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        基于多段地磁傳感器的高速公路收費(fèi)站車輛排隊(duì)長(zhǎng)度檢測(cè)算法

        2016-09-08 08:56:34李彬亮韓國華
        中國新通信 2016年15期
        關(guān)鍵詞:收費(fèi)站排隊(duì)斷面

        李彬亮 韓國華

        【摘要】 針對(duì)交通管理部門對(duì)車輛排隊(duì)長(zhǎng)度智能化管控的迫切要求,本文提出了一種基于多段地磁傳感器的高速公路收費(fèi)站排隊(duì)長(zhǎng)度檢測(cè)算法。通過研究駕駛員的行為習(xí)慣及車輛跟馳行駛中特點(diǎn),本文對(duì)車輛跟馳行駛區(qū)與自由行駛區(qū)、跟馳行駛區(qū)與逼近前車區(qū)的速度臨界值進(jìn)行了界定,分析了車輛通過地磁傳感器時(shí)速度的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律,并基于地磁傳感器關(guān)鍵數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析,提出了均速模型。最后利用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)本檢測(cè)算法進(jìn)行驗(yàn)證,試驗(yàn)結(jié)果證明本文提出的均速模型能夠有效的估計(jì)高速公路收費(fèi)站前車輛排隊(duì)長(zhǎng)度,且地磁裝置成本低廉、布設(shè)方便,能夠大規(guī)模的推廣應(yīng)用,為交通管理部門實(shí)時(shí)監(jiān)控交通運(yùn)行情況提供幫助。

        【關(guān)鍵詞】 地磁傳感器 高速公路收費(fèi)站 排隊(duì)長(zhǎng)度檢測(cè) 跟馳行駛 均速模型

        引言:

        隨著經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展,我國大中城市機(jī)動(dòng)車保有輛也在不斷攀升,截止到2015年底,深圳市機(jī)動(dòng)車保有量超過320萬輛[1],車輛密度達(dá)到481輛/公里,遠(yuǎn)超270輛/公里的國際警戒線,日益增多的機(jī)動(dòng)車使得城市交通壓力與日俱增。研究車輛排隊(duì)長(zhǎng)度,可以有效反映城市交通運(yùn)行情況,輔助交通管理部門分析決策,從而緩解城市交通擁堵以及由此帶來的交通安全等問題。目前我國車輛排隊(duì)長(zhǎng)度檢測(cè)方法大體可以分為三類:

        通過設(shè)置磁感線圈、微波探測(cè)器、雷達(dá)等傳統(tǒng)交通監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行排隊(duì)長(zhǎng)度檢測(cè)及計(jì)算。

        通過GPS數(shù)據(jù)對(duì)車輛排隊(duì)長(zhǎng)度進(jìn)行檢測(cè)。

        通過視頻數(shù)據(jù)對(duì)車輛排隊(duì)長(zhǎng)度進(jìn)行檢測(cè)。視頻檢測(cè)成本低、覆蓋范圍廣、受環(huán)境影響小,準(zhǔn)確度也相對(duì)較高,其理論誤差可以控制在8%以內(nèi)[1]。

        相對(duì)于以上三類車輛排隊(duì)長(zhǎng)度檢測(cè)方式,地磁傳感器安裝尺寸小、靈敏度高、使用壽命長(zhǎng)、對(duì)路面破壞小,且其探測(cè)機(jī)制主要利用地球磁場(chǎng)在鐵磁物體通過時(shí)的變化進(jìn)行檢測(cè),對(duì)環(huán)境要求較低,能夠準(zhǔn)確的識(shí)別車輛存在和通過車型。目前我國基于地磁傳感器的車輛排隊(duì)長(zhǎng)度算法研究相對(duì)較少,其中張永終等人融合地磁檢測(cè)方法設(shè)計(jì)了一種多傳感器融合檢測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對(duì)各方向排隊(duì)長(zhǎng)度的檢測(cè)[2];賈利民等人根據(jù)單個(gè)地磁傳感器數(shù)據(jù)反饋的車輛經(jīng)過時(shí)長(zhǎng)、車頭車尾時(shí)距等動(dòng)態(tài)變化規(guī)律,提出了車尾時(shí)距模型、通過時(shí)間模型和綜合模型,為排隊(duì)長(zhǎng)度檢測(cè)提供了一個(gè)新的算法[3]。本文基于地磁傳感器在高速公路收費(fèi)口的實(shí)際應(yīng)用,利用多車道車輛通過距離收費(fèi)站200m,125m,50m地磁傳感器時(shí)的波形、時(shí)長(zhǎng)等關(guān)鍵信息,提出了一種的新的車輛排隊(duì)長(zhǎng)度算法。為交通管理部門及高速公路企業(yè)提供了數(shù)據(jù)支撐和決策參考。

