本發(fā)明屬于智能交通領(lǐng)域，涉及一種道路擁堵預(yù)警及擁堵形成時(shí)間預(yù)測方法。

背景技術(shù)：

隨著社會發(fā)展居民生活水平不斷提高，私人汽車保有量持續(xù)快速增長，城市道路基礎(chǔ)設(shè)施與通行需求之間的矛盾日益明顯，體現(xiàn)在全球多數(shù)大、中型城市出現(xiàn)不同程度的交通擁堵。交通擁堵不僅僅降低了居民的出行效率，隨之出現(xiàn)的是大量的資源浪費(fèi)，環(huán)境污染以及交通事故，嚴(yán)重影響城市可持續(xù)發(fā)展，是許多城市正在面臨和亟待解決的問題。據(jù)英國SYSTRA公司對發(fā)達(dá)國家大城市交通狀況的分析，交通擁塞使經(jīng)濟(jì)增長付出的代價(jià)約占國民生產(chǎn)總值的2％，交通事故的代價(jià)約占GDP的1.5～2％，交通噪音污染的代價(jià)約占GDP的0.3％，汽車空氣污染的代價(jià)約占GDP的0.4％，轉(zhuǎn)移到其他地區(qū)的汽車空氣污染的代價(jià)約占GDP的1～10％。

交通擁堵出現(xiàn)的根本原因在于車輛通行需求超過道路可承載容量，道路車流量下降，車輛速度降低。及時(shí)有效的預(yù)測擁堵并發(fā)出告警信息，探尋形成擁堵的時(shí)間，對于城市居民來說，可以更加合理的規(guī)劃出行路線，節(jié)省出行時(shí)間；對于城市道路管理者而言，可以更為有效的分配工作，出臺合理的控制策略，緩解城市擁堵。目前，發(fā)明專利《一種城市交通擁堵預(yù)警方法、裝置及預(yù)警系統(tǒng)》基于預(yù)定的時(shí)間周期，通過計(jì)算車輛之間的車頭距離和平均車速判斷是否出現(xiàn)擁堵，如果存在擁堵則發(fā)出告警信息，專利中告警信息是在道路出現(xiàn)擁堵之后發(fā)出。發(fā)明專利《一種交通擁堵預(yù)測方法及可視化方法》是通過計(jì)算歷史擁堵概率，利用歷史數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)實(shí)時(shí)交通信息，采用滑動窗口機(jī)制進(jìn)行交通擁堵預(yù)測。發(fā)明專利《交通擁堵預(yù)警系統(tǒng)》計(jì)算歷史車流量均值作為參考值，實(shí)時(shí)獲取當(dāng)前流量如果當(dāng)前流量大于閾值，則發(fā)出告警信息。

目前已有擁堵預(yù)警方面技術(shù)，大多數(shù)是已經(jīng)發(fā)生擁堵后才給出預(yù)警信息，已存在的擁堵預(yù)測則通過同期歷史數(shù)據(jù)分析固定擁堵閾值，通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與閾值的比較，預(yù)測當(dāng)前是否有可能發(fā)生擁堵。然而道路車流量受多種因素影響，道路每天通行的車輛數(shù)存在一定程度的浮動，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)不知道本天內(nèi)車輛情況，固定的流量預(yù)警值誤差比較大，給擁堵預(yù)測造成一定的困難。對于時(shí)間預(yù)測方面大部分計(jì)算擁堵持續(xù)時(shí)間，并非擁堵形成時(shí)間。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服已有智能交通技術(shù)中無法預(yù)測交通擁堵形成時(shí)間的不足，本發(fā)明提供一種有效預(yù)測交通擁堵形成時(shí)間、有效進(jìn)行道路擁堵預(yù)警的道路擁堵預(yù)警及擁堵形成時(shí)間預(yù)測方法。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種道路擁堵預(yù)警及擁堵形成時(shí)間預(yù)測方法，包括以下步驟：

