專利名稱：控制路口交通狀態(tài)檢測和評價系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法與應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及城市交通系統(tǒng)的狀態(tài)評價技術(shù)，特別涉及一種基于數(shù)據(jù)特 征的城市信號控制路口交通狀態(tài)檢測和評價系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法與應(yīng)用。
背景技術(shù)：
城市交通擁擠是影響我國經(jīng)濟發(fā)展和居民生活質(zhì)量的重要問題。實施 交通信號控制策略以減少延誤；發(fā)布實時交通信息以誘導(dǎo)車輛行駛乃保持 路網(wǎng)動態(tài)均衡和緩解交通擁擠的交通管理措施。這兩種交通管理措施均以 交通狀態(tài)，特別是對交通擁擠程度的有效評價為前提。我國公安部和建設(shè) 部共同制定的《城市道路交通管理評價指標體系》將"交通負荷度"和"交 叉路口阻塞率"作為城市道路交通管理科學(xué)化的重要指標。采用高峰期道 路網(wǎng)交通負荷度來反映城市中心區(qū)域交通需求在時間上的集中程度，是一 天中最不利狀況下的供求矛盾的緊張程度。采用交叉路口阻塞率來衡量整 個路網(wǎng)的飽和程度，是檢査交通管理效果、制定交通需求管理對策、提出 交叉口改造規(guī)劃建設(shè)方案的依據(jù)。周期性阻塞交叉路口是指一定時間內(nèi)經(jīng) 常出現(xiàn)阻塞的交叉口 (不是隨機或意外原因引起的)。信號燈控制交叉口 若3次綠燈顯示車輛未通過路口的為嚴重阻塞。
專利號為WO2005064565-A1的發(fā)明專利公開了一種提供交通狀態(tài)信 息的方法，在交通狀態(tài)標識文本，尤其是利用車輛定位檢測設(shè)備的GPS 信息判斷車輛平均速度，通過擁擠檢測設(shè)備的平均速度預(yù)設(shè)值判別交通狀 態(tài)。該提供交通狀態(tài)信息的方法采用速度參量來判別信號控制交叉口狀 態(tài)，這對于控制參數(shù)變化的交叉路口來說是不太合適的，當信號控制參數(shù) 變化時延誤時間部分將會改變，判別參量的閾值也隨之而改變。
專利號JP2006085511-A的發(fā)明專利公布了一種通過道路交通感應(yīng)器 或探測在擁擠區(qū)域行駛所積累的時間序列數(shù)據(jù)的交通信息預(yù)測系統(tǒng)。同時考慮到周內(nèi)星期、法定假期等時間因素，對擁擠區(qū)域的檢測數(shù)據(jù)通過聚類 方法用各種各樣的類別進行交通狀態(tài)評價。
發(fā)明專利(ZL02113826.5)公布了一種基于視頻車輛光學(xué)特征識別匹配 的交通流量檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用機器視覺技術(shù)，采集城市交通道路或高 速高等級公路任意路段兩個或兩個以上不同位置車道上行駛的車輛圖像， 識別出車輛的光學(xué)特征，通過對不同位置采集和識別的車輛光學(xué)特征匹配 結(jié)果，計算出該路段上車輛通行能力包括車流量、密度、車速、車距、逆
行、超速、滯留技術(shù)指標，為交通系統(tǒng)工程提供智能化管理必需的交通流
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發(fā)明專利(ZL200510040621.3)公開了一種交通信號控制系統(tǒng)運行模式 自適應(yīng)轉(zhuǎn)換方法，將實時交通需求分成輕交通、中交通和重交通三種狀態(tài)， 由此作為交通信號控制系統(tǒng)運行模式自適應(yīng)轉(zhuǎn)換的判別參數(shù)。
由此可見，基于實時交通數(shù)據(jù)特征以揭示交通流運動機理的交通系統(tǒng) 狀態(tài)評價方法，是保證交通信號控制系統(tǒng)有效性的一項關(guān)鍵技術(shù)，但目前 尚鮮有涉及。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點和不足，提供一種在檢測 方法、數(shù)據(jù)處理和狀態(tài)評價等方面實用性強，判斷準確性高，適用范圍廣 的基于數(shù)據(jù)特征的城市信號控制路口交通狀態(tài)檢測和評價系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種由上述系統(tǒng)實現(xiàn)的基于數(shù)據(jù)特征的 城市信號控制路口交通狀態(tài)檢測和評價方法。
本發(fā)明的再一目的在于提供上述基于數(shù)據(jù)特征的城市信號控制路口 交通狀態(tài)檢測和評價方法的應(yīng)用。
