（控制理论与控制工程专业论文）基于单线圈的快速路拥堵自动检测及车辆诱导.pdf

j e 夏銮塑厶堂亟堂鱼迨塞虫塞翅噩 中文摘要 摘要：交通拥堵目前已成为各大中城市普遍面临的问题，严重干扰了人们的出行。 而现在拥堵的检测还主要是利用人工实时的观察路况来判断，如何能够通过车辆 检测器获取的交通参数实时的、自动的、准确的检测出道路拥堵状况，并做出相 应的车辆诱导，基本上脱离人工干预，这是本文主要的研究目的。 本文首先分析了目前交通拥堵的现状；列举了交通数据采集的各种方法，并 指出优缺点，给出为什么采用单线圈检测数据作为研究对象；然后列举了造成拥 堵的主要因素，并探讨了拥堵的评价指标以及基于流量，密度和速度的综合判定 方法；由于利用单线圈检测器只能获得流量和占有率，而速度参数不能直接获取， 因此本文在这里着重讨论了基于单线圈的速度估计方法，首先总结和回顾了国内 外学者在这方面所做的研究工作，然后详细论述了本文采用的基于动态自适应车 辆长度的速度估计方法；检测到拥堵以后，自然要把信息发布出去以给司机一个 诱导，本文提出了一种基于车牌照识别技术的单车诱导方案，先简要介绍了车牌 照识别技术，然后给出面向个体的单车诱导的基本思路以及采用的具体通讯发布 方式，并总结出整个系统的框架结构，包括每个模块的具体功能和实现方案；最 后，利用采集到真实数据进行仿真分析，验证了本文拥堵检测方法的有效性以及 采用诱导方案之后获得效果。 关键词：交通拥堵；交通数据采集；拥堵评价；速度估计；车牌照识别；车辆诱 导 分类号：u 4 9 1 1 1 6 ；t p 2 7 4 2 ： 韭峦銮道态堂亟堂僮逭塞垦5 至垦至 a b s t r a c t a b s t r a c t ：t r a f f i cc o n g e s t i o nh a sb e e nam o s tc o m m o np r o b l e ma m o n gb i ga n d m i d d l ec i t i e sa n dh a sb a d l yd i s t u r b e dp e o p l e sd a i l yl i f e i t sa l m o s tb a s e do nr e a l t i m e a r t i f i c i a lo b s e r v a t i o nt oj u d g ew h e t h e rt h er o a di sc o n g e s t e dn o w i nt h i sd i s s e r t a t i o n ， o u rm a i np u r p o s ei st oe s t a b l i s ha na u t o m a t i cs y s t e mw h i c hc a na u t o m a t i c a l l ya n d a c c u r a t e l yd e t e c tt h er o a d sc o n g e s t i o nu s i n gt h et r a f f i cd a t ac o l l e c t e df r o ms i n g l e - l o o p d e t e c t o r s f i r s t l ya n a l y z e dt h es i t u a t i o no f t r a f f i cc o n g e s t i o na tp r e s e n t ；l i s tv a r i o u sk i n d s o f m e t h o d st od e t e c tt r a f f i cd a t aa n dt h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s ，t h e ne x p l a i n e d t h em a s o nw h ys i n g l e - l o o pd a t aw a ss e l e c t e da so n rr e s e a r c ho b j e c t t h em a i nf a c t o r s c a u s i n gc o n g e s t i o nw a s l i s t e dh e r ea n dt h e nd i s c u s s e dt h ei n d e xt oe v a l u a t ec o n g e s t i o n t h i sd i s s e r t a t i o nu s e dt h et r a f f i cq u a n t i t y 、d e n s i t ya n ds p e e dt oe v a l u a t ec o n g e s t i o n ； s i n c es i n g l e l o o pd e t e c t o r sc a no n l yg e tt h eq u a n t i t ya n do c c u p a n c ya n dc a n to b t a i n s p e e dd i r e c t l