（道路与铁道工程专业论文）范例推理在高速公路突发事件中的应用研究.pdf

中文摘要 中文摘要 高速公路突发事件是造成高速公路运行效率下降的主要原因，如何高效、快速地处理高速公路 突发事件成为高速公路管理部门关注的核心问题。针对高速公路事件的特性，本文将人工智能中的 范例推理引入了高速公路突发事件管理中，实时、准确地生成高速公路突发事件的决策预案，确保 高速公路以最快速度恢复正常运营。重点进行了下面四部分的研究。 第一部分( 第一章、第二章) ：事件管理系统的设计研究。在本部分，首先对高速公路突发事件 的类别、特性以及事件对交通状况的影响进行了详尽的分析，然后对突发事件管理的运作机制、运 作流程、框架结构进行了简单分析，在此基础上，参考国外发达国家对事件管理领域的研究成果以 及我国i t s 框架中对事件管理的要求，设计出适应我国高速公路交通状况豹“事件管理系统”。对事 件管理系统的结构框架、内部机理、实施框架以及实施技术进行了分析研究，设计出事件管理系统 运行的详细流程。 第二部分( 第三章、第四章) ：范例推理在事件管理系统中的应用。在本部分，首先对范例推理 的基本理论进行了简单的介绍，然后建立了基于范例推理的事件管理系统模型，并对系统的范例库、 检索模块、预案生成模块、预案评价模块的构造、功能进行了详细设计，并探讨了各个模块内部有 研究意义的若干理论问题。 第三部分( 第五章) ：系统软件原型的初步开发。在事件管理系统模型的基础上，对系统软件基 本功能进行了初步开发。主要实现了实时事件管理、事件范例录入及查询、范例库维护三大功能。 第六章对全文进行了总结以及需要迸一步研究的方向和重点。 关键词：高速公路；突发事件；事件管理系统；范例推理；人工智能 a b s t r a c t a b s t r a c t f r e e w a yi n c i d e n t sa l w a y sr e s u l ti nr e d u c i n gt h es e r v i c ee f f i c i e n c yo f t h ef r e e w a yf a c i l i t i e s t h e r e f o r e ， h o wt om a n a g et h e f r e e w a yi n c i d e n t se f f e c t i v e l ya n dq u i c k l yi s t h ek e r n e lp r o b l e mt h a t f r e e w a y a d m i n i s t r a t i o nc o n c e r n s a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ff r e e w a yi n c i d e n t s t h ec a s e b a s e dr e a s o n i n g ( c b r ) ，o n eo fa r t i f i c i a li n t e l l i g e n c er e a s o n i n gm e t h o d s ，w a si n t r o d u c e dt oi m p r o v et h ef r e e w a yi n c i d e n t m a n a g e m e n ti nt h ep a p e r , t h e nt h ef r e e w a yi n c i d e n ts t r a t e g yc a nb ed e v e l o p e de x a c t l yi n r e a lt i m e ，t o e n s u r et h ef r e e w a yr e c o v e ra sf a s ta sp o s s i b l e t h ef i r s tp a r t ( t h e1 。c h a p t e ra n dt h e2 n dc h a p t e r ) ：d e s i g no f t h ei n c i d e n tm a n a g e m e n ts y s t e m ( i m s ) i nt h i sp a r t ，o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gf r e e w a yi n c i d e n t s t y p e sa n dc h a r a c t e r i s t i c sa n dr e s e a r c h i n g i n c i d e n t s i m p a c t so nt r a f f i cf l o w s ，t h es e c t i o np r o p o s e sa ni n c i d e n tm a n a g e m e n ts y s t e m w h i c ha d a p t st o t h ef r e e w a yt r a f f i cc o n d i t i o n si nc