本發(fā)明涉及高速公路擁擠預(yù)測的
技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其是指一種融合歷史數(shù)據(jù)和預(yù)約數(shù)據(jù)的高速公路擁擠預(yù)測方法。
背景技術(shù)：
：隨著交通運輸量的不斷增加，我國高速公路的擁堵問題(尤其是在節(jié)假日高峰期)愈發(fā)嚴重。在2012年國慶首日，全國有16個省份的26條高速公路出現(xiàn)擁堵；而在2015年國慶首日，僅廣東省就有31條高速公路出現(xiàn)擁堵。為了解決擁堵問題，高速公路管理部門往往會擁堵發(fā)生之后采取一定的疏導(dǎo)措施。雖然這些措施能達到一定效果，但已發(fā)生的擁堵還是給出行者和管理者都造成了損失。因此，一些學(xué)者提出了在擁堵發(fā)生前進行擁堵疏導(dǎo)的設(shè)想。近年來逐漸成熟的移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使得這一設(shè)想成為可能：將移動互聯(lián)網(wǎng)和高速公路運營管理結(jié)合起來，通過預(yù)約通行和出行誘導(dǎo)實現(xiàn)擁堵的主動疏導(dǎo)。要實現(xiàn)這樣的目標，對高速公路進行準確的擁擠預(yù)測是前提。國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對高速公路擁擠預(yù)測進行了大量的研究。發(fā)達國家對擁擠預(yù)測模型的研究始于上世紀中葉。我國在道路交通擁擠預(yù)測方面的研究起步較晚且大多數(shù)研究都是通過短期交通量或其他指標來評價道路交通擁擠狀態(tài)。目前應(yīng)用在擁擠預(yù)測方面的主要方法有時間序列模型、卡爾曼濾波模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、支持向量機模型等。這些方法各有所長，但是都有一個共同點——在歷史數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進行預(yù)測。這使得現(xiàn)有方法難以應(yīng)對高速公路的預(yù)約通行為帶來的挑戰(zhàn)：①預(yù)約數(shù)據(jù)將為擁擠預(yù)測工作提供新的數(shù)據(jù)源，在預(yù)測的過程中要考慮預(yù)約數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的融合。②預(yù)約行為將改變交通量在高速公路路網(wǎng)的分布。如果擁擠預(yù)測過程中不對這些變化進行考慮而簡單地套用現(xiàn)有方法，將會導(dǎo)致?lián)頂D預(yù)測精度的下降。因此，本發(fā)明提出了一種融合預(yù)約數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進行高速公路擁擠預(yù)測方法，為出行誘導(dǎo)和高速公路管理工作提供更可靠的依據(jù)。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點和不足，提供一種融合歷史數(shù)據(jù)和預(yù)約數(shù)據(jù)的高速公路擁擠預(yù)測方法，突破常規(guī)高速公路擁擠預(yù)測方法未考慮用戶預(yù)約數(shù)據(jù)、無法反映實行預(yù)約通行后交通量在路網(wǎng)內(nèi)重新分布等缺陷，實現(xiàn)了在高速公路預(yù)約通行條件下的擁擠預(yù)測，能夠有效提高預(yù)測精度，為高速公路預(yù)約通行的實現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所提供的技術(shù)方案為：一種融合歷史數(shù)據(jù)和預(yù)約數(shù)據(jù)的高速公路擁擠預(yù)測方法，包括以下步驟：1)選定研究的高速公路，獲取基礎(chǔ)資料，總共包括四方面的資料：高速公路用戶預(yù)約數(shù)據(jù)、高速公路路網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、高速公路交通流歷史數(shù)據(jù)、高速公路收費政策數(shù)據(jù)。