步驟1：獲取天數(shù)為D的道路流量和速度歷史數(shù)據(jù)，進(jìn)行高斯濾波處理；

步驟2：根據(jù)道路交通歷史數(shù)據(jù)，計(jì)算路段即將發(fā)生擁堵時(shí)流量增長斜率參考值k、擁堵形成時(shí)間參考值t和流量連續(xù)超過參考值的比例p；

通過計(jì)算流量上升沿和速度下降沿的方式確定道路擁堵情況，對于歷史數(shù)據(jù)中某天的數(shù)據(jù)，計(jì)算流量大于流量預(yù)警值時(shí)刻的上升沿，時(shí)間記為Lt₀，速度小于速度參考值時(shí)刻的下降沿，時(shí)間記為Vt₀。計(jì)算Lt₀前kn點(diǎn)的流量增長斜率k_td，Lt₀前pn點(diǎn)流量連續(xù)超過參考值的比例參考值p_td，擁堵形成時(shí)間t_td為Vt₀和Lt₀的差值，路段k、t、p分別為k_td、p_td、t_td的中值；

步驟3：實(shí)時(shí)計(jì)算流量預(yù)警閾值，根據(jù)路段歷史流量增長斜率k和i-1時(shí)刻實(shí)時(shí)流量增長斜率K_i-1，計(jì)算實(shí)時(shí)流量預(yù)警閾值Tl_i，如果當(dāng)前流量超出Tl_i，則發(fā)出流量告警并計(jì)算實(shí)時(shí)的擁堵形成時(shí)間；

步驟4、根據(jù)實(shí)時(shí)流量預(yù)警閾值Tl_i，可以計(jì)算實(shí)時(shí)流量連續(xù)超過實(shí)時(shí)流量預(yù)警閾值Tl_i的比例P_i，根據(jù)路段歷史流量增長斜率k和當(dāng)前實(shí)時(shí)流量增長斜率K_i、路段歷史流量連續(xù)超過參考值的比例p和實(shí)時(shí)流量連續(xù)超過Tl_i的比例P_i、路段歷史擁堵形成時(shí)間參考值t，計(jì)算實(shí)時(shí)的擁堵形成時(shí)間T。

進(jìn)一步，所述方法還包括以下步驟：步驟5、保存實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，間隔一段時(shí)間后，更新k、t、p。

本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：能夠動態(tài)計(jì)算道路擁堵預(yù)警值，在道路出現(xiàn)擁堵之前發(fā)出告警信息，同時(shí)預(yù)測擁堵形成時(shí)間，具有很高的參考價(jià)值；

1)流量預(yù)警值是通過實(shí)時(shí)計(jì)算獲得，充分考慮道路實(shí)時(shí)通行狀況，比傳統(tǒng)固定閾值方法更具有參考價(jià)值；

2)本發(fā)明在發(fā)出流量告警信息的同時(shí)，給出擁堵形成時(shí)間，為道路控制或者出行提供參考，更具有實(shí)用價(jià)值；

3)本發(fā)明采用流量增長斜率k和流量連續(xù)超過參考值的比例p計(jì)算流量告警閾值和擁堵形成時(shí)間，既考慮了流量增長的速度，又考慮了實(shí)際流量大小，計(jì)算結(jié)果更具有可信度；

4)本發(fā)明采用批量更新的方式更新道路參考數(shù)據(jù)，既提高了計(jì)算效率，又避免道路通行的季節(jié)性或者時(shí)間性影響。

附圖說明

圖1是道路擁堵預(yù)警及擁堵形成時(shí)間預(yù)測方法的流程圖。

圖2是慶春路某天流量濾波前后對比圖。

圖3是慶春路某天速度濾波前后對比圖。

圖4是慶春路流量速度曲線

圖5是萬松嶺流量速度曲線

圖6是慶春路日流量速度曲線。

圖7是慶春路參數(shù)計(jì)算示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

參照圖1～圖7，一種道路擁堵預(yù)警及擁堵形成時(shí)間預(yù)測方法，采用杭州快速路網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，快速路網(wǎng)每5分鐘采集一次數(shù)據(jù)，路網(wǎng)按照每個(gè)卡口進(jìn)行分段，可將整個(gè)路網(wǎng)劃分成n個(gè)路段，為表述方便只描述其中一個(gè)路段計(jì)算過程。

