本發(fā)明涉及交通領(lǐng)域，具體涉及一種路網(wǎng)交通狀態(tài)預(yù)測方法。

背景技術(shù)：

城市路網(wǎng)交通運行狀態(tài)對于城市交通控制起著至關(guān)重要的作用，同時又為交通管理及決策提供直觀信息。路網(wǎng)交通狀態(tài)判別是一個復(fù)雜的過程，表現(xiàn)為多尺度、多變量、隨機(jī)性和時變性。其判別的關(guān)鍵是建立合理的時空分布模型。

目前的交通狀態(tài)判別方法主要可以分為兩類：第一類是從時間角度出發(fā)，充分考慮歷史及動態(tài)信息，運用數(shù)理統(tǒng)計、模式識別、聚類分析等方法，從路網(wǎng)檢測器中提取表征路網(wǎng)交通狀態(tài)的交通參數(shù)進(jìn)行處理與分析；第二類是從空間角度出發(fā)，考慮構(gòu)成路網(wǎng)物理結(jié)構(gòu)的靜態(tài)拓?fù)涮匦裕捎迷u價指標(biāo)如飽和度、通行能力等對路網(wǎng)交叉口進(jìn)行評價。

在上述交通狀態(tài)的判別研究方法中，大多避開其建模問題，一是因為存在合理性問題，二是很難對路網(wǎng)的實時運行狀態(tài)進(jìn)行判別。而研究路網(wǎng)交通狀態(tài)判別的建模過程有利于達(dá)到時間與空間的結(jié)合，增強(qiáng)學(xué)科間的聯(lián)系。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出了一種路網(wǎng)交通狀態(tài)判別模型，考慮其動態(tài)信息和歷史狀態(tài)，并結(jié)合其時間信息和空間信息獲得其整體狀態(tài)，從而對其交通狀態(tài)進(jìn)行合理地分析和評價。

本發(fā)明所述的基于模糊馬爾可夫過程的路網(wǎng)交通狀態(tài)預(yù)測方法包括以下步驟：

1)在選定待預(yù)測路網(wǎng)交通狀態(tài)的路網(wǎng)區(qū)域以后，以固定時間間隔采集此區(qū)域內(nèi)各個交叉口的歷史交通流量數(shù)據(jù)；

2)為便于量化計算，根據(jù)道路服務(wù)水平及飽和度之間的關(guān)系，建立飽和度值和量化值的映射，由此，可根據(jù)飽和度值界定交通狀態(tài)；

3)根據(jù)步驟1)中所得交叉口歷史交通流量數(shù)據(jù)，利用馬爾可夫過程特性計算得到交叉口狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣如式(1)所示：

其中，p_ij代表當(dāng)前時刻交叉口狀態(tài)為j(j＝1,2,3,4)，下一時刻狀態(tài)為i(i＝1,2,3,4)的概率；

4)由式(1)并假設(shè)已知交叉口當(dāng)前時刻狀態(tài)向量為A_t，則可以計算得出交叉口下一時刻狀態(tài)向量為A_t+1＝A_tP，從而可得交叉口下一時刻交通狀態(tài)；

5)對所述路網(wǎng)區(qū)域內(nèi)的各個交叉口進(jìn)行分類，并確定各類型的數(shù)目b₁，b₂，b₃，b₄，b₅，b₆，及權(quán)重向量如式(2)所示：

B＝(B₁ B₂ B₃ B₄ B₅ B₆) (2)

其中，B_i＝b_i/(b₁+b₂+b₃+b₄+b₅+b₆)；

6)考慮步驟2)中所述四種交通狀態(tài)分別在預(yù)測以及歷史下一時刻中所占的數(shù)目情況，可以計算出模糊評價矩陣如式(3)所示：

其中，矩陣因子m_qi表示路網(wǎng)中第q(q＝1,2,3,4,5,6)類交叉口的狀態(tài)為i(i＝1,2,3,4)的概率；

7)根據(jù)式(2)交叉口類型權(quán)重向量以及式(3)模糊評價矩陣，可以計算得到路網(wǎng)運行狀態(tài)向量A＝(A₁ A₂ A₃ A₄)，從而可得所述路網(wǎng)區(qū)域的交通狀態(tài)。

