（交通信息工程及控制专业论文）基于集成神经网络的城市道路交通流量融合预测研究.pdf

西南交通大学博士研究生学位论文第1 页 摘要 随着经济的发展和社会的进步，交通问题目益突出。作为有效解 决现有道路交通问题的途径，发达国家正在竞相研究智能运输系统 ( i t s ) 。i t s 将成为2 1 世纪现代化地面交通运输体系的发展方向，是交 通运输进入信息时代的重要标志。以交通流量为重要内容的道路交通 信息是所有i t s 项目不可缺少的基础，准确地预测交通流量是i t s 的 关键所在，也是交通流诱导研究的重要环节。交通流量是一个时变的 非线性系统，其内部变量、输入变量众多，结构复杂。采用部分因素 和指标或单个的模型仅能体现系统的局部，多个变量的科学综合、多 种数据或多个模型的有效融合能够显著提高预测精度和模拟效果。基 于此，本文提出了基于集成神经网络的城市道路交通流量的融合预测 模型。 该融合预测模型和传统的预测方法相比，既不是单一的数据预测 方法的运用，也不是对单一预测数据的使用，更不是对这些方法和数 据的简单组合，而是包括从拓展数据源到选择有效的预测方法，再到 方法和数据的融合。该模型一方面提高了预测的准确性，另一方面提 高了预测的鲁棒性。 本文以城市道路交叉1 3 为例，对基于集成神经网络的融合交通流 量预测的模型、方法和具体实现途径进行了研究，主要包括以下方面： 1 ) 根据融合预测的需要分析了交通流量的分布特性：周期性、连 续性和相关性。这些特性反映了交通流量的决定因素和影响因素； 2 ) 建立了路口交通流量融合预测的多源数据模型，扩展了预测的 数据基础，为预测的准确性和鲁棒性准备了条件： 3 ) 提出了根据流量周期性的灰色神经网络预测方法： 4 ) 应用小波分析理论对交通流量进行多分辨率分析，提出了根据 流量连续性的小波神经网络预测方法： 5 ) 提出了对各路口流量进行实时相关性分析的方法，和一定日期 内相应时间段路口流量相关性的模糊综合评价方法，提出了利用路网 中相关路口的数据预测流量的神经网络方法； 6 ) 提出了融合预测模型中局部预测有效性检验的聚类分析方法以 西南交通大学博士研究生学位论文第1 i 页 及实现最终融合预测的模糊神经网络模型。 本文在仿真生成的流量数据的基础上，对上述模型和方法的有效 性进行r 验证。 关键字：交通工程，神经网络，数据融合，交通流量预测，灰色 理论，小波分析，相关性分析，模糊评价，有效性检验，聚类分析， 模糊系统 西南交通大学博士研究生学位论文第1 i i 页 a b s t r a c t w i t hr a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n ds o c i e t y , t h ep r o b l e mc a u s e db y t r a f f i ci s b e c o m i n gm o r ea n dm o r es e r i o u s i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ( i t s ) ，w h i c hi sw i d e l ys t u d i e di nd e v e l o p e dc o u n t r i e s ，i st h o u g h to f a p o t e n tw a y t ot h eg r o u n dt r a f f i cp r o b l e m t o d a y i t sw h i c h i sa l li m p o r t a n ts y m b o lo f g r o u n d t r a n s p o r t a t i o ns y s t e mw i l lc o m e i nt h e21s tc e n t u r y g r o u n dt r a f f i c i n f o r m a t i o n ， w h i c hm a i n l yc o n s i s t so ft r a f f i c - f l o w , i sa ni n d i s p e n s a b l ee l e m e n to fi t s i ti sa k e yo fi t s t o p r e d i c tt r a f f i c - f l o we x a c t l y w h i c hi sa l l i m p o r t a n ts t e p i nt h e r e s e a r c ho f t r a f f i c - f l o wg u i d a n c es y s t e m t r a f f i c f l o wi sa t i m e v a r y i n gn o n l i n e a r s y s t e mt h a ti sc o m p a r a t i v e l yc o m p l e xi ns t r u c t u r ea n di n t e r n a lv a r i a b l e a l o to f v a r i a b l e ss h o u l db e e ni