第六章交通流诱导系统

第六章交通流诱导系统 • 第一节概述 • 第二节城市交通流诱导系统结构框架 • 第三节最优路径选择模型及其算法 • 第四节小结

6.1 概述 • 交通流诱导：通过提供道路交通信息、路线引导、辅助驾驶等手段，来限定、引导、组织交通运输流。 • 目的：方便出行，缓解拥堵。 • 交通诱导技术是正确引导道路使用者顺利到达目的地、实现交通流优化、避免交通阻塞、更有效的管理现代交通的一种技术。

6.1 概述 • 交通流诱导系统的起源 • 交通诱导系统产生的背景：日益严重的交通拥堵。 • 交通流诱导系统的历程：从静态系统到动态系统。 • 静态诱导系统：用记录的交通状况的历史数据作为诱导依据。 • 动态诱导系统：用实时的交通流数据作为诱导依据。 • 静态诱导系统研究始于20世纪70年代。 • 特征：使用静态的标志牌指引道路；使用记录交通状况的历史数据库或者地理信息系统(数字地图)进行路线引导。

6.1 概述

6.1 概述 • 静态诱导系统虽然可以指路，但是，并不能反映情况变化。 • 为此，开发了动态交通诱导系统。也就是说，根据当前交通状况进行诱导。 • 作为出行者，需要哪些方面的交通诱导呢？ • 路怎么走 • 路堵不堵 • 车怎么停要解决的问题： • 车在哪里？——车辆定位 • 目的地在哪里？——电子地图 • 怎么走更合理？——交通量检测，路径计算 • 停车场有没有停车位？——车辆检测 • 诱导后交通不能堵塞——动态交通分配

6.1 概述 • 要解决交通的诱导问题就必须解决动态和随机的交通流量在路段和交叉路口的分配问题，即所谓的“实时动态交通分配（Real Time—Dynam1c Traffic Assignment) • 这理论的主要功能是：预测交通运输系统状况、提供道路引导系统、引导车辆在最佳线路上行驶、为出行者提供出发时间和选择方式、提供诱导系统与交通控制系统的相互联系、为先进的交通管理系统和交通信息系统提供重要的理论基础。 • 可见，动态交通诱导，既需要相关的硬件系统、软件系统，又需要相关的数学理论。

6.1 概述 • 动态交通诱导硬件系统主要由3部分组成： • (1)交通信息中心。这是动态诱导系统的核心。该系统中硬件系统是由计算机和各种通信设备组成，主要功能是从各种信息源获得实时交通信息，并处理成用户需要的数据形式； • (2)通信系统。负责完成车辆和交通信息中心的数据交换。信息中心通过通信系统向所有车辆不断发送实时交通状况数据，包括路段行程时间、交通事件以及其他相关数据； • (3)车载诱导单元。车载诱导设备主要由计算机、通信设备和车辆定位设备组成。定位设备为GPS接收机或信标信号接收机及速度、方向传感器等其他定位设备。该模块的功能是接收、储存和处理交通信息，为驾驶人员提供良好的人机界面，方便驾驶人员输入信息和获得诱导指令。

6.1 概述 • 国外动态交通诱导系统的发展情况 • 日本 • 动态交通诱导系统的研究最早开始于20世纪70年代中期的日本，首先进行了基于FR射频通信的车载动态诱导系统的开发试验，并得到了可以减少13％行程时间的结论，但是由于受当时技术、经济等因素的限制该研究项目没有继续下去。 • 在20世纪80年代又相继进行了道路车辆通信系统(nACS)和高级车辆交通信息与通信系统(AMTlC)的研究，20世纪1990年开始的VICS(Vehicle lnformation and Communication System)项目则是世界上第一个全国统一的车辆信息与通信系统。

6.1 概述 • 日本的交通诱导系统(DRGS)是其通用交通管理系统的一个重要子系统。它的发展计划包括三个阶段： • a)第一阶段(1995-l997年) • 1996年3月在东京和神奈川县建立了4平方公里的实验区，约有200条线路可供选用。在实验区内建造带有双向红外线通信功能的交互式DRGS，对DRGS的功能进行全面试验，其重点在于线路引导信息的实时提供问题。 • b)第二阶段(1998-2000年) • DRGS向每一辆车提供优化线路信息，但还无法保证所有车辆运行效果的总体最优。DRGS在大城市开始发展，车载单元逐渐普及。

