一种基于云平台的城市道路拥挤收费系统及收费方法

本发明涉及一种基于云平台的城市道路拥挤收费系统及收费方法，属于智能交通管理。

背景技术：

1、随着社会经济的高速发展，我国机动车保有量不断增加，使得城市道路及其交通设施不堪重负，局部甚至大面积的交通拥堵时常发生,给城市的交通环境、空气质量以及生产生活所带来的不良影响逐年增大。因此，改善和治理城市交通拥挤是实现智能交通的关键。

2、基于拥挤收费在上个世纪70年代就被提出来，但是在普及过程中存在诸多困难，比如如何收取拥挤费、收费标准如何等。

3、近些年，随着互联网技术的迅猛发展，尤其是云计算技术作为一种全新的网络应用，这为拥挤收费的实现提供了新的思路和手段。如何借助互联网及云计算对城市道路上行驶的车辆进行指引，具有及其重要的研究意义。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于云平台的城市道路拥挤收费系统及收费方法，该系统和方法能够限制城市道路的车流密度，指引城市道路上行驶的车辆趋向通畅、避免拥堵，提升整个城市交通的运营效率。

2、为了实现上述目的，本发明提供一种基于云平台的城市道路拥挤收费系统，包括交通信息采集端、车辆用户客户端和云平台；

3、所述的交通信息采集端用于采集城市各道路的平均车速，并将采集到的城市各道路平均车速数据信号发送至云平台；所述的车辆用户客户端通过移动终端向云平台提供用户驾驶车辆所在的道路信息，并接收云平台所建议的行驶路径和拥挤收费信息；

4、所述云平台用于接收交通信息采集端发送的城市各道路平均车速数据信号，根据接收到的城市各道路平均车速数据信号进行交通状态判断，并构造出若干个不同的交通状态区域，同时将所建议的行驶路径和拥挤收费信息传送至车辆用户客户端的移动端。

5、一种基于云平台的城市道路拥挤收费方法，包括如下步骤：

6、步骤1、交通相关部门通过交通信息采集设备每隔一个时间段实时获取城市中各条主干道路的平均车速数据信号，并通过网络上传至云平台；所述时间段的取值范围为大于等于10分钟且小于等于30分钟；

7、步骤2、云平台根据所接收到的城市中各条主干道路最近一时间段的平均车速数据信号判断出其所处的交通状况等级，并计算其所处的交通状况等级；

8、所述交通状况等级用数值变量符号i表示，各道路交通状况等级的判定如下：当该路段平均车速大于阈值t1，则判定该路段的交通状况等级为畅通，表示为i＝0；当该路段平均车速大于大于阈值t2且小于等于t1，则判定该路段的交通状况等级为基本畅通，表示为i＝1；当该路段平均车速大于阈值t3且小于等于t2，则判定该路段的交通状况等级为轻度拥堵，表示为i＝2；当该路段平均车速大于阈值t4且小于等于t3，则判定该路段的交通状况等级为中度拥堵，表示为i＝3；当该路段平均车速小于等于t4，则判定该路段的交通状况等级为严重拥堵，表示为i＝4；

9、步骤3、对于步骤1中所述的城市中各条主干道路，分析与其在空间上相邻的其他道路与其交通状况等级是否相同，若相同，则将其以及与其相邻的其他道路划分为同一交通状态区域；若不同，则划分至不同的交通状态区域；

10、步骤4、针对步骤3中所划分的各交通状态区域所属的交通状况等级，分别计算所述各交通状态区域的时间持续等级和区域道路数量等级，具体的步骤为：

11、401、时间持续等级用数值变量符号ti表示，各交通状态区域的时间持续等级的设定如下：当持续时间大于等于0且小于g1，则将该区域交通状况等级的时间持续等级表示为ti＝1；当持续时间大于等于g1且小于g2，则将该区域交通状况等级的时间持续等级表示为ti＝2；当持续时间大于等于g2且小于g3，则将该区域交通状况等级的时间持续等级表示为ti＝3；当持续时间在大于等于g3且小于g4，则将该区域交通状况等级的时间持续等级表示为ti＝4；当持续时间大于等于g4，则将该区域交通状况等级的时间持续等级表示为ti＝5；

12、所述g1、g2、g3和g4的取值范围分别为：0分钟<g1≤30分钟,30分钟<g2≤60分钟,60分钟<g3≤90分钟,90分钟<g4≤120分钟；

13、402、区域道路数量等级用数值变量符号ni表示，各交通状态区域的道路数量等级的设定如下：当该区域的道路数量大于等于0且小于等于h1，则将该区域交通状况等级的道路数量等级表示为ni＝1；当该区域的道路数量大于h1且小于等于h2，则将该区域交通状况等级的道路数量等级表示为ni＝2；当该区域的道路数量大于h2且小于等于h3，则将该区域交通状况等级的道路数量等级表示为ni＝3；当该区域的道路数量大于h3且小于等于h4，则将该区域交通状况等级的道路数量等级表示为ni＝4；当该区域的道路数量大于h4，则将该区域交通状况等级的道路数量等级表示为ni＝5；

