一种城市道路交通事故应急救援路径规划方法技术

本发明专利技术公开了一种城市道路交通事故应急救援路径规划方法，包括步骤：1)生成城市路网拓扑结构图，获取交通流数据以及救援起终点信息；2)，分析城市道路交通事故应急救援特性，选取合适的救援路径规划方法评价指标；3)构建定时协同进化路径规划的基本框架，系统说明定时协同进化路径规划的优化原理；4)结合城市道路车辆运行特性，设计合适的求解算法；5)明确城市路网实际交通环境中不确定性因素的计算方法；6)通过计算机编程，输出救援路径规划结果。本发明专利技术可解决城市道路应急救援路径规划问题。

An Emergency Rescue Route Planning Method for Urban Road Traffic Accidents

【技术实现步骤摘要】
一种城市道路交通事故应急救援路径规划方法
本专利技术涉及城市道路交通事故应急救援路径规划最优性与稳定性的
，尤其是指一种城市道路交通事故应急救援路径规划方法。
技术介绍
应急救援是阻止城市道路交通事故影响进一步恶化、保障受伤人员生命安全的关键手段。据世界卫生组织报道，全球每年因道路交通事故受伤的人数为3000万～5000万，其中受伤致死人数约为120万，即平均每天死亡3300人，且今后20年伤亡人数将增加65％左右。交通事故的频发与受伤人数的剧增迫使应急效率亟待进一步提高以控制受伤人员伤势、抑制事故的二次发生及疏导事故引起的交通拥堵。事实上，应急救援效率与救援时间高度相关，即救援时间越长救援效率越低。救援时间由救援响应时间与救援行程时间组成，其大小取决于救援路径规划，因此应急救援效率的快慢主要受救援路径规划方法的限制。由此可知，应急救援路径规划对于控制交通事故致因的拥堵范围与严重性、挽救受伤人员生命以及提高交通运行安全性具有重要的现实意义。目前，国内外已有路径规划研究总体上分为静态路径规划与动态路径规划两大类。静态路径规划作为重要的路径规划理论基础，主要是在静态路网上寻找最短路。大量基于特定搜索规则的方法用于解决静态路径规划问题，例如广度优先搜索、深度优先搜索及最佳优先搜索，其中A*算法与Dijkstra算法因其良好的适应性与优化性能被广泛应用。事实上，路径规划往往受到城市路网中多种时变因素的影响，例如：自然灾害、信号控制、交通拥堵与其他不确定性因素。为了更好的描述实际路网交通环境的变化，大量关于动态路径规划的研究随之涌现，其中基于在线优化方法成为目前有效处理动态路径规划时变特性的主流研究。为了描述路网交通状态的时变性，现有基于在线优化方法的研究常把动态路径规划看作是随时间变化的静态路径规划集合。在线优化方法根据每个时刻的静态路网交通状态快速地寻找最优路径，并在行进过程中实时更新修正最优路径。总而言之，基于在线优化方法的研究的核心思想是根据当前时刻路网交通状态快速且有效地寻找从当前位置到终点的最优路径。事实上，车辆按照在线优化方法匹配得到的实时路径行驶，其实际行驶路径轨迹往往与最优结果相差甚远。其主要原因在于忽视了前后时刻路网交通状态变化的关联性与可预测性，把动态交通环境下的路径规划问题简单地分割为多个静态路径规划子问题进行求解。在现实应用中，在线优化方法的路径规划过程具有显著的时滞性，无法提前绕开即将出现的拥堵区域，增加了救援行程时间。另一方面，由于在线优化方法无法预知拥堵区域的消散趋势，容易采取行程时间更长的绕路决策，进一步加大了救援行程时间。鉴于此，为了降低城市动态交通环境下应急救援时间并提高其可靠性，本专利技术提出了一种定时协同进化路径规划方法以解决应急救援路径规划问题，即在对城市路网交通状态预测信息的基础上，将路径规划过程与动态交通环境的演变协同进行，以规划出所需行程时间最短的路径。其次，在救援车辆行进过程中，每隔一段时间根据路网交通状态最新演变趋势重新预测路网交通流信息，并规划最优路径，以降低路网交通状态的预测误差。