優(yōu)選地，步驟1)中所述采集歷史交通流量數(shù)據(jù)的固定時間間隔是指5分鐘或15分鐘或30分鐘或60分鐘，最好15分鐘；

步驟2)中所述映射關(guān)系具體是指：飽和度小于等于0.3為暢通狀態(tài)，飽和度大于0.3小于等于0.6為輕微擁擠狀態(tài)，飽和度大于0.6小于等于0.9為擁擠狀態(tài)，飽和度大于0.9為嚴(yán)重?fù)頂D狀態(tài)；

步驟5)中所述交叉口分類方法按照如下原則進(jìn)行：主干路與主干路相交的交叉口作為第一類交叉口，主干路與次干路相交的交叉口作為第二類交叉口，主干路與支路相交的交叉口作為第三類交叉口，次干路與次干路相交的交叉口作為第四類交叉口，次干路與支路相交的交叉口作為第五類交叉口，支路與支路相交的交叉口作為第六類交叉口；

步驟6)中所述模糊評價矩陣的因子由式(4)計算得到：

其中，x_i(i＝1,2,3,4)為馬爾可夫過程預(yù)測的交叉口交通狀態(tài)界定值，y_i(i＝1,2,3,4)為歷史數(shù)據(jù)中下一時刻交叉口交通狀態(tài)界定值，u為調(diào)整參數(shù)，一般取0.75；

步驟7)中所述路網(wǎng)運行狀態(tài)向量的各分量由式(5)計算得到：

優(yōu)選地，步驟2)中所述量化值具體是指將四類交通狀態(tài)：暢通，輕微擁擠，擁擠，嚴(yán)重?fù)矶路謩e對應(yīng)為數(shù)值1,2,3,4；

步驟4)中所述交叉口當(dāng)前或下一時刻狀態(tài)向量的四個分量分別代表步驟2)中所述四種交通狀態(tài)的概率值，其中最大的分量代表當(dāng)前或下一時刻交叉口的狀態(tài)；

步驟7)中所述路網(wǎng)運行狀態(tài)向量的四個分量分別代表步驟2)中所述四種交通狀態(tài)的概率值，其中最大的分量代表路網(wǎng)交通狀態(tài)。

本發(fā)明采用馬爾可夫過程對每個交叉口的交通狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測，能夠給出每個交叉口節(jié)點的交通狀態(tài)變化情況。本發(fā)明在馬爾可夫過程預(yù)測的交叉口交通狀態(tài)的基礎(chǔ)上，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)，利用模糊綜合評價法分析整體路網(wǎng)的交通運行狀態(tài)，能夠給出整個路網(wǎng)的交通變化趨勢。本發(fā)明所述路網(wǎng)交通狀態(tài)預(yù)測方法適合于在線實時地預(yù)測交通狀態(tài)并為交通管理部門提供管控決策指導(dǎo)。

本發(fā)明的優(yōu)點是：計算過程簡單、耗時短、預(yù)測精度高。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中模糊馬爾可夫過程預(yù)測路網(wǎng)交通狀態(tài)流程圖；

圖2是本發(fā)明的實施路網(wǎng)區(qū)域示意圖；

圖3是本發(fā)明所采集的歷史數(shù)據(jù)中某交叉口狀態(tài)示意圖；

圖4是本發(fā)明對實驗路網(wǎng)中各交叉口狀態(tài)真實值預(yù)測值對比示意圖；

圖5是本發(fā)明中預(yù)測的路網(wǎng)狀態(tài)描述示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明。