6.1 概述 • c)第三阶段(2001年以后) • DRGS向所有车辆提供优化线路信息，使车辆处于总体最佳运营状态。优化线路引导是交通流优化的前提，按优化线路提供的方式，DRGS可分为两类独立型LDRG(现场确定的线路引导)和CDRG（控制中心确定的线路引导)。LDRG使车载单元能够选择车辆自身的优化线路(它只使用车载数据)，但是只使用此项技术就有可能使许多车辆都选择同一条线路，造成新的交通阻塞。相反，当车载单元广泛使用时，CDRG就能合理分配交通流，对未来的交通条件进行预测。因此DRGS的发展方向是建立由控制中心分配交通流的系统即交互式DRGS。

6.1 概述 • 我国动态交通诱导系统的发展情况 • 我国的一些大城市，包括北京、上海、南京、沈阳、长春等大城市都建立了交通诱导广播系统。道路上的交通信息由车辆检测设备和摄像机镜头自动采集并持续不断地送到交通指挥中心，经计算机处理后的结果自动传送到交通广播电台的监视终端和打印机上，再由播音员每隔一定时间或随时予以播出。 • 这是动态交通诱导的初级形式，其诱导效果是很有限的，而车载分布式诱导系统或单车自主式诱导系统还未见报导。

6.1 概述 • 研究动态交通诱导系统的意义 • 发达国家的交通诱导系统起到了方便陌生出行者出行、缓解交通拥挤的目的，受到了用户的欢迎。但也应该看到，一方面受经济水平、技术水平和交通特点的限制，其研究开发的成果不可能直接应用于我国的道路交通系统；另一方面，发达国家目前也仅实现了以历史数据为依据的诱导，而基于实时动态交通信息的、更为实用的诱导功能尚在研究开发之中；此外，由于我国的道路基础设施较差，而社会对交通的需求发展迅猛，因此为了缓解交通供应与交通需求的矛盾，研究开发符合国情的动态交通诱导系统，最大限度地提高运输网络的使用效率具有重大意义。

6.2 城市交通流诱导系统结构框架 • 城市交通诱导系统结构框架 • 城市交通诱导系统包括： • 交通流信息采集与处理子系统； • 车辆定位子系统； • 交通信息服务子系统； • 行车路线优化子系统。

6.2 城市交通流诱导系统结构框架

6.2 城市交通流诱导系统结构框架 • (1) 交通流采集子系统 • 城市安装自适应交通信号控制系统(如SC00T等系统)是实现交通诱导的前提条件。这个子系统包括两个关键词：一个是交通信号控制应是实时自适应交通信号控制系统，另一个是接口技术的研究，即把获得的网络中的交通流传送到交通流诱导主机，利用实时动态交通分配模型和相应的软件进行实时交通分配，滚动预测网络中各路段和交叉口的交通流量，为诱导提供依据。

6.2 城市交通流诱导系统结构框架 • (2)车辆定位子系统 • 车辆定位子系统的功能是确定车辆在路网中的准确位置。车辆定位技术主要有以下几种方法: • a)地图匹配(Map Matching)定位方法 • 这种技术是确定车辆在带有街道名称和地址名称的地图中位置的相关技术。车辆的行驶路线同道路网格的图形相关，利用具有确定性的坐标确定车辆位置。这种技术通常与其它技术匹配，利用数字道路地图修正车辆的定位误差及协调车辆的位置。

6.2 城市交通流诱导系统结构框架 • b)推算定位(Dead-Recking)方法 • 这种方法是根据测量到的车辆位移和航向进行定位的技术。它使用电子罗盘、速度陀螺仪、里程表、速度表及车轮脉；传感器，由这些传感器传来的信号推算出车辆的行驶距离、速度及行驶的方向。在短时问内．这种方法的定位精度较高，但时间长了会产生累积误差。 • C)全球定位系统(GPS) • 由GPS接受机接受至少来自四颗卫星的信号，以确定车辆的位置。

6.2 城市交通流诱导系统结构框架 • (3) 交通信息服务子系统 • 交通信息服务子系统是交通诱导系统的重要组成部分，它把主机运算出来的交通信息(包括预测的交通信息)通过各种传播媒体传送给公众。这些媒体包括有线电视、联网的计算机、收音机、路边的可变信息标志和车载的信息系统等。 • (4)行车路线优化子系统 • 行车路线优化子系统的作用是依据车辆定位子系统所确定的车辆在网络中的位置和出行者输入的目的地，结合交通数据采集子系统传输的路网交通信息，为出行者提供能够避免交通拥挤、减少延误及高效率到达目的地的行车路线。在车载信息系统的显示屏上给出车辆行驶前方道路网状况图，并用箭头线标示建议的最佳行驶路线。

6.2 城市交通流诱导系统结构框架 • d)惯性导航系统(INS) • 惯性导航系统一般包括3只加速度表和3只陀螺仪，这种技术具有很高精度水平的高速捕获数据的能力，但这种技术同推算定位方法一样会产生累积误差，时间长了精度会随之降低，所以需要配以辅助的传感器，如GPS等。 • e)路上无线电频率(TRF) • 使用TRF技术的系统从分布在系统运行区域内一定数量的信号标杆中接受无线电信号，来自同位置信号的交叉作用决定了车辆的精确位置。

