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原文传递基于交通传播特性分析的城市路网动态OD在线估计

论文题名：	基于交通传播特性分析的城市路网动态OD在线估计
关键词：	城市路网;OD在线估计;交通传播;最短路径搜索;轨迹重构
摘要：	实时、准确、可靠地捕捉城市道路交通系统承载能力和交通需求，实现供需两侧动态平衡是城市道路交通管理的核心内容，也是有效缓解交通拥堵的重要手段。就交通需求一侧而言，既有研究在城市路网动态交通需求（即OD流量）估计方面仍存在无法充分利用多源检测数据以及对网络层级交通需求的分布与传播缺乏充分考虑等诸多问题，导致以控制和诱导为导向的诸多交通管理技术仍难有效应用于大规模路网。鉴于此，本文利用易于检测获取的路段流量、交叉口转向交通流量两类交通流数据，提出了一种考虑交通传播特性的城市路网动态OD在线估计方法。论文的核心研究工作包括动态OD在线估计方法研究、动态交通分配建模、实例验证与评估三个方面，具体内容总结如下。　　在动态OD在线估计方法研究过程中，本文沿用传统OD结构分解思想，考虑OD流量自身所具有的结构性和随机性特征，提出了基于时间序列分解技术的动态OD在线估计框架，将动态OD在线估计问题分解为动态结构OD离线估计和动态结构偏差OD在线估计两个部分。首先，本文以可观测路段及交叉口转向断面结构流量为基础输入数据，通过Q-PARAMICS仿真软件实现了对动态结构OD的离线估计。其次，针对既有相关研究在OD流量动态结构描述、状态空间系统误差统计特性以及状态空间系统能观性三个方面的不足，本文以可观测路段及交叉口转向断面实时检测流量与结构流量之间的偏差为观测变量，构建了动态结构偏差OD在线估计状态空间模型，并对上述三方面问题进行了改进。针对第一个问题，从真实OD流量无法获取的普遍现实出发，提出了以可观测路段及交叉口转向断面历史结构偏差流量的自相关性检验结果作为采用随机游走过程描述不可观测结构偏差OD流量动态结构的理论依据;针对第二个问题，提出了以可观测路段及交叉口转向断面结构偏差流量随机游走过程误差项的统计特性作为判断状态误差统计特性的依据，在此基础上设计了动态结构偏差OD状态空间模型的自适应Kalman滤波估计算法;针对第三个问题，给出了动态OD结构偏差估计状态空间系统能观性代数判据的详细推导过程，并应用于实例分析，从理论上确保了动态结构偏差OD估计及其自适应Kalman滤波过程的收敛性。　　动态交通分配建模在本文中的主要目的是输出动态交通分配矩阵，为动态结构偏差OD状态空间系统提供观测矩阵。动态交通分配矩阵的估计过程被分解为离线路径选择率估计和在线路径流量贡献率估计两个环节。在离线路径选择率估计方面，本文首先针对城市道路网络阻抗估计需充分考虑交叉口转向延误的现实问题，提出了城市道路交叉口扩展方法及动态网络拓扑结构提取方法;其次，在给出考虑交通传播的离线路径行程时间估计方法基础上，设计了适用于城市道路网络的时变K最短路径搜索算法;最后，结合目标研究路网特性提出了有效路径约束条件，并考虑路径重叠问题，选择PS-Logit模型实现对路径选择率的离线估计。在路径流量贡献率估计方面，本文沿用传统基于车辆包假设的估计方法，但是对传统方法中车辆包始终保持恒定车头时距的理想假设进行了改进，提出采用在线估计获得的车辆包首尾车辆车头时距代替恒定车头时距。在本文中，车辆包首尾车辆的在线车头时距即为首尾车辆在线行程时间的差值。为了捕捉车辆包在路径上的传播过程，尤其是在信号控制交叉口处的“到达—离去”传播特性，本文根据LWR理论提出了有限数据条件下基于虚拟车辆轨迹重构的个体车辆行程时间在线估计方法，为车辆包首尾车辆车头时距在线估计提供了有效手段。　　基于23个小区、31个交叉口和133个有向路段的真实路网，本文对所提出的动态OD估计方法进行了验证与评估，包括动态交通分配矩阵详细估计过程、基于能观性代数秩分析的OD估计状态空间系统确定及Kalman滤波收敛情况分析、OD估计性能以及交通分配准确性评估三个部分。在OD估计性能评估方面，滤波估计和一步预测准确性总体平均分别可达87％和80％。不同需求水平下的评估结果表明，大流量OD对的滤波估计和一步预测准确性显著优于中等流量和极小流量的OD对，大流量OD对滤波估计和一步预测的准确性分别高达95％和86％。不同拥堵水平下的评估结果表明，平峰时段的估计效果优于高峰时段，其中平峰时段滤波估计和一步预测的准确性分别可达91％和85％，早、晚高峰时段滤波估计和一步预测的准确性分别为80％和75％左右。与扩展状态空间模型的比较结果表明，论文提出的方法具有更高的估计精度和计算效率。交通分配准确性评估方面，基于GEH指标的分析结果显示，在整个评估时段内84.75％的可观测路段和交叉口转向的GEH指标小于5;所有可观测路段和交叉口转向的GEH指标小于10;平峰时段的分配准确性显著优于早、晚高峰时段;不考虑处于估计过程收敛阶段的早高峰时段，可认为流量分配的准确性较好。总体而言，实例分析结果表明论文所提出的方法对于城市道路网络动态OD在线估计及动态交通分配表现出良好的估计性能。
作者：	聂庆慧
专业：	交通运输工程；交通信息工程及控制
导师：	钱振东;夏井新
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文