基于gps數(shù)據(jù)的信號交叉口區(qū)域通行時間估計方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于GPS數(shù)據(jù)的信號交叉口區(qū)域通行時間估計方法，包括以下步驟：步驟1：獲取目標信號交叉口上的所有浮動車的GPS數(shù)據(jù)，構建浮動車數(shù)據(jù)集；步驟2：確定信號交叉口區(qū)域進道口最大影響范圍Lin；步驟3：確定信號交叉口出道口最大影響范圍Lout；步驟4：獲取單車i通過信號交叉口進口端點處的時刻數(shù)據(jù)步驟5：獲取單車i通過信號交叉口出口端點處的時刻數(shù)據(jù)步驟6：計算單車i在信號交叉口區(qū)域的通行時間ti。本發(fā)明提供的方法考慮了車輛在信號交叉口的運行特點，對信號交叉口區(qū)域的單車通行時間進行有效估計，因此該方法是一種適用于信號交叉口并具有較高精度的單車通行時間估計方法，從而為交叉口的延誤估計、交叉口的合理規(guī)劃與設計奠定基礎。
【專利說明】
基于GPS數(shù)據(jù)的信號交叉口區(qū)域通行時間估計方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及城市智能交通系統(tǒng)技術領域，特別是一種估計信號交叉口區(qū)域單車通 行時間的方法，通過GPS數(shù)據(jù)建立相應模型估計單車在信號交叉口的通行時間。
【背景技術】
[0002] 信號交叉口是常見的城市交通設施之一，其道路特性異常復雜，是城市道路交通 的瓶頸路段，更是交通管控的重點以及難點。信號交叉口區(qū)域的延誤時間是評價交叉口運 行效率及服務水平的有效指標之一，而單車通行時間是計算車輛在交叉口處延誤的切入 點。
[0003] 現(xiàn)有的關于交叉口延誤模型多以地點交通參數(shù)數(shù)據(jù)作為模型參數(shù)進行估算。然 而，固定檢測器不僅安裝和維護費用極高，而且對交通環(huán)境也會產(chǎn)生負面影響。此外，由于 信號燈的控制作用，造成車輛的周期性停駛，進道口處往往存在車輛排隊等候現(xiàn)象。當車流 量較大，信號燈區(qū)域飽和度較大時，信號燈的真實影響范圍往往會大于展寬變化處。顯然， 僅憑某一地點的交通參數(shù)數(shù)據(jù)難以準確估算得到信號交叉口區(qū)域車輛的通行時間。
[0004] 隨著GPS技術應用到交通領域，其具有建設周期更短、開發(fā)成本更低等優(yōu)點，成為 最有發(fā)展前景的交通信息采集手段之一。一方面，GPS技術不需要在道路上安裝硬件設施， 同時易于組裝和進行系統(tǒng)擴展與維護，與固定檢測器相比更為實用；另一方面，其覆蓋面積 廣以及數(shù)據(jù)獲取的高效性、實時性為估算信號交叉口區(qū)域通行時間提供了一種新方法。
[0005] 目前，常用的基于GPS數(shù)據(jù)的單車路段通行時間估計方法主要有速度-時間積分法 和位置-時間插值法。速度-時間積分法，是在假定樣本車在每個GPS點附近區(qū)域勻速行駛， 運行狀態(tài)不能發(fā)生較大波動的條件下提出的，而在信號交叉口區(qū)域，由于信號燈的存在，經(jīng) 常會出現(xiàn)車輛排隊等待的情況，車輛啟停比較頻繁，瞬時速度在短時間內(nèi)會有較大波動，采 用速度-時間積分法就會導致明顯的誤差。位置-時間插值法，由于GPS定位點不一定正好與 路段起始點與終止點重合，現(xiàn)有研究大多利用線性插值法得到車輛在路段兩個端點處的時 刻數(shù)據(jù)。論文"基于GPS浮動車的自然路段行程時間估計方法"在估計單車路段行程時間時， 假設車輛在相鄰的兩個GPS數(shù)據(jù)點間保持勻速行駛，利用線性插值法計算車輛通過路段兩 個端點的時刻數(shù)據(jù)。但是對于信號交叉口區(qū)域，車輛反復啟停和加減速，此時仍假設車輛保 持勻速行駛顯然會存在較大誤差。
[0006] 因此，需要考慮車輛在信號交叉口的運行特點，建立一種既適用于信號交叉口的 又具有較高精度的單車通行時間估計方法，從而為交叉口的延誤估計奠定基礎。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是提出基于GPS數(shù)據(jù)的信號交叉口區(qū)域通行時間估計方法;該方法 對信號交叉口區(qū)域的單車通行時間進行有效估計。