6.2 城市交通流诱导系统结构框架 • 北京市快速路交通流信息实时检测系统 • 北京市快速路交通流信息实时检测系统始建于1999年，经过九年的建设发展，目前系统已覆盖二、三、四、五环路及15条快速路（京昌、机场、机场北线、京通、京承、京沈、京津塘、京开、京石、莲石、西外、万泉河路、学院路、通惠河北路、丰北路），检测断面520个，安装各类检测器764台。 • 多年来，北京市快速路交通流信息实时检测系统为管理部门的信息统计、查询和领导决策、管理规划和快速路控制提供了大量的基础数据，为指挥调度提供了可靠依据，同时面向公众发布动态交通诱导信息，对缓解拥堵发挥了积极的作用，取得了优良的社会效果。 • 北京市快速路交通流信息实时检测系统已成为目前国内规模最大、应用效果最好的交通信息检测系统。

6.2 城市交通流诱导系统结构框架 • 安装在京昌高速公路的安装在北三环的交通流信息检测设备 • 交通流信息检测设备

6.2 城市交通流诱导系统结构框架 • 安装在学院路的交通流信息检测设备

6.2 城市交通流诱导系统结构框架 • 安装在四环路的交通流信息检测设备

6.2 城市交通流诱导系统结构框架 • 交管局指挥中心控制系统

6.2 城市交通流诱导系统结构框架

6.3 最优路径选择模型及其算法 • 在交通网络中出行者选择优化路径的准则不同决定了采取 • 不同类型的动态交通分配。 • 最优路径选择是每个出行者都要面对的问题在网络系统中最优路径选择就其本质而言，就是选取合适的路阻函数，将路网合理地优化，再选择合适的算法计算出满足一定条件的最佳路径。 • 解决这一问题，已经有许多优秀的算法如 Dirkstra算法、Floyd算法等。但这些算法都是通用的算法，没有考虑到实际出行特点和缓解城市交通拥挤的问题。

6.3 最优路径选择模型及其算法 • TC-B Method流程图

6.3 最优路径选择模型及其算法 • 如果把整个路网中的所有路段都投入搜索，则必然浪费了大量的计算时间，而且其结果也常常不能为司机所接受。这就要求我们从另一个角度来考虑问题——优化路网结构。 • 按照出行特点，根据对路网的了解对路网进行划分，改进搜索最优路径的路网结构，从而达到快速而实用地搜索到最优路径，这就是基于出行者特点的方法（Traveler Character-Based Method，TC-B Method）。 • 最优路径有时不能满足用户的特殊要求，这就要我们在城市交通流车载诱导系统中提供备选路径。 • 在TC-B Method划分的路网里，备选路径与最优路径的差别不会仅仅在于小区里的路段不同，已有的备选路径算法有消除方法和k条最优路径算法等，这些算法都没有充分利用这一点。

6.3 最优路径选择模型及其算法 • 消除方法虽然考虑到备选路径与最优路径的差异，但是其考虑很不周到，过分依赖于所谓司机敏感的某一“特殊”路段； • k条最优路算法在理论上看起来十分完美，但其结果是所用广义费用的绝对意义上的第k条最优路径，备选路径常常与最优路径极其相似。 • TC-B Method认为：计算备选路径时，必须在主要道路上将其与最优路径区分开来。基于此在主要道路上改变备选路径与最优路径的相似性，而不是在整个路网里。这样根据备选路径的特点进一步简化搜索的路网，同时确定合适的算法以保证备选路径与最优路径的差异，从而得到了计算备选路径的一种有效算法。

6.3 最优路径选择模型及其算法 • TC-B Method的理论依据和特点 • TC-B Method按照远距离出行者倾向于走主要道路的特点，根据路网的具体情况将路网分为两级主要道路和次要道路。根据居民出行调查和驾驶员问卷调查，将驾驶员和居民出行常走的道路定为主要道路，主要道路把城市路网划分成若干小区，小区内部的道路定为次要道路。

6.3 最优路径选择模型及其算法

6.3 最优路径选择模型及其算法 • TC-B Method的特点 • 根据交通调查和专家分析，把城市路网划分成主要道路网和次要道路网，搜索最优路径和备选路径时，根据驾驶员的OD首先进行合理的路网重组，再调用通用的最短路径搜索算法进行路径搜索。以提高路径搜索速度。 • TC-B Method是一个开放的方法，具有可替换的广义路阻和通用最优路搜索算法，这样当广义路阻的研究随着更深入和更优秀的通用最优路搜索算法出现时，TC-B Method可以得到进一步的发展。

