一種基于轉(zhuǎn)向系數(shù)的交通流模擬及預(yù)測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于智能交通領(lǐng)域，涉及一種交通流預(yù)測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，越來(lái)越多的機(jī)動(dòng)車輛出現(xiàn)在道路上，交通擁堵現(xiàn)象日益嚴(yán) 重。為了應(yīng)對(duì)愈發(fā)惡劣的交通環(huán)境，智能交通系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。如何解決交通擁堵和交通安 全問(wèn)題，是智能交通系統(tǒng)的研究重點(diǎn)。其中，獲取準(zhǔn)確、及時(shí)的交通流信息是智能交通系統(tǒng) 成功的關(guān)鍵，它能幫助道路使用者做出更好的出行決策，同時(shí)能幫助交通管理者做出更好 的交通管控方案，提高路網(wǎng)的使用效率。因此，如何快速準(zhǔn)確地對(duì)交通流進(jìn)行預(yù)測(cè)成為智能 交通領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。交通流預(yù)測(cè)主要是通過(guò)交通歷史數(shù)據(jù)構(gòu)建流量預(yù)測(cè)模型，根據(jù)模型 對(duì)流量進(jìn)行預(yù)測(cè)，其中預(yù)測(cè)模型是交通流預(yù)測(cè)的關(guān)鍵，對(duì)預(yù)測(cè)精度有直接影響，如何構(gòu)建準(zhǔn) 確的預(yù)測(cè)模型是交通流預(yù)測(cè)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。
[0003] 現(xiàn)有的交通流預(yù)測(cè)方法主要有歷史平均法、最小二乘法、非參數(shù)方法等，這些方法 操作簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)方便，但基本只考慮了單一數(shù)據(jù)類型（例如當(dāng)前路段的實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)）， 未能挖掘道路之間的空間規(guī)律；另外，這些方法的預(yù)測(cè)實(shí)效性不高，對(duì)于簡(jiǎn)單穩(wěn)定的道路有 較好的預(yù)測(cè)結(jié)果，但對(duì)于復(fù)雜且交通流不穩(wěn)定的道路，預(yù)測(cè)精度較低；最后，這些方法對(duì)于 流量多步預(yù)測(cè)不具魯棒性，預(yù)測(cè)步數(shù)增多，準(zhǔn)確性大幅降低。因此，為了提高預(yù)測(cè)精度，克服 上述方法的不足，需要引入新的方法模型對(duì)交通流進(jìn)行預(yù)測(cè)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服已有交通流預(yù)測(cè)方法的預(yù)測(cè)的精度、穩(wěn)定性和實(shí)效性較差的不足，本發(fā) 明提供了一種有效提高預(yù)測(cè)的精度、穩(wěn)定性和實(shí)效性的基于轉(zhuǎn)向系數(shù)的交通流模擬及預(yù)測(cè) 方法
[0005] 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：
[0006] 一種基于轉(zhuǎn)向系數(shù)的交通流模擬及預(yù)測(cè)方法，所述預(yù)測(cè)方法包括如下步驟：
[0007] 步驟1 :采集一段時(shí)間內(nèi)的卡口過(guò)車記錄數(shù)據(jù)，包括卡口號(hào)、車輛通過(guò)卡口的時(shí)間 和車牌號(hào)碼，定義目標(biāo)路口西向東方向卡口為K，直行卡口、左轉(zhuǎn)卡口、右轉(zhuǎn)卡口分別為KO、 KU K2,目標(biāo)路口北向南方向卡口為K3,南向北方向卡口為K4,路口西向東方向左轉(zhuǎn)向北、 右轉(zhuǎn)向南、直行向東的過(guò)車記錄通過(guò)卡口 KO得到；
[0008] 步驟2 :數(shù)據(jù)預(yù)處理，剔除未能識(shí)別車牌的數(shù)據(jù)；
[0009] 步驟3 :計(jì)算路口轉(zhuǎn)向系數(shù)
[0010] 設(shè)卡口 KO -段時(shí)間內(nèi)的過(guò)車記錄經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理后有N。輛車，這N。輛車在目標(biāo) 路口有左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、直行三種行進(jìn)方案，通過(guò)查找這N。輛車的下一條過(guò)車記錄判斷其所在的 位置：若下一條過(guò)車記錄在卡口 K，則說(shuō)明車輛是直行；若下一條過(guò)車記錄在卡口 K3,則說(shuō) 明車輛是右轉(zhuǎn)；若下一條過(guò)車記錄在卡口 K4,則說(shuō)明車輛是左轉(zhuǎn)；求得卡口 KO在十字路口 的車輛轉(zhuǎn)向系數(shù)：
