高速公路路网数据分析及预测系统探析

高速公路路网数据分析及预测系统探析

顾笑

中铁建山东京沪高速公路济乐有限公司山东济南250000

摘要：公路基础设施的完善与机动车制造业和运输业的发展相互促进，大大提高了全社会的机动性。但是，随之而来的交通事故频发、路网路段拥塞、交通突发事件等给高速公路运营管理和应急处置带来了新的困扰与挑战。路网运行信息的采集、分析和发布是解决或缓解上述问题的有效途径，它不仅能够保障日常交通畅通，缓解目前日益严重的交通拥堵，而且能够快速处理交通突发事故，实现有效的路网综合交通控制和管理，提高高速公路服务质量和管理水平。

关键词：高速公路；路网数据分析；预测系统

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1系统规划与架构

系统可分为：数据整理子系统、预测子系统、评估子系统、路网交通运行状态评价体系、知识库子系统和输出接口等六个子系统。各子系统功能独立，子系统问以接口进行交互。系统接受交通部门发送过来的地感线圈数据、视频数据、收费口数据等，经过分析，最终为交通部门提供短周期、中周期和长周期交通状况预测。几个子系统之间和外部的数据流向如图1所示。

图1

如图1所示，交通部门提交的各种高速公路数据（如地感线圈数据、摄像头视频数据、收费口／闸机数据等）进入系统后，由数据分析子系统进行处理、分析，并将分析结果交给交通状况预测子系统。预测子系统根据分析状况，同时结合知识库资料，对交通状况进行预测，并提供短周期、中周期、长周期几种预测结果；数据分析子系统的分析结果在发送给预测子系统的同时，也提交给效果评估与完善子系统。效果评估与完善子系统结合分析状况与过去某个时段的预测结果、实际交通状况等，生成知识库所需的资料，并提供给知识库。

1.1数据整理子系统

数据整理子系统负责对数据中心发送过来的数据进行分类与规范化。

（1）数据分类

①静态数据：路段基本信息（道路名称、长度、级别、编号、地理位置）、静态交通数据（车道数量、通行车辆类型、收费情况、最大限度、通行限制）；②动态数据：地感线圈（车流速度、车流量）、高清闸口（车流速度、车流量）、收费站（车流速度、车流量、突发事件）。

（2）数据规范化

数据规范化模块负责对数据进行统一的组织和量化，为支持知识库训练库的快速搜索和匹配，所有数据都需投影到数值空间。①对于突发事件，需要根据事件类别进行编码；②车流速度、车流量的综合估算。

1.2评估子系统

设计一个算法评估之前的预测内容与当前真实交通状况的一致陡。考虑单路段评估、多路段综合评估。

1.3预测子系统

该子系统是整个智能系统的核心。目标是实现不同周期的预测，大概包含短周期预测（以小时为单位）、中周期预测（以星期或月为单位）、长周期预测（以年为单位）。该子系统主要包含以下几个模块。

（1）确定有效的待匹配数据集

有效的待匹配数据集将直接影响预测的结果。根据不同的预测周期，确定有效的待匹配数据集。譬如，预测一个星期后的交通状况，必须先确定当前哪些数据对于预测是有关联的。这些数据集将作为寻找以往类似交通状况的匹配依据，从而可以找到在类型交通状况下一个星期后的交通状况，这个交通状况就是我们预测的结果。

（2）确定合理的搜索范围

针对不同的预测周期，确定合理的搜索范围。这里的“合理”要同时考虑到时间和准确度问题。

（3）制订数据集匹配原则

现有动态交通数据主要存在几个特点：①数据不完整性，有些节点在某些时间没有数据上传；②数据质量没有保障，某些数据存在较大的误差；③突发事件的不可控性，导致难易分析数据变化的规律性。这些特点决定了匹配的过程必须做到关注总体的变化，同时容忍局部的波动，还必须能实现部分匹配，而不是严格匹配。

（4）数据集聚类

聚类是加速搜索的一个重要途径。根据不同的预测周期，对类似的交通状况预先进行聚类。

（5）数据降维

降维是加速搜索的另一个重要途径。把高维数据通过有效的方式降到低维空间，同时保持数据的关键特征。

1.4路网交通运行状态评价体系

路网交通运行状态评价体系由四个部分组成：确定评价指标、确定评价标准、分类评价、动态评价综合模块。

（1）确定评价指标

系统综合实际情况和国内外常用指标，确定以下4个指标作为路网交通运行状态评价体系的指标：饱和度、平均车速、交通密度、平均行程延误。

（2）确定评价标准

我们将高速公路路网交通运行状况服务水平分为4级，最终结果按优、良、一般、差、较差S种表述标准来评价。

（3）动态评价综合模块

在现实的高速公路交通管理和决策中，经常遇到时序动态视角的综合评价问题，既需要综合比较n个系统在某时刻处的运行状况，又需要综合比较某个系统在不同时刻的整体交通运行状况，也需要综合比较某个系统在某时刻处的运行水平。在某个时间区间内，对于相对稳定的评价指标体系来说，确定了评价指标在不同时刻处的权重系统就能确定系统在某时刻下的运行状态。

2关键技术

2.1数据预处理技术

数据预处理是重要步骤。数据预处理对建立数据库和进行数据挖掘都很重要，因为高速公路监控及收费系统的现实操作中经过初步采集后的交通流数据依然多半是不完整的、有噪声的数据，所以在获取数据源后，需要对其进行清洗和重新提取。及时获取路网上的实时交通数据，并经过抽样和过滤等管理技术从海量的动态交通数据中提取出准确、实时的交通运行状态相关信息，如交通流量、速度、占有率、行程时间和拥挤程度等，为交通状态分析、评估和预测提供基础数据保障。

2.2多维度路网模型分析

多维度路网模型分析是设计核心。其通过oc）BC接口与数据源连接，通过建立的合理模型对样本数据进行分析，并将分析结果反馈给用户。多维度路网模型主要包含当前交通流畅度分析模型及下一时段交通流预测模型，因此需要深入分析数据之间潜在的相似性、相关性和关联性，并对交通数据进行聚类分析、预测分析、关联分析、异常检测等深度挖掘。

2.3决策支持分析

高速公路交通控制是提高行车安全和交通效率的有效途径。在高速公路出现交通状态异常时，通过实行驶入、驶出控制以及流量和车速控制等，来抑制拥挤区域的交通流量，恢复交通流的平稳性，防止或缓解阻塞。交通诱导策略是诱导系统的灵魂，诱导系统通过道路的实时交通状态，按照诱导策略生成诱导信息，并把这些信息及时发布给驾驶员等用户，使大家在出行前可以依据准确的交通诱导信息确定出行的时间、路线和方式，也可以在出行中依据交通信息实时的调整，从而合理地分布交通流，提高现有道路的使用率，有效缓解交通拥挤。

3结语

随着信息、业务、技术、管理、服务的不断交织，高速公路运营管理已经成为了一项复杂的系统工程。而路网运行监测与路网应急管理是其中非常重要的一环。我国高速公路事业起步较晚，但发展很快，给管理提出的挑战也更多，需要多方面着手来协同解决。

参考文献

[1]邵春福.交通规划[M].北京：北京交通大学出版社，2012.

[2]侯常明.基于TransCAD的高速公路改扩建分流量研究[D].长安大学，2010.