一种基于随机图的城市路网运行可靠性动态度量方法

1.本发明涉及一种基于随机图的城市路网运行可靠性动态度量方法，属于智能交通领域。


背景技术：

2.伴随着经济的快速发展，城市居民的出行需求也在逐渐增加，因此居民对交通路网可提供的高质量以及可靠的运输服务有着更高的期望。通过对路网运行可靠性的度量可以了解到当前的路网容量以及提供的服务水平是否能够满足居民不断增加的出行需求，从而为路网的运行、管理以及优化等方面提供理论依据，使得路网可以为出行者提供更为可靠的运输服务。
3.路网运行可靠性指的路网在一定服务水平下可为出行者提供有效服务的功能，对其进行度量即是对路网能够保证出行者顺利通行的概率的度量。为了达到度量路网运行可靠性目的，学者们对其度量方法已经展开丰富的研究。但是在实际路网中度量时，已有的度量方法仍存在如下问题：一是传统方法多度量的是固定时段内路网运行的可靠性，忽略了路网运行是随机且动态演变的；二是由于实际路网较为复杂，传统方法多采用简化的路网且随机选择od对替代整体路网，使其与实际路网运行相差较多且容易造成度量结果不精确的情况。因此，建立一种动态且较为精确的路网运行可靠性的度量方法是有必要的。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种基于随机图的路网运行可靠性的动态度量方法，通过获取路网静态结构数据以及动态的交通数据，建立数据集和路网的图模型；根据t时刻的数据度量路网单元可靠性，再通过计算od对的重要度系数建立度量路网运行可靠性的模型；最后通过下一时刻的数据采集，达到动态度量路网运行可靠性的目的。
5.本发明为实现上述研究目的提供如下技术方案：
6.步骤1：基于城市道路交通路网的连接结构，构建路网的图模型；
7.步骤2：基于行程时间参数度量t时刻路网单元的运行可靠性；
8.步骤3：搜索路网中所有od对的最小路集；
9.步骤4：计算所有od对的重要度综合指标，得到影响路网运行的k-od对集合；
10.步骤5：基于串并联模型度量t时刻od对的运行可靠性；
11.步骤6：计算od对的重要度影响系数，度量t时刻路网的运行可靠性。
12.进一步地，步骤1所述的构建路网的图模型具体是：将路网中的交叉口抽象为节点，将路段抽象为连边，建立路网如下表达式的图模型：
13.g＝(v，e)
14.式中，g表示路网的网络图；v表示节点集合；e表示连边集合。
15.进一步地，步骤2中所述的基于行程时间参数建立t时刻路网单元的运行可靠性度量模型，具体流程为：
16.步骤2.1：度量t时刻路段e的运行可靠性，表达式为：
[0017][0018]
式中，re(t)表示t时刻路段e的运行可靠度；tt
95％，e
表示路段e上所有车辆的95％位行程时间；tt
min，e
表示路段e上车辆的最小行程时间；tt
max，e
表示路段e上车辆的最大行程时间；le表示路段e的长度；s
min，e
表示车辆在路段e的最小限速；
[0019]
步骤2.2：度量t时刻交叉口v的运行可靠性，表达式为：
[0020][0021]
式中，rv(t)表示t时刻交叉口v的运行可靠度；re′
(t)表示t时刻与交叉口v相连的路段e
′
的运行可靠度；qe′
表示t时刻与交叉口v相连的路段e
′
的车流量。
[0022]
进一步地，步骤3中考虑到路网中并非每一个连通路径都会被出行者选择，所以搜索路网中全部od对中满足阈值的最小路集，具体流程如下：
[0023]
步骤3.1：输入路网的邻接矩阵a(g)，矩阵中第i行第j列元素的表达式为：
[0024][0025]
式中，(vi，vj)∈e表示交叉口vi和vj之间直接相连，l
ij
表示交叉口vi和vj之间路段的长度；表示交叉口vi和vj之间未直接相连；
[0026]
步骤3.2：遍历路网中所有od对，对任一od对，基于dijkstra算法计算该od对间所有路径的长度，将满足长度小于等于α
·
l
min
的路径集合作为该od对的最小路集；其中，α为路径延展系数，α∈[1.3，1.5]。
[0027]
进一步地，步骤4所述的计算od对重要度综合指标，确定影响路网运行的k-od对集合，具体流程如下：
[0028]
步骤4.1：计算od对的物理特性指标，表达式为：
[0029][0030]
式中，i1表示od对的总交叉口数目；i2表示od对的总路段数目；i3表示od对的平均路径长度；v表示od对中的交叉口；e表示od对中的路段；p表示od对中的路径；h表示od对的最小路集中路径的个数；
[0031]
步骤4.2：计算od对的拓扑特性指标，表达式为：
