CN103198666B - 一种基于固定翼航模的公路交通流空间平均车速观测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于固定翼航模的公路交通流空间平均车速观测方法，应用具备特定功能的固定翼航空模型定高、匀速、逆车流方向飞行，搭载照相设备间隔特定时间拍摄车流照片。提取所需测算空间的照片，统计相邻两张照片车辆变化数，求取相对车流量、车流密度、时间间隔、相对速度等数据，进而计算得出空间平均车速。本发明观测方法简单快捷，观测结果合理可靠，可解决现有方法无法直接测算空间平均车速的问题。

Description

一种基于固定翼航模的公路交通流空间平均车速观测方法

技术领域

本发明涉及一种公路交通流空间平均车速观测方法。

背景技术

空间平均车速是指在某一特定瞬间，行使于道路某一特定长度内的全部车辆的车速分布的平均值。空间平均车速是道路规划设计中的一项重要控制指标，又是车辆运营效率的一项主要评价指标，对于运输经济、安全、迅捷、舒适具有重要意义。

由于同一时刻道路空间上所有车辆处于不同位置，传统方法难以同时测定所有车辆的各自速度，因此通常选用地点车速(通过某一观测地点的瞬时车速)观测值的调和平均值来近似空间平均车速，与实际值之间存在一定的误差。

发明内容

技术问题：为克服现有空间平均车速观测方法数据获取繁琐、无法直接计算空间平均车速、精度偏差等不足之处，本发明提供一种数据获取便捷，能准确计算空间平均速度，结果更为合理可靠的基于固定翼航模的公路交通空间平均车速观测方法。

技术方案：本发明提出的基于固定翼航模的公路交通流空间平均车速观测方法，包括依次进行的时间间隔的求取步骤、交通流数据采集步骤和公路交通流空间平均车速计算步骤：

其中，上述时间间隔的求取步骤具体包括：

步骤一：设定航空拍摄的基本参数，同时获取观测道路的设计车速V_d，航空拍摄的基本参数包括航模飞行高度H、航模飞行速度V_a以及数码相机的广角α；

步骤二：根据航模飞行速度V_a与道路设计车速V_d按下式计算相对速度V_r：

V_r＝V_a+V_d

式中，V_a为航模飞行速度，单位km/h，V_d为道路设计车速，单位km/h，V_r为航模与车流的相对速度，单位km/h；

步骤三：按下式计算航模拍摄的照片内道路的实际长度L：

L＝2H tan(α/2)

式中，L为照片中道路的实际长度，单位m，H为航拍高度，单位m，α为相机广角；

步骤四：以实际道路长度L的1/3除以相对速度V_r，得到初始时间间隔T，计算方法如下：

$T=\frac{L}{{3V}_r}\×\frac{3600}{1000}=\frac{1.2L}{V_r}$

式中，T为初始时间间隔，单位s，

计算得到初始时间间隔T后，对T进行四舍五入取整，得到最终的整数形式的时间间隔T*；

交通流数据采集步骤应用集成了前端摄像头、数码相机、GPS模块、飞行控制模块和图像传输模块的固定翼航空模型作为观测设备载体，固定翼航空模型的前端摄像头实时记录航模飞行的前端环境图像，并通过图像传输模块将图像传送至地面监控设备；地面操作员通过地面监控设备观察航空模型的飞行环境，并通过地面监控设备向航空模型发送飞行控制指令，控制航空模型飞行至待观测道路上空，以设定的航模飞行速度V_a和高度H沿车道逆交通流行进方向飞行；航空模型飞行过程中，搭载的数码相机竖直向下以时间T^*为时间间隔连续拍摄道路交通流照片，并将所拍摄照片通过图像传输模块传送至地面监控设备等待处理；

公路交通流空间平均车速计算步骤具体包括：

1)指定观测时刻t1，清点t1时刻航模拍摄公路照片中的车辆总数N，图片中所有观测到的不完整车辆折算为0.5辆；然后，在t1+T*时刻航模拍摄的公路照片中清点t1+T*时刻相对t1时刻驶出照片画面的车辆总数n，对于不完整的车辆折算为0.5辆；

2)依据t1时刻航模拍摄照片内车辆总数N以及照片中道路的实际长度L，计算t1时刻的交通密度K，计算公式如下：

$K=\frac{1000N}{L}$

式中，K为交通密度，单位辆/km，N为t1时刻航模拍摄照片内车辆总数，单位辆，L为照片中道路的实际长度，单位m；

3)求取时间间隔T*内交通流的相对小时流率Q，计算公式如下：

$Q=\frac{3600n}{T^{*}}$

式中，Q为相对小时流率，单位辆/h，n为t1+T*时刻相对t1时刻驶出照片画面的车辆总数，单位辆h，T*为时间间隔，单位s；

4)根据交通流三参数定义关系式，求取t1时刻交通流的相对空间平均速度V_R，计算公式如下：

$V_R=\frac{Q}{K}=\frac{3.6\mathrm{nL}}{{\mathrm{NT}}^{*}}=\frac{7.2\mathrm{nH}\tan (\mathrm{\α}/2)}{{\mathrm{NT}}^{*}}$