y , s ow ed i s c u s s e dt h i sp r o b l e ma b o u tu s i n gq u a n t i t ya n do c c u p a n c yt o c a l c u l a t es p e e d i nt h i sp a r t ，d o m e s t i ca n df o r e i g ns c h o l a r s r e s e a r c h e so nt h i sp r o b l e m w e r er e v i e w e da n dt h e np a r t i c u l a r l yd i s c u s s e dt h es p e e de s t i m a t i o nm e t h o db a s e do n d y n a m i ca n da d a p t i v em e a nv e h i c l el e n g t h ；a f t e rt h ec o n g e s t i o nw a sd e t e c t e d , i t s n e c e s s a r yt oi n f o r md r i v e r sa n dg i v et h e mag u i d a n c e s oan e wp l a nw a sp r e s e n t e d c a l l e ds i n g l ev e h i c l eg u i d a n c eb a s e do nv e h i c l el i c e n s ep l a t er e c o g n i t i o nt e c h n o l o g y t h i st e c h n o l o g yw a si n t r o d u c e d , a sw e l la st h em a i ns c h e m eo ft h es i n g l ev e h i c l e g u i d a n c ea n dt h ec o m m u n i c a t i o nf o r mt op r o m u l g a t et h ei n f o r m a t i o n t h e nd e v e l o p e d t h ew h o l es t r u c t u r eo ft h es y s t e mi n c l u d i n ge v e r ym o d u l e s m a i nf u n c t i o na n dh o wd o t h e yw o r k ；f i n a l l y , a ne x a m p l ea b o u tt r a f f i cc o n g e s t i o nd e t e c t i o na n dg u i d a n c eu s i n g m a t l a b 6 5w i t ht h er e a ld a t ac e l l e c t e dw a sg i v e nt od e m o n s t r a t et h ev a l i d i t ya n d f e a s i b i l i t yo f t h ei n t e g r a t e dm e t h o dp r o p o s e d k e y w o r d s ：t r a f f i cc o n g e s t i o n ；t r a f f i cd a t ac o l l e c t i o n ；c o n g e s t i o ne v a l u a t i o n ； s p e e de s t i m a t i o n ；v e h i c l el i c e n s ep l a t er e c o g n i t i o n ；v e h i c l eg u i d a n c e ； c l a s s n 0 ：u 4 9 1 ，1 1 6 ：r i p 2 7 4 2 ： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：诱凄样 签字日期：硒7 年卢月访i e i 导师签名： 厶乃恍 签字日期：口7 年，z ，月万日 j e 立銮道盔堂亟堂僮鎏塞蕉剑焦直盟 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特男加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表葳 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他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己在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：鹄连塔 签字日期：以，口7 年 月可日 致谢 衷心感谢我的导师侯忠生教授，他严谨的治学精神、深厚渊博的知识和淡薄 求远的风范一直深深影响着我。