[0032][0033]
式中，i4表示od对的总交叉口度数；i5表示od对的总交叉口中心性；i6表示od对的总交叉口介数；表示od对中的交叉口v指向其它交叉口的路段数；表示od对中的其它交叉口指向交叉口v的路段数；d(vi，vj)表示od对中的交叉口vi到交叉口vj的最短路径距离；n
i，j
(va)表示od对中的交叉口vi和vj之间的最短路径中通过交叉口va的个数；n
i，j
表示od对中的交叉口vi和vj之间的最短路径总数；
[0034]
步骤4.3：计算od对的动态特性指标，表达式为：
[0035][0036]
式中，i7表示od对的总车流量；qe(t)表示路段e上的车流量；
[0037]
步骤4.4：计算指标的权值，表达式为：
[0038][0039]
式中，λi表示指标ii的权值；i
′i表示标准化后的ii；cvi表示指标ii的变异系数；表示指标ii的均值；σi表示指标ii的标准差；i＝1，2，...，7；
[0040]
步骤4.5：计算od对重要度综合指标，表达式为：
[0041]iod
＝∑(λi·ii
)
[0042]
式中，i
od
表示od对重要度；λi表示指标ii的权值；
[0043]
步骤4.6：按照重要度从大到小对所有od对进行排序，选取前k个od对构成k-od对集合。
[0044]
进一步地，步骤5所述的基于串并联模型度量t时刻od对的运行可靠性，具体流程为：
[0045][0046]
式中，r
p
(t)表示t时刻路段p的运行可靠度；r
od
(t)表示t时刻od对的运行可靠度；rv(t)表示t时刻交叉口v的运行可靠度；re(t)表示t时刻路段e的运行可靠度。
[0047]
进一步地，步骤6所述的计算k-od对集合中各od对的重要度影响系数，度量t时刻量路网的运行可靠性，具体流程为：
[0048]
[0049]
式中，rg(t)表示t时刻路网g的运行可靠度；ρ
od
表示od对重要度权重；r
od
(t)表示t时刻od对运行可靠性；i
od
表示od对的重要度；k表示k-od对集合中od对总数。
[0050]
相较于现有技术，本发明重点考虑了od对重要程度对路网运行的影响，以及路网运行可靠性实时且动态度量的问题，有助于管理者识别路网拥堵区域和及时展开预警防控工作，也有助于对出行提供实时动态的交通诱导信息；同时通过随机图的相关指标确定影响路网的k-od对组成，可以提高度量的精确度。
附图说明
[0051]
图1为一种基于随机图的城市路网运行可靠性动态度量方法的流程图；
[0052]
图2为路网中所有od对中最小路集搜索算法的流程图。
具体实施方式
[0053]
下面通过实施例对本发明的技术方案作详细说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施操作过程，但是本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0054]
在一个实施例中，如图1所示，本发明为一种基于随机图的城市路网运行可靠性动态度量方法，具体包含以下步骤：
[0055]
步骤1：根据城市路网的连接结构，构建城市道路网络图模型，具体如下所述：
[0056]
步骤1.1：选择某城市路网，统计路段编号、路段长度、路段车道数、路段等级、交叉口编号等路网基本静态数据。
[0057]
步骤1.2：将实际路网中的交叉口抽象为节点，将路段抽象为连边，建立路网如下表达式的图模型：
[0058]
g＝(v，e)
[0059]
式中，g表示路网的网络图；v表示节点集合；e表示连边集合。
[0060]
步骤2：确定路网后，在sumo仿真软件中建立路网的仿真模型。在模型上进行交通流加载，交通流变化过程参考实际交通流由平峰时刻至高峰时刻的变化过程，仿真时长为10个小时。以15分钟为间隔进行路网交通流数据划分和行程时间数据划分，得到所用数据集。并根据数据集，计算路段tt
95％，e
、tt
min，e
和tt
max，e
。
[0061]
步骤3：基于行程时间参数建立t时刻路网单元的运行可靠性度量模型，具体流程为：
[0062]
步骤3.1：度量t时刻路段e的运行可靠性，表达式为：
[0063][0064]
式中，re(t)表示t时刻路段e的运行可靠度；tt
95％，e
表示路段e上所有车辆的95％位行程时间；tt
min，e
表示路段e上车辆的最小行程时间；tt
max，e
表示路段e上车辆的最大行程时间；le表示路段e的长度；s
min，e
表示车辆在路段e的最小限速。
[0065]
步骤3.2：度量t时刻交叉口v的运行可靠性，表达式为：
