郝建根　劉騰　石巍

摘要：提升路段車輛數(shù)估計準(zhǔn)確性，提出一種基于卡口型電警數(shù)據(jù)的路段車輛數(shù)估計方法，能夠利用燈控路口交通流間斷放行的特征設(shè)定車流間間斷放行最小間隔閾值，根據(jù)該閾值對上下游路口過車記錄進行分組運算，結(jié)合號牌號碼與號牌顏色組合確定的車輛唯一身份信息關(guān)聯(lián)分析生成上下游車輛匹配數(shù)據(jù)，利用車輛駕駛的跟隨特性有效縮小匹配數(shù)據(jù)檢索范圍，快速計算任意時刻路段內(nèi)實時車輛數(shù)，為精細(xì)化掌握路段級交通狀態(tài)提供數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：路段車輛數(shù)；間斷放行；跟隨特性

一、前言

近年來隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)?；ㄔO(shè)，城市道路廣泛安裝卡口型電子警察，實時記錄通過停止線所有車輛的過車數(shù)據(jù)，通過號牌號牌、號牌顏色組合確定的車輛唯一身份信息進行上下游關(guān)聯(lián)分析，可以進一步發(fā)揮電子警察數(shù)據(jù)的價值。

傳統(tǒng)的電子警察僅記錄違法車輛的信息，大大緩解了交通管理人力資源短缺的問題，但需提高非現(xiàn)場執(zhí)法的合理性和可靠性，創(chuàng)造和諧的道路交通環(huán)境[1]?？谛碗娮泳觳杉牟糠诌^車數(shù)據(jù)會出現(xiàn)異常，考慮流量的周期性和時變性，基于馬爾科夫模型，基于模型預(yù)測結(jié)果和設(shè)定的流量合理分布閾值，以置信區(qū)間的形式直接判斷流量的異常偏離情況[2]。現(xiàn)有對電子警察數(shù)據(jù)的應(yīng)用主要集中在行程時間的獲取上。基于固定采樣間隔的常規(guī)行程時間計算方法，判別車輛在路段的停車次數(shù)，并利用深度學(xué)習(xí)算法對排隊長度進行預(yù)測，判別過飽和排隊溢出程度[3-4]。充分考慮間斷交通流車頭時距分布特征，以車隊為分割精細(xì)化計算行程時間，有效反映信號周期的控制效果[5]。

對于城市道路交通運行狀態(tài)通過流量、行程時間、路段車輛數(shù)等參數(shù)進行多維度刻畫。其中路段車輛數(shù)是指上下游兩個路口間在途的車輛數(shù)量，現(xiàn)有路段車輛數(shù)估計方法對歷史周同天數(shù)據(jù)的依賴性比較大[6]，但由于交通參與者駕駛行為的差異性以及事故、拋錨、臨時停車等隨機交通事件因素的影響，不同日期同一時刻交通流會有一定的隨機性，利用實時數(shù)據(jù)、歷史周同天數(shù)據(jù)分析得到的交通參數(shù)會有一定的差異性，往往會導(dǎo)致路段車輛數(shù)估計的準(zhǔn)確性低。本文基于交通信號的間斷放行和車輛駕駛的跟隨特性，快速計算任意時刻路段實時車輛數(shù)，研判路段車輛動態(tài)，精細(xì)掌握路段交通狀態(tài)[7]。

二、路段車輛數(shù)估計方法

（一）上游路口過車記錄分組

上游路口過車記錄包括號牌號碼、號牌顏色、路口編號、車道號、過車時間、分組編號、通過下游路口時間等數(shù)據(jù)項。

上游路口過車記錄分組主要包括計算車流間斷放行最小間隔、上游過車記錄鏈表更新、參考車流車輛分組劃分、非參考車流隸屬分組確定等步驟。

將上游路口前一段時間內(nèi)（比如1小時）所有過車記錄構(gòu)建形成上游過車記錄鏈表；根據(jù)車流間斷放行最小間隔閾值對上游路口過車記錄進行分組。任選一股車流作為車輛分組劃分的參考車流，計算當(dāng)前車輛與上一個車輛的車頭時距，并與車流間斷放行最小間隔閾值進行比較，確定每個車輛隸屬的分組編號以及每個分組對應(yīng)的起始時刻、結(jié)束時刻等信息；其他車流的車輛可根據(jù)其過車時間確定所隸屬的分組信息。