本發(fā)明涉及到流量預(yù)警值分為兩部分，對于歷史數(shù)據(jù)，可以很方便的提取當(dāng)天流量最大值，預(yù)警值的計(jì)算比較方便，直接根據(jù)流量最大值設(shè)定，但是，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)不斷變化，無法獲取當(dāng)天流量最大值，需要實(shí)時(shí)計(jì)算流量預(yù)警閾值。本發(fā)明涉及到擁堵形成時(shí)間是指流量達(dá)到預(yù)警值之后，經(jīng)過多長時(shí)間產(chǎn)生擁堵。

步驟1歷史數(shù)據(jù)獲取分析，預(yù)處理

獲取天數(shù)為D的卡口歷史數(shù)據(jù)并保存。卡口采集的數(shù)據(jù)受噪音、數(shù)據(jù)采集裝置等影響存在一定波動，要經(jīng)過高斯濾波處理，方便數(shù)據(jù)分析。

道路形成擁堵的根本原因在于通行需求大于道路承受能力，那么一條道路的車輛通行能力如何，擁堵形成時(shí)間受哪些因素的影響，發(fā)送告警信息的閾值如何選取等，都需要從歷史數(shù)據(jù)中分析獲得。通過對路網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到流量增長斜率k和流量連續(xù)超過參考值的比例p，影響告警值的選取和擁堵形成的時(shí)間。

步驟2計(jì)算歷史流量增長斜率k，流量連續(xù)超過參考值的比例p和擁堵形成時(shí)間t

要探尋道路擁堵的特征首先要確定道路在什么時(shí)候發(fā)生擁堵，擁堵在數(shù)據(jù)中的直觀表現(xiàn)就是隨著流量的不斷上升，車輛速度下降。對于歷史數(shù)據(jù)，可以很方便的提取流量最大值，則預(yù)警值的計(jì)算比較方便。但是，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)無法獲取當(dāng)天流量最大值，需要實(shí)時(shí)計(jì)算流量預(yù)警值。

2.1)尋找歷史數(shù)據(jù)中流量的上升沿

選取n個(gè)路段中某個(gè)路段，以下步驟為表述方便將n省略。流量預(yù)警值記為tl₀，可以從歷史數(shù)據(jù)中得到每天流量最大值，tl₀的取值可根據(jù)當(dāng)天流量最大值確定?？诹髁繑?shù)據(jù)是不規(guī)則的曲線，流量在上升過程或者下降過程都可能超過預(yù)警值。一天的數(shù)據(jù)(0到24小時(shí)之內(nèi))i時(shí)刻的流量記為l_i，如果l_i＞tl₀，可能存在擁堵，采用公式(1)所示的方式尋找流量大于預(yù)警值時(shí)的上升沿。

其中，l_i是i時(shí)刻道路的流量，l_s是時(shí)刻i之前的流量值，l_q是時(shí)刻i之后的流量值，s和q分別代表時(shí)刻i的前后ln個(gè)點(diǎn)的時(shí)間坐標(biāo)。函數(shù)1{·}表示大括號中條件成立則值為1，否則值為0。pl_l是時(shí)間點(diǎn)i前l(fā)n個(gè)點(diǎn)中，流量值小于l_i的比例，pl_h是時(shí)刻點(diǎn)i后ln個(gè)點(diǎn)中，流量值大于l_i的比例，ln的取值按照實(shí)際路段數(shù)據(jù)確定。如果pl_l和pl_h同時(shí)滿足大于等于一定值，則判定存在一個(gè)流量超過預(yù)警值的上升沿，并保存到時(shí)間坐標(biāo)向量Lt。

