一种基于时空拥堵子团的城市交通弹性指标及其实现方法技术

本发明专利技术提供一种基于时空拥堵子团的城市交通弹性指标及其实现方法，步骤如下：一、对城市交通数据信息进行预处理；二、基于城市交通数据信息建立交通动态网络，并以实际城市交通系统中各路段上的速度数据为基础，结合道路速度阈值，判断道路是否处于拥堵状态；三、计算时空拥堵子团，即交通系统的弹性指标；四、对于时空拥堵子团进行统计学分析；通过以上步骤，本发明专利技术从城市交通的网络层面、时空演化角度考虑交通系统的运行效率，能够解决对交通网络系统弹性的准确、全面度量问题，从而有效地对城市交通网络系统的弹性进行量化和评价；本发明专利技术支持未来对城市交通的整体运行状况调控，能对畅通工程、智慧城市建设提供强有力的方法支撑。

An Urban Traffic Elasticity Index Based on Spatio-temporal Congestion Subgroup and Its Realization Method

【技术实现步骤摘要】
一种基于时空拥堵子团的城市交通弹性指标及其实现方法
本专利技术提出一种基于时空拥堵子团的城市交通弹性指标及其实现方法，它涉及一种基于时空拥堵子团的城市交通弹性指标及其实现方法，属于系统弹性与交通科学的交叉