式中，V_R为相对空间平均速度，单位km/h；

5)由航模的速度与t1时刻交通流的相对空间平均速度求得实际交通流在t1时刻的空间平均速度；计算公式如下：

$V_S=V_R-V_a=\frac{7.2\mathrm{nH}\tan (\mathrm{\α}/2)}{{\mathrm{NT}}^{*}}-V_a$

式中，V_S为实际交通流在t1时刻的空间平均速度，单位km/h。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

由于同一时刻道路空间上所有车辆处于不同位置，传统方法难以同时测定所有车辆的各自速度，因此通常选用地点车速(通过某一观测地点的瞬时车速)观测值的调和平均值来近似空间平均车速，精度偏差大，并且数据获取繁琐。而本发明能观测到区域中所有车辆的空间位置，通过交通流三参数定义式直接计算空间平均速度，不需要近似估算，结果更为合理可靠，并且数据获取便捷。

附图说明

图1为本发明方法的逻辑流程图。

图2为t1时刻航拍照片示意。

图3为t1+T*时刻航拍照片示意。

具体实施方式

以下结合附图说明对本发明的应用案例作进一部详细描述，但本案例并不用于限制本发明，凡是类似于本发明的方法，均应列入本发明的保护范围。

以设计速度为60km/h的某双向六车道二级公路半幅路为例观测单向空间平均车速：

一、确定时间间隔T*

步骤一：设定航空拍摄的基本参数,同时获取观测道路的设计车速：飞行高度H为200m,飞行速度V_a为80km/h,数码相机广角α为62°,道路的设计车速V_d为60km/h；

步骤二：根据航模飞行速度V_a与道路设计车速V_d按下式计算相对速度V_r：

V_r＝V_α+V_d＝80+60＝140km/h

步骤三：计算航模拍摄的照片内道路的实际长度L：

L＝2H tan(α/2)＝2×200×tan31°＝240.3m

步骤四：以实际道路长度L的1/3除以相对速度V_r，得到初始时间间隔T：

$T=\frac{L}{{3V}_r}\×\frac{3600}{1000}=\frac{1.2L}{V_r}=\frac{1.2\×240.3}{140}=2.06S$

计算得到初始时间间隔T后，对T进行四舍五入取整，得到最终的整数形式的时间间隔T*为2s。

二、交通流数据采集

应用集成了前端摄像头、数码相机(TX20，相机广角62度)、GPS模块(MTK)、飞行控制模块(APM2.5)和图像传输模块(罗美2.4G、1W)的固定翼航空模型(天行者168)作为观测设备载体，所述固定翼航空模型的前端摄像头实时记录航模飞行的前端环境图像，并通过图像传输模块将图像传送至地面监控***(mission planner)。地面操作员通过地面监控设备观察航空模型的飞行环境，并通过地面监控设备向航空模型发送飞行控制指令，控制航空模型飞行至待观测道路上空，以设定的航模飞行速度80km/h和高度200m沿车道逆交通流行进方向飞行。航空模型飞行过程中，搭载的数码相机竖直向下以2s为时间间隔连续拍摄道路交通流照片。拍摄结束后，提取照片进行分析处理。

三、计算公路交通流空间平均车速

1)浏览照片，寻找与目标观测路段对应的最佳画面，记录此时的时间t1,如图2、3所示，清点t1时刻照片画面中所观测车流方向初始车辆数N及t1+T*时刻同方向驶出t1时刻照片画面的车辆数n(通过分辨未驶出画面的车辆数间接求取)，对于t1及t1+T*时刻照片画面中不完整的车辆数均按半辆计数：对于t1时刻拍摄的图片，同方向三条车道每条车道上有6辆完整的车辆，整个画面中无不完整车辆，所以折算后总车辆数N为18辆。对于t1+T*时刻，相对t1时刻未驶出画面的车辆数为完整的12辆，所以驶出的完整车辆数为6，不完整的车辆数为0，不需要计算从画面后部驶入的车辆，所以折算后驶出车辆总数n为6。

