（道路与铁道工程专业论文）高速公路运行车速与道路安全性关系研究.pdf

摘要 影响道路安全的因素是复杂的，它是由人、车、路等组成的一个完整的事故因素链。 对于任何一起事故都很难将其归结于某一种单一的因素，但运行车速是人、车、路等多方面 综合作用的结果，通过对其研究可以有效地评价道路安全状况。 本论文研究内容主要分为两部分。第一部分通过实测运行车速等手段，对高速公路几 何线形与运行车速的关系进行了较深入的研究，提出了基于人工神经网络的高速公路运行车 速预测模型，并在预测模型的基础上提出了运行车速预测流程；第二部分通过对高速公路运 行车速与道路安全性关系的研究，提出了运行车速与道路安全性评价模型。在研究分析中发 现，路段事故率与车辆的运行车速特别是相邻路段的运行速度差值具有一定相关性，在运行 车速高、相邻路段运行车速差值大的路段往往是事故多发位置。 通过上述模型的建立，最终提出了对现有及在建高速公路项目的安全性评价及改造流 程，使高速公路安全性评价及改造工作条理化、系统化。 关键词：运行车速，道路安全，人工神经网络，事故多发位置 a b s t r a c t r o a ds a f e t yi sac o m p l i c a t e di s s u e a st h ef a c t o rt oa c c i d e n ti sas y s t e m a t i cc h a i nc o m b i n e d w i t hh u m a n ，v e h i c l e sa n dr o a d s ，a n yf a u l ti n t h i ss y s t e mc a nr e s u l tt oa c c i d e n t s oi ti sn o t a p p r o p r i a t et oa s c r i b ea n ya c c i d e n tt os o m ef a c t o r o p e r a t i n gs p e e di s ao u t c o m eo ft h er o a d & t r a f f i cs y s t e ma n dc a nb eu s e dt oa p p r a i s er o a ds a f e t yc o n d i t i o n se f f e c t i v e l y t h er e s e a r c hi nt h i st h e s i si n c l u d e st w op a r t s i nt h ef i r s tp a r t ，a c c o r d i n gt ot h eo b s e r v e d o p e r a t i n gs p e e d ，t h e r e l a t i o nb e t w e e nm a da l i g n m e n ta n do p e r a t i n gs p e e do ff r e e w a yi s i n v e s t i g a t e da n dap r e d i c t i v em o d e lb a s e do na r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ( a 叼i sp r e s e n t e d ，t h e na f l o wc h a r ti sa d v a n c e dt op r e d i c to p e r a t i n gs p e e du s i n gt h em o d e l i nt h es e c o n dp a r t ，t h er e l a t i o n b e t w e e no p e r a t i n gs p e e da n dr o a ds a f e t yc o n d i t i o ni sa n a l y z e da n dt h u sam o d e li sp r e s e n t e dt o a p p r a i s ef r e e w a ys a f e t yc o n d i t i o nw i t ho p e r a t i n gs p e e d t h es t u d ya l s of i n d st h a to p e r a t i n gs p e e d ， e s p e c i a l l yd i f f e r e n c eb e t w e e na d j a c e n tr o a ds e c t i o n s ，h a sas i g n i f i c a n te f f e c tt or o a d s e c t i o n a c c i d e n tr a t e t h es e c t i o n st h a th a v eh i i g ho p e r a t i n gs p e e do rh i i g hs p e e dd i f f e r e n c et