基于路側標識站系統的高速公路旅行時間計算研究

劉偉銘，韓廣廣

（華南理工大學土木交通學院，廣東廣州 510640）

基于路側標識站系統的高速公路旅行時間計算研究

劉偉銘，韓廣廣

（華南理工大學土木交通學院，廣東廣州 510640）

針對目前高速公路旅行時間采集復雜、信息數據缺失和準確率較低的問題，提出了利用路側標識站系統實現對車輛旅行時間計算的方法，通過劃分基本路段并采用平均速度法和累計車輛數均衡法實現對基本路段旅行時間的估計，通過權重分配模型實現對旅行時間估計數據的有效融合。算例計算結果表明，基于路側標識站系統的高速公路旅行時間在數據融合后的平均絕對相對誤差減小，精度得到提高，可為出行者提供可靠的旅行時間信息保障。

公路交通；旅行時間；路側標識站系統；平均速度法；累計車輛數均衡法

隨著智能交通系統與信息技術的飛速發展，一方面出行者對出行信息的可靠性要求越來越高，另一方面，為出行者提供可靠而準確的實時信息能更好地引導出行者，減少出行的盲目性，不僅能讓出行者受益，還可優化現有高速公路的交通狀況，降低擁堵事件發生概率。旅行時間是出行者選擇出行路線、出行方式和出行目的地的重要參考依據，可靠而及時的旅行時間估計可更好地服務出行者，保障高速公路的暢通。

1 研究現狀

目前，國內外高速公路旅行時間估計的數據采集主要利用環形線圈檢測器、視頻檢測器、車牌識別器和車載GPS等，其成本高，利用率低，精度不高，不適于高速公路上大范圍連續布設和使用。為獲得更為準確的旅行時間估計，研究人員利用不同檢測器的數據信息進行融合，如：高學英基于線圈和GPS浮動車法檢測并通過自適應加權平均法進行數據融合，實現了有效的行程時間估計；李繼偉根據城市道路控制中的交通檢測器和車載GPS所獲取的車輛基本數據，提出了將城市道路局部與整體相對應的路段行程時間估計方法；李朝提出了基于粒子濾波算法的旅行時間預測方法，無需建立預測旅行時間與歷史旅行時間的狀態轉移函數，僅利用歷史數據的變化趨勢實現狀態轉移，具有良好的預測效果。這些研究雖然在一定程度上提高了旅行時間估計精度，但其實施范圍小、數據采集量低、設備維護困難、成本高。近年來，部分學者利用高速公路全封閉管理的特點，通過研究收費數據信息實現對車輛旅行時間的估計，有效解決了車輛數據信息不足的問題，如：莊嚴浩通過研究收費數據，提出了依據軌跡法計算車輛時空坐標軌跡并以路段長度為權重進行路段速度修正的路段旅行時間估計算法；趙建東等研究了收費數據實時修正處理方法，引入分段線性插值方法構建卡爾曼濾波模型，達到了高速公路站間旅行時間實時預測的目的。但收費數據僅含有車輛在收費站處的數據信息，而收費站間的距離一般達幾十到上百公里，長距離的旅行時間估計會因車輛故障、交通堵塞和交通事件等因素出現較大偏差和延誤，嚴重影響旅行時間估計的可靠性。

隨著高速公路ETC全國聯網的持續推進，高速公路將逐步實現ETC全覆蓋。針對車輛的收費問題，路側標識站對車輛真實路徑的識別方法也將逐漸推廣，利用路側標識站的信息采集功能可獲得標識站處的車輛和時間信息，進而得到車輛在不同標識站間的通行時間。由于路側標識站涉及高速公路不同業主的切身利益，需保證較高的信息準確性和完整性，同時設備維護更加及時，建設資金更加充足，因而利用標識站信息可進一步提高旅行時間的可靠性。該文利用路側標識站對高速公路路段進行區間劃分，實現車輛路段旅行時間估計，并利用加權疊加法對平均速度法和累計車輛數均衡法的旅行時間估計進行數據融合，獲得準確的旅行時間估計，以解決目前檢測手段中旅行時間準確率低、可靠性低