最后，引入了一种改进的波纹扩散算法以实现协同优化进程。本专利技术不仅能够根据城市路网交通状态预测信息快速地规划出行程时间最短的救援路径，更可以应用于其他应急救援场景，即城市道路交通事故应急救援路径规划与其他场景应急救援路径规划均在本专利技术研究范围内，可为应急救援路径规划提供参考与支持。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的缺点和不足，提出了一种城市道路交通事故应急救援路径规划方法，基于城市路网交通状态的未来动态演变预测信息进行协同规划最优路径，以有效降低救援行程时间。同时，每隔一定的时间步长获取路网交通状态最新数据，以重新预测路网交通流信息并调整规划路径，减少路网环境预测误差，从而全面提升应急救援工作的效率以及可靠性。为实现上述目的，本专利技术所提供的技术方案为：一种城市道路交通事故应急救援路径规划方法，包括以下步骤：1)生成城市路网拓扑结构图，获取城市路网结构信息、城市路网实时交通流数据、城市路网短时交通流预测数据、救援起点与终点位置信息；2)确定应急救援路径规划评价指标，分析城市道路交通事故应急救援特性，选取合适的救援路径规划方法评价指标，以合理评估路径规划方法的优化性能；3)构建定时协同进化路径规划的基本框架，在预测城市路网交通状态信息的基础上，路径规划进程与动态交通环境的演变协同进行，以时间单元为导向，寻找从当前救援起点至救援终点的目标函数最优路径，同时，通过设置固定时间步长获取路网交通状态最新数据，以重新预测路网未来短时交通流信息，并重新规划救援路径；4)算法设计，结合城市道路车辆运行特性，引入波纹扩散算法并改进其波纹接力赛的运行形式，以实现定时协同进化路径规划方法；5)不确定性计算，分析城市路网实际交通环境中可能出现的不确定性因素，给出不确定性因素的定义及通用计算方法，为评估救援路径可靠性提供数据支撑；6)通过计算机编程，输出救援路径规划结果。在步骤1)中，所述城市路网结构信息包括城市路网交叉口邻接信息和路段长度信息，能够从城市规划设计方案获取城市路网结构信息资料；所述城市路网实时交通流数据包括城市路网各路段车辆平均行驶速度以及交叉口通行平均延误的实时信息，能够从城市道路交通指挥中心获取城市路网实时交通流数据；所述城市路网短时交通流预测数据指的是城市路网各路段车辆平均行驶速度和交叉口通行平均延误的预测信息，基于路网交通流历史数据预测得到；所述救援起点与终点位置信息包括救援起点的地理位置和救援终点的地理位置，能够从应急救援方案中获取。在步骤2)中，根据城市道路交通事故应急救援特性，选取合适的救援路径规划方法评价指标，具体如下：城市道路应急救援特性：应急救援是阻止城市道路交通事故影响进一步恶化、保障受伤人员生命安全的关键手段，由此可知，应急救援第一要义是尽可能缩短救援时间，即迅速到达救援现场，讲究应急救援效率的提升，而非降低应急救援成本，而应急救援效率的高低主要受救援路径行程时间的限制；其次，由于城市道路交通环境的动态变化，尤其是高峰期交通流演变剧烈，极容易干扰救援路径的规划，使得救援车辆无法按时到达，因此，应急救援的次要目标是按时到达救援终点，讲究应急救援路径的可靠性，避免产生冗余的行程延误，错失最佳救援时机。评价指标选取：路径规划方法的评估需要结合应急救援的需求，根据上面所述，救援路径规划方法的评价指标应以路径行程时间最小，路径行程时间可靠性最大为核心，即行程时间及其可靠性，在此用T表示路径行程时间，用T85％反映行程时间可靠性，其中T85％为所有路径行程时间的85分位数，即85％的路径行程时间小于该值。