[0066][0067]
式中，rv(t)表示t时刻交叉口v的运行可靠度；re′
(t)表示t时刻与交叉口v相连的路段e
′
的运行可靠度；qe′
表示t时刻与交叉口v相连的路段e
′
的车流量。
[0068]
步骤4：考虑到路网中并非每一个连通路径都会被出行者选择，所以搜索路网中全部od对中满足阈值的最小路集，如图2所示，具体流程如下：
[0069]
步骤4.1：输入路网的邻接矩阵a(g)，矩阵中第i行第j列元素的表达式为：
[0070][0071]
式中，(vi，vj)∈e表示交叉口vi和vj之间直接相连，l
ij
表示交叉口vi和vj之间路段的长度；表示交叉口vi和vj之间未直接相连。
[0072]
步骤4.2：遍历路网中所有od对，对任一od对，基于dijkstra算法计算该od对间所有路径的长度，将满足长度小于等于α
·
l
min
的路径集合作为该od对的最小路集；其中，α为路径延展系数，α∈[1.3，1.5]。
[0073]
步骤5：计算所有od对的重要度综合指标，确定影响路网运行的k-od对集合，其具体流程如下：
[0074]
步骤5.1：确定反映od对重要度的相关指标，如表1所示。
[0075]
表1 od对的重要程度指标
[0076][0077]
步骤5.2：计算od对的物理特性指标，表达式为：
[0078][0079]
式中，i1表示od对的总交叉口数目；i2表示od对的总路段数目；i3表示od对的平均路径长度；v表示od对中的交叉口；e表示od对中的路段；p表示od对中的路径；h表示od对的最小路集中路径的个数.
[0080]
步骤5.3：计算od对的拓扑特性指标，表达式为：
[0081][0082]
式中，i4表示od对的总交叉口度数；i5表示od对的总交叉口中心性；i6表示od对的总交叉口介数；表示od对中的交叉口v指向其它交叉口的路段数；表示od对中的其它交叉口指向交叉口v的路段数；d(vi，vj)表示od对中的交叉口vi到交叉口vj的最短路径距离；n
i，j
(va)表示od对中的交叉口vi和vj之间的最短路径中通过交叉口va的个数；n
i，j
表示od对中的交叉口vi和vj之间的最短路径总数。
[0083]
步骤5.4：计算od对的动态特性指标，表达式为：
[0084][0085]
式中，i7表示od对的总车流量；qe(t)表示路段e上的车流量。
[0086]
步骤5.5：计算上述各指标的权值，表达式为：
[0087][0088]
式中，λi表示指标ii的权值；i
′i表示标准化后的ii；cvi表示指标ii的变异系数；表示指标ii的均值；σi表示指标ii的标准差；i＝1，2，...，7。
[0089]
步骤5.6：计算od对重要度综合指标，表达式为：
[0090]iod
＝∑(λi·ii
)
[0091]
式中，i
od
表示od对重要度。
[0092]
步骤5.7：按照重要度从大到小对所有od对进行排序，选取前k个od对构成k-od对集合。
[0093]
步骤6：基于串并联模型度量t时刻od对的运行可靠性，具体流程为：
[0094][0095]
式中，r
p
(t)表示t时刻路段p的运行可靠度；r
od
(t)表示t时刻od对的运行可靠度；rv(t)表示t时刻交叉口v的运行可靠度；re(t)表示t时刻路段e的运行可靠度。
[0096]
步骤7：计算k-od对集合中各od对的重要度影响系数，度量t时刻量路网的运行可靠性，具体流程为：
[0097]
[0098]
式中，rg(t)表示t时刻路网g的运行可靠度；ρ
od
表示od对重要度权重；r
od
(t)表示t时刻od对运行可靠性；i
od
表示od对的重要度；k表示k-od对集合中od对总数。
[0099]
在完成对路网t时刻运行可靠性的度量后，可继续运用下一时段的交通数据完成对路网t+1时刻的运行可靠性度量，达到动态度量的目的。
[0100]
本发明重点考虑了od对重要程度对路网运行的影响，以及路网运行可靠性实时且动态度量的问题，有助于管理者识别路网拥堵区域和及时展开预警防控工作，也有助于对出行提供实时动态的交通诱导信息。
[0101]
在一个实施例中，本发明还公开了一种基于随机图的城市路网运行可靠性动态度量系统，包括：
[0102]
路网图模型构建模块，用于基于城市道路交通路网的连接结构，构建路网的图模型；
[0103]
路网单元的运行可靠性度量模块，用于基于行程时间参数度量t时刻路网单元的运行可靠性；
[0104]
od对的最小路集搜索模块，用于搜索路网中所有od对的最小路集；
[0105]
