CN103886756B

CN103886756B - 基于obu的高速公路路网运行状态检测方法

Info

Publication number: CN103886756B
Application number: CN201410153549.4A
Authority: CN
Inventors: 王笑京; 张纪升; 牛树云; 李斌; 宋向辉; 刘见平; 张明月; 李友良; 赵佳海
Original assignee: Research Institute of Highway Ministry of Transport
Current assignee: Research Institute of Highway Ministry of Transport
Priority date: 2014-04-17
Filing date: 2014-04-17
Publication date: 2015-12-30
Anticipated expiration: 2034-04-17
Also published as: CN103886756A

Abstract

一种基于OBU的高速公路路网运行状态检测方法，其采用收费站ETC车道OBU检测器以及路侧OBU检测器获取路段交通流速度、路网运行指数以及路段间预计行驶时间，并将其告知车辆。本发明的检测方法将收费站ETC车道OBU检测器的数据与路侧OBU检测器的数据相结合提高了高速公路路网实时交通运行状态检测结果的准确性，以及收费站之间的行程时间估计的可靠性，从而提升了交通管理部门的监管能力和服务水平。

Description

基于OBU的高速公路路网运行状态检测方法

技术领域

本发明涉及一种高速公路路网运行状态检测方法，尤其是涉及一种基于OBU的高速公路路网运行状态检测方法。

背景技术

我国从2005年开始组织国家高速公路不停车收费服务关键技术研究和应用，截止2013年，统一标准的不停车收费***（又称为电子收费***，ETC：ElectronicTollCollection）覆盖26个省市，用户达600万以上。

用户的OBU是一个具有唯一识别码的信息载体，在OBU应用方面，专利文献1（CN202523116U）公开了一种基于移动网络的不停车高速公路行驶路径记录***，其通过RSU模块检测OBU模块，向其读取临时路径信息表的信息，即移动基站编号，通过记录覆盖高速公路的移动基站编号，来确定车辆行驶过的真实路径，有效地解决了高速公路收费现状中“二义性”或者“多义性”以及停车确认行驶路径耗时、堵塞交通的问题。但是这种记录***是出于解决收费现状中的“多义性”的目的来通过移动基站来确定单个车辆行驶过的真实路径，但由于其目的而使得无法从整体上高效分析路网的运行状态，也无法实现对路网状态的有效检测和避免车辆拥堵

专利文献2（CN102426349A）公开了一种ETC***的车辆定位方法、装置及不停车收费***，并且通过所捕捉到的OBU发射的微波信号的波束的角度声称OBU对应的被测车辆的位置数据，实现了对ETC车辆的纵向定位，精确的确定车载电子标签在通信区域中的物理位置，并与视频抓拍***配合查找到电子收费***中无电子标签车辆或交易不成功的标签车辆的信息，从而实现ETC车辆违章的稽查，及通行费追缴。由于这种定位装置出于对未予缴费的车辆进行稽查定位的目的，使得该定位装置也无法从整体上高效分析路网的运行状态，也无法实现对路网状态的有效检测和避免车辆拥堵。

专利文献3（CN103258428A）公开了一种基于ETC设备实现交通状态采集的方法，其在高速公路沿线合理布设多个基于DSRC的交通信息采集设备，利用车辆装载的ETC车载设备，基于DSRC的交通信息采集设备的信号覆盖区域，被连续发射的微波信号唤醒，与该交通信息采集设备发生信息交互过程，并由后台管理中心由上传数据分析出当前路段的交通流量及拥堵程度，解决了ETC车载终端作为信息采集源，来实现交通流量统计、交通拥堵程度分析等服务的技术问题。但是这种方法仅采用路侧检测实现对路网状态的统计分析，只能反映一个行程中两个DSRC信息采集点之间路段的交通运行状态，无法反映经过入口减速、匝道行程时间、时钟同步等因素的影响，因此，其无法全面、可靠地反映高速公路网的真实运行情况，也无法给予高速公路出行者提供两收费站之间可靠的行程时间估量，从而无法有效提升交通管理部门的高速公路网运行监管能力和服务水平。