在步骤3)中，根据城市路网交通状态预测信息，研究定时协同进化路径规划方法基本原理及数学描述，具体如下：定时协同进化路径规划的基本原理是以当前位置作为新的起点，通过路网历史交通流数据预测当前时刻之后未来的路网交通流状态，在此基础上路径规划子过程与路网交通状态演变协同进行以规划出最优路径，同时，设置固定时间步长为Ntim,每隔Ntim个时间单元更新路网交通流数据库以校正路网交通流预测信息，并重新协同规划最优路径直至车辆到达终点位置；数学描述：目前城市道路交通事故应本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种城市道路交通事故应急救援路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：1)生成城市路网拓扑结构图，获取城市路网结构信息、城市路网实时交通流数据、城市路网短时交通流预测数据、救援起点与终点位置信息；2)确定应急救援路径规划评价指标，分析城市道路交通事故应急救援特性，选取合适的救援路径规划方法评价指标，以合理评估路径规划方法的优化性能；3)构建定时协同进化路径规划的基本框架，在预测城市路网交通状态信息的基础上，路径规划进程与动态交通环境的演变协同进行，以时间单元为导向，寻找从当前救援起点至救援终点的目标函数最优路径，同时，通过设置固定时间步长获取路网交通状态最新数据，以重新预测路网未来短时交通流信息，并重新规划救援路径；4)算法设计，结合城市道路车辆运行特性，引入波纹扩散算法并改进其波纹接力赛的运行形式，以实现定时协同进化路径规划方法；5)不确定性计算，分析城市路网实际交通环境中可能出现的不确定性因素，给出不确定性因素的定义及通用计算方法，为评估救援路径可靠性提供数据支撑；6)通过计算机编程，输出救援路径规划结果。

【技术特征摘要】
1.一种城市道路交通事故应急救援路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：1)生成城市路网拓扑结构图，获取城市路网结构信息、城市路网实时交通流数据、城市路网短时交通流预测数据、救援起点与终点位置信息；2)确定应急救援路径规划评价指标，分析城市道路交通事故应急救援特性，选取合适的救援路径规划方法评价指标，以合理评估路径规划方法的优化性能；3)构建定时协同进化路径规划的基本框架，在预测城市路网交通状态信息的基础上，路径规划进程与动态交通环境的演变协同进行，以时间单元为导向，寻找从当前救援起点至救援终点的目标函数最优路径，同时，通过设置固定时间步长获取路网交通状态最新数据，以重新预测路网未来短时交通流信息，并重新规划救援路径；4)算法设计，结合城市道路车辆运行特性，引入波纹扩散算法并改进其波纹接力赛的运行形式，以实现定时协同进化路径规划方法；5)不确定性计算，分析城市路网实际交通环境中可能出现的不确定性因素，给出不确定性因素的定义及通用计算方法，为评估救援路径可靠性提供数据支撑；6)通过计算机编程，输出救援路径规划结果。2.根据权利要求1所述的一种城市道路交通事故应急救援路径规划方法，其特征在于：在步骤1)中，所述城市路网结构信息包括城市路网交叉口邻接信息和路段长度信息，能够从城市规划设计方案获取城市路网结构信息资料；所述城市路网实时交通流数据包括城市路网各路段车辆平均行驶速度以及交叉口通行平均延误的实时信息，能够从城市道路交通指挥中心获取城市路网实时交通流数据；所述城市路网短时交通流预测数据指的是城市路网各路段车辆平均行驶速度和交叉口通行平均延误的预测信息，基于路网交通流历史数据预测得到；所述救援起点与终点位置信息包括救援起点的地理位置和救援终点的地理位置，能够从应急救援方案中获取。3.