2)根據(jù)高速公路用戶預(yù)約數(shù)據(jù)和高速公路路網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對高速公路路網(wǎng)進行時空劃分處理并確定各路段的預(yù)測時段。3)對預(yù)測時段內(nèi)高速公路路網(wǎng)各路段的交通量進行預(yù)測：首先，利用歷史數(shù)據(jù)對交通總量進行預(yù)測；然后，將總交通量按照預(yù)約量和非預(yù)約量進行分配并用預(yù)約數(shù)據(jù)對非預(yù)約量進行修正；最后將分配后預(yù)約量和非預(yù)約量相加得到各路段的交通量。4)預(yù)測各路段的擁擠度：采用飽和度作為擁擠的評價指標，通過閾值判斷各路段的擁擠狀態(tài)。5)利用程序設(shè)計語言實現(xiàn)擁擠預(yù)測結(jié)果的可視化輸出。在步驟1)中，所述高速公路用戶預(yù)約數(shù)據(jù)包括用戶輸入的出發(fā)地、目的地、進站時段、車型、用戶app或微信公眾號的市場占有率，通過用戶app后臺或者微信公眾號后臺獲取。所述高速公路的路網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括各道路的長度、車道數(shù)、車道寬度、設(shè)計通行能力、自由流條件下的車輛行駛時間，通過高速公路運營管理部門獲取。所述高速公路交通流歷史數(shù)據(jù)包括流量和車速數(shù)據(jù)，通過高速公路運營管理部門獲取。所述高速公路收費政策數(shù)據(jù)包括基礎(chǔ)費率、優(yōu)惠幅度和旅行時間價值，通過高速公路運營管理部門獲取。在步驟2)中，根據(jù)高速公路路網(wǎng)基礎(chǔ)資料和用戶預(yù)約數(shù)據(jù)，對高速公路路網(wǎng)進行時空劃分處理并確定各路段的預(yù)測時段，具體包括以下步驟：2.1)時間的劃分：采用與用戶app或微信公眾號上進站時段劃分相一致的單位時間間隔Δt，可根據(jù)高速公路運營管理部門的要求取10min，20min，30min，60min，把一天24小時分成m個時間片。T={t1,...,ti,...,tm}m=1440Δti=1,...,m]]>式中：T——時間片集合；ti——第ti個時間片；m——時間片個數(shù)，個；Δt——單位時間間隔，min。2.2)空間的劃分：采用與高速公路運營管理部門采集交通流數(shù)據(jù)的路段劃分相一致的單位空間間隔Δs，可根據(jù)高速公路運營管理部門的要求取1km，2km，5km，10km等，將路網(wǎng)內(nèi)的所有高速公路劃分成個路段。S={s11,s12,...,s1k1,...,sj1,sj2,...,sjkj,...,sn1,sn2,...,snkn}kj=[LjΔs]j=1,...,n]]>式中：S——路段集合；——第j條高速公路的第kj個路段；kj——第j條高速公路的路段個數(shù)，個；Lj——第j條高速公路的長度，km；Δs——單位空間間隔，km；n——高速公路條數(shù)，條。2.3)確定各路段的預(yù)測時段：用戶到達每一路段終點的時間通過如下公式計算：tsjkj=tsj(kj-1)+Δsvjtsj1=ta+tb2]]>式中：——用戶達到第j條高速公路的第kj個路段終點的時間；——用戶達到第j條高速公路的入口的時間；vj——第j條高速公路的平均行駛車速；ta——用戶預(yù)約的進站時段的起點；tb——用戶預(yù)約的進站時段的終點。這樣，就可以判斷路段的預(yù)測時段：若則路段的預(yù)測時段為ti。在步驟3)中，對預(yù)測時段高速公路路網(wǎng)各路段的交通量進行預(yù)測，具體包括以下步驟：3.1)根據(jù)歷史數(shù)據(jù)預(yù)測各路段的總交通量，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行預(yù)測，可直接在matlab中調(diào)用自帶的函數(shù)實現(xiàn)。