由此可见，传统交通检测器（线圈、微波、超声波）只能检测到断面交通流参数（如交通量、断面速度等），对路段交通流速度、路段平均行驶时间、路网拥堵和路网运行状态等无法直接得到，需要密布检测器并且配合复杂的计算才可得到，而且准确度较差。而路侧OBU检测器虽然具有成本低、安装方便（可安装在门架或路侧）、所需供电功率小、可适应多种数据传输方式等优点，但无法直接得到路段交通流速度、平均行驶时间、路网拥堵和路网运行状态，也无法避免由于个别车辆的超速、停车等所导致的不可信数据影响。

发明内容

本发明的目的是提供基于一种新型高速公路数据采集设备的高速公路路网运行状态检测方法，为交通管理者提供及时、准确的高速公路网的路网运行信息，有效提升对公众出行者的服务水平。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于OBU的高速公路路网运行状态检测方法。

按照本发明的第一方面，本发明的基于OBU的高速公路路网运行状态检测方法包括以下步骤：

第一步，在高速公路上设置OBU检测器，并使得全部OBU检测器时钟同步，其中OBU检测器包括设置于收费站处的ETC车道OBU检测器以及设置于相邻收费站之间的路侧OBU检测器，相邻ETC车道OBU检测器之间形成收费站间路段，相邻的ETC车道OBU检测器之间形成节点间路段，OBU检测器获取OBU唯一标识码及其时间，获得包括OBU唯一标识码、入口、入口时间、出口、以及出口时间的数据；

第二步，通过相邻的OBU检测器获取经过该相邻的OBU检测器的数据，根据OBU唯一标识码，将其与相邻上游的OBU检测器的数据相匹配，得到同一OBU唯一标识码的数据；

第三步，根据同一OBU唯一标识码的数据，计算同一OBU唯一标识码的收费站间路段以及节点间路段的速度数据，对一个时间周期内全部OBU唯一标识码的收费站间路段以及节点间路段的速度数据分别通过数据预处理单元采用分位值法对异常数据进行剔除，并将经过异常数据处理后的速度数据的算术平均值分别作为收费站间路段的平均速度以及节点间路段的平均速度，并据此确定各自的交通运行状态；与此同时，根据同一OBU唯一标识码的数据，计算同一OBU唯一标识码的节点间路段的行程时间数据，对一个时间周期内全部OBU唯一标识码的节点间路段的行程时间数据通过数据预处理单元采用分位值法对异常数据进行剔除，并将经过异常数据处理后的行程时间数据的算术平均值作为节点间路段的平均行程时间，并据此计算得到收费站间路段预计行程时间；

第四步，当车辆进入收费站时告知其当前收费站间路段的交通运行状态以及收费站间路段预计行程时间，当车辆进入节点间路段时候告知其当前节点间路段的交通运行状态及预计行程时间。

根据第一方面的本发明的方法，其中，确定收费站间路段预计行程时间是通过以下步骤实现：

步骤1，输入 ；

其中 表示第t个时间周期内从收费站1出发经过前i个节点间路段的行程时间估计值；i为节点间路段序号，最小从1开始计算；

步骤2，令 ，如果 ，则 ，否则， ；

其中，t表示第t个时间周期， 表示 的比值的整数部分， 表示第t个时间周期内第i+1个节点间路段的平均行程时间， 表示第i+1个节点间路段在第t+d个时间周期内的平均行程时间；

步骤2是判断是否前i个节点间路段的行程时间之和大等于时间周期T，若d大于等于1说明车辆达到第i+1个节点间路段时，时间已经处于第t+d个周期内，则选择第t+d个时间周期内的平均行程时间 作为第i+1个节点间路段的行程时间；否则，选择第t个时间周期内的平均行程时间T _i+1 (t)作为第i+1个节点间路段的行程时间；

步骤3， ； ;

步骤3是计算前i+1个节点间路段的行程时间估计值；

步骤4，如果 则结束，其中N为收费站1到收费站m之间的节点间路段数量，输出 ，即为在第t个时间周期从收费站1出发到达收费站m的行程时间估计结果，否则，转步骤1。

根据第一或第二方面的本发明的方法，其中第三步中的确定各自的交通运行状态及路网的交通运行指数包括以下步骤：根据收费站间路段的平均速度和节点间路段的平均速度分别确定各自的交通运行状态，该交通运行状态包括畅通、基本畅通、轻度拥堵、中度拥堵和严重拥堵，并根据交通运行状态确定相应的路网交通运行指数。

