一种基于ETC数据的高速公路交通状态动态估计方法

本发明涉及交通工程，具体是一种基于etc数据的高速公路交通状态动态估计方法。

背景技术：

1、近年来，随着公路网的建设发展和城市化进程的推进，全国公路网里程及规模都有了大幅度的增长，交通需求的增长使得交通拥堵现象频繁发生。etc门架系统是在高速公路沿线断面建设的，具备通行费分段计费、车辆图像识别等功能的专用的系统。对于高速交通网络而言，etc门架系统广泛存在且可以提供可靠的连续数据，所以如何有效的利用etc数据对交通状态进行识别，进而为高速公路的管控措施提供依据，是提升高速公路服务水平及行车安全性的关键。

2、目前，对于高速公路交通状态的估计研究，大多是基于视频传感器、环形线圈等采集多源数据，利用交通理论或机器学习的算法，对交通流状态进行评估。例如中国发明专利-一种结合高维指标降维处理对交通状态进行评估的方法（cn116665456a）通过构建高维指标集，降维后对交通状态进行估计，其不足在于没有充分考虑高速公路数据采集设备的布设现状，不同形式的传感器在高速公路上是点位存在，并且数据记录形式不同，数据融合存在困难。在现有状态下，etc门架系统在高速公路上连续广泛存在，基于etc数据的交通状态识别值得深入研究。例如中国发明专利-一种基于etc数据的交通路段区间拥堵状态在线识别方法（cn116386324a）通过平均车速及车流量判断研究区段的拥挤值，其不足在于没有考虑研究区段存在服务区和高速出入匝道对交通量及平均车速计算的影响。目前基于etc数据的研究较少考虑天气状况、进入服务区、高速匝道进出车辆对于交通状态估计的影响，导致研究结果的精度不高。

3、基于现有研究的上述缺陷，迫切需要一种基于etc数据的高速公路交通状态动态估计方法，并且考虑天气状况、高速公路服务区、高速公路出入匝道对交通流量的影响，进而提高对交通状态识别的精度。

技术实现思路

1、针对上述存在的问题，本发明提供了一种基于etc数据的高速公路交通状态动态估计方法，在数据基础上可计算任意时刻高速公路任意两相邻门架之间的交通状态，以相邻两个门架之间的空间位置作为研究的路段单元，采集研究路段的高速公路etc数据构建数据基础，根据历史时段相同天气下未发生拥堵的通行时间的95%置信区间的均值定义该路段自由流的通行时间，通过对比当前时段的通行时间与自由流通行时间，进而对当前的交通状态进行估计，并且考虑了天气状况、服务区、进出高速匝道对交通流的干扰，提高了研究结果的精度，为高速公路的管控决策提供依据。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种基于etc数据的高速公路交通状态动态估计方法，所述方法包括以下步骤：

4、s1，根据高速公路etc门架的空间位置进行路段划分，以相邻两个门架之间的路段作为交通状态识别的研究单元；

5、s2，通过etc系统获取连续通过高速公路相邻门架a-b的当前时段etc数据，以及同一路段历史时刻相同天气下的etc数据；

6、s3，以预设单位时长为采样周期，分析研究路段的历史时刻自由流状态下车辆通行时间的分布趋势，结合路段是否包含高速出入匝道和服务区，对数据进行清洗，以构建路段自由流通行时间估计的数据基础；

7、s4，统计历史时刻相同天气下未发生拥堵时间段中n个预设单位时长内通过门架a的车辆到达门架b的时间，定义连续通过相邻两门架的车辆行程时间95%置信区间的平均值t1为通过两个门架的自由流通行时间；

8、s5，计算当前时刻预设时长内连续通过门架a-b的车辆行程时间95%置信区间的平均值t2，计算行程时间比tti= t2/t1，通过得到的当前时段的tti取值，对当前的交通状态进行判断，不断迭代以实现当前时段研究路段交通状态的动态估计。

9、作为本发明进一步的技术方案，在步骤s1中，选取相邻的两个门架之间的路段为交通状态识别的单元路段，需要统计的元素包括“两门架之间的里程”、“两门架之间是否存在服务区”、“两门架之间是否存在出入匝道”。

10、作为本发明进一步的技术方案，在步骤s2中，采集的etc数据元素包括“天气状况”、“高速名称”、“门架桩号”、“车辆通过时间”、“行车方向”、“车辆图像”、“识别的车牌号”。

11、作为本发明进一步的技术方案，所述步骤s3中，对于两个门架之间路段的通行车辆，按照路段内是否包括出入匝道和服务区，将路段内车辆的通行状况划分为：连续通过门架a-b、通过门架a后进入服务区、通过门架a后从出口匝道下高速、从入口匝道进入高速通过门架b四种情况；对于在a-b段中间进入或驶出高速的车辆，只有一个门架会记录车辆的通行，将其进行剔除；其次按照通行时间的分布图，判断并剔除进入服务区的车辆，只保留连续通过门架a-b的车辆作为该路段自由流通行时间估计的数据基础。