和車輛數據不足的問題。

2 旅行時間的定義

對于高速公路上行駛的車輛而言，收費站間的旅行時間是指某一時間區間內，其從出發地到目的地并離開高速公路收費站的旅途上所花費的時間。

現階段研究旅行時間的方法主要為直接測量法，即利用高速公路收費站的收費數據獲取車輛的出發地、目的地和所經過路段的時間信息，由于高速公路經營者需要這些信息實現對行駛車輛的通行費征收，這給旅行時間的研究提供了巨大便利。但這種收費站旅行時間估計法（Collecting-Toll Travel Time，CTT）對于真實旅行時間的計算存在嚴重缺點，即信息的滯后，收費站獲得的收費數據是在車輛駛離目的地收費站后采集的，導致旅行時間計算的滯后，尤其是在旅途時間較長或出現交通堵塞時，無法在車輛行駛過程中根據已行駛的一段旅程計算旅行時間。同時旅行時間的路段計算長度較大時，在出行過程中可能出現交通事故、交通阻塞及車輛故障等，嚴重影響旅行時間計算的準確性。

為減少旅行時間的滯后性和誤差，應盡量保證測量旅行時間的行程較短。而隨著ETC的推廣，路側標識站將能獲取高速公路上全部車輛信息，從而實現對旅行時間的估計。利用路側標識站可將出行者的長距離旅行劃分為一個個小區間的基本路段，根據路側標識站所獲得的車輛及時間信息可得到每一段區間內路側標識站旅行時間（Roadside Travel Time，RTT）。利用高密度設置的路側標識站的檢測功能可大大縮短路段的旅行時間，由于車輛在每一段上的旅行時間較短，可減少旅行時間計算的滯后，同時可通過去除問題路段旅行時間避免出現問題路段影響旅行時間準確性的情況。根據收費系統和信息采集的需要，可每1～5 km設置一處路側標識站。路側標識站設置越多，路段劃分精度越大，越能精確估計旅行時間，使計算出的旅行時間接近甚至等于出行者實際旅行時間（Actual Travel Time，ATT）。不同旅行時間之間的關系見圖1。

由圖1可知：僅通過收費站數據進行旅行時間計算，其結果與出行者實際旅行時間誤差較大，而利用路側標識站劃分基本路段，將基本路段的旅行時間疊加后獲得的結果與實際旅行時間較接近，當基本路段足夠短時，標識站旅行時間就是出行者的真實旅行時間。

圖1 旅行時間的定義及表示的關系

鑒于貨車等車型速度較低，不宜統一計算，這里以小型汽車為例進行討論。在進行旅行時間估計前，通過數據處理過濾掉錯誤、多余和異常事件導致的偏差數據。

2.1 平均速度法的旅行時間估計

利用路側標識站可獲得車輛在標識站處的經過時間和車輛信息，根據路段長度計算車輛在基本路段上的旅行時間：

式中：T（1）i，j，t為在時間間隔（t-1，t）內車輛在高速公路路段（i，j）上的平均旅行時間；li，j為路段（i，j）的路段長度；v-i，j，t為在時間間隔（t-1，t）內高速公路路段（i，j）上車輛的調和平均速度，可由n（i，j，t）輛車在路段（i，j）上的速度v（k）i，j，t通過調和平均計算得到。

該模型假設在高速公路基本路段上和時間空間內車輛的交通流特性保持穩定。為了克服該模型算法的時間滯后性，標識站的設置距離應盡量小，保證獲得及時的車輛信息，并且路段的時間更新間隔盡量小于10 min。

另外，當擁擠路段出現車輛走停現象的交通狀態時，路段的調和平均速度不同于實際的平均速度，因為標識站之間計算車輛速度只考慮車輛的行駛時間，不考慮車輛停止的時間，從而使速度較實際值偏大，會導致旅行時間的計算值偏低。

