[发明专利]基于多源数据的高速公路任意时段任意断面流量估计方法

权利要求书

1.一种基于多源数据的高速公路任意时段任意断面流量估计方法，其特征在于，包括：

S1、获取目标道路的多源数据，所述多源数据包括：入口收费站数据、出口收费站数据和卡口数据；所述入口收费站数据包括：车辆起点信息；所述出口收费站数据包括：车辆起终点信息；所述卡口数据包括：车辆在行驶过程中的离散状态信息；

S2、对所述多源数据进行匹配，包括：S21、对卡口数据进行整合，提取出每辆车经过的所有卡口信息，按照时间顺序进行排列，根据道路上摄像机的分布规律，确定一个阈值T，使得每辆车对应的卡口信息中相邻时间的差值不超过T值，否则，将该条信息进行分割，认为该车在另一时段内再次经过了该路段；S22、确定一个行驶方向，提取出相应的卡口数据，以车牌号为主要关键值，入口时间和出口时间为次要关键值，将卡口数据分别和出入口收费数据进行匹配，得到包含入口信息和卡口信息、包含出入口信息和卡口信息、只包含卡口信息和只包含出入口信息这四类数据，每一类数据中的每条信息对应着一辆车在目标道路上的完整或部分行驶信息；

S3、基于数据匹配结果，对车辆路径信息进行分类并计算车辆行驶时间；

S4、对所述车辆行驶时间中的异常数据进行处理并计算车辆平均行驶速度，包括：S41、去除极异常点

在某一时段，经过给定OD对的所有车辆的行程时间的最大值为t_max，最小值为t_min，根据OD对间的路段长度l_od给定一个阈值M，进行以下操作：

S411、如果某时段内的数据量Num＞1，计算t_max-t_min；否则，判断一条数据中的t是否合理，即是否存在t＞T_max或t＜T_min，如果存在，将t放入拟修正数据集，其中T_max＝l_od×1.5/v_min，T_min＝l_od/(v_max×1.5)；

S412、如果t_max-t_min＞M，存在极异常点；然后计算这组数据的偏度skew，如果skew＞0，存在极大异常点，将t_max放入拟修正数据集；如果skew＜0，存在极小异常点，将t_min放入拟修正数据集；

S413、重复步骤S411、S412，直至t_max-t_min≤M为止；

S42、3σ准则筛选

S421、对极异常值筛选过的数据集，计算筛选后所有车辆行程时间的平均值μ和标准差σ，确定再次筛选的上下界，将上下界设为[μ-2σ，μ+2σ]；

S422、对于每辆车的行程时间t，如果μ-2σ≤t≤μ+2σ，保留；否则利用该时间段内其他车辆的行程时间对t值进行校正；

S423、重复步骤S421、S422，直至所有的t值都在[μ-2σ，μ+2σ]区间内为止；

S43、对拟修正数据集的校正

所述拟修正数据集中全部为极异常值，根据步骤S42中保留下来的结果对所述极异常值进行校正，找到与其在同一时段的正常数据，以其平均值代替异常数据中的t值；如果由于某些时段数据量较少，而无法找到同一时段的正常数据，则按照与当前时段间隔越小，优先选取的原则，直至某一时段存在正常数据为止，再用平均值代替异常t值；

S44、异常行程时间处理完成后，再次用相应的行驶距离除以行程时间，得到处理后的平均行驶速度；

S5、基于所述车辆平均行驶速度计算路段平均行驶速度和平均行驶时间，获取不同车辆类型的各路段平均行驶时间的时空矩阵，包括：对于目标道路上任一路段，选定与该路段起点端相邻的卡口和与该路段终点端相邻的卡口，若该路段为边界路段，所述边界路段的起点端或终点端为收费站，则选定卡口和收费站，找到连续经过这两个卡口或经过卡口和收费站的同一类型的所有车辆，在某时段内，两个卡口之间或卡口和收费站之间包含的路段的行驶速度为在该时段内连续经过这两个卡口或卡口和收费站的所有车辆的平均速度；

如果上述选定的两个卡口数据中，上游卡口处的信息存在明显错误或缺失，则忽略信息错误或缺失的卡口，对于某一时段，直接取该上游卡口的前一卡口与选定的下游卡口之间的同一类型所有车辆的平均速度作为该路段上的行驶速度；如果是下游卡口处的信息存在明显错误或缺失，则取选定的上游卡口与该下游卡口的后一卡口之间的同一类型所有车辆的平均速度作为该路段上的行驶速度；