h i n a , i nt h el i g h to ft h ed e f i n i t i o no fi n c i d e n tm a n a g e m e n ti nt h e i n t e l l i g e n tt r a n s p o r ts y s t e m ( i t s ) a r c h i t e c t u r ea n ds o m ee x i s t i n gr e s e a r c hr e s u l t so f d e v e l o p e dc o u n t r i e s t h es t r u c t u r ef r a m e w o r k s ，t h ei n n e rm e c h a n i s m ，t h ei m p l e m e n t a t i o nf r a m e w o r k sa n dt h ei m p l e m e n t a t i o n t e c h n i q u e so ft h ei n c i d e n tm a n a g e m e ms y s t e ma r ew e l le x p l a i n e da n dt h ed e t a i l e df l o wf o rt h es y s t e m r u n n i n gi sd e v e l o p e d t h es e c o n dp a r t ( t h e3 “c h a p t e ra n dt h e4 t hc h a p t e r ) ：t h ea p p l i c a t i o no fc a s e b a s e dr e a s o n i n gi n i n c i d e n tm a n a g e m e n ts y s t e m f i r s t l y , t h ep r o c e d u r eo ft h ec b rw a sd e s c r i b e db r i e f ly ，t h e nt h em o d e lo f t h ei n c i d e n tm a n a g e m e n ts y s t e mt h a tb a s e dc b ri se s t a b l i s h e d ，a n df u r t h e rm o r e , t h ef r a m e w o r k sa n dt h e f u n c t i o n so ft h ec a s e - b a s em o d u l e ，t h es e a r c hm o d u l e ，t h es t r a t e g ym o d u l ea n dt h ee v a l u a t i o nm o d u l ea l e d e s i g n e d ，a n ds o m es i g n i f l c a t i v et h e o r e t i cp r o b l e m si ne a c hm o d u l ea r er e s e a r c h e di nt h i ss e c t i o n t h et h i r dp a r t ( t h e5 m c h a p t e r ) ：t h ed e v e l o p m e n to ft h es y s t e ms o l t w a r ea n t i t y p e o nt h eb a s i so f t h e m o d e lo fi n c i d e n tm a n a g e m e n ts y s t e m ，t h i ss e c t i o nd e v e l o p st h eb a s i cf u n c t i o n so ft h es y s t e ms o f t w a r e t h r e em a i nf u n c t i o n sa r er e a l i z e d ；i n c l u d er e a l t i m ei n c i d e n tm a n a g e m e n t , t h ei m p o r ta n dt h ei n q u i r yo f t h ei n c i d e n tc a s e ，t h em a i n t a i n c e so f t h ec a s eb a s e t h e6 t hc h a p t e rr e v i e w st h ew h o l et h e s i sa n ds u m su ps o m er e s e a r c hf r u i t s ，p u t t i n gf o r w a r dt h e d i r e c t i o n so f f u r t h e rs t u d y k e y w o r d ：f r e e w a y , i n c i d e n t ，i n c i d e n tm a n a g e m e n ts y s t e m ，c a s e b a s e dr e a s o n i n g ，a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个入在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 裥。 