根据第三方面的本发明的方法，其中，根据交通运行状态确定严重拥堵里程比例。

本发明具有以下有益效果：在高速公路路侧增加OBU检测器，并使得路侧OBU检测器时钟同步，可以有效获取车辆的行驶轨迹信息，及时掌握高速公路路段上的交通流状况，解决了当前高速公路网上实时交通运行状态检测设备不足的问题；将收费站ETC车道OBU检测器的数据与路侧OBU检测器的数据相结合提高了高速公路路网实时交通运行状态检测结果的准确性，可靠地反应了高速公路网的真实运行情况，以及提高了收费站之间的行程时间估计的可靠性，从而提升了交通管理部门的高速公路网运行监管能力和服务水平。

附图说明

图1示出了本发明的基于OBU的高速公路路网运行状态检测方法的概图；

图2示出了用于实时交通状态检测的路段划分示意图；

图3示出了路侧OBU检测器布置位置的各种情况；

图4示出了用于行程时间估计的路段划分示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例对本发明做进一步说明：

如图1中所示，本发明的运行状态检测方法包括实时交通运行状态检测以及基于历史数据的起止点之间的行程时间估计，这两部分通过数据预处理实现数据信息可信。

检测器包括路侧OBU检测器和收费站的ETC车道的OBU检测器两类，并且使得路侧OBU检测器与ETC车道的OBU检测器时钟同步，本发明的对于相关的实时交通状态和基于历史数据的行程时间估计均是在这两类OBU检测器数据的基础上进行的。

现在，首先来说明实时交通状态检测。

实时交通状态检测将通过路段的划分原则的确定、OBU检测器数据匹配、相邻检测器之间的平均行程时间、平均速度的计算，相邻收费站之间的路段的平均速度的计算及运行状态的划分、高速公路网交通运行指数的计算等方面进行说明。具体如下：

1）路段的划分原则

实时的交通运行状态检测的目的之一是为了更好的为公众提供出行信息服务，因此本步骤中将相邻两个收费站之间的高速公路定义为收费站间路段。路段的划分示意图如图2所示。

）数据匹配方法

本数据匹配是针对相邻检测器的匹配，车辆到达检测器的位置称为出口，其经过的相邻上游检测器的位置称为入口。以出口检测器为基准，提取出当前时刻的前一个时间周期T的数据，根据每辆车OBU的唯一标识码数据，将其与上游相邻的进口检测器（包含路侧OBU检测器和收费站ETC车道的OBU检测器）数据进行匹配，得到针对同一OBU唯一标识码的一条有入口、出口、入口时间、出口时间的数据。

）相邻检测器之间平均速度

第一步：计算每条数据的行程时间；

依据上述数据匹配方法，匹配出在一个时间周期T内到达出口检测器的数据。设相邻检测器的路段长度为L，匹配完的一个时间周期T内的数据有n条，则第i条数据的行程时间计算公式为：

第二步：计算每条数据的行驶速度；

第三步：异常数据剔除

计算得到n条数据的行驶速度数据。经过分析发现在相同路段内行驶速度有一定差别，有些在路侧停车或在服务区休息的车辆，其行驶速度会明显偏小，一些超速行驶的车辆其行驶速度缺明显偏大，将这些明显偏离测量总体的观测数据定义为异常数据，并利用分位值法进一步剔除。针对高速公路，选择5%分位值和95%分位值，进行异常数据剔除，其数学表达式为

第四步：相邻检测器之间的路段（即节点间路段）平均速度计算

经过异常数据剔除后，该时间周期T内剩余m（ ）条数据，则相邻OBU检测器之间的路段的平均行程时间为，

为异常数据剔除后的数据集合中的第i个速度数据。

）相邻收费站之间的路段（即收费站间路段）的平均速度计算

根据高速公路的现有基础设施情况，以及检测器布设成本的限制，路侧OBU检测器的布设方式主要有三种：相邻两个收费站之间布设2个路侧OBU检测器；相邻两个收费站之间布设1个路侧OBU检测器；相邻两个收费站之间没有布设路侧OBU检测器。路侧OBU检测器的布设位置示意图见图3。下面基于上述三种情况分别介绍路段平均速度的计算方法。

