基于多段地磁傳感器的高速公路收費(fèi)站車輛排隊(duì)長(zhǎng)度檢測(cè)算法

李彬亮 韓國(guó)華

【摘要】 針對(duì)交通管理部門對(duì)車輛排隊(duì)長(zhǎng)度智能化管控的迫切要求，本文提出了一種基于多段地磁傳感器的高速公路收費(fèi)站排隊(duì)長(zhǎng)度檢測(cè)算法。通過研究駕駛員的行為習(xí)慣及車輛跟馳行駛中特點(diǎn)，本文對(duì)車輛跟馳行駛區(qū)與自由行駛區(qū)、跟馳行駛區(qū)與逼近前車區(qū)的速度臨界值進(jìn)行了界定，分析了車輛通過地磁傳感器時(shí)速度的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，并基于地磁傳感器關(guān)鍵數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析，提出了均速模型。最后利用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)本檢測(cè)算法進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果證明本文提出的均速模型能夠有效的估計(jì)高速公路收費(fèi)站前車輛排隊(duì)長(zhǎng)度，且地磁裝置成本低廉、布設(shè)方便，能夠大規(guī)模的推廣應(yīng)用，為交通管理部門實(shí)時(shí)監(jiān)控交通運(yùn)行情況提供幫助。

【關(guān)鍵詞】 地磁傳感器 高速公路收費(fèi)站 排隊(duì)長(zhǎng)度檢測(cè) 跟馳行駛 均速模型

引言：

隨著經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，我國(guó)大中城市機(jī)動(dòng)車保有輛也在不斷攀升，截止到2015年底，深圳市機(jī)動(dòng)車保有量超過320萬輛[1]，車輛密度達(dá)到481輛/公里，遠(yuǎn)超270輛/公里的國(guó)際警戒線，日益增多的機(jī)動(dòng)車使得城市交通壓力與日俱增。研究車輛排隊(duì)長(zhǎng)度，可以有效反映城市交通運(yùn)行情況，輔助交通管理部門分析決策，從而緩解城市交通擁堵以及由此帶來的交通安全等問題。目前我國(guó)車輛排隊(duì)長(zhǎng)度檢測(cè)方法大體可以分為三類：

通過設(shè)置磁感線圈、微波探測(cè)器、雷達(dá)等傳統(tǒng)交通監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行排隊(duì)長(zhǎng)度檢測(cè)及計(jì)算。

通過GPS數(shù)據(jù)對(duì)車輛排隊(duì)長(zhǎng)度進(jìn)行檢測(cè)。

通過視頻數(shù)據(jù)對(duì)車輛排隊(duì)長(zhǎng)度進(jìn)行檢測(cè)。視頻檢測(cè)成本低、覆蓋范圍廣、受環(huán)境影響小，準(zhǔn)確度也相對(duì)較高，其理論誤差可以控制在8%以內(nèi)[1]。

相對(duì)于以上三類車輛排隊(duì)長(zhǎng)度檢測(cè)方式，地磁傳感器安裝尺寸小、靈敏度高、使用壽命長(zhǎng)、對(duì)路面破壞小，且其探測(cè)機(jī)制主要利用地球磁場(chǎng)在鐵磁物體通過時(shí)的變化進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)環(huán)境要求較低，能夠準(zhǔn)確的識(shí)別車輛存在和通過車型。目前我國(guó)基于地磁傳感器的車輛排隊(duì)長(zhǎng)度算法研究相對(duì)較少，其中張永終等人融合地磁檢測(cè)方法設(shè)計(jì)了一種多傳感器融合檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各方向排隊(duì)長(zhǎng)度的檢測(cè)[2]；賈利民等人根據(jù)單個(gè)地磁傳感器數(shù)據(jù)反饋的車輛經(jīng)過時(shí)長(zhǎng)、車頭車尾時(shí)距等動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，提出了車尾時(shí)距模型、通過時(shí)間模型和綜合模型，為排隊(duì)長(zhǎng)度檢測(cè)提供了一個(gè)新的算法[3]。本文基于地磁傳感器在高速公路收費(fèi)口的實(shí)際應(yīng)用，利用多車道車輛通過距離收費(fèi)站200m，125m，50m地磁傳感器時(shí)的波形、時(shí)長(zhǎng)等關(guān)鍵信息，提出了一種的新的車輛排隊(duì)長(zhǎng)度算法。為交通管理部門及高速公路企業(yè)提供了數(shù)據(jù)支撐和決策參考。

一、多段地磁傳感器排隊(duì)長(zhǎng)度檢測(cè)方法

1.1 問題分析

高速公路收費(fèi)站前的車輛排隊(duì)行為符合車輛跟馳特點(diǎn)，同時(shí)由于高速公路收費(fèi)站口對(duì)車輛排隊(duì)長(zhǎng)度的硬性要求以及高速公路交通流的自身特點(diǎn)，其車輛排隊(duì)行為又具有一定的特殊性。本文以車輛跟馳行為為基礎(chǔ)，對(duì)高速公路收費(fèi)站前車輛排隊(duì)情況進(jìn)行類比描述。