n p u t i to n l ye m b o d i e sa n ya s p e c to f s y s t e mt oa p p l ya n y f a c t o ro rs i n g l em o d e l i tn o t a b l yi n c r e a s e sp r e d i c t i o np r e c i s i o na n ds i m u l a t i o n p e r f o r m a n c eb yc o m b i n i n gm u l t i p l ev a r i a b l e s ，f u s i n g d a t aa n dm o d e l s a c c o r d i n g l y , t h i sp a p e rp r o p o s e saf u s i o n - p r e d i c t i o nm o d e lo ft r a f f i c f l o w i n u r b a nr o a d i n t e r s e c t i o nb a s e do n i n t e g r a t e da n n ( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ) c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lm e t h o d ，t h i sm o d e li sn o tm e a n tt oa p p l ys i n g l e p r e d i c t i o nt e c h n i q u eo ro n e s i d e dm e s s a g e ，o rt o f i tt h e s et o g e t h e rs i m p l l y , b u t m e a n tt ow i d e ns o n r c eo fd a t a ，t oo p t i m i z ep r e d i c t i o nw a y ，a n dt of u s ed a t aa n d m e t h o d ss o u n d l y o nt h eo n eh a n d ，i tc a ne v i d e n t l yi n c r e a s ep r e d i c t i o na c c u r a c y ； o nt h eo t h e rh a n d ，r o b u s t n e s so f s y s t e mi sm a r k e d l ye n h a n c e d w i t ha ne x a m p l eo fu r b a nr o a d i n t e r s e c t i o n ，h o wt ob u i l dt h ed a t a - f u s i o n p r e d i c t i o n m o d e lo ft r a f f i c - f l o wv o l u m e ，a n dh o wt o e f f e c t i v e l ya p p l yt h e s e m e t h o d ss t a t e di nt h em o d e l ，i sd e t a i l l ys t u d i e di nt h i sp a p e ra sf o l l o w s ： 1 ) t om e e tt h en e e do fd a t a f u s i o np r e d i c t i o n ，t h ef e a t u r e s ( p e r i o d i c i t y , c o n t i n u i t ya n dc o r r e l a t i o i no ft r a f f i c f l o wv o l u m ea r ea n a l y z e ds p e c i s l l y , w h i c h r e f l e c tt h ed e c i s i v ea n di n f l u e n c i n gf a c t o r so f t r a f f i c f l o w 2 ) i ti sa i m e da te n h a n c i n ga c c u r a c ya n dr o b u s t n e s st h a tm u l t i s o u r c ed a t a m o d e lo ft r a f f i c f l o wi nr o a d - i n t e r s e c t i o ni sb u i l ta n da c c o r d i n g l yd a t ab a s eo f p r e d i c t i o n i se x p a n d e d 3 ) p r e d i c t i o nm o d e l o f g n n ( g r a yn e u r a ln e t w o r k ) i sp u t f o r w a r d a c