3.2)計算預(yù)約交通總量和非預(yù)約交通總量其計算公式為：Qti=ΣjΣkjqjkjtiQti,reservation=Qti·αQti,non-reseration=Qti-Qti,reservation]]>式中：——預(yù)測時段ti時路網(wǎng)的總交通量；——預(yù)測時段ti時路網(wǎng)的預(yù)約交通總量；——預(yù)測時段ti時路網(wǎng)的非預(yù)約交通總量；——預(yù)測時段ti時第j條高速公路的第kj個路段的交通量；α——用戶app或微信公眾號的市場占有率。其余各參數(shù)意義如前所述。3.3)按照車流量的歷史分布規(guī)律，對非預(yù)約交通總量在路網(wǎng)范圍內(nèi)進行分配，得到各路段的非預(yù)約量，其計算公式為：qjkj,non-reservationti=qjkjtiQti·Qti,non-reservation]]>式中：——預(yù)測時段ti時第j條高速公路的第kj個路段的非預(yù)約交通量。3.4)采用用戶均衡模型對預(yù)約交通總量在路網(wǎng)范圍內(nèi)進行分配，得到各路段的預(yù)約量。minZ(X)=Σj∫0qjkj,non-reservationtitqjkj,non-reservationti(w)dw]]>S.t.Σjftij=qjkj,non-reservationti,ftij≥0,]]>qjkj,non-reservationti=Σjftij,∀j]]>式中：——預(yù)測時段ti時第j條高速公路的流量。——預(yù)約用戶在路網(wǎng)中的路阻函數(shù)，其具體形式為：tqjkj,non-reservationti(w)=to[1+α(qjkj,non-reservationti+qjkj,reservationtiCjkj)β]+co(1-γ)τ]]>式中：to——自由流條件下的行駛時間，min；——第j條高速公路的第kj個路段的道路設(shè)計通行能力，pcu/h；co——基礎(chǔ)通行費用，元；γ——優(yōu)惠幅度，％；α,β——待標定的參數(shù)；τ——旅行時間價值，元/h。3.5)采用實際預(yù)約量對各路段的預(yù)約量進行修正，修正規(guī)則如下：①若則不變。②若則式中：——預(yù)測時段ti時第j條高速公路的第kj個路段的實際預(yù)約交通總量；3.6)將各路段預(yù)約量和非預(yù)約量進行疊加，得到各路段的交通量。qjkjti=qjkj,reservationti+qjkj,non-reservationti]]>式中：——預(yù)測時段ti時第j條高速公路的第kj個路段的預(yù)約交通量。在步驟4)中，預(yù)測各路段的擁擠度，具體包括以下步驟：4.1)計算各路段的飽和度，計算公式為：xjkjti=qjkjtiCjkj]]>式中：——預(yù)測時段ti時第j條高速公路的第kj個路段的飽和度。4.2)擁擠度等級的劃分，通過飽和度閾值將擁擠度劃分成不同的等級?？梢愿鶕?jù)各城市的交通調(diào)查數(shù)據(jù)來確定閾值。在無調(diào)查資料的情況下，建議使用下列表格進行分級。表1在步驟5)中，利用程序設(shè)計語言實現(xiàn)擁擠預(yù)測結(jié)果的可視化輸出。將不同的擁擠度等級與不同的顏色對應(yīng)，在編寫代碼時將相應(yīng)的顏色代碼賦予各路段。運行代碼，即可輸出擁擠預(yù)測結(jié)果。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點與有益效果：1、將移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運用到高速公路管理中，借助手機app或者微信公眾號獲取預(yù)約數(shù)據(jù)，為實現(xiàn)高速公路的預(yù)約通行提供基礎(chǔ)。2、將用戶預(yù)約數(shù)據(jù)融合到預(yù)測算法中，對利用歷史數(shù)據(jù)進行擁擠預(yù)測的結(jié)果進行修正，能夠提高預(yù)測工作的精度。