k-od对集合获取模块，用于根据所有od对的重要度综合指标，得到影响路网运行的k-od对集合；
[0106]
od对的运行可靠性度量模块，用于基于串并联模型度量t时刻od对的运行可靠性；
[0107]
路网的运行可靠性度量模块，用于计算od对的重要度影响系数，度量t时刻路网的运行可靠性。
[0108]
上述基于随机图的城市路网运行可靠性动态度量系统的技术方案与前述方法类似，这里不再赘述。
[0109]
基于相同的技术方案，本发明还公开了一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行上述基于随机图的城市路网运行可靠性动态度量方法。
[0110]
基于相同的技术方案，本发明还公开了一种电子设备，包括一个或多个处理器、一个或多个存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述一个或多个存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行上述基于随机图的城市路网运行可靠性动态度量方法的指令。
[0111]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0112]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0113]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0114]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0115]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种基于随机图的城市路网运行可靠性动态度量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1：基于城市道路交通路网的连接结构，构建路网的图模型；步骤2：基于行程时间参数度量t时刻路网单元的运行可靠性；步骤3：搜索路网中所有od对的最小路集；步骤4：计算所有od对的重要度综合指标，得到影响路网运行的k-od对集合；步骤5：基于串并联模型度量t时刻od对的运行可靠性；步骤6：计算od对的重要度影响系数，度量t时刻路网的运行可靠性。2.根据权利要求1所述的一种基于随机图的城市路网运行可靠性动态度量方法，其特征在于，步骤1所述的构建路网的图模型具体是：将路网中的交叉口抽象为节点，将路段抽象为连边，建立路网如下表达式的图模型：g＝(v,e)式中，g表示路网的网络图；v表示节点集合；e表示连边集合。3.根据权利要求1所述的一种基于随机图的城市路网运行可靠性动态度量方法，其特征在于，步骤2中所述的基于行程时间参数建立t时刻路网单元的运行可靠性度量模型，具体流程为：步骤2.1：度量t时刻路段e的运行可靠性，表达式为：式中，r
e
(t)表示t时刻路段e的运行可靠度；tt
95％,e
表示路段e上所有车辆的95％位行程时间；tt
min,e
表示路段e上车辆的最小行程时间；tt
max,e
表示路段e上车辆的最大行程时间；l
e
表示路段e的长度；s
min,e
表示车辆在路段e的最小限速；步骤2.2：度量t时刻交叉口v的运行可靠性，表达式为：式中，r
v
(t)表示t时刻交叉口v的运行可靠度；r
e
′
(t)表示t时刻与交叉口v相连的路段e
′
的运行可靠度；q
e
′
表示t时刻与交叉口v相连的路段e
′
的车流量。4.根据权利要求1所述的一种基于随机图的城市路网运行可靠性动态度量方法，其特征在于，步骤3所述的搜索路网中所有od对的最小路集，具体流程如下：步骤3.1：输入路网的邻接矩阵a(g)，矩阵中第i行第j列元素的表达式为：式中，(v
i
,v
j
)∈e表示交叉口v
i
和v
j
之间直接相连，l
ij
表示交叉口v
i
和v
j
之间路段的长度；表示交叉口v
i
和v
j
之间未直接相连；步骤3.2：遍历路网中所有od对，对任一od对，基于dijkstra算法计算该od对间所有路
径的长度，将满足长度小于等于α
·
l
min