根据权利要求1所述的一种城市道路交通事故应急救援路径规划方法，其特征在于：在步骤2)中，根据城市道路交通事故应急救援特性，选取合适的救援路径规划方法评价指标，具体如下：城市道路应急救援特性：应急救援是阻止城市道路交通事故影响进一步恶化、保障受伤人员生命安全的关键手段，由此可知，应急救援第一要义是尽可能缩短救援时间，即迅速到达救援现场，讲究应急救援效率的提升，而非降低应急救援成本，而应急救援效率的高低主要受救援路径行程时间的限制；其次，由于城市道路交通环境的动态变化，尤其是高峰期交通流演变剧烈，极容易干扰救援路径的规划，使得救援车辆无法按时到达，因此，应急救援的次要目标是按时到达救援终点，讲究应急救援路径的可靠性，避免产生冗余的行程延误，错失最佳救援时机。评价指标选取：路径规划方法的评估需要结合应急救援的需求，根据上面所述，救援路径规划方法的评价指标应以路径行程时间最小，路径行程时间可靠性最大为核心，即行程时间及其可靠性，在此用T表示路径行程时间，用T85％反映行程时间可靠性，其中T85％为所有路径行程时间的85分位数，即85％的路径行程时间小于该值。4.根据权利要求1所述的一种城市道路交通事故应急救援路径规划方法，其特征在于：在步骤3)中，根据城市路网交通状态预测信息，研究定时协同进化路径规划方法基本原理及数学描述，具体如下：定时协同进化路径规划的基本原理是以当前位置作为新的起点，通过路网历史交通流数据预测当前时刻之后未来的路网交通流状态，在此基础上路径规划子过程与路网交通状态演变协同进行以规划出最优路径，同时，设置固定时间步长为Ntim,每隔Ntim个时间单元更新路网交通流数据库以校正路网交通流预测信息，并重新协同规划最优路径直至车辆到达终点位置；数学描述：目前城市道路交通事故应急救援工作是由负责该管辖范围的救援部门响应，并以其位置为起点调度车辆沿规划路径前往现场进行救援，定时协同进化路径规划方法是以救援行程时间最小化为目标函数；minT＝F(Oj,L(Pt*))(1)式中，Pt*为t时刻输出的最优路径；Oj为救援起点；L(Pt*)表示路径Pt*包含的节点数；目标函数T表示车辆沿优化路径Pt*行驶的救援行程时间；F(Oj,L(Pt*))是从起点Oj沿路径Pt*的时间成本函数，单位为分钟；目标函数满足以下约束条件：At+k|t(Pt*(i),Pt*(i+1))＝1,k≥0(2)式中，Pt*为t时刻输出的最优路径；L(Pt*)表示路径Pt*包含的节点数；Pt*(i)表示路径Pt*的第i个节点；Oj为救援起点；At+k|t(Pt*(i),Pt*(i+1))表示在时间t预测的时间t+k时节点Pt*(i)与节点Pt*(i+1)之间的连通状态，其中1表示连通，0表示不连通；表示在时间t预测的时间t+k时车辆通过路径Pt*第i个节点的平均延误，单位为分钟；表示在时间t预测的时间t+k时车辆通过路径Pt*第i个节点与第i+1个节点之间路段的行程时间，单位为分钟；Fc(Oj,Pt*(1))表示从起点Oj至节点Pt*(1)的时间成本，单位为分钟；由上述可知，式(2)至式(4)清晰地表明了在车辆沿路径Pt*行驶过程中子路径的连通性与时间成本都是随时间协同变化的，而其它路径规划方法忽略了这一点，子路径在时间t+k时路网连通状态、节点平均延误与路段平均车速的预测信息是由动态交通环境迭代演变而来，由此总结出通用的交通环境演变函数，见式(5)：式中，At+k|t表示在时间t预测的时间t+k时路网各节点的连通矩阵；表示在时间t预测的时间t+k时车辆通过路网各节点的平均延误矩阵；St+k|t表示在时间t预测的时间t+k时路网各路段的平均速度矩阵；fdynamic表示交通环境演变函数。5.根据权利要求1所述的一种城市道路交通事故应急救援路径规划方法，其特征在于：在步骤4)中，根据城市道路车辆运行特性...

【专利技术属性】
技术研发人员：温惠英，吴嘉彬，段雨宸，漆巍巍，赵胜，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44