郝建根　劉騰　石巍

摘要：提升路段車輛數(shù)估計(jì)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(jì)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(duì)上下游路口過(guò)車記錄進(jìn)行分組運(yùn)算，結(jié)合號(hào)牌號(hào)碼與號(hào)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(jì)算任意時(shí)刻路段內(nèi)實(shí)時(shí)車輛數(shù)，為精細(xì)化掌握路段級(jí)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(lái)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(shí)時(shí)記錄通過(guò)停止線所有車輛的過(guò)車數(shù)據(jù)，通過(guò)號(hào)牌號(hào)牌、號(hào)牌顏色組合確定的車輛唯一身份信息進(jìn)行上下游關(guān)聯(lián)分析，可以進(jìn)一步發(fā)揮電子警察數(shù)據(jù)的價(jià)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(wèn)題，但需提高非現(xiàn)場(chǎng)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^(guò)車數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)異常，考慮流量的周期性和時(shí)變性，基于馬爾科夫模型，基于模型預(yù)測(cè)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(duì)電子警察數(shù)據(jù)的應(yīng)用主要集中在行程時(shí)間的獲取上?；诠潭ú蓸娱g隔的常規(guī)行程時(shí)間計(jì)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(duì)排隊(duì)長(zhǎng)度進(jìn)行預(yù)測(cè)，判別過(guò)飽和排隊(duì)溢出程度[3-4]。充分考慮間斷交通流車頭時(shí)距分布特征，以車隊(duì)為分割精細(xì)化計(jì)算行程時(shí)間，有效反映信號(hào)周期的控制效果[5]。

對(duì)于城市道路交通運(yùn)行狀態(tài)通過(guò)流量、行程時(shí)間、路段車輛數(shù)等參數(shù)進(jìn)行多維度刻畫。其中路段車輛數(shù)是指上下游兩個(gè)路口間在途的車輛數(shù)量，現(xiàn)有路段車輛數(shù)估計(jì)方法對(duì)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(shí)停車等隨機(jī)交通事件因素的影響，不同日期同一時(shí)刻交通流會(huì)有一定的隨機(jī)性，利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史周同天數(shù)據(jù)分析得到的交通參數(shù)會(huì)有一定的差異性，往往會(huì)導(dǎo)致路段車輛數(shù)估計(jì)的準(zhǔn)確性低。本文基于交通信號(hào)的間斷放行和車輛駕駛的跟隨特性，快速計(jì)算任意時(shí)刻路段實(shí)時(shí)車輛數(shù)，研判路段車輛動(dòng)態(tài)，精細(xì)掌握路段交通狀態(tài)[7]。

二、路段車輛數(shù)估計(jì)方法

（一）上游路口過(guò)車記錄分組

上游路口過(guò)車記錄包括號(hào)牌號(hào)碼、號(hào)牌顏色、路口編號(hào)、車道號(hào)、過(guò)車時(shí)間、分組編號(hào)、通過(guò)下游路口時(shí)間等數(shù)據(jù)項(xiàng)。

上游路口過(guò)車記錄分組主要包括計(jì)算車流間斷放行最小間隔、上游過(guò)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(shí)間內(nèi)（比如1小時(shí)）所有過(guò)車記錄構(gòu)建形成上游過(guò)車記錄鏈表；根據(jù)車流間斷放行最小間隔閾值對(duì)上游路口過(guò)車記錄進(jìn)行分組。任選一股車流作為車輛分組劃分的參考車流，計(jì)算當(dāng)前車輛與上一個(gè)車輛的車頭時(shí)距，并與車流間斷放行最小間隔閾值進(jìn)行比較，確定每個(gè)車輛隸屬的分組編號(hào)以及每個(gè)分組對(duì)應(yīng)的起始時(shí)刻、結(jié)束時(shí)刻等信息；其他車流的車輛可根據(jù)其過(guò)車時(shí)間確定所隸屬的分組信息。

計(jì)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(shí)間與過(guò)渡燈色時(shí)間之和，即車流間斷放行最小間隔，其為固定值，與信號(hào)控制實(shí)際執(zhí)行方案無(wú)關(guān)。

上游過(guò)車記錄鏈表更新。將上游路口前一段時(shí)間內(nèi)（比如1小時(shí)）所有過(guò)車記錄構(gòu)建形成上游過(guò)車記錄鏈表；按照時(shí)間順序?qū)崟r(shí)獲取參考車流所有隸屬車道的過(guò)車記錄，， ，……，將新增的上游路口過(guò)車記錄更新至上游過(guò)車記錄鏈表尾部，并將通過(guò)下游路口時(shí)間這一數(shù)據(jù)項(xiàng)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(duì)于信號(hào)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(shí)距與車流間斷放行最小間隔閾值進(jìn)行比較，確定每個(gè)車輛的隸屬分組編號(hào)以及每個(gè)分組對(duì)應(yīng)的起始時(shí)刻、結(jié)束時(shí)刻等信息。車輛分組劃分具體方法如下：