[0014] 其中，NQ straight、NUeft、N2_"ghA1U表示經(jīng)過(guò)卡口 KO后直轉(zhuǎn)、卡口 Kl后左轉(zhuǎn)、卡口 K2后右轉(zhuǎn)的車輛數(shù)，PQ_straight、Pl lrft、P1^lght分別表示車輛直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)的概率；
[0015] 步驟4 :路段流量建模，卡口 K監(jiān)測(cè)路段的流量計(jì)算為：
[0016] N(K) = Nstralght+Nleft+Nright (4)
[0017] 其中，Nstralght為經(jīng)過(guò)卡口 KO的車輛中直行的車輛數(shù)，Nleft為經(jīng)過(guò)卡口 Kl的車輛中 左轉(zhuǎn)的車輛數(shù)，N"ght為經(jīng)過(guò)卡口 K2的車輛中右轉(zhuǎn)的車輛數(shù)，根據(jù)步驟3中求得的三個(gè)卡口 在十字路口的轉(zhuǎn)向系數(shù)，卡口 K監(jiān)測(cè)路段的流量表示為：
[0018] N(K) -P。-straight X Nt^P1Jeft X NjP2Jight X N2 (5)
[0019] 其中，Pl left是經(jīng)過(guò)卡口 Kl后左轉(zhuǎn)的概率，N i是卡口 Kl在一段時(shí)間內(nèi)檢測(cè)的車輛 數(shù)；P2_"ght是經(jīng)過(guò)卡口 K2后右轉(zhuǎn)的概率，N2是卡口 K2在一段時(shí)間內(nèi)檢測(cè)的車輛數(shù)；
[0020] 步驟5 :根據(jù)路段流量模型對(duì)流量進(jìn)行預(yù)測(cè)，過(guò)程如下：
[0021] (5. 1)根據(jù)近鄰計(jì)算Z的局部重建權(quán)值矩陣Z'，根據(jù)步驟3中求得的轉(zhuǎn)向系數(shù)數(shù) 組Z，利用局部線性重構(gòu)方法找出Z的關(guān)聯(lián)轉(zhuǎn)向系數(shù)矩陣，局部線性重構(gòu)方法如下所示：
[0022] Stepl :計(jì)算樣本近鄰，以Z的每行為一個(gè)樣本，計(jì)算任意兩個(gè)樣本的歐式距離，找 出K個(gè)最小距離樣本為K個(gè)近鄰樣本；
[0023] Step2 :計(jì)算重構(gòu)權(quán)值，重構(gòu)目標(biāo)是

，其中Z1為第i個(gè)樣本，N為樣本總數(shù)，Z u為樣本X1的第j個(gè)近鄰，近鄰總數(shù) 為K，為第j個(gè)近鄰的權(quán)重，ε (E)為誤差，重構(gòu)權(quán)值為
第j個(gè)近鄰的權(quán)值，其4
是兩個(gè)近鄰樣本的協(xié)方差，Q1是一個(gè) KXK的局部協(xié)方差矩陣，對(duì)其正則化處理：Q1=Q1+ΘΙ，其中，I為KXK的單位矩陣，Θ為 正則化系數(shù)；
[0024] Step3 :計(jì)算局部重建權(quán)值矩陣，根據(jù)stepl和step2,得到Z的最后一個(gè)樣本的K 個(gè)近鄰，其局部重建權(quán)值矩陣為：
[0026] 其中Pl left l, Pl left 2，…，Pueftji為經(jīng)過(guò)卡口 Kl后左轉(zhuǎn)的K個(gè)重構(gòu)樣本，
[0027] W1, w2，…，wK為重構(gòu)權(quán)值；
[0028] (5.2)求目標(biāo)路段流量歷史均值，以轉(zhuǎn)向系數(shù)所在時(shí)間段的下一時(shí)間段為采樣 時(shí)段，構(gòu)造該時(shí)間段連續(xù)多天的車流量數(shù)組，以數(shù)組的均值作為該時(shí)間段的流量值：Nhls = avg(N1 (K), N2(K), -,Nn(K)) (7)
[0029] 其中，N1 (K)，Ν2(Κ)，"·，Νη(K)為卡口 K監(jiān)測(cè)路段連續(xù)η天每天同一時(shí)間段的車流 量，avg〇是求均值函數(shù)；
[0030] (5. 3)構(gòu)造流量預(yù)測(cè)權(quán)值函數(shù)，某時(shí)段的路段車流量根據(jù)該時(shí)段的歷史車流量和 前一時(shí)段路口三個(gè)方向的轉(zhuǎn)向系數(shù)計(jì)算得到，設(shè)路段歷史狀態(tài)權(quán)重為P1，路口的轉(zhuǎn)向系數(shù) 權(quán)重為P 2，以卡口 K監(jiān)測(cè)路段為目標(biāo)，則該路段某時(shí)段的車流量預(yù)測(cè)值為：