e n d st ob e a c c i d e n tb l a c ks p o t b a s e do na b o v em o d e l ，s a f e t ya p p r a i s a la n da m e l i o r a t i v ef l o w sa r ep r e s e n t e da i ma t h i g h w a y sa n db u i l tp r o j e c t ss oa st os y s t e m a t i c a l l yi m p r o v eh i g h w a ys a f e t yc o n d i t i o n k e yw o r d s ：o p e r a t i n gs p e e d ，r o a ds a f e t y , a n n ，a c c i d e n tb l a c ks p o t 声明尸明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果，撰写成博士硕士学位论文= = 直逵公路运堑奎速皇道路塞 全性苤丕盟究= = 。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不 包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发 表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：象，名岩秀 2 0 0 4 年3 月11 日 高速公路运行车速与道路安全性关系研究 第一章绪论 1 1 课题的提出 第一章绪论 汽车工业的发展和高等级公路的建设为实现快速、便捷的交通创造了必要的载运工具 和基础设施，提高了人们的生活质量，甚至极大地改变了人们的生活方式。然而随着汽车发 展和道路建设，人们不得不面对日益严重的环境和道路交通安全问题。发达国家道路交通事 故已成为人类重要的“致死疾病”。据第二十一届世界道路会议( 1 9 9 9 年1 0 月2 9 日，吉 隆坡) 道路安全委员会提供的最新资料表明，世界上每年有7 0 万人死于道路交通事故。交 通运输设_ 施，特别是高速公路的建设对环境造成破坏及开放交通后产生的安全问题已构成一 种“人类行为与自然作用”共同所致的“灾害”，严重影响着人类生存环境与人民生命财产 的安全。 道路交通事故引起人的伤亡，物资的损失，给国民经济带来了巨大的损失。1 9 8 8 年， 在加拿大蒙特利尔召开的国际交通安全会议上，米切尔( m i c h a e l ) 提出，全世界道路交通 事故每年的经济损失为3 5 0 0 亿美元。也就是说，全世界平均每人每年所承担的道路交通经 济损失为6 8 5 美元。1 9 9 0 年美国道路交通事故经济损失为8 9 0 亿美元，相当于美国同年经 济生产总值的2 5 ；1 9 8 3 年，英国道路交通事故经济损失为2 3 8 亿英镑，约相当于英国同 年国民经济生产总值的2 1 。据美国国家安全委员会的报告，近几年来，美国每年的道路 交通事故经济损失达9 6 0 亿美元。英国道路与运输研究所的研究表明，在发展中国家，道路 交通事故经济损失相当于国民经济的生产总值的1 。1 9 9 1 年，英国道路与运输研究所的多 宁( d o w n i n g ) 研究指出，在第三世界，每年道路交通事故经济损失约为2 5 0 亿美元，这个 损失相当于第三世界国家人民由于各种疾病所造成的经济损失的总和。 随着我国公路交通运输业和运输基础设施的建设和发展，带来的环境和道路安全问题 也己引起了人们的高度重视。近年来我国道路事故死亡人数持续大幅度的增长。2 0 0 1 年， 全国共发生道路交通事故7 6 0 3 2 7 起，死亡1 0 6 3 6 7 人，伤5 4 9 万人，直接经济损失3 0 9 亿 元，同比分别上升2 3 2 、1 3 3 、3 3 0 和1 5 9 。其中，一次死亡l o 人以上特大事故 3 9 起，死亡6 3 9 人，同比减少1 9 起，减少2 7 1 人，分别下降3 2 8 和2 9 8 ；一次死亡3 0 人以上特大事故4 起，死亡1 3 7 人，同比增加3 起，增加5 8 人，分别上升3 0 0 和7 3 4 。 2 0 0 2 年，全国共发生道路交通事故7 7 3 1 3 7 起。最新的统计资料显示：2 0 0 3 年，发生道路交 通事故6 6 7 5 0 7 起，比2 0 0 2 年明显下降。表1 1 是我国近年道路交通事故统计结果。 