6.3 最优路径选择模型及其算法 • TC-B Method采用可变的广义的行程时间作为路径搜索标准，路阻确定模块会根据交通流诱导方案、目的和交通控制方案，赋予路段不同的阻值，从而达到诱导交通流的目的，本次课题中采用理论组研究的快速准确的预测行程时间作为路阻，实现了准用户最优的诱导目的。

6.3 最优路径选择模型及其算法 （1）路网划分路网划分是TC-B Method的关键，路网划分的好坏直接影响到方法执行的效果。建立路网的关键是确定主要道路，由于主要道路网在绝大多数路径搜索过程中都要用到（也有少数退化情况），因此，其规模的大小很重要，太小则可能导致结果误差大；太大就会增加计算量。

6.3 最优路径选择模型及其算法 • 专家评估 • 根据有关专家对路网的了解，选择居民出行倾向大的路径作为主要道路。 • 实际调查 • 实际调查内容包括查看路网资料和询问司机等。确定主要道路依据的路网资料有：交通流量和公交路线的分布情况等。

6.3 最优路径选择模型及其算法 • 兼顾道路的等级。一般来说，城市路网中的主要道路应并入主要道路网； • 根据道路网的疏密程度，在道路网密度大的地区（如市中心），可将一些次路作为主要道路； • 应避免出现过于狭长的小区，这样可能导致错误的结果。如下图所示，黑点所示两地的最短路径搜索必然失败。

6.3 最优路径选择模型及其算法 • （2）路网的组织和调用形式 • 方法一 • 将主要道路网及各小区的任两点间的最短路距离及相对应的最短路径都预先计算出来，编成数据库，搜索最优路径及各选路径时，只要调入相关小区的库文件，按小区间不同的出入口，把行经各小区的行程时间迭加起来，再搜索出总行程时间最小的路径所对应的路段即可。

6.3 最优路径选择模型及其算法 • 方法二 • 将主要道路网及各小区的路网信息（交叉口）编成数据库，计算最优路径及备选路径时调入相关小区的库文件，把各小区的交叉口合并起来，形成简化路网，在简化的路网里搜索最优路径及备选路径。

6.3 最优路径选择模型及其算法 （3）路网节点的确定 • 路网节点的确定方法: • 1）小区中所有的交叉口都作为小区路网的节点； • 主要道路网的节点不仅包括各小区的交点，如下图所示，黑点为小区的交点，且是全体主要道路的相邻交叉口的集合； • 2）小区边界上的交叉口，即同时还属于主要道路网的交叉口，应作有标记。

6.3 最优路径选择模型及其算法 （4）选择计算最优路径和备选路径的通用算法 • 计算最优路径的通用算法计算最优路径的通用算法有很多，选用时应根据目的的不同合理地选用。我们所求的最优路径是确定两点之间的最短距离，而且经TC-B Method简化的搜索路网节点数目不大（通常少于15min），因此，选用算法复杂性优越的Dirkstra算法

6.3 最优路径选择模型及其算法 • 计算备选路径的常用算法计算备选路径的常用算法有：路段消除方法、k条最优路算法。路段消除算法通过消除替换最优路径中的部分路段以寻求备选路径。这一算法的突出优点是它的简便性——备选路径可以像最优路径一样容易地确定出来。缺点是消除路段难以确定，多数情况下，出行者也许不会对某一路段表示“不满意”

6.3 最优路径选择模型及其算法 • k条最优路算法不仅结果常常不能满足要求，而且它的优势在当k=2时体现不出来。当k=2时，所求路径为次最短路。次最短路就是除最短路以外所有路径中的最短路，因此，在找到最短路后，用穷举法把最短路中每一条路段从路网中除去（把它的路阻设为无穷大），运用Dirkstra算法求出相应的最短路，这样，就得到一组最短路，其中最小的路径就是次最短路。 • 通常有k<n，因此运用Dirkstra算法要比k条最优路算法优越得多

6.4 小结 • 城市交通诱导系统包括交通流信息采集与处理子系统；车辆定位子系统；交通信息服务子系统；行车路线优化子系统。 • 交通信息服务子系统是交通流诱导系统的主要组成部分，它可以把主机运算出来的动态交通信息通过各种传播媒介及时地传送给公众。 • 这些媒介包括有线电视、联网的计算机、收音机、电话亭、路边的可变标牌和车载的接收装置等，使出行者在家中、在路上都可以得到交通诱导信息。 • 为出行者提供能够避免拥挤、减少延误、快速到达终点的行车路线，在车载计算机的屏幕上显示出车辆行驶前方的交通状况，并以箭头线标示所建议的最佳行驶路线。

第六章 交通流诱导系统