一种基于车辆轨迹与流量的机动车尾气遥测设备布点方法技术

本发明专利技术涉及一种基于车辆轨迹与流量的机动车尾气遥测设备布点方法，在考虑四个约束条件：监测器数量是有限、城区特性决定部分道路不可布设监测器、道路特性决定的部分路段布设特定监测器以及成本有限的约束基础上，针对四个目标：有效监测车辆数最大、车辆监测差别性最小、重点监测特殊车辆类型、道路覆盖率最大，分别建立对应的线性规划模型。通过数据融合模块将上述四个模型进行融合，根据用户对四个目标侧重不同设定相应的权值，求解该模型得到满足用户四方面要求的尾气遥感监测设备的布点方案。本发明专利技术更易理解、操作性更强，在城市交通车流量监测、道路空气质量监测、酒驾抽查等方面具有重要意义。

Vehicle tail gas telemetering equipment arrangement method based on vehicle track and flow rate

The invention relates to a method for distribution of motor vehicle exhaust vehicle trajectory and telemetry equipment based on traffic, considering the four constraints: the monitor quantity is limited, can not be part of the road city characteristics determine layout monitor, determine the characteristics of road sections and layout of monitoring specific cost constraints on the basis of the four objectives: effective the maximum number of vehicles, vehicle monitoring, monitoring of different minimum key monitoring special type of vehicles, road coverage, respectively corresponding to establish the linear programming model. The above four modules will be model integration through data fusion, according to the user of four different target set the corresponding weights, solving the model satisfy the layout scheme of remote sensing monitoring equipment exhaust four clients. The invention is easier to understand and operate more effectively, and has important significance in urban traffic, vehicle flow monitoring, road air quality monitoring, drunk driving, spot check and the like.

【技术实现步骤摘要】
一种基于车辆轨迹与流量的机动车尾气遥测设备布点方法
本专利技术涉及一种基于车辆轨迹与流量的机动车尾气遥测设备布点方法，属于动车尾气遥感监测设备布设位置