計算車流間斷放行最小間隔。車流間斷放行最小間隔可以取某一股交通流從失去通行權(quán)到下一次獲得通行權(quán)所有歷經(jīng)相位的最小綠燈時間與過渡燈色時間之和，即車流間斷放行最小間隔，其為固定值，與信號控制實際執(zhí)行方案無關(guān)。

上游過車記錄鏈表更新。將上游路口前一段時間內(nèi)（比如1小時）所有過車記錄構(gòu)建形成上游過車記錄鏈表；按照時間順序?qū)崟r獲取參考車流所有隸屬車道的過車記錄，， ，……，將新增的上游路口過車記錄更新至上游過車記錄鏈表尾部，并將通過下游路口時間這一數(shù)據(jù)項初始設(shè)置為空值。

參考車流車輛分組劃分。根據(jù)圖1，上游路口的北向東左轉(zhuǎn)、西向東直行、南向東右轉(zhuǎn)三股交通流可匯入下游交叉口；對于信號燈控制的路口，每一股交通流都具有間斷放行的特征，可任選一股車流作為車輛分組劃分的參考車流。

根據(jù)參考車流相鄰車輛間的車頭時距與車流間斷放行最小間隔閾值進行比較，確定每個車輛的隸屬分組編號以及每個分組對應(yīng)的起始時刻、結(jié)束時刻等信息。車輛分組劃分具體方法如下：

提取上游過車記錄鏈表中最新的過車記錄，當(dāng)時，該車輛為第一個車輛，將對應(yīng)的分組編號計為1，并將該車輛的過車時間作為分組1的起始時刻，當(dāng)時，計算與上一個車輛的車頭時距，當(dāng)小于等于車流間斷放行最小間隔閾值時，則返回繼續(xù)獲取下一個車輛；當(dāng)大于車流間斷放行最小間隔閾值時，將該車輛的過車時間作為當(dāng)前分組的結(jié)束時刻，同時將分組編號加1，并把該車輛的過車時間作為下一分組的起始時刻，返回繼續(xù)獲取下一個車輛。

非參考車流隸屬分組確定。根據(jù)非參考車流所有隸屬車道的過車記錄的過車時間與每個分組的起始時刻進行比較，確定車輛所在的分組編號。

（二）下游路口過車記錄分組

下游路口過車記錄包括號牌號碼、號牌顏色、路口編號、車道號、過車時間、分組編號、通過上游路口時間等數(shù)據(jù)項。

根據(jù)圖2，下游路口西進口包含西向北左轉(zhuǎn)、西向東直行、西向南右轉(zhuǎn)三股交通流。

下游路口過車記錄分組主要包括計算車流間斷放行最小間隔、下游過車記錄鏈表更新、參考車流車輛分組劃分、非參考車流隸屬分組確定等步驟。

下游路口過車記錄分組與上游過車記錄分組步驟類似，本文不再贅述。

（三）上下游過車記錄關(guān)聯(lián)匹配

根據(jù)上、下游過車記錄比對檢索和車輛駕駛的跟隨特性進行上、下游過車記錄關(guān)聯(lián)匹配。對于下游路口新增的一個過車記錄，與上游過車記錄鏈表進行比對檢索，根據(jù)車輛駕駛的跟隨特性有效縮小比對檢索的范圍，當(dāng)上下游過車記錄中號牌號碼、號牌顏色都相同時，更新上游過車記錄的通過下游路口時間數(shù)據(jù)項以及下游過車記錄的通過上游路口時間數(shù)據(jù)項。

