[发明专利]一种基于异常检测的道路网络脆性评价方法

权利要求书

1.一种基于异常检测的道路网络脆性评价方法，其特征在于：其步骤如下：

步骤A：基于异常检测识别道路网络中的异常边；

步骤B：提出基于异常指数的路网脆性评价方法；

步骤C：提出基于异常区域的路网脆性评价方法；

步骤D：分析道路网络脆性的演化特征；

在步骤A中所述的″基于异常检测识别道路网络中的异常边″，其具体含义为：根据道路网络的历史运行数据确定各条路段的正常运行状况；在此基础上，选择异常检测技术识别道路网络中的异常边；路段运行状况参数包括速度、车流量和车密度；异常检测技术包括z分数、基于密度的聚类方法、支持向量机、贝叶斯网络和隐马尔可夫模型；基于z分数的异常检测技术以及速度v作为路段运行状况参数，包含以下两个步骤：

步骤A1：计算正常运行状况数据的统计参数；

步骤A2：识别给定阈值下的异常边；

其中，步骤A1所述的″计算正常运行状况数据的统计参数″，其具体作法如下：获取一预定时期内道路网络中各条路段在正常天及正常时段下的速度v；计算所有路段在特定时刻t下速度的均值μ(t)及标准差δ(t)；

其中，步骤A2所述的″异常边″，其具体含义如下：给定一时刻t，给定路段运行状况差于其正常运行状况，且差值大于给定异常判定阈值q，定义该路段为时刻t下路网中的异常边e^q(t)；

其中，步骤A2所述的″识别给定阈值下的异常边″，其具体做法如下：获取异常天及异常时段下路网中所有路段的运行状况数据；在确定路段正常运行状况的基础上，计算各条路段在给定时刻下的z值，通过对比z值和给定异常判定阈值q来识别路网中的异常边，即：

式中，z_i(t)表示路段i在时刻t下的z值；ν_i(t)表示路段i在时刻t下的速度值；μ_i(t)表示路段i正常运行状况时，在时刻t下的均值；δ_i(t)表示路段i正常运行状况时在时刻t下速度的标准差；

式中，eⁱ(t)表示路段i在时刻t下的异常状态，值为1说明路段i在时刻t下为异常边，值为0说明路段i在时刻t下为非异常边；q为给定的异常判定阈值；

步骤B中所述的″路网脆性″，其具体含义如下：整体路网对于局部失效的敏感性；这些局部失效是由于系统内外部的多种扰动因素所导致的；步骤B所述的″提出基于异常指数的路网脆性评价方法″，其具体作法为：根据步骤A确定的异常边定义道路网络的异常指数；将异常指数作为指标，从宏观层面评价路网脆性；包含以下两个步骤：

步骤B1：定义道路网络的异常指数；

步骤B2：基于异常指数评价路网的脆性；

其中，步骤B1所述的″异常指数″，其具体含义如下：在给定时空范围内，所有异常路段的累积异常时间、路段长度和路段运行特征权重的乘积之和，再除以给定路网的总里程与给定分析时间窗长度的乘积，用该比值作为路网的异常指数，比值越大，路网的整体异常程度越严重；其所述的″定义道路网络的异常指数″，其具体作法如下：统计给定路网范围内的所有路段长度；统计给定路网范围内的所有路段在给定时间窗内的累积异常时间；统计给定路网范围内的所有路段在给定时间窗下的平均速度；按照上述异常指数的含义计算得出路网的异常指数，即：

式中，A表示路网的异常指数；l_i表示路段i的长度；表示路段i在给定时间窗内的累积异常时间；w_i表示路段i的权重；L表示给定路网范围的道路总里程；T表示给定时间窗长度；

其中，步骤B2所述的″基于异常指数评价路网的脆性″，其具体作法如下：在定义路网异常指数的基础上，根据时间窗和路网范围的不同，评价任意时间窗、任意路网的脆性；根据步骤A中异常边的异常判定基准计算异常指数中的累积异常时间评价不同异常情况下路网的脆性，如不同灾害条件下路网的脆性、正常天异常时段下路网的脆性；根据路网实际运行情况调整异常指数中的路段运行特征权重w_i，评价路网脆性受路网不同运行特征的影响；调整异常指数中的时间窗长度T，评价路网脆性在时间尺度上的集中和分散特征；