技术介绍
随着城市化水平的不断提高，其对生态环境的影响依也日益显著。由于城市人口、建筑过分集中，城市交通的供需矛盾近年来愈加突出，随之而来的交通拥堵正在成为一个不可避免的问题。交通拥堵不仅会导致经济社会诸项功能的衰退，而且还将引发城市生存环境的持续恶化，成为阻碍社会经济发展的“城市顽疾”。据《2018年度中国主要城市交通分析报告》统计显示，北京高峰时段平均驾车通勤时间每天88分钟，平均每天通勤拥堵44.97分钟；平均每人年拥堵时长达174小时，相当于一年中有22个工作日处于拥堵，人均经济损失约8400多元。由于城市交通态势具有时变性、不确定性等特点，是一个超维的复杂巨系统，其调控与预测是世界性的难题。在各种内部或外部扰动下，小到局部车流量波动、交通信号灯故障，大到极端天气条件，小范围的交通堵塞有可能会在多米诺式级联失效过程中发展成大面积的拥堵，这对交通系统的可靠性管理提出了严峻的挑战。考虑到破坏性系统故障的不确定性，弹性概念描述了系统承受干扰并从扰动或故障中恢复的能力。弹性概念源于工程学领域，描述故障系统快速恢复正常功能水平的能力。1973年，Holling首次在生态学中引入了“弹性”概念，并提出弹性为系统吸收扰动并仍继续存在的能力。自此，弹性成为一个理解社会生态系统动力学的有效途径，用于解释城市系统面临不同冲击下的适应性问题。近年来，弹性理论已经被逐渐发展并应用于诸如气候学、经济学以及社会科学等许多学科当中，为系统的可靠性管理提供了新的可能性。系统弹性越大，系统突然崩溃的可能性越小。提高系统的弹性有助于避免大范围崩溃，也可以提高系统受到干扰后迅速恢复到常态的能力。因此，包括交通在内的各种关键基础设施系统的适应和恢复过程最近引起了广泛关注。弹性交通系统可以显著改善生活质量和经济社会的发展，减少环境污染，对智慧城市的实现具有积极意义。交通系统作为关键基础设施的一环，是城市的生命线。系统弹性已经被广泛研究各种交通系统当中，如城市路网、地铁系统、物流系统以及航空网络等。为了评估和提高系统的弹性，许多学者提出了不同的量化方法与框架，但是这些研究中的弹性度量主要基于无量纲的指标。例如，Chang和Shinozuka提出了一种弹性度量指标，即著名的弹性三角形理论，用社区服务性能损失来描述地震灾害下社区弹性随时间的变化，这里Q(t)代表社区的服务质量(介于0％到100％之间)，在t0时刻系统受到扰动并且性能开始开始下降，在t1时刻恢复到正常状态(100％)。尽管该方法是在地震灾害背景下提出的，但该概念已被广泛应用于各种干扰下的其他系统的性能分析中。此外，尽管网络拓扑结构对于理解和提高系统的鲁棒性和脆弱性至关重要，但大多数对于关键基础设施和其他复杂系统的恢复性研究很少考虑网络拓扑。由于城市交通系统具有典型的网络结构，其弹性在空间和时间上都在演化，上述无量纲弹性指标和其他相关研究可能忽略了这些关键基础设施网络风险和故障演化的时空属性。本专利技术提出了一种新的交通弹性测量方法，将系统适应和恢复能力的时空特征结合起来，以探索交通弹性的可能普遍性特征。本专利技术从实际城市交通系统中提取相关数据，将网络拓扑结构和不同时刻各道路速度信息相结合，构建动态交通网络。根据不同道路的速度阈值以及实时速度，将每一条道路分成两种状态：畅通和拥堵。在计算时空拥堵子团时，移除网络中畅通道路，保留拥堵道路，并寻找由拥堵道路组成的时空拥堵子团。时空拥堵子团的大小即为交通系统受到拥堵影响的弹性损失，时空拥堵子团的持续时间即为交通系统从拥堵中恢复所需要的时间。时空拥堵子团越大说明城市的功能网络中承受了越大的扰动，整个城市的交通效率越低。
技术实现思路
(一)专利技术的目的本专利技术的目的是：针对交通网络系统弹性的准确、全面度量问题，本专利技术提供了一种基于时空拥堵子团的城市交通弹性指标及其实现方法，可以有效地对城市交通网络系统的弹性进行量化和评价。本专利技术的理论基础：交通拥堵是城市道路系统性能下降的主要原因之一，城市交通拥堵不仅在空间上具有相关性，在时间维度上也存在一定的关联。结合交通网络的拓扑结构，分析交通拥堵在时空维度的演化，从而量化交通系统弹性。(二)技术方案本专利技术的技术解决方案：基于时空拥堵子团的城市交通弹性指标。本专利技术首先进行选定区域交通路网系统结构分析与信息预处理，得到路网系统中各条路段与路口的地理位置信息和拓扑信息。将路网中各条路段视为网络中的“边”，连接路段的路口为网络中的“节点”，并结合各道路的实时速度建立对应于实际城市交通系统的动态交通网络；之后针对该动态网络的进行时空拥堵子团的计算和统计，确定系统的弹性评价指标；最后通过比较分析不同区域或是同一区域的不同时段的弹性指标，实现对不同城市交通系统弹性的对比和评价，并以此为依据确定交通拥堵的高发区域，为提高城市交通的可靠性管理提供针对性的建议。本专利技术一种基于时空拥堵子团的城市交通弹性指标及其实现方法，具体流程见图1，其步骤如下：步骤一、对城市交通数据信息进行预处理；步骤二、基于城市交通数据信息建立交通动态网络，并以实际城市交通系统中各路段上的速度数据为基础，结合道路速度阈值，判断道路是否处于拥堵状态；步骤三、计算时空拥堵子团，即交通系统的弹性指标；步骤四、对于时空拥堵子团进行统计学分析通过以上步骤，本专利技术从城市交通的网络层面、时空演化角度考虑宏观交通的运行效率，能够解决对交通网络系统拥堵的准确、全面度量的实际问题，从而有效地对城市交通网络系统的弹性进行量化和评价；本专利技术支持未来对城市交通的整体运行状况调控，能对畅通工程、智慧城市建设提供强有力的方法支撑。其中，在步骤一中所述的“对城市交通数据信息进行预处理”，具体内容与方法如下：本专利技术基于满足以下要求的各个测定时刻的城市交通数据：(a)路口信息：路口数量，路口编号，路口的经纬度坐标；(b)路段信息：路段数量，路段编号，路段端点即路口编号，路段长度，道路管理等级；(c)速度信息：观察时段内每条路段上的实时速度；(d)速度阈值信息：根据路段所属的道路管理等级分配对应的速度阈值，道路管理等级越高，其对应的速度阈值越大；现实采集到的速度数据往往是不完整的，本专利技术运用数据补偿方法对采集到的原始速度数据进行预处理，保证每条路段、每个路口信息完整性；其中，在步骤二中所述的“基于城市交通数据信息建立交通动态网络，并以实际城市交通系统中各路段上的速度数据为基础，结合道路速度阈值，判断道路是否处于拥堵状态”，具体内容与方法如下：将实际交通数据信息，包括路口、路段，分别抽象成动态网络中的节点、边，并根据路口和路段之间的对应关系建立节点和边之间的拓扑连接；根据不同道路的速度阈值pl以及其实时速度vl，将每一条道路分成两种状态：畅通即vl≥pl和拥堵即vl＜pl；对观察时段，如早6点到晚10点，所有路段每个时刻的状态进行逐个判断；其中，在步骤三中所述的“计算时空拥堵子团，即交通系统的弹性指标”，具体内容与方法如下：由步骤二得知各个时刻各条道路是否处于拥堵状态，每个时刻本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于时空拥堵子团的城市交通弹性指标及其实现方法，其特征在于：其步骤如下：步骤一、对城市交通数据信息进行预处理；步骤二、基于城市交通数据信息建立交通动态网络，并以实际城市交通系统中各路段上的速度数据为基础，结合道路速度阈值，判断道路是否处于拥堵状态；步骤三、计算时空拥堵子团，即交通系统的弹性指标；步骤四、对于时空拥堵子团进行统计学分析。