本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)基于數(shù)據(jù)特征的城市信號控制 路口交通狀態(tài)檢測和評價系統(tǒng)，包括車輛狀態(tài)檢測單元、控制狀態(tài)監(jiān)測單 元、信號采集單元、微處理單元(uCPU)、數(shù)據(jù)傳輸單元、數(shù)據(jù)處理單 元(CPU)、交通狀態(tài)顯示單元，其中車輛狀態(tài)檢測單元和控制狀態(tài)監(jiān)測 單元并行與信號采集單元信號連接后，信號采集單元還與微處理單元(li CPU)、數(shù)據(jù)傳輸單元、數(shù)據(jù)處理單元(CPU)、交通狀態(tài)顯示單元依次信 號連接，所述微處理單元(yCPU)還與實時數(shù)據(jù)存儲單元信號連接，所述控制狀態(tài)監(jiān)測單元與交通信號燈信號連接。
所述控制狀態(tài)監(jiān)測單元為交通信號燈控制狀態(tài)監(jiān)測電路，它可監(jiān)測交 通信號燈的燈色狀態(tài)。
所述車輛狀態(tài)檢測單元為基于地點斷面的車輛運動狀態(tài)的交通檢測 器，它可采用各種接觸式或非接觸式交通檢測原理和檢測技術(shù)，例如電磁 感應(yīng)式車輛檢測線圈。車輛狀態(tài)檢測單元采集車輛經(jīng)過交通檢測區(qū)域的交 通流的實時信號波形。
所述微處理單元包括在線傳輸實時交通數(shù)據(jù)的接口電路，以及由便攜 式電腦離線傳輸歷史數(shù)據(jù)的接口電路。
利用上述系統(tǒng)實現(xiàn)基于數(shù)據(jù)特征的城市信號控制路口交通狀態(tài)檢測 和評價方法，包括下述步驟——
A、 在信號控制交叉口特定道路斷面采集持續(xù)時間不低于35天的實時
信號波形，構(gòu)造交通流特征參量；
B、 對交通流特征參量進行信號濾波，獲取飽和交通流的樣本總體；
C、 計算飽和交通流的樣本總體的均值、標準差和極值，作為飽和交 通流狀態(tài)判別函數(shù)；
D、 實時檢測城市信號控制交叉口交通流向綠燈相位的信號波形，構(gòu) 造交通流向特征參量序列；
E、 將交通流向特征參量序列代入綠燈相位狀態(tài)判別模型，構(gòu)造綠相 狀態(tài)判斷序列；
F、 將綠相狀態(tài)判斷序列代入交通流向狀態(tài)判別模型，判斷交叉口交 通流向的交通狀態(tài)；
G、 可視化顯示信號控制交叉口的車道服務(wù)水平。 所述步驟A包括如下具體步驟
Al、在信號控制交叉口入口車道選擇距離停車線不大于20米的路段 設(shè)置交通檢測器。盡量避免在不同流向車輛行駛軌跡交匯處、或受掉頭車 輛影響的路段內(nèi)設(shè)置交通檢測器； .
A2、設(shè)置交通檢測器的交通檢測區(qū)域為沿車輛行駛方向的長度，以能 辨識每輛車運動軌跡為宜；
A3、車輛狀態(tài)檢測單元采集車輛經(jīng)過交通檢測區(qū)域的交通流的實時信 號波形；控制狀態(tài)監(jiān)測單元采集交通信號燈的綠燈信號波形。選取采集時間不低于5周/ 7天/ 24小時的連續(xù)檢測時間；
A4、信號采集單元分別采集車輛狀態(tài)檢測單元和控制狀態(tài)檢測單元的 實時信號波形、綠燈信號波形，然后輸入微處理單元；
A5、微處理單元對信號采集單元傳來的實時信號波形、綠燈信號波形 進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，并將預(yù)處理后的交通流和交通信號燈實時交通數(shù)據(jù)經(jīng)過 數(shù)據(jù)傳輸單元傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理單元，并同時保存到實時數(shù)據(jù)存儲單元；
A6、實時數(shù)據(jù)存儲單元保存不少于7天的交通流和交通信號燈實時交 通數(shù)據(jù)，以備一旦數(shù)據(jù)傳輸單元出現(xiàn)故障后，由便攜式電腦接收實時數(shù)據(jù) 和歷史數(shù)據(jù)；
A7、數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸單元傳來的數(shù)據(jù)構(gòu)造隨著交通密度 (Occupancy)變化且具有穩(wěn)定極小值的車輛時距(Headway)作為飽和交通流 特征參量。
所述步驟B包括如下具體步驟
Bl 、數(shù)據(jù)處理單元對步驟A7產(chǎn)生的飽和交通流特征參量進行數(shù)據(jù)預(yù) 處理，去掉異常值，修復(fù)缺失值，產(chǎn)生有效特征參量；
B2、數(shù)據(jù)處理單元對步驟B1產(chǎn)生的有效特征參量進行信號濾波，去 掉綠燈相位期間起步加速、停車減速、高速行駛通過交叉口等非排隊車輛 飽和流數(shù)據(jù)，以獲取飽和交通流特征參量的樣本總體。
所述步驟C包括如下步驟
Cl、數(shù)據(jù)處理單元將步驟B2的樣本總體按照工作日早高峰期、工作 日晚高峰期、工作日非高峰期、工作日晚間、周末白天、周末晚間等時間 段劃分飽和交通流樣本子集。計算各樣本子集的均值&、標準差^和極
小值M/",;
C2、數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)各樣本子集的均值^、標準差^.和極小值7^' ,.