本發(fā)明所述的基于模糊馬爾可夫過程的路網(wǎng)交通狀態(tài)預(yù)測方法包括以下步驟，見圖1所示：

1)在選定待預(yù)測路網(wǎng)交通狀態(tài)的路網(wǎng)區(qū)域以后，以固定時間間隔采集此區(qū)域內(nèi)各個交叉口的歷史交通流量數(shù)據(jù)；

2)為便于量化計算，根據(jù)道路服務(wù)水平及飽和度之間的關(guān)系，建立飽和度值和量化值的映射，由此，可根據(jù)飽和度值界定交通狀態(tài)；

3)根據(jù)步驟1)中所得交叉口歷史交通流量數(shù)據(jù)，利用馬爾可夫過程特性計算得到交叉口狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣如式(1)所示：

其中，p_ij代表當(dāng)前時刻交叉口狀態(tài)為j(j＝1,2,3,4)，下一時刻狀態(tài)為i(i＝1,2,3,4)的概率；

4)由式(1)并假設(shè)交叉口當(dāng)前時刻狀態(tài)向量為A_t，則可以計算得出交叉口下一時刻狀態(tài)向量為A_t+1＝A_tP，從而可得交叉口下一時刻交通狀態(tài)；

5)對所述路網(wǎng)區(qū)域內(nèi)的各個交叉口進(jìn)行分類，并確定各類型的數(shù)目b₁，b₂，b₃，b₄，b₅，b₆，及其權(quán)重向量如式(2)所示：

B＝(B₁ B₂ B₃ B₄ B₅ B₆) (2)

其中，B_i＝b_i/(b₁+b₂+b₃+b₄+b₅+b₆)；

6)考慮步驟2)中所述四種交通狀態(tài)分別在預(yù)測以及歷史下一時刻中所占的數(shù)目情況，可以計算出模糊評價矩陣如式(3)所示：

其中，矩陣因子m_qi表示路網(wǎng)中第q(q＝1,2,3,4,5,6)類交叉口的狀態(tài)為i(i＝1,2,3,4)的概率；

7)根據(jù)式(2)交叉口類型權(quán)重向量以及式(3)模糊評價矩陣，可以計算得到路網(wǎng)運行狀態(tài)向量A＝(A₁ A₂ A₃ A₄)，從而可得所述路網(wǎng)區(qū)域的交通狀態(tài)。

步驟1)中所述采集歷史交通流量數(shù)據(jù)的固定時間間隔是指5分鐘或15分鐘或30分鐘或60分鐘，最好15分鐘；

步驟2)中所述映射關(guān)系具體是指：飽和度小于等于0.3為暢通狀態(tài)，飽和度大于0.3小于等于0.6為輕微擁擠狀態(tài)，飽和度大于0.6小于等于0.9為擁擠狀態(tài)，飽和度大于0.9為嚴(yán)重?fù)頂D狀態(tài)；

步驟5)中所述交叉口分類方法按照如下原則進(jìn)行：主干路與主干路相交的交叉口作為第一類交叉口，主干路與次干路相交的交叉口作為第二類交叉口，主干路與支路相交的交叉口作為第三類交叉口，次干路與次干路相交的交叉口作為第四類交叉口，次干路與支路相交的交叉口作為第五類交叉口，支路與支路相交的交叉口作為第六類交叉口；

步驟6)中所述模糊評價矩陣的因子由式(4)計算得到：

其中，x_i(i＝1,2,3,4)為馬爾可夫過程預(yù)測的交叉口交通狀態(tài)界定值，y_i(i＝1,2,3,4)為歷史數(shù)據(jù)中下一時刻交叉口交通狀態(tài)界定值，u為調(diào)整參數(shù)，一般取0.75；

步驟7)中所述路網(wǎng)運行狀態(tài)向量的各分量由式(5)計算得到：

步驟2)中所述量化值具體是指將四類交通狀態(tài)：暢通，輕微擁擠，擁擠，嚴(yán)重?fù)矶路謩e對應(yīng)為數(shù)值1,2,3,4；

步驟4)中所述交叉口當(dāng)前或下一時刻狀態(tài)向量的四個分量分別代表步驟2)中所述四種交通狀態(tài)的概率值，其中最大的分量代表當(dāng)前或下一時刻交叉口的狀態(tài)；