假定所有駕駛員行為符合MISSION模型，車輛在進(jìn)入收費(fèi)站排隊(duì)過程中分別經(jīng)過無反應(yīng)區(qū)（可自由行駛段），無意識(shí)反應(yīng)區(qū)（跟馳行駛區(qū)）以及有意識(shí)反應(yīng)區(qū)（逼近前車區(qū)），車輛跟馳行駛情況如圖1。

根據(jù)Hodfs的調(diào)查，駕駛員在高速行車中會(huì)低估安全距離，在實(shí)際交通中，距離與速度不成正比[4]。故假定車輛在無反應(yīng)區(qū)行駛時(shí)勻速行駛；進(jìn)入無意識(shí)反應(yīng)區(qū)后將根據(jù)前車減速情況開始減速，視作勻減速階段；進(jìn)入有意識(shí)反應(yīng)區(qū)時(shí)，車速隨著車頭間距減小而減小，視作變減速階段。通過在收費(fèi)站前有間隔的設(shè)置地磁傳感器，可以有效的獲得車輛通過地磁傳感器時(shí)的波形、時(shí)長(zhǎng)等各項(xiàng)數(shù)據(jù)變化情況，從而判斷不同階段車輛的實(shí)際行駛行為，最后估算出收費(fèi)站前車輛的排隊(duì)長(zhǎng)度。

1.2 參數(shù)選取

受制于地磁特點(diǎn)和傳感器埋設(shè)方式等條件影響，當(dāng)出現(xiàn)車輛經(jīng)過地磁傳感器所在斷面變換車道、車輛以非正常行車方式在道路上行駛（如兩條道路之間行駛）以及地磁斷面1至地磁斷面4之間出入口不唯一（如存在岔路）等情況時(shí)，會(huì)導(dǎo)致地磁傳感器漏檢、多檢以及傳輸數(shù)據(jù)出現(xiàn)噪聲數(shù)據(jù)，無法精確反映車輛通過情況。

故在前期實(shí)驗(yàn)中本文抽取了7天地磁數(shù)據(jù)樣本，并對(duì)樣本中各項(xiàng)數(shù)據(jù)與排隊(duì)長(zhǎng)度的相關(guān)性以及樣本數(shù)據(jù)本身的容錯(cuò)性進(jìn)行了估算，其中：

為了確定樣本的有效性，在前期實(shí)驗(yàn)中，以基于微波檢測(cè)的深圳市非節(jié)假日、高速公路同一路段的不同時(shí)間車輛行駛數(shù)據(jù)的均值作為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)抽取的數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行獨(dú)立μ檢驗(yàn)，設(shè)顯著水平ɑ = 5%。

各項(xiàng)特征數(shù)據(jù)與排隊(duì)長(zhǎng)度的相關(guān)性采用Spearman秩相關(guān)檢驗(yàn)，即：將數(shù)據(jù)樣本X與對(duì)應(yīng)的排隊(duì)長(zhǎng)度樣本Y配對(duì)形成（x1，y1），（x2，y2） （xn，yn），并將它排序，根據(jù)兩個(gè)順序樣本的秩（Ri和Si）得到n對(duì)秩：（R1，S1）（R2，S2） （Rn，Sn）。有相關(guān)系數(shù)：

1.3 測(cè)距與閾值選取

根據(jù)MISSION模型，車輛在進(jìn)入跟馳行駛區(qū)之前和逼近前車區(qū)時(shí)存在兩個(gè)DV值（速度閾值），即SDV（駕駛員意識(shí)到正在靠近一輛低俗行駛車輛的臨界點(diǎn)）與CLDV（跟馳過程中駕駛員意識(shí)到速度差很小但仍然靠近前車的臨界點(diǎn)）。

為了準(zhǔn)確的得到車輛在自由行使區(qū)、跟馳行駛區(qū)以及逼近前車區(qū)的相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)將地磁斷面埋設(shè)間隔設(shè)置為50m，125m，200m。當(dāng)車輛進(jìn)入收費(fèi)站200m檢測(cè)范圍內(nèi)時(shí)，駕駛員將根據(jù)收費(fèi)站前車輛排隊(duì)情況進(jìn)行減速，其中地磁斷面車速判斷閾值與兩個(gè)臨界值SDV與CLDV動(dòng)態(tài)相關(guān)。

根據(jù)駕駛行為的不同程度，在有預(yù)期的平緩減速狀態(tài)下，減速度的通常上限值在-2到-2.6M/S2之間。同時(shí)，受到駕駛員與車輛特性的共同制約，駕駛員從施加操縱力到出現(xiàn)操縱力的時(shí)間約為0.04s，駕駛員的反應(yīng)時(shí)間參照表2。

表2 駕駛員反應(yīng)時(shí)間及小客車制動(dòng)系協(xié)調(diào)時(shí)間

可以估算出車輛進(jìn)入逼近前車區(qū)時(shí)的臨界速度CLDV約為4.16m/s，故3道地磁存在一個(gè)共同的擁堵閾值fb，逼近前車區(qū)內(nèi)車輛速度不高于fb，即15km/h。

