基于可拓決策理論的城市交通狀態(tài)識別研究＊

劉小明 王 灝 李穎宏 王 力 張永忠

（北方工業(yè)大學機電學院1） 北京 100144） （北京賽迪信息工程監(jiān)理有限公司2） 北京 100048）

城市交通系統(tǒng)具有很強的非線性、隨機性和時空關(guān)聯(lián)性等特征，但大量研究實踐表明［1］，城市交通流以一定的時間尺度為分析單元表現(xiàn)出可重復的多種交通模式.有關(guān)交通流的狀態(tài)判別，如文獻［2］中應用多因素模糊模式識別方法評判交通狀態(tài)，將其分為暢通、正常、擁擠、堵塞4個等級；文獻［3］采用K均值聚類和EM算法相結(jié)合的方法，提取出特征向量以表征路口交通流運行狀況，能夠?qū)Φ湫蛥^(qū)域路網(wǎng)交通狀況進行評估；文獻［4］選用較多的交通參數(shù)，設(shè)計提出了基于聚類方法的細粒度交通模式劃分算法；文獻［5］從交通數(shù)據(jù)管理的角度研究了交通模式與區(qū)域交通流特征問題，通過模糊聚類和數(shù)據(jù)挖掘的方法，得到代表區(qū)域交通網(wǎng)絡(luò)特征的特征點和特征交通模式.

可拓學理論由我國學者蔡文教授于1983年創(chuàng)立［6］，采用可拓識別方法可以定性和定量相結(jié)合，靈活地選擇能夠體現(xiàn)交通流特征的參數(shù)種類和數(shù)量，通過選擇適當?shù)奶卣饕蛩兀^為準確的對交通流模式加以識別.基于此，本文將利用可拓集合理論，通過建立關(guān)聯(lián)函數(shù)，進而計算待識別交通模式的經(jīng)典物元、節(jié)域物元的關(guān)聯(lián)度，最終得到準確的交通模式評價結(jié)果.

1 交通流可拓識別物元模型

以城市中某區(qū)域的交通流作為研究對象，設(shè)該區(qū)域交通流的模式最終可以劃分為m類，影響交通流處于何種模式的因素有n個，則該區(qū)域交通流模式的經(jīng)典物元記為

式中：P0j為區(qū)域交通流模式（j＝1，2，…，m）；ci為區(qū)域交通流模式P0j的特征，即影響該區(qū)域交通流處于何種模式的主要因素（i＝1，2，…，n）；V0ji為區(qū)域交通流模式P0j對應于影響因素ci的量值范圍，即經(jīng)典域＜a0ji，b0ji＞.

由集合P和它的n個特征ci及其將標準量值＜a0ji，b0ji＞范圍加以拓廣了的量值范圍Vpi＝＜api，bpi＞組成的物元稱為節(jié)域物元，記為

式中：P為區(qū)域交通流模式的全體；Vp1，Vp2，…，Vpn分別為P 關(guān)于c1，c2，…，cn的取值范圍，即集合P的節(jié)域.對比式（1）和式（2）并根據(jù)可拓學中的定義，顯然有V0ji?Vpi，（i＝1，2，…，n）.

對待識別的某區(qū)域交通流，將交通流模式、各影響因素的檢測結(jié)果、各影響因素的取值范圍用物元可表示如下.

式中：Rd為交通流模式的待識別物元；Pd為待識別交通流模式；Vi為Pd關(guān)于特征ci的量值，即待識別區(qū)域交通流關(guān)于影響交通模式因素的實測數(shù)值.

在獲得經(jīng)典域物元、節(jié)域物元、待識別物元后，根據(jù)可拓決策理論，接下來需要求取第i個影響因素關(guān)于第j類交通模式的關(guān)聯(lián)函數(shù)值，如下所示.

設(shè)各個特征的權(quán)系數(shù)分別為λ1，λ2，…，λn，則有

根據(jù)式（4）和式（5）可以計算待識別交通流p關(guān)于交通模式j(luò)的關(guān)聯(lián)度為

假如Kj0＝max Kj（p），則確定p屬于交通模式p0j.以上判斷p是否屬于p0j的方法就稱為可拓識別方法.該方法利用了關(guān)聯(lián)函數(shù)可以取負值的特點，使識別方法能全面地分析對象屬于集合的程度，同時也有助于從變化的角度來識別變化中的事物.

2 交通流狀態(tài)經(jīng)典域及節(jié)域的確定

隸屬度函數(shù)合適與否直接影響到交通狀態(tài)判定的準確率，本文采用文獻［3］表示方法.

