高速公路流量檢測數(shù)據(jù)的預處理方法研究

李 陽

（長安大學，陜西 西安 710064）

引 言

交通流數(shù)據(jù)主要包括車流量、車速、車間距、車輛類型、道路占有率等信息，其一般采用車輛檢測器檢測，車輛檢測器是高速公路交通監(jiān)控系統(tǒng)中不可缺少的組成部分，在智能交通系統(tǒng)中占有重要的地位，其檢測數(shù)據(jù)的有效利用能很大程度上提高交通監(jiān)控系統(tǒng)的管理水平。但是，由于車檢器的老化程度各有差異，受到路面交通狀況、惡劣環(huán)境等因素的影響程度也不同，車檢器也會存在不同程度的間歇性工作故障，流量檢測數(shù)據(jù)也會有不同程度的缺失與錯誤，若直接將有質(zhì)量問題的數(shù)據(jù)應用到交通流狀態(tài)辨識及后續(xù)應用中，必將對應用結(jié)果帶來不良影響，甚至直接影響科學決策的正確性 [1]。因此，為獲得高效精益化的交通流數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)篩選與修補顯得尤為重要。目前，錯誤數(shù)據(jù)的判別算法中的閾值方法、基于交通流機理的方法應用較為廣泛，修補算法中加權(quán)平均法、BP 神經(jīng)網(wǎng)絡等方法也均有應用[2]。而本研究采用的閾值法與交通流理論相結(jié)合的數(shù)據(jù)篩選方法，與已有的方法相比篩選規(guī)則更加精細，篩選流程更加清晰有據(jù)，且數(shù)據(jù)修補算法較為簡便易懂，便于實際運用[3]。本文通過設(shè)計科學合理的算法對高速公路車檢器流量檢測數(shù)據(jù)的質(zhì)量給予評估，過濾掉錯誤的數(shù)據(jù)，并再此基礎(chǔ)上將錯誤數(shù)據(jù)修補成較為真實的數(shù)據(jù)，為車檢器檢測數(shù)據(jù)在ITS 應用領(lǐng)域發(fā)揮更好與更大的效能提供基礎(chǔ)[4]。

1 流量檢測數(shù)據(jù)的篩選

車檢器檢測數(shù)據(jù)表現(xiàn)了高速公路的交通運行狀態(tài)特征， 可提供總交通量、大中小分車型交通量、車輛占有率、速度等參數(shù)。其中，占有率、總交通量與速度間具有密切的聯(lián)系（在交通流量較小的情況下，單位時間內(nèi)通過檢測器的車輛數(shù)較小，且由于車速較高，導致時間占有率比較低。隨著交通量增加，單位時間內(nèi)通過檢測器的車輛數(shù)增加，而且車速有所降低，因此檢測器被車輛占用的時間增加，時間占有率會顯著增加。當出現(xiàn)交通擁擠時，通過檢測器的交通量雖然可能降低， 但由于車速明顯下降，使得時間占有率仍然處在一個較高的水平。）當檢測數(shù)據(jù)中三者的關(guān)系符合其正常關(guān)系時，總交通量符合真實值，反之，則可認定其錯誤。然而，在判斷總交通量正確的情況下，并不能反映出分車型流量的正誤，如圖 1 所示。當分車型流量與總流量之間有一條數(shù)據(jù)不符合實際情況，那么此條數(shù)據(jù)就為錯誤數(shù)據(jù)。

1.1 總交通量的篩選方法

利用占有率、交通量與速度之間的密切聯(lián)系，把交通流三參數(shù)作為一個整體考慮，有利于更好地利用其內(nèi)在的規(guī)律進行篩選。表 1 是交通流三參數(shù)九種不同情況取值的組合，通過對這些組合的分析，可以對交通流三參數(shù)做一個基本的判斷，篩選出明顯錯誤的數(shù)據(jù)[5,6]，其中，v 代表車檢器采集到的速度值，o 表示車檢器采集到的占有率，q 表示車檢器采集到的總流量。