侯教授不仅为我打歼了一扇新的科学之门，更是 在我的学习和生活中不断地给予我关怀、指导和帮助。在论文的撰写过程中，侯 老师提出了论文选题，并悉心地指出论文中存在的问题，使我的论文不断改进和 完善。在此，谨向侯老师致以最诚挚的感谢! 在撰写论文期间，晏静文师姐给我提供了很多宝贵的意见和建议，无论问题 的大小，她都会给我耐心的讲解，对于晏师姐的热情帮助，我要向她表达我衷心 的谢意! 另外齐驰、石征华师兄以及张丽珍、云长江、李婷等同学都给予过我热 心的帮助，在此也一并向他们表达我的感激之情。 感谢先进控制系统实验室所有老师和同学，感谢你们这两年多以来在生活、 学习和工作的方方面面给我的帮助和支持。其中尤其感谢李星毅、王轶和齐驰师 冗，不仅教会了我很多宝贵的知识和技术，更多的是做人的道理，让我受益匪浅。 另外还要感谢我的父母，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学 _ k 。 扯夏奎迪丕堂亟 堂焦逾 塞i !壹 1 1 研究背景 1 1 1 交通拥堵的现状 第1 章引言 随着中国经济的迅猛发展，城市化进程的加快，机动车特别是私人汽车的数 量与日俱增，城市交通量也随之迅猛增加，然而城市道路交通基础设施，尤其是 现在的环城快速路的建设远远跟不上步伐，交通管理水平还很落后，行人遵守交 通规则的意识不强，导致交通拥挤在所难免；交通拥堵涉及的因素有很多方面， 包括居民的生活方式、经济状况、交通技术、交通政策等。交通拥堵使交通延误 增大，行车速度降低，同时也带来了时间损失和燃料费用的增加；低速度行驶也 会增加汽车尾气的排放，导致环境的进一步恶化。交通拥堵已经成为阻碍城市快 速健康发展的一个主要问题。目前，北京市城市千道平均车速比十年前降低5 0 以 上，市区1 8 3 个主要交叉口中，严重阻塞的达n 6 0 ；上海市中心区高峰期的道路 平均车速不到2 0 虹汕。各大城市交通拥堵日趋严重，并且开始由城市中心区向郊 区蔓延；中小城市也普遍出现了交通拥挤现象。每年因交通拥堵造成的经济损失 有几百亿元。交通拥堵还导致了城市环境的日益恶化，尾气和噪声这两个交通污 染源已成为大中城市主要的污染源，许多大中城市的大气污染正经历者由煤烟型 向机动车尾气型的转化。北京市机动车排放的氮氧化合物、一氧化碳的比例己经 高达4 6 和6 3 ，上海市机动车一氧化碳的排放比例在1 9 9 6 年就高达6 1 。交通拥 堵所造成的经济、安全和环境等方面的重大损失已引起社会的广泛关注。城市交 通拥堵不仅是我国发展中遇蓟的问题，也是世界各国需要共同面对的难题。美国 德州运输研究所对美国3 9 个主要城市进行研究后，估计美国每年因交通堵塞而造 成的经济损失约为4 1 0 亿美元，1 2 个最大城市每年的损失均超过1 0 亿美元；日本估 计东京每年因交通拥堵造成的交通参与者的时间损失相当于1 2 3 0 0 亿日元；欧洲每 年因交通拥堵和环境污染造成的经济损失分别y 9 5 0 0 亿欧元和5 0 - - 5 0 0 亿欧元f l l a 我国国民经济飞速发展，人民的生活水平也在不断提高，人们追求出行舒适 性，快捷性的要求也在逐步提高，这就导致私人小汽车数量的进一步增加。而我 国城市化进程中城市人口的快速增长，城市道路交通量不可避免的相应增加，这 将导致交通拥堵的进一步恶化。交通拥堵已经成为制约城市交通社会和经济发展 的瓶颈。为解决现实的交通拥堵问题，相关的专家、学者已经提出了许多对策与 j g夏銮适鑫堂亟堂垣迨塞i i宣 建议；2 0 0 1 年，国家建设部和公安部联合开始实施“畅通工程”以促进城市交通 建设和管理水平的提高，缓解城市交通拥堵问题。 1 1 2 交通数据采集与应用 交通信息不仅是城市交通规划和交通管理的重要基础信息，它也是智能运输 系统功能实现的一个重要方面，未来智能运输系统中先进的交通管理系统( a t n s ) 和先进的交通信息系统( a t i s ) 等都离不开交通信息，动态交通诱导( o t 6 ) 是智 能运输系统的核心之一，这一功能的实现也是以城市交通系统中实时的交通信息 为基本前提的f 2 】。 交通信息分为静态与动态两种。静态交通信息包括道路网信息、交通管理设 施信息等交通基础设施信息，也包括机动车保有量、道路交通量等统计信息以及 交通参与者出行规律在时间和空间上相对稳定的信息。动态交通信息是指实时道 路交通流信息、交通控制状态信息以及实时交通环境信息等在时间和空间上相对 变化着的信息，其中比较重要的指标有交通流量、行程时间、速度、占有率等。 动态交通信息的采集主要依靠车辆检测器，它们通过数据采集和设备监控等方式， 在道路上实时的采集交通量、车辆速度、车流密度和时空占有率等交通参数，然 后向监控系统中的信息处理和信息发布单元提供各种交通参数，作为监控中心分 析、判断、发出信息和提出控制方案的主要依据。 目前常用的车辆检测器根据其工作原理可分为三类，下面对不同类型车辆检 测器的原理做一下介绍，并且对他们的优缺点进行说明 3 】： 1 波频检测器。波频检测器利用红外线、超声波或雷达波主动探测车速或车 的外形特征。波频车辆检测器主要包括四种检测方式，在这里只介绍其中的三种： ( 1 ) 雷达( 微波) 检测器。