[0008] 本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來實現(xiàn)的：
[0009] 本發(fā)明提供的基于GPS數(shù)據(jù)的信號交叉口區(qū)域通行時間估計方法，包括以下步驟：
[0010] 步驟1:獲取目標信號交叉口上的所有浮動車的GPS數(shù)據(jù)，構建浮動車數(shù)據(jù)集；
[0011] 步驟2:確定信號交叉口區(qū)域進道口最大影響范圍Lin;
[0012] 步驟3:確定信號交叉口出道口最大影響范圍L?t;
[0013] 步驟4:獲取單車i通過信號交叉口進口端點處的時亥擻據(jù)?!,;
[0014] 步驟5:獲取單車i通過信號交叉口出口端點處的時刻數(shù)據(jù);
[0015] 步驟6:計算單車i在信號交叉口區(qū)域的通行時間t1。
[0016] 進一步，所述步驟1中目標信號交叉口上的浮動車的GPS數(shù)據(jù)按以下步驟獲?。?br>[0017] S11:在電子地圖上標定出信號燈的坐標；
[0018] S12:利用一段時間內(nèi)的車輛GPS數(shù)據(jù)進行地圖匹配；
[0019] S13:獲取所有匹配在信號燈所在路段上的車輛GPS數(shù)據(jù)，構建浮動車數(shù)據(jù)集。
[0020] 進一步，所述步驟2中車輛在信號交叉口的進道口影響范圍Lin按以下步驟計算：
[0021] S21:取多天目標信號交叉口上所有浮動車的GPS數(shù)據(jù)；
[0022] S22:利用減速點法計算該段時間內(nèi)單車減速點位置，并計算減速點到停車線之間 的距離；
[0023] S23:利用層次聚類法，求取進道口處信號燈的最大影響范圍。
[0024] 進一步，所述層次聚類法求取進道口處信號燈的最大影響范圍，具體操作步驟如 下：
[0025] S231:將多車的減速點到停車線之間的N個距離進行層次聚類，得到η類，計算出每 類的聚類中心；
[0026]S232:按照以下公式確定每個聚類區(qū)間中的每個數(shù)據(jù)的權重：
2 ;式中，mc為落入C類中的排隊距離數(shù)量，c = 1，2，......η；
[0028] S233:按照以下公式計算進道口處信號燈最大影響范圍： η. _
[0029] ^?=?·Ρ,· C=i.
[0030] 其中，Lin為進道口處信號燈最大影響范圍；f。為區(qū)間C中數(shù)據(jù)的權重，f為區(qū)間C的 平均值。
[0031] 進一步，所述步驟3中車輛在信號交叉口出道口最大影響范圍取各方向出口道處 向下游150-170m處為出口道處信號燈的最大影響范圍。
[0032] 進一步，所述步驟4中單車i通過信號交叉口進口端點處的時刻數(shù)據(jù)匕按以下步驟 計算：
[0033] S41:獲取單車i在進道口端點處上下相鄰兩個GPS定位點提取的時刻數(shù)據(jù)式 中，j = 0或1，0代表上游數(shù)據(jù)，1代表下游數(shù)據(jù)；
[0034] S42:利用插值法計算單車i在進口端點處的時刻數(shù)據(jù)，公式如下：
[0036]式中，匕表示單車i在交叉口進口端點處的時刻數(shù)據(jù);S1表示交叉口進道口和單車i 在交叉口上游GPS定位點的距離差；s2表示單車i在交叉口下游GPS定位點和交叉口進道口 的距離差；if表示單車i在交叉口進口端點上游的時刻數(shù)據(jù);€表示單車i在交叉口進口端 點下游的時刻數(shù)據(jù)。
[0037] 進一步，所述步驟5中單車i通過信號交叉口出口端點處的時刻數(shù)據(jù)安以下步驟 計算：
[0038] S51:取單車i所在時間段內(nèi)的路口下游所有的浮動車數(shù)據(jù)并進行(Lo，Vo)關系曲線 函數(shù)V2 = kL+b的最小二乘法擬合得到擬合函數(shù)的參數(shù)；