通過上述研究可得，除了被認為數(shù)據(jù)錯誤的 5 種情況被直接過濾掉外，另外 4 種情況將進一步制定判別方法判斷流量檢測數(shù)據(jù)是否為真實值或錯誤值，本研究主要運用閾值法，閾值篩選是指交通量、速度和占有率不能超過一定的閾值。

針對交通量不為零的情況（情況 8 和情況 9，在交通低峰時期，車速快，車輛檢測器有時會出現(xiàn)靈敏度不夠的情況，占有率就會顯示為零），可通過最大閾值法排除檢測交通量數(shù)值超過道路通行能力的情況。道路通行能力是指道路上某一地點、某一車道或某斷面處，單位時間內(nèi)可能通過的最大的交通實體（車輛或行人）數(shù)，估算單車道的道路通行能力的公式為 [7]：

根據(jù)道路通行能力的估算，定義交通量的取值范圍 q的合理范圍為：0 ≤ q≤ C·T/60·f。其中：C為道路通行能力（veh/h）； v 為小客車的行車速度（km/h）；T為數(shù)據(jù)采集的時間間隔（min），一般為 5min；l0為車頭最小間隔 ；lc為小客車的長度（km）；la為車輛間的安全間距（km）；f為修正系數(shù)，一般取 1.3～1.5。

針對交通量為零，占有率約為 1的情況，可通過前 5分鐘和后 5 分鐘的數(shù)據(jù)判斷是否出現(xiàn)停車或擁堵狀況，如果前后三項數(shù)據(jù)基本一致則正確，否則將此條數(shù)據(jù)視為錯誤數(shù)據(jù)。針對交通量和占有率均為 0 的情況，可能是因為凌晨流量較低，也可能是數(shù)據(jù)傳輸中斷造成丟失。這里可以對不同天數(shù)同一時段的交通流量的數(shù)據(jù)進行比較，如果前后兩天的流量接近 0，則數(shù)據(jù)為真實值 ；否則為錯誤數(shù)據(jù)。

1.2 分車型流量數(shù)據(jù)的篩選方法

將總流量有錯誤的數(shù)據(jù)過濾掉后，需要判斷分車型流量數(shù)據(jù)是否有錯誤。當總流量為真值時，分車型流量的和與總流量相比相差過大也是不對的。分車型流量的篩選通過以下公式判斷：

其中：qi  為分車型流量的值（i=1，2，3，分別表示大、中、小型車的檢測流量值）；Q 為總交通量 ；δ% 為設(shè)定誤差，通常根據(jù)車檢器的精度參數(shù)進行設(shè)定。

如果總交通量的值與分車型流量的和之間的相對誤差在規(guī)定范圍內(nèi)，可視為數(shù)據(jù)為真實值 ；否則本條數(shù)據(jù)錯誤，需要過濾掉。

2流量檢測數(shù)據(jù)的修補

將保留下來的車檢器流量檢測數(shù)據(jù)（包括小、中、大型車和總流量的檢測數(shù)據(jù)）根據(jù)殘缺度，還原成完整度為 1 的數(shù)值，作為車檢器全天正常工作時檢測到的數(shù)據(jù)。車檢器一天中某缺失時段的總交通量的修補值根據(jù)對應缺失時段的前15 天的總交通量檢測數(shù)據(jù)與后 15 天的總交通量檢測數(shù)據(jù)計算

得出，公式如下：

其中：kn 為車檢器第n 天缺失時段的總流量修補值。針對大、中、小、型車的檢測數(shù)據(jù)的修補方法，與總流量數(shù)據(jù)的修補方法相同。

結(jié) 語

本研究利用閾值法和數(shù)理統(tǒng)計知識對車檢器流量檢測數(shù)據(jù)的錯誤數(shù)值的篩選提供了思路和依據(jù)，并將其修補為正確性高，完整率為 1 的檢測數(shù)據(jù)。該方法的使用可以為高速公路管理部門提供質(zhì)量更好的流量檢測數(shù)據(jù)，使車檢器數(shù)據(jù)發(fā)揮出更好的效能。