【技术特征摘要】
1.一种基于时空拥堵子团的城市交通弹性指标及其实现方法，其特征在于：其步骤如下：步骤一、对城市交通数据信息进行预处理；步骤二、基于城市交通数据信息建立交通动态网络，并以实际城市交通系统中各路段上的速度数据为基础，结合道路速度阈值，判断道路是否处于拥堵状态；步骤三、计算时空拥堵子团，即交通系统的弹性指标；步骤四、对于时空拥堵子团进行统计学分析。2.根据权利要求1所述的一种基于时空拥堵子团的城市交通弹性指标及其实现方法，其特征在于：在步骤一中所述的“对城市交通数据信息进行预处理”，具体内容与方法如下：本发明基于满足以下要求的各个测定时刻的城市交通数据：(a)路口信息：路口数量、路口编号和路口的经纬度坐标；(b)路段信息：路段数量、路段编号、路段端点即路口编号、路段长度和道路管理等级；(c)速度信息：观察时段内每条路段上的实时速度；(d)速度阈值信息：根据路段所属的道路管理等级分配对应的速度阈值，道路管理等级越高，其对应的速度阈值越大；现实采集到的速度数据往往是不完整的，本发明运用数据补偿方法对采集到的原始速度数据进行预处理，保证每条路段、每个路口信息完整性。3.根据权利要求1所述的一种基于时空拥堵子团的城市交通弹性指标及其实现方法，其特征在于：在步骤二中所述的“基于城市交通数据信息建立交通动态网络，并以实际城市交通系统中各路段上的速度数据为基础，结合道路速度阈值，判断道路是否处于拥堵状态”，具体内容与作法如下：将实际交通数据信息，包括路口、路段，分别抽象成动态网络中的节点、边，并根据路口和路段之间的对应关系建立节点和边之间的拓扑连接；根据不同道路的速度阈值pl以及其实时速度vl，将每一条道路分成两种状态：畅通即vl≥pl和拥堵即vl＜pl；对观察时段，如早6点到晚10点，所有路段每个时刻的状态进行逐个判断。4.根据权利要求1所述的一种基于时空拥堵子团的城市交通弹性指标及其实现方法，其特征在于：在步骤三中所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：李大庆，张丽淼，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11