技术介绍
随着社会发展和城市进步，近年来，城市区域中机动车数量持续增加，诸多社会问题随之产生，如城市交通拥堵现象严重、交通事故增多、机动车尾气污染、酒驾等。在北京、上海、广州等大城市，机动车已成为排放一氧化碳、氮氧化物、碳氢化合物等污染物的第一大污染源。由于汽车废气的排放主要在0.3米至2米之间，正好是人体的呼吸范围，对人体的健康损害非常严重——刺激呼吸道，使呼吸系统的免疫力下降，导致暴露人群慢性气管炎、支气管炎及呼吸困难的发病率升高、肺功能下降等一系列症状。尾气中所含的强致癌物质——苯类物质，会引发肺癌、甲状腺癌等。为了改善这些机动车尾气产生的社会问题，及时准确地了解城市道路中机动车尾气的排放情况显得至关重要。使用机动车尾气遥感监测设备来掌握当前道路的机动车尾气排放情况，但由于路网结构复杂、布设成本等因素的限制，如何将有限数量的监测设备安装在复杂路网的合适道路上，以实现不同的监测目标，是各种类型监测系统组建的核心；如何根据道路拓扑和交通信息对路网的进行建模并求解，是确定监测设备位置的关键。
技术实现思路
本专利技术技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于车辆轨迹与流量的机动车尾气遥测设备布点方法，综合考虑交通流量、车辆种类等因素，实现了根据用户需求的多目标分权重布点方案设计，且求解算法简单，更易于实现。本专利技术基于车辆轨迹与流量的机动车尾气遥测设备布点方法，该方法在考虑道路特性、成本因素等约束条件的基础上，针对四个布点目标，建立四个模型求解，进而获得满足布设要求的道路交通监测器位置布设方案。同时对于所有目标有共同的约束条件。四个布点目标分别为：1)有效监测车辆数最大；2)车辆监测差别性最小；3)重点监测特殊车辆类型；4)道路覆盖率最大。所有目标有共同的约束条件为：1)布设的监测器数量是有限；2)由城市区域特性或者人为因素决定的部分道路不适合布设监测器；3)由道路特性决定的一些路段适合布设某种类型监测器；4)安装成本有限。下面将逐一介绍四个目标对应的模型。1.针对目标一，有效监测车辆数最大。在已知车辆行驶轨迹的前提下，可以提取车辆被监测到的次数，进而得到被监测到的车辆数，令被监测到的车辆数最大作为目标函数，同时考虑几个常规约束条件进行建模，得到如下模型：maxZ1＝Exa＝0其中Z1表示目标一模型的目标函数；E为有效监测到的车辆总数，ej表示第j辆车是否被有效监测到，若被有效监测到ej＝1，反之ej＝0；xi表示第i路段是否安装监测设备，若安装则xi＝1，反之xi＝0；R为设备总数；ci为单个设备成本，C为总成本；xa＝0表示第a路段不允许安装监测设备。模型中目标函数是非线性的，并且与决策变量之间没有直接的公式表达关系。因为决策变量的取值只能为0或1，因此通过产生随机数的穷举法十分便捷。模型具体求解方法为：首先设决策变量数组X＝[x1,x2,...,xn]，设置循环变量i记录循环次数，从1到k(足够大)递增，置p0＝0；每次循环产生一决策变量随机数组Y＝[y1,y2,...,yn]，将随机数组Y带入目标函数和约束条件；若满足所有约束条件，且目标函数值大于p0，则将Y赋给X，目标函数值赋给p0；否则重新产生随机数组，重复以上过程，最终k次循环后得到数组X，其中决策变量xi值为1的路段即为需要布设监测设备的路段。2.针对目标二，车辆监测差别性最小。考虑到统计学中方差表示样本数据的离散程度，要求所有车被监测到次数最平均，故将方差最小作为目标函数进行建模。模型以交通网络拓扑结构，车辆行驶轨迹以及约束条件为输入，以监测器布点位置为输出。目标函数是求方差最小，因此是一个整数二次规划。建立的模型为：minZ2＝D(B)xa＝0其中Z2表示目标二模型的目标函数；D(B)为所有车辆被监测次数方差，m为车辆总数，b为所有车辆被监测次数的平均值，bj为第j辆车在全网行驶过程中被监测器监测到的总次数；xi表示第i路段是否安装监测设备，xi＝1表示安装，反之xi＝0表示不安装；R为设备总数；ci为单个设备成本，C为总成本；xa＝0表示第a路段不允许安装监测设备。实现二次规划的库函数需要输入目标函数的标准型矩阵，然而实际中目标函数的表达方式多样，难于获得其标准型矩阵。可以直接通过输入的车辆轨迹矩阵获得目标函数的表达式，然后进行非线性规划求解。模型具体求解方法为：首先根据输入车辆矩阵Aj，由计算第j辆车在全网行驶过程中被监测器监测到的总次数bj，然后计算所有车辆被监测次数的方差D(B)，即为目标函数，接着调用库函数，在约束条件下求解非线性规划，输出决策变量取值，值为1的决策变量所代表的路段即为需要布设尾气监测设备的路段。3.针对目标三，重点监测特殊车辆类型。要使监测特殊车辆类型最多，则设备应安装在特殊车辆特定线路的共有路段上。故定义此共有路段为“关键路段”，用“客观重要度ri”表征路段的关键程度，使其最大作为目标函数。建立如下模型：xa＝0式中Z3表示目标三模型的目标函数，rij为客观重要度，xi表示第i路段是否安装设备，xi＝1表示安装，反之xi＝0表示不安装；R为设备总数；ci为单个设备成本，C为总成本；xa＝0表示第a路段不允许安装监测设备。模型以交通网络拓扑结构，车辆行驶轨迹以及约束条件为输入，以监测器布点位置为输出，进行整数规划求解。模型具体求解方法为：首先根据输入车辆路径矩阵确定每条路段的出行路径总数，然后求每条路径的客观重要度指标之后以ri为决策变量权值，调用整数线性规划函数，在约束条件下求目标函数的最大值，进而求出目标函数最大时决策变量取值，值为1的变量所代表的路段即为需要布设尾气监测设备的路段。4.针对目标四，道路覆盖率最大。在已知交通流量的前提下，通过对城市路网中各个基本路段的历史交通流量进行相似性分析,确定出基本路段流量之间的相关矩阵，然后以此矩阵作为约束条件，利用线性规划的方法建立起最优布点的数学模型：xa＝0式中Z4表示目标三模型的目标函数，xj表示路段j是否安装设备，xj＝1表示安装，反之xj＝0表示不安装；sij为确定相似度指标，sij＝1表示i路段与j路段相似；R为设备总数；ci为单个设备成本，C为总成本；xa＝0表示第a路段不允许安装监测设备。模型求解方法为：首先计算出路段的相关系数矩阵，然后将相关系数矩阵的元素与设定的阈值α比较，得到路段相似矩阵，之后调用整数线性规划函数，相似矩阵作为约束条件，并附加约束条件，最终求出目标函数最小时的决策变量取值。值为1的变量代表的路段即为需要布设尾气监测设备的路段。在上述四个模型的基础上，本专利技术还包含了数据融合模块，数据融合模块将上述四个模型进行融合，根据用户对四个目标侧重点不同，对其设定相应的权值，综合考虑四个模型的约束条件，得到满足用户四方面要求的尾气监测设备总体布点模型，求解该模型最终得到基于车辆轨迹与流量的机动车尾气遥感监测设备的布点方案。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)本专利技术针对机动车尾气遥感监测设备的布点方法进行设计，现有布点方法大多针对道路流量监控器，本专利技术综合考虑交通流量、本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于车辆轨迹与流量的机动车尾气遥测设备布点方法，其特征在于：包括建立最大有效监测数模型，最小车辆差别性模型，特殊类型车辆模型和最大道路覆盖率模型；最大有效监测数模型，实现有效监测车辆数最大；在已知车辆行驶轨迹的前提下，提取车辆被监测到的次数，得到被监测到的车辆数，令被监测到的车辆数最大作为目标函数，同时考虑常规约束条件进行建模，得到最大有效监测数模型；最小车辆差别性模型，实现车辆监测差别性最小；在已知车辆行驶轨迹并假设布点位置的前提下，得到每辆车被监测到的总次数，计算所有车辆被检测次数的平均值和方差，令方差最小作为目标函数，同时考虑常规约束条件进行建模，得到最小车辆差别性模型；特殊类型车辆模型，监测特殊车辆类型；在获取特殊车辆，包括公交车行驶路线的基础上，求出各路段特殊车辆经过的总次数，将经过次数的相对大小作为“客观重要度”，并将“客观重要度”作为决策变量的权值，各路段求和令其最大作为目标函数，同时考虑常规约束条件进行建模，得到特殊类型车辆模型；最大道路覆盖率模型，实现道路覆盖率最大，在已知交通流量的前提下，求路段间的流量相关系数，根据选取的相似度指标得到路段相似性矩阵，同时考虑常规约束条件进行建模，得到最大道路覆盖率模型；数据融合模块，将上述四个模型进行融合，根据用户对四个目标侧重点不同，设定相应的权值，综合考虑四个模型的约束条件，得到满足用户四方面要求的尾气监测设备总体布点模型，最终求解该模型得到基于车辆轨迹与流量的机动车尾气遥测设备布点方案。...

