【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于交通安全控制領域，具體涉及一種基于譜聚類的城市路網動態分區方法與裝置。
技術介紹
1、大規模城市路網的交通控制具有維數高、運算量大的特征，為了求解大規模網絡的控制問題，常需要將網絡劃分為多個區域，再對區域間以及區域內的交通進行控制；同時，依據交通量的網絡分區結果還能應用于分析網絡的擁堵演變過程。
2、宏觀基本圖(mfd)理論是區域交通控制的經典理論基礎，描述了同質交通網絡中車輛聚集和流出之間的關系，且該關系具有單峰、低散度和需求不敏感的特征。然而，實際的交通網絡大多是異構的，使得宏觀基本圖中的點分散，難以用數學函數擬合。因此，許多研究提出了網絡劃分方法，將異構的大型交通網絡劃分為幾個同質區域。為了保證劃分區域的均勻性及其mfd的穩定性，網絡劃分的目標為：1)使各區域內路段密度的方差最小；2)區域內的各路段在空間上是相連的。針對靜態分區問題已有許多成熟方法，由于交通運行是一個典型的時變過程，網絡分區問題應該在時空維度上考慮，現有的動態分區方法常基于啟發式或迭代法求解，并且總是需要多個步驟來調整分區結果。因此，可以認為，現有技術對于城市道路網區域劃分問題的適應性是不足的。
技術實現思路
1、專利技術目的，針對現有方法的不足，本專利技術的目的在于基于譜聚類方法，以保證區域連通性及最小化區域內各路段的密度方差為目標，為動態交通狀態下的城市路網提供分區方法。所提出的方法效率高，能夠處理時間密集的數據，直接給出動態分區方案，并有效整合分析交通擁堵的時空特征，為邊界控制
2、技術方案，為實現以上專利技術目的，本專利技術采用一種基于譜聚類的城市路網動態分區方法，包括以下步驟：
3、(1)獲取目標路網幾何數據、各時段各路段的交通密度數據、分區算法參數，包括聚類數量、高斯核函數參數、虛擬鏈路權重；
4、(2)構建各時段描述路段間聯系的對偶網絡圖，并計算對偶網絡的鏈路權重，構建鄰接矩陣；
5、(3)將所有時段的對偶網絡圖組合為時空網絡圖，計算時空網絡圖的鄰接矩陣和拉普拉斯矩陣；
6、(4)采用譜聚類算法，即ratiocut算法，將時空網絡圖中的節點聚類為多組。
7、(5)將步驟(4)中的聚類結果轉換為各時段的路網分區結果，同一時段內，若兩個相鄰路段對應的節點位于聚類結果的同一組，則這兩個路段屬于同一子區，據此，將網絡劃分為數個連通的同質子區。
8、作為優選，所述步驟(2)中的各時段對偶網絡圖的構建方法為：將真實路網中的每條路段建模為時空網絡圖的一個節點，兩個節點之間的鏈路表示對應的路段是相連的，鏈路權重表示該時段路段密度的相似度。
9、作為優選，所述步驟(2)中對偶網絡的鏈路權重的計算方法為：
10、
11、
12、其中，wxy(t)為t時段路段x和路段y的鏈路權重；sx(t)為t時段路段x的密度除以平均鏈路密度，sy(t)為t時段路段y的密度除以平均鏈路密度；dx(t)為t時段路段x的密度；n為路網中路段的數量；ε為高斯核函數參數；e為路網的路段集合。
13、t時段對偶網絡的鄰接矩陣由鏈路權重組成，表示為：
14、w(t)＝[wxy(t)]x∈e,y∈e
15、作為優選，所述步驟(3)中的時空網絡圖的構建方法為：首先，每個時段獨立生成一個對偶網絡圖，其中包含了該時段內所有節點和鏈路的詳細信息。其次，將所有時段的對偶網絡圖進行匯總，形成一個時空網絡圖。在時空網絡圖中，存在兩種鏈路：一是各個時段對偶網絡圖中的鏈路，反映了不同時段內的實際連接關系；二是連接相鄰時段對偶網絡圖中相同節點的虛擬鏈路，以確保時空網絡圖的連續性。這一構建方法使得時空網絡圖能夠綜合展示不同時段內節點之間的實際連接以及相鄰時段的節點之間的關系。
16、作為優選，所述步驟(3)中的時空網絡圖的鄰接矩陣的計算方式為：
17、
18、其中，w(1),w(2),…,w(te)為時段1、時段2、…、時段te的對偶網絡圖的鄰接矩陣，w中每行空白處元素為0；in為n階單位矩陣，即in＝diag(1,1,…,1)；wv為虛擬鏈路權重，表示更換分區方式的代價；te為終止時段。