[0039] 其中，Vo表示GPS數(shù)據(jù)中的瞬時速度，Lo表示車輛距停車線距離，k、b為常數(shù)，L>0;
[0040] S52:取單車i距離出口位置最近的浮動車數(shù)據(jù)（1〇，ν。），按照以下公式利用關系曲 線函數(shù)V2 = kL+b計算單車i在出口的速度vmjt:
[0041] v-='機辦;
[0042] 其中，1。此為出口到停車線的距離；
[0043] S53:按照以下公式計算單車i在路段&的行程時間t3:
[0045] S54:按照以下公式計算單車i經(jīng)過出口的時刻C :
[0046]
[0047] 其中，匕為距離出口位置最近的浮動車數(shù)據(jù)的時刻數(shù)據(jù)。
[0048] 進一步，所述步驟6中單車i在信號交叉口區(qū)域的通行時間t1按照以下公式計算：
[0049] ?=匕-1其中，t1表示單車i在信號交叉口區(qū)域的通行時間。
[0050] 由于采用了上述技術方案，本發(fā)明具有如下的優(yōu)點：
[0051] 本發(fā)明提供的方法考慮了車輛在信號交叉口的運行特點，對信號交叉口區(qū)域的單 車通行時間進行有效估計，因此該方法是一種適用于信號交叉口并具有較高精度的單車通 行時間估計方法，從而為交叉口的延誤估計、交叉口的合理規(guī)劃和設計奠定基礎。
[0052]本發(fā)明的其他優(yōu)點、目標和特征將在隨后的說明書中進行闡述，并且在某種程度 上，基于對下文的考察研究對本領域技術人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發(fā)明的 實踐中得到教導。本發(fā)明的目標和其他優(yōu)點可以通過下面的說明書來體現(xiàn)和獲得。
【附圖說明】
[0053]本發(fā)明的【附圖說明】如下。
[0054]圖1為本發(fā)明確定信號交叉口進道口最大影響范圍的流程圖；
[0055]圖2為信號交叉口示意圖；
[0056]圖3為本發(fā)明基于GPS數(shù)據(jù)的信號交叉口單車通行時間估計方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0057]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0058]如圖1至圖3所示，圖3為本發(fā)明實施例提供的基于GPS數(shù)據(jù)的信號交叉口單車通行 時間估計方法流程圖；本實施例提供的基于GPS數(shù)據(jù)的信號交叉口單車通行時間估計方法， 包括以下步驟：
[0059]步驟1:獲取車輛在信號交叉口所在路段上的車輛GPS數(shù)據(jù)：
[0060] (1)在電子地圖上標定出信號燈的坐標；
[0061] (2)利用一段時間內(nèi)的車輛GPS數(shù)據(jù)進行地圖匹配；
[0062] (3)獲取所有匹配在該信號燈所在路段上的所有車輛GPS數(shù)據(jù)，構建浮動車數(shù)據(jù) 集。
[0063]步驟2:確定信號交叉口區(qū)域進道口最大影響范圍Lin，根據(jù)車輛經(jīng)過信號交叉口區(qū) 域的運行特性可知，車輛經(jīng)過信號交叉口一般會經(jīng)過勻速一減速一停車一加速4個過程，因 此車輛開始減速的位置即車輛受信號燈影響的最大范圍，圖1為本發(fā)明實施例提供的確定 信號交叉口進道口最大影響范圍流程圖，具體包括以下步驟：
[0064] (1)取多天所有浮動車在信號交叉口所在路段上的GPS數(shù)據(jù)；
[0065] (2)利用減速點法計算該段時間內(nèi)單車減速點位置，并計算減速點到停車線之間 的距離；
[0066] (3)將多車的減速點到停車線之間的距離(個數(shù)為N)進行層次聚類，得到η類，計算 出每類的聚類中心。
[0067] (4)依據(jù)大概率事件具有相對較高的可信度，小概率事件具有相對較小的可信度 的原則，確定每個聚類的權重。設落入C類中的排隊距離數(shù)量為κ = 1，2,......n，經(jīng)過歸 一化，區(qū)間中的每個數(shù)據(jù)的權重
[0068] (5)則進道口處信號燈最大影響范圍公式如下： η _
[0069] c--1-.