3、算法較簡便，建模的過程簡單，在訓(xùn)練的過程中不需要大量的學(xué)習(xí)樣本，預(yù)測精度較高。4、便于高速公路運營管理部門通過價格杠桿，利用預(yù)約出行方式進行交通疏導(dǎo)，促進高速公路網(wǎng)絡(luò)的用戶均衡，盡量避免形成擁堵，也便于用戶避開擁擠路段和擁堵時段錯峰出行。5、有利于高速公路管理部門及時掌握路網(wǎng)交通流信息和擁堵情況，對未來可能形成的擁堵進行預(yù)警，及時采取必要的疏解措施。附圖說明圖1為本發(fā)明的邏輯流程示意圖。圖2為本發(fā)明實施例的路網(wǎng)示意圖。圖3為本發(fā)明實施例的擁擠預(yù)測可視化輸出結(jié)果。具體實施方式下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明做進一步的說明。如圖1所示，本實施例所述的融合歷史數(shù)據(jù)和預(yù)約數(shù)據(jù)的高速公路擁擠預(yù)測方法，包括以下步驟：1)選定研究的高速公路，獲取基礎(chǔ)資料，總共包括四方面的資料：高速公路用戶預(yù)約數(shù)據(jù)、高速公路路網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、高速公路交通流歷史數(shù)據(jù)、高速公路預(yù)約費用數(shù)據(jù)。其中，所述高速公路用戶預(yù)約數(shù)據(jù)包括用戶輸入的出發(fā)地、目的地、進站時段、車型、用戶app或微信公眾號的市場占有率，通過用戶app后臺或者微信公眾號后臺獲取。所述高速公路的路網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括各道路的長度、車道數(shù)、車道寬度、設(shè)計通行能力、自由流條件下的車輛行駛時間，通過高速公路運營管理部門獲取。所述高速公路交通流歷史數(shù)據(jù)包括流量和車速數(shù)據(jù)，通過高速公路運營管理部門獲取。所述高速公路收費政策數(shù)據(jù)包括基礎(chǔ)費率、優(yōu)惠幅度和旅行時間價值，通過高速公路運營管理部門獲取。本實施例所采用的高速公路路網(wǎng)如圖2所示。假定從用戶app后臺獲得某用戶輸入的出發(fā)地為A、目的地為B、進站時段為8：00–9:00,車型為一類車；用戶app的市場占有率是12％。根據(jù)上述某用戶預(yù)約的出發(fā)地、目的地和進站時段，收集到其余的資料如下：高速公路路網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表1所示、高速公路1、2的流量歷史數(shù)據(jù)和當前預(yù)約用戶總量分別如表2、表3所示(由于篇幅所限，只列出了預(yù)測時段的歷史數(shù)據(jù))、高速公路收費政策數(shù)據(jù)如表4所示，兩條高速公路的平均行駛車速為80km/h，自由流條件下的車輛行駛時間分別為1.1h和1.5h。表1高速公路路網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表2高速公路1的流量歷史數(shù)據(jù)和當前預(yù)約用戶總量8/18/88/158/228/299/59/129/19預(yù)約8：00—9：0045134351431544154483433542144377299：00—10：004296402141414113429140614109412114表3高速公路2的流量歷史數(shù)據(jù)8/18/88/158/228/299/59/129/19預(yù)約8：00—9：00119312101189119811701175116111916869：00—10：0011211144112311741098112411131113570表4高速公路收費政策數(shù)據(jù)2)根據(jù)高速公路路網(wǎng)基礎(chǔ)資料和用戶預(yù)約數(shù)據(jù)，對高速公路路網(wǎng)進行時空劃分處理并確定各路段的預(yù)測時段，具體包括以下步驟：2.1)時間的劃分：采用與用戶app或微信公眾號上進站時段劃分相一致的單位時間間隔Δt，可根據(jù)高速公路運營管理部門的要求取10min，20min，30min，60min，把一天24小時分成m個時間片。