表1 1 我国近年来交通事故统计表 年份事故次数死亡人数受伤人数直接经济损失( 元)万车死亡率 1 9 9 02 5 0 2 9 74 9 2 7 11 5 5 0 7 23 6 3 5 4 8 1 1 43 3 3 8 1 9 9 l2 6 4 8 1 75 3 2 9 21 6 2 0 1 94 2 8 3 5 9 7 4 93 2 1 5 1 9 9 22 2 8 2 7 85 8 7 2 91 4 4 2 6 46 4 4 9 2 9 6 3 63 0 1 9 同济大学申请硕上学位论文 高速公路运行车速与道路安全性关系研究第一章绪论 续上表 1 9 9 32 4 2 3 4 36 3 5 0 81 4 2 2 5 19 9 9 0 7 0 1 2 l2 7 2 4 1 9 9 42 5 3 5 3 7 6 6 3 6 21 4 8 8 1 7 1 3 3 3 8 2 7 2 2 32 4 2 6 1 9 9 52 7 1 8 4 37 1 4 9 41 5 9 3 0 8l5 2 0 0 0 0 0 0 02 2 4 1 9 9 62 8 7 6 8 5 7 3 6 5 5 1 7 4 4 4 717 2 0 0 0 0 0 0 02 0 1 1 9 9 73 0 0 0 0 07 3 8 6 l1 9 0 1 2 8l8 5 0 0 0 0 0 0 01 7 5 1 9 9 83 4 6 1 9 27 8 0 6 8 2 2 2 7 2 i l9 3 0 0 0 0 0 0 01 7 3 1 9 9 94 1 2 8 6 0 8 3 5 2 92 8 6 0 8 02 1 2 4 0 1 0 0 0 0 1 5 4 5 2 0 0 06 1 6 9 7 49 3 4 9 34 1 2 7 8 22 6 6 9 0 0 0 0 0 01 5 6 0 2 0 0 l7 6 0 3 2 71 0 6 3 6 75 4 9 0 0 03 0 9 0 0 0 0 0 0 01 5 4 6 2 0 0 27 7 3 7 3 71 0 9 3 8 15 6 2 0 7 43 3 2 4 0 0 0 0 0 01 3 7 1 2 0 0 36 6 7 5 0 71 0 4 3 7 24 9 4 1 7 43 3 7 0 0 0 0 0 0 0 图1 1 是我国近年来道路交通事故起数及死亡人数发展趋势。从图中可以看出我国交通 事故在2 0 0 0 年及2 0 0 1 年有大幅度增加，2 0 0 2 年趋势放缓，2 0 0 3 年明显下降但整体数量仍 然惊人，各地交通安全依然面临严峻考验。 图1 1 我国近年来道路交通事故起数及死亡人数发展趋势图 影响道路安全的因素是复杂的，这些因素包含了道路几何线形因素、道路交通环境因 素、道路沿线气候因素以及人文因素等由人、车、路组成的事故因素链，甚至道路安全执法 部门的执法情况也是重要因素之一。对于任何一起事故，很难将其事故原因归结于某一种单 一的因素。但是运行车速是驾驶员心理行为、道路几何线形以及道路环境等多方面综合作用 于汽车的最终结果及外在表现，通过对这种综合的反应结果的研究可以有效的评价道路安全 状况，同时运行车速作为各种因素综合的外在表现的性质又使我们获得大量的基础资料成为 可能。国外研究表明3 0 的致死事故以及所有事故的1 2 都与车速有着直接或者间接的联 系。国内的研究同样说明车速是影响道路安全性的重要因素，图1 2 为对多条高速公路事故 同济大学申请硕上学位论文 2 高速公路运行车速与道路安全性关系研究 第一章绪论 研究后得出的超速行驶占道路事故数的比例( 其中成渝高速包括纵向间距不够所引起的事 故) 。 6 0 5 0 百4 0 分3 0 i t ；2 0 1 0 0 莲 沈人高 近函 # “ 势 墨翻丝：一星要丝曩_ 逖磁矗 速济青高速太旧高速吐鸟大高速成渝高速 图i 2 车辆超速引起的事故比例 由此可见，通过对道路车速特别是对反映车辆实际运行情况的运行车速的研究，找到 运行车速与道路安全性的内在联系，会对我国道路安全状况改善具有重要的理论意义与实际 应用价值。 1 2 研究的目的和意义 道路殴计的安全性是交通安全的重要保证，道路的平、直、宽并不意味着行车的绝对 安全，道路交通事故是人、车、路共同作用的结果。在提到交通事故时，人们往往习惯性的 认为事故的发生是由于驾驶员或车辆本身的因素造成的，如：酒后驾驶、超速、超载、汽车 失控等，甚至交通执法人员在执法时也会尽量从人的角度去处理事故，而忽视了道路本身对 安全的影响。后来经研究发现，由于道路线形等道路环境因素对驾驶员的视觉诱导、反应、 操作有着重要作用。在瑞典，甚至提出了容错的道路设计理念。 我国道路安全研究起步较晚，正在进行道路安全性能的基础研究。其中，车速是道路 安全研究中最重要的概念之一。提起车速，人们往往会想到计算行车速度和运行车速两种车 速。计算行车速度，又叫设计车速，是指在气候条件良好、交通密度小、车辆行驶只受道路 本身的道路条件的影响时，具有中等驾驶技术的驾驶人员能安全顺适地驾驶车辆的速度。运 行车速是指车辆在道路上行驶时的实际运行速度。 计算行车速度是决定公路几何形状的基本依据。目前，我国公路设计就是采用的计算 行车速度法，它为公路路线设计提供了统一要求，由于这一要求，使得设计出来的公路线形 在相同计算行车速度下，表现出一定的指标一致性和均衡性，从而使各路段设计线形之间做 到相互协调，同时计算行车速度在很大程度上决定了条公路的安全性和工程经济水平。 然而，在实际设计工作中，工程师依据计算行车速度进行设计时，往往整条道路只有 极少数点是采用公路工程技术标准( 以下简称标准) 规定的极限最小值，而在条件允 同济大学申请硕上学位论文 3 高速公路运行车速与道路安全性关系研究第一章绪论 许的情况下往往会采用较好的线形方案。