計算飽和交通流樣本子集狀態(tài)判別函數(shù)
判別函數(shù)下限<formula>formula see original document page 10</formula>
判別函數(shù)上限<formula>formula see original document page 10</formula>
所述步驟D包括如下詳細步驟
Dl、按照步驟A1 A3采集實時信號波形和綠燈相位波形；
D2、數(shù)據(jù)處理單元在綠燈相位時間內(nèi)，將實時信號波形劃分為不少于5個時間片段，計算時間片段交通流向特征參量并構(gòu)造交通流向特征參量 序列。
所述步驟E包括如下詳細步驟
El、數(shù)據(jù)處理單元在步驟D2所產(chǎn)生的交通流向特征參量序列中去掉
綠燈相位時間的第一個起步加速時間片段(也稱前損失時間)和最后一個 可能的減速停車時間片段(也稱后損失時間)，將剩余的時間片段作為綠
相狀態(tài)判斷序列；
E2、綠相狀態(tài)判斷序列中任意一個時間片段，若交通流向特征參量A, 滿足Ae(&,&」，則該時間片段稱為飽和片段；反之，則稱為非飽和片
段；
E3、若某一綠相狀態(tài)判斷序列中沒有飽和片段或只有若干個不連續(xù)的 飽和片段，表示該交通流向車道內(nèi)沒有或只有少量積存的排隊車輛，車輛 可以快速通過交叉口 ，則稱該綠相狀態(tài)判斷序列為自由綠相；
E4、若某一綠相狀態(tài)判斷序列中連續(xù)的飽和片段數(shù)小于總片段數(shù)的 2/3，表示該交通流向車道內(nèi)積存的排隊車輛可以全部消散，則稱該綠相狀 態(tài)判斷序列為通暢綠相；
E5、若某一綠相狀態(tài)判斷序列中連續(xù)的飽和片段數(shù)大于總片段數(shù)的 4/5，表示該交通流向車道在綠燈相位時間一直處于消散排隊車輛的飽和流 狀態(tài)，甚至可能還會積存一部分排隊車輛等待下一個綠燈相位的到來，則 稱該綠相狀態(tài)判斷序列為飽和綠相。
所述步驟F包括如下詳細步驟
Fl、數(shù)據(jù)處理單元將綠相狀態(tài)判斷序列依時間順序排列，滑動判斷交 叉口交通流向的交通狀態(tài)?？紤]連續(xù)三個以上的綠相狀態(tài)判斷序列 F2、若連續(xù)三個以上的自由綠相，則該交通流向為自由通行狀態(tài)； F3、若連續(xù)三個以上的自由綠相中包含若干個通暢綠相，則該交通流 向為通暢狀態(tài)；
F4、若連續(xù)三個以上的自由綠相或通暢綠相中包含若干個不連續(xù)的飽 和綠相，則該交通流向為輕度擁擠狀態(tài)；
F5、若連續(xù)三個以上的自由綠相或通暢綠相中包含連續(xù)二個飽和綠 相，則該交通流向為中度擁擠狀態(tài)；
F6、若連續(xù)三個以上的自由綠相或通暢綠相中包含連續(xù)三個飽和綠相，則該交通流向為重度擁擠狀態(tài)；
F7、若綠相狀態(tài)判斷序列中包含了連續(xù)二個以上的非正常綠相狀態(tài)判
斷序列，很可能是由于下游路口重度擁擠或堵塞造成車輛排隊蔓延至本交 叉口使得交通秩序混亂，則該交通流向為堵塞狀態(tài)。
所述步驟G包括如下詳細步驟
Gl、交通狀態(tài)顯示單元采用由冷色至暖色的顏色漸變，可視化地表示
信號控制路口通暢、擁擠、堵塞狀態(tài)下的車道服務(wù)水平。六種顏色代表六
級車道服務(wù)水平
G2、藍色表示交通流向為自由通行狀態(tài)時，車道服務(wù)水平為A級； G3、淺藍色表示交通流向為通暢狀態(tài)時，車道服務(wù)水平為B級； G4、綠色表示交通流向為輕度擁擠狀態(tài)時，車道服務(wù)水平為C級； G5、黃色表示交通流向為中度擁擠狀態(tài)時，車道服務(wù)水平為D級； G6、橘黃色表示交通流向為重度擁擠狀態(tài)時，車道服務(wù)為水平E級； G7、紅色表示交通流向為堵塞狀態(tài)時，車道服務(wù)水平為F級。
本發(fā)明方法適用利用交通實時數(shù)據(jù)分析進行的各種交通工程技術(shù)活 動，如短時間尺度的交通信號控制、交通信息發(fā)布、交通流動態(tài)分配、車 輛路徑導(dǎo)航、緊急事件調(diào)度和城市交通運行管理，以及中長時間尺度的交 通組織、交通規(guī)劃、道路維護和道路改造計劃等城市道路交通管理及決策活動。
本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點及效果(1)直觀明了，易于 應(yīng)用；本發(fā)明方法是一種在復(fù)雜環(huán)境下利用交通數(shù)據(jù)特征以評價城市交通
系統(tǒng)狀態(tài)的可視化方法，判斷過程簡單、方便，其結(jié)果以可視化形式描述 信號控制交叉口交通流的動態(tài)變化趨勢，將交通管理評價指標體系賦予實