將新增的下游路口過車記錄與上游過車記錄鏈表中的過車記錄逐一進行比對檢索，提取并記錄當(dāng)前選中的上游路口過車記錄。

對于某一條上游路口過車記錄，當(dāng)檢索到該過車記錄中通過下游路口時間為空值時，若上、下游過車記錄中號牌號碼、號牌顏色都相同，則記錄該上游路口過車記錄。提取新增的下游路口過車記錄的過車時間，將該過車時間更新到記錄的上游路口過車記錄的通過下游路口時間這一數(shù)據(jù)項中；同時提取記錄的上游路口過車記錄的過車時間，將該過車時間記錄到新增的下游路口過車記錄的通過上游路口時間這一數(shù)據(jù)項中。

當(dāng)檢索到該過車記錄中通過下游路口時間為非空值時，表示車輛已通過下游，根據(jù)車輛駕駛的跟隨特性（在交通中有車輛跟馳模型、車隊等相關(guān)概念，每個駕駛員都是期望盡快到達目的地，所以車輛之間會存在跟隨特性），檢索的車輛應(yīng)在最近若干個上游分組內(nèi)出現(xiàn)，設(shè)定停止檢索判別規(guī)則，縮小車輛檢索的范圍，提高檢索效率。

其中停止檢索判別規(guī)則具體如下：若是第一次檢索到該過車記錄中通過下游路口時間為非空值時，提取該上游路口過車記錄的分組編號記為，則返回繼續(xù)檢索；若不是第一次檢索到該過車記錄中通過下游路口時間為非空值時，提取車輛的上游路口分組編號記為，計算分組編號差值，考慮到車輛駕駛的跟隨特性，當(dāng)大于某一個數(shù)值時，表示車輛在較長一段時間內(nèi)未與同行車輛一并駛離下游路口，認(rèn)為車輛是從路段內(nèi)直接駛?cè)胂掠蔚?，停止檢索。

（四）路段車輛數(shù)估計

根據(jù)上游過車記錄鏈表統(tǒng)計當(dāng)前計算時刻未駛離下游路口的車輛總數(shù)，計算路段車輛數(shù)初始值；根據(jù)上游過車記錄鏈表統(tǒng)計前一段時間內(nèi)經(jīng)過上游但未經(jīng)過下游的車輛，計算上游過車記錄中從上游駛離未在路段內(nèi)停駛車輛占比；根據(jù)下游過車記錄鏈表統(tǒng)計前一段時間內(nèi)經(jīng)過下游但未經(jīng)過上游的車輛，計算下游過車記錄中從上游駛離通過下游車輛占比；根據(jù)車流間關(guān)聯(lián)性對路段車輛數(shù)初始值進行修正，得到路段車輛數(shù)估計值。

路段車輛數(shù)初步統(tǒng)計：根據(jù)上游過車記錄鏈表中的通過下游路口時間這一數(shù)據(jù)項是否為空值，來確定車輛是否已駛離下游路口，并根據(jù)車輛駕駛的跟隨特性，設(shè)定停止檢索判定規(guī)則，計算得到當(dāng)前計算時刻路段車輛數(shù)初始值。停止檢索判別規(guī)則與上下游過車記錄關(guān)聯(lián)匹配中的類似，本文不再贅述。

由于車輛可能在路段內(nèi)停駛或從路段內(nèi)交通小區(qū)駛?cè)胂掠温房诘纫蛩?，結(jié)合圖3所示的上下游車流與路段內(nèi)交通小區(qū)的車流間關(guān)聯(lián)關(guān)系，可以通過上游過車記錄中從上游駛離未在路段內(nèi)停駛車輛占比、下游過車記錄中從上游駛離通過下游車輛占比對路段車輛數(shù)初始值進行修正得到路段車輛數(shù)估計值。

三、實例分析

本文以南京市中山東路解放路和中山東路清溪路兩個相距1.2km的路口作為研究對象，研究2018年8月6日周一兩路口間西向東的路段車輛數(shù)變化特性，其中上游路口為中山東路解放路，下游路口為中山東路清溪路。另在兩路口之間還有一拖二的燈控路口，包括中山東路明故宮東、中山東路明故宮西。

