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基于信息熵的非机动车超越轨迹分段方法

张蕊 王子轩 孔令争 侯先磊

张蕊, 王子轩, 孔令争, 侯先磊. 基于信息熵的非机动车超越轨迹分段方法[J]. 交通信息与安全, 2024, 42(2): 115-123. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.02.012
引用本文: 张蕊, 王子轩, 孔令争, 侯先磊. 基于信息熵的非机动车超越轨迹分段方法[J]. 交通信息与安全, 2024, 42(2): 115-123. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.02.012
ZHANG Rui, WANG Zixuan, KONG Lingzheng, HOU Xianlei. Segmentation of Overtaking Trajectories for Non-motor Vehicles Based on Information Entropy[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2024, 42(2): 115-123. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.02.012
Citation: ZHANG Rui, WANG Zixuan, KONG Lingzheng, HOU Xianlei. Segmentation of Overtaking Trajectories for Non-motor Vehicles Based on Information Entropy[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2024, 42(2): 115-123. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.02.012

基于信息熵的非机动车超越轨迹分段方法

doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.02.012
基金项目: 

国家重点研发计划项目 2022YFB2601900

详细信息
    通讯作者:

    张蕊(1971—),博士,教授. 研究方向:交通规划、行人交通等. E-mail:zhangrui@bucea.edu.cn

  • 中图分类号: U491

Segmentation of Overtaking Trajectories for Non-motor Vehicles Based on Information Entropy

  • 摘要: 通过自行车轨迹识别超越行为是评价非机动车交通服务水平的重要工作之一。针对基于阈值分段方法中需对不同轨迹确定不同的阈值问题,引入信息熵对非机动车超越轨迹进行分段。根据实测视频提取了780条非机动车超越轨迹数据,包括了在视频中可能存在的11种超越轨迹情形,并通过对超越过程中各阶段的特征参数分析,最终选取横向加速度、横向偏移距离、偏移角度作为基于信息熵分段的特征参数,通过引入信息熵理论,提出基于信息熵的非机动车超越轨迹分段方法和分段判断条件。根据信息熵理论中,分段后的2段子轨迹中的特征参数概率密度相较分割前更接近时熵增的定律,同时考虑非机动车超越轨迹的特征参数特征,提出适用于非机动车超越轨迹的信息熵分段标准。以实测路段非机动车超越轨迹数据为实验样本,将基于各特征参数的信息熵分段结果与基于时间、速度阈值的分段结果分别带入K最近邻(K-nearest neighbor,KNN)分类算法中进行超越轨迹识别,并利用轨迹覆盖度指标评价不同分段方法的超越轨迹分段效果。实验结果表明:基于信息熵超越轨迹分段方法的超越轨迹覆盖度平均为83.0%,优于基于阈值分段方法的轨迹覆盖度平均值79.7%,且基于横向加速度信息熵分段法的平均轨迹覆盖度为85.1%,分段效果相较于其他特征参数信息熵分段方法效果最优。

     

  • 图  1  各超越轨迹形式示意图

    Figure  1.  Schematic diagram of each transcending trajectory

    图  2  基于信息熵轨迹分段流程图

    Figure  2.  Segmentation flow chart based on information entropy trajectory

    图  3  不同K取值下轨迹分段前后平均准确率误差百分比

    Figure  3.  Average accuracy error percentage before and after trajectory segmentation under different K values

    图  4  各超越轨迹划分情形轨迹覆盖度对比图

    Figure  4.  Trajectory coverage comparison chart of each

    图  5  各种分段方法轨迹覆盖度对比箱型图

    Figure  5.  Comparative box plot of trajectory coverage of various segmentation methods

    表  1  调查地点及调查时段情况

    Table  1.   Investigation location and investigation period

    路段名称 隔离类型 非机动车道宽度/m 调查时段 调查轨迹最大长度/m
    车公庄大街 分隔带 3 07:00—09:00
    11:00—13:00
    17:00—19:00
    86
    中关村南大街 分隔带 3.5 75
    东三环南路辅路 划线 4.0 101
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    表  2  非机动车平均超越时长统计表

    Table  2.   Statistical Table of Average Overtaking Time of Non-motorized Vehicles  单位: s

    平均超越时长/s
    车型 换道超越 对向超越 返回超越 平均超越时长
    自行车 2.36 3.15 2.19 7.7
    电动车 1.87 2.72 1.81 6.4
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    表  3  超越各阶段特征参数调查数据统计表

    Table  3.   Survey data statistics beyond the characteristic parameters of each stage

    特征参数 车型 换道超越 差值比值/% 对向超越 差值比值/% 返回超越 差值比值/% 正常骑行
    横向平均加速度/(m/s2 自行车 2.122 73.2 0.602 5.5 1.975 71.2 0.569
    电动车 2.312 67.7 0.963 22.5 2.236 66.6 0.746
    平均横向偏移距离/m 自行车 1.436 66.0 0.342 42.7 1.132 56.9 0.488
    电动车 1.663 65.5 0.553 3.8 1.465 60.8 0.574
    平均偏移角度/rad 自行车 0.775 89.2 0.079 6.3 0.665 87.4 0.084
    电动车 0.612 89.4 0.054 20.4 0.642 89.9 0.065
    横向平均速度/(m/s) 自行车 0.234 48.3 0.145 16.6 0.215 43.7 0.121
    电动车 0.325 48.6 0.185 9.7 0.331 49.5 0.167
    纵向平均速度/(m/s) 自行车 5.643 3.7 5.631 3.5 5.693 4.6 5.433
    电动车 6.754 8.3 6.616 6.4 6.535 5.2 6.194
    横向速度标准差/(m/s) 自行车 0.028 32.1 0.031 38.7 0.025 24.0 0.019
    电动车 0.033 36.4 0.037 43.2 0.031 32.3 0.021
    纵向速度标准差/(m/s) 自行车 0.154 16.9 0.184 30.4 0.133 3.80 0.128
    电动车 0.163 13.5 0.192 26.6 0.214 34.1 0.141
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    表  4  基于信息熵及阈值分段方法各类超越分段情况示意图

    Table  4.   Schematic diagram of various types of transcendence segmentation based on information entropy and threshold segmentation method

    图号 实际超越轨迹段 基于信息熵分段方法 基于阈值分段方法
    LAIE LODIE OAIE ST TT
    类型1
    类型2
    类型3
    类型4
    类型5
    类型6
    类型7
    类型8
    类型9
    类型10
    类型11
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  • 收稿日期:  2023-04-21
  • 网络出版日期:  2024-09-14

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