利用检测设备在区域公路网布设交通信息检测点的方法

摘要

本发明公开了一种利用检测设备在区域公路网布设交通信息检测点的方法，包括：建立公路路网建模；将重要的交叉口，和城镇出入口作为节点对路网路段进行第一次总体划分，结合路段管辖特别是行政区划对相关路段进行第二次划分；指标选取节点所在位置重要性、节点所连接路段数量进行打分；先对节点按照重要度排序，然后对节点相关路段按照权值大小排序；按照节点重要度的高低的依次保证每个节点所连接的路段中有一个视频检测器。本发明切实提高了检测的空间覆盖率和调查数据的代表性；以最少的检测点获取能够反映公路网整体交通信息的数据，最大限度的减少动态交通数据采集体系的建设投入和后期运行投入；保证布设方法与布设方案的科学合理性。

说明书

技术领域

本发明属于交通信息检测点布设技术领域，尤其涉及一种利用检测设备在区域公路网布设交通信息检测点的方法。

背景技术

目前我国公路以线圈检测器为主，线圈是埋在地下的，无法采集，无法识别车牌，也无法准确采集到转弯流量信息。目前交通信息检测点布设的方法主要有随机选择法、主要路段选择法、校核线选择法和交通流量法等方法。但这些方法都是经验方法，没有经过科学的论证推算，因为布设点的不全，获得的信息不全，无法准确的对所有公路进行全面分析和考虑权重，布设的检测点通常存在检测数据重复或遗漏等问题。

综上所述，目前交通信息检测点设备种类单一、布设的方法存在无法准确的对所有公路进行全面分析和考虑权重，布设的检测点通常存在检测数据重复或遗漏等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用检测设备在区域公路网布设交通信息检测点的方法，旨在解决目前交通信息检测点布设的方法存在无法准确的对所有公路进行全面分析和考虑权重，布设的检测点通常存在检测数据重复或遗漏的问题。

本发明是这样实现的，一种利用检测设备在区域公路网布设交通信息检测点的方法，所述利用检测设备在区域公路网布设交通信息检测点的方法包括以下步骤：

步骤一，获取公路网地图及沿线用地包括乡镇人口、GDP信息；

步骤二，确定公路节点和路段，将重要的交叉口，和城镇出入口作为节点对路网路段进行第一次总体划分，结合路段管辖特别是行政区划对相关路段进行第二次划分，根据路段的长度和观测里程的要求，对部分过长路段进行最后分割路段长度不超过15公里；

步骤三，计算节点重要度和路段权值；节点重要度指标选取节点所在位置重要性(含乡镇等级、道路等级两个方面)、节点所连接路段数量两个方面分别进行十级、五级打分，节点重要度值＝所在位置重要性分值*5+节点连接路段数量分值；路段权值c_ij＝道路行政等级分值+车道数分值+路段长度分值；道路行政等级分值为10分值；车道数分值为5分值；路段长度分值为5分值；

步骤四，建立公路路网建模，以重要点为节点，以路段为边，并赋予各路段相应的权值，建立赋权路网拓扑结构图；

步骤五，先对节点按照重要度分值排序，然后对节点相关路段按照权值大小排序，先布设视频检测器，方法为按照节点重要度的高低的依次保证每个节点所连接的路段中有一个视频检测器，然后按照节点重要度的大小及其连接路段权值的大小对其他路段布设线圈检测器；

步骤六，每布设一个视频或线圈检测器计算一次检测覆盖率，直到所有设备均布设完毕或者覆盖率达到预期覆盖率为止，从而得到布设方案。同样可以得到不同覆盖率目标下所需检测设备数量，或者一定数量检测设备下的覆盖率，从而制定分期布设方案。

进一步，所述公路网络模型的构建采用图论的方法；图论中的图是点v和有向边e的集合，点是边联系的对象，边反映了点之间的关系；图是描述一些对象及其之间关系的模型；

将图记为G＝(V，E)，其中V代表点的集合，V＝{v_i}；E代表有向边的集合，E＝{eij}；给定图G＝(V，E)，对于G中的每一条边有向e_ij，相应权为c_ij，则G连同边上的权称为赋权图；