步驟7)中所述路網(wǎng)運行狀態(tài)向量的四個分量分別代表步驟2)中所述四種交通狀態(tài)的概率值，其中最大的分量代表路網(wǎng)交通狀態(tài)。

具體實施時，建立一個交通仿真區(qū)域路網(wǎng)如圖2所示，該路網(wǎng)由主干路，次干路和支路構(gòu)成，共產(chǎn)生32個交叉口。按所述原則對32個交叉口進(jìn)行分類后，六類交叉口對應(yīng)數(shù)目分別為10,8,7,2,4,1。以15分鐘為時間間隔，采集并統(tǒng)計此路網(wǎng)中各交叉口近兩周內(nèi)上午和中午共四個時間段：7:30-7:45,7:45-8:00,11:30-11:45,11:45-12:00的交通流量。

首先，將采集到的流量數(shù)據(jù)根據(jù)道路通行能力換算成對應(yīng)飽和度，再根據(jù)所述映射關(guān)系界定各交叉口狀態(tài)等級，圖3展示32個交叉口中某一個的狀態(tài)等級。

重復(fù)利用馬爾可夫過程計算出各交叉口的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣P_i，其中i＝<1,2,3,…,32>，代表需要計算出32個交叉口各自的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣。

采集路網(wǎng)中各個交叉口于當(dāng)天7:30-7:45和11:30-11:45兩個時間段的交通數(shù)據(jù)并用所述界定方法將交通數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為狀態(tài)等級。

結(jié)合前述各個交叉口的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣P_i，分別由當(dāng)天7:30-7:45的交叉口狀態(tài)預(yù)測7:45-8:00的交叉口狀態(tài)，由當(dāng)天11:30-11:45的交叉口狀態(tài)預(yù)測11:45-12:00的交叉口狀態(tài)。兩次預(yù)測的真實值和預(yù)測值對比示意圖如圖4所示。

由各類交叉口的數(shù)目確定其權(quán)重：

B＝(0.31 0.25 0.22 0.06 0.13 0.03)

統(tǒng)計預(yù)測的7:45-8:00時間段中交叉口狀態(tài)為暢通、輕微擁擠、擁擠、嚴(yán)重?fù)頂D的交叉口數(shù)量分別為：11,15,6,0個。

統(tǒng)計預(yù)測的11:45-12:00時間段中交叉口狀態(tài)為暢通、輕微擁擠、擁擠、嚴(yán)重?fù)頂D的交叉口數(shù)量分別為：31,1,0,0個。

結(jié)合歷史數(shù)據(jù)及所預(yù)測數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)輸入下式并計算模糊評價矩陣的因子：

取u＝0.75得到兩個時間段的模糊評價矩陣分別為：

由權(quán)重向量B，模糊評價矩陣M₁，M₂以及式：

計算可得兩個預(yù)測時間段的路網(wǎng)運行狀態(tài)向量：

A₁＝(0.18 0.53 0.27 0.02)

A₂＝(0.94 0.06 0.00 0.00)

分別求得最大分量為0.53和0.94，兩個分量所對應(yīng)的位置分別為輕微擁擠和暢通，也即預(yù)測的7:45-8:00的路網(wǎng)交通狀態(tài)為輕微擁擠，預(yù)測的11:45-12:00的路網(wǎng)交通狀態(tài)為暢通。圖5以預(yù)測的時間段7:45-8:00為例，描述此時間段的路網(wǎng)交通狀態(tài)。

本說明書實施例所述的內(nèi)容僅僅是對發(fā)明構(gòu)思的實現(xiàn)形式的列舉，本發(fā)明的保護(hù)范圍不應(yīng)當(dāng)被視為僅限于實施例所陳述的具體形式，本發(fā)明的保護(hù)范圍也及于本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思所能夠想到的等同技術(shù)手段。