龐星宇、成洪博、陳凌鋒、胡鄭雨、黃軍

（1.深圳高速公路股份有限公司，廣東 深圳 518038；2.北京北大千方科技有限公司，北京 100085）

0 引言

在高速公路交通狀況監(jiān)測(cè)工作中，高速公路管理部門能夠采集到的信息通常為車輛通行數(shù)據(jù)，無(wú)法直接得到車輛的實(shí)時(shí)行駛速度信息。為了更好地開(kāi)展高速公路交通狀況監(jiān)測(cè)工作，需要相關(guān)部門不斷優(yōu)化基于車輛通行數(shù)據(jù)的交通狀況監(jiān)測(cè)技術(shù)，做到實(shí)時(shí)、直觀地監(jiān)控下轄高速公路的交通運(yùn)行狀況。目前，根據(jù)我國(guó)相關(guān)建設(shè)規(guī)范可知，高速公路匝道收費(fèi)站之間的距離一般為15km，城市周邊的高速公路，收費(fèi)站之間的距離不小于3km，因此從收費(fèi)站的收費(fèi)數(shù)據(jù)中提取相關(guān)交通參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到的交通狀況空間粒度至少為3km，無(wú)法細(xì)致地反應(yīng)高速公路較小路段內(nèi)的交通狀況及變化情況。同時(shí)，由于大部分收費(fèi)站為匝道收費(fèi)站，以收費(fèi)站劃分道路節(jié)點(diǎn)，會(huì)將車輛通行匝道的時(shí)間與通行高速公路主線的時(shí)間混合，無(wú)法準(zhǔn)確地描述高速公路主線的路況。

1 高速公路路段劃分

由于高速公路一般里程較長(zhǎng)，對(duì)道路交通情況進(jìn)行描述時(shí)需要對(duì)道路整體進(jìn)行劃分，便于對(duì)路況進(jìn)行細(xì)致描述，同時(shí)可以對(duì)擁堵等異常事件進(jìn)行精確定位，這樣能夠更好地滿足高速公路管理需求。

在該研究中，以ETC 龍門架的里程樁號(hào)為節(jié)點(diǎn)，將高速公路劃分為若干個(gè)基本路段，然后根據(jù)視頻攝像頭的樁號(hào)與方向，將細(xì)化后的更小的路段融入基本路段。

首先采用ETC 龍門架的里程樁號(hào)作為節(jié)點(diǎn)將高速公路劃分為基本路段。單方向上，N 個(gè)龍門架可以將道路劃分為N+1 個(gè)基本路段，雙向則為N+2 個(gè)基本路段，如圖1所示：

圖1 基本路段劃分示意圖

2 高速公路交通狀況模型

由于高速公路交通具有很明顯的方向性、連續(xù)性以及有限的封閉性，結(jié)合前述的基本路段劃分示意圖圖1可以發(fā)現(xiàn)，高速公路上不同設(shè)備采集到的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)在空間上具有明顯的前后銜接關(guān)系。參考鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)結(jié)構(gòu)，提出構(gòu)建交通數(shù)據(jù)鏈模型，對(duì)不同來(lái)源、不同結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，便于進(jìn)一步計(jì)算交通狀況。

2.1 高速公路交通數(shù)據(jù)

該研究中所指的高速公路交通數(shù)據(jù)為：通過(guò)ETC龍門架以及攝像頭等數(shù)據(jù)檢測(cè)點(diǎn)采集到的、可以對(duì)交通流現(xiàn)狀進(jìn)行描述且能夠用于計(jì)算交通狀況的數(shù)據(jù)，具體包括宏觀層面的車輛行駛速度、空間占有率、檢測(cè)設(shè)備編號(hào)以及微觀層面的車輛編號(hào)、車輛通行時(shí)間、檢測(cè)設(shè)備編號(hào)等數(shù)據(jù)。