雷达检测器靠多普勒效应( d o p p l e re f f e c t ) 原理工 作，雷达检测器以低功率微波信号在道路上覆盖的椭圆形区域内发射连续的调制 微波，微波在经过车辆的表面会反射，形成回波，微波检测器接收到回波之后， 通过对回波的分析，滤除背景及干扰因素，得到车流量、车型、占有率、车速等 交通流相关的信息。雷达检测器的优缺点； 优点： 全天候工作，适应各种恶劣天气而正常工作。 多车道检测，一台微波传感器可同时检钡4 8 个车道的车辆。 缺点： 不能检测静态车辆。雷达检测器在检测车速缓慢或静止的车辆时多普勒系 统会失效。 2 j e塞銮亟盔堂亟堂僮监塞i f直 定位的不准确性。现有的雷达车辆检测器的检测域随着车辆的大小、车 辆的形状及材料而变化，从而导致对交通信号的感应不一致。 ( 2 ) 红外线检测器。红外线检测器是悬挂式或路侧式车辆检测器，它有被动 式和主动式两种类型。被动式红外检测的工作原理：当车辆通过被动式车辆检测 器的检测域时，即可检测到热物体，如汽车马达发出的热辐射红外线，接收到的 红外线增量驱动检测器向控制系统输出信号。主动式红外检测的原理：检测器自 带指向测量车道的红外线光源，驶近的车辆将红外光反射回车辆检测器处，类似 于某些照相用的红外摄像系统。 红外线检测器的优缺点： 优点： 便于安装和维护。 具有快速准确、轮廓清晰的检测能力。 适用于多种场合。包括车辆计数、速度测量、队长检测等，并能应用于智 能事件检测、智能控制和潮汐车流系统。 功率消耗低，交流5 0 0 m w 。 缺点： 穿透浓雾大雪的能力差，无法在这种气候下检测。 ( 3 ) 超声波检测器。超声波车辆检测器通过发射高频波并对驶近的车辆以变 化的频率折回的方法检测车辆，这样的检测器可以使用数字测距技术，类似于自 动聚焦照相机所用的声波测距，以一个距离门限值确定所有被检测车辆的位置。 超声波检测器可以直接安装在要检测车道的上方或者路侧，用于动态或静态的车 辆检测。超声波检测器的优缺点： 一 优点： 价格便宜，安装方便，维修容易，主要表现为不破坏路面，不封闭车道， 不受路面施工和变形影响。 使用寿命长，可以移动，更换检测地点。 缺点： 检测精度低。检测域为锥形，无法适应车型和车辆高度的变化，存在车辆 相互遮挡问题。特别是小车紧贴着大车行驶时，往往出现漏检。严重拥挤时，误 报率也很大。 抗干扰能力弱，六级以上大风使检测的声束产生漂移，无法正常检测。 2 视频检测器。视频检测器利用车辆的光学特性测量交通参数。视频车辆检 测系统是以摄像机和计算机图形处理为基础的，大范围对车辆实行检测和辨识。 它的原理是：在视频范围内划定虚拟线圈，车辆进入检测区域使背景灰度发生交 韭夏銮道盔堂硒 堂 焦迨塞i 壹 化，从而感知车辆的存在，并以此检测车辆的流量和速度。视频车辆检测器系统 较简单的形式仍是纪录车辆的图像，它可以与雷达检测器或其它形式的检测器相 连以检测违反限速值的车辆，当发现车辆超速时，摄像机获取该车的图像，经过 计算机处理后得到该车的牌照号码，然后在前面的可变标志板上显示该车的牌照 号码和速度值，并给出该车超速的警告信号。视频车辆检测器的优缺点： 优点： 多点布设，无线检测，检测范围广。 直观可靠，装卸方便，不破坏路面，不影响交通。 缺点： 安装视角不易调解。安装高度影响视角，如果安装高度不够，则会使视角 变小，车辆之间的视觉阻碍将会影响测量；如果安装高度过高，则会使安装难度 增大，支架的摆动幅度变大，在有风的天气或者桥梁摆动的情况下使得测量精度 受到很大的影响。 受能见度和采光度影响。在恶劣的天气和夜间时要求为路面提供足够的亮 度。 3 磁频检测器。磁频检测器( 如环形线圈检测器) 可以被动地测量到车辆的磁 场或磁性介质的空间分布。分如下几种： ( 1 ) 地磁检测器。地磁检测器和磁性检测器在功能上有很大的不同，尽管它们 都是检测车辆通过时引起的地磁场的变化。其主要的工作原理：当机动车通过埋 在地下的地磁杆时，地磁杆发出无线微波编码信号，路边的接收机接到信号后， 立即给出一个信号，完成车辆的检测。地磁检测器检测车辆存在或通过时引起磁 场强度的变化，因此地磁检测器可用于存在或通过的车辆检测。它是小范围、高 灵敏度的检测器，可以和其它的地磁检测器成组的大范围地用于静态车辆的检测， 也可以单独使用检测自行车。 优点： 检测精度高，性能稳定，使用寿命较长。 安装简单，施工方便，不破坏道路，维护简单。 不受气候影晌，故障率低。 缺点； 检测参数少，且某些参数不易被检测。因地磁检测器无法检测出车辆周围 磁场的突变，因此不易检测占有率和车速。 ( 2 ) 磁成像检测器。磁成像检测器是利用车辆磁成像技术设计出来的，它通 过测量由车辆的出现引起的磁场的变化来检测车辆的。并且不同构造的车辆有不 同的磁纹，检测这些磁纹就可以检测车辆的存在，通过分析地磁场的变化，就可 4 韭塞銮 道太堂硒堂焦 迨塞到 以得知车辆的速度和车型。该类检测器不仅可以把卡车和小车分离开来，而且可 以测出车辆的型号及构造。磁成像裣测器的优缺点： 优点： 安装方便。 功能强大，专用软件支持现场处理数据，数据也可以先存储到传感器内事 后处理。 