这就势必会造成道路上车辆实际运行车速与设计车 速相差较大，使得设计车速不能很好地反映车辆运行的实际情况，造成了道路安全隐患。运 行车速能直接反映道路上车辆的实际运行情况，便于大量采集数据，虽然它与其影响因素存 在非线性关系，应用线性回归法预测精度较差，然而随人工智能发展起来的人工神经网络 ( a n n ) 为我们提供了解决非线性问题的良好工具。本论文以人工神经网络为基础，提出 高速公路运行车速预测模型，并以道路运行车速作为道路事故风险和道路环境因素之间的 “转换器”，通过研究最终评价具有不同道路技术特性和环境下的道路安全状态，为我国道 路安全评价提供一种实用的技术方法。 随着中国高速公路的快速建设，对于现存或在建道路进行有效地安全预测及评价成为 制约高速公路安全管理的瓶颈。本论文的研究对于人们更好的认知道路交通事故影响因素， 进行合理的安全预测及评价，最终改善我国高速公路的道路安全状况，具有重要意义。 首先在技术上通过研究提出了运行车速预测模型及运行车速与道路安全性的关系，有 利于发现道路安全隐患、分析事故成因，为安全改造服务；其次在学术上将会使我们在设计 指标、道路选线、交通设施等方面考虑其对道路安全运行的影响，甚至会对道路安全设计理 论和方法产生一定影响；最终通过研究及实际工程应用减少道路交通事故，提高我国的道路 安全水平，最终产生良好的社会及经济效益这也是检验理论的最好标准。 1 3 国内外研究现状 在1 9 9 9 年的第二十一届世界道路会议上，m a r cg a u d r y 和k a r i n ev e r n i e r 在原道路管 理系统的研究基础上，应用数理统计等理论，通过大量的调查研究，分别建立了事故率和事 故严重性与道路交通环境等的关系，车速与道路交通环境之间的关系模型，并做了初步验证。 我国在公路几何线形设计中一直使用计算行车速度作为确定道路几何要素的指标。尚未使用 国际上通过车速调查和研究得出的运行车速，但对平、纵断面及其组合非常强调均衡性和运 行车速的连续性。在这类研究中也提出了不少车速预测模型，大多采用单一的参数，运用数 理统计等方法，但由于影响运行车速的因素有很多，且各影响因素与运行车速的相关性较小， 因此预测精度较差，并且很难将预测结果应用于不同道路。如澳大利亚的运行车速预测模型 为； v = a r “ v 运行车速， r 平曲线半径， a 、b 回归系数。 1 9 9 7 年，f a m b r o 博士对4 2 个竖曲线车速数据进行了分析，建立了竖曲线的车速模型。 方程如下： 同济大学申请硕士学位论文 高速公路运行车速与道路安全性关系研究 第一章绪论 嚏行= 7 2 7 4 + 0 4 7 算 式中： 吃行竖曲线运行车速，l m h ； 算竖曲线计算行车速度，l ( m h ； 对于运行车速对道路安全性的关系，国内外也有很多研究。如，n i c h a o l a sjg a r d e r 通 过事故分析和多元线性回归等统计分析方法。研究了车速、交通流和事故频率的关系，为制 定限速标准提供了依据。 近期，英国学者a b u r u y a 开发了适用于欧洲的速度与事故模型e u r o 模型。研究 表明交通事故率与超速行驶有着必然的联系。e u r o 模型如下： 删) = 半 式中：i _ 年平均事故率，每1 0 6v e h k m y ： v 平均运行车速，k m h ； v 速度梯度。k m h 。 现在不少国家采用了运行车速差作为评价道路安全性的参数，相邻路段车速差值v 是保证线形设计质量的关键参数，也就是保证同一设计区段内，驾驶员能够采用连贯的驾驶 方式行车，从而避免或最大限度地减少由于出乎意料或判断失误造成的操作错误，提高驾驶 的稳定性和安全性。公式如下： v = l v 8 5 i - - v 8 5 i - i 式中：v 8 5 i 调查断面上的8 5 车速； v 8 5 i l 连续的前一断面的8 5 车速 国外相邻路段运行车速差取值： 国家美国瑞士澳大利亚 v ( k m h ) 1 62 01 0 车速差值法建议，当两相邻路段上的运行车速不超过l o k m h 时，线形设计为“优”： 当两相邻路段上的运行车速在l o - - 2 0 k m h 之间时，线形设计为“一般”；当两相邻路段上 的运行车速超过2 0 k m h 时，线形设计为“差”。 美国联邦公路局( f h w a ) 通过多年的研究，建立了i h s d m ( i n t e r a c t i v eh i g h w a ys a f e t y d e s i g nm o d e l ) ，该系统将整个道路安全评价系统分为政策评价模型、事故预测模型、设计 均衡性模型、交叉口评价模型、交通流模型这5 个子模型。从5 个方面对道路的安全性进行 间济大学申请硕上学位论文 高速公路运行车速与道路安全性关系研究 第一章绪论 全面的评价，然后调整设计方案，使之符合道路安全审计规范。i h s d m 是一个综合的道路 安全实用程序，它几乎包括了道路安全评价的所有方面，可以说它达到了多年来道路安全评 价工作的颠峰。