2.2)計(jì)算歷史數(shù)據(jù)中速度下降沿

流量上漲并不一定存在擁堵，只有流量增長且速度下降到一定值時(shí)才形成擁堵，因?yàn)榭焖俾肪W(wǎng)中車輛速度較大，且路網(wǎng)有限速設(shè)置，對于一天的數(shù)據(jù)選定速度參考值v₀，v₀可根據(jù)路網(wǎng)限速值確定，速度上升或者下降過程中都可能小于速度參考值，擁堵表現(xiàn)在車輛速度不斷下降，因此需要計(jì)算速度小于參考值的下降沿。i時(shí)刻的速度記為v_i，如果v_i＜v₀，存在擁堵，按照公式(2)的方式計(jì)算速度下降沿。

其中，v_i是時(shí)刻點(diǎn)i的速度，v_s是時(shí)刻點(diǎn)i之前的速度值，v_q是時(shí)刻點(diǎn)i之后的速度值，函數(shù)1{·}表示大括號中條件成立則值為1，否則值為0，pv_l是時(shí)刻點(diǎn)i前vn個(gè)點(diǎn)中，速度值大于v_i的比例，pv_h是時(shí)刻點(diǎn)i后vn個(gè)點(diǎn)中，速度值小于v_i的比例，vn的取值按照實(shí)際數(shù)據(jù)確定。如果pv_h和pv_l同時(shí)滿足大于一定值，則判斷速度存在一個(gè)下降沿，并記錄速度下降沿的時(shí)間坐標(biāo)Vt。

2.3)計(jì)算每天流量增長斜率k和擁堵形成時(shí)間t

流量極大值的時(shí)間坐標(biāo)Lt和速度下降沿的時(shí)間坐標(biāo)Vt中可能存在多個(gè)值，取出Lt中與Vt值相差T_lv時(shí)之內(nèi)的值，組成向量Lt′和Vt′，T_lv是速度下降沿時(shí)間和流量上升沿時(shí)間差的閾值，要根據(jù)實(shí)際路網(wǎng)數(shù)據(jù)設(shè)置。如果此時(shí)Lt′和Vt′仍然存在多個(gè)值，則進(jìn)行如下處理，以Lt′為例，Vt′的處理方式相同。

①如果Lt′存在多個(gè)相差小于半個(gè)小時(shí)的值，則取這些值的均值。

②如果經(jīng)過①處理后Lt′仍然存在多個(gè)值，且多個(gè)值相差均大于2*T_lv，則取第一個(gè)值。因?yàn)榈缆烦惺苣芰Υ嬖谝欢ǖ囊?guī)律，可選取其中的一個(gè)擁堵狀況來表示道路擁堵特征，這里選取早高峰擁堵情況描述路段信息。經(jīng)過以上處理后，Lt′中只剩下一個(gè)值，記為Lt₀，同理Vt′中只剩下一個(gè)值，記為Vt₀。

采用回歸或者最小二乘法計(jì)算時(shí)刻Lt₀前kn點(diǎn)內(nèi)流量的斜率k_td。其中，k_td是道路每天流量增長斜率，kn代表取幾個(gè)點(diǎn)計(jì)算的斜率，取值由實(shí)際路網(wǎng)數(shù)據(jù)決定。擁堵形成時(shí)間按照公式(3)計(jì)算，因?yàn)橐话闼俣认陆迪鄬τ诹髁可蠞q存在一定的滯后，只取大于0的數(shù)據(jù)。t_td是道路每天擁堵形成時(shí)間。

t_td＝Vt₀-Lt₀ (3)

流量增長速度相對較緩，但是連續(xù)時(shí)間段內(nèi)流量維持在告警值附近，也容易造成擁堵，加速擁堵形成，l₀是流量參考值，根據(jù)流量預(yù)警值設(shè)定。流量達(dá)到預(yù)警閾值時(shí)前pn個(gè)點(diǎn)，流量連續(xù)超過參考值的比例p_td可以通過公式(4)計(jì)算，p_td越大形成擁堵的機(jī)會越大，時(shí)間越短。