缺点： 要实现车型目标识别，需要有庞大的车型图像数据库，还需要大容量、高 运算能力的计算机支持。 ( 3 ) 环形线圈车辆检测器。环形线圈检测器是传统的交通流检测器，是目前世界 上应用最广泛的检测设备。它是一种基于电磁感应原理的车辆检测器，它的传感 器是一个埋在路面下，通有一定工作电流的环形线圈( 一般为2 mx 2 m ) 。当车辆通 过环形地埋线圈或停在环形地埋线圈上时，车辆自身铁质切割磁通线，引起线圈 回路电感量的变化，检测器通过检测该电感变化量就可以检测出车辆的存在检 测这个电感变化量一般来说有两种方式：一种是利用相位锁存器和鉴相器，对相 位的变化进行检测，即采用两个振荡器结构，主振荡器作为基准振荡器，通过锁 相环技术提供稳定的基准电压，而从振荡器反应车辆通过时的信息；另一种方式 则是利用由环形地埋线圈构成回路的耦合电路对其振荡频率进行检测，原理如图l 所示。 i 1 一输 一电流源i ，r l 叶l 调jl 搁位比较器卜 放 谐 大 电 ，f 器 i 压 环形蛙盟 孝h 僚锁定器i 。 图l 环形线圈监测器原理 f i g 1 p r i n c i p l eo f l o o pd e t e c t o r s 环形线圈检测器的主要优点是线圈电子放大器己标准化，并且技术成熟，易 于掌握以及测量的精度比较高。环形线圈车辆检测器的最大缺点是线圈长时间地 埋在路面下，其使用寿命受路面影响比较大，在过去，埋在路面下的环形线圈的 i e塞塞 适厶堂亟圭堂鱼 j 金 塞i考 损坏率是很高的，一般寿命在1 5 年，但是最近美国的一家公司研制出一种免维环 形线圈系统，这种检测器借助于聚丙烯护套核对线圈内部实行橡胶一沥青充压处 理，克服了以往环形线圈所存在的安装要求高、线圈易损坏等大多数问题，使线 圈寿命保持在1 0 年，这是感应线圈检测器在质上的一个飞跃。因此环形线圈检测 器仍以高准确率、低成本和高可靠性而被大量使用。 环形线圈检测器分单线圈和双线圈两种；这两种检测器都能感应到车辆的进 圈和出圈的情况，感知车辆的存在和通过，二者的区别是，单线圈只能提供车流 量和时间占有率信息，而双线圈还能测速，它内部有计时器，记录每辆车通过一 定距离的两个线圈所需要的时问，用距离除以时间从而得到车辆通过线圈的速度v = l ( 1 2 一t 1 ) ；如图 画00 图2 双线圈车速检测示意图 f i g ，2 s k e t c hm 印o f s p e e dd e t e c t i o nu s i n gd o u b l e - l o o pd e t e c t o r s 双线圈还能通过其他方式得到车辆的车身长度，车型等信息；然而实际工程中， 在地面埋设感应线圈施工量大，维护不方便，而且对于双线圈检测设备，如果其 中一个线圈无法工作，则整个测速系统都将受到影响。 从全世界范围来看( 国内也是如此) ，绝大部分交通路网铺设的还是单线圈 检测器来进行交通信息采集。根据美国华盛顿运输部( w s d o t ) 提供的经验数据， 将单线圈升级到双线圈的费用非常巨大，因此充分挖掘路网上广泛铺设的单线圈 的功能，对可直接测得的流量和占有率的数据进行研究，开展交通数据估计模型 和方法研究，不但具有实际的研究意义，而且具有相当重要的经济意义。 另外，现在还出现了一种趋势，就是把线圈检测器和车牌照识别技术结合起 来；当车辆经过线圈时，线圈会触发相应位置的摄像头对车牌近景和车辆远景进 行拍摄，然后利用模糊识别技术对得到的图片进行处理，抽取出车牌号码和车牌 颜色等信息，这种技术现在也越来越成熟，逐渐的应用到各大中城市路网中，实 现车牌号码自动登记、监测报警、超速违章罚款、车辆出入管理、高速公路收费、 计算旅行时间等功能；本文提出的车辆诱导方案也是基于这种技术。 6 韭 塞窑 逗 叁堂亟堂壁j 坌塞i i直 1 1 3 建立拥堵实时检测及诱导系统的意义 正如上文提到的，目前的交通拥堵无处不在，严重影响了人们的出行，能够 及时地检测到拥堵情况的发生并给予司机一定的诱导就变得十分必要；目前现实 生活中对于拥堵的检测基本上都是由交通监控中心通过视频观测的方式，通过人 实时盯着大屏观看路况，看到发生拥堵了之后，通过广播电台的方式把各条路的 路况广播出去，司机再根据这些信息采取相应的动作。而本文旨在建立一套完全 自动化的系统，能够自动的检测拥堵的存在并实施的自动通知给那些最需要的人， 不仅服务了用户，而且能起到缓解路况的作用，整个过程基本不需要人工干预， 完全通过程序在后台自动运行：而且在目前现有的已经安装的单线圈的地方能够 很容易的实现，因此具有非常现实的重要意义；虽然本文只是粗浅的讨论，主要 还是给其他相关研究人员提出了一个新的思路。 1 2 研究内容 本文主要研究了以下几个方面的内容： 1 拥堵状态的决定因素和评价标准 、拥堵的基本概念、分类及形成原因，有哪些因素决定；拥堵的各种评价指标， 最后给出基于流量，占有率和速度的综合评价。 2 基于单线圈的速度估计 回顾国内外基于单线圈数据进行速度估计的各种方法及优缺点；详细论述本 文使用的基于动态自适应平均车辆长度的速度估计方法及相应改进方法一一 d l p a 算法。 3 基于车牌照识别的车辆诱导 这部分是本文的创新点，也是研究的工作重点。