f h w a 以大量的数据为依托。在模型中建立了复杂的计算公式，同时要求 用户输入大量的数据资料，这也影响了对程序的实际应用( 在第三章中将对本程序做进一步 的说明) 。 我国在公路项目安全性评价规范研究中，也初步运用了交通部公路科研所的车速模拟 程序、澳大利亚和德国的运行车速图分析我国几条高速公路的事故黑点与黑点路段的车速及 其变化情况的关系，得出了较好的结论。 本论文采用的人工神经网络法，它模拟人脑的工作原理，有很强的非线性映射能力和 学习能力，能更好地处理非线性问题。如h a s s a n a b d e l w a h a ba n dm o h a m e da a b d e l a t y 应用 神经网络法建立了有信号交叉口的事故中驾驶人员伤亡严重程度的预测模型，取得了较好的 预测结果。 1 4 主要研究内容和技术关键 本论文主要研究的内容为： 1 ) 选择高速公路进行事故调查，在对事故初步分析的基础上，拟定进一步细致调查 的典型路段。 i 2 ) 采用雷达测速技术、g p s 技术测定选定典型高速公路路段的运行车速。 3 ) 交通构成、道路交通事故调查( 包括事故数据和事故路段的现场堪察) 。 4 ) 道路几何参数调研( 调查路段的竣工图纸收集与验核或图纸不确切路段通过测量 恢复) 、公路状况调查。 5 ) 沿线自然环境、人文状况调查。 6 ) 基于人工神经网络的运行车速建模，及其与道路交通环境等参数的关系分析。 7 ) 道路事故率、道路安全性水平与运行车速、道路交通环境等参数的关系分析。 8 ) 事故风险( 道路事故率、道路安全性水平) 与运行车速的关系模型研究及建模。 9 ) 现有及在建高速公路项目的安全性评价及改造流程研究。 1 0 )选取某高速公路路段对其进行运行车速预测及道路安全性评价。 技术关键： 1 ) 按对运行车速及事故风险的影响确定道路交通环境参数的聚类与聚类参数的表征 参量。 2 ) 利用人工神经网络建立运行车速预测模型和运行车速与道路安全性关系模型。 同济大学申请硕士学位论文 高速公路运行车速与道路安全性关系研究 第二章人工神经网络方法 第二章人工神经网络方法 2 1 人工神经网络概述 人工神经网络( m 州) 是一门新兴的信息处理科学，它可以说是从常规的信息处理到 实现电子人脑的一种过渡，一方面人工神经网络的基本原理是模拟人脑的部分认知原理，另 一方面，它又加入了对人脑的许多假设，并采用数学的、物理的方法达到信息处理的目的。 正是由于人工神经网络吸取了生物神经网络的许多优点，因此它具有高度并行处理能力、高 度的非线性全局作用、良好的容错性与联想记忆功能以及很强的自适应自学习功能。 随着人工神经网络技术的发展，其用途也是日益广泛，在许多领域得到了广泛的应用。 特别是它具有较好的非线性适应性信息处理能力，迎合了自然界的大多数关系都是一种不确 定的、非线性关系的规律，克服了传统人工智能方法对于直觉，如模式、语音识别、非结构 化信息处理方面的缺陷，使之在神经专家系统、模式识别、智能控制、预测等领域得到成功 应用。 近年来a n n 在道路安全方面的应用逐渐受到重视，作为传统的统计分析方法的一种有 效地补充已经得到广大道路安全工作者的认可。下面将说明道路安全数据特征以及a n n 的 一些基本概念，并对本论文中用到的方法及模型进行重点解释和说明。 2 2 道路安全数据特征及运用a n n 的可行性 从国内外道路安全研究结果可以看出，道路几何线形、运行车速以及道路事故三者之 间存在一定的非线性关系，最直观的个例子就是平曲线半径与运行车速之间的关系，一般 随着平曲线半径的增大运行车速也随之增大，然而这种增加并不是线性的一直增大下去，而 是当半径达到一定水平时运行车速会增加缓慢直至趋于恒定。例如美国对大量数据研究后做 出了坡度一定情况下平曲线半径与车辆v 8 5 之间的关系图( 如图2 1 所示) 。从图中可以看 出在不同坡度情况下可以近似的拟合出一条曲线，但由于影响道路运行车速的因素是多方面 的，而且它们之间又是一种非线性的关系，因此如果想通过某一个单一的公式或者模型将影 响道路运行车速的较多因素与v 8 5 建立关系将会比较困难。同样道路事故作为一个小概率 事件，它与道路线形以及运行车速( 速度差、速度梯度等) 之间的关系也是一种非线性的关 系。这要求分析方法或者模型具有较好的处理非线性问题的能力。 同济人学申请硕士学位论文 高速公路运行车速与道路安全性关系研究第二章人工神经网络方法 2 主 话 里 02 5 05 0 07 5 0 半径 图2 1 平曲线半径与车辆运行车速关系表 另外由于道路安全研究在国内还处于一个初级阶段，数据资料也处于一个初步积累的 阶段，现阶段没有大量的现成基础资料。这就要求模型或者分析方法能适应这种数据逐渐增 加、完善的状况。 由人工神经网络概述中，可以看出a n n 具有较好的处理非线性问题的能力，同时她的 学习能力能很好地适应数据资料的这种不断完善的现状，因此她完全满足道路安全研究所需 要的方法或者模型的基本要求。a n n 在国外道路安全中也得到了一定的应用，如j o h n m c f a d d e n 等就应用其对美国双车道乡村公路进行了运行车速预测并取得了较好的结果。