其中宏觀信息主要源于視頻攝像頭AI 分析結(jié)果數(shù)據(jù)，微觀信息主要源于ETC 龍門架統(tǒng)計(jì)的車輛通行數(shù)據(jù)，通過(guò)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合技術(shù)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的有效存儲(chǔ)與調(diào)用，對(duì)計(jì)算高速公路交通狀況有較大的現(xiàn)實(shí)意義。

2.2 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合

參考鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)結(jié)構(gòu)原理，通過(guò)構(gòu)建交通數(shù)據(jù)鏈模型的方式，對(duì)高速公路多源異構(gòu)交通數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。模型的構(gòu)建包含以下幾個(gè)步驟：

2.2.1 數(shù)據(jù)鏈接

參考鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)結(jié)構(gòu)，根據(jù)檢測(cè)點(diǎn)的空間位置和先后銜接關(guān)系形成檢測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)鏈條，數(shù)據(jù)鏈條中包含代表高速公路起止位置的頭尾結(jié)點(diǎn)，同時(shí)每個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)點(diǎn)表示該位置存在一個(gè)數(shù)據(jù)檢測(cè)設(shè)備。

2.2.2 數(shù)據(jù)填充

鏈條中的頭結(jié)點(diǎn)代表高速公路的起始點(diǎn)，不包含數(shù)據(jù)域，在指針域填入該方向上第一個(gè)數(shù)據(jù)檢測(cè)點(diǎn)的空間信息；在鏈條中數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)域，填入對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)檢測(cè)點(diǎn)采集到的屬性信息，在鏈條中數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的指針域，填入下一個(gè)數(shù)據(jù)檢測(cè)點(diǎn)的空間信息；鏈條中的尾結(jié)點(diǎn)代表高速公路的終止點(diǎn)，不包含數(shù)據(jù)域，且指針域?yàn)榭罩?。?shù)據(jù)填充模式見(jiàn)圖2。

圖2 檢測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)鏈條示意圖

其中設(shè)備類型為E 的數(shù)據(jù)結(jié)點(diǎn)表示，該位置為通過(guò)ETC 龍門架檢測(cè)的交通數(shù)據(jù)，設(shè)備類型為C 的數(shù)據(jù)結(jié)點(diǎn)則表示，該位置為通過(guò)視頻攝像頭檢測(cè)的交通數(shù)據(jù)?？紤]到視頻攝像頭采集到的數(shù)據(jù)為車輛通過(guò)當(dāng)前道路斷面的瞬時(shí)數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)中提取出的交通狀況信息只能說(shuō)明附近較短距離內(nèi)的道路交通狀況，因此應(yīng)在對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)點(diǎn)上游補(bǔ)充一個(gè)虛擬結(jié)點(diǎn)，明確視頻攝像頭檢測(cè)數(shù)據(jù)的覆蓋范圍，完整數(shù)據(jù)鏈條示意圖如圖3所示。

圖3 完整檢測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)鏈條示意圖

2.2.3 數(shù)據(jù)處理

不同來(lái)源的交通數(shù)據(jù)形成完整的交通數(shù)據(jù)之后，還需要進(jìn)一步將各個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)點(diǎn)中不同結(jié)構(gòu)、不同量綱的交通數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一量綱，完成真正的數(shù)據(jù)融合。考慮到實(shí)時(shí)判別高速公路運(yùn)行狀況的目標(biāo)，模型選取車輛行駛速度這一指標(biāo)作為融合方向。

第一，針對(duì)通過(guò)視頻攝像頭采集數(shù)據(jù)的檢測(cè)點(diǎn)A，通過(guò)對(duì)視頻畫面進(jìn)行AI 分析可以直接得到車輛行駛速度，而對(duì)應(yīng)的虛擬結(jié)點(diǎn)A′位于點(diǎn)A 上游100m處，根據(jù)前文所述的路段劃分過(guò)程，兩者之間為細(xì)化路段A′-A，可以通過(guò)下式計(jì)算車輛通過(guò)細(xì)化路段A′-A 的平均時(shí)間t。