操性很強的執(zhí)行步驟，非常便于交通管理部門及城市規(guī)劃部門應(yīng)用。(2) 判斷準確性高；本發(fā)明方法采集持續(xù)時間不低于35天的實時數(shù)據(jù)作為基 礎(chǔ)構(gòu)造和優(yōu)化用于評價飽和交通流的狀態(tài)判別函數(shù)，而且每隔1 3個月， 均需利用前35天的歷史數(shù)據(jù)進行定期更新和調(diào)整，所以數(shù)據(jù)采集全面， 對交通狀態(tài)反映的準確性好。(3)適用范圍廣；本發(fā)明適用利用交通實時 數(shù)據(jù)分析進行的各種交通工程技術(shù)活動，應(yīng)用面較廣；特別可利用智能交 通系統(tǒng)提供的交通數(shù)據(jù)建立狀態(tài)判別模型，應(yīng)用于治理交通堵塞，從質(zhì)上 提高現(xiàn)有道路網(wǎng)的交通管理水平，以較小的費用來改善道路網(wǎng)交通的整體運行效率，為道路交通管理提供決策支持。


圖1為本發(fā)明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明方法的流程圖； 圖3為交通流狀態(tài)參量基本圖； 圖4為綠燈相位交通狀態(tài)判別模型；
圖5為信號控制交叉口交通流向狀態(tài)判別模型及可視化表達； 圖6為城市中心區(qū)交叉口實施案例交通流向狀態(tài)序列表。
具體實施例方式
下面結(jié)合以城市中心區(qū)信號控制交叉口為實施案例及附圖對本發(fā)明 作進一步詳細的描述。
如圖l所示，本發(fā)明基于數(shù)據(jù)特征的城市信號控制路口交通狀態(tài)檢測 和評價系統(tǒng)，基于數(shù)據(jù)特征的城市信號控制路口交通狀態(tài)檢測和評價系 統(tǒng)，包括車輛狀態(tài)檢測單元、控制狀態(tài)監(jiān)測單元、信號采集單元、微處理 單元(tiCPU)、數(shù)據(jù)傳輸單元、數(shù)據(jù)處理單元(CPU)、交通狀態(tài)顯示單 元，其中車輛狀態(tài)檢測單元和控制狀態(tài)監(jiān)測單元并行與信號采集單元信號 連接后，信號采集單元還與微處理單元("CPU)、數(shù)據(jù)傳輸單元、數(shù)據(jù) 處理單元(CPU)、交通狀態(tài)顯示單元依次信號連接，所述微處理單元(u CPU)還與實時數(shù)據(jù)存儲單元信號連接，所述車輛狀態(tài)監(jiān)測單元與交通信 號燈信號連接，所述車輛狀態(tài)檢測單元采集車輛經(jīng)過交通檢測區(qū)域的交通 流的實時信號波形。
所述控制狀態(tài)監(jiān)測單元為交通信號燈控制狀態(tài)監(jiān)測電路，它可監(jiān)測交 通信號燈的燈色狀態(tài)。
所述車輛狀態(tài)檢測單元為基于地點斷面的車輛運動狀態(tài)的交通檢測 器，它可采用各種接觸式或非接觸式交通檢測原理和檢測技術(shù)，例如電磁 感應(yīng)式車輛檢測線圈。
所述微處理單元包括在線傳輸實時交通數(shù)據(jù)的接口電路，以及由便攜 式電腦離線傳輸歷史數(shù)據(jù)的接口電路。如圖2所示，由上述本發(fā)明系統(tǒng)實現(xiàn)基于數(shù)據(jù)特征的城市信號控制路 口交通狀態(tài)檢測和評價方法，包括下述步驟——
A、 在信號控制交叉口特定道路斷面采集持續(xù)時間不低于35天的實時 信號波形，構(gòu)造交通流特征參量；
B、 對交通流特征參量進行信號濾波，獲取飽和交通流的樣本總體；
C、 計算飽和交通流的樣本總體的均值、標準差和極值，作為飽和交 通流狀態(tài)判別函數(shù)；
D、 實時檢測城市信號控制交叉口交通流向綠燈相位的信號波形，構(gòu) 造交通流向特征參量序列；
E、 將交通流向特征參量序列代入綠燈相位狀態(tài)判別模型，構(gòu)造綠相 狀態(tài)判斷序列；
F、 將綠相狀態(tài)判斷序列代入交通流向狀態(tài)判別模型，判斷交叉口交 通流向的交通狀態(tài)；
G、 可視化顯示信號控制交叉口的車道服務(wù)水平。 執(zhí)行步驟A具體包括如下步驟
Al、在信號控制交叉口西進口直行車道，選擇距離停車線上游lm處 設(shè)置交通檢測器。盡量避免在不同流向車輛行駛軌跡交匯處、或受掉頭車 輛影響的路段內(nèi)設(shè)置交通檢測器；
A2、設(shè)置交通檢測器的交通檢測區(qū)域為沿車輛行駛方向的長度，長度 一般不超過2米，使其能辨識每輛車運動軌跡；
A2、設(shè)置交通檢測器的交通檢測區(qū)域為沿車輛行駛方向的長度，以能 辨識每輛車運動軌跡為宜；
A3、采用車輛狀態(tài)檢測單元，24小時不間斷地采集車輛經(jīng)過交通檢 區(qū)域的交通流的實時信號波形；采用控制狀態(tài)監(jiān)測單元實時監(jiān)測交通信號 燈的綠燈狀態(tài)，即交通信號燈的綠燈信號波形；
A4、信號采集單元分別采集車輛狀態(tài)檢測單元和控制狀態(tài)檢測單元的
實時信號波形、綠燈信號波形，然后輸入微處理單元；