        一、多段地磁傳感器排隊(duì)長(zhǎng)度檢測(cè)方法

        1.1 問題分析

        高速公路收費(fèi)站前的車輛排隊(duì)行為符合車輛跟馳特點(diǎn),同時(shí)由于高速公路收費(fèi)站口對(duì)車輛排隊(duì)長(zhǎng)度的硬性要求以及高速公路交通流的自身特點(diǎn),其車輛排隊(duì)行為又具有一定的特殊性。本文以車輛跟馳行為為基礎(chǔ),對(duì)高速公路收費(fèi)站前車輛排隊(duì)情況進(jìn)行類比描述。

        假定所有駕駛員行為符合MISSION模型,車輛在進(jìn)入收費(fèi)站排隊(duì)過程中分別經(jīng)過無反應(yīng)區(qū)(可自由行駛段),無意識(shí)反應(yīng)區(qū)(跟馳行駛區(qū))以及有意識(shí)反應(yīng)區(qū)(逼近前車區(qū)),車輛跟馳行駛情況如圖1。

        根據(jù)Hodfs的調(diào)查,駕駛員在高速行車中會(huì)低估安全距離,在實(shí)際交通中,距離與速度不成正比[4]。故假定車輛在無反應(yīng)區(qū)行駛時(shí)勻速行駛;進(jìn)入無意識(shí)反應(yīng)區(qū)后將根據(jù)前車減速情況開始減速,視作勻減速階段;進(jìn)入有意識(shí)反應(yīng)區(qū)時(shí),車速隨著車頭間距減小而減小,視作變減速階段。通過在收費(fèi)站前有間隔的設(shè)置地磁傳感器,可以有效的獲得車輛通過地磁傳感器時(shí)的波形、時(shí)長(zhǎng)等各項(xiàng)數(shù)據(jù)變化情況,從而判斷不同階段車輛的實(shí)際行駛行為,最后估算出收費(fèi)站前車輛的排隊(duì)長(zhǎng)度。

        1.2 參數(shù)選取

        受制于地磁特點(diǎn)和傳感器埋設(shè)方式等條件影響,當(dāng)出現(xiàn)車輛經(jīng)過地磁傳感器所在斷面變換車道、車輛以非正常行車方式在道路上行駛(如兩條道路之間行駛)以及地磁斷面1至地磁斷面4之間出入口不唯一(如存在岔路)等情況時(shí),會(huì)導(dǎo)致地磁傳感器漏檢、多檢以及傳輸數(shù)據(jù)出現(xiàn)噪聲數(shù)據(jù),無法精確反映車輛通過情況。

        故在前期實(shí)驗(yàn)中本文抽取了7天地磁數(shù)據(jù)樣本,并對(duì)樣本中各項(xiàng)數(shù)據(jù)與排隊(duì)長(zhǎng)度的相關(guān)性以及樣本數(shù)據(jù)本身的容錯(cuò)性進(jìn)行了估算,其中:

        為了確定樣本的有效性,在前期實(shí)驗(yàn)中,以基于微波檢測(cè)的深圳市非節(jié)假日、高速公路同一路段的不同時(shí)間車輛行駛數(shù)據(jù)的均值作為標(biāo)準(zhǔn),對(duì)抽取的數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行獨(dú)立μ檢驗(yàn),設(shè)顯著水平ɑ = 5%。