。l 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 第一章绪论 第l 章绪论 本章首先阐明了本文所选课题的研究背景及其研究意义，然后对交通事件以及事件管理的基本 概念进行了阐述，探讨了交通事件产生的原因、交通事件的类型以及交通事件对道路交通状况的影 响，最后评述了目前该领域的研究进展，并对国内外关于交通事件管理的研究概况进行了介绍。 1 1 研究背景 交通运输业的发展水平是一个国家兴旺发达的重要标志。我国为了改善长期以来交通运输业严 重制约经济发展的状况，“八五”以来，特别是“九五”期间，公路道路基础设施的落后面貌发生了 巨大的变化。截止到2 0 0 5 年1 2 月底，我国高速公路通车总里程突破了4 1 万公里，居世界第二位。 为了符合国家经济发展的需要，我国国家高速公路网规划( 2 0 0 5 ) 中指出：到2 0 2 0 年，我国高 速公路网将要达到8 5 万公里，可以覆盖l o 多亿人口，接近高速公路里程世界第一的美国8 8 万公 里的规模，这将大大改善我国的交通运输状况，极大地促进我国经济进一步高速发展。然而，近年 来伴随着高速公路交通量的迅速增长，各类交通事故也明显增加。根据统计数据，2 0 0 2 年，我国共 发生交通事故7 7 3 万起，死亡1 0 9 万人。2 0 0 3 年发生交通事故6 6 8 万起，死亡1 0 4 万人。2 0 0 4 年上半年发生交通事故2 5 5 万起，死亡5 0 万人。然而其危害性不仅仅反映在伤亡人数上，它在经 济方面造成的损失同样是巨大的，据权威部门估计，交通事故总的损失约占国民经济的l 左右。 以“安全、快速、高效、舒适、方便”见长的高速公路出现了事故频繁、拥挤、堵塞、环境污染等 诸多问题，引起了人们的普遍关注。” 尽管交通事件不能完全避免和消除，然而通过一定的管理干预，可以实现对交通事件的预测、 缩短响应时间以及最大限度降低交通事件造成的损失。在事件发生后采取及时而有效的应急措施， 对于降低事件造成的直接损失、预防二次事件、降低事件引起的延误甚为重要。故此，世界各国都 加大了对事件管理系统( i n c i d e n t m a n a g e m e n ts y s t e m s i m s ) 的研究的力度，以试图减轻事件的影 响。 事件管理是一项庞大的系统工程，涉及众多部门间的相互协调。而且由于交通事件具有随机性、 模糊性、不确定性，导致了对于事件管理过程中的规则提取费时费力。为了解决上述问题，故将范 例推理( c a s e b a s e dr e a s o n i n g ，简称c b r ) 这种新型人工智能方法引入事件管理系统。范例推理是 类比推理的一个独立子类，是单一领域内的类比推理，它在知识难以表达，因果关系难以把握，但 是却存在大量范例经验的领域，如工程规划设计、故障诊断、法律咨询等等，有非常人的优势并取 得了广泛的应用。 1 2 交通事件与突发事件 交通事什是指任何偶发性的能引起下道通行能力减少或需求增加的非正常事件。这样的事件包 括交通追尾、停滞的车辆、抛洒的货物、公路正常维护、重建项目或特殊的非紧急事件( 例如显著 东南人学颀十学位论文 地影响车道通行能力的情况、局面或任何其他的事件) 等。而本文中的突发事件主要针对无法预期 的高速公路交通事件，不仅具有偶发性，还具有突发性。高速公路中出现的突发事件有很多种，比 如车车相撞、车辆抛锚等等，这些突发事件会给当事人和道路使用者带来直接损失，然而，它更大 的潜在损失是在于二次事故的诱发以及交通阻塞的出现，尤其在交通高峰期，事件持续的时间越长， 其造成的交通阻塞会在临近路网甚至整个路网上扩散，严重的时候可能会使整条高速公路陷于瘫痪 状态。 1 2 1 突发事件的类型 为了准确把握事件的性质、及时有效地对交通事件进行反应和处理，有必要将事件进行分类。 通过对近三年高速公路突发事件进行统计分析，根据事件的产生原因和表现形式将突发事件分为三 类，图1 1 显示了三类突发事件所占比例： l 、车辆故障：诸如轮胎磨损、燃油耗尽等，该类事件发生后车辆一般会停靠在紧急停车道等待 援助。 2 、交通事故：指发生在高速公路上的造成人员伤亡、车辆损坏的严重交通事件，包括超车撞车、 追尾、撞隔离带、爆炸等各种事故。 3 、其他：包括货物散落、路侧起火、行人违章上路。 1 2 2 突发事件的特性 图1 1 突发事件类型分布 突发事件的最直接影响就是造成高速公路通行能力的下降。调查资料显示，大约7 5 的突发事 件是由于汽车故障造成的。这些故障包括车辆的燃料用尽、轮胎磨损，或是发生故障后就被车主停 在路边。一般情况下8 0 发生故障的车辆会停靠在紧急停车道，1 5 3 0 分钟就能清理完毕事件现场。 