提取上游過(guò)車記錄鏈表中最新的過(guò)車記錄，當(dāng)時(shí)，該車輛為第一個(gè)車輛，將對(duì)應(yīng)的分組編號(hào)計(jì)為1，并將該車輛的過(guò)車時(shí)間作為分組1的起始時(shí)刻，當(dāng)時(shí)，計(jì)算與上一個(gè)車輛的車頭時(shí)距，當(dāng)小于等于車流間斷放行最小間隔閾值時(shí)，則返回繼續(xù)獲取下一個(gè)車輛；當(dāng)大于車流間斷放行最小間隔閾值時(shí)，將該車輛的過(guò)車時(shí)間作為當(dāng)前分組的結(jié)束時(shí)刻，同時(shí)將分組編號(hào)加1，并把該車輛的過(guò)車時(shí)間作為下一分組的起始時(shí)刻，返回繼續(xù)獲取下一個(gè)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(guò)車記錄的過(guò)車時(shí)間與每個(gè)分組的起始時(shí)刻進(jìn)行比較，確定車輛所在的分組編號(hào)。

（二）下游路口過(guò)車記錄分組

下游路口過(guò)車記錄包括號(hào)牌號(hào)碼、號(hào)牌顏色、路口編號(hào)、車道號(hào)、過(guò)車時(shí)間、分組編號(hào)、通過(guò)上游路口時(shí)間等數(shù)據(jù)項(xiàng)。

根據(jù)圖2，下游路口西進(jìn)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(guò)車記錄分組主要包括計(jì)算車流間斷放行最小間隔、下游過(guò)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(guò)車記錄分組與上游過(guò)車記錄分組步驟類似，本文不再贅述。

（三）上下游過(guò)車記錄關(guān)聯(lián)匹配

根據(jù)上、下游過(guò)車記錄比對(duì)檢索和車輛駕駛的跟隨特性進(jìn)行上、下游過(guò)車記錄關(guān)聯(lián)匹配。對(duì)于下游路口新增的一個(gè)過(guò)車記錄，與上游過(guò)車記錄鏈表進(jìn)行比對(duì)檢索，根據(jù)車輛駕駛的跟隨特性有效縮小比對(duì)檢索的范圍，當(dāng)上下游過(guò)車記錄中號(hào)牌號(hào)碼、號(hào)牌顏色都相同時(shí)，更新上游過(guò)車記錄的通過(guò)下游路口時(shí)間數(shù)據(jù)項(xiàng)以及下游過(guò)車記錄的通過(guò)上游路口時(shí)間數(shù)據(jù)項(xiàng)。

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

對(duì)于某一條上游路口過(guò)車記錄，當(dāng)檢索到該過(guò)車記錄中通過(guò)下游路口時(shí)間為空值時(shí)，若上、下游過(guò)車記錄中號(hào)牌號(hào)碼、號(hào)牌顏色都相同，則記錄該上游路口過(guò)車記錄。提取新增的下游路口過(guò)車記錄的過(guò)車時(shí)間，將該過(guò)車時(shí)間更新到記錄的上游路口過(guò)車記錄的通過(guò)下游路口時(shí)間這一數(shù)據(jù)項(xiàng)中；同時(shí)提取記錄的上游路口過(guò)車記錄的過(guò)車時(shí)間，將該過(guò)車時(shí)間記錄到新增的下游路口過(guò)車記錄的通過(guò)上游路口時(shí)間這一數(shù)據(jù)項(xiàng)中。

當(dāng)檢索到該過(guò)車記錄中通過(guò)下游路口時(shí)間為非空值時(shí)，表示車輛已通過(guò)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(duì)等相關(guān)概念，每個(gè)駕駛員都是期望盡快到達(dá)目的地，所以車輛之間會(huì)存在跟隨特性），檢索的車輛應(yīng)在最近若干個(gè)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(guò)車記錄中通過(guò)下游路口時(shí)間為非空值時(shí)，提取該上游路口過(guò)車記錄的分組編號(hào)記為，則返回繼續(xù)檢索；若不是第一次檢索到該過(guò)車記錄中通過(guò)下游路口時(shí)間為非空值時(shí)，提取車輛的上游路口分組編號(hào)記為，計(jì)算分組編號(hào)差值，考慮到車輛駕駛的跟隨特性，當(dāng)大于某一個(gè)數(shù)值時(shí)，表示車輛在較長(zhǎng)一段時(shí)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(jì)

根據(jù)上游過(guò)車記錄鏈表統(tǒng)計(jì)當(dāng)前計(jì)算時(shí)刻未駛離下游路口的車輛總數(shù)，計(jì)算路段車輛數(shù)初始值；根據(jù)上游過(guò)車記錄鏈表統(tǒng)計(jì)前一段時(shí)間內(nèi)經(jīng)過(guò)上游但未經(jīng)過(guò)下游的車輛，計(jì)算上游過(guò)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(guò)車記錄鏈表統(tǒng)計(jì)前一段時(shí)間內(nèi)經(jīng)過(guò)下游但未經(jīng)過(guò)上游的車輛，計(jì)算下游過(guò)車記錄中從上游駛離通過(guò)下游車輛占比；根據(jù)車流間關(guān)聯(lián)性對(duì)路段車輛數(shù)初始值進(jìn)行修正，得到路段車輛數(shù)估計(jì)值。