同理，3道地磁受到測(cè)距（埋設(shè)點(diǎn)至上一埋設(shè)點(diǎn)的距離）遠(yuǎn)近影響，對(duì)應(yīng)存在2個(gè)的暢通閾值fub，即車輛進(jìn)入跟馳行駛區(qū)的臨界速度SDV。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)微波實(shí)測(cè)，車輛在進(jìn)入收費(fèi)站200m檢測(cè)區(qū)域時(shí)均處于減速狀態(tài)，平均減速度約為0.68m/ s2，根據(jù)公式：

二、實(shí)例分析

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)選取2015年8月2日0時(shí)至24時(shí)全天的視頻檢測(cè)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行參照。地磁檢測(cè)系統(tǒng)每5分鐘提取一次斷面的平均車速（平均車速=每5min內(nèi)通過車輛速度總和/通過車輛數(shù) ），剔除掉高于120km/h的異常數(shù)據(jù)后，可得以時(shí)間為X軸，各地磁斷面平均車速為Y軸統(tǒng)計(jì)圖（圖中D2、D3、D4速度分別為斷面2、3、4的平均時(shí)速，橫坐標(biāo)288個(gè)刻度為5分鐘間隔序號(hào)）。

根據(jù)均速模型算法，地磁檢測(cè)的排隊(duì)長(zhǎng)度與視頻實(shí)時(shí)排隊(duì)長(zhǎng)度對(duì)比如圖4（虛線為地磁檢測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)線為視頻檢測(cè)數(shù)據(jù)）。根據(jù)Spearman秩相關(guān)檢驗(yàn)法，得地磁檢測(cè)排隊(duì)長(zhǎng)度與視頻檢測(cè)排隊(duì)長(zhǎng)度相關(guān)度達(dá)92.3%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到預(yù)期值。

2.2 結(jié)果分析

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出，本文提出的均速模型與現(xiàn)場(chǎng)視頻檢測(cè)結(jié)果高度吻合，綜合實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的異常情況，該均速模型受到的客觀干擾主要存在以下兩個(gè)方面：（1）收費(fèi)站前不同車道車型不統(tǒng)一，需要結(jié)合車型識(shí)別對(duì)車輛經(jīng)過斷面產(chǎn)生的相對(duì)車速進(jìn)行改良，減少測(cè)速擾動(dòng)；（2）受到駕駛員行為影響，車輛會(huì)自動(dòng)變道尋找排隊(duì)長(zhǎng)度最短車道。

在收費(fèi)站前排隊(duì)長(zhǎng)度較短情況下，車輛經(jīng)過外圍兩道地磁斷面時(shí)有可能出現(xiàn)變道情況，帶來測(cè)速異常高值，需要進(jìn)一步在均速計(jì)算中剔除明顯異常高值。由于受到算法影響，在斷面2、3存在異常高值情況時(shí)一般在距離收費(fèi)站口較近的斷面1不存在車輛變道情況（已經(jīng)選好車道），故對(duì)系統(tǒng)判斷車輛真實(shí)排隊(duì)長(zhǎng)度不產(chǎn)生影響，魯棒性強(qiáng)。

另外，本文提到的收費(fèi)站口排隊(duì)長(zhǎng)度檢測(cè)系統(tǒng)可以進(jìn)一步推廣到城市交叉口信號(hào)檢測(cè)中，結(jié)合平均車速直接辨別有利于直接判別擁堵情況，無需復(fù)雜的算法和數(shù)據(jù)處理，對(duì)處理器運(yùn)行能力要求較低，便于推廣。

三、結(jié)束語

結(jié)合跟馳模型中車輛行進(jìn)行為以及MISSION模型對(duì)駕駛員行為的研究，得到了基于地磁傳感器判別車輛行進(jìn)情況的擁堵、暢通閾值，形成了對(duì)車輛排隊(duì)長(zhǎng)度有效估計(jì)的均速模型。

通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，證明了該模型的有效性。與傳統(tǒng)視頻檢測(cè)、浮動(dòng)車檢測(cè)、微波檢測(cè)方法相比，本文提出的排隊(duì)長(zhǎng)度算法更為簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。另外地磁傳感器成本低廉，安裝方便，有利于快速推廣。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 楊永輝，黃磊，劉昌平.基于視頻分析的車輛排隊(duì)長(zhǎng)度檢測(cè)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2011，28（3）：1037-1041.

[2] 張永終，張軍強(qiáng)，喬志龍.基于多傳感器融合的排隊(duì)長(zhǎng)度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].道路交通與安全，2015，15（3）：23-28.

[3] 賈利民，陳娜，李海艦，董宏輝.基于單個(gè)地磁傳感器融合的交叉口排隊(duì)長(zhǎng)度估計(jì)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2015，5，8（網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版）.

[4] Wiedemann R， Reiter U. Microscopic Traffic Simulation：The Simulation System MISSION. Background and Actual State CEC Project ICARUS（V1052），F(xiàn)inal Report，1992.

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