式（1）中：

l

'為細(xì)化路段的長(zhǎng)度，為固定值100m；

v

為車輛的平均通行速度。從數(shù)據(jù)鏈條的起始點(diǎn)依次向后檢索數(shù)據(jù)結(jié)點(diǎn)中設(shè)備類型的值，當(dāng)找到設(shè)備類型為C 的數(shù)據(jù)結(jié)點(diǎn)后，利用上式計(jì)算車輛平均通過(guò)時(shí)間t，并存入該數(shù)據(jù)結(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)域，同時(shí)將細(xì)化路段長(zhǎng)度

l

'存入該數(shù)據(jù)結(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)域，并繼續(xù)向后檢索。

第二，針對(duì)通過(guò)ETC 龍門架采集數(shù)據(jù)的檢測(cè)點(diǎn)C，可以采集到通過(guò)車輛的編號(hào)和通過(guò)時(shí)間，結(jié)合上游ETC 龍門架B 的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，可以利用同一車輛通過(guò)的時(shí)間差得到車輛通行時(shí)間，根據(jù)前文所述的路段劃分方法，兩者之間為基本路段B-C。考慮到單一車輛可能出現(xiàn)臨時(shí)停車等異常情況，導(dǎo)致通行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等，所以可以采用單位時(shí)間內(nèi)的平均通行速度作為指標(biāo)，描述基本路段內(nèi)的整體路況。平均通行速度vˉ通過(guò)下式計(jì)算。

式（2）中：

S

為ETC 龍門架B 的里程樁號(hào)；

S

為ETC龍門架C 的里程樁號(hào)；

t

為車輛通過(guò)ETC 龍門架B 的時(shí)間；

t

為車輛通過(guò)ETC 龍門架C 的時(shí)間。

考慮到車輛通過(guò)基本路段的同時(shí)，必定通過(guò)了基本路段內(nèi)包含的細(xì)化路段。為了避免重復(fù)計(jì)算，需要按照以下計(jì)算方式，將細(xì)化路段的長(zhǎng)度和對(duì)應(yīng)的車輛通過(guò)時(shí)間從基本路段數(shù)據(jù)中去除。

式（3）中：

x

為該基本路段內(nèi)包含的細(xì)化路段個(gè)數(shù)。式（4）中：

t

為第i 個(gè)細(xì)化路段的通過(guò)時(shí)間。

則基本路段的平均通行速度計(jì)算公式變形如下。

從數(shù)據(jù)鏈條的起始點(diǎn)依次向后檢索數(shù)據(jù)結(jié)點(diǎn)中設(shè)備類型的值，當(dāng)找到第一個(gè)設(shè)備類型為E 的數(shù)據(jù)結(jié)點(diǎn)A 時(shí)，將該數(shù)據(jù)結(jié)點(diǎn)標(biāo)記為上游結(jié)點(diǎn)并繼續(xù)向后檢索，當(dāng)找到第二個(gè)設(shè)備類型為E 的數(shù)據(jù)結(jié)點(diǎn)B 時(shí)，將該數(shù)據(jù)結(jié)點(diǎn)標(biāo)記為下游結(jié)點(diǎn)，最近的上游結(jié)點(diǎn)與下游結(jié)點(diǎn)之間組成一個(gè)基本路段。按照上面的步驟，計(jì)算出基本路段A-B 的車輛平均通行速度vˉ，并將車輛平均通行速度vˉ存入該數(shù)據(jù)結(jié)點(diǎn)以及基本路段A-B 上所有虛擬結(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)域。完成后將數(shù)據(jù)結(jié)點(diǎn)B 的下游結(jié)點(diǎn)標(biāo)記改為上游結(jié)點(diǎn)并繼續(xù)向后檢索。

2.2.4 刪除無(wú)效數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)處理完成后除頭結(jié)點(diǎn)與尾結(jié)點(diǎn)外，所有節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)域內(nèi)均存有結(jié)點(diǎn)里程樁號(hào)數(shù)據(jù)以及上游對(duì)應(yīng)路段的車輛通行速度數(shù)據(jù)，保留這些數(shù)據(jù)，刪除其他無(wú)效數(shù)據(jù)，便于后續(xù)計(jì)算。