2.4)計(jì)算路段流量增長斜率k，擁堵形成時(shí)間t和連續(xù)超過參考值的比例p

上述流量增長斜率，擁堵形成時(shí)間和連續(xù)超過參考值的比例計(jì)算均是針對一天的數(shù)據(jù)，對于一個(gè)路段的參數(shù)需要綜合各天數(shù)據(jù)計(jì)算，按照公式(5)計(jì)算。

其中，k是路段流量增長斜率，t是擁堵形成時(shí)間，p是相鄰一段時(shí)間內(nèi)流量連續(xù)超過參考值的比例，median(·)是取中值函數(shù)。

步驟3實(shí)時(shí)計(jì)算流量預(yù)警閾值

步驟1和步驟2中涉及到的均是歷史數(shù)據(jù)，對于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，道路流量受多種因素影響不斷變化，并不知道一天流量具體數(shù)值，只按照歷史數(shù)據(jù)來確定預(yù)警值存在一定的片面性，固定的流量預(yù)警值并不能滿足實(shí)時(shí)性流量分析需求，因此需要按照實(shí)時(shí)流量計(jì)算擁堵流量告警值。

首先，每條路段由于道路本身的設(shè)計(jì)，與地面車道之間的關(guān)系等原因造成最大可承載車輛數(shù)存在很大的差別，因此告警值的閾值Tl需要根據(jù)實(shí)際路段計(jì)算。其次，同一個(gè)路段不同時(shí)間道路上的車輛存在一定的浮動，流量增長速度快，速度下降快，形成擁堵的時(shí)間短，因此流量預(yù)警值Tl也需要根據(jù)流量的增長速度來進(jìn)行調(diào)整，為了降低計(jì)算復(fù)雜度，流量值比較小時(shí)不會發(fā)生擁堵，不計(jì)算預(yù)警值。

路段每日告警閾值根據(jù)公式(6)計(jì)算

Tl_i＝0.8*(1+α_i-1)*median(max(l_td)) (6)

其中，α_i-1是流量預(yù)警值的調(diào)節(jié)參數(shù)，取值按照公式(7)計(jì)算。l_td是歷史數(shù)據(jù)每天流量數(shù)據(jù)，max(l_td)是每天流量的最大值。Tl_i是路網(wǎng)中i時(shí)刻實(shí)時(shí)流量告警閾值，在i-1時(shí)刻就可以計(jì)算出來，在median(·)是取中值的函數(shù)。

K_i-1是采用最小二乘法或曲線擬合回歸等方式計(jì)算i-1前kn(同步驟2中歷史數(shù)據(jù)斜率計(jì)算點(diǎn)數(shù))個(gè)點(diǎn)的流量斜率，k是步驟二中計(jì)算的道路流量增長斜率，分母則保證了-0.2≤α_i-1≤0.2，從而保證流量預(yù)警值Tl_i一般不會超過最大值的范圍。當(dāng)實(shí)時(shí)流量增長速度高于道路流量增長速度時(shí)為負(fù)值，即流量增長速度快則預(yù)警閾值要適當(dāng)調(diào)??；否則為正值，即流量增長緩慢相應(yīng)的預(yù)警閾值適當(dāng)調(diào)小。

步驟4實(shí)時(shí)流量到達(dá)告警值后，計(jì)算形成擁堵時(shí)間

步驟2通過歷史數(shù)據(jù)計(jì)算出了路段流量增長斜率k，以及路段歷史擁堵形成時(shí)間t，相鄰一段時(shí)間內(nèi)流量連續(xù)超過參考值的比例p。步驟3中i-1時(shí)刻計(jì)算出i時(shí)刻流量預(yù)警值。i時(shí)刻流量L_i＞Tl_i達(dá)到預(yù)警值，計(jì)算i時(shí)刻后經(jīng)過時(shí)間T路段形成擁堵。首先采用最小二乘法或者線性回歸的方式，計(jì)算實(shí)時(shí)流量斜率K_i，其次按照公式(8)計(jì)算P_i是實(shí)時(shí)流量當(dāng)前時(shí)刻i，前pn(同步驟2參數(shù))個(gè)點(diǎn)流量連續(xù)超過參考值的比例。