以道路交叉点为结点，以有向路段为边，并赋予各路段相应的权值，建立赋权图；

图G＝(V,E)的关联矩阵A＝(a_ij)是如下的m*n矩阵：

式中：c_ij——边e_ij的权值，与道路等级、车道数、路段长度和流量有关；v_iRe_ij——v_i与e_ij间存在关联关系。

进一步，具体节点所连接的哪个路段设置视频检测器，则按照路段权值大小进行排序；其他的则布设为线圈检测器。

进一步，所述利用检测设备在路网布设交通信息检测点的方法的全覆盖目标模型为：

式中：X——检测点数；

n——节点总数；

c_ij——有向路段e_ij上有设备时，该设备所覆盖路段的权值或权值和；

当检测点布设覆盖的路段的权值达到了所有路段的权值和时，就达到100％覆盖。

进一步，所述利用检测设备在路网布设交通信息检测点的方法判别两个基本有向路段交通流量之间的相似程度，用相关系数描述，其中在公式中，X代表路段X的交通量数组，Y代表路段Y的交通量数组；ρ(X,Y)代表路段X、Y交通流量之间的相关系数；而且路段X，Y的流量数据必须是同一时间阶段的相对应数据。

本发明的另一目的在于提供一种所述利用检测设备在区域公路网布设交通信息检测点的方法的检测设备，所述检测设备包括：

感应线圈检测器，对通过线圈或存在于线圈上的车辆引起电磁感应的变化进行处理而达到检测目的；获得的交通参数包括：采集流量、占有率、车速；

视频检测器，用于交通状况的拍摄和记录，通过视频识别技术识别交通事件信息，获取流量、占有率、车速、排队长度、车牌。

本发明提供的利用检测设备在区域公路网布设交通信息检测点的方法，全面覆盖，检测点布设应实现对路网的全面覆盖，运用的是科学的模型来筛选重要路段并计算覆盖率，以切实提高检测的空间覆盖率和调查数据的代表性；合理布局，检测点布设应注意与公路路网布局形态及技术特征相协调，以最少的检测点获取能够反映公路网整体交通信息的数据，同时兼顾重要路段的交通状况，实现检测点的合理布局；规模适度，检测点布设应实现规模与效率的最优平衡，最大限度的减少动态交通数据采集体系的建设投入和后期运行投入；比如，一个十字路口相连有8个路段，布设7套设备而非8套即可获取所有流量信息，其中一套为视频的，除了用来尽量流量监控，还可以进行车牌识别抓拍等功能

具体如图3所示，对于节点2连接的8个路段，共4个进口道4个出口道，可以其中一个方向路段如e12不布设检测设备，将反方向路段e21布设视频检测设备。节点3所连接的路段也是同理。路网中的8个节点连接的14个路段布设12套设备即可全覆盖，而无需布设14套设备。定量分析与定性分析相结合，检测点布设应采取定量分析与定性分析相结合的方法，保证布设方法与布设方案的科学合理性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的利用检测设备在区域公路网布设交通信息检测点的方法流程图。

图2是本发明实施例提供的布设流程图。

图3是本发明实施例提供的检测设备布设的路段单元示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

本发明实施例提供的利用检测设备在区域公路网布设交通信息检测点的方法采用可视和不可视两种固定点采集设备综合采集；不可视指公路普遍使用的线圈，采集流量、占有率、车速；可视指视频监测器，则可以流量、占有率、车速、排队长度、车牌等。

如图1所示，本发明实施例提供的利用检测设备在区域公路网布设交通信息检测点的方法包括以下步骤：

S101：对路网建模就是以道路交叉口、出入口等重要点为节点，以路段为边，并赋予各路段相应的权值，建立赋权路网拓扑结构图；

S102：对公路进行检测点布设时，将重要的交叉口，和城镇出入口作为节点对路网路段进行第一次总体划分，然后结合路段管辖特别是行政区划对相关路段进行第二次划分，最后根据路段的长度和观测里程的要求，对部分过长路段进行最后分割路段长度不超过15公里；

