劉偉銘，韓廣廣

（華南理工大學(xué)土木交通學(xué)院，廣東廣州 510640）

基于路側(cè)標(biāo)識站系統(tǒng)的高速公路旅行時間計算研究

劉偉銘，韓廣廣

（華南理工大學(xué)土木交通學(xué)院，廣東廣州 510640）

針對目前高速公路旅行時間采集復(fù)雜、信息數(shù)據(jù)缺失和準(zhǔn)確率較低的問題，提出了利用路側(cè)標(biāo)識站系統(tǒng)實現(xiàn)對車輛旅行時間計算的方法，通過劃分基本路段并采用平均速度法和累計車輛數(shù)均衡法實現(xiàn)對基本路段旅行時間的估計，通過權(quán)重分配模型實現(xiàn)對旅行時間估計數(shù)據(jù)的有效融合。算例計算結(jié)果表明，基于路側(cè)標(biāo)識站系統(tǒng)的高速公路旅行時間在數(shù)據(jù)融合后的平均絕對相對誤差減小，精度得到提高，可為出行者提供可靠的旅行時間信息保障。

公路交通；旅行時間；路側(cè)標(biāo)識站系統(tǒng)；平均速度法；累計車輛數(shù)均衡法

隨著智能交通系統(tǒng)與信息技術(shù)的飛速發(fā)展，一方面出行者對出行信息的可靠性要求越來越高，另一方面，為出行者提供可靠而準(zhǔn)確的實時信息能更好地引導(dǎo)出行者，減少出行的盲目性，不僅能讓出行者受益，還可優(yōu)化現(xiàn)有高速公路的交通狀況，降低擁堵事件發(fā)生概率。旅行時間是出行者選擇出行路線、出行方式和出行目的地的重要參考依據(jù)，可靠而及時的旅行時間估計可更好地服務(wù)出行者，保障高速公路的暢通。

1 研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外高速公路旅行時間估計的數(shù)據(jù)采集主要利用環(huán)形線圈檢測器、視頻檢測器、車牌識別器和車載GPS等，其成本高，利用率低，精度不高，不適于高速公路上大范圍連續(xù)布設(shè)和使用。為獲得更為準(zhǔn)確的旅行時間估計，研究人員利用不同檢測器的數(shù)據(jù)信息進行融合，如：高學(xué)英基于線圈和GPS浮動車法檢測并通過自適應(yīng)加權(quán)平均法進行數(shù)據(jù)融合，實現(xiàn)了有效的行程時間估計；李繼偉根據(jù)城市道路控制中的交通檢測器和車載GPS所獲取的車輛基本數(shù)據(jù)，提出了將城市道路局部與整體相對應(yīng)的路段行程時間估計方法；李朝提出了基于粒子濾波算法的旅行時間預(yù)測方法，無需建立預(yù)測旅行時間與歷史旅行時間的狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)，僅利用歷史數(shù)據(jù)的變化趨勢實現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)移，具有良好的預(yù)測效果。這些研究雖然在一定程度上提高了旅行時間估計精度，但其實施范圍小、數(shù)據(jù)采集量低、設(shè)備維護困難、成本高。近年來，部分學(xué)者利用高速公路全封閉管理的特點，通過研究收費數(shù)據(jù)信息實現(xiàn)對車輛旅行時間的估計，有效解決了車輛數(shù)據(jù)信息不足的問題，如：莊嚴(yán)浩通過研究收費數(shù)據(jù)，提出了依據(jù)軌跡法計算車輛時空坐標(biāo)軌跡并以路段長度為權(quán)重進行路段速度修正的路段旅行時間估計算法；趙建東等研究了收費數(shù)據(jù)實時修正處理方法，引入分段線性插值方法構(gòu)建卡爾曼濾波模型，達到了高速公路站間旅行時間實時預(yù)測的目的。但收費數(shù)據(jù)僅含有車輛在收費站處的數(shù)據(jù)信息，而收費站間的距離一般達幾十到上百公里，長距離的旅行時間估計會因車輛故障、交通堵塞和交通事件等因素出現(xiàn)較大偏差和延誤，嚴(yán)重影響旅行時間估計的可靠性。

隨著高速公路ETC全國聯(lián)網(wǎng)的持續(xù)推進，高速公路將逐步實現(xiàn)ETC全覆蓋。針對車輛的收費問題，路側(cè)標(biāo)識站對車輛真實路徑的識別方法也將逐漸推廣，利用路側(cè)標(biāo)識站的信息采集功能可獲得標(biāo)識站處的車輛和時間信息，進而得到車輛在不同標(biāo)識站間的通行時間。由于路側(cè)標(biāo)識站涉及高速公路不同業(yè)主的切身利益，需保證較高的信息準(zhǔn)確性和完整性，同時設(shè)備維護更加及時，建設(shè)資金更加充足，因而利用標(biāo)識站信息可進一步提高旅行時間的可靠性。該文利用路側(cè)標(biāo)識站對高速公路路段進行區(qū)間劃分，實現(xiàn)車輛路段旅行時間估計，并利用加權(quán)疊加法對平均速度法和累計車輛數(shù)均衡法的旅行時間估計進行數(shù)據(jù)融合，獲得準(zhǔn)確的旅行時間估計，以解決目前檢測手段中旅行時間準(zhǔn)確率低、可靠性低

