一种高速公路拥堵指数的获取方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及公路拥堵指数计算方法，具体涉及一种基于高速公路进出口收费数据 的分层拥堵指数建模和拥堵指数获取方法。
【背景技术】
[0002] 目前，我国的高速公路路网基本实现了省级的联网收费，以普通的高速公路收费 系统为例，其基本运作方式就是车辆进入高速公路路网系统时发卡写卡，车辆驶出高速公 路路网系统时读卡收费；虽然收费系统的主要系统目标即是联网收费，但是每天大量的交 通流会产生海量的收费记录原始数据，而在这些收费记录中又包含丰富的属性信息，比如 进入/驶出高速路网的时间、车型、进入/驶出高速公路的站点、车牌等。通过对这些信息 的统计分析，应用数据挖掘的相关方法和知识，我们不难获得更多的交通参数特征，比如各 个原子路段和站点的流量信息、车辆来源分析、车辆成分分析，甚至进一步对这些交通参数 进行预测和估计。
[0003] 所谓保有量，即是指某时刻t，当前路段、道路或路网上所有行驶的当量车辆数，单 位是辆小客车。所谓拥堵指数，指的是通过合理建立模型，以特定的交通参数作为模型输 入，最终输出一个具体的量化的指数值，用于刻画拥堵水平。
[0004] 美国联邦高速公路局在1990年发布的城市道路拥堵评估报告中，提出了道路拥 堵指数的概念，其形式化表达如下：
[0005]
[0006] 其中，Freeway为快速路每日车辆行驶里程；FreewayVMT/Ln. -Mi为快速路每日 每车道公里的车辆行驶里程；PrinArtStrVMT为主干路每日车辆行驶里程；PrinArtt rVMT/Ln. -Mi为主干路每日每车道公里的车辆行驶里程。
[0007] 该指数考虑了两类道路（快速路和主干道）的日均车辆行驶里程（vehiclemiles traveled)，并用阈值进行了标准化。通过该模型计算道路拥堵指数存在的问题是：日均车 辆行驶里程是一个间接的交通参数，在目前国内高速公路数据采集系统条件下，难以获取。
[0008] 德州运输局在1993年的年度城市移动性报告中提出了利用高速公路性能检测系 统（HighwayPerformanceMonitoringSystem,HPMS)的数据计算拥堵严重性指数CSI，该 指数用于评估美国37个大型城市区域的拥堵等级；其形式化表示如下：
[0009]
[0010] 其中，Total Freeway Delay (veh. hrs)为高速公路每日总的时间延误，即高速公 路上每一辆行驶车辆的延误时间累加，单位为辆?小时；Freeway VMT (million)为高速公 路每日车辆行驶里程，即为特定路网中所有车辆行驶里程的总和，单位为辆?公里。
[0011] 该指数存在的问题是：针对的是城市交通拥堵路段，且只关注局部的路段，无法系 统地评价整个交通系统的拥堵水平。
[0012] 德州运输局在后来的年度城市移动性报告中还提出了一种旅行时间指数TTI，是 用高峰期旅行时间（Peakperiodtraveltime)与自由流下旅行时间（freeflowtravel time)的比值刻画拥堵，其形式化表示如下：
[0013]
[0014] 旅行时间指数TTI除了存在与上述CSI相同的缺点外，旅行时间的获取基本上是 基于有限断面的线圈数据或者少量浮动车数据得到的，这些数据的时空代表性较差，因而 采用该指数表示交通系统的拥堵水平，其准确性并不确定。
【发明内容】
[0015] 为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种高速公路拥堵指数的获取方法， 该方法基于高速公路网进出口收费数据，结合其数据优势和特点，构建一种分层的拥堵指 数模型，用于量化路况和刻画拥堵。