2)依据t1时刻航模拍摄照片内车辆总数N以及照片中道路的实际长度L，计算t1时刻的交通密度K：

$K=\frac{1000N}{L}=\frac{1000\×18}{240.3}=74.9\mathrm{veh}/\mathrm{km}$

3)求取时间间隔T*内交通流的相对小时流率Q：

$Q=\frac{3600n}{T^{*}}=\frac{3600\×6}{2}=10800\mathrm{veh}/h$

4)根据交通流三参数定义关系式，求取t1时刻交通流的相对空间平均速度V_R：

$V_R=\frac{Q}{K}=\frac{10800}{74.9}=144.2\mathrm{km}/h$

5)由航模的速度与t1时刻交通流的相对空间平均速度求得实际交通流在t1时刻的空间平均速度：

V_S＝V_R-V_α＝144.2-80＝64.2km/h

Claims (1)

1.一种基于固定翼航模的公路交通流空间平均车速观测方法，其特征在于，该方法包括依次进行的时间间隔的求取步骤、交通流数据采集步骤和公路交通流空间平均车速计算步骤；

所述时间间隔的求取步骤具体包括：

步骤一：设定航空拍摄的基本参数，同时获取观测道路的设计车速V_d，所述航空拍摄的基本参数包括航模飞行高度H、航模飞行速度V_a以及数码相机的广角α；

步骤二：根据航模飞行速度V_a与道路设计车速V_d按下式计算相对速度V_r：

V_r＝V_a+V_d

式中，V_a为航模飞行速度，单位km/h，V_d为道路设计车速，单位km/h，V_r为航模与车流的相对速度，单位km/h；

步骤三：按下式计算航模拍摄的照片内道路的实际长度L：

L＝2Htan(α/2)

式中，L为照片中道路的实际长度，单位m，H为航拍高度，单位m，α为相机广角；

步骤四：以实际道路长度L的1/3除以相对速度V_r，得到初始时间间隔T，计算方法如下：

$T=\frac{L}{{3V}_r}\×\frac{3600}{1000}=\frac{1.2L}{V_r}$

式中，T为初始时间间隔，单位s，

计算得到初始时间间隔T后，对T进行四舍五入取整，得到最终的整数形式的时间间隔T*；

所述交通流数据采集步骤应用集成了前端摄像头、数码相机、GPS模块、飞行控制模块和图像传输模块的固定翼航空模型作为观测设备载体，所述固定翼航空模型的前端摄像头实时记录航模飞行的前端环境图像，并通过图像传输模块将图像传送至地面监控设备；地面操作员通过地面监控设备观察航空模型的飞行环境，并通过地面监控设备向航空模型发送飞行控制指令，控制航空模型飞行至待观测道路上空，以设定的航模飞行速度V_a和高度H沿车道逆交通流行进方向飞行；航空模型飞行过程中，搭载的数码相机竖直向下以时间T^*为时间间隔连续拍摄道路交通流照片，并将所拍摄照片通过图像传输模块传送至地面监控设备等待处理；

所述公路交通流空间平均车速计算步骤具体包括：

1)指定观测时刻t1，清点t1时刻航模拍摄公路照片中的车辆总数N，图片中所有观测到的不完整车辆折算为0.5辆；然后，在t1+T*时刻航模拍摄的公路照片中清点t1+T*时刻相对t1时刻驶出照片画面的车辆总数n，对于不完整的车辆折算为0.5辆；

2)依据t1时刻航模拍摄照片内车辆总数N以及照片中道路的实际长度L，计算t1时刻的交通密度K，计算公式如下：

$K=\frac{1000N}{L}$

式中，K为交通密度，单位辆/千米，N为t1时刻航模拍摄照片内车辆总数，单位辆，L为照片中道路的实际长度，单位m；

3)求取时间间隔T*内交通流的相对小时流率Q，计算公式如下：

$Q=\frac{3600n}{T^{*}}$

式中，Q为相对小时流率，单位辆/小时，n为t1+T*时刻相对t1时刻驶出照片画面的车辆总数，单位辆，T*为时间间隔，单位s；

4)根据交通流三参数定义关系式，求取t1时刻交通流的相对空间平均速度V_R，计算公式如下：

$V_R=\frac{Q}{K}=\frac{3.6\mathrm{nL}}{{\mathrm{NT}}^{*}}=\frac{7.2\mathrm{nH}\tan (\mathrm{\α}/2)}{{\mathrm{NT}}^{*}}$

式中，V_R为相对空间平均速度，单位km/h；

5)由航模的速度与t1时刻交通流的相对空间平均速度求得实际交通流在t1时刻的空间平均速度；计算公式如下：

$V_S=V_R-V_a=\frac{7.2\mathrm{nH}\tan (\mathrm{\α}/2)}{{\mathrm{NT}}^{*}}-V_a$

式中，V_S为实际交通流在t1时刻的空间平均速度，单位km/h。