c o r d i u g t ot h e p e r i o d i c i t yo f t r a f f i c f l o w 西南交通大学博士研究生学位论文第1 v 页 4 ) p r e d i c t i o nm e t h o do fw n n ( w a v e l e tn e u r a ln e t w o r k ) i sp u tf o r w a r d a c c o r d i n gt o t h e c o n t i n u i t yo ft r a f f i c f l o ww i t hw a v e l e tm r a i n a n a l y s i so f t r a m c f l o wv o l u m e 5 、n e u r a ln e t w o r km e t h e d f o rt r a 匝c f l o wv o l u m e p r e d i c t i o nb y c o r r e s p o n d i n g r o a d i n t e r s e c t i o ni nr o a d n e ti s p u t f o r w a r da f t e r a n a l y z i n g c o r r e l a t i o ni nr e a l t i m e s e g m e n t o ft r a f f i c f l o wv o l u m eb e t w e e nd i f f e r e n t r o a d i n t e r s e c t i o n s e s t i m a t i n g c o r r e i a t i o no ft r a f ! f i c f l o wv o l u m ei nr o a d i n t e r s e c t i o n si n c o r r e s p o n d i n gt i m e - s e g m e n t w i t h f u z z yc o m p r e h e n s i v e e v a i u a t i o nm e t h o d 6 ) f i n a ld a t a f u s i o np r e d i c t i o nm o d e lo nf n n ( f u z z y n e u r a ln e t w o r k ) i s s t a t e da l s o 、v i mt h ec l u s t e r i n ga n a l y s i sm e t h o do fv e i l f y i n gv a l i d i t yi nl o c a l p r e d i c t i o n s t h e s em e t h o d sa n da l g o r i t h mi st e s t e db ys i m u l a t i o n k e y w o r d s ：t r a f f i ce n g i n e e r i n g ，a n n ，d a t a f u s i o n ，t r a f f i c f l o wp r e d i c t i o n ， g r a yt h e o r y , w a v e l e ta n a l y s i s ，c o r r e l a t i o na n a l y s i s ，f u z z ye v a l u a t i o n ， v e r i f i c a t i o no f v a l i d i t y , c l u s t e r i n ga n a l y s i s ，f u z z ys y s t e m 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本学位的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存或汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书。 2 不保密晒，使用本授权书。 学位论文作者签名：李扔军 日期：z 船牛年二月易牛日 指导教师签名 日期；三，年易月夕莎日 西南交通大学 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交学位论文，是在指导教师的指导_ f ，独立进行研 究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包括任何其他个 人或集体已经发表或撰写的作品成果。对本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。本人完全意识到本声明的法律后果由本 人承担。 本文主要创新点有以下几个方面： 第3 章第2 节分析了交通流量的三大特性：周期性、连续性和相关性， 建立了融合预测的多源数据模型：第3 节提出了城市道路交通流量的集成神 经网络融合预测模型。 