其中，L₀＝Tl_i*0.9是流量參考值，參考流量是路段流量預(yù)警值的百分之九十，Tl_i是步驟3中計(jì)算出的流量預(yù)警值。最后按照公式(9)計(jì)算擁堵形成時(shí)間。

其中，T是實(shí)時(shí)計(jì)算的擁堵形成時(shí)間，參數(shù)λ和γ控制斜率k和連續(xù)時(shí)間超過參考值比例p在預(yù)測擁堵形成時(shí)間中所占的比重，具體的取值按照實(shí)際路段信息進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)實(shí)時(shí)流量斜率K_i大于路段流量斜率k，公式中第二項(xiàng)為負(fù)值，擁堵形成時(shí)間相對減小，反之，實(shí)時(shí)流量斜率K_i小于路段流量斜率k，擁堵形成時(shí)間相對增長，符合實(shí)際路網(wǎng)中形成擁堵的規(guī)律。P_i和p的關(guān)系與K_i和k的關(guān)系相同。

步驟5路段特征修正

現(xiàn)實(shí)生活中道路車流量會伴隨季節(jié)等出現(xiàn)變化，因此道路的規(guī)律性指數(shù)在不同的時(shí)間也存在變化，因此需要更新。但是短期時(shí)間內(nèi)，無特殊情況道路車流量并不會出現(xiàn)大幅度的變化，實(shí)時(shí)更新計(jì)算量較大。本發(fā)明采用批量更新的方式，如果記錄天數(shù)大于更新閾值，則對參數(shù)進(jìn)行更新。

如果實(shí)時(shí)保存的數(shù)據(jù)大于歷史數(shù)據(jù)D/3，則按照步驟2計(jì)算實(shí)時(shí)保存數(shù)據(jù)的斜率，相鄰一段時(shí)間內(nèi)流量連續(xù)超過參考值的比例以及路段擁堵形成時(shí)間，分別記為k′，t′，p′，更新后的路段特征值如公式(10)計(jì)算。

實(shí)例1：本發(fā)明專利采用杭州高架卡口數(shù)據(jù)作為原始數(shù)據(jù)，均采用由南向北的道路卡口數(shù)據(jù)。中河高架萬松嶺路中間卡口簡稱萬松嶺，中河高架慶春路中間卡口簡稱慶春路。道路擁堵預(yù)警及擁堵形成時(shí)間預(yù)測方法的過程如下：

步驟1歷史數(shù)據(jù)獲取并進(jìn)行預(yù)處理

獲取卡口歷史數(shù)據(jù)并保存，卡口采集的數(shù)據(jù)受噪音、數(shù)據(jù)采集裝置等的影響波動比較大，首先經(jīng)過高斯濾波處理，方便后續(xù)數(shù)據(jù)分析。圖2和圖3分別是杭州慶春路某天經(jīng)過濾波前后的流量和速度對比圖，原始數(shù)據(jù)如圖中‘-.’曲線表示，從圖中可以看出原始數(shù)據(jù)波動很大，不方便進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，經(jīng)過窗口寬度為7，系數(shù)為[0.1,0.35,0.7,1,0.7,0.35,0.1]的高斯濾波器后，流量曲線和速度曲線有了明顯的改善，圖2和圖3中黑色曲線表示。

