据对接单元：接收配置单元的参数、时间范围，从数据库中调取对应时间范围内的参数历史数据；
计算单元：基于权利要求1-5任一项所述的基于多维时间序列分段的路口控制时段划分方法，对数据对接单元获取的数据进行数据的时空汇集时间、时间序列分段位置规划与修正的运算处理，输出最优的划分时段数及分段点位置；
可视化图形交互单元：基于计算单元输出数据，以统计图形展示配置单元中选取参数的多维时间序列以及划分时段示意图，以电子表格展示各时段的起止时间；提供各时段对应的方案调度或配时参数配置操作；
路口渠化配置模块：为方案调度模块提供路口静态信息，路口静态信息根据用户的指令确定；
数据库：为数据对接单元提供数据，包括交通流数据库、信号配时数据库。
进一步地，用户在配置单元设置多个空间分析维度，可视化图形交互单元对应显示各维度对应的最优时段划分方案，用户对比分析，择优确定最终时段划分情况。
本发明的有益效果是：
一、该种基于多维时间序列分段的路口控制时段划分方法及系统，采用非参数多变化点分析的动态规划和修正算法实行多维时间序列分段，无需设置分段数量，直接输出最优的信号控制时段划分方案；
二、本发明信号控制系统的单点信号控制方案调度模块，根据用户自主配置的参数与维度，自动地划分控制时段；
三、该种基于多维时间序列分段的路口控制时段划分方法及系统，自动的时段划分机制减少了人工干预，以交通需求特征为划分依据，在应用中降低了对信号配置环节的技术要求，提高了时段划分的可靠性与稳定性；
四、本发明信号控制系统能够实现多种空间层级的数据分析与处理，应用中能够对不同层级时段划分方案进行横向对比，根据管控需求设置最优的分时段信号控制方案。
附图说明
图1是本发明实施例基于多维时间序列分段的路口控制时段划分方法的流程示意图。
图2是实施例中基于非参数多变化点分析的动态规划和修正算法划分时段流程的示意图。
图3是实施例中拟合优度变化曲线的示意图。
图4是实施例中时段划分方案的示意图。
图5是实施例基于多维时间序列分段的路口控制时段划分系统的说明示意图。
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
实施例的基于多维时间序列分段的路口控制时段划分方法，为信号控制系统提供一种稳定的自动化时段划分技术，采用非参数多变化点分析的动态规划和修正算法，在反映交通需求特征参数时间序列的基础上，同时估计最优的分段点数量和位置；应用此方法的信号控制系统，在方案调度模块内，能够实现自动化的时段划分和可视化展示。
一种基于多维时间序列分段的路口控制时段划分方法，包括以下步骤：
s1、配置路口静态信息表，具体包含的字段包括：区域id、路口id、路口名称、路口类型、进口id、车道编号、车道类型；
实施例以t型信号控制交叉口作为实施对象，静态信息表如下：
s2、将反映交通需求特征的参数作为时段划分依据，获取对应参数时间序列；根据路口静态信息配置表，对不同空间层级的参数数据进行汇集；其中空间层级包括：车道、进口道行车方向、进口道、路口等；由路口渠化情况确定路口交通流时间序列维度d。
以路口作为分析层级，d为1；以车道为层级，则d为各方向进口道所有车道数的总和。
实施例中，以交通流量作为划分依据，通过路口车辆检测器获得30s初始时间间隔的交通流量时间序列。
选取车道为分析空间层级，维度d为6。
s3、根据设定的时间间隔τ，对参数数据进行时间维度汇集；根据总分析时段与时间间隔，构建t*d基础矩阵c，其中t＝总分析时段时长t/τ。
实施例中，将全天作为总分析时段，时间间隔τ为15min，t＝96；将原始车道交通流时间序列汇集为15min间隔的流量序列，将路口6个车道的交通流数据构建为96*6维的基础矩阵c；
s4、设置时段划分最大数k，最小数minsize；实施例中，最大时段数k＝96，minsize＝3。
s5、采用非参数多变化点分析的动态规划和修正算法，确定基础矩阵c的分段数量以及具体的时段划分方案。
步骤s5具体为：
s51、将基础矩阵c在时间维度划分为k个d行的矩阵：c＝{c1,c2,…,ck}；
s52、u＝k；计算初始划分方案的拟合优度su，计算公式为
式(1)中：
式(2)中，ci＝{cp:p＝1,…,n}，cj＝{cq:q＝1,…,m}，m、n分别为子集数量；
s53、u＝u-1；
s54、v＝1，合并cv与cv+1；计算合并后的拟合优度
s55、v＝v+1，循环步骤s54，直至v＝u-1；
s56、比较
s57、返回步骤s53，逐层合并，直至u<2；
s58、绘制拟合优度su＝{s2,…,sk}变化曲线，将拟合优度平稳变化的转折点对应的u作为时段划分数；对应的时段划分方案即为最优划分方案。
实施例中，通过r语言实现上述算法的运行，从数据库中读取交通流数据并实现空间与时间维度的汇集，调用ecp程序包，利用命令e.cp3o(c,k,minsize,alpha)计算出拟合优度以及最优子区划分方案，其中alpha设为1，其余参数根据步骤s3、s4的设置情况定义；绘制的拟合优度变化曲线如图3所示；由图3可见，u＝5后，su趋于平稳增长状态，将u＝5作为最优的时段划分数，对应的时段划分方案如图4所示。
实施例还提出一种基于上述自动时段划分方法的信号控制系统，如图5，包括方案调度模块、路口渠化配置模块和数据库。
方案调度模块：提供路口分析维度的自主配置，系统在此基础上进行自动地控制时段划分，根据各时段的交通需求特征配置对应的信号配时参数与相序；包括配置单元、数据对接单元、计算单元和可视化图形交互单元。
配置单元：用户通过交互界面选取参数、设置数据提取时间范围、空间层级、最大划分时段数、最小划分时段数；其中，参数包括交通流流量、绿信比等；空间层级包括路口、进口、方向、车道；路口静态信息根据用户在信号控制系统的路口渠化配置模块的指令确定。
实施中，系统默认的参数为交通流流量，最大划分时段数为10，最小划分时段数3，空间层级为路口，在用户未主动设置对应参数时，系统按默认参数实施算法运算；数据提取时间范围以日为单位。
数据对接单元：接收配置单元的参数，从数据库中调取对应时间范围内的参数历史数据。
计算单元：基于上述任一项所述的基于多维时间序列分段的路口控制时段划分方法，对数据对接单元获取的数据进行数据的时空汇集时间、时间序列分段位置规划与修正的运算处理，输出最优的划分时段数及分段点位置。
实施中，由r语言编辑非参数多变化点分析的动态规划和修正算法脚本，实现时段的划分与拟合优度的运算。
可视化图形交互单元：基于计算单元输出数据，以统计图形展示配置单元中选取参数的多维时间序列以及划分时段示意图，以电子表格展示各时段的起止时间；提供各时段对应的方案调度或配时参数配置操作。
路口渠化配置模块：为方案调度模块提供路口静态信息，路口静态信息根据用户的指令确定。
数据库：为数据对接单元提供数据，包括交通流数据库、信号配时数据库。
在一个实施例中，用户在配置单元设置多个空间分析维度，该单元对应显示各维度对应的最优时段划分方案，用户可对比分析，择优确定最终时段划分情况。