S103：指标选取节点所在位置重要性、节点所连接路段数量两个方面分别进行十级、五级打分，节点重要度值＝所在位置重要性分值*5+节点连接路段数量分值；路段权值c_ij＝道路行政等级分值+车道数分值+路段长度分值；道路行政等级分值为10分值；车道数分值为5分值；路段长度分值为5分值；

S104：先对节点按照重要度排序，然后对节点相关路段按照权值大小排序；按照节点重要度的高低的依次保证每个节点所连接的路段中有一个视频检测器。

本发明实施例提供的利用检测设备在区域公路网布设交通信息检测点的方法包括以下步骤：

步骤一，获取公路网地图及沿线用地包括乡镇人口、GDP信息；

步骤二，确定公路节点和路段，将重要的交叉口，和城镇出入口作为节点对路网路段进行第一次总体划分，结合路段管辖特别是行政区划对相关路段进行第二次划分，根据路段的长度和观测里程的要求，对部分过长路段进行最后分割路段长度不超过15公里；

步骤三，计算节点重要度和路段权值；节点重要度指标选取节点所在位置重要性(含乡镇等级、道路等级两个方面)、节点所连接路段数量两个方面分别进行十级、五级打分，节点重要度值＝所在位置重要性分值*5+节点连接路段数量分值；路段权值c_ij＝道路行政等级分值+车道数分值+路段长度分值；道路行政等级分值为10分值；车道数分值为5分值；路段长度分值为5分值；

步骤四，建立公路路网建模，以重要点为节点，以路段为边，并赋予各路段相应的权值，建立赋权路网拓扑结构图；

步骤五，先对节点按照重要度分值排序，然后对节点相关路段按照权值大小排序，先布设视频检测器，方法为按照节点重要度的高低的依次保证每个节点所连接的路段中有一个视频检测器，然后按照节点重要度的大小及其连接路段权值的大小对其他路段布设线圈检测器；

步骤六，每布设一个视频或线圈检测器计算一次检测覆盖率，直到所有设备均布设完毕或者覆盖率达到预期覆盖率为止，从而得到布设方案。同样可以得到不同覆盖率目标下所需检测设备数量，或者一定数量检测设备下的覆盖率，从而制定分期布设方案。

所述检测设备包括：

感应线圈检测器，对通过线圈或存在于线圈上的车辆引起电磁感应的变化进行处理而达到检测目的；获得的交通参数包括：采集流量、占有率、车速；

视频检测器，用于交通状况的拍摄和记录，通过视频识别技术识别交通事件信息，获取流量、占有率、车速、排队长度、车牌。

固定式检测器常见的有以下几种，其可获取的参数和优缺点如下：

表1固定检测器技术优缺点对比

对于公路而言，最广泛使用也最便宜的是环形检测线圈。而可视获取信息最多的则是视频检测器。所以这里采用这两种设备结合采集多样化数据，为交通管理提供数据支撑。

下面具体介绍这两种设备的工作原理。

(1)环形线圈检测器

环形线圈检测器是最常用的车辆检测器，一般有三部分组成：作为传感器的环形线圈、检测单元及馈线。安装时需切开路面放入3圈左右导线，线圈尺寸一般采用2m*2m，然后由导管引出馈线，通过接线箱接到检测单元。

工作原理是：检测单元通环形线圈与馈线线路构成一个电感电容调谐电路，电流通过环形线圈时，在其附件形成一个电磁场。当车辆进入这个磁场时，车身金属中感应出涡流电流从而使磁场改变，即车辆通过或停在线圈上会改变线圈的电感量，激发电路产生一个输出，从而检测到通过或停在线圈上的车辆。所以该类检测器既可以检测交通量，又可检测占有率及大致的车速等多种交通参数。如果两组线圈纵向平行布设即双线圈布设，则还可以精确计算平均车速、车长。

当车辆前沿进入环形线圈的一边时，检测器被触发产生信号输出，而当车辆尾部驶离环形线圈另一边时，信号强度低于触发阈值，输出电平为零。车辆通过检测器产生的脉冲信号经过平滑滤波处理后，形成方波信号输出。一个方波信号即可以表示一辆车的通过；方波信号的宽度ti即是车辆占用检测器的时间。