道路形成擁堵的根本原因在于通行需求大于道路承受能力，那么一條道路的車輛通行能力如何，擁堵形成時(shí)間受哪些因素的影響，發(fā)送告警信息的閾值如何選取等，都需要從歷史數(shù)據(jù)中分析獲得。圖4和圖5是流量和速度曲線圖，從圖4中可以看出慶春路從8時(shí)左右流量持續(xù)增長，保持在較大值，對比速度曲線可得流量持續(xù)增長，速度下降，接近10時(shí)流量出現(xiàn)回落，速度達(dá)到極小值，原因在于流量持續(xù)增大超過道路承受范圍，造成速度下降進(jìn)而導(dǎo)致流量降低。由慶春路日流量曲線可以看出流量最大值是187輛/5min，并且出現(xiàn)擁堵現(xiàn)象。對比圖5萬松嶺路段流量最大值在265輛/5min，速度出現(xiàn)波動但是仍然大于60km/h，并沒有造成擁堵。因此可得每條路段由于道路本身的設(shè)計(jì)，與地面車道之間的關(guān)系等原因造成最大可承載車輛數(shù)存在很大的差別，因此告警值的閾值Tl需要根據(jù)實(shí)際路段計(jì)算。

另外，同一個(gè)路段不同時(shí)間道路上的車輛存在一定的浮動，從圖4和圖6慶春路日流量速度曲線可以看出，流量增長速度快，速度下降快，形成擁堵的時(shí)間短，因此流量預(yù)警值Tl也需要根據(jù)流量的增長速度來進(jìn)行調(diào)整。從圖中還可以看出速度的下降相對于流量的上漲存在一定的滯后，流量增長的斜率k反應(yīng)流量增長的速度，k越大流量增長速度越快，形成擁堵的時(shí)間短。另一方面流量增長速度相對較緩，但是連續(xù)時(shí)間段內(nèi)流量維持在告警值以上，這也加速擁堵形成。

經(jīng)過以上分析，要對擁堵進(jìn)行預(yù)警并且預(yù)測擁堵形成時(shí)間，需要計(jì)算的量包括流量預(yù)警值Tl的選取，流量上升斜率k的計(jì)算，以及相鄰某段時(shí)間內(nèi)流量連續(xù)超過流量參考值的比例p。

步驟2計(jì)算歷史流量增長斜率k，流量連續(xù)超過參考值的比例p和擁堵形成時(shí)間t

1)尋找歷史數(shù)據(jù)中流量的上升沿

本實(shí)施例中以圖4所示慶春路某天流量數(shù)據(jù)為例進(jìn)行計(jì)算。設(shè)定慶春路流量預(yù)警值tl₀，tl₀的取值為慶春路當(dāng)天流量百分之八十。經(jīng)過計(jì)算得輛/5min。按照公式(1)計(jì)算流量超過預(yù)警值時(shí)上升沿，經(jīng)過計(jì)算獲得時(shí)間坐標(biāo)向量Lt＝6.33h，即早上6點(diǎn)20分流量超過流量預(yù)警值，位置如圖7中Lt所示。

2)計(jì)算歷史數(shù)據(jù)中速度的下降沿

流量上漲并不一定存在擁堵，只有流量增長且速度下降到一定值才形成擁堵，因?yàn)榭焖俾肪W(wǎng)中車輛速度較大，且路網(wǎng)有限速設(shè)置，限速為80km/h，對于一天的數(shù)據(jù)選定速度參考值v₀，v₀的取值是路網(wǎng)限速值的百分之五十，經(jīng)過計(jì)算可得v₀＝40km/h。i時(shí)刻的速度記為v_i，如果v_i＜v₀存在擁堵，按照公式(2)的方式計(jì)算速度下降沿。并記錄速度下降沿的時(shí)間坐標(biāo)Vt＝7.5，即早上7點(diǎn)半的時(shí)候流量下降可能發(fā)生擁堵，如圖7中Vt所示。