2.3 路段通行狀況

經(jīng)過(guò)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合過(guò)程后，數(shù)據(jù)鏈條中的所有數(shù)據(jù)結(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)域都存有該結(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)檢測(cè)點(diǎn)的里程樁號(hào)數(shù)據(jù)，以及對(duì)應(yīng)路段的平均通行速度數(shù)據(jù)。根據(jù)里程樁號(hào)數(shù)據(jù)可以顯著區(qū)分各個(gè)不同的路段，而根據(jù)平均通行速度數(shù)據(jù)可以直觀地判別路段的通行狀態(tài)。

平均通行速度對(duì)應(yīng)的路段通行狀態(tài)為：＞75 表示暢通，＞55 表示一般，＞35 表示緩行，＜35 表示擁擠。

2.4 異常狀況預(yù)警

通過(guò)上述步驟可以得到研究范圍內(nèi)高速公路各路段的實(shí)時(shí)路況信息，篩選車輛通行狀況為擁堵的路段，認(rèn)為該路段可能發(fā)生影響交通暢通性的事件，與對(duì)應(yīng)時(shí)間段的交通事件數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如果該路段沒(méi)有上報(bào)交通事件，則上報(bào)預(yù)警信息，提醒管理人員注意。

3 實(shí)例驗(yàn)證

該實(shí)例驗(yàn)證過(guò)程采用的數(shù)據(jù)為2021年8月11日全日深圳某高速公路主線上的ETC 龍門架以及視頻攝像頭采集到的數(shù)據(jù)總數(shù)據(jù)集，同時(shí)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)公開(kāi)數(shù)據(jù)采集方法，采集高德地圖路況信息數(shù)據(jù)，用于數(shù)據(jù)對(duì)比?？倲?shù)據(jù)集中共有數(shù)據(jù)條目2124624 條，其中ETC 龍門架數(shù)據(jù)條目共計(jì)2115984 條，視頻攝像頭AI分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)頻率為5min，數(shù)據(jù)條目共計(jì)8640 條。結(jié)合數(shù)據(jù)檢測(cè)點(diǎn)分布圖，將路段通行狀態(tài)表與互聯(lián)網(wǎng)路況數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)細(xì)化路段10016′-10016，10015′-10015，10012′-10012，10011′-10011 處于緩行或擁擠的狀態(tài)，其他基本路段均保持暢通狀態(tài)，與互聯(lián)網(wǎng)路況數(shù)據(jù)基本一致。其中存在部分誤差，是由于前端檢測(cè)設(shè)備的布設(shè)位置及密度引起的。對(duì)比結(jié)果表明，基于鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)融合的路況計(jì)算模型可以正確反映道路的通行狀況，有一定的實(shí)際意義。

4 結(jié)論

綜上所述，根據(jù)高速公路通行數(shù)據(jù)的空間特征，采用數(shù)據(jù)鏈模型對(duì)多源異構(gòu)的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，并在融合的基礎(chǔ)上進(jìn)一步計(jì)算道路通行狀態(tài)，經(jīng)過(guò)與實(shí)際情況的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)模型具有良好的適用性。同時(shí)，模型具有以下應(yīng)用價(jià)值：

第一，在以往技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出用ETC 龍門架與攝像頭代替收費(fèi)站對(duì)高速公路路段進(jìn)行劃分，提高了道路交通狀況的空間粒度，能夠更好地滿足管理人員對(duì)細(xì)節(jié)路段路況的管理需求。

第二，通過(guò)路況計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)可能存在的交通事件，能有效彌補(bǔ)交通事件發(fā)現(xiàn)機(jī)制的不足，避免部分發(fā)生在監(jiān)控盲區(qū)的交通事件難以被發(fā)現(xiàn)。