情况1：相邻两个收费站之间有2个OBU检测器

本发明中，将检测器D1和D2之间的里程用 表示，里程的单位：公里；检测器D1和D2之间的平均速度用 表示，单位：公里/小时。以下公式符号含义与上述一致。依据路侧OBU检测器与收费站之间的位置关系，选择不同的计算公式，进行相邻收费站之间的路段平均速度的计算。

且时，

式中， 表示收费站 和收费站 对应的主路段的空间平均速度，

其中， 表示一个时间周期内，检测器 的断面流量（经过的ETC车辆数）， 表示由检测器 到检测器 的流量， 表示由收费站 到检测器 的流量， 表示由收费站 到检测器 的空间平均速度。

且时，

当且时，

其中， 的计算公式如（1）式。

情况2：相邻两个收费站之间有1个OBU检测器

当时，

其中， 的计算公式如（1）式。

当时，

情况3：相邻两个收费站之间没有OBU检测器

其中， 表示一个时间周期T内，收费站 的断面流量（经过的ETC车辆数）， 表示由检测器 到收费站 的流量， 表示由收费站 到收费站 的流量， 表示由收费站 到收费站 的空间平均速度。

）路段交通运行状态的划分

由4）得到相邻收费站之间的路段平均速度V，根据其相应的设计时速或统计获得的自由流行驶速度V ₀ 得到该路段的行程时间指数f，计算公式如下：

针对行程时间指数，对路段交通运行状态进行划分，其等级划分标准如下：

6）高速公路网交通运行指数

高速公路网的交通运行指数（TOI）取值范围为0～10，分为五级。其中0～2，2～4，4～6，6～8，8～10分别对应“畅通”、“基本畅通”、“轻度拥堵”、“中度拥堵”、“严重拥堵”五个级别，数值越高表明交通拥堵状况越严重。

依据上述拥挤度的划分标准，可以得到高速公路路网中处于严重拥堵路段里程的比例。计算公式如下：

高速公路路网严重拥堵里程比例与TOI的推荐转换关系如表1所示。

表1高速公路路网严重拥堵里程比例与TOI的推荐转换关系表

如表1所示内容，严重拥堵里程比例与路网交通运行指数呈线性关系，交通运行指数的具体计算方法如下：

设定严重拥堵里程比例区间为[x0,x1]，对应的交通运行指数区间为[y0,y1]，则交通运行指数y与严重拥堵里程比例x的数学关系表达式为

根据上述方法得到交通运行指数y与严重拥堵里程比例x的函数关系为

下面将说明基于历史数据的行程时间估计。

基于历史数据的行程时间估计将通过路段划分原则确定、数据匹配方法、路段平均行程时间计算以及行程时间估计四个方面进行说明。如图1中所示。具体如下：

1）路段划分原则的确定

将收费站ETC车道的OBU检测器和路侧OBU检测器作为节点，对高速公路进行路段的划分，具体的路段划分示意图见图4。

）数据匹配

本数据匹配同样是针对相邻检测器的匹配，车辆到达检测器的位置称为出口，其经过的相邻上游检测器的位置称为入口。与实时交通状态检测不同的是，这里以入口检测器为基准，提取一个时间周期T的数据，根据每辆车OBU的唯一标识码数据，将其与下游相邻的出口检测器（包含路侧OBU检测器或收费站ETC车道的OBU检测器）数据进行匹配，得到针对同一OBU唯一标识码的一条有入口、出口、入口时间、出口时间的数据。

）相邻OBU检测器之间的路段平均行程时间计算

与（1）中的3）相邻检测器之间的平均速度的计算过程类似，对时间周期T内的匹配得到的行程时间数据经过分位值法进行异常数据剔除，然后计算剩余数据的算术平均值，作为相邻检测器之间的路段，在时间周期T内的平均行程时间。

）选定起止收费站之间的路段平均行程时间估计

以图4为例，假设收费站1与收费站m之间被划分成N个子路段，则由3）可以得到各路段在不同时间周期内的行程时间结果，如表2所示。

表2各子路段行程时间计算结果

由于路网的运行状态随时间的变化而改变，使得各子路段在不同时间周期内的平均行程时间是不同的，因此，本专利中，采用基于时空相关的行程时间估计方法进行估计分析。以图4为例,说明收费站1和收费站m之间的行程时间估计过程。在计算得到每个时间周期各子路段的平均行程时间的基础上，执行如下步骤以得到在第t个时间周期内由收费站1出发到达收费站m的行程时间估计值。