3)計(jì)算每天流量增長斜率k和擁堵形成時(shí)間t

圖4所示慶春路某天數(shù)據(jù)，Lt和Vt只有單個(gè)值，并且相差小于2小時(shí)，按照公式(3)計(jì)算t_td＝Lt₀-Vt₀＝7.5-6.33＝1.17小時(shí)，即擁堵形成時(shí)間為1小時(shí)10分鐘，是圖7中Lt和Vt之間的時(shí)間段。采用回歸或者最小二乘法計(jì)算時(shí)間6.33h之前8個(gè)點(diǎn)內(nèi)流量的斜率k_td，如圖7中流量曲線上的黑色粗線表示。

擁堵形成時(shí)間首先與流量增長速度有關(guān)，其次，流量增長速度相對較緩，但是連續(xù)時(shí)間段內(nèi)流量維持在告警值附近，這也容易造成擁堵，加速擁堵形成，因此相鄰某段時(shí)間內(nèi)流量連續(xù)超過參考值的比例p也影響擁堵形成時(shí)間。Lt₀流量連續(xù)超過參考值的比例p可以通過公式(4)計(jì)算。

4)計(jì)算路段流量增長斜率k，擁堵形成時(shí)間t和連續(xù)超過參考值的比例p

上述流量增長斜率，擁堵形成時(shí)間和連續(xù)超過參考值的比例計(jì)算均是針對一天的數(shù)據(jù)，對于一個(gè)路段的參數(shù)需要綜合各天數(shù)據(jù)計(jì)算，按照公式(5)計(jì)算。

步驟3實(shí)時(shí)計(jì)算流量預(yù)警閾值

步驟1和步驟2中涉及到的均是歷史數(shù)據(jù)，對于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，道路流量受多種因素影響不斷變化，并不知道一天流量具體數(shù)值，只按照歷史數(shù)據(jù)來確定預(yù)警值存在一定的片面性，固定的流量預(yù)警值并不能滿足實(shí)時(shí)性流量分析需求，因此需要按照實(shí)時(shí)流量計(jì)算擁堵流量告警值。

因此，路段每日告警閾值根據(jù)公式(6)計(jì)算，α_i-1的值按照公式(7)計(jì)算，在i-1時(shí)刻計(jì)算出i時(shí)刻的預(yù)警值。

步驟4實(shí)時(shí)計(jì)算生成擁堵時(shí)間

步驟2通過歷史數(shù)據(jù)計(jì)算出了路段流量增長斜率k，以及路段擁堵形成時(shí)間t，相鄰一段時(shí)間內(nèi)流量連續(xù)超過參考值的比例p。步驟3中在i-1時(shí)刻就可以計(jì)算出i流量預(yù)警值。i時(shí)刻流量L_i達(dá)到預(yù)警值，計(jì)算i時(shí)刻后經(jīng)過時(shí)間T路段形成擁堵。首先采用最小二乘法或者線性回歸的方式，計(jì)算實(shí)時(shí)流量斜率K_i，其次按照公式(8)計(jì)算P_i是實(shí)時(shí)流量連續(xù)超過參考值的比例。最后按照公式(9)計(jì)算擁堵形成時(shí)間。其中，參數(shù)λ和γ都取值為0.2。

步驟5路段特征修正

現(xiàn)實(shí)生活中道路車流量會伴隨季節(jié)等出現(xiàn)變化，因此道路的規(guī)律性指數(shù)在不同的時(shí)間會存在變化，因此需要更新。但是短期時(shí)間內(nèi)，無特殊情況道路車流量并不會出現(xiàn)大幅度的變化，實(shí)時(shí)更新計(jì)算量較大。本發(fā)明采用批量更新的方式，如果記錄天數(shù)大于更新閾值，則對參數(shù)進(jìn)行更新。

取D＝60天的數(shù)據(jù)作為歷史分析數(shù)據(jù)，如果實(shí)時(shí)保存的數(shù)據(jù)大于歷史數(shù)據(jù)D/3，則按照步驟2批量調(diào)整流量增長斜率，連續(xù)時(shí)間內(nèi)流量超過參考值的比例以及路段擁堵形成時(shí)間，分別記為k′，t′，p′，更新后的路段特征值如公式(10)計(jì)算。