        各項(xiàng)特征數(shù)據(jù)與排隊(duì)長(zhǎng)度的相關(guān)性采用Spearman秩相關(guān)檢驗(yàn),即:將數(shù)據(jù)樣本X與對(duì)應(yīng)的排隊(duì)長(zhǎng)度樣本Y配對(duì)形成(x1,y1),(x2,y2) (xn,yn),并將它排序,根據(jù)兩個(gè)順序樣本的秩(Ri和Si)得到n對(duì)秩:(R1,S1)(R2,S2) (Rn,Sn)。有相關(guān)系數(shù):

        1.3 測(cè)距與閾值選取

        根據(jù)MISSION模型,車輛在進(jìn)入跟馳行駛區(qū)之前和逼近前車區(qū)時(shí)存在兩個(gè)DV值(速度閾值),即SDV(駕駛員意識(shí)到正在靠近一輛低俗行駛車輛的臨界點(diǎn))與CLDV(跟馳過程中駕駛員意識(shí)到速度差很小但仍然靠近前車的臨界點(diǎn))。

        為了準(zhǔn)確的得到車輛在自由行使區(qū)、跟馳行駛區(qū)以及逼近前車區(qū)的相關(guān)數(shù)據(jù),實(shí)驗(yàn)將地磁斷面埋設(shè)間隔設(shè)置為50m,125m,200m。當(dāng)車輛進(jìn)入收費(fèi)站200m檢測(cè)范圍內(nèi)時(shí),駕駛員將根據(jù)收費(fèi)站前車輛排隊(duì)情況進(jìn)行減速,其中地磁斷面車速判斷閾值與兩個(gè)臨界值SDV與CLDV動(dòng)態(tài)相關(guān)。

        根據(jù)駕駛行為的不同程度,在有預(yù)期的平緩減速狀態(tài)下,減速度的通常上限值在-2到-2.6M/S2之間。同時(shí),受到駕駛員與車輛特性的共同制約,駕駛員從施加操縱力到出現(xiàn)操縱力的時(shí)間約為0.04s,駕駛員的反應(yīng)時(shí)間參照表2。

        表2 駕駛員反應(yīng)時(shí)間及小客車制動(dòng)系協(xié)調(diào)時(shí)間

        可以估算出車輛進(jìn)入逼近前車區(qū)時(shí)的臨界速度CLDV約為4.16m/s,故3道地磁存在一個(gè)共同的擁堵閾值fb,逼近前車區(qū)內(nèi)車輛速度不高于fb,即15km/h。

        同理,3道地磁受到測(cè)距(埋設(shè)點(diǎn)至上一埋設(shè)點(diǎn)的距離)遠(yuǎn)近影響,對(duì)應(yīng)存在2個(gè)的暢通閾值fub,即車輛進(jìn)入跟馳行駛區(qū)的臨界速度SDV。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)微波實(shí)測(cè),車輛在進(jìn)入收費(fèi)站200m檢測(cè)區(qū)域時(shí)均處于減速狀態(tài),平均減速度約為0.68m/ s2,根據(jù)公式:

        二、實(shí)例分析

        2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

        實(shí)驗(yàn)選取2015年8月2日0時(shí)至24時(shí)全天的視頻檢測(cè)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行參照。地磁檢測(cè)系統(tǒng)每5分鐘提取一次斷面的平均車速(平均車速=每5min內(nèi)通過車輛速度總和/通過車輛數(shù) ),剔除掉高于120km/h的異常數(shù)據(jù)后,可得以時(shí)間為X軸,各地磁斷面平均車速為Y軸統(tǒng)計(jì)圖(圖中D2、D3、D4速度分別為斷面2、3、4的平均時(shí)速,橫坐標(biāo)288個(gè)刻度為5分鐘間隔序號(hào))。