这样的突发事件在交通流量较小、车辆行驶处于自由流状态时不会产生大的影响。剩f 的2 0 的汽 车故障造成的交通事件都发生在行车道上，阻塞了一到多条道路的交通。一般情况下发生故障的轻 型车辆在l o 分钟之内就被移往路边，但如果是货车，由于很难被移动，往往造成较长时间的交通堵 塞1 2 】o 在所有记录在案的突发事件中，大约有1 5 的会被归类为交通事故，诸如刮擦、碰撞等具有人 员伤亡或者财产损失的严重突发事件。在交通事故处理中，由于警车、清障车、救护车、消防车出 现造成了高速公路通行能力的大幅下降，所以交通事故对道路交通的影响是很大的。道路通行能力 与道路车行道数量以及被堵塞的道路数量有关。表1 1 说明了高速公路通行能力同总的车行道数量 以及铍堵塞的道路数苗之间的关系。 2 第一章绪论 表i i 突发事件下高速公路的通行能力状况 紧急停车道阻寨的车道数 车道数 车辆故障交通事故 i23 双向4 车道 9 5 3 1 o 3 5 on ，a 双向6 车道 9 9 8 3 0 4 9 0 1 7 0 双向8 车道9 9 8 5 0 5 8 0 2 5 0 1 3 如表1 1 所示，如果交通事故发生在紧急停车道上，没有车行道被堵塞，由于各种救援车辆到 达事故地点将造成1 9 的通行能力的损失。在一条双车道道路有一条车道被堵塞的情况下，交通事 故造成的通行能力的下降将更加明显。在这种情况下，通行能力损失将由原来的5 0 增加到6 5 。 事件的持续时间也是突发事件的一个重要特性，事件的持续时间一般分为四个阶段：事件检测 与确认、事件响应、事件清除、现场恢复。事件检测又可以进一步划分为发现事件、事件确认、环 境评估、合理决策。事件响虑阶段可进一步分为任务分配和驾驶时间。事件清除阶段则包括了事件 现场各部门之间协调运作。调查发现突发事件中故障车辆从发现到拖离现场所需时间平均为4 1 6 分 钟，从发现到处理完毕平均为4 1 8 分钟。表1 2 为一般情况下各类型突发事件的持续时间。 表i 2 不同类型事件平均持续时间 事件类型 事件平均持续时间( r a i n ) 车辆故障4 2 财产损失 6 8 交通事故 人员伤亡 8 3 车辆起火 7 3 如前所述，突发事件造成道路瓶颈，降低甚至阻断交通，势必对高速公路上其他车辆的正常行 驶产生影响。交通延误反映了突发事件在持续时间里对高速公路交通的综合影响，主要取决于道路 通行能力的下降程度以及事件的持续时间。图1 2 展示了利用确定性排队理论评价由于突发事件产 生的交通延误。 东南人学硕七学位论文 。 岳 0 蚓 固 杈 七 略 图1 2 突发事件延误分析评价 国外文献研究报告，“4 0 的交通事故造成- n 两条车道的堵塞”。如果要是涉及伤亡，那通常 要持续4 0 8 0 分钟，并造成1 2 0 0 1 5 0 0 小时的交通延误。根据同样一份报告的研究成果，所有事 故中的5 1 5 是较大的交通事故，它们会带来2 5 0 0 5 0 0 0 小时的交通延误。其中又包括危险品 运输车辆发生交通事故的情况，危险品运输车辆发生交通事故将会使本地和整个区域都陷入混乱。 灾难性的事故会持续1 2 个小时到一整天甚至更长的时间，需要交警部门、消防部门、救护部门、以 及高速公路管理单位的通力配合。涉及危险物品泄露的交通事故，通常政府会采取措施封锁这一地 区达1 0 到1 2 小时，并会造成3 0 0 0 0 到4 0 0 0 0 小时的交通延误。表1 3 显示了一般情况下各类型突 发事件产生的延误”1 。 表1 3 不同类型事件产生的交通延误 交通延误( 小时) 事件类型 紧急停车道行车道 车辆故障l o o 2 0 0 5 0 0 - - 2 0 0 0 交通事故5 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 - - 5 0 0 0 其他 1 0 0 - 2 0 01 0 0 ( b j5 0 0 1 3 突发事件管理 高速公路发生突发事件之后，对事件的管理t = 作是多个部门共同协作以使交通晕恢复到上 常状 态的过程。一个组织得当，各部j 协调良好的事件管理过程将会减少由丁突发事件而造成的时问上 4 第一章绪论 的经济损失。 美国的国家i t s 框架中把“事件管理”用户服务描述为：“事件管理_ | i 户服务使用先进的传感设 备、数据处理和通讯技术提高运输和公共安全部门的事件管理能力。该服务将帮助这些部门快速准 确地识别各种事件，并实施一系列的措施把这些事件对人和货物运输的影响降低到最小。另外，该 服务还帮助管理部门识别或预测有危险的天气、交通和设施条件，以便提前采取措施，防止事件的 发生或将其影响减少到最小”。可见事件管理就是通过有效减少事件的发现与确认时间、事件的反应 时间、事件现场清理时间以及事件的恢复时间来提高道路的运行效率，最大限度的降低事件造成的 时问和经济损失，尽量在最短时间内恢复道路通行能力p 】。 1 3 1 事件管理运作机制 事件管理的多数研究强调运行的实际顺序以及处理问题的特定部分譬如持续预测、延迟估计、 和交通分流，而事件管理运行的演变性质，多用户的存在以及合作决策的需要经常受到忽视。