A5、微處理單元對信號采集單元傳來的實時信號波形、綠燈信號波形 進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，并將預(yù)處理后的交通流和交通信號燈實時交通數(shù)據(jù)經(jīng)過 數(shù)據(jù)傳輸單元傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理單元，并同時保存到實時數(shù)據(jù)存儲單元；
A6、實時數(shù)據(jù)存儲單元保存35天的交通流和交通信號燈實時交通數(shù)據(jù)，以備一旦數(shù)據(jù)傳輸單元出現(xiàn)故障后，由便攜式電腦接收實時數(shù)據(jù)和歷 史數(shù)據(jù)；
A7、如圖3所示，數(shù)據(jù)處理單元選擇35天連續(xù)的歷史數(shù)據(jù)構(gòu)造隨著 交通密度(Occupancy)變化且具有穩(wěn)定極小值的車輛時距(Headway)作為飽 和交通流特征參量，車輛時距的單位為秒(sec)。
執(zhí)行步驟B具體包括如下步驟
Bl、數(shù)據(jù)處理單元對步驟A7產(chǎn)生的飽和交通流特征參量進行數(shù)據(jù)預(yù) 處理，去掉異常值，修復(fù)缺失值，產(chǎn)生有效特征參量；
B2、數(shù)據(jù)處理單元對步驟B1產(chǎn)生的有效特征參量進行信號濾波，去 掉綠燈相位期間起步加速、停車減速、高速行駛通過交叉口等非排隊車輛 飽和流數(shù)據(jù)，以獲取飽和交通流特征參量的樣本總體。
執(zhí)行步驟C具體包括如下步驟
Cl、數(shù)據(jù)處理單元將步驟B2的樣本總體按照工作日早高峰期、工作 日晚高峰期、工作日非高峰期、工作日晚間、周末白天、周末晚間等時間 段劃分飽和交通流樣本子集；選擇工作日晚高峰時間為17:00:00 19:00:00，計算該時間段樣本子集的均值&、標準差^和極小值M^:
^ = 2.44 =0.51 M< =1.43
其中S為工作日晚高峰所屬的數(shù)據(jù)子集。
C2、數(shù)據(jù)處理單元計算飽和交通流晚高峰樣本子集狀態(tài)判別函數(shù)下限 和上限，分別為
判別函數(shù)下限= min {M'"s, (￡s - 2as)} = min {1.43,1.42} = 1.42
判別函數(shù)上限&p5=A+2c7s=3.46
執(zhí)行步驟D具體包括如下步驟
Dl、按照步驟A1 A3實時采集交叉口西進口直行車道交通流信號波 形和綠燈相位波形；
D2、在晚高峰期間內(nèi)，該流向綠相長度根據(jù)交通流量自適應(yīng)調(diào)節(jié) 38s^g^44"則數(shù)據(jù)處理單元選擇時間片段長度為10s，將綠燈相位期間 交通流信號波形劃分為5個時間片段。計算各時間片段交通流向特征參量并構(gòu)造交通流向特征參量序列。
執(zhí)行步驟E具體包括如下步驟
El、數(shù)據(jù)處理單元在步驟D2所產(chǎn)生的交通流向特征參量序列中去掉
綠燈相位時間的第1和第5時間片段(分別稱前、后損失時間)，由第2 4時間片段的交通流向特征參量序列代入綠相狀態(tài)判別模型，構(gòu)造綠相狀
態(tài)判斷序列，如圖4所示；
E2、綠相狀態(tài)判斷序列中任意一個時間片段，若交通流向特征參量A, 滿足^e(^，&)，則該時間片段稱為飽和片段；反之，則稱為非飽和片 段；
E2、綠相狀態(tài)判斷序列中任意一個時間片段，若交通流向特征參量A, 滿足A 則該時間片段稱為飽和片段；反之，則稱為非飽和片
段；
E3、若某一綠相狀態(tài)判斷序列中沒有飽和片段或只有若干個不連續(xù)的 飽和片段，表示該交通流向車道內(nèi)沒有或只有少量積存的排隊車輛，車輛 可以快速通過交叉口 ，則稱該綠相狀態(tài)判斷序列為自由綠相；
E4、若某一綠相狀態(tài)判斷序列中連續(xù)的飽和片段數(shù)小于總片段數(shù)的 2/3，表示該交通流向車道內(nèi)積存的排隊車輛可以全部消散，則稱該綠相狀 態(tài)判斷序列為通暢綠相；
E5、若某一綠相狀態(tài)判斷序列中連續(xù)的飽和片段數(shù)大于總片段數(shù)的 4/5,表示該交通流向車道在綠燈相位時間一直處于消散排隊車輛的飽和流 狀態(tài)，甚至可能還會積存一部分排隊車輛等待下一個綠燈相位的到來，則 稱該綠相狀態(tài)判斷序列為飽和綠相。
E3、若某一綠相狀態(tài)判斷序列中沒有飽和片段或只有若干個不連續(xù)的 飽和片段，表示該交通流向車道內(nèi)沒有或只有少量積存的排隊車輛，車輛 可以快速通過交叉口，則稱該綠相狀態(tài)判斷序列為自由綠相；
E4、若某一綠相狀態(tài)判斷序列中連續(xù)的飽和片段數(shù)小于總片段數(shù)的 2/3，表示該交通流向車道內(nèi)積存的排隊車輛可以全部消散，則稱該綠相狀 態(tài)判斷序列為通暢綠相；
E5、若某一綠相狀態(tài)判斷序列中連續(xù)的飽和片段數(shù)大于總片段數(shù)的 4/5，表示該交通流向車道在綠燈相位時間一直處于消散排隊車輛的飽和流狀態(tài)，甚至可能還會積存一部分排隊車輛等待下一個綠燈相位的到來，則 稱該綠相狀態(tài)判斷序列為飽和綠相。 執(zhí)行步驟F具體包括如下步驟