T={t1,...,ti,...,tm}m=1440Δti=1,...,m]]>式中：T——時間片集合；ti——第ti個時間片；m——時間片個數(shù)，個；Δt——單位時間間隔，min。在本實施例中，單位時間間隔Δt＝60min，一天24小時分成m＝24個時間片，則T＝{t1,···,t12,···,t24}。2.2)空間的劃分：采用與高速公路運營管理部門采集交通流數(shù)據(jù)的路段劃分相一致的單位空間間隔Δs，可根據(jù)高速公路運營管理部門的要求取1km，2km，5km，10km等，將路網(wǎng)內(nèi)的所有高速公路劃分成個路段。S={s11,s12,...,s1k1,...,sj1,sj2,...,sjkj,...,sn1,sn2,...,snkn}kj=[LjΔs]j=1,...,n]]>式中：S——路段集合；——第j條高速公路的第kj個路段；kj——第j條高速公路的路段個數(shù)，個；Lj——第j條高速公路的長度，km；Δs——單位空間間隔，km；n——高速公路條數(shù)，條。在本實施例中，每條高速公路只進行一次流量采集工作，故每條高速公路即為1個路段。各條高速公路的長度即為單位空間間隔，則S＝{s11s21}。2.3)確定各路段的預(yù)測時段：用戶到達每一路段終點的時間通過如下公式計算：tsjkj=tsj(kj-1)+Δsvjtsj1=ta+tb2]]>式中：——用戶達到第j條高速公路的第kj個路段終點的時間；——用戶達到第j條高速公路的入口的時間；vj——第j條高速公路的平均行駛車速；ta——用戶預(yù)約的進站時段的起點；tb——用戶預(yù)約的進站時段的終點。這樣，就可以判斷路段的預(yù)測時段：若則路段的預(yù)測時段為ti。在本實施例中，進站時間為(表示8點30分，下同)。用戶達到高速公路1各路段的終點時間為9.5，故高速公路1的預(yù)測時段為t9(8:00-9:00)和t10(9:00-10:00)。用戶達到高速公路2各路段的終點時間為10.00。故高速公路2的預(yù)測時段為t9(8:00-9:00)和t10(9:00-10:00)。3)對預(yù)測時段高速公路路網(wǎng)各路段的交通量進行預(yù)測，具體包括以下步驟：3.1)根據(jù)歷史數(shù)據(jù)預(yù)測各路段的總交通量，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行預(yù)測，可直接在matlab中調(diào)用自帶的函數(shù)實現(xiàn)。在本實施例中，預(yù)測結(jié)果為如表5所示。表5高速公路各路段總交通量預(yù)測值3.2)計算預(yù)約交通總量和非預(yù)約交通總量其計算公式為：Qti=ΣjΣkjqjkjtiQti,reservation=Qti·αQti,non-reseration=Qti-Qti,reservation]]>式中：——預(yù)測時段ti時路網(wǎng)的總交通量；——預(yù)測時段ti時路網(wǎng)的預(yù)約交通總量；——預(yù)測時段ti時路網(wǎng)的非預(yù)約交通總量；——預(yù)測時段ti時第j條高速公路的第kj個路段的交通量；α——用戶app或微信公眾號的市場占有率。其余各參數(shù)意義如前所述。計算結(jié)果如表6所示。表6預(yù)約交通量和非預(yù)約交通量計算結(jié)果3.3)按照車流量的歷史分布規(guī)律，對非預(yù)約交通總量在路網(wǎng)范圍內(nèi)進行分配，得到各路段的非預(yù)約量，其計算公式為：qjkj,non-reservationti=qjkjtiQti·Qti,non-reservation]]>式中：——預(yù)測時段ti時第j條高速公路的第kj個路段的非預(yù)約交通量。計算結(jié)果如表7所示。