第4 章第2 节针对周期性序列数据少的特点，在灰色系统建模的基础上 结合b p 神经网络提出了基于流量周期性的灰色神经网络预测方法。 第5 章第2 、3 节应用小波分析理论对连续性序列进行了分析，提出了 基于流量连续性的小波神经网络预测方法。 第6 章第2 节提出了对各路口流量进行实时分段的主成分分析方法；第 3 节提出了综合评价路口流量相关性的模糊评价方法；第4 节提出了利用相 关路口数据预测流量的神经网络模型。 第7 章第2 节提出了基于最小二乘修正单中心聚类的局部预测有效性检 验算法；第3 节提出了局部预测最终融合的模糊神经网络模型。 学位论文作者签名：掾辜 西南交通大学博士研究生学位论文第l 页 第1 章绪论 随着智能交通系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，简称i t s ) 的应用与发 展，现代交通运输的发展f 迈向新的纪元1 1j 。上个世纪以来，交通运输与社会 经济生活的联系更加紧密，道路运输已成为最重要的地面运输方式之一。近二 十年来，我国道路运输增长的需求主要靠提供更多的基础设施来满足，特另是 建立完善的道路网络。然而发展到一定时期，这种方法将受到限制，而且需求 本身也在很大程度上要靠先进的通信技术、信息技术和电子技术来满足 2 1 。尽 管在许多地方仍将建设更多的基础设施，但它已不再是解决交通运输拥挤的唯 一办法。随着i t s 的快速发展，为我国面临的曰益增长的交通需求提供了解决 途径。 1 1 课题研究的背景和意义 交通是指人、物在地点问的移动。和衣、食、住一样，交通是人类同常生 活的基本要素。交通运输作为生产力的重要体现，是经济的命脉，也是国家兴 旺发达的重要标志之- - 1 3 i 。 1 1 1 交通问题现状及解决方法 交通问题是指交通对经济、社会的发展未产生可以达到的最好效益，或交 通本身的机能也未充分发挥的状态“。 一、交通问题现状 二十世纪六、七十年代，世界各国经济发展进入了高速增长时期，汽车数 量的急剧增加，导致己有的道路已不能满足经济发展的需要，进而带来了负面 影响，产生系列的交通问题。最近的一项研究发现，仅美国的主要城市每年 由于交通搠挤而造成的浪费就超过4 7 5 亿美元，每年因交通拥挤浪费了多达 1 4 3 5 亿升的燃料和2 7 亿工作小时pj 。在国土面积狭小的日本，人口超过1 亿2 千万人，每天昼夜行驶的汽车有7 0 0 0 万台，每年交通事故死伤人数1 0 0 万余人， 大量的汽车交通需求，在各地均造成了交通拥挤，每年时间损失就达5 3 亿小时， 经济上损失达1 2 兆日元，给社会和经济带来极大的影响，如此的交通堵塞还导 西南交通大学博士研究生学位论文第2 页 致沿路环境恶化、生态环境遭到破坏、能源消耗增加等社会问题 6 1 。另据介绍， 日本交通事故的死亡人数从1 9 8 8 年以后连续8 年每年达到l 万人以上【训。在我 国道路交通死亡人数每年1 0 万人左右，直接经济损失近2 0 亿人民币。交通问 题这种现状说明现代的交通运输已经对人类生命、财产和生存环境以及社会发 展构成了威胁。 二、交通问题解决方法 交通问题的存在就是车辆行驶需求与道路供给之间的矛盾，可以有如下几 个途径解决这一对矛盾 8 】。 l 、控制需求 最直接的方法就是控制车辆的增加，或者改变车型，使车变瘦，但相当时 期内，不能舍弃原有车辆。 2 、增加供给 修建道路是解决交通问题的一个途径，城市之间的交通拥挤往往可以在建 设了足够的城市间( 高n ) 公n n n n n 决。所以在相当一段时期内，很多国家都 采取了增加供给。即靠大量修筑道路基础设麓，来缓解当前的交通问题。我国 这几年实施的大量投资进行公路基础建设使我国的道路网很快具有了相当的规 模。从已经运营的国家公路网来看，大多数城市间高速公路处于较高的服务水 平。但是在城市内部，存在以下几个方面的问题： ( 1 ) 历史原因导致我国城市的规划普遍不合理，改造现有道路任重道远。 ( 2 ) 城市内土地面积有限，特别是城市中心部位( c e n 仃a l b u s i n e s sd i s t r i c t ，简 称c b d ) 可供修建道路的空削越来越少。 ( 3 ) 经济的发展必然带来出行的增加。即使修路，公路建设的步伐也总是赶 不上车辆的增加速度。 因此限制车辆的增加或者大量修路不是解决交通问题的根本办法。特别地， 我国人口多，出行量必然很大，再加上短时间内无法修太多的路。所以，相当 一段时间内，还存在着交通混行的状态。要解决交通拥挤、减少立通事故、彻 底消除交通的混乱局面，必须采取第三种方式加强城市交通系统的管理。 3 、加强城市交通管理 加强城市交通系统的管理在很长一段时间内被认为是解决城市交通问题的 有效途径。主要有以下几个管理途径： ( 1 ) d n 强交通法规建设、制定限制性交通法规。例如：实行单行线，禁止左 转弯，只允许某些型号的车辆或特定时间在某些路段上行驶等等。这车中办法通 西南交通大学博士研究生学位论文第3 页 常是强制性的。 f 2 ) 加强宣传教育，丰富交通参与行的交通知识，提高交通的安全意识。 ( 3 ) 合理地规划城市建设。发达国家从六十年代以来进行了城市交通规划研 究，使城市道路网络布局合理化，以解决交通设施的供给与需求的矛盾。