        根據(jù)均速模型算法,地磁檢測(cè)的排隊(duì)長(zhǎng)度與視頻實(shí)時(shí)排隊(duì)長(zhǎng)度對(duì)比如圖4(虛線為地磁檢測(cè)數(shù)據(jù),實(shí)線為視頻檢測(cè)數(shù)據(jù))。根據(jù)Spearman秩相關(guān)檢驗(yàn)法,得地磁檢測(cè)排隊(duì)長(zhǎng)度與視頻檢測(cè)排隊(duì)長(zhǎng)度相關(guān)度達(dá)92.3%,實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到預(yù)期值。

        2.2 結(jié)果分析

        由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出,本文提出的均速模型與現(xiàn)場(chǎng)視頻檢測(cè)結(jié)果高度吻合,綜合實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的異常情況,該均速模型受到的客觀干擾主要存在以下兩個(gè)方面:(1)收費(fèi)站前不同車道車型不統(tǒng)一,需要結(jié)合車型識(shí)別對(duì)車輛經(jīng)過斷面產(chǎn)生的相對(duì)車速進(jìn)行改良,減少測(cè)速擾動(dòng);(2)受到駕駛員行為影響,車輛會(huì)自動(dòng)變道尋找排隊(duì)長(zhǎng)度最短車道。

        在收費(fèi)站前排隊(duì)長(zhǎng)度較短情況下,車輛經(jīng)過外圍兩道地磁斷面時(shí)有可能出現(xiàn)變道情況,帶來測(cè)速異常高值,需要進(jìn)一步在均速計(jì)算中剔除明顯異常高值。由于受到算法影響,在斷面2、3存在異常高值情況時(shí)一般在距離收費(fèi)站口較近的斷面1不存在車輛變道情況(已經(jīng)選好車道),故對(duì)系統(tǒng)判斷車輛真實(shí)排隊(duì)長(zhǎng)度不產(chǎn)生影響,魯棒性強(qiáng)。

        另外,本文提到的收費(fèi)站口排隊(duì)長(zhǎng)度檢測(cè)系統(tǒng)可以進(jìn)一步推廣到城市交叉口信號(hào)檢測(cè)中,結(jié)合平均車速直接辨別有利于直接判別擁堵情況,無需復(fù)雜的算法和數(shù)據(jù)處理,對(duì)處理器運(yùn)行能力要求較低,便于推廣。

        三、結(jié)束語

        結(jié)合跟馳模型中車輛行進(jìn)行為以及MISSION模型對(duì)駕駛員行為的研究,得到了基于地磁傳感器判別車輛行進(jìn)情況的擁堵、暢通閾值,形成了對(duì)車輛排隊(duì)長(zhǎng)度有效估計(jì)的均速模型。

        通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),證明了該模型的有效性。與傳統(tǒng)視頻檢測(cè)、浮動(dòng)車檢測(cè)、微波檢測(cè)方法相比,本文提出的排隊(duì)長(zhǎng)度算法更為簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn)。另外地磁傳感器成本低廉,安裝方便,有利于快速推廣。

        參 考 文 獻(xiàn)

        [1] 楊永輝,黃磊,劉昌平.基于視頻分析的車輛排隊(duì)長(zhǎng)度檢測(cè)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2011,28(3):1037-1041.

        [2] 張永終,張軍強(qiáng),喬志龍.基于多傳感器融合的排隊(duì)長(zhǎng)度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].道路交通與安全,2015,15(3):23-28.

        [3] 賈利民,陳娜,李海艦,董宏輝.基于單個(gè)地磁傳感器融合的交叉口排隊(duì)長(zhǎng)度估計(jì)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2015,5,8(網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版).

        [4] Wiedemann R, Reiter U. Microscopic Traffic Simulation:The Simulation System MISSION. Background and Actual State CEC Project ICARUS(V1052),F(xiàn)inal Report,1992.

        [5] Ceder A. A Deterministic Traffic Flow Model for the Two Regime Approach. Transportation Research Record,1976,567.

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