一个 整体事件管理框架结构的作用是从不同的来源获得信息、处理信息、并且传递信息给系统的合适部 分，如图1 3 所示。值得注意的是，应该把事件管理流程看作一个连续的反馈环路，开发的系统应 该能连续地获得数据并根据新的数据校正和更新它的决策，并且各机构的反应和交通控制策略的合 作是整个过程的一个持续元素。简而言之，事件管理流程不应仅仅被看作一个顺序机制而是一个循 环演变机制。 图i 3 高速公路事件管理要素 1 3 2 事件管理运作流程 伴随着事件从发生、发展剑结束，事件管理将经历如图1 4 所示的5 个阶段，即事件检测、事 5 东南人学硕七学位论文 件确认、事件响应、事件清除、现场恢复。该示意图描述了5 个阶段在时间上的分布和事件管理过 程中的各个关键时间点。从图中可以看出，各个阶段是顺序发生的，其中的时间点是确定和评价事 件管理优劣的依据。 事件管理涉及到的部门包括高速公路管理部门、路政队、清障队、高速公路交巡警、公安交警 ( 1 1 0 、1 2 2 ) 、消防队( 1 1 9 ) 、紧急医疗服务( 1 2 0 ) 、媒体等。在事件管理的各个阶段，这些部门要 进行事件识别、响应、清除和紧急救援等一系列事件管理活动。通过这些活动充分协调和利用人力 和技术资源，在事件后尽快恢复高速公路的通行能力，减少事件的持续时间和对交通流的干扰。事 件管理活动涉及在事件持续时间内和交通流恢复过程中的各种主动管理交通流的措施。随着事件的 清除，需要不断地监控和修正交通控制管理方案，在交通流恢复正常之前还要不断地向公众发布信 息。有效的事件管理包括以下7 项基本管理活动： 事件检测 事件确认 l 竺竺! 竖i i 事件消除l i 圆 i i il 现切愀发i ili i：i i - i i 事件现场管理 i 驾驶员信息发布i 陋+ 篇十嚣j - 书件清_ 。疏避时j 除廿j 问阉 l ：；i 懈i j 争发地点i 懈l i 帆复剑i 常的i i 阳剐ti i 受通流状态 i 图1 4 事件管理阶段图 l 、事件检测。一般检测到事件发生的时间大概在事件发生后5 1 5 分钟。最可靠的发觉事件的 方法就是通过交巡警以及路政人员进行巡查。大约有l ，3 的事件都是由交警和路政在巡查时发现的。 其他的事件都是由通过手机报道给交警和路政人员的。 2 、事件确认。目前比较先进的事什确认方法是采用了闭合线路电视( c c t v ) 摄像机对交通堵 塞状况严重的路段和隧道进行监控，交巡警和路政通常有责任确认事件是否真实存在以及事件的具 体信息。 3 、信息发布。发布当前突发事件的具体信息，提醒其他驾驶员注意。一般通过高速公路上布设 6 第一章绪论 的各种可变信息标志进行发布。 4 、响应。事件的快速响应是为了处理交通事件，各部fj 之间互相配合、协调处理事件。分析该 作些什么工作，需要那些戍急资源。事件管理中心通常会协调道路交通和事件现场的通讯。 5 、现场管理。保证个救援部门合理有序的进行救援工作。现场一般由交巡警部门负责各个部门 之间的协调运作。 6 、事件清除。大多数突发事件都需要清障车。一般情况一f ，交警和路政人员可以通过事件现场 的调查分析并决定应该采取哪种型号的清障车。 7 、现场恢复工作。一旦事件被清除了，交通又恢复正常。交通黾恢复正常的时候被认为是事件 的结束。恢复工作的主要目标是“使交通量恢复正常，防止由于新的车辆增加到车队中而造成的交 通堵塞，防止交通堵塞给路网的其他部分带来的影响”。 以上7 项活动是简单的且比较理想化的事件管理过程的组成部分，基本反映了典型的事件管理 的流程。但实际中的事件，特别是大型的事件，往往是多变的，反复的，这就决定了事件的处理步 骤并不是一成不变的，上述步骤往往是同时或者交替进行的，这就加剧了事件处理的复杂性。 1 3 3 事件管理结构框架 我国的事件管理研究和建设虽然起步晚，但却为我们超越传统技术，直接建立i t s 框架下的综 合、开放式系统创造了契机。依据我国提出的i t s 框架，事件管理结构框架如图1 5 所示： l 公共交通 l 信息 媒体 幽1 5 事件管理结构框架 其中高速公路上沿途布置的各类车辆检测器和监视设备获取实时的高速公路运行状态，通过通 信链路传输到事件管理中心。事什管理中心承担事件管理的主要_ l 作，负责对原始交通流数据、视 频数据以及各种途径的人工报告数据进行处理以判断是否有事件发生，在确定了事件发生后，根据 事件的严重程度和需要制定响应策略并派遣事件处理人员和救援设备和车辆，同时对相关路段进行 控制并向出行者和驾驶员发布相芙信息，以避免事件进一步恶化。事件现场利救援车辆接收来自中 7 东南人学硕士学位论文 心的调度指令，并反馈救援现场的情况。 1 4 国内外研究状况及发展趋势 1 4 1 国外研究概况及发展趋势 在美国，事件管理系统在许多州已经得到了广泛的应用，它的事件管理示范工程一个是1 9 6 0 年建成的，另一个是1 9 7 0 年建成的。上个世纪6 0 年代，d e t r o i t 的交通工程师就出版了有关各类交 通事件出现频率的调查报告，7 0 年代中期，加州交通局广泛地报道了洛杉矶地区的高速公路监控系 统中应用事件管理的最新进展。