的路径集合作为该od对的最小路集；其中，α为路径延展系数。5.根据权利要求1所述的一种基于随机图的城市路网运行可靠性动态度量方法，其特征在于，步骤4所述的计算od对重要度综合指标，确定影响路网运行的k-od对集合，具体流程如下：步骤4.1：计算od对的物理特性指标，表达式为：式中，i1表示od对的总交叉口数目；i2表示od对的总路段数目；i3表示od对的平均路径长度；v表示od对中的交叉口；e表示od对中的路段；p表示od对中的路径；h表示od对的最小路集中路径的个数；步骤4.2：计算od对的拓扑特性指标，表达式为：式中，i4表示od对的总交叉口度数；i5表示od对的总交叉口中心性；i6表示od对的总交叉口介数；表示od对中的交叉口v指向其它交叉口的路段数；表示od对中的其它交叉口指向交叉口v的路段数；d(v
i
,v
j
)表示od对中的交叉口v
i
到交叉口v
j
的最短路径距离；n
i,j
(v
a
)表示od对中的交叉口v
i
和v
j
之间的最短路径中通过交叉口v
a
的个数；n
i,j
表示od对中的交叉口v
i
和v
j
之间的最短路径总数；步骤4.3：计算od对的动态特性指标，表达式为：式中，i7表示od对的总车流量；q
e
(t)表示路段e上的车流量；步骤4.4：计算指标的权值，表达式为：式中，λ
i
表示指标i
i
的权值；i
′
i
表示标准化后的i
i
；cv
i
表示指标i
i
的变异系数；表示指标i
i
的均值；σ
i
表示指标i
i
的标准差；i＝1,2,
…
,7；步骤4.5：计算od对重要度综合指标，表达式为：i
od
＝∑(λ
i
·
i
i
)
式中，i
od
表示od对重要度；λ
i
表示指标i
i
的权值；步骤4.6：按照重要度从大到小对所有od对进行排序，选取前k个od对构成k-od对集合。6.根据权利要求1所述的一种基于随机图的城市路网运行可靠性动态度量方法，其特征在于，步骤5所述的基于串并联模型度量t时刻od对的运行可靠性，具体流程为：式中，r
p
(t)表示t时刻路段p的运行可靠度；r
od
(t)表示t时刻od对的运行可靠度；r
v
(t)表示t时刻交叉口v的运行可靠度；r
e
(t)表示t时刻路段e的运行可靠度。7.根据权利要求1所述的一种基于随机图的城市路网运行可靠性动态度量方法，其特征在于，步骤6所述的计算k-od对集合中各od对的重要度影响系数，度量t时刻量路网的运行可靠性，具体流程为：式中，r
g
(t)表示t时刻路网g的运行可靠度；ρ
od
表示od对重要度权重；r
od
(t)表示t时刻od对运行可靠性；i
od
表示od对的重要度；k表示k-od对集合中od对总数。8.一种基于随机图的城市路网运行可靠性动态度量系统，其特征在于，包括：路网图模型构建模块，用于基于城市道路交通路网的连接结构，构建路网的图模型；路网单元的运行可靠性度量模块，用于基于行程时间参数度量t时刻路网单元的运行可靠性；od对的最小路集搜索模块，用于搜索路网中所有od对的最小路集；k-od对集合获取模块，用于根据所有od对的重要度综合指标，得到影响路网运行的k-od对集合；od对的运行可靠性度量模块，用于基于串并联模型度量t时刻od对的运行可靠性；路网的运行可靠性度量模块，用于计算od对的重要度影响系数，度量t时刻路网的运行可靠性。9.一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，其特征在于，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行如权利要求1至7中任一所述的方法。10.一种电子设备，其特征在于，包括一个或多个处理器、一个或多个存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述一个或多个存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行如权利要求1至7中任一所述方法的指令。

技术总结
本发明公开了一种基于随机图的城市路网运行可靠性动态度量方法，包括以下步骤：步骤1：基于城市道路交通路网的连接结构，构建路网的图模型；步骤2：基于行程时间参数度量t时刻路网单元的运行可靠性；步骤3：搜索路网中所有OD对的最小路集；步骤4：计算所有OD对的重要度综合指标，得到影响路网运行的k-OD对集合；步骤5：基于串并联模型度量t时刻OD对的运行可靠性；步骤6：计算OD对的重要度影响系数，度量t时刻路网的运行可靠性。本发明能够实时度量城市道路交通路网的运行可靠性，有助于管理者识别拥堵区域并展开预警防控工作。拥堵区域并展开预警防控工作。拥堵区域并展开预警防控工作。


技术研发人员：郭建华 王超 钟晓斌 李美叶
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2023.05.06
技术公布日：2023/7/21