Fl、數(shù)據(jù)處理單元將綠相狀態(tài)判斷序列代入交通流向狀態(tài)判別模型。 選擇連續(xù)三個綠相狀態(tài)判斷序列作為判別序列，得到西進口直行車道交通 流向狀態(tài)序列，如圖5所示
F2、若連續(xù)三個的自由綠相，則該交通流向為自由通行狀態(tài)； F3、若連續(xù)三個的自由綠相中包含若干個通暢綠相，則該交通流向為 通暢狀態(tài)；
F4、若連續(xù)三個的自由綠相或通暢綠相中包含若干個不連續(xù)的飽和綠 相，則該交通流向為輕度擁擠狀態(tài)；
F5、若連續(xù)三個的自由綠相或通暢綠相中包含連續(xù)二個飽和綠相，則 該交通流向為中度擁擠狀態(tài)；
F6、若連續(xù)三個的自由綠相或通暢綠相中包含連續(xù)三個飽和綠相，則 該交通流向為重度擁擠狀態(tài)；
F7、若綠相狀態(tài)判斷序列中包含了連續(xù)二個以上的非正常綠相狀態(tài)判 斷序列，很可能是由于下游路口重度擁擠或堵塞造成車輛排隊蔓延至本交 叉口使得交通秩序混亂，則該交通流向為堵塞狀態(tài)。
執(zhí)行步驟G具體包括如下步驟
Gl、交通狀態(tài)顯示單元采用冷色至暖色的顏色漸變，可視化地表示信 號控制路口通暢、擁擠、堵塞狀態(tài)下的車道服務(wù)水平。六種顏色代表六級 車道服務(wù)水平，如圖5所示
G2、藍色表示交通流向為自由通行狀態(tài)時，車道服務(wù)水平為A級； G3、淺藍色表示交通流向為通暢狀態(tài)時，車道服務(wù)水平為B級； G4、綠色表示交通流向為輕度擁擠狀態(tài)時，車道服務(wù)水平為C級； G5、黃色表示交通流向為中度擁擠狀態(tài)時，車道服務(wù)水平為D級； G6、橘黃色表示交通流向為重度擁擠狀態(tài)時，車道服務(wù)為水平E級； G7、紅色表示交通流向為堵塞狀態(tài)時，車道服務(wù)水平為F級。 圖6為城市中心區(qū)交叉口實施案例在工作日晚高峰時間段內(nèi) (17:00:00 19:30:00)的交通流向狀態(tài)序列表。
本發(fā)明方法適用利用交通實時數(shù)據(jù)分析進行的各種交通工程技術(shù)活動，如短時間尺度的交通信號控制、交通信息發(fā)布、交通流動態(tài)分配、車 輛路徑導(dǎo)航、緊急事件調(diào)度和城市交通運行管理，以及中長時間尺度的交 通組織、交通規(guī)劃、道路維護和道路改造計劃等城市道路交通管理及決策 活動。
上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上 述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改 變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明 的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、基于數(shù)據(jù)特征的城市信號控制路口交通狀態(tài)檢測和評價系統(tǒng)，其特征在于包括車輛狀態(tài)檢測單元、控制狀態(tài)監(jiān)測單元、信號采集單元、微處理單元、數(shù)據(jù)傳輸單元、數(shù)據(jù)處理單元、交通狀態(tài)顯示單元，其中車輛狀態(tài)檢測單元和控制狀態(tài)監(jiān)測單元并行與信號采集單元信號連接后，信號采集單元還與微處理單元、數(shù)據(jù)傳輸單元、數(shù)據(jù)處理單元、交通狀態(tài)顯示單元依次信號連接，所述微處理單元還與實時數(shù)據(jù)存儲單元信號連接，所述控制狀態(tài)監(jiān)測單元與交通信號燈信號連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)據(jù)特征的城市信號控制路口交通狀 態(tài)檢測和評價系統(tǒng)，其特征在于所述微處理單元包括在線傳輸實時交通 數(shù)據(jù)的接口電路，以及由便攜式電腦離線傳輸歷史數(shù)據(jù)的接口電路。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)據(jù)特征的城市信號控制路口交通狀態(tài)檢測和評價系統(tǒng)，其特征在于所述車輛狀態(tài)檢測單元為基于地點斷面 的車輛運動狀態(tài)的交通檢測器。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)據(jù)特征的城市信號控制路口交通狀 態(tài)檢測和評價系統(tǒng)，其特征在于所述控制狀態(tài)監(jiān)測單元為交通信號燈控 制狀態(tài)監(jiān)測電路。