联邦公路局也出版两卷有关高速公路与事件管理的报告：“高速公路 事件管理的两种概念和方法”( 1 9 7 8 ) 和“高速公路管理手册”( 1 9 8 3 ) 。在1 9 8 8 年，t r b 组织完成 了一个关于事件管理的综合报告“高速公路事件管理“”。 近年来，i t s 的广泛实施改进了交通流监控、通信和出行者信息发布媒介等事件管理的支撑技 术，使得事件管理系统也逐步向自动化、智能化迈进。世界许多发达国家的高速公路系统几经改造， 形成了各具特色的事件管理系统，进一步促进了事件管理系统的快速发展。 1 4 1 1 理论方面 1 9 6 8 年，美国加利福尼亚州运输局提出了“加利福尼亚算法”，加州算法属双截面算法，它以 车道占有率为参数，所依据的是事件发生时上游检测端面占有率将增加、下游检测端面占有率将减 少这一原理。之后p a y n e 和k n o b b l e 以洛杉矶和明尼阿波利斯两个城市高速公路监测系统所得的数 据为基础，对1 0 种高速公路事件自动检测算法进行研究比较，并开发了参数标定软件。 d u d e k 和m e a n e s 提出了采用控制变量( 能量或车道占有率) 的标准正常偏差( s n d ) 检测算 法，他们认为，急剧变化的控制变量将反映出与道路几何因素所确定的交通需求一通行能力明显不 一致的事件状态。 加拿大m cm a s t e r 大学土木工程系开发了基于高速公路突变理论的m em a s t e 算法，该算法依据 的是高速公路在拥挤车流速度降低、道路占有率增加并有拥挤车流存在这一事实，该算法除了能识 别拥挤的存在外，还能识别导致发生拥挤的原因。 s t e p h e n 和r u e y 提出了基于人工神经网络的事件检测算法。他们将交通状态分为“事故”、“非 事故”两类，先用历史数据训练神经网络，之后通过仿真认为该算法优于加州算法和m cm a s t e r 算 法。 p a n o s 和r i c h a r d 提出了基于图像处理的事件检测算法，此算法以摄像机图像采集和计算机处理 为基础，跟踪分析车流的行驶，能自动检测高速公路上发生的事故，此外，它还有直观、灵活和可 以预测事故的优点”。 1 4 1 2 实践方面 在澳人利亚，悉尼市建立了把高速公路网络( 有3 2 0 个c c t v 监视器和以5 0 0 米间隔布置的检 测线圈) 同城市交通信号系统( s c a t s ) 相结合的，具有快速事什检测和响应能力的事件管理系统： 8 第一章绪论 q u e e n s l a n d 洲建立了具有半自动化事件检测能力的事件管理系统；墨尔本建立了具有全自动事件检 测能力的v i cr o a d s 事件管理系统，以及p e r t h 市在市区6 0 公里的高速公路上新引进的m r w a 系统。 在欧洲，很多国家建立了基于视频检测技术c c a t s & c c i d s 的事件检测和管理系统，德国的是集中 式的事件预警系统- - c o m p a n i o n 事件管理系统，瑞典的是m c s 系统。美国的高速公路里程居世 界第一，因此高速公路管理和事件管理系统遍及全国，一些系统相当成功。明尼苏达州的d i v e r t 、 马里兰州的c h a r t 、纽约和新泽西区域的矸n s m i t 、圣地亚哥的智能呼救电话和a d v a n c e 等。 对于具有代表性的系统介绍如下”1 ： 1 d i v e r t ( d u r i n gi n c i d e n tv e h i c l e se x i tt or e d u c et i m e ) 明尼苏达州运输局先进交通运输系统办公室和圣保罗市联合开发并实旖了d i v e r t 这个事件管 理项目，对1 - 4 9 和1 - 3 5 e 这两条毗邻圣保罗市中心的高速公路进行管理。d i v e r t 由事件检测、路 径诱导和交通信号控制三个主要部分构成，主要目的是改善高速公路和城市交通的联合管理，通过 在事件期间与城市道路控制相协调，为车辆提供替代路径。d i v e r t 在1 9 9 3 年末提出，1 9 9 6 年9 月开始运行，经对比评价取得了良好的效果。另外，d i v e r t 还为分析使用城市道路作为转移路径， 车辆转移对该地区交通流影响提供了一个有力的工具。 2 c h a r t ( c h e s a p e a k e h i g h w a y a d v i s o r i e s r o u t i n 9 1 h f f i c ) c h a r t 是马里兰州公路管理局的公路事件管理项目。起源于5 0 年代中期的“r e a c ht h eb e a c h ” 项目，现已扩展成为一个州际项目。控制中心设置在b a l t i m o r e c h a r t 覆盖了全州范围的高速公路 和公路主干线。c h a r t 由4 个主要部分构成：交通监视、事件响应、出行者信息和交通管理。其 中的事件响应和出行者信息系统日益受到公众、媒体和交通运输专家的关注。