和車輛數(shù)據(jù)不足的問題。

2 旅行時間的定義

對于高速公路上行駛的車輛而言，收費站間的旅行時間是指某一時間區(qū)間內(nèi)，其從出發(fā)地到目的地并離開高速公路收費站的旅途上所花費的時間。

現(xiàn)階段研究旅行時間的方法主要為直接測量法，即利用高速公路收費站的收費數(shù)據(jù)獲取車輛的出發(fā)地、目的地和所經(jīng)過路段的時間信息，由于高速公路經(jīng)營者需要這些信息實現(xiàn)對行駛車輛的通行費征收，這給旅行時間的研究提供了巨大便利。但這種收費站旅行時間估計法（Collecting-Toll Travel Time，CTT）對于真實旅行時間的計算存在嚴(yán)重缺點，即信息的滯后，收費站獲得的收費數(shù)據(jù)是在車輛駛離目的地收費站后采集的，導(dǎo)致旅行時間計算的滯后，尤其是在旅途時間較長或出現(xiàn)交通堵塞時，無法在車輛行駛過程中根據(jù)已行駛的一段旅程計算旅行時間。同時旅行時間的路段計算長度較大時，在出行過程中可能出現(xiàn)交通事故、交通阻塞及車輛故障等，嚴(yán)重影響旅行時間計算的準(zhǔn)確性。

為減少旅行時間的滯后性和誤差，應(yīng)盡量保證測量旅行時間的行程較短。而隨著ETC的推廣，路側(cè)標(biāo)識站將能獲取高速公路上全部車輛信息，從而實現(xiàn)對旅行時間的估計。利用路側(cè)標(biāo)識站可將出行者的長距離旅行劃分為一個個小區(qū)間的基本路段，根據(jù)路側(cè)標(biāo)識站所獲得的車輛及時間信息可得到每一段區(qū)間內(nèi)路側(cè)標(biāo)識站旅行時間（Roadside Travel Time，RTT）。利用高密度設(shè)置的路側(cè)標(biāo)識站的檢測功能可大大縮短路段的旅行時間，由于車輛在每一段上的旅行時間較短，可減少旅行時間計算的滯后，同時可通過去除問題路段旅行時間避免出現(xiàn)問題路段影響旅行時間準(zhǔn)確性的情況。根據(jù)收費系統(tǒng)和信息采集的需要，可每1～5 km設(shè)置一處路側(cè)標(biāo)識站。路側(cè)標(biāo)識站設(shè)置越多，路段劃分精度越大，越能精確估計旅行時間，使計算出的旅行時間接近甚至等于出行者實際旅行時間（Actual Travel Time，ATT）。不同旅行時間之間的關(guān)系見圖1。

由圖1可知：僅通過收費站數(shù)據(jù)進行旅行時間計算，其結(jié)果與出行者實際旅行時間誤差較大，而利用路側(cè)標(biāo)識站劃分基本路段，將基本路段的旅行時間疊加后獲得的結(jié)果與實際旅行時間較接近，當(dāng)基本路段足夠短時，標(biāo)識站旅行時間就是出行者的真實旅行時間。

圖1 旅行時間的定義及表示的關(guān)系

鑒于貨車等車型速度較低，不宜統(tǒng)一計算，這里以小型汽車為例進行討論。在進行旅行時間估計前，通過數(shù)據(jù)處理過濾掉錯誤、多余和異常事件導(dǎo)致的偏差數(shù)據(jù)。

2.1 平均速度法的旅行時間估計

利用路側(cè)標(biāo)識站可獲得車輛在標(biāo)識站處的經(jīng)過時間和車輛信息，根據(jù)路段長度計算車輛在基本路段上的旅行時間：

式中：T（1）i，j，t為在時間間隔（t-1，t）內(nèi)車輛在高速公路路段（i，j）上的平均旅行時間；li，j為路段（i，j）的路段長度；v-i，j，t為在時間間隔（t-1，t）內(nèi)高速公路路段（i，j）上車輛的調(diào)和平均速度，可由n（i，j，t）輛車在路段（i，j）上的速度v（k）i，j，t通過調(diào)和平均計算得到。

該模型假設(shè)在高速公路基本路段上和時間空間內(nèi)車輛的交通流特性保持穩(wěn)定。為了克服該模型算法的時間滯后性，標(biāo)識站的設(shè)置距離應(yīng)盡量小，保證獲得及時的車輛信息，并且路段的時間更新間隔盡量小于10 min。

另外，當(dāng)擁擠路段出現(xiàn)車輛走?，F(xiàn)象的交通狀態(tài)時，路段的調(diào)和平均速度不同于實際的平均速度，因為標(biāo)識站之間計算車輛速度只考慮車輛的行駛時間，不考慮車輛停止的時間，從而使速度較實際值偏大，會導(dǎo)致旅行時間的計算值偏低。