具体计算公式如下：

式中，和分别为对于车型为q的车辆，在时段k内该高速公路上某一路段a的平均行驶速度和平均行驶时间；n(q)为在时段k会经过路段a的车型为q的车辆数；l_a为路段a的长度；r的选择应优先考虑最短子路径；

对于不同车型q，可以得到一个各路段平均行驶时间的时空矩阵，其中，有K个时段，A个路段，最终表示如下：

S6、根据车辆类型，选取相应的时空矩阵，对车辆行驶时间动态分配，计算车辆在路段上相应的行驶时间，包括：对于有完整路径信息的车辆，在得到的时空矩阵后，利用公式(6)，对每辆车的路径行驶时间进行动态分配，根据车辆类型q，选取相应的t_matrix(q)，

式中，t_h(a)为车辆h在路段a上的行驶时间；s是车辆h整个行程经过的路段数；t_OD为车辆在目标道路上相应路径的行程时间；随着时间的推移，车辆在行驶过程中行驶不同路段时处于不同的时段内，从时空矩阵中选取与之时段和路段相对应的值，则表示在时段内车辆在某一路段a的行驶时间，其中表示变化的时段k；

对于只有部分路径信息的车辆，则将这一部分路径的行驶时间按照公式(6)进行动态时间分配；而那些存在缺失信息的路段，根据卡口位置信息，推断出车辆是从哪个枢纽离开或进入目标道路的，取其相邻路段的平均速度作为车辆在缺失信息路段上的行驶速度，计算车辆在路段上相应的行驶时间；

S7、根据所述车辆行驶时间动态分配结果估计任意时段任意断面的流量，包括：假定车辆在每一个划分好的路段上是匀速行驶的，计算车辆到达任意断面的时间，假设某一断面在第a个路段的某一位置x处，则根据不同车辆情况可计算车辆h到达断面x的时间，

车辆到达断面x上游某一位置的时间已知

式中，t_en为车辆到达断面x上游某一位置的时间；a1表示断面x上游某一位置处于第a1个路段；t_h(i)为车辆h在路段i上的行驶时间；Δl1为路段a的起始点到断面x的距离；l_a为路段a的长度；t_h(a)为车辆h在路段a上的行驶时间；t为车辆到达断面x的时间；

车辆到达断面x下游某一位置的时间已知

式中，t_ex为车辆到达断面x下游某一位置的时间；a2表示断面x上游某一位置处于第a2个路段；Δl2为断面x到路段a的终止点的距离；

车辆到达断面x上游和下游某一位置的时间均已知

若t1和t2的值近似相等，则任取其中一值作为t；否则，比较断面上下游的位置与断面间的距离，如果选取的断面上游的位置比断面下游的位置距离目标断面近，则赋予t1比t2大的权重，反之，则赋予t2比t1大的权重：

式中，l1、l2分别为断面上游、下游的位置与断面间的距离；

对于任意断面，判断所有经过该断面的车辆到达断面的时间，从而对于任意选取的时段，得到断面小时流量如下：

q＝{N|t∈ΔT} (10)

式中，q为任意断面x的小时流量；t为车辆到达断面x的时间；ΔT为选取的小时时段；N为在ΔT内到达断面x的车辆数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S3包括：

S31、匹配完成之后，对于所有车辆包含的路径信息进行分类，包括：

对于从一个枢纽进入，从另一个枢纽离开目标道路的车辆，只包含两个枢纽之间的卡口信息，对应着在目标道路上的部分路径信息；

对于从收费站进入，但从枢纽离开目标道路的车辆，其包含在收费站的入口信息以及收费站与枢纽之间的卡口信息，对应着在目标道路上的部分路径信息；

对于从枢纽进入目标道路，但从收费站离开的车辆，其包含在收费站的出口信息以及收费站与枢纽之间的卡口信息，对应着在目标道路上的部分路径信息；

对于从收费站进入，也从收费站离开目标道路的车辆，获得其在目标道路上完整的路径信息，包括进出口以及两收费站间的卡口信息；

S32、基于对路径信息的分类，取车辆路径信息中的两个端点，得到每辆车在目标道路上相应路径的行程时间，即：

t_OD＝t_D-t_O (1)

式中，t_D为路径信息中的终点时刻；t_O为路径信息中的起点时刻；

路径信息中包含着多个位置和对应的时间信息，每两个位置点之间就是车辆在目标道路上的一条子路径，基于此，计算出每辆车经过的所有的子路径之间的行程时间和平均行驶速度，假设每辆车的路径中包含R条子路径，则有：

式中，t_h，r为车辆h在子路径r上的行程时间；d_h，r为车辆h的子路径r的距离；车辆h在子路径r上的平均行驶速度。