5、 利用權(quán)利要求1 4任一項所述系統(tǒng)實現(xiàn)的基于數(shù)據(jù)特征的城市信 號控制路口交通狀態(tài)檢測和評價方法，其特征在于包括下述步驟——A、 在信號控制交叉口特定道路斷面采集持續(xù)時間不低于35天的實時 信號波形，構(gòu)造交通流特征參量；B、 對交通流特征參量進行信號濾波，獲取飽和交通流的樣本總體；C、 計算飽和交通流的樣本總體的均值、標準差和極值，作為飽和交 通流狀態(tài)判別函數(shù)；D、 實時檢測城市信號控制交叉口交通流向綠燈相位的信號波形，構(gòu) 造交通流向特征參量序列；E、 將交通流向特征參量序列代入綠燈相位狀態(tài)判別模型，構(gòu)造綠相 狀態(tài)判斷序列；F、 將綠相狀態(tài)判斷序列代入交通流向狀態(tài)判別模型，判斷交叉口交 通流向的交通狀態(tài)；G、可視化顯示信號控制交叉口的車道服務(wù)水平。
6、根據(jù)權(quán)利要求5所述基于數(shù)據(jù)特征的城市信號控制路口交通狀態(tài)檢測和評價方法，其特征在于所述步驟A包括如下具體步驟Al、在信號控制交叉口入口車道選擇距離停車線不大于20米的路段 設(shè)置交通檢測器；盡量避免在不同流向車輛行駛軌跡交匯處、或受掉頭車 輛影響的路段內(nèi)設(shè)置交通檢測器；A2、設(shè)置交通檢測器的交通檢測區(qū)域為沿車輛行駛方向的長度，以能 辨識每輛車運動軌跡為宜；A3、車輛狀態(tài)檢測單元采集車輛經(jīng)過交通檢測區(qū)域的交通流的實時信 號波形；控制狀態(tài)監(jiān)測單元采集交通信號燈的綠燈信號波形；選取采集時 間不低于5周/ 7天/ 24小時的連續(xù)檢測時間；A4、信號采集單元分別采集車輛狀態(tài)檢測單元和控制狀態(tài)檢測單元的 實時信號波形、綠燈信號波形，然后輸入微處理單元；A5、微處理單元對信號采集單元傳來的實時信號波形、綠燈信號波形 進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，并將預(yù)處理后的交通流和交通信號燈實時交通數(shù)據(jù)經(jīng)過 數(shù)據(jù)傳輸單元傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理單元，并同時保存到實時數(shù)據(jù)存儲單元；A6、實時數(shù)據(jù)存儲單元保存不少于7天的交通流和交通信號燈實時交 通數(shù)據(jù)，以備一旦數(shù)據(jù)傳輸單元出現(xiàn)故障后，由便攜式電腦接收實時數(shù)據(jù) 和歷史數(shù)據(jù)；A7、數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸單元傳來的數(shù)據(jù)構(gòu)造隨著交通密度變 化且具有穩(wěn)定極小值的車輛時距作為飽和交通流特征參量； 所述步驟B包括如下具體步驟Bl、數(shù)據(jù)處理單元對步驟A7產(chǎn)生的飽和交通流特征參量進行數(shù)據(jù)預(yù) 處理，去掉異常值，修復(fù)缺失值，產(chǎn)生有效特征參量；B2、數(shù)據(jù)處理單元對步驟B1產(chǎn)生的有效特征參量進行信號濾波，去 掉綠燈相位期間的非排隊車輛飽和流數(shù)據(jù)，獲取飽和交通流特征參量的樣 本總體。所述步驟C包括如下步驟Cl、數(shù)據(jù)處理單元將步驟B2的樣本總體按照工作日早高峰期、工作 日晚高峰期、工作日非高峰期、工作日晚間、周末白天、周末晚間劃分飽和交通流樣本子集；計算各樣本子集的均值&、標準差…和極小值JW^;C2、數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)各樣本子集的均值&、標準差。,和極小值M/", 計算飽和交通流樣本子集狀態(tài)判別函數(shù)判別函數(shù)下限=min{M/",.，(￡, -2CT,)}判別函數(shù)上限=《+2^7, 所述步驟D包括如下詳細步驟Dl、按照步驟A1 A3采集實時信號波形和綠燈相位波形；D2、數(shù)據(jù)處理單元在綠燈相位時間內(nèi)，將實時信號波形劃分為不少于5個時間片段，計算時間片段交通流向特征參量并構(gòu)造交通流向特征參量序列；所述步驟E包括如下詳細步驟El、數(shù)據(jù)處理單元在步驟D2所產(chǎn)生的交通流向特征參量序列中去掉 綠燈相位時間的第一個起步加速時間片段和最后一個可能的減速停車時 間片段，將剩余的時間片段作為綠相狀態(tài)判斷序列；E2、綠相狀態(tài)判斷序列中任意一個時間片段，若交通流向特征參量A, 滿足A 則該時間片段稱為飽和片段；反之，則稱為非飽和片段；E3 、若某一綠相狀態(tài)判斷序列中沒有飽和片段或只有若干個不連續(xù)的 飽和片段，表示該交通流向車道內(nèi)沒有或只有少量積存的排隊車輛，車輛 可以快速通過交叉口 ，則稱該綠相狀態(tài)判斷序列為自由綠相；E4、若某一綠相狀態(tài)判斷序列中連續(xù)的飽和片段數(shù)小于總片段數(shù)的 2/3，表示該交通流向車道內(nèi)積存的排隊車輛可以全部消散，則稱該綠相狀 