[0070] 其中Lin為進道口處信號燈最大影響范圍；f。為區(qū)間C中數(shù)據(jù)的權重，【為區(qū)間C的平 均值。
[0071] 步驟3:確定信號交叉口直行、左轉、右轉方向出道口最大影響范圍，根據(jù)平面交叉 口規(guī)劃和設計的范圍，本發(fā)明分別取各方向出口道處向下游150-170m計算處為此方向出口 道處信號燈的最大影響范圍。本實施例可取160m。
[0072] 步驟4:計算單車i通過信號交叉口進口端點處的時刻數(shù)據(jù)I，在路口上游路段，由 于信號燈的阻滯作用，單輛車輛的GPS數(shù)據(jù)較多，因此，直接利用線性插值法對車輛在進口 的運行時刻的獲取影響不大。圖2為信號交叉口示意圖。具體的，包括以下步驟：
[0073] (1)獲取單車i在進道口端點處上下相鄰兩個GPS定位點提取的時刻數(shù)據(jù)i,('/ (j = 0 或1，〇代表上游數(shù)據(jù)，1代表下游數(shù)據(jù)）；
[0074] (2)利用插倌法計算單車i在進口端點處的時刻數(shù)據(jù)，公式如下：
[0076]步驟5:計算單車i通過信號交叉口出口端點處的時刻數(shù)據(jù)在路口下游路段，車 輛的行駛速度比較穩(wěn)定，變化不大且有一定規(guī)律，但單輛車輛的GPS數(shù)據(jù)較少，且單輛車輛 受到各種干擾因素，其行駛速度可能會出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象，使得單個樣本數(shù)據(jù)不能真實的 反映路段上車流的整體情景。因此，本發(fā)明采用一小時時間段內(nèi)的所有浮動車數(shù)據(jù)，建立路 口附近下游路段車輛行駛速度的模型，然后再根據(jù)這個模型計算出車輛通過出口的時刻。 具體的，包括以下步驟：
[0077] (1)取單車i所在時間段內(nèi)的路口下游所有的浮動車數(shù)據(jù)進行(LQ，VQ)關系曲線函 數(shù)V2 = kL+b(其中k、b為常數(shù)，L>0)的最小二乘法擬合，得出其擬合函數(shù)的參數(shù)。
[0078] (2)取單車i距離出口位置最近的浮動車數(shù)據(jù)（1〇，ν。），已知出口到停車線的距離 l?t，利用關系曲線函數(shù)V2 = kL+b計算單車i在出口的速度Vmjt為：
[0079] >；,," =^kL+b
[0080] (3)那么，單車i在路段S3的行程時間t3為：
[0082] (4)那么，圖2中單車i經(jīng)過出口的時刻t為：
[0083] C = 4+?
[0084] 其中，'為距離出口位置最近的浮動車數(shù)據(jù)的時刻數(shù)據(jù)。
[0085] 步驟6:計算單車i在信號交叉口區(qū)域的通行時間以，可由如下公式計算：
[0086] t'=('〇,"-t]n
[0087] 最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制，盡管參照較 佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發(fā)明的技 術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本技術方案的宗旨和范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明 的保護范圍當中。
【主權項】
1. 基于GI^數(shù)據(jù)的信號交叉口區(qū)域通行時間估計方法，其特征在于:包括w下步驟： 步驟1:獲取目標信號交叉口上的所有浮動車的GI^數(shù)據(jù)，構建浮動車數(shù)據(jù)集； 步驟2:確定信號交叉口區(qū)域進道口最大影響范圍kn ; 步驟3:確定信號交叉口出道口最大影響范圍Uut; 步驟4:獲取單車i通過信號交叉口進口端點處的時刻數(shù)據(jù)4; 步驟5:獲取單車i通過信號交叉口出口端點處的時刻數(shù)據(jù); 步驟6:計算單車i在信號交叉口區(qū)域的通行時間ti。2. 