图 2 2 为他们以平曲线曲度、平曲线长度以及平曲线偏角作为输入变量运用a n n 模型进行道 路运行车速预测得出的训练数据与道路实测数据偏差图，从图中可以看出训练数据能较好的 反应道路实际运行车速。因此本论文后面将主要运用人工神经网络方法对道路线形、运行车 速以及道路安全性进行分析，并在分析基础上建立适应我国道路安全现状的运行车速预测模 型、道路安全性评价模型。 _ 、 窖 v 筮 求 衄 5l o1 52 0 训练与实测数据差( k m h ) 图2 2 训练数据与实测数据差值图 同济人学申请硕士学位论文 一8 跚 印 如 加 0 高速公路运行车速与道路安全性关系研究 第二章人工神经网络方法 2 3 人工神经元网络模型 人工神经元模型是生物神经元的模拟与抽象。图2 3 是一种典型的人工神经元模型，它 相当于一个多输入单输出的非线性阀值器件。其中x l ，x 2 ，x 3 ，x n 表示它的n 个输入； w l ，w 2 ，w 3 ，w 。表示与它相连的n 个连接权值：f 【w r x ) 表示激活函数( a c t i v a t i o n f u n c t i o n ) ；0 表示人工神经元的输出。其中： 、一权矢量( w e i g h t v e c t o r ) 垒鼢 x 输入矢量( i n p u tv e c t o r ) f x 。1 逊 一i ：l l 以j 图2 3 人工神经元模型 将以上所介绍的人工神经元通过一定的结构组织起来，就可构成人工神经元网络。现 在已有的典型神经元网络模型尽管已略去了很多生物神经元网络的细节，但是它们充分保留 了脑神经元网络系统的基本结构，部分地反映了生物神经工作的内在机理。根据神经元之间 连接的拓扑结构上的不同，可将神经元网络结构主要分为两大类：分层网络和相互连接型网 络。 分层网络是将一个神经元网络模型中的所有神经元按功能分为若干层，一般有输入层、 中间层( 隐含层) 和输出层，各层顺序连接，幽2 4 是几种典型的分层神经元网络模型。输 入层接受外部的输入信号，并由各输入单元传送给直接相连的中间层各单元。中间层( 可以 包含多层或没有) 是网络的内部处理单元层，与外部无直接联系，是神经元网络功能的主要 同济大学申请硕士学位论文 高速公路运行车速与道路安全性关系研究第二章人工神经网络方法 完成层。输出层是网络输出运行结果并与显示设备或执行机构相连接的部分。分层网络可以 细分为三种互联形式：简单的前向网络、具有反馈的前向网络以及层内有相互连接的前向网 络。图2 4 ( a ) 所示为简单的前向网络，本论文应用的反向传播网络( b a c k - p r o p a g a t i o nn e t w o r k , 简称b p 网络) 就是典型的前向网络。图2 4 ( b ) 所示为具有反馈的前向网络。图2 4 ( c ) 所示为 层内有相互连接的前向网络。 ( a )( b )( c ) 图2 4 分层神经元网络模型 分层网络的计算模型( 以三层网络为例) 可以由图2 5 表示，公式2 j 为三层网络的输 出公式。 输入第一层第二层 第三层 厂 厂人_ 、厂少_ 、厂夕l 一、 男万 万 耐9遴 a 刚一 f _ 一 一 f 1 刚 一| 零 逛叠 ? + 口1 = 厂1 ( ， 1 ，1 ) 尸+ 6 1 ) ) 口2 = f 2 ( l w 2 ，1 ) 口1 + 6 2 口3 = f 3 ( l w 3 ，2 a 2 + 6 3 ) ) 口3 = f 3 ( l w 3 ，2 1 2 ( l w 2 ，1 沙1 ( 1 w l ，1 p + 6 1 ) ) + 6 2 ) + 6 3 ) ) 图2 5 三层网络的计算结构模型 相互连接型神经网络是指网络内任意两个单元之间都可以相互连接，如图2 6 所示， h o p f i e l d 网络、波尔茨曼机模型都属于此类网络。 幽2 6 相互连接型神经网络模型 同济人学申请硕士学位论文 1 0 - 高速公路运行车速与道路安全性关系研究第二章人工神经网络方法 2 4 激活函数( a c t i v a t i o nt r a n s f e rf u n c t i o n ) 激活函数是一个神经元及网络的核心。网络解决问题的能力与功效除了与网络结构有 关，在很大程度上也取决于网络所采用的激活函数。 激活函数有以下基本作用： ( 1 ) 控制输入对输出的激活作用； ( 2 ) 对输入、输出进行函数转换： ( 3 ) 将可能无限域的输入变换成指定的有限范围内的输出。 下面主要说明模型中用到的两种激活函数_ s 型( s i g m o i d 响应特性) 函数、线性激 活函数。 s 型激活函数的输出特性比较软，它能将任意输入值压缩到( 0 ，1 ) 或( 1 ，1 ) 范围内， 这类激活函数常用对数或者双曲正切等一类的s 型曲线表示。对数s 型函数( 如图2 7 a ) 是常用的一种s 型激活函数，它能将任意输入值压缩到( o ，1 ) 范围内，其输入输出函数关 系式见公式2 2 所示。 = 百面瓦1 再两 1 l 1 ， 。 - b 0 x l ( a ) 对数s 型激活函数 ( 2 2 ) 1 l 1 厂i - b 0 x 一1 图2 7s 型激活函数 ( b ) 双曲正切型s 型激活函数 双曲正切s 型函数( 如图2 7 b ) 是另一种常用的s 型激活函数， 缩到( 1 ，1 ) 范围内，其输a 输出函数关系式见公式2 3 所示。 ，l e x p - 2 ( x + 6 ) 】 。 l + e x p - 2 ( x + 6 ) 】 它能将任意输入值压 ( 2 3 ) x 输入值：b 偏差；h 俞出值 线性激活函数( 如图2 8 ) 也是一种常用的函数，它使网络的输出等于加权输入和加上 偏差，其输入糯出函数关系式见公式2 4 所示。 同济大学申请硕士学位论文 高速公路运行车速与道路安全性关系研究 第二章人工神经网络方法 4 = f ( w x + 6 ) = 形x + b f l 少 - b 0； i - ( 2 4 ) 图2 8 线性激活函数 s 型激活函数具有非线性放大增益，该函数的中间高增益区解决了处理小信号的问题， 而两边的低增益区正好适用于处理大信号的输入，这保证了神经网络能够有效地处理非线性 问题。同时，对于一个神经网络的线性或非线性主要由网络神经元中所具有的激活函数的线 性或非线性决定。 道路几何线形、运行车速以及道路安全性( 事故率) 之间的非线性关系要求选择的神 经网络具有非线性特征，因此在模型激活函数的选择时首先要考虑具有非线性放大增益的s 型激活函数，但由于s 型激活函数的输出函数值区间为( o ，1 ) 或( 1 ，1 ) ，因此还必须引入 线性激活函数使其在非线性数据处理的基础上产生线性放大或者缩小，使整个模型的输出函 数值区间变为( - o o , + o o ) 。 2 5 人工神经元网络的学习规则 人工神经元网络的最大特点就是它具有学习的能力，在学习过程中，主要是网络的连 接权( w ) 的值产生相应的变化，整个学习过程可以用图2 9 所示的框图表示。由图2 9 可 以看到网络学习的过程就是权值调整的过程，按照权值调整的原则不同有多种学习规则，如 h e b b 学习规则、感知机学习规则、d e l t a 学习规则等。在这里主要说明一下h e b b 学习规则 以及本论文所用的d e l t a 学习规则。学习的过程就是权值调整的过程，h e b b 学习规则提出 权值调整的原则为，当两个神经元同时处于兴奋状态时，它们之间的传递效率加强，它们之 间的连接应当加强，在人工神经网络中表现为连接权值的增加。这一规则与“条件反射”学 说一致，并得到了神经细胞学说的证实。h e b b 学习规则从根本上说明了人工神经网络的权 值调整机理。 同济人学申请硕士学位论文 1 2 高速公路运行车速与道路安全性关系研究 第二章人工神经网络方法 图2 9 学习过程框图 d e i t a 学习规则最早于1 9 6 0 年由b w i d r o w 和m h o f f 宅e “自适应开关电路”一文中提 出，它只对有监督学习模型并应用连续激活函数有效。它的学习信号为： ，垒p ，一慨7 x 炒7 x ) 兵甲：d 教卿佰亏， 厂r x ) 激活函数厂o 甜) 对刀甜= 形7 x 的导数。 这个学习规则可以从q 与d j 最小方差得出，方差： 碴扣一q ) 2 咝丢k ，一厂r x 评 误差剃度矢量 v e ：一p ，一q 沙7 x ) x 剃度矢量分量 焉砘一彬7 x p ， ( j = 妣a ，n ) 由于最小误差要求权变换是负剃度方向，所以取 形= - c v e c - 学习常数，取正数。 彬= c ( d ，一q 沙n e t ，沙 高速公路运行车速与道路安全性关系研究 第二章人工神经网络方法 其中：n e t j = 形r x = c 缸- o , ) f e l ，皿， ( j = 1 ，2 ，, - - - , n ) 图2 1 0 显示了d e l t a 学习规则的学习过程，它可以进一步推广到多层。 c 幽2 1 0d e l t a 学习过程 2 6 误差逆传播算法( e r r o rb a c kp r o p a g a t i o nt r a i n i n g ) 随着人工神经网络的发展，产生了多种应用模型，例如感知机模型、b p 网络模型、 h o p f i e l d 网络模型、波尔茨曼机模型等。美国学者r u m e n l h a r t 等人于1 9 8 5 年提出了误差逆 传播算法，该算法利用实际输出与期望输出之差对网络的各层连接权由后向前逐层进行校 正，有效地解决了多层网络的连接权的调整问题，使许多问题通过b p 算法得到了很好地解 决，人们把采用这种算法进行误差校正的多层前溃网络称为b p 网络，图2 1 1 所示为它的结 构示意图。 n 个单元p 个单元q 个单元 输入层 ( 隐含层) 输出层 中间层 图2 1 1 多层前馈网络结构示意图 o + 一一o + 一。 在人工神经网络的实际应用中，8 0 9 0 的人工神经网络模型是采用b p 网络或它的 变化形式，它是前向网络的核心部分，体现了人工神经网络最精华所在。