12、作为本发明进一步的技术方案，在步骤s4至s5中，选择历史时刻相同天气下未发生拥堵时间段中n个预设单位时长中连续通过门架a-b的车辆通行时间的95%置信区间的平均值作为研究路段的自由流通行时间t1；对当前研究时段预设时长内的连续通过a-b的车辆通行时间的95%置信区间的平均值作为当前交通状态的通行时间t2，进而计算研究路段当前时段的行程时间比tti=t2/t1，以此为指标对研究路段当前的交通状态进行估计，通过不断的迭代更新实现对研究路段交通状态的动态估计。

13、进一步地，步骤s5中，若估计的当前通行时间t2小于自由流通行时间t1，则定义此时的tti=1；若估计的当前通行时间t2大于2倍的自由流通行时间t1，则定义此时的tti=2；具体的依据tti的交通状态等级划分可依据实地交通流特点及道路限速情况进行标定。

14、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

15、1、本发明利用现有高速公路连续存在的etc门架数据能够准确的计算道路交通状态的变化，不需要在高速路网增加额外的设备，充分考虑高速公路数据采集设备的现状及数据元素，更具有普遍性和推广性。

16、2、本发明考虑了天气状况、服务区、高速出入口匝道对交通流量的干扰，在门架系统采集的数据基础上剔除了干扰数据，提升了交通状态估计结果的精度。

17、3、本发明的判断方法充分考虑了研究路段真实的历史交通状态，可更科学的实现对当前道路交通状态的估计，并且通过不断迭代，实现对交通状态的动态估计。

技术特征：

1.一种基于etc数据的高速公路交通状态动态估计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于etc数据的高速公路交通状态动态估计方法，其特征在于，在步骤s1中，选取相邻的两个门架之间的路段为交通状态识别的单元路段，需要统计的元素包括“两门架之间的里程”、“两门架之间是否存在服务区”、“两门架之间是否存在出入匝道”。

3.根据权利要求1所述的一种基于etc数据的高速公路交通状态动态估计方法，其特征在于，在步骤s2中，采集的etc数据元素包括“天气状况”、“高速名称”、“门架桩号”、“车辆通过时间”、“行车方向”、“车辆图像”、“识别的车牌号”。

4.根据权利要求1所述的一种基于etc数据的高速公路交通状态动态估计方法，其特征在于，在步骤s3中，对于两个门架之间路段的通行车辆，按照路段内是否包括出入匝道和服务区，将路段内车辆的通行状况划分为：连续通过门架a-b、通过门架a后进入服务区、通过门架a后从出口匝道下高速、从入口匝道进入高速通过门架b四种情况；对于在a-b段中间进入或驶出高速的车辆，只有一个门架会记录车辆的通行，将其进行剔除；其次按照通行时间的分布图，判断并剔除进入服务区的车辆，只保留连续通过门架a-b的车辆作为该路段自由流通行时间估计的数据基础。

5.根据权利要求1所述的一种基于etc数据的高速公路交通状态动态估计方法，其特征在于，在步骤s4至s5中，选择历史时刻相同天气下未发生拥堵时间段中n个预设单位时长中连续通过门架a-b的车辆通行时间的95%置信区间的平均值作为研究路段的自由流通行时间t1；对当前研究时段预设时长内的连续通过a-b的车辆通行时间的95%置信区间的平均值作为当前交通状态的通行时间t2，进而计算研究路段当前时段的行程时间比tti=t2/t1，以此为指标对研究路段当前的交通状态进行估计，通过不断的迭代更新实现对研究路段交通状态的动态估计。

技术总结
本发明涉及一种基于ETC数据的高速公路交通状态动态估计方法，所述方法包括以下步骤：根据高速公路ETC门架的空间位置，以相邻门架之间的路段作为研究单元；获取连续通过高速公路相邻门架A‑B的当前时段以及历史时刻的ETC数据；确定采样周期，分析研究路段的历史时刻的对数据进行清洗；统计研究路段历史时刻的自由流通行时间t<subgt;1</subgt;；计算研究路段当前时刻的行程时间t<subgt;2</subgt;，以及行程时间比TTI=t<subgt;2</subgt;/t<subgt;1</subgt;，并对交通状态进行确定。本发明中数据基础是依据在高速公路上广泛存在的ETC门架系统，具有易实现和易推广的优势；考虑了天气状况、路段中服务区、高速公路出入匝道对交通流量数据统计的影响，剔除了异常值的干扰，进而提高对交通状态识别的精度。

技术研发人员：陈涛,李晓阳,顾润鹏
受保护的技术使用者：长安大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/27