2.2 累計車輛數均衡法的旅行時間估計

累計車輛數均衡法的旅行時間估計直接利用某

一時間區間內通過路側標識站的累計車輛數，不需計算車輛速度，可解決高速公路擁擠路段的平均速度計算誤差問題。該方法利用高速公路主干道上下游和收費站出入口匝道的車輛數信息，通過計算進入和離開路段車輛數間的動態平衡實現對高速公路路段旅行時間的估計（見圖2）。

圖2 累計車輛數均衡法的旅行時間計算示意圖

在時間區間（t-1，t）內，在路側標識站i和i+ 1之間的路段（i，i+1）上總進入、總離開的車輛數分別為：

旅行時間的估計可通過研究路段上的累計車輛數與時間的關系獲得（見圖3）。

圖3 累計車輛數均衡法中車輛數與時間的關系

路段（i，i+1）上車輛的平均旅行時間可通過計算圖3中陰影部分面積A（i+1，t）與時間間隔（t-1，t）內離開路段的車輛數的比值獲得，即：

該模型通過利用車輛在路段行駛中的連續性實現對路段內車輛總旅行時間的估計來計算車輛平均旅行時間。

2.3 旅行時間的權重分配模型

根據模型算法估計精度的不同分配不同方法各自估計結果的權重，達到提高旅行時間估計準確度和可靠性的目的。利用最優估計，保證不同方法的數據融合后均方誤差最小。根據某一路段的旅行時間估計值確定該路段不同模型方法的數據所占權重，則融合后的旅行時間估計為：

式中：Ti，j，t為路段（i，j）在時間區間（t-1，t）內不同數據融合后的旅行時間估計；w（k）i，j，t為路段（i，j）的第k種模型方法在時間區間（t-1，t）內旅行時間的權重，其大小表示不同模型方法估計結果精度的高低；T（k）i，j，t為路段（i，j）的第k種模型方法在時間區間（t-1，t）內的旅行時間估計。

不同模型計算方法的權重由不同方法各自的估計值與真實值誤差的平方來確定，權重計算公式為：

式中：σ（k）i，j，t為路段（i，j）的第k種模型方法在時間區間（t-1，t）內的計算結果與真實值間的誤差。

3 案例分析

通過VISSIM仿真軟件進行路段旅行時間仿真試驗，路段形式和標識站設置位置見圖4。將試驗路段分為4個基本路段，其長度分別為2.3、4.1、3.5、3.1 km，通過仿真得到車輛經過每個路側標識站的旅行時間，獲得車輛在基本路段間的旅行時間。

圖4 試驗路段的路側標識站設置示意圖（單位：km）

利用平均速度法和累計車輛數均衡法分別進行旅行時間計算，通過平均速度法和累計車輛數均衡法估計出的旅行時間及權重分配模型得到的旅行時

間與實際旅行時間的對比，得到各種模型方法旅行時間的平均絕對相對誤差（見表1）。

表13 種方法旅行時間估計的平均絕對相對誤差

由表1可知：1）經過權重分析模型進行數據融得到的旅行時間估計的平均相對誤差有所減少，說明權重分配模型可提高旅行時間估計的精度和可靠性；2）累計車輛數法旅行時間估計的精度比平均速度法的高，原因在于其不需考慮路段中的速度誤差。但經過權重分配模型實現數據融合后，旅行時間的精度更高，更接近于出行者實際旅行時間，可為出行者提供可靠的出行信息。

4 結語

該文利用高速公路現有路側標識站系統的信息采集功能實現對高速公路路段的合理劃分，利用平均速度法和累計車輛數均衡法對路側標識站間旅行時間的估計，通過權重分配模型實現對平均速度法和累計車輛數均衡法所得旅行時間的數據融合，提高旅行時間估計的精確度和可靠性。隨著ETC全國聯網進程的加深，路側標識站作為精確路徑識別的重要手段將得到進一步推廣，利用路側標識站采集車輛和時間信息的方法將成為未來發展趨勢，能有效減少信息采集成本，保證旅行時間的及時性和可靠性。

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2016-04-19