b p 网络模型主要 同济大学申请硕士学位论文 1 4 高速公路运行车速与道路安全性关系研究第二章人工神经网络方法 应用于： ( 1 ) 函数逼进：用输入矢量和相应的输出矢量训练一个网络逼进一个函数； ( 2 ) 模式识别：用一个特定的输出矢量将它与输入矢量联系起来： ( 3 ) 分类：把输入矢量以所定义的合适方式进行分类； ( 4 ) 数据压缩：减少输出矢量维数以便于传输或存储。 b p 网络按有教师学习方式进行训练，当一对学习模式提供给网络后，其神经元的激活 值将从输入层经中间层向输出层传播，在输出层产生对应于输入模式的网络响应，然后，按 减少希望输出与实际输出误差的原则。从输出层经中间层到输入层逐层修正各连接权。随着 这种误差逆传播训练的不断进行，网络对输入模式响应的正确率也不断提高。 b p 网络的学习过程主要由四部分组成： ( i ) 输入模式顺传播( 输入模式由输入层经中间层向输出层传播计算) ， ( 2 ) 输出误差逆传播( 输出误差由输出层经中间层向输入层传播) ， ( 3 ) 循环记忆训练( 模式顺传播与误差逆传播的计算过程反复交替循环进行) ， ( 4 ) 学习结果判别( 判定全局误差是否趋向极小值) 。 通过以上分析，可以得到b p 网络的整个学习过程的具体步骤。图2 1 2 为b p 网络学习 过程框图。由学习过程框图可以看出，b p 网络通过权值调整对学习过程中输出层与中间层、 中间层与输入层之间误差的逆向传播，最终达到网络的全局误差的降低。 l j 济大学申请硕士学位论文 1 5 - 高速公路运行车速与道路安全性关系研究第二章人工神经网络方法 图2 1 2b p 网络学习过程框图 由以上对人工神经网络的分析，可以看出b p 网络是一种很好的解决非线性问题的工 具，对于道路安全中非线性数据的处理以及预测等方面都能发挥较好的作用，同时由于该方 法具有很好的自学习能力，为以后模型的进一步完善提供了可能，因此在后面的分析中将重 点应用b p 网络方法对现有数据资料进行研究分析。 同济大学申请硕士学位论文 1 6 高速公路运行车速与道路安全性关系研究 第三章事故统计分析 第三章事故统计分析 道路交通事故、道路环境及其相关数据资料是进行道路安全工程各个方向研究的基础， 也是制定与评价道路安全改善措施的依据。因此能否获取大量数据样本并进行合理的动、静 态分析、筛选，得到适合于进行研究的数据资料是科研成败的关键之一。 首先，要有足够大的数据样本集合。不管是传统的统计分析还是人工神经网络方法， 都要求要有大量的数据资料作为基础。其次，要对杂乱无章的数据样本集合进行分析、筛选。 原始的数据比较凌乱，而且包含有一些无用的信息，这就需要对原始数据作进一步的处理， 筛选出有用的信息，并以一定的规则整理好，方便研究分析。 本章主要进行道路几何线形、事故等基础数据资料的收集、分类及分析。 3 1 道路及事故资料收集 3 1 1 应收集的数据资料 根据研究目的的不同，应收集的数据资料也有差别。但是总体来说主要有以下三个方 面的内容： ( 1 ) 道路交通事故本身的资料，包括事故发生的地点、形态、原因、当时的天气和 路况、时间等： ( 2 ) 路条件与交通工程设施，包括路线、路基路面、桥涵隧道等结构物、排水设施 等。 ( 3 ) 交通资料，包括交通量及其组成情况。 k 。w o g d e n 对这三个方面的数据资料内容给出了一些典型的建议值如下表：表3 1 ，典 型的事故资料内容；表3 2 ，典型的道路资料内容：表3 3 ，典型的交通资料内容。 表3 1 典型的事故资料内容 项目内容 桩号、交叉口、日期、星期、时间、事故类型、车辆数、事故严重 一般性描述 程度、伤亡人数、撞固定物情况 报告官员( 警员) 、事故文件编号、车主详细情况、证人、警察到 管理 现场时间等 驾驶证、车主、类型、制造商、出厂日期、装载情况、防滑、稳定 车辆 性、损坏 姓名、地址、性别、是否饮酒、受伤情况、在车内位置、是否使用 人员 安全带、行人位置和行走方向 环境自然光线、道路照明、天气、道路表面情况 事故草图及描述 现场详细情况、车辆与行人移动情况、车速、碰撞次序 同济大学申请硕上学位论文 1 7 高速公路运行车速与道路安全性关系研究 第三章事故统计分析 表3 2 典型的道路资料内容 项目内容 道路类型与等级、车道分割情况、车道数、限速、道路两侧土地使 道路描述 用情况等 平曲线、纵坡、凸凹竖曲线、车道与路肩宽度、中央分隔带宽度、 道路几何线形 视距情况等 道路表面 路面类型、宏观纹理、微观纹理 交通控制设施标志、轮廓线、渠化、照明 交叉口交通控制 无控制、让行标志、停车让行、信号控制 标志牌、灯柱、防护栏、街道设施、固定物体、桥梁、涵洞、铁路 路侧物体 交叉设施等 交叉口交叉口类型、特征、相交道路、视距情况 道路作业 有无道路作业、作业是否正在进行、采用交通控制方式 表3 3 典型的交通资料内容 项目 内容 交通量日、小时、季节等交通量 交通组成小车、货车、公共汽车、摩托车、白行车等 行人人流量、年龄结构 车速 平均车速、8 5 车速 停车有无停车、停车方式 由于本论文主要进行高速公路车速预测以及研究运行车速与道路安全性的关系，因此 与车速预测有关的道路、交通数据资料，以及与道