先给出车辆诱导的概念和目 前的诱导方法概述；然后简要介绍了车牌识别技术，最后提出了一种基于车牌照 识别的新的诱导方案单车诱导；给出了单车诱导的大体思路，并对整个诱导 系统的具体流程、框架结构和各个模块的具体实现方案进行一一阐述。 4 仿真分析 基于深圳某条路的真实数据，利用本文的方法进行处理，并使用m a t l a b 6 5 对 数据进行统计，并对计算结果进行仿真，验证方法的有效性；然后对诱导的结果 进行仿真，并利用仿真实验的方法找出究竟采用多大的诱导比例才能达到最好的 诱导效果，使得道路由拥堵变为顺畅，给出各个指标诱导前后的对比结果，论证 韭壅 銮堑盘堂亟堂僮 迨塞i i直 诱导的有效性。 上述的第1 部分和第2 部分基本上都是前人的一些研究成果，这些成果大部 分都是理论研究，很少有用到实际的系统中：本文把这些方法拿过来，并作一些 改动，以方便用到我们的系统中，目的是能够增强实际应用的可行性。 第3 部分和第4 部分是自己完成的工作，有自己的新思路，同时也有上述方 法的具体实现方案和仿真结果。 8 a e 丞銮亟太堂亟堂僮迨塞翅缝笪彪堕固塞厘迁盆拯蕉 第2 章拥堵的影晌因素及评价标准 2 1拥堵的基本概念和影响因素 2 1 1 拥堵的定义和分类 1 交通拥堵的定义 交通拥堵的具体定义各国尚无统一标准，日本建设省1 9 9 4 年在制定新交通拥 堵对策计划时，确定般道路拥堵长l k m 以上或拥堵时间l o m i n 以上定义为交通 拥堵，高速公路上以车速4 0 k m h 以下低速行走或反复停车、起车的车列连续l k m 以上，并持续1 5 m i n 以上定义为交通拥堵；美国道路通行能力手册在对城市干线 街道的服务水平的等级划分中，将车速为2 2 k m 以下的不稳定车流称为拥堵车流： 我国公安部则对拥堵路口和拥堵路段分别给出了定义：车辆在无信号灯控制的交 叉路口外车行道上受阻且排队长度超过2 5 0 m ，或车辆在信号灯控制的交叉路口， 3 次绿灯显示未通过路口的状态定义为拥堵路口；拥堵路段则定义为车辆在车行道 上受阻且排队长度超过l k m 的状态【4 】。 交通拥堵是指交通需求( 一定时间内想要通过某条道路的车辆数) 超过某条道 路的交通容量( 一定时间内该道路所能通过的最大车辆数) 时，超过部分交通滞留在 道路上的交通现象。大多数拥堵定义中的一个主题就是拥堵产生的影响，即反映 了超出出行者可接受的出行时间或延误的增长。出行时间及其相关指标在拥堵定 义和评价中被广泛应用。但是，出行者可接受的出行时间、速度和延误反映的拥 堵是随着城市大小、在市区的位置和时间段而变化的。根据城市规模、拥堵地点、 拥堵时段和拥堵人群的不同，对拥堵的接受程度也不同。实际上拥堵总是存在的， 只是有的拥堵可以接受，而有的拥堵则不可接受，人们所要解决的拥堵问题主要 是针对不可接受拥堵，因此可以将拥堵定义为：可接受拥堵和不可接受拥堵。 可接受拥堵( a c e e p t a b l ec o n g e s t i o n ) ：当出行时间或延误超过自由流状态下正 常发生的时间或延误时形成的拥堵； 不可接受拥堵( u n a c c e p t a b l ec o n g e s t i o n ) ：当出行时间或延误超过了共同接受标 准( a g r e e du p o nn o r m ) 时，则为不可按受拥堵。这个统一标准随着交通设簏类型、 出行方式、地理位置和出行时段的不同丽不同【5 】。 2 交通拥堵的分类 根据产生交通拥堵的原因不同，交通拥堵可分为：常发性交通拥堵( r e c u r r e n t c o n g e s t i o n ) 和偶发性交通拥堵( n o n - r e c u r r e n tc o n g e s t i o n ) 。 9 j e 基窑堡太堂亟堂焦论塞翅缝的鬃塑固蠢丞迁谊拯蕉 由于交通流量突然增大超出道路设旅正常的容量所引起的交通拥堵称为常发 性交通拥堵。常发性拥堵是稳定有规律的和可以预测的，最容易发生在高峰时间， 属于周期性拥堵。它多是由于道路设计交通容量不足或交通需求增长过快造成的， 具有较显著的客观性特征。 由于一些特殊事件引起的道路容量的减少或是吸引过多的流量而引起的拥堵 为偶发性拥堵。最常见的道路上的突发事件有：大型活动、交通事故、道路维修、 恶劣天气等，偶发性拥堵是没有规律和不可预测的，且持续时间较长。 根据交通拥堵形成的先后次序，交通拥堵可分为原始拥堵和后续拥堵。在一 个瓶颈处首先形成的拥堵，成为原始拥堵；由原始拥堵的回流和蔓延而形成的拥 堵，成为后续拥堵i ”。 2 1 2 拥堵的影响因素 造成交通拥堵的因素很多，具体如表1 所示。 表1 交通拥堵因素分析 t a b l e1 f a c t o r so f t r a f f i cc o n g e s t i o n 土地使用有限 城市化进程加快 城市布局形态不合理 机动车增长迅猛 交 公交发展缓慢 通 交通方式构成失衡缺乏相应的轨道交通 拥 自行车比例过高 堵 道路客运市场较为混乱 影 道路结构失衡 城市道路基础设施发展滞后 响 停车场站设胳不足 交通管理水平较低 因 交通管理与规划落后交通设施规划布局缺乏科学性和预见性 素 交通业务政出多门 交通违章现象普遍 交通法规教育落后 现代交通意识缺乏 概括来说就是硬件设施的建设和管理规划及相关教育体系都跟不上交通需求 的增长；城市道路交通拥堵指标的建立要充分考虑这些影响因素，通过指标的量 化来反映这些问题，以便为管理者采取管理措施提供依据，保证城市交通安全、 畅通、快速、低污染的运行f 5 】。 