[0016] 本发明的原理是：通过对收费数据进行交通参数反演，得到基本路况参数，进而构 建分层拥堵指数模型。具体地，在原子路段层面，我们提出路况参数作为刻画其路况和拥堵 情况的基本参数，所谓路况参数，指的是在单位时空窗口内，所有通过的车辆的旅行时间之 和。结合领域内知识经过推演之后，可以发现路况参数其实近似等于车流密度；而基于高速 公路进出口收费数据，我们通过交通流平均速度反演计算（图2)，得到某一瞬时路段的保 有量；车流密度可通过保有量和路段长度及车道数量的比值得到，作为原子路段的路况参 数；原子路段的路况参数即为表征原子路段路况的拥堵指数。在此基础上，通过计算道路中 各原子路段的动态路段重要性，再计算得到道路拥堵指数；通过计算路网中各条道路的动 态路段重要性，再计算得到全路网的拥堵指数。
[0017] 本发明提供的技术方案是：
[0018] -种高速公路拥堵指数的获取方法，该方法通过定义并计算路况参数作为表征原 子路段路况的拥堵指数；通过计算道路中各原子路段的动态路段重要性，计算得到道路拥 堵指数；再通过计算路网中各条道路的动态路段重要性，计算得到全路网的拥堵指数，具体 包括如下步骤：
[0019] 1)计算得到各原子路段的路况参数（作为原子路段的拥堵指数），执行如下操 作：
[0020] a)通过交通流平均速度反演计算得到各原子路段的保有量；
[0021] b)计算得到各原子路段的路况参数；
[0022] 本发明提出的路况参数，指的是在单位时空窗口内，所有通过的车辆其旅行时间 之和；其形式化表示如下：
[0023]
(式 1)
[0024] 式1中，CI一路况参数；Q-路段平均流率；C一车道数；a;-第i辆车当量；t;一第 i辆车通过单位时空窗口的时间；At-时空窗口时间；AL-时空窗口长度。
[0025] 本发明中，路况参数近似等于车流密度；车流密度可通过路段保有量和路段长度 与车道数量乘积的比值得到；而基于高速公路进出口收费数据，我们可以利用交通流平均 速度反演方法，得到某一瞬时路段的保有量。
[0026] 2)计算得到道路拥堵指数，执行如下操作：
[0027] a)计算得到道路中各原子路段的初始动态路段重要性；
[0028] b)对各原子路段的初始动态路段重要性进行归一化处理，得到各原子路段的动态 路段重要性；
[0029] 具体通过式2进行归一化处理：
[0030]
(式 2)
[0031] 式2中，W]为原子路段j的动态路段重要性；d,代表路段j的初始动态重要性，n 代表当前道路包含的原子路段数量；山代表当前道路包含的每条原子路段的初始动态重要 性；
[0032]c)计算得到道路拥堵指数；
[0033] 将各原子路段的动态路段重要性作为权重，道路拥堵指数的计算具体通过原子路 段的路况参数的加权和得到；
[0034] 3)计算得到全路网拥堵指数，执行如下操作：
[0035] a)计算路网中各条道路的初始动态路段重要性；
[0036] 计算道路的初始动态路段重要性，具体将同一道路的各原子路段的初始动态路段 重要性进行累加，得到该道路的初始动态重要性；
[0037] b)对道路的初始动态路段重要性进行归一化处理，得到各道路的动态路段重要 性；
[0038] c)计算得到全路网的拥堵指数；
[0039] 将各道路的动态路段重要性作为权重，路网拥堵指数的计算具体通过对道路拥堵 指数进行加权和得到。
[0040] 针对上述高速公路拥堵指数的获取方法，步骤1)中的a)通过交通流平均速度反 演计算得到各原子路段的保有量，具体流程包括：
[0041] al)收集所有的收费记录；
[0042] a2)针对其中一条收费记录，执行如下操作：计算得到最短路径；计算得到总的 旅行时间；计算得到在最短路径上的平均速度；计算该最短路径中的各原子路段的旅行时 间；相应时间段该原子路段的保有量加1 ;
[0043] a3)遍历所有收费记录，执行步骤a2)中的操作；
[0044] a4)得到各原子路段的保有量。
[0045] 针对上述高速公路拥堵指数的获取方法，步骤2)中计算得到道路中各原子路段 的初始动态路段重要性，具体流程包括：
[0046] al)初始所有原子路段的动态路段重要性均设为0 ;
[0047] a2)获取指定时间段所有收费记录；
[0048] 针对任一条收费记录，执行如下操作a3)~a5):
[0049] a3)获取该记