表7非預(yù)約量分配結(jié)果3.4)采用用戶均衡模型對預(yù)約交通總量在路網(wǎng)范圍內(nèi)進行分配，得到各路段的預(yù)約量。minZ(X)=Σj∫0qjkj,non-reservationtitqjkj,non-reservationti(w)dw]]>S.t.Σjftij=qjkj,non-reservationti,ftij≥0,]]>qjkj,non-reservationti=Σjftij,∀j]]>式中：——預(yù)測時段ti時第j條高速公路的流量?！A(yù)約用戶在路網(wǎng)中的路阻函數(shù)，其具體形式為：tqjkj,non-reservationti(w)=to[1+α(qjkj,non-reservationti+qjkj,reservationtiCjkj)β]+co(1-γ)τ]]>式中：to——自由流條件下的行駛時間，min；——第j條高速公路的第kj個路段的道路設(shè)計通行能力，pcu/h；co——基礎(chǔ)通行費用，元；γ——優(yōu)惠幅度，％；α,β——待標定的參數(shù)；τ——旅行時間價值，元/h。本實施例中，參數(shù)取值為α＝0.5,β＝1。認為走高速公路2的用戶為錯峰出行，高速公路1的用戶非錯峰出行。故兩條高速公路的阻抗函數(shù)分別為：tq11,non-reservationti(w)=1.1×[1+0.5(qjkj,non-reservationti+qjkj,reservationti2100)]+0.95,]]>tq21,non-reservationti(w)=1.5×[1+0.5(qjkj,non-reservationti+qjkj,reservationti2000)]+1.03.]]>求解二元一次方程組得到預(yù)約量的分配結(jié)果如表8所示。表8預(yù)約量分配結(jié)果3.5)采用實際預(yù)約量對各路段的預(yù)約量進行修正，修正規(guī)則如下：①若則不變。②若則式中：——預(yù)測時段ti時第j條高速公路的第kj個路段的實際預(yù)約交通總量；修正后的結(jié)果如表9所示：表9預(yù)約量分配的修正結(jié)果3.6)將各路段預(yù)約量和非預(yù)約量進行疊加，得到各路段的交通量。qjkjti=qjkj,reservationti+qjkj,non-reservationti]]>式中：——預(yù)測時段ti時第j條高速公路的第kj個路段的預(yù)約交通量。最終的預(yù)測結(jié)果如表10所示：表10路段交通量最終預(yù)測結(jié)果4)預(yù)測各路段的擁擠度：采用飽和度作為擁擠的評價指標，通過閾值判斷各路段的擁擠狀態(tài)。具體包括以下步驟：4.1)計算各路段的飽和度，計算公式為：xjkjti=qjkjtiCjkj]]>式中：——用戶選擇出行時段ti時第j條高速公路的第kj個路段的飽和度。飽和度計算結(jié)果如表11所示。表11飽和度計算結(jié)果4.2)擁擠度等級的劃分，通過飽和度閾值將擁擠度劃分成不同的等級?？梢愿鶕?jù)各城市的交通調(diào)查數(shù)據(jù)來確定閾值。在無調(diào)查資料的情況下，建議使用表12進行分級。表225)利用程序設(shè)計語言實現(xiàn)擁擠預(yù)測結(jié)果的可視化輸出。將不同的擁擠度等級與不同的顏色對應(yīng)，在編寫代碼時將相應(yīng)的顏色代碼賦予各路段。運行代碼，即可輸出擁擠預(yù)測結(jié)果。輸出結(jié)果如圖3所示。綜上所述，在采用以上方案后，本發(fā)明為高速公路擁擠預(yù)測提供了新的方法，能夠適應(yīng)高速公路預(yù)約通行帶來的新變化，在新的條件下有效地預(yù)測高速公路的擁擠情況，為高速公路的出行誘導(dǎo)和管理工作提供更可靠的基礎(chǔ)，有效推動我國高速公路的發(fā)展，具有實際推廣價值，值得推廣。以上所述實施例只為本發(fā)明之較佳實施例，并非以此限制本發(fā)明的實施范圍，故凡依本發(fā)明之形狀、原理所作的變化，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。當前第1頁1 2 3