2.2 累計車輛數(shù)均衡法的旅行時間估計

累計車輛數(shù)均衡法的旅行時間估計直接利用某

一時間區(qū)間內(nèi)通過路側(cè)標(biāo)識站的累計車輛數(shù)，不需計算車輛速度，可解決高速公路擁擠路段的平均速度計算誤差問題。該方法利用高速公路主干道上下游和收費站出入口匝道的車輛數(shù)信息，通過計算進入和離開路段車輛數(shù)間的動態(tài)平衡實現(xiàn)對高速公路路段旅行時間的估計（見圖2）。

圖2 累計車輛數(shù)均衡法的旅行時間計算示意圖

在時間區(qū)間（t-1，t）內(nèi)，在路側(cè)標(biāo)識站i和i+ 1之間的路段（i，i+1）上總進入、總離開的車輛數(shù)分別為：

旅行時間的估計可通過研究路段上的累計車輛數(shù)與時間的關(guān)系獲得（見圖3）。

圖3 累計車輛數(shù)均衡法中車輛數(shù)與時間的關(guān)系

路段（i，i+1）上車輛的平均旅行時間可通過計算圖3中陰影部分面積A（i+1，t）與時間間隔（t-1，t）內(nèi)離開路段的車輛數(shù)的比值獲得，即：

該模型通過利用車輛在路段行駛中的連續(xù)性實現(xiàn)對路段內(nèi)車輛總旅行時間的估計來計算車輛平均旅行時間。

2.3 旅行時間的權(quán)重分配模型

根據(jù)模型算法估計精度的不同分配不同方法各自估計結(jié)果的權(quán)重，達到提高旅行時間估計準(zhǔn)確度和可靠性的目的。利用最優(yōu)估計，保證不同方法的數(shù)據(jù)融合后均方誤差最小。根據(jù)某一路段的旅行時間估計值確定該路段不同模型方法的數(shù)據(jù)所占權(quán)重，則融合后的旅行時間估計為：

式中：Ti，j，t為路段（i，j）在時間區(qū)間（t-1，t）內(nèi)不同數(shù)據(jù)融合后的旅行時間估計；w（k）i，j，t為路段（i，j）的第k種模型方法在時間區(qū)間（t-1，t）內(nèi)旅行時間的權(quán)重，其大小表示不同模型方法估計結(jié)果精度的高低；T（k）i，j，t為路段（i，j）的第k種模型方法在時間區(qū)間（t-1，t）內(nèi)的旅行時間估計。

不同模型計算方法的權(quán)重由不同方法各自的估計值與真實值誤差的平方來確定，權(quán)重計算公式為：

式中：σ（k）i，j，t為路段（i，j）的第k種模型方法在時間區(qū)間（t-1，t）內(nèi)的計算結(jié)果與真實值間的誤差。

3 案例分析

通過VISSIM仿真軟件進行路段旅行時間仿真試驗，路段形式和標(biāo)識站設(shè)置位置見圖4。將試驗路段分為4個基本路段，其長度分別為2.3、4.1、3.5、3.1 km，通過仿真得到車輛經(jīng)過每個路側(cè)標(biāo)識站的旅行時間，獲得車輛在基本路段間的旅行時間。

圖4 試驗路段的路側(cè)標(biāo)識站設(shè)置示意圖（單位：km）

利用平均速度法和累計車輛數(shù)均衡法分別進行旅行時間計算，通過平均速度法和累計車輛數(shù)均衡法估計出的旅行時間及權(quán)重分配模型得到的旅行時

間與實際旅行時間的對比，得到各種模型方法旅行時間的平均絕對相對誤差（見表1）。

表13 種方法旅行時間估計的平均絕對相對誤差

由表1可知：1）經(jīng)過權(quán)重分析模型進行數(shù)據(jù)融得到的旅行時間估計的平均相對誤差有所減少，說明權(quán)重分配模型可提高旅行時間估計的精度和可靠性；2）累計車輛數(shù)法旅行時間估計的精度比平均速度法的高，原因在于其不需考慮路段中的速度誤差。但經(jīng)過權(quán)重分配模型實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合后，旅行時間的精度更高，更接近于出行者實際旅行時間，可為出行者提供可靠的出行信息。

4 結(jié)語

該文利用高速公路現(xiàn)有路側(cè)標(biāo)識站系統(tǒng)的信息采集功能實現(xiàn)對高速公路路段的合理劃分，利用平均速度法和累計車輛數(shù)均衡法對路側(cè)標(biāo)識站間旅行時間的估計，通過權(quán)重分配模型實現(xiàn)對平均速度法和累計車輛數(shù)均衡法所得旅行時間的數(shù)據(jù)融合，提高旅行時間估計的精確度和可靠性。隨著ETC全國聯(lián)網(wǎng)進程的加深，路側(cè)標(biāo)識站作為精確路徑識別的重要手段將得到進一步推廣，利用路側(cè)標(biāo)識站采集車輛和時間信息的方法將成為未來發(fā)展趨勢，能有效減少信息采集成本，保證旅行時間的及時性和可靠性。

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2016-04-19