交通 规划需要人们在交通需求的基础上通过获取交通流量在城市路网中的分配状 况，从而确定道路网络密度是否能满足现在和未来的交通需求。城市交通舰划 是现代城市规划的一部分，可以用来提高运输网络使用效率、解决交通拥挤和 交通安全问题，这种方法需要进行大量的交通调查，耗资巨大，且规划方案需 要一定时间才能实施，规划的结果难于评价。 ( 4 ) 进行城市交通信号控制是改善城市交通运输状况的另一途径。城市交通 控制主要指城市交叉路口的交通控制。从1 9 1 4 年在美国城市出现交通信号控制 以来，城市交通控制技术己开始从“点控”、“线控”向“面控”过渡。“点控”就是对 单个交叉路口的交通信号实施单点定时控制。“线控”就是对交通主干道的交通 信号进彳亍协调控制，从面在一条或多条街道形成“绿波带”，保证大多数汽车在 行驶到各路口都会遇到绿灯。“面控”是一种通过采用计算机( 路白计算机、区域 主计算机和控制中心中央计算机1 联网控制，根据交叉路口的实时交通流状况， 通过研制的交通模型和软件确定交叉路口的红绿灯配时方案实现整个交通路 网配时优化的交通控制系统。目前的“面控”系统以英国的s c o o t ( s p l i tc y c l e a n do f f s e t o p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e ) 和澳大利亚的s c a t s ( s y d n e yc o o r d i n a t e d a d a p t i v et r a f f i cs y s t e m ) 蔓j 代表，它们属于自适应式的区域实时交通控制系统。 美国运输部联邦公路局近年来在从事自适应交通信号控制系统的研究后得到结 论；当城市交叉路口采用了先进的交通信号控制系统后，减少了行车延误时间， 提高了路口的通行能力，降低了车辆的停车次数，减少了燃料消耗和汽车排放 的有害物质等。 我国的北京、上海、沈阳、大连、广州、深圳、长春等十几个大城市在先 后采用了这类先进的交通信号控制系统后在一定程度上起到了缓解交通的作 用。但从交通控制系统的实际功能而言，它们虽然能随交通量的随机变化自动 优选配时方案，但也只是通过控制红绿灯或一些可变标志来控制车流，无法有 效地避免、缓解城市交通的拥挤：并且国外交通信号控制系统的模型和软件因 没有考虑到我国城市交通的具体现状( 混合交通、道路服务水平较低、车辆性能 参差不齐等) ，从而存在使用效果不佳，甚至被搁置不用的问题。 ( 5 ) 优先发展公共交通。随着汽车拥有量的增加，特别是私人汽车数量的逐 渐增加，使得交通供给严重不足，交通拥挤现象更为严重。于是各国政府都纷 西南交通大学博士研究生学位论文第4 页 纷出台了“优先发展公共交通”的政策，鼓励出行者乘坐公共交通出行，并且大 力发展安全、快捷、运量大的轨道交通( 含地铁和轻轨) ，收到了良好的效果。例 如法国巴黎6 0 年代中期努力改善城市公共交通，并决定大量投资建设轨道交通 系统。8 0 年代，巴黎市的公共交通客运总量己占总出行量的5 0 ，市区与郊区 之间的公共客运量达6 2 ，早晚高峰时甚至高达8 5 。我国的北京、上海、广 州、天津、长春等城市都已修建或正在修建轨道交通系统以满足同益增加的出 行需求。 4 、实施智能运输系统 城市交通系统是个复杂的大系统，城市交通规划和城市交通控制仅仅是城 市交通网络建设和管理的重要环节，单独从车辆方面考虑或单独从道路方面考 虑都是片面的，不足以有效解决交通拥挤和交通安全问题。所以把人、车、路 综合起来考虑，充分应用现代科学技术的i t s 为解决城市交通问题提供了全新 的方法。i t s 是在科学技术充分发展的背景下产生的，是目前国际公认的解决城 市交通拥挤、改善行车安全、提高运行效率、减少空气污染等的途径，岜是目 前世界交通运输领域研究的前沿误题。 l l2 智能运输系统简介 i t s 是在基础理论模型研究的前提下，将先进的信息技术、信息通信技术、 电子控制技术、传感器技术和系统综合技术有效地集成并应用于交通运输系统， 而建立起大范围内发挥作用的实时、准确、高效的交通运输管理系统一j 。i t s 利 用现代科学技术在道路、车辆和驾驶员( 乘客) 之间建立起智能的联系，借助系统 的智能，车辆可以在道路上安全、自由地行驶，靠智能化手段将车辆运行状态 调整到最佳，它使交通基础设施在极大地提高运输效益的同时，提高服务质量， 使社会能够高效缝使用交通设施和能源，保障入、车、路的和谐统一，从而获 得巨大的社会经济效率f 】o l 。主要表现在：提高交通水平，减少堵塞，增加交通 的机动性；降低汽车运输对环境的影响：提高道路网的通行能力以及提高汽车 运输生产率和经济效益：充分保障交通安全、改善环境质量、提高能源利用率】。 随着科学技术的发展和社会的进步，交通管理和交通工程逐步向i t s 发展。但 两者有本质的区别，i t s 强调系统性、信息交流的交互性以及服务的广泛性其 核心技术是电子技术、信息技术、通信技术和系统工程【l ”。 i t s 研究领域与各子系统的关系如图l l 所示“姒。i t s 利用先进的信息通信 技术等使人、车、路一体化的系统，除了人、车、路三要素外，必须有促使其 西南交通大学博士研究生学位论文第5 页 一体化的信息中心。