具体步骤如下：

第一步输入 ；

其中 表示第t个时间周期内从收费站1（起点收费站）出发经过前i个路段的行程时间估计值；i为路段序号，最小从1开始计算。

第二步令 ，如果 ，则 ，否则， ；

其中，t表示第t个时间周期（最小值为1）， 表示 的比值的整数部分， 表示第t个时间周期内第i+1个路段的平均行程时间， 表示第i+1个路段在第（t+d）个时间周期内的平均行程时间。

本步骤是判断是否前i个路段的行程时间之和大等于时间周期T，若d大于等于1说明车辆达到第i+1个路段时，时间已经处于第t+d个周期内，则选择第t+d个时间周期内的平均行程时间 作为第i+1个路段的行程时间；否则，选择第t个时间周期内的平均行程时间 作为第i+1个路段的行程时间。

步骤3 ； ;

本步骤是计算前i+1个路段的行程时间估计值。

步骤4如果 ，则结束，输出 ，即为在第t个时间周期从收费站1出发到达收费站m的行程时间估计结果，否则，转步骤1。

由此，本发明提供了一种本发明的基于OBU的高速公路路网运行状态检测方法包括以下步骤：

第三步，根据同一OBU唯一标识码的数据，计算同一OBU唯一标识码的收费站间路段以及节点间路段的速度数据，对一个时间周期内全部OBU唯一标识码的收费站间路段以及节点间路段的速度数据分别通过数据预处理单元采用分位值法对异常数据进行剔除，并将经过异常数据处理后的速度数据和行程时间数据的算术平均值分别作为收费站间路段的平均速度以及节点间路段的平均速度，并据此确定各自的交通运行状态；与此同时，根据同一OBU唯一标识码的数据，计算同一OBU唯一标识码的节点间路段的行程时间数据，对一个时间周期内全部OBU唯一标识码的节点间路段的行程时间数据通过数据预处理单元采用分位值法对异常数据进行剔除，并将经过异常数据处理后的行程时间数据的算术平均值作为节点间路段的平均行程时间，并据此计算得到收费站间路段预计行程时间；

对于所属技术领域的技术人员而言，随着技术的发展，本发明构思可以不同方式实现。本发明的实施方式并不仅限于以上描述的实施例，而且可在权利要求的范围内进行变化。

Claims

1.一种基于OBU的高速公路路网运行状态检测方法，该方法包括以下步骤：

第四步，当车辆进入收费站时告知其当前收费站间路段的交通运行状态以及收费站间路段预计行程时间，当车辆进入节点间路段时候告知其当前节点间路段的交通运行状态及预计行程时间；

其中，确定收费站间路段预计行程时间是通过以下步骤实现：

步骤1，输入；

其中表示第t个时间周期内从收费站1出发经过前i个节点间路段的行程时间估计值；i为节点间路段序号，最小从1开始计算；

步骤2，令，否则，

其中，t表示第t个时间周期，的比值的整数部分，表示第t个时间周期内第i+1个节点间路段的平均行程时间，表示第i+1个节点间路段在第t+d个时间周期内的平均行程时间；

步骤2是判断是否前i个节点间路段的行程时间之和大等于时间周期T，若d大于等于1说明车辆达到第i+1个节点间路段时，时间已经处于第t+d个周期内，则选择第t+d个时间周期内的平均行程时间作为第i+1个节点间路段的行程时间；否则，选择第t个时间周期内的平均行程时间T_i+1(t)作为第i+1个节点间路段的行程时间；

步骤3，

步骤3是计算前i+1个节点间路段的行程时间估计值；

步骤4，如果则结束，其中N为收费站1到收费站m之间的节点间路段数量，输出，即为在第t个时间周期从收费站1出发到达收费站m的行程时间估计结果，否则，转步骤1。

2.如权利要求1所述的方法，其中第三步中的确定各自的交通运行状态包括以下步骤：根据收费站间路段的平均速度和节点间路段的平均速度分别确定各自的交通运行状态，该交通运行状态包括畅通、基本畅通、轻度拥堵、中度拥堵和严重拥堵，并根据路段交通运行状态确定相应的路网交通运行指数。

3.如权利要求2所述的方法，其中，根据路段交通运行状态确定严重拥堵里程比例。