(a)交通量q＝N/T

其中，q为单位时间交通量；T为采样时间间隔；N为采样间隔T内通过环形线圈的车辆数，即一个环形线圈的脉冲数。

(b)时间占有率：

其中，ti为采用间隔第i辆车占用检测器的时间；T为采样时间间隔；N为采样间隔T内通过环形线圈的车辆数。

(c)第i辆车的地点速度：vi＝(L1+Li)/ti

其中，L1为环形线圈长度；li为第i辆车的车身长度。

但由于第i辆车的车身长度未知，往往采用平均车身长度来计算，所以，速度的计算并不准确。

线圈检测技术成熟、易于掌握、计数非常精确、性能稳定。缺点是交通流数据较单一、安装过程对可靠性和寿命影响很大、修理或安装需中断交通、影响路面寿命、易被重型车辆、路面修理等损坏。另外高纬度开冻期和低纬度夏季路面以及路面质量不好的地方对线圈的维护工作量比较大的。但也有改进的线圈检测器，在线圈外特质了塑料导管，减少受环境、路面破损、外界重要的影响。

(2)视频检测设备

视频检测设备是由电视视频摄像机和计算机模仿人眼识别技术相结合的一种新型检测技术。摄像机对车道车辆进行拍摄，用硬件将拍摄到的图像进行数字化存储，用图像处理的方式对图像初步处理，提取必要的车辆特征信息。根据特征信息进行车流量、车速、车型分类、占有率、排队等交通信息统计；对于异常交通流信息如拥堵、事故等也能进行实时监测，这是其它检测技术做不到的。随着视频检测技术的飞速发展，采用此技术检测的精度和可靠性经过实际应用得到了国内外专家和广大用户的高度认可。

其工作原理是通过视频摄像机和计算机模拟人眼视觉技术,通过分析摄像机拍摄的交通图像，在视频范围内划定虚拟线圈，运动物体进入检测区域导致背景灰度发生变化，从而感知运动目标的存在，实现对车辆、行人等交通目标的运动进行检测、定位、识别和跟踪，并对检测、跟踪和识别的交通运动目标的交通行为进行分析和判断，从而既完成各种交通数据信息的采集。

常用的三种视频检测算法有着它们各自的优缺点：

(1)背景差分法：摄像机固定，算法简单易于实现，在背景已知的情况下，能够提供最完全的特征数据，并能完整地检测出运动目标。由于背景建模对光照、天气变化以及突发事件等外部动态场景变化极其敏感，所以当背景更新不能很好的适应变化场景时，无疑将影响到目标的检测。

(2)相邻帧差分法：采用固定摄像机，对动态变化环境中的运动目标检测有较强的自适应性。在实时性方面显示出优越性，由于连续两帧时间间隔短，受光线变化、摄像头抖动的影响很小。但总体来说该方法不能完全提取所有相关的特征像素点，得到的背景并不是纯背景图像，故检测结果不十分精确，在运动实体内部易产生空洞现象，不利于进一步的目标分析与识别。

(3)光流场法：该方法的优点是在摄像机运动存在的前提下也能检测出独立的运动目标。然而，大多数的光流计算方法相当复杂，运算量很大，且抗噪性能差，除非有特殊的硬件支持，否则很难实现动目标的实时检测。

该检测设备的优点是无需破坏路面，安装和维护比较方便，可为事故管理提供可视图像、可提供大量交通管理信息、单台摄像机和处理器可检测多车道。它的缺点是精度不高，容易受环境、天气、照度、干扰物等影响，对高速移动车辆的检测和捕获有一定困难。因为，拍摄高速移动车辆需要有足够快的快门(至少是1/3000S)、足够数目的像素以及好的图像检测算法的支持，视频检测由于需要进行计算往往无法捕获到高速运动物体。通常建议采用背景差分法。

下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步的描述。

实施例1：

本发明实施例提供的公路交通检测点的总体布设原则为：

(1)应以检测主干线为主、兼顾路网结构及形态，合理分布设备。

(2)远近期结合，一次规划，分期实施。一次规划是指从远期考虑系统，作好预埋、预留，注意系统的可扩展性。分期实施是指近期主要在流量大、当量面积大、重要度大、有代表性的路段上安装设备，运行一段时间后，再逐步扩展。