另外，智能信息社会包含i t s 等各种领域，因而也要考虑 外部相关部门之间的相互协调性和关联性1 4 1 。 巨 蠢 口 毒回 服 i ! 竺_ j 务 委回 广西1 围i ii t s 研究领域 i t s 随着科学技术的进步而出现并不断地向前发展，为解决交通问题带来 了广阔的前景。研究表明，i t s 将成为2 l 世纪现代化地面交通运输体系的发展 方向，是交通运输进入信息时代的重要标志。 因此，开展具有中国特色的i t s 理论模型和方法、技术的研究具有迫切性 和必要性。随着我国智能运输系统研究的不断涤入，必然会出现一批和我国经 济、社会、交通的特点相适应的理论和技术。 i ，i ，3i s o 标准中的i t s 国际标准组织1 9 9 9 年在技术报告i s o t r l 4 8 1 3 中对运输信息和控制系统 ( t r a n s p o r ti n f o r m a t i o na n dc o n t r o ls y s t e m s ) ( 实际上就是智能交通系统) 的服务进 行了划分，见表i 1 1 1 ”。 我国i t s 研究内容基本和国际标准一致，这便于和国际接轨，加强国际交 流与合作。 1 14i t s 国内外研究现状 i t s 作为目前世界交通运输科学技术的前沿，发达国家都先后投入了大量 的资金和人员加紧研究，希望在未来的市场占据有利的地位。旱在6 0 年代，一 些国家就萌生了在汽车交通方面应用信息、通信技术使道路和汽车更加协调， 西南交通大学博士研究生学位论文第6 页 交通更加系统化，减少交通堵塞和减少交通公害，提高交通安全性的构想。主 要方式是向驾驶员提供交通信息，通过管制引导交通或限制交通，自动驾驶等。 例如，美国通用汽车公司( g m ) 1 9 6 6 年开发的信息系统和俄亥俄、l i 大学进行的自 动驾驶实验：日本丰田汽车公司提出的m a c 系统和机械试验所( 机械技术研究 所1 进行的自动驾驶实验等7 j 。 襄i 一1 i s o 服务构成 服务种类月务名称e n g l i s hn a m e 出行前信息p r e t r i p i n f o r m a t i o n 在途驾驶员信息o n t r i pi n f o r m a t i o n m 行者信息在途公菇交通信息 o n - t r l pp u b l i ct r a n s p o r ti n f o r m a t i o n 个人服务信息p e r s o n a l i n f o r m a t i o ns e r v i c e 路径诱导与导航 r o u t e g u i d a n c e n a v i g a t i o n 运输规划与支持t r a n s p o r t a t i o np l a n n i n gs u p p o r t 交通控制traffic c o n t r o l 市涌雀哑 事件管理 i n c i d e n tm a n a g e m e n t 4 需求管理demandm a n a g e m e n t 交通法规 ：! f 督o j 执行p o l i c i n g ，e n f o r c i n g t r a f h cr e g u l m i o n s 珠础设施维护j 管理 i n f r a s t r u c t u r em a i n t e n a n c em a n a g e m e n t 视野韦r 碰 v i s i o ne n i ：| st l c e m e n t 自动下辆运营 a u t o m a t e d ，c h i c l eo p e r a t i o n 车辆安全和纵向避蛳longitude c o l l i s i o na v e j d a n c e 辅助驾驶横向避碰lateral c o l l i s i o na v o i d a n c e 安全防护s a f e t 7r e a d i n e s s 碰前柬护p r o - c r a s h r e s t r a i n td e p l o y m e n t 商用车辆提前通关 c o m m e r c i a lv e h i c l ep r o c l e a r a n c e 商用车辆管理过程 c o m m e r c i a lv e h i c l ea d m i n i s t r a t i v ep i o c e q $ 商用车辆自动路边安全榆测 a u t o m a t e dr o a d s i d es a f e t yi n s p e c t i o n 商用车辆车载安全监视 c o m m e r c i a lv e h i c l eo n - b o a r ds a f e t ym o n i t o r i n g 商用车队管理 c o m m e r c i a lv e h i c l ef l e e tm a n a g e m e n t 公共交通管理p u b l i ct r a n s p o r tm a n a g e m e n t 公共交通需求响应式公共交通d e m a n dr e s p o n s i