[0037] P JP P 2是可調(diào)整型自適應(yīng)參數(shù)，滿足p I+P 2= 1，初始取P 1= 〇，P 2= 1，以 0. 05為間隔，p i每次加0. 05直到值為1，P 2每次減0. 05直到值為0,取預(yù)測(cè)值與真實(shí)值最 接近的組作下一個(gè)時(shí)段預(yù)測(cè)參數(shù)，根據(jù)式（8)迭代可預(yù)測(cè)出路段多個(gè)時(shí)間段后的車流量：
[0039] 其中，t為第t個(gè)時(shí)間槽，t+Ι為其后的一個(gè)時(shí)間槽，多步預(yù)測(cè)時(shí)，需要先預(yù)測(cè)K0、 KU K2三個(gè)卡口第一個(gè)時(shí)間槽的流量，再根據(jù)預(yù)測(cè)值預(yù)測(cè)目標(biāo)路段第二個(gè)時(shí)間槽的流量。
[0040] 進(jìn)一步，所述預(yù)測(cè)方法還包括以下步驟：
[0041] 步驟6 :計(jì)算預(yù)測(cè)精確度。將預(yù)測(cè)結(jié)果與真實(shí)值進(jìn)行比較，可得到預(yù)測(cè)精度：
[0043] 其中，Nt_為預(yù)測(cè)時(shí)段的真實(shí)流量值，ε為預(yù)測(cè)精度。
[0044] 再進(jìn)一步，所述步驟2中，剔除規(guī)則如下：
[0045] (2. 1)若車牌號(hào)碼數(shù)據(jù)為'NULL'或'未識(shí)別'，則去掉該條數(shù)據(jù)；
[0046] (2. 2)若車牌號(hào)碼數(shù)據(jù)長(zhǎng)度小于6位，則去掉該條數(shù)據(jù)；
[0047] (2. 3)若車牌號(hào)碼數(shù)據(jù)長(zhǎng)度大于10位，則去掉該條數(shù)據(jù)。
[0048] 本發(fā)明中，為了提高流量預(yù)測(cè)的精度、穩(wěn)定性和實(shí)效性，挖掘道路之間的空間規(guī) 律，本發(fā)明提出了一種基于轉(zhuǎn)向概率的交通流模擬和預(yù)測(cè)方法，該方法通過(guò)對(duì)卡口過(guò)車記 錄數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，計(jì)算路口的轉(zhuǎn)向概率，根據(jù)轉(zhuǎn)向概率對(duì)路段流量進(jìn)行建模，通過(guò)模擬 模型和路段歷史狀態(tài)建立流量預(yù)測(cè)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)。本發(fā)明考慮道路間的空間關(guān)系，消除了 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定性，預(yù)測(cè)精度較高，且多步預(yù)測(cè)效果顯著。
[0049] 本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：（1)適用性強(qiáng)。本發(fā)明方法是基于卡口過(guò)車記錄 數(shù)據(jù)，能適用于任何卡口監(jiān)測(cè)路段。（2)可行性強(qiáng)。只需要給定卡口歷史過(guò)車記錄數(shù)據(jù)，就 能根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練得到預(yù)測(cè)模型。（3)實(shí)效性高。本發(fā)明方法挖掘空間和時(shí)間規(guī)律，能用 于復(fù)雜和交通流不穩(wěn)定的道路。（4)計(jì)算速度快。本發(fā)明方法復(fù)雜性低，操作簡(jiǎn)單，對(duì)于幾 百萬(wàn)條數(shù)據(jù)，計(jì)算時(shí)間為秒級(jí)。（5)預(yù)測(cè)精度高。本發(fā)明方法通過(guò)挖掘時(shí)間和空間規(guī)律，消 除動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的隨機(jī)不穩(wěn)定性，降低預(yù)測(cè)誤差，提高了預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。
【附圖說(shuō)明】
[0050] 圖1是基于轉(zhuǎn)向系數(shù)的交通流模擬及預(yù)測(cè)方法的流程圖。
[0051] 圖2是路口卡口布設(shè)圖。
[0052] 圖3是目標(biāo)路段路網(wǎng)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0053] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
[0054] 參照?qǐng)D1~圖3,一種基于轉(zhuǎn)向系數(shù)的交通流模擬及預(yù)測(cè)方法，包括如下步驟：
[0055] 步驟1 :采集一段時(shí)間內(nèi)的卡口過(guò)車記錄數(shù)據(jù)，包括卡口號(hào)、車輛通過(guò)卡口的時(shí) 間、車牌號(hào)碼等信息。
[0056] 步驟2:數(shù)據(jù)預(yù)處理，由于環(huán)境、設(shè)備自身故