19、作為優選，所述步驟(3)中的拉普拉斯矩陣的計算方式為：
20、l＝d-w
21、其中，l為拉普拉斯矩陣，d為度矩陣。
22、度矩陣的計算公式為：
23、
24、其中，w(i,j)為鄰接矩陣w的第i行第j列元素。
25、作為優選，所述步驟(4)中的譜聚類算法的具體步驟為：首先，求解拉普拉斯矩陣的特征值；已知聚類數量k，找出最小的k個特征值及對應的特征向量，并將特征向量排列成一個特征矩陣；使用k-mean聚類將特征矩陣的所有行進行聚類，得到時空網絡圖的節點分組結果。
26、基于相同的專利技術構思，本專利技術提供一種基于譜聚類的城市路網動態分區裝置，包括存儲器、處理器及存儲在存儲器上并可在處理器上運行的計算機程序，所述計算機程序被加載至處理器時實現所述的基于譜聚類的城市路網動態分區方法。
27、有益效果，與現有技術相比，本專利技術的技術方案具有以下有益技術效果：
28、(1)本專利技術以城市道路網為研究對象，基于譜聚類理論，以保證區域連通性及最小化區域內各路段的密度方差為目標，為動態交通狀態下的城市路網提供分區方法，有效分析路網中交通的時空演變特征，為邊界控制等分區控制方法奠定基礎。
29、(2)本專利通過構建時空圖對時變交通的離線數據進行整合，并采用譜聚類算法直接求解分區問題。該方法能夠從完整時段的角度獲得全局最優的分區結果，并平滑一些反復的流量變化，能有效分析擁堵的時空演變特征，并為邊界控制等區域控制方法奠定基礎，具有一定的實用價值。
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1.一種基于譜聚類的城市路網動態分區方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種基于譜聚類的城市路網動態分區方法，其特征在于，所述步驟(2)中，各時段對偶網絡圖的構建方法為：將真實路網中的每條路段建模為時空網絡圖的一個節點，兩個節點之間的鏈路表示對應的路段是相連的，鏈路權重表示該時段路段密度的相似度。
3.根據權利要求1或2所述的一種基于譜聚類的城市路網動態分區方法，其特征在于，所述步驟(2)，對偶網絡的鏈路權重的計算方法為：
4.根據權利要求1所述的一種基于譜聚類的城市路網動態分區方法，其特征在于，所述步驟(3)中的時空網絡圖的構建方法如下：
5.根據權利要求1所述的一種基于譜聚類的城市路網動態分區方法，其特征在于，步驟(3)中的時空網絡圖的鄰接矩陣的計算方式為：
6.根據權利要求5所述的一種基于譜聚類的城市路網動態分區方法，其特征在于，所述步驟(3)中的拉普拉斯矩陣的計算方式如下：
7.根據權利要求6所述的一種基于譜聚類的城市路網動態分區方法，其特征在于，步驟(4)中的譜聚類算法的
8.一種基于譜聚類的城市路網動態分區裝置，包括存儲器、處理器及存儲在存儲器上并可在處理器上運行的計算機程序，其特征在于，所述計算機程序被加載至處理器時實現根據權利要求1-7任一項所述的基于譜聚類的城市路網動態分區方法。
...【技術特征摘要】
1.一種基于譜聚類的城市路網動態分區方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種基于譜聚類的城市路網動態分區方法，其特征在于，所述步驟(2)中，各時段對偶網絡圖的構建方法為：將真實路網中的每條路段建模為時空網絡圖的一個節點，兩個節點之間的鏈路表示對應的路段是相連的，鏈路權重表示該時段路段密度的相似度。
3.根據權利要求1或2所述的一種基于譜聚類的城市路網動態分區方法，其特征在于，所述步驟(2)，對偶網絡的鏈路權重的計算方法為：
4.根據權利要求1所述的一種基于譜聚類的城市路網動態分區方法，其特征在于，所述步驟(3)中的時空網絡圖的構建方法如下：
<...【專利技術屬性】
技術研發人員：王昊，彭顯玥，陳雨佳，
申請(專利權)人：南京智城科技有限公司，
類型：發明
國別省市：
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