(3)有利于路网总体交通状况的控制。

(4)有利于估计其它道路的交通状况。即选择一些有代表性的路段，并建立同一条道路上相邻路段间的关系，通过有设备路段获取的交通信息估计无设备路段的交通信息。

(5)有利于充分发挥设备的作用。将有限套设备合理地分布到路网当中，让它们获取到尽可能多的交通信息，即覆盖率最大，或让设备分布到最有代表性的路段上，对即将布设设备的路段，要实地考察并进行论证，排除不必要的路段和不合理的路段，避免采集的信息重复，造成资源的浪费，充分发挥设备的作用。

(6)检测器的设置位置

设置在路段的重要位置如桥隧等、交叉口进口道上游、重要出入口附近。

此外，具体在需要检测点覆盖的路段布设检测点时，检测设备的布设由于受道路条件影响较大，例如供电、行政归属等问题，所以具体在位置的确定时要需要综合实际考虑，如检测点的布设位置应距离互通立交交织区300-500米以上、城区出入口处、事故多发路段和节点宜设置检测点等。

在公路网络结构模型的基础上求解检测点布设目标模型即可得到检测点布设方案。

(1)建模

公路网模型的构建是进行数学建模分析的基础，对路网建模就是以道路交叉口、出入口等重要点为节点，以路段为边，并赋予各路段相应的权值，建立赋权路网拓扑结构图。

公路网络模型的构建可以采用图论的方法。图论中的图是点v和边e的集合，点是边联系的对象，边反映了点之间的关系。图是描述一些对象及其之间关系的模型。

通常将图记为G＝(V，E)，其中V代表点的集合，V＝{v_i}；E代表有向边的集合，E＝{eij}。在实际问题中，有时不仅要表示两个对象之间的有无关系，还要分析关系的数量，这种与边有关的数量指标，根据实际问题的需要，可以赋予不同的含义，比如距离、时间、费用等，称之为权值。给定图G＝(V，E)，对于G中的每一条边e_ij，相应权为c_ij，则G连同边上的权称为赋权图。

对路网建模就是以道路交叉点为结点，以路段为边，并赋予各路段相应的权值，建立赋权图。

图G＝(V,E)的关联矩阵A＝(a_ij)是如下的m*n矩阵：

式中：c_ij——边e_ij的权值，与道路等级、车道数、路段长度和流量有关；

v_iRe_ij——v_i与e_ij间存在关联关系。

(2)节点和路段的确定

布设方法中，节点的确定和路段划分方法会直接影响布设方法的有效性和布设结果，只有进行合理的路段相关性分析才能避免检测点设置的遗漏或重复，发挥检测设备的最大效益。

在各种经验布设方法中，路段划分主要是采用现成的路段管辖分割，而在城市道路的布设方法中，路段划分主要是以交叉口为节点进行路段划分，这两种方法都没有考虑到公路路段长度的差异导致观测里程及准确性的差距。

综合考虑以上因素，对公路进行检测点布设时，将重要的交叉口，和城镇出入口作为节点对路网路段进行第一次总体划分，然后结合路段管辖特别是行政区划对相关路段进行第二次划分，最后根据路段的长度和观测里程的要求，对部分过长路段进行最后分割路段长度不超过15公里。这样的划分方法便于布设时的建模求解，又能保证实施的有效性和数据的准确性。

(3)权值的计算

节点V_i的节点重要度D_i主要体现为交叉口或出入口相邻的城镇的等级等重要性。指标选取节点所在位置重要性、节点所连接路段数量两个方面进行十级与五级打分。

路段的重要度c_ij主要体现道路的地位功能和作用，包括道路的行政等级、车道数、交通量的大小、路段长度等因素。根据打分表对各因素进行10分或5分制的五级打分。

路段权值c_ij＝道路行政等级分值+车道数分值+路段长度分值。

(4)算法

先对节点按照重要度排序，然后对节点相关路段按照权值大小排序。

按照节点重要度的高低的依次保证每个节点所连接的路段中有一个视频检测器。具体节点所连接的哪个路段设置视频检测器，则按照路段权值大小进行排序，权值大的设为视频检测器，其他的则布设为线圈检测器。