14、所述h1、h2、h3和h4的取值范围分别为：0条街<h1≤5条街,5条街<h2≤10条街,10条街<h3≤15条街,15条街<h4≤20条街；

15、步骤5、车辆用户借助移动端将车辆所在道路s的位置数据信息通过网络传输到云平台，云平台通过接收到的位置数据信息计算该车辆用户在所述道路s上所需缴纳的拥挤费用，具体步骤为：

16、501、根据云平台计算出的各交通状态区域的交通状况等级，以及道路s所属的交通状态区域，得到所述道路s的交通状况等级，表示为is；

17、502、根据所设定的时间持续等级和区域道路数量等级，云平台判断出所述道路s所属的交通状态区域的时间持续等级和区域道路数量等级，分别表示为tis和nis；

18、503、计算出车辆用户在所述道路s上所需缴纳的拥挤费用fs＝is*fu*(tis+nis)，其中，fu为拥挤收费单位参数；

19、步骤6、根据当前车辆用户所在的道路以及车辆用户目的地，云平台进行下一条道路的推荐分析，并将推荐结果推送给车辆用户，具体步骤为：

20、601、根据车辆用户目的地，在车辆用户当前所在的道路周围搜索可能会行驶的下一条道路的集合a＝{a1，a2，…，an}；

21、602、以道路集合a中的每条道路ai作为起点，搜寻从其到达目的地的路径集合s，分别计算每条路径关于时间持续的拥挤费用和区域道路数量的拥挤费用；选取路径集合s中关于时间持续的拥挤费用值最小的一条路径，该拥挤费用最小值记作cai；同时，选取路径集合s中关于区域道路数量的拥挤费用值最小的一条路径，该拥挤费用最小值记作dai；另外，观察路径集合s里每条路径中的每条道路所在交通状态区域的交通状况等级的变化，选取路径中所包含的道路存在交通状况等级由高变低的情况，且包含这样的道路数量最多的那条路径，将其中包含的具有等级由高到低变化的道路数量值记作sai；其中，i＝1，…，n；

22、603、针对道路ai，使用z-score方法对其cai、dai和sai进行标准化处理，并计算道路ai的代价函数eai＝p1*cai+p2*dai-p3*sai，其中，p1、p2、p3分别为权重参数；

23、604、云平台选取ai＝min{eai}作为推荐给当前车辆用户要选择的下一条道路，并将该推荐结果通过网络发送到车辆用户移动端。

24、进一步地，步骤6中的权重参数p1、p2、p3采用模拟退火算法进行优化，分别将其构造为维度为3的向量，具体过程如下：

25、步骤(1)、随机初始化参数向量的值作为当前解，表示为x(0)，使用ai＝min{eai}作为目标函数f，并用x(0)计算目标函数值f(x(0))，同时设置i＝0、n＝0，并初始化温度t(0)、温度下线t、迭代次数l和温度冷却系数k；

26、步骤(2)、由当前解x(i)随机扰动产生一个新的候选解x(i+1)，计算新解和当前解的目标函数值之差δf＝f(x(i+1))-f(x(i))；

27、步骤(3)、若δf≤0，则接受新解；否则，产生一个在(0，1)上均匀分布的随机数如果则接受新解；

28、步骤(4)、i＝i+1，如果i≤l，则返回到步骤(2)；如果i>l，则终止；

29、步骤(5)、i＝0，n＝n+1，减小温度控制参数的值t(n)＝t(n-1)*k；

30、步骤(6)、如果t(n)≤t，则终止，并输出最优解；否则，则返回到步骤(2)。

31、进一步地，步骤6中关于每条路径的时间持续的拥挤费用和区域道路数量的拥挤费用的计算方法如下：

32、每条路径的时间持续的拥挤费用：先计算每条路径中所包含的每条道路的交通状况等级i*时间持续等级ti*拥挤收费单位参数fu，然后把路径中所包含道路的时间持续拥挤费用相加求和；

33、每条路径的区域道路数量的拥挤费用：先计算每条路径中所包含的每条道路的交通状况等级i*区域道路数量等级i*拥挤收费单位参数fu，然后把路径中所包含道路的道路数量拥挤费用相加求和。

34、进一步地，步骤1中所述的交通信息采集设备为摄像机或地感线圈。

35、本发明通过交通信息采集设备采集城市中各条主干道路的平均车速数据信号，并通过网络上传至云平台，云平台根据接收到的城市各道路平均车速数据信号进行交通状态判断，并构造出若干个不同的交通状态区域，同时将所建议的行驶路径和拥挤收费信息传送至车辆用户客户端的移动端，这样可以利用实时、动态的拥挤收费措施这种经济手段来限制城市道路的车流密度，并向车辆用户提供避免拥堵的行驶路径，从而使得城市道路上行驶的车辆行驶通畅、避免了拥堵，提高了城市道路资源的利用率，实现了车辆的高效通行，提升了整个城市交通的运营效率。