1 9 9 7 年由于c h a r t 项目的实施，总的延误时间减少1 5 6 0 万车辆小时，燃油消耗大约减少5 8 5 万加仑，减少潜在的二次 事故3 3 7 起。 3 圣地亚哥智能呼救电话( s a nd i e g os m a r tc a l lb o x ) 圣地亚哥智能呼救电话系统是为了检验使用现有的路边呼救电话作为连接其它交通管理设施 ( 如车辆检测器、摄像机、可变信息板和气象信息站) 的通讯手段的可能性。智能呼救电话系统作 为一种支持事件检测、确认和管理方法的技术得到了验证。该系统应用的成功表明可以充分利用现 有设备，减少通信系统的投资。 4 a d v a n c e ( a d v a n c e d d r i v e r a n dv e h i c l e a d v i s o r y n a v i g a t i o n c o n c e p t ) a d v a n c e 的最初目标是建立动态路径诱导系统。a d v a n c e 利用浮动车、环形线圈检测器计 算出的行程时问数据和人工事件信息向出行者提供快速到达目的地的路径。a d v a n c e 交通信息中 心( 1 h 币ci n f o r m a t i o nc e n t e r ，t i c ) 处理行程时问数据并传输给安装有“移动导行辅助单元( m o b i l e n a v i g a t i o na s s i s t a n t s ，m n a s ) ”的车辆，通过车载图形用户界面向驾驶员直接提供静态路径诱导和 动态路径诱导信息。a d v a n c e 使州浮动车在大范围内监视高速公路和城市干道的交通状况【事件 检测) ，并向安装有车载导航设备的车辆提供路径转移信息( 事件管理) 。系统中的事件检测一方面 可直接向驾驶员提供事件信息或融合到诱导系统中在计算最优路径时把事件考虑在内，另一方面可 以为交通管理者服务，使其能够快速地对事件做出响应，减小事件对交通正常运行的影响。 5 砸特兰人的n a v l g a t o r n a v i g a t o r 是一个a t l s 和a t m s 在砸特兰大中心区大规模集成实施的系统。系统中集成了 9 东南大学硕士学位论文 包括实时交通参数采集、拥挤监控、自动和人工事件检测、高速公路安全巡逻车、闭路电视摄像、 可变信息板、公路咨询j l 。播、互联a t i s 终端等的多项事件管理技术。该系统的建成为1 9 9 6 年奥运 会提供了良好的交通条件。 据美国运输工程师协会( 1 n s l i m t eo f t r a n s p o r t a t i o ne n g i n e e r s , i t e ) 估计，高速公路使用事件管 理后，在交通拥挤期间可以减少1 0 - 1 5 的行程时间。上述的许多系统在实施后都进行了效益评估， 如1 9 9 7 年由于c h a r t 项目的实施，总的延误时间减少1 5 6 0 万车辆小时，燃油消耗大约减少5 8 5 万加仑，潜在的二次事故减少3 3 7 起；亚特兰大n a v i g a t o r 系统建成后，事件检测和确认的时间 由原来的平均4 2 分钟减少到平均1 1 分钟，降低了7 4 ，事件确认和自动产生事件响应之间的平 均时间降低5 9 * 6 ，事件确认和车道清除之间的平均时间降低了3 8 。事件管理在产生巨大的经济效 益的同时还能带来诸多难以度量的社会效益，如：缓解事件当事人的紧张心理和减少事件带来的不 便、减少延误、减少有害气体的排放、改善公共关系等。 从世界范围来看，事件管理有些是相对独立的系统( 如c h a r t 、圣地亚哥智能呼救电话等) ， 而更多的是注重运用i t s 的理念，把事件管理系统与其它系统进行集成，通过通讯链路的链接实现 信息共享和互相配合，以达到整个交通运输系统的高效，安全运行。上述系统中的a d v a n c e ， n a v i g a t o r 和d i v e r t 等就是把高速公路事件管理系统与城市道路信号控制系统、出行者信息系 统、电子收费系统等进行协调和集成的有益尝试。因此，在i t s 框架下，充分利用i t s 新技术、新 策略对事件管理系统进行扩充和改造是必要的发展方向。 1 4 2 国内研究概况及发展趋势 就事件管理系统而言，我国在该领域的研究和实施都处于刚刚起步的阶段，目前见到报道的仅 有首都机场高速公路建成的事件快速响应系统。这样的现状显然是远远落后于发达国家。目前在我 国还没有建立高效的高速公路事件应急管理系统，然而这样的事件管理系统却是高速公路路网正常 运作所必须的。 虽然国内有关事件管理的资料相对贫乏，事件管理在我国还只是刚刚起步，然而，随着近几年 对交通突发事件管理领域认识的加深，国内学术界在相关的理论和实践方面也取得了令人欣慰的成 果。 1 4 2 1 理论方面 交通部公路科学研究所的王彦卿等人提出了能自适应交通状况变化的“交通异常检测算法”，该 算法交通参数的“阐值”可以随交通状况的变化而自动调节，对交通流的变化有一定的适应性，并 在广佛高速公路上得到了检验。 