路段車輛數(shù)初步統(tǒng)計(jì)：根據(jù)上游過(guò)車記錄鏈表中的通過(guò)下游路口時(shí)間這一數(shù)據(jù)項(xiàng)是否為空值，來(lái)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(jì)算得到當(dāng)前計(jì)算時(shí)刻路段車輛數(shù)初始值。停止檢索判別規(guī)則與上下游過(guò)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(guò)上游過(guò)車記錄中從上游駛離未在路段內(nèi)停駛車輛占比、下游過(guò)車記錄中從上游駛離通過(guò)下游車輛占比對(duì)路段車輛數(shù)初始值進(jìn)行修正得到路段車輛數(shù)估計(jì)值。

三、實(shí)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(gè)相距1.2km的路口作為研究對(duì)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(gè)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(guò)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(duì)上下游參考車流、非參考車流的過(guò)車記錄進(jìn)行分組，確定每一條過(guò)車記錄的分組號(hào)，其中上游共有700個(gè)分組，下游共有647個(gè)分組。根據(jù)號(hào)牌號(hào)碼、號(hào)牌顏色是否相同對(duì)上下游過(guò)車記錄進(jìn)行關(guān)聯(lián)匹配，新增通過(guò)上游路口時(shí)間、通過(guò)下游路口時(shí)間。匹配結(jié)果示例，蘇A×…×，藍(lán)牌，2018年8月6日17時(shí)4分33秒通過(guò)中山東路解放路西方向第3車道，上游分組編號(hào)511，2018年8月6日17時(shí)8分12秒通過(guò)中山東路清溪路西方向第2車道，下游分組遍號(hào)478，行程時(shí)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(shí)間存在一定的關(guān)聯(lián)性，為了驗(yàn)證路段車輛數(shù)估計(jì)值的合理性，選取車隊(duì)行程時(shí)間作為參考值，計(jì)算分析結(jié)果如圖4所示。路段車輛數(shù)與行程時(shí)間對(duì)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(shí)間分別為472s、690s、418s，路段車輛數(shù)分別為99veh，98veh，98veh。由于車隊(duì)行程時(shí)間采用的是所有匹配記錄中各車輛行程時(shí)間的中位值或均值，是統(tǒng)計(jì)值，因此變化相對(duì)不明顯。而路段車輛數(shù)計(jì)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(huì)比較大，路段內(nèi)車輛動(dòng)態(tài)比較復(fù)雜，因此路段車輛數(shù)相鄰兩次計(jì)算值的波動(dòng)性會(huì)比較明顯，但實(shí)際應(yīng)用中常用路段車輛數(shù)劃分區(qū)間，數(shù)值的波動(dòng)不會(huì)影響其使用。

圖4? 中山東路示例路段車輛數(shù)、行程時(shí)間變化趨勢(shì)圖

結(jié)合下游路口放行數(shù)據(jù)，比如信號(hào)周期最大通過(guò)放行量，可以對(duì)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(hào)燈次數(shù)，可以更好的表征該路段的通行狀態(tài)。信號(hào)周期最大通過(guò)放行量可以通過(guò)下游路口各分組的車輛總數(shù)的合理最大值確定，下游過(guò)車記錄分組中共有208個(gè)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(hào)周期最大通過(guò)放行量。根據(jù)圖4，路段車輛數(shù)最大值為100，在高峰時(shí)期需要等候兩次信號(hào)燈才能通過(guò)路口。

四、結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)城市道路，充分利用交叉口間斷放行的特征，對(duì)卡口型電子警察過(guò)車數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)化分析，實(shí)現(xiàn)路段車輛數(shù)的快速估計(jì)，路段車輛數(shù)與行程時(shí)間相比，一方面計(jì)算實(shí)時(shí)性較強(qiáng)，能快速直接反映路段內(nèi)車輛的動(dòng)態(tài)，另一方面該參數(shù)可以直接換算成排隊(duì)長(zhǎng)度、等候信號(hào)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(shí)際通過(guò)停止線的車輛，但無(wú)法刻畫繼續(xù)排隊(duì)等候信號(hào)燈通過(guò)的車輛數(shù)，尤其在過(guò)飽和交通狀態(tài)無(wú)法精準(zhǔn)刻畫實(shí)際的交通需求。路段車輛數(shù)的大小表示兩個(gè)路口之間的車輛數(shù)，可以真實(shí)表示實(shí)際的交通需求。路段車輛數(shù)有效的估計(jì)方法，助力交通管理者精細(xì)化掌握路段級(jí)交通狀態(tài)。H

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