l o j e 壅銮道盔堂亟堂僮迨塞援堕笪髭堕固塞基迸盆拯蕉 2 2 拥堵的评价与判定 2 2 1 拥堵的各种评价指标 道路交通参数数据是进行交通拥挤状态自动判别的基础，为了能使交通拥挤 自动判别具有良好的效果，所选择的参数应具有直观和可靠的特点，要使采用这 些参数的算法有较强的有效性和可移植性。车辆行驶速度，车流量和密度是目前 评价交通状态最常用的三个交通参数。 考虑到在交通拥挤发生时，速度的变化是最明显的；在道路处于畅通状态时， 驾驶员有较大的自由度来选择行车速度，车辆行驶速度通常很大。当道路出现轻 微拥挤时，由于车辆闯的相互影响，车辆被限制在某一个速度范围内行驶。一旦 道路上发生严重的交通拥挤，则拥挤路段上的车辆被迫以低于某一速度行驶或者 甚至要频繁的停止、启动车辆。因此，根据道路上车辆的行驶速度来判别拥挤的 程度是理所当然的， 对于快速路拥挤度评价指标，由于道路断面交通流量对交通拥挤影响很大； 行车自由度以及车辆间相互靠近的程度也是描述快速路交通拥挤重要参数，这些 参数与快速路交通流的密度直接相关，所以本文选择行驶车速、车辆密度、实际 交通量与最大服务交通量之比( 即v c 比) 3 个交通指标对侠速路拥挤度进行综合评 价。 2 2 2 综合判定方法 快速路拥挤程度的判别是与车速、车辆密度、实际交通量与最大服务交通量 之比3 个交通指标密切相关的，利用快速路上分布的检测器很容易检测到这些交 通参数。为了给出一个客观、简单、可行的概念来对拥挤状态迸行表述，将定义0 n l 之间的拥挤度系数m 来表示拥挤度，并将其均分为6 个服务等级，即把1 分成6 份，对应m 的取值分别为1 7 、0 1 7 o 3 3 、0 3 3 加5 0 、o 5 0 - - 0 6 7 、0 6 7 o 8 3 、 0 8 3 l 六段。拥挤度系数直接反跌了道路的交通流状况，各级拥挤度及其相应的 拥挤度系数范围，参见表2 。 为了判断道路的拥挤度，需考察行驶速度等三个交通指标与拥挤度系数之间 的关系。参考各大中城市快速路的各种交通状况，通过检测器从路网上采集到的 数据哆由专家经验法，得到各因子在一系列不同取值下的拥挤度系数，运用最小 二乘法建立统计模型，得到拥挤度系数与各交通指标的函数关系如下1 6 1 ： j e 宝壅煎友堂亟堂焦迨塞翅撞曲爱响固塞霆迁贫拯蕉 若v 为车辆运行速度，有关的拥挤度系数膨。为 m ：严优3 6 1 。o 沤3 砌雎 ( 2 1 ) 1 2 7 3 8 4 e x p ( - o 0 4 1 s v ) 一0 0 9 9v 3 7 k m h 、 若p 为行车密度，有关p 的拥挤度系数m 。为 略=0,15exp(-o0322功吨”筘 ，“砌 、 若r 为路段通过交通量与最大服务交通量之比，交通量之比的拥挤度系数m ， 为 mr=10,34033+-裟37茹瓤36(2-303 0 3 8 64 0 4 8 4 5 80 4 8 3 r ) 1 + 一其他 建立各自模型之后，利用最小二乘法对式( 2 1 ) 2 3 ) 进行检验，结果误差很小， 模型置信度很高。 假如某条城市快速路的设计速度是8 0 k m h ，最大通行量转化为小客车当量为 每小时每车道2 0 0 0 辆，我们可以得到其拥挤度以及3 个交通指标的评价如表2 所 列。 表2 各静服务等级下的拥挤度及其评价指标 t a b l e2 c o n g e s t i o nd e g r e ea n de v a l u a t i o ni n d e xo f e a c hr a n k 设计速度8 0 k n d h 服务等级拥挤度系数m 速度v ( k m h ) 密度p， 畅通 o 彤s o ，】7v 5 5 口2 4 ，0 ，8 5 正常 0 1 75 彳o _ 3 34 4 v 5 5 2 4 d 3 6 0 8 5 r 1 拥挤 0 3 3 f 曼0 5 03 7 v 4 4 3 6 d 4 5 5 0 8 8 r 1 轻微堵塞o 5 0 曼m 曼0 6 72 5 v 3 7 4 5 5 口s 6 1 0 7 4 - 0 s 8 堵塞 o 6 7 茎m 0 8 31 2 v 2 5 6 1 p 7 5 0 4 5 r 0 7 4 严重堵塞o 8 3 矗，l p 7 5 ，0 4 5 1 2 j e 塞銮通太堂亟堂丝途塞基r 王望缮圈鳆蕉廑毡盐 第3 章基于单线圈的速度估计 根据上文的方法，要检测拥堵，首先要解决的问题是获取3 个交通指标，即 实际交通流量、密度和车速数据，而流量可以通过单线圈直接得到；密度也可以 通过单线圈获取的占有率计算得到，最大的问题是如何获取车速信息，因为车速 是单线圈无法直接测得的参数，下面就先讨论如何利用单线圈获取的数据来估计 速度。 