式中：i為交通狀態(tài)為暢通模式；j為交通流速度特征.或i表示交通狀態(tài)為堵塞模式，j表示交通流占有率或停車延誤時間特征.

式中：i為交通狀態(tài)為暢通模式；j為交通流占有率或停車延誤時間特征.或i表示交通狀態(tài)為堵塞模式，j表示交通流速度特征.

式中：i為交通狀態(tài)為正常或擁擠模式；j為交通流占有率、停車延誤時間或速度特征.

上述交通模式與單一交通參數(shù)之間映射的各隸屬度函數(shù)中門限值aij，bij，cij，dij可以通過對大量交通檢測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析及專家打分等方式來完成，本文采用文獻［3］中給出的數(shù)值，見表1.

根據(jù)上面的隸屬度函數(shù)及對應的門限值，則交通狀態(tài)識別條件物元的經(jīng)典域可定義如下.

表1 在各種城市道路交通狀態(tài)下的速度、占有率和停車延誤的門限值

式（12）～（14）中：Rd1，Rd2，Rd3，Rd4分別為速度、占有率、停車延誤時間三種交通流特征因素作用下暢通、正常、擁擠、堵塞四種交通模式的經(jīng)典物元，其中堵塞模式中停車延誤時間最大理論上可取無窮大，但由于交叉路口的最大控制周期一般不超過200s，因此為便于計算此處停車延誤時間上限取為200s.

根據(jù)上面的隸屬度函數(shù)及對應的門限值，則交通狀態(tài)識別條件物元的節(jié)域可定義如下.

式（15）～（18）中：Rp1，Rp2，Rp3，Rp4分別為三種影響因素下暢通、正常、擁擠、堵塞四種交通模式的節(jié)域物元.

3 實例分析

通過檢測器及浮動車等手段測得北京市學院路某待識別路段08：30～09：30間交通狀態(tài)物元如下.

則根據(jù)式（4）可計算關(guān)聯(lián)度，計算前要對影響交通模式的因素的量值采用極差化方法進行量綱一的量化處理.

式中：V′i為極差化后的數(shù)據(jù)；Vi為原始數(shù)據(jù)；Vimax，Vimin分別為第i因素的最大評價標準值和最小評價標準值.

對應表1，關(guān)聯(lián)度計算如下.

通過專家調(diào)查確定權(quán)重分別為0.2，0.3，0.5，根據(jù)式（4）、（7）可計算

同理：ρ（v1，Vp31）＝ －0.01；ρ（v2，Vp32）＝－0.03；ρ（v3，Vp33）＝－0.03；ρ（v1，V031）＝0.01；ρ（v2，V032）＝0.02；ρ（v3，V033）＝－0.02.

4 結(jié)束語

本文針對交通狀態(tài)識別這一問題，提出了基于可拓決策理論的解決方法.值得提出的是，在應用可拓決策理論進行交通狀態(tài)識別時，不同的交通環(huán)境所對應的經(jīng)典域可能也有差別，如何針對具體應用確定最佳的經(jīng)典域?qū)罄m(xù)交通狀態(tài)識別的準確率至關(guān)重要；此外在識別過程中各輸入?yún)⒘康臋?quán)重對最終的識別結(jié)果也有較大影響，在后續(xù)的工作中，研究更為先進的交通狀態(tài)特征參數(shù)經(jīng)典域及權(quán)重確定方法，將會對可拓學在智能交通系統(tǒng)中的應用起到重要的推動作用.

［1］TRB Special Report 209［R］.Highway Capacity Manual，2000.

［2］戴 紅.基于模糊模式識別的城市道路交通狀態(tài)檢測算法［J］.吉林工程技術(shù)師范學院學報，2005，21（3）：41－45.

［3］郭 偉，姚丹亞，付 毅.區(qū)域交通流特征提取與交通狀態(tài)評估方法研究［J］.公路交通科技，2005，22（7）：101－114.

［4］李志恒，孫 東.基于模式的城市交通狀態(tài)分類與性質(zhì)研究［J］.交通運輸系統(tǒng)工程與信息，2008，8（5）：83－87.

［5］張和生，張 毅，胡東成.區(qū)域交通狀態(tài)分析的時空分層模型［J］.清華大學學報：自然科學版，2007，47（1）：157－160.

［6］蔡 文，楊春燕，林偉初.可拓工程方法［M］.北京：科學出版社，1997.