(5)模型

全覆盖目标模型

公路检测点的布设目标有两种：以固定检测设备数达到最大覆盖率、覆盖整个路网时需要的最小设备数。在对总体全覆盖进行布设的目标为得到覆盖整个路网需要的最小设备数，即目标模型为：

式中：X——检测点数；

n——节点总数；

c_ij——有向路段e_ij上有设备时，该设备所覆盖路段的权值或权值和。

当检测点布设覆盖的路段的权值达到了所有路段的权值和时，就达到了100％覆盖。此时，再增加设备，覆盖量就会恒定不变，据此可以得到100％覆盖时需要最小设备数的布置方案。

考虑到前面所建的最小目标模型的约束条件和计算过程较为复杂，所以采用它的对偶模型来建模求解，目标模型为：

式中：Z——覆盖量，检测点可控制的区域，即检测点可控制路段的权值和；

n——路段总数；

c_ij——有向路段e_ij上有设备时，该设备所覆盖路段的权值或权值和。

这一模型意为0-1整数规划模型，对路网模型的关联矩阵进行操作即可求解。从权重最大的路段开始布设，每布置完一套设备，求一个覆盖总量，当覆盖总量等于网内所有路段的权值和时，就达到了100％覆盖。其中具体权重的考虑结合道路的地位功能先考虑道路的行政等级，在等级相同的情况下再考虑路段的长度和车道数，并不采用综合评价计算法。同时，在布设时考虑检测点布设的间距不超过15公里。

(6)覆盖率说明

如图3所示，对于节点2连接的8个路段，共4个进口道4个出口道，可以其中一个方向路段如e12不布设检测设备，将反方向路段e21布设视频检测设备。节点3所连接的路段也是同理。

路网中的14个路段布设12套设备即可全覆盖，而无需布设14套设备。

(7)流量相关分析

尽管每个路段的交通量由于车辆在各个节点处的分流而有所不同,但是某些临近路段间的流量肯定有所关联。而且由于居民出行规律具有一定的雷同性，所以公路网路段上交通流量变化具有相似的特点。所以某些基本路段之间存在着交通参数的相似性关系，需要依据交通流量分析确定需要布点的区域内哪些路段之间存在着相似性、存在多大程度的相似性。

判别两个基本有向路段交通流量之间的相似程度，用相关系数描述,其中在公式中，X代表路段X的交通量数组，Y代表路段Y的交通量数组。ρ(X,Y)代表路段X、Y交通流量之间的相关系数。而且路段X，Y的流量数据必须是同一时间阶段的相对应数据。

相关系数的计算必须要有足够多的样本支持，如果样本太少，则计算出的相关系数不具有代表性。而且两组样本之间具有相关关系并不说明它们具有因果关系,所以在确定两个路段的相关系数时一定要谨慎，需要用多组不同历史时期的流量数据对这种相关系数的稳定性进行校验。

(8)分期布设原则

为了在现有设备数量以及经济因素限制条件下，最大效益的充分利用检测点，实现较全面地获取青岛市公路网交通信息，需要分期实施自动化检测设备的布设。影响分期方案制定的要素是多方面的，体现在目标模型、流量相关性和综合布点参数等。

充分考虑分期布设方案制定的影响因素，在分析路段流量相似性的基础上，依据路段的权值即重要度参数(含道路等级、车道数、交通量、节点度等)、均匀性指标(如平均每条公路观测点数、百公里路程观测点数等)以及数据可靠性因素(如路段长度、流量波动系数等)来制定分期实施方案，在保证效益的条件下尽可能准确最大范围的采集路段动态信息。检测点路段的选取依据的主要原则有以下几点：

(1)效益最大。尽量排除不必要的路段和不合理的路段，避免采集的信息重复，造成资源的浪费，利用相邻路段间的关系，充分发挥设备的作用。

(2)重点布设。选择重要路段和关键节点进行布设，获取关键路段节点的交通状况信息，以解决公路交通运行的关键矛盾。

(3)均匀分布。尽量使选取的路段均匀分布于各县市，避免检测器布设过于集中。

(4)数据可靠。调查点应设在交通流比较稳定、流量和特性可代表某个路段区间交通流量和特性的地点。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。