3 1单线圈速度估计方法回顾 单线圈模式下，我们每隔一段时间间隔进行一次采样，统计通过线圈的车辆 数，那么这段间隔的平均时间占有率应该是这些车辆通过线圈的时间之和除以车 辆总数求平均，而单个车辆通过线圈的时间应该等于它的车长除以通过线圈的速 度，所以可以得到如下的关系式： m ， o = 二y 2( 3 - 1 ) j j 】? 葛s i 其中i 表示采样时间间隔的索引； ，表示采样间隔内车辆索引； ，表示采样间隔的周期； d 表示第i 个采样间隔时间内的平均占有率； m 表示在采样间隔内通过单线囤的车辆数； z i 表示穿越线圈的第j 辆车的有效车长即为单线圈长度和车辆长度之和： j ，表示穿越线圈的第j 辆车的速度。 由于单线圈能直接提供占有率数据，只要知道车辆长度，就可以通过式( 3 1 ) 来求速度，然而由于车长的随机性和不可预测性，该公式并不能直接利用到实际 的单线圈速度估计系统当中，仅仅具有理论上的意义。 近年来，越来越多的学者展开了对单线圈模式下如何进行速度估计的研究， 并提出了一些算法。这些算法包括g 因子算法( h a l la n dp e r s a u d ，1 9 8 8 ； l e u t z b a c h ，1 9 8 8 ；p e r s a u da n dh u r d l e ，1 9 8 8 ；w a r d r o p ，1 9 5 2 ；k u r k j i a ne ta 1 ，1 9 8 0 ； n a h i ，1 9 7 3 ；p a y n ee ta 1 ，1 9 8 7 ；w a n ga n dn i h a n ，2 0 0 0 ；z h a n f e n gj i aa n db e nc o i f m a n ， 2 0 0 1 ) ，统计滤波算法( d a i l e y , 1 9 9 4 ) ，模式识别算法( w a n ga n dn i h a n ，2 0 0 1 ) ，识别错 误源方法( b e nc o i f m a n ) 和其他如灾变论( p u s h k a re ta 1 ) 、电磁波方法( s u na n dr i t c h i e ) 等。 1 3 韭塞銮塑叁堂亟堂僮途塞基王整线圈鳆蔓廑毡让 这些算法在某些程度上改进速度估计的准确程度，但也都存在不足，要么需 要额外的硬件设备，要么需要单线圈额外的一些先验信息等。下面简单回顾一下 这些算法f 7 1 。 3 1 1 g 因子算法 由于随机因素较多，等式( 3 1 ) 并没有在实际当中得到应用，因此早期的研究 大多集中在如何简化等式( 3 1 ) 以便在实际工程中采用。a t h o l 8 1 等人忽略相邻采样 间隔内车长的影响，提出常量g 因子算法，如等式( 3 - 2 ) 。 功) = 畚 ( 3 2 ) 墨( f ) 、m 、q 分别为第i 个采样间隔内的通过的车辆总数、所有车辆的平均 速度和平均占有率，t 为采样问隔，对比式( 3 1 ) ，也就是把平均车辆长度的倒数作 为一个常量g 。 常量g 因子算法简单，并且不需要校正，因此广泛应用在实际的工程当中。 如华盛顿运输部( w s d o t ) 开发的旅行者信息系统( t i s ) w e b f l o w 系统中，采用 g = 2 4 0 ；而c h i c a g o 交通系统中心采用g = 1 9 0 。 然而，h a l la n dp e r s a u d l 9 】认为g 因子随着道路占有率的变化而改变。w a n ga n d n i h a n l l 0 】认为由于不同的采样间隔均值车长不等，采用g 因子很难得到较好的估计。 他研究了道路占有率和速度之问的关系得出结论，对于准确的速度估计，只有在 所有的车长近似相等时，g 的值才可以作为一个常量。因此w a n g 等提出将常量g 因子作为采样问隔均值车长的函数，即g 因子与均值车长互为倒数。然而由于车 长信息并不能简单地从单线圈中获得，w a n g 等给出了如何用从单电感线圈获得的 道路占有率方差来估计的长车百分比，和提出了仅仅依靠单电感线圈输出量用于 均值车长估计的对数线性回归模型。他们认为用实时的车长估计来计算g 因子可 以收到比较好的效果，但同时也指出对数线性回归模型系数的可移植性不好，另 外所采用的对数线性回归模型也比较复杂。后来z h a n f e n g j i a t “噜人在p e m s 系统 中首先假定自由流速度下由g 因子公式计算( 自由流速度下的瞬时g 因子) ， 然后利用g 因子的周期特性设置g 因子历史数据，并利用( i n f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e ) i i r 滤波方法得到校正后的g 因子用于交通速度的估计。 3 1 2 统计滤波方法 d a i l e y t l 2 1 等人针对单线圈的输出量提出一种估计交通速度的鲁棒算法。d a i l e y 4 b 塞窒迢态堂亟堂僮逾塞基王墼线圈笪鎏廛值盐 充分考虑由交通管理系统得到的单线圈测量值的统计特性，将车长和速度均看成 具有均值和统计分布的随机变量。他分别将车长和速度( ，s ，) 写成均值( ，i ) 和小 量( ，血，) 之和的形式，并将车长与速度之比转化为等价形式。考虑到车长小量 和速度小量相关