在步骤C中所述的″提出基于异常区域的路网脆性评价方法″，其具体含义为：引入网络的连通子图概念，根据步骤A识别出的异常道路，挖掘网络中的异常区域；将异常区域的规模作为指标，分析路网脆性的空间分布特征，定位风险较高的路网区域，对应急资源的配置提供决策支持；异常区域为仅由步骤A中判定的异常边所组成的连通子图；根据实际需要来设置连通子图为强连通子图及弱连通子图；

该步骤C所述的″提出基于异常区域的路网脆性评价方法″，其具体作法包含以下三个步骤：

步骤C1：定义道路网络的异常区域；

步骤C2：基于最大异常区域的规模评价路网的脆性；

步骤C3：分析路网脆性的空间分布特征；

其中，步骤C1所述的″异常区域″，其具体含义如下：仅由异常边组成的连通区域称为路网的异常区域；异常区域中任意两个交叉口之间存在仅由异常边组成的连通路径；

其中，步骤C1所述的″定义道路网络的异常区域″，其具体作法如下：在识别出给定异常判定阈值q的异常边之后，将两个异常边之间的连接路口抽象为节点，形成节点集合V_i^q(i＝1，2，n，将异常边抽象为连边，形成连边集合(k＝1，2，m来构建异常路网(i＝1，2，...，n；k＝1，2，...，m)，基于宽度优先方法、Kosaraju方法得到仅由异常边组成的连通子图将其作为路网的异常区域；

其中，步骤C2所述的″基于最大异常区域规模评价路网的脆性″，其具体作法如下：在挖掘出路网异常区域的基础上，将最大异常区域规模作为路网脆性的另一个评价指标，最大异常区域规模越大，不同异常边之间越聚集，路网越脆弱；用异常区域规模的分布来表示路网异常区域在规模上的分布情况，用分位数来表示异常区域规模分布的集中程度；在分析路网异常区域规模分布的基础上，根据交通管理者对路网运行状态的研判决策需求将路网脆性评价指标中的最大异常区域拓展为前K大异常区域；

其中，步骤C3所述的″分析路网脆性的空间分布特征″，其具体作法如下：在定义路网异常区域的基础上，找出异常区域在路网中的地理位置，从而挖掘出路网脆性在空间范围内的分布特征；异常区域所覆盖经济生产的核心地带越多，异常所造成的损失越严重；

在步骤D中所述的″分析道路网络脆性的演化特征″，其具体含义为：基于异常指数和异常区域分析路网脆性的时空演化特征，挖掘路网异常的产生与传播过程；基于路段的异常频率挖掘路网的常发性异常路段；在此基础上，从调控时间及策略的角度提出调控建议；该步骤D的具体作法包含以下三个步骤：

步骤D1：挖掘路网异常的产生与传播过程；

步骤D2：挖掘路网的常发性异常路段；

步骤D3：提出调控建议；

其中，步骤D1所述的″挖掘路网异常的产生与传播过程″，其具体作法如下：给定一段异常时期，统计该段异常 时期内路网异常指数随时间的变化情况，根据异常指数曲线的上升趋势、峰值点、下降趋势来分析路网异常的产生、传播与消散；统计不同典型时期内异常区域规模、地理分布的特征，根据异常区域之间的聚集和分散来挖掘路网异常的传播机理；

其中，步骤D2所述的″常发性异常路段″，其具体含义如下：在一预定时期内异常的次数超过特定值的路段；该步骤D2所述的″挖掘路网的常发性异常路段″，其具体作法如下：统计一预定时期内所有道路发生异常的次数，给定常发性异常频率阈值，识别该预定 时期下路网中的常发性异常路段，即：

式中，表示路段ij在时期T内是否为常发性异常路段的判定值，值为1代表其为常发性异常路段，值为0代表其为非常发性异常路段；N_ij∈a(T)表示路段ij在时期T内发生异常的次数；f_a表示常发性异常频率阈值；由此能确定时期T内路网中的常发性异常路段；

其中，步骤D3所述的″提出调控建议″，其具体作法如下：根据异常指数曲线的演化，对周期性异常情况进行预测，选择合理的调控时机；根据异常区域的地理分布情况，优先进行重点区域调控；根据所识别的常发性异常路段，提出路段级别的防控及疏导措施，避免及减少路网脆性带来的危害。