如權利要求1所述的基于GPS數(shù)據(jù)的信號交叉口區(qū)域通行時間估計方法，其特征在 于:所述步驟1中目標信號交叉口上的所有浮動車的GI^數(shù)據(jù)按W下步驟獲?。?S11:在電子地圖上標定出信號燈的坐標； S12:利用一段時間內(nèi)的車輛GI^數(shù)據(jù)進行地圖匹配； S13:獲取所有匹配在信號燈所在路段上的車輛GI^數(shù)據(jù)，構建浮動車數(shù)據(jù)集。3. 如權利要求1所述的基于GPS數(shù)據(jù)的信號交叉口區(qū)域通行時間估計方法，其特征在 于:所述步驟2中車輛在信號交叉口的進道口影響范圍以。按^下步驟計算： S21:取多天目標信號交叉口上所有浮動車的GI^數(shù)據(jù)； S22:利用減速點法計算該段時間內(nèi)單車減速點位置，并計算減速點到停車線之間的距 離； S23:利用層次聚類法，求取進道口處信號燈的最大影響范圍。4. 如權利要求3所述的基于GPS數(shù)據(jù)的信號交叉口區(qū)域通行時間估計方法，其特征在 于:所述層次聚類法求取進道口處信號燈的最大影響范圍，具體操作步驟如下： S231:將多車的減速點到停車線之間的N個距離進行層次聚類，得到η類，計算出每類的 聚類中屯、； S232:按照W下公式確定每個聚類區(qū)間中的每個數(shù)據(jù)的權重：電中，me為落入C類中的排隊距離數(shù)量，c = l，2,......η； S233:按照W下公式計算進道口處信號燈最大影響范圍：其中，Lin為進道口處信號燈最大影響范圍；f。為區(qū)間C中數(shù)據(jù)的權重，[為區(qū)間C的平均 值。5. 如權利要求1所述的基于GPS數(shù)據(jù)的信號交叉口區(qū)域通行時間估計方法，其特征在 于：所述步驟3中車輛在信號交叉口出道口最大影響范圍取各方向出口道處向下游150- 170m處為出口道處信號燈的最大影響范圍。6. 如權利要求1所述的基于GPS數(shù)據(jù)的信號交叉口區(qū)域通行時間估計方法，其特征在 于:所述步驟4中單車i通過信號交叉口進口端點處的時刻數(shù)據(jù)4按W下步驟計算： S41:獲取單車i在進道口端點處上下相鄰兩個GI^定位點提取的時刻數(shù)據(jù)皆，式中，j = 0或1，0代表上游數(shù)據(jù)，1代表下游數(shù)據(jù)； S42:利用插值法計算單車i在進口端點處的時刻數(shù)據(jù)，公式如下：式中，4表示單車i在交叉口進口端點處的時刻數(shù)據(jù);S1表示:交叉口進道口和單車i在 交叉口上游GI^定位點的距離差；S2表示:單車i在交叉口下游GPS定位點和交叉口進道口的 距離差;皆表示:單車i在交叉口進口端點上游的時刻數(shù)據(jù);皆表示:單車i在交叉口進口端 點下游的時刻數(shù)據(jù)。7. 如權利要求1所述的基于GPS數(shù)據(jù)的信號交叉口區(qū)域通行時間估計方法，其特征在 于:所述步驟5中單車i通過信號交叉口出口端點處的時刻數(shù)據(jù)按W下步驟計算： S51:取單車i所在時間段內(nèi)的路口下游的浮動車數(shù)據(jù)并進行化〇，V〇)關系曲線函數(shù)V2 = kL+b的最小二乘法擬合得到擬合函數(shù)的參數(shù)； 其中，Vo表示GI^數(shù)據(jù)中的瞬時速度，Lo表示車輛距停車線距離，k、b為常數(shù)，L〉0; S52:取單車i距離出口位置最近的浮動車數(shù)據(jù)（1d，v。），按照W下公式利用關系曲線函 數(shù)V2 = kL+b計算單車i在出口的速度vout:其中，Inut為出口到停車線的距離； S53:按照W下公式計算單車i在路段S3的行程時間t3:S54:按照W下公式計算單車i經(jīng)過出口的時刻《Μ : 4 =扣； 其中，為距離出口位置最近的浮動車數(shù)據(jù)的時刻數(shù)據(jù)。8. 如權利要求1所述的基于GPS數(shù)據(jù)的信號交叉口區(qū)域通行時間估計方法，其特征在 于:所述步驟6中單車i在信號交叉口區(qū)域的通行時間ti按照W下公式計算： 其中，表示單車i在信號交叉口區(qū)域的通行時間。
【文檔編號】G08G1/01GK106097718SQ201610708476
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月23日
【發(fā)明人】孫棣華, 趙敏, 廖孝勇, 左慶, 王少飛, 祖暉
【申請人】重慶大學, 重慶云途交通科技有限公司