v ep u b l i ct r a n s p o r t 共享交通管理 s h a r e dt r a n s p o r tm a n a g e m e n t 紧急情况通报及个人安全e m e r g e n c yn o t i f i c a t i o na n dp e r s o n a ls e c u r i “ 紧急情况紧急车辆管理e m e r g e n c yv e h i c l em a n a g e m e n t 危险货物和事件通搬h a z a r d o u s m a t e r i a l & l n c i d e mn o t i f i c a t i o n 叱了收赀1 u 了收费 e l e c t r o n i cf i n a n c i a l t r a n s a c t i o n 公共f f ；彳于安全p u b l i c t r a v e ls e c u r i t y 安争易受伤害道路使用者安全强化s a f e t ye n h a n c e m e n tf o rv u l n e r a b l er o a du s e r s 智能交叉口与智能路段i n t e l l i g e n tj u n c t i o n sa n dl i n k s 8 0 年代以来，发达国家交通运输领域的研究进入了一个新阶段。日本、美 国、加拿大、德国、法国和澳大利亚等国都投入大量的人力、物力从事i t s 研 究。其它一些国家和地区，如韩国、新加坡、芬兰等也相继开展了i t s 的研究【1 ”。 特别是最近几年来，i t s 以惊人的速度发展，许多国家争先恐后地进行开发研究， 逐渐形成了日本、欧洲和美国三大体系 1 9 】。 一、国外i t s 的研究现状 西南交通大学博士研究生学位论文第7 页 美国、欧盟和日本等发达国家为了解决交通问题，竞相投入大量资金和人 力，开始大规模地进行道路交通运输智能化的研究试验。美国联邦政府从1 9 9 0 年到1 9 9 7 年用于i t s 研究开发的年度预算总计为1 2 , 9 3 5 亿美元：欧盟从1 9 8 4 年到1 9 9 8 年仅用于i t s 共同研究开发项目的预算就达2 8 0 亿欧洲货币单位；日 本政府仅1 9 9 6 年和1 9 9 7 年用于i t s 研究开发的预算为1 6 1 亿同元，用于： t s 实用化和基础设施建设的预算为1 2 8 5 亿同元1 2 1 。 1 9 9 5 年3 月，美国运输部首次正式出版了“国家智能交通系统项目规划”， 明确规定了智能交通系统的7 大领域和2 9 个用户服务功能，并制定了到2 0 0 5 年的年度开发计划。其中7 大领域包括：出行和交通管理系统、出行需求管理 系统、公共交通运营系统、商用车辆运营系统、电子收费系统、应急管理系统、 先进的车辆控制和安全系统。在美国，i t s 应用发展较快的几个方面分别是：车 辆安全系统( 占5 1 ) 、电子收费( 占3 7 ) 、公路及车辆管理系统( 占2 8 ) 、实时 自动定位系统( 占2 0 ) 、商业车辆管理系统( 占1 4 ) 1 2 2 1 。 日本政府在i t s 领域进行了大量的资金、政策等方面的投入，以期形成i t s 产业推动日本经济发展。在过去的5 至6 年的时间里，已经有近4 0 0 万套车内 导航系统在市场上应用。r 本的i t s 应用主要是在交通信息提供、电子收费、 公共交通、商业车辆管理以及紧急车辆优先等方面【2 3 】。 欧洲在i t s 应用方面的进展，介于日本和美国之间。由于欧洲各国政府的 分散投资和各国i t s 需求不一致，在整个欧洲建立统一的交通信息服务系统 困难重重。然而在开发先进的旅行信息系统( a t i s ) 、车辆控制系统( a v c s ) 、商 业车辆运行系统( a c v o ) 、电子收费系统等方面，成果显著 2 4 1 。 除了美、日、欧以外，新兴的工业国家和发展中国家也开始了i t s 的全面 开发和研究，如韩国由建设交通部牵头制定了全面的i t s 框架结构和发展计划， 新加坡已经在全国开始推行不停车电子收费f 2 ”。 当前，利用地理信息系统( g i s ) 、全球卫星定位系统( g p s ) 、专用短程通信 技术( d s r c ) 开发a t i s 、不停车收费系统( e t c ) 车辆安全系统作为i t s 的主要应 用在全球范围内已呈一种趋势【2 们。 二、我国i t s 的研究现状 我国交通运输界和政府部门已认识到开展智能交通研究的重要性。国家科 技部于1 9 9 9 年11 月批准成立了国家i t s 工程技术研究中心。该中心的主要目 标是以国民经济、行业和市场的需求为导向，针对i t s 存在的重大技术问题， 对有市场价值的重要应用科技成果，进行共性技术、关键技术的后续工程化、 西南交通大学博士研究生学位论文 第8 页 产业化以及系统集成的研究开发【2 7 1 。交通部同时指出结合我国实际情况，分阶 段地开展交通控制系统，驾驶员信息系统等5 个领域的研究开发、工程化和系 统集成，在此基础上，使成熟的科技成果转化为可供实用的技术和产品。该工 程研究中心也将逐步发展成为我国智能公路运输系统产业化基地郾】。