態(tài)判斷序列為通暢綠相；E5、若某一綠相狀態(tài)判斷序列中連續(xù)的飽和片段數(shù)大于總片段數(shù)的 4/5，表示該交通流向車道在綠燈相位時間一直處于消散排隊車輛的飽和流 狀態(tài)，則稱該綠相狀態(tài)判斷序列為飽和綠相；所述步驟F包括如下詳細步驟Fl、數(shù)據(jù)處理單元將綠相狀態(tài)判斷序列依時間順序排列，滑動判斷交 叉口交通流向的交通狀態(tài)；考慮連續(xù)三個以上的綠相狀態(tài)判斷序列 F2、若連續(xù)三個以上的自由綠相，則該交通流向為自由通行狀態(tài)；F3、若連續(xù)三個以上的自由綠相中包含若干個通暢綠相，則該交通流 向為通暢狀態(tài)；F4、若連續(xù)三個以上的自由綠相或通暢綠相中包含若干個不連續(xù)的飽 和綠相，則該交通流向為輕度擁擠狀態(tài)；F5、若連續(xù)三個以上的自由綠相或通暢綠相中包含連續(xù)二個飽和綠 相，則該交通流向為中度擁擠狀態(tài)；F6、若連續(xù)三個以上的自由綠相或通暢綠相中包含連續(xù)三個飽和綠 相，則該交通流向為重度擁擠狀態(tài)；F7、若綠相狀態(tài)判斷序列中包含了連續(xù)二個以上的非正常綠相狀態(tài)判 斷序列，很可能是由于下游路口重度擁擠或堵塞造成車輛排隊蔓延至本交 叉口使得交通秩序混亂，則該交通流向為堵塞狀態(tài)；所述步驟G包括如下詳細步驟Gl、交通狀態(tài)顯示單元采用由冷色至暖色的顏色漸變，可視化地表示 信號控制路口通暢、擁擠、堵塞狀態(tài)下的車道服務(wù)水平。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述基于數(shù)據(jù)特征的城市信號控制路口交通狀態(tài) 檢測和評價方法，其特征在于步驟B2所述的非排隊車輛飽和流數(shù)據(jù)包 括綠燈相位期間起步加速數(shù)據(jù)、停車減速數(shù)據(jù)、高速行駛通過交叉口數(shù)據(jù)。
8、 根據(jù)權(quán)利要求6所述基于數(shù)據(jù)特征的城市信號控制路口交通狀態(tài) 檢測和評價方法，其特征在于步驟G1所述的交通狀態(tài)顯示單元采用由 冷色至暖色的顏色漸變，可視化地表示信號控制路口通暢、擁擠、堵塞狀 態(tài)下的車道服務(wù)水平，其具體表示方法是用六種顏色代表六級車道服務(wù)水 平，即G2、藍色表示交通流向為自由通行狀態(tài)時，車道服務(wù)水平為A級； G3、淺藍色表示交通流向為通暢狀態(tài)時，車道服務(wù)水平為B級；G4、綠色表示交通流向為輕度擁擠狀態(tài)時，車道服務(wù)水平為C級；G5、黃色表示交通流向為中度擁擠狀態(tài)時，車道服務(wù)水平為D級； G6、橘黃色表示交通流向為重度擁擠狀態(tài)時，車道服務(wù)為水平E級； G7、紅色表示交通流向為堵塞狀態(tài)時，車道服務(wù)水平為F級。
9、 根據(jù)權(quán)利要求5 8任一項所述的基于數(shù)據(jù)特征的城市信號控制路 口交通狀態(tài)檢測和評價方法的應(yīng)用，其特征在于用于利用交通實時數(shù)據(jù)分析進行的各種交通工程技術(shù)活動。
10、根據(jù)權(quán)利要求9所述的應(yīng)用，其特征在于所述交通工程技術(shù)活 動為短時間尺度的交通信號控制、交通信息發(fā)布、交通流動態(tài)分配、車輛 路徑導(dǎo)航、緊急事件調(diào)度和城市交通運行管理，以及中長時間尺度的交通 組織、交通規(guī)劃、道路維護和道路改造計劃等城市道路交通管理及決策活 動。
全文摘要
本發(fā)明提供基于數(shù)據(jù)特征的城市信號控制路口交通狀態(tài)檢測和評價系統(tǒng)及其方法與應(yīng)用，本發(fā)明系統(tǒng)包括車輛狀態(tài)檢測單元、控制狀態(tài)監(jiān)測單元、信號采集單元、微處理單元、數(shù)據(jù)傳輸單元、數(shù)據(jù)處理單元、交通狀態(tài)顯示單元，其中車輛狀態(tài)檢測單元和控制狀態(tài)監(jiān)測單元并行與信號采集單元信號連接后，信號采集單元還與微處理單元、數(shù)據(jù)傳輸單元、數(shù)據(jù)處理單元、交通狀態(tài)顯示單元依次信號連接，所述微處理單元還與實時數(shù)據(jù)存儲單元信號連接，所述控制狀態(tài)監(jiān)測單元與交通信號燈信號連接。本發(fā)明方法適用利用交通實時數(shù)據(jù)分析進行的各種交通工程技術(shù)活動，具有直觀明了、易于應(yīng)用、判斷準確性高、適用范圍廣的優(yōu)點。
文檔編號G08G1/01GK101419750SQ200810198919
公開日2009年4月29日 申請日期2008年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月28日
發(fā)明者葉麗萍, 翁小雄 申請人:華南理工大學(xué)