天津大学徐岩宇等对事件发生情况下的车辆线路引导系统v r g s ( v e h i c l er o u t eg u i d a n c e s y s t e m ) 进行了研究，提出v r g s 系统在事件发生后能引导车辆避开交通拥挤路段，沿最佳的行车 线路到达目的地的方法1 。 东南大学的刘春林等人运州模糊规划方法对应急救援的车辆调度问题进行了研究，提出了基于 模糊规划方法的调度优化算法。 o 第一章绪论 1 4 2 2 实践方面 中国公路j ：程咨询监理总公司和辽宁省交通勘测设计院联合承担了“深圳市高速公路网交通工 程总体规划”，规划和设计深圳市高速公路网事故处理系统该项i ：作从设计的系统目标出发，建立 了事故处理系统的组织结构，制定了事故处理的业务流程并建立了一套事故检测方法和手段。这一 研究工作是我国高速公路事件管理的较早应用。 2 0 0 0 年，国家智能交通系统工程技术研究中心的高海龙、张北海等对紧急事件管理系统进行了 研究，为首都机场高速公路开发了事件管理系统。此系统不需要增加额外的设备费用，但却能减少 1 3 的事件反应时间。 2 0 0 5 年，东南大学倪富健、杨顺新、张宏斌等人在对国外i m s 研究的基础上，开发了宁连高 速公路北段运营调度应急指挥系统，该系统将g i s 技术与高速公路事件管理有机结合，并应用人工 智能方法生成事件处理预案，是目前国内较先进的事件管理系统，本论文的研究即是在该系统的基 础之上进行的。 以上的相关研究成果侧重于对高速公路事件管理系统的某一方面进行分析，尚没有形成对突发 事件管理的系统性的研究。本文首先致力于建立一个完整的事件管理系统框架，然后对其中的一些 理论问题进行研究。 东南人学硕1 。学位论文 2 1 介绍 第2 章事件管理系统 7 0 年代初期以来，发达国家的交通部门认识到针对事件管理的一种多重学科团队方法的重要 性。晟初，事件管理的焦点是机构组织问题，这是因为事件管理过程具有多方管辖和多方部门机构 的性质所致。随着高速公路事件管理研究的深入，越来越多的问题受到了高速公路管理人员的关注。 这些问题主要包括1 2 j ： 如何快速、准确的检测到高速公路事件发生； 如何准确派遣合理部门处理不同类型的事件； 如何快速地清除高速公路交通事件； 如何及时地协调不同部门机构的行动； 如何优选多起交通事件的资源需求； 如何确定交通事件附近最佳的绕行道路； 如何确定向公众发布的交通信息及建议。 可以确定的是，高效地处理这些重要问题需要一个集中化系统。该系统应该设置于高速公路管 理中心，并且易于使用和利用先进的通讯和计算基础设施。更加重要地，系统必须提供一个共同的 事件管理体系通过一个多方部门机构网络来支持实时数据的共享和多方部门机构的事件反应。 2 2 事件管理系统结构框架 2 2 1 事件管理系统的概述 事件管理系统是一种实时的、基于知识的决策支持系统，它能够辅助交通管理人员，针对出现 的突发事件，提供合理的解决方案。一个完整的事件管理系统应该具有以下特征： 实时性。事件管理过程中，在系统获取数据之后，任何数据有效性可能会随时间而改变。 系统所处的真实状态需要求被连续地监测，特别是对事件的检测、确认以及特性描述。例如，当一 个突发事件首先是通过驾驶员手机呼叫获取的，那么并不能肯定交通事件是否存在，工作人员需要 更多的信息来确认事件的发生。而且即使是在事件被核实以后，事件反应的方法将根据相关事件特 征的连续信息而发生变化。事件特征的变化直接地影响到事件清理所需的资源。 高性能。事件管理是在很短反应时间内的一个实时过程，需要迅速地处理各种变化的数据。 因而，事件管理系统应该能够根据数据变化而改变推荐的决策方案。 外部接口。实时系统需要能够通过传感器或数据库接口收集数以万计的变量数据并提供连 续的更新信息给操作员。这是事件管理系统的一个关键问题。 模糊处理。事件管理系统廊能够适当地处理信息获取不完整的突发事件。这就引起了在一 些数据无法获取时如何使用历史数据的问题。 2 第二章事件管理系统 通过对国内外事件管理系统的组成部分和实现原理进行研究发现，事件管理系统的基本结构总 体上没有太人的改变和创新，一般都是采取经典的知识库、推理机、综合数据库、人机接口、解释 程序和知识获取六大部分为主框架，但现代的事件管理系统普遍重视对原始事件记录和决策效果的 收集与分析，所以文档管理也渐渐成为不可或缺的一部分。在事件管理系统的结构及各部分间的对 应关系可参见图2 i ： 给一i 释机f”i解释器f 寻求解释荐 给出解释 管 请求推理 人 输入数据理 推 一 1 综合数据库i 操 理 给出结果l 得到决镱 机 作 机 搜索知识 员 给出知识 7 l 知识库 接 对知识库 生 添 进行学习 成 加 口 记 知 录 识 誓黧誓 事件 | 文档管理系统i 叫知识获取卜一 成知识 。 理专 管 家 图2 i 事件管理系统的结构框架 事件管理系统在进行决策支持时，由于动态的环境下涉及的方面比较多，条件信息随时都有可 能更新或者改变，应当注意要保证在推理没有开始前，尽可能提供接口以方便对条件信息的修改， 以期获得更为精确的结果。其一般处理流程如图2 2 ： 3 东南人学硕士学位论文 图2 2 事件管理系统的处理流程图 事件管理人员通过人机界面接口把必要的事件相关信息输入系统中，系统通过得到的