確定車流間斷放行最小間隔。不失一般性每個路口可選取西直行作為參考車流，西直行從失去通行權(quán)到下一次獲得通行權(quán)所有歷經(jīng)相位包括東西左轉(zhuǎn)、南北直行、南北左轉(zhuǎn)，各相位最小綠燈、過渡燈色分別選取8秒、3秒，因此車流間斷放行最小間隔為33秒。

根據(jù)車流間隔放行最小間隔，分別對上下游參考車流、非參考車流的過車記錄進行分組，確定每一條過車記錄的分組號，其中上游共有700個分組，下游共有647個分組。根據(jù)號牌號碼、號牌顏色是否相同對上下游過車記錄進行關(guān)聯(lián)匹配，新增通過上游路口時間、通過下游路口時間。匹配結(jié)果示例，蘇A×…×，藍牌，2018年8月6日17時4分33秒通過中山東路解放路西方向第3車道，上游分組編號511，2018年8月6日17時8分12秒通過中山東路清溪路西方向第2車道，下游分組遍號478，行程時間219秒。

路段車輛數(shù)和現(xiàn)有電警數(shù)據(jù)分析方法得到的行程時間存在一定的關(guān)聯(lián)性，為了驗證路段車輛數(shù)估計值的合理性，選取車隊行程時間作為參考值，計算分析結(jié)果如圖4所示。路段車輛數(shù)與行程時間對于峰值的跟蹤性上比較一致，在10：04：00、12：21：45、18：18：35，行程時間分別為472s、690s、418s，路段車輛數(shù)分別為99veh，98veh，98veh。由于車隊行程時間采用的是所有匹配記錄中各車輛行程時間的中位值或均值，是統(tǒng)計值，因此變化相對不明顯。而路段車輛數(shù)計算間隔是15秒，由于兩路口間還存在一拖二路口，上下游車輛放行差異會比較大，路段內(nèi)車輛動態(tài)比較復(fù)雜，因此路段車輛數(shù)相鄰兩次計算值的波動性會比較明顯，但實際應(yīng)用中常用路段車輛數(shù)劃分區(qū)間，數(shù)值的波動不會影響其使用。

圖4? 中山東路示例路段車輛數(shù)、行程時間變化趨勢圖

結(jié)合下游路口放行數(shù)據(jù)，比如信號周期最大通過放行量，可以對路段車輛數(shù)劃分不同的區(qū)間范圍，區(qū)段數(shù)量表示等候信號燈次數(shù)，可以更好的表征該路段的通行狀態(tài)。信號周期最大通過放行量可以通過下游路口各分組的車輛總數(shù)的合理最大值確定，下游過車記錄分組中共有208個分組的車輛總數(shù)在44輛到60輛，占比較大，可以取中值52輛作為信號周期最大通過放行量。根據(jù)圖4，路段車輛數(shù)最大值為100，在高峰時期需要等候兩次信號燈才能通過路口。

四、結(jié)語

本文針對城市道路，充分利用交叉口間斷放行的特征，對卡口型電子警察過車數(shù)據(jù)進行精細(xì)化分析，實現(xiàn)路段車輛數(shù)的快速估計，路段車輛數(shù)與行程時間相比，一方面計算實時性較強，能快速直接反映路段內(nèi)車輛的動態(tài)，另一方面該參數(shù)可以直接換算成排隊長度、等候信號燈次數(shù)等參數(shù)，能更好的反映道路的通行狀態(tài)。通常采用流量表示交通需求，但流量只表示實際通過停止線的車輛，但無法刻畫繼續(xù)排隊等候信號燈通過的車輛數(shù)，尤其在過飽和交通狀態(tài)無法精準(zhǔn)刻畫實際的交通需求。路段車輛數(shù)的大小表示兩個路口之間的車輛數(shù)，可以真實表示實際的交通需求。路段車輛數(shù)有效的估計方法，助力交通管理者精細(xì)化掌握路段級交通狀態(tài)。H

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