【技术特征摘要】
1.基于车辆轨迹与流量的机动车尾气遥测设备布点方法，其特征在于：包括建立最大有效监测数模型，最小车辆差别性模型，特殊类型车辆模型和最大道路覆盖率模型；最大有效监测数模型，实现有效监测车辆数最大；在已知车辆行驶轨迹的前提下，提取车辆被监测到的次数，得到被监测到的车辆数，令被监测到的车辆数最大作为目标函数，同时考虑常规约束条件进行建模，得到最大有效监测数模型；最小车辆差别性模型，实现车辆监测差别性最小；在已知车辆行驶轨迹并假设布点位置的前提下，得到每辆车被监测到的总次数，计算所有车辆被检测次数的平均值和方差，令方差最小作为目标函数，同时考虑常规约束条件进行建模，得到最小车辆差别性模型；特殊类型车辆模型，监测特殊车辆类型；在获取特殊车辆，包括公交车行驶路线的基础上，求出各路段特殊车辆经过的总次数，将经过次数的相对大小作为“客观重要度”，并将“客观重要度”作为决策变量的权值，各路段求和令其最大作为目标函数，同时考虑常规约束条件进行建模，得到特殊类型车辆模型；最大道路覆盖率模型，实现道路覆盖率最大，在已知交通流量的前提下，求路段间的流量相关系数，根据选取的相似度指标得到路段相似性矩阵，同时考虑常规约束条件进行建模，得到最大道路覆盖率模型；数据融合模块，将上述四个模型进行融合，根据用户对四个目标侧重点不同，设定相应的权值，综合考虑四个模型的约束条件，得到满足用户四方面要求的尾气监测设备总体布点模型，最终求解该模型得到基于车辆轨迹与流量的机动车尾气遥测设备布点方案。2.根据权利要求1所述的基于车辆轨迹与流量的机动车尾气遥测设备布点方法，其特征在于：所述建立最大有效监测数模型如下：(1)由行驶轨迹获得每辆车经过各路段的次数Aj＝[aj1,aj2,...,ajn]，其中aji表示第j辆车经过第i路段的次数；(2)根据上一步所得的车辆被监测的次数，结合路段的布点情况X＝[x1,x2,...,xn]T，其中xi表示第i路段是否安装监测器，计算监测到的车辆总数E:ej表示第j辆车是否被有效监测到，bj表示第j辆车在全网行驶过程中被监测器监测到的总次数；(3)将监测到的车辆数最大作为目标函数，同时考虑常规约束条件，建立最大有效监测数模型。3.根据权利要求1所述的基于车辆轨迹与流量的机动车尾气遥测设备布点方法，其特征在于：所述建立最小车辆差别性模型如下：(1)将城市道路划分为n个路段，用A＝[a1,a2,...,an]记录车辆在行驶过程中经过各路段的次数；(2)根据(1)路段划分情况，结合第j辆车的行驶轨迹，得到该车经过各路段的次数Aj...

【专利技术属性】
技术研发人员：康宇，杨钰潇，李泽瑞，昌吉，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34