国家科技 部已经立项进行i t s 的研究，国家建设部与欧洲的i t s 组织e r t i c o 联合建立 了e u c h i n a 计划。国家科技部1 9 9 9 年1 1 月在北京举办了首届i t s 在我国应用 的研讨会。国家改革与发展委员会( 原国家计委) 在1 9 9 9 年4 月的科技立项会议 中将i t s 列为1 0 0 个重点科研领域之一，并指出i t s 近期的产业化重点是加快 发展先进的交通管理系统f 包括交通信号控制系统、交通诱导系统、交通监控系 统、违章自动监测系统、城市公交自动化调度系统等) 、道路交通信息及服务系 统、高速公路通信监控基金及紧急事件处理和救援系统、不停车收费系统。对 上述各系统，形成系统设计、设备制造、项目建设、系统运行管理的总体能力， 以及成套设备的规模化生产能力。国家科技部于2 0 0 0 年3 月组织全国交通运输 领域专家组成专家组，起草了中国智能交通系统体系框架，共分为8 个服务领 域，3 4 项服务内容，1 3 8 个子服务 2 9 1 。 我国i t s 研究和应用起步较晚，但经过几年的不懈努力，在该领域做了许 多工作，取得了一些进展。在交通管理与规划服务领域，国内诸如北京、上海、 大连、沈阳等许多大城市已经引入国外先进的自适应城市交通控制系统瑚l 。在 电子收费服务领域，国内已经开通的若干条高速公路( 如京津唐、沪宁高速公路 等) 正在使用从国外引进或国内开发的监控和电子收费系统m l 。在运营管理服务 领域，基于i t s 的集群车队调度系统目前已经应用于银行的运钞车、警车、救 护车等特殊车队的跟踪和调度h 。 1 2 交通流量研究概述 i t s 的高效建立在丰富、准确的各种动态道路信息和交通信息基础上。这些 数据不仅包括当前时刻道路的相关信息，还包括未来一个时款的颈 贝| i 信息。准 确的预测信息可以为道路引导和出行者选择路径提供交充足的时间，因此交通 信息( 交通流量、行程时间) 预测是i t s 中一个基础性的问题。 1 2 1 与i t s 的关系 交通流量预测研究属于出行者信息系统的领域，我国关于该系统的研究内 容、服务领域及子服务包括的内容见表1 - 2 1 3 3 1 ， 西南交通大学博士研究生学位论文第9 页 表1 2 出行者信息服务领域子服务 1 2 2 交通流量模型 交通流模型用于描述交通网络系统状态。按模型与时间的关系，可以分为 三种类型，即静态模型、准动态模型和实时动态模型。静态模型是假定交通流 恒定不变，以日平均交通量等粗糙的预测状况为前提的，因此模型体现不出时 间变量。与此相对的实时动态模型中明显标示着时间变量，准动态模型是介于 二者之间的模型，是将时间分成若干时间段考虑的，各个时间段之间的状态变 化用实时动态模型，而各个时间段内部的状态则用静态模型来表示。 静态模型对于交通规划是有效的，但要分析交通流的高峰、低谷等变化的 现象，就应该使用动态模型。n e w e l 警告规划人员，在使用静态模型时，容易 导致错误决策1 3 ”。b e n a k i v a 认为均匀高峰交通流是不存在的，静态配流技术不 适合分析交通拥挤现象。因此，近年来准动态模型和实时动态模型进展比较显 著1 3 5 j 。交通分配是交通流模型的一项核心研究内容，它是指对于已知的o d 交 通流量，进行路线选择和求得各路段的交通流量p “。交通分配经历了动态到静 态的过程，静态交通分配是对固定o d 交通流量来说的，动态交通分配是对所 考虑时间范围内的实时o d 交通流量而言的1 3 ”。 西南交通大学博士研究生学位论文第1 0 页 l 2 3 交通流量预测 交通流的有效诱导在于能否实时地提供诱导信息。不少研究者致力于利用 交通控制系统的实测数据对交通状况进行分析预测，从而为交通流诱导提供主 动的诱导信息。交通流量预测的研究一直很活跃，早期豹交通流量预测主要为 交通控制系统服务。第一代u t c s 采用历史数据对交通流量进行离线预测。第 二代u t c s 应用实测的数据去修正历史平均来预i 贝! i 交通流量，第三代u t c s 没 有利用历史数据，只乖j 用实测数据预祸交通流量。但第二代和第三代u t c s 预 测算法都存在着时滞问题1 3 引。同时不少研究者也在积极地探讨其他交通流量预 测南法。总的说来，目前交通流量的预测研究方法有基于历史数据方法、数据 序列方法、系统识别法、神经网络方法等等。 、国外的研究现状 桑原雅夫等人提出基于信标信息的o d 交通量预测方法及其精度的评价方 法研究，冈本等人基于a v i ( 可变电压反向变换器) 的检测数据提出了汽车行驶长 度及路段流入、流出交通流量的估计方法 。阉藤等人提出了基于a v 测量值 估计路径交通量的方法，这是一种把断面交通量、用a v i 检测数据预测的轨迹 数掘与o d 交通量的联立方程而求解的方法【4 训。a h m a e ds a 和c o o ka r 利用 b o x j e n k i n s 既是对商速公路的交通流量进行了预测，预测的结果表明此方法精 度不够理想t 4 ”。n a n c yl n i h a n 和k i e j 】h o l m e s l a n 应用b o x j e n k i n s 技术和一个 路段4 年的交