（载运工具运用工程专业论文）公路隧道事件检测应用研究.pdf

摘要 摘要 本文依托西部交通建设科技项目公路隧道智能联动控制技术研究的子课题 之一，“公路隧道事件检测应用研究” 本论文针对依托工程吕家梁隧道和方斗山隧道的具体情况，对隧道交通流运 行特性进行研究，发现隧道交通流存在数据间隙现象，提出并实证研究了基于模 糊聚类的交通事件识别方法；并将交通波理论应用于隧道阻塞交通流特性分析， 研究了隧道内交通事件的疏散特性；通过视频事件检测原理分析，提出了摄像机 布设间距的方法和安装要求，分析了直接与间接检测结合的合理性，并依托工程 提出了检测设施布置方案。 关键词：公路隧道；事件检测；模糊聚类；交通阻塞 a b s t r a c t2 a b s t r a c t t h i st e x tr e l yo nt h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp r o j e c to ft h ew e s tt r a f f i cc o n s t r u c t i o n , w h i c hi so n eo ft h eb r a n c hs u b j e c t so fb r a i n p o w e rl i n k a g ec o n t r o lt e c h n o l o g y r e s e a r c h ，”t h ea p p l i c a t i o nr e s e a r c ho ni n c i d e n td e t e c t i o no fh i g h w a yt u n n e l ” i nt h i sp a p e r , a g a i n s tt e l y i n go np r o j e c tt h el uj i al i a n ga n dt h ef a n gd o ut h e s p e c i f i cc i r c u m s t a n c e so ft h et u n n e l ，t h et u n n e lo p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so f t r a f f i cf l o w s t u d yf o u n dt h a tt h et u n n e lt r a f f i cf l o wd a t ag a p se x i s tp h e n o m e n o n ，a n db ye m p i r i c a l r e s e a r c hb a s e do nf u z z yc l u s t e r i n gt r a f f i ci n c i d e n ti d e n t i f i c a t i o n ；t r a f f i cw a v et h e o r y a n da p p l i c a t i o no ft h et u n n e lo b s t r u c t i o no ft r a f f i cf l o wa n a l y s i s ，t r a f f i cw i t h i nt h e t u n n e lo nt h ee v a c u a t i o no ft h ei n c i d e n t ；p r i n c i p l ei n c i d e n td e t e c t i o nv i av i d e oa n a l y s i s ， t h ec a m e r ae m p l a c e ds p a c i n gm e t h o d sa n di n s t a l l a t i o nr e q u i r e m e n t s ，a n a l y s i so ft h e d i r e c ta n di n d i r e c td e t e c t i o no ft h er e a s o n a b l e n e s so ft h ep r o p o s e dp r o j e c ta n dr e l y i n g o nt h et e s t i n gf a c i l i t i e sl a y o u ts c h e m e k e yw o r d s ：h i g h w a yt u n n e l ；i n c i d e n td e t e c t i o n ；f u z z yc l u s t e r i n g ；t r a f f i cc o n g e s t i o n 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。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结果由本 人承担。 学位论文作者签名： f 2 凇 c 日期：砂州年争月彦日 重庆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。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部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和汇编本学位论文。 学位论文作者签名： 文渤 j 日期：伊乎年印月莎日 指刷嗽：锄参 眺勰畅7 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题来源 该课题属于西部交通建设科技项目公路隧道智能联动控制技术研究的子 课题之一。项目共分五个专题，分别为公路隧道限速方法研究、公路隧道安全预 警模型研究、公路隧道事件检测应用研究、公路隧道安全预警设施配置方法研究 及隧道火灾自动报警系统研究。项目依托工程选取了沪蓉国道主干线支线分水岭 ( 鄂渝界) 至忠县高速公路段( 简称石忠路) 的吕家梁和方斗山隧道，项目合同 期限为2 0 0 5 年1 0 月3 0 日至2 0 0 9 年1 2 月3 1 日。 本学位论文主要是课题中关于公路隧道事件检测应用研究。 1 2 研究目的和意义 随着我国经济的高速发展，公路建设事业也取得了长足的进步，公路的线形 技术指标要求比较高，当其进入山区或重丘区时，就不可避免地需要采用隧道来 穿山越岭，隧道能有效地改善公路的线性技术指标，并能缩短公路里和行车时间， 提高运营效益，因此隧道越来越多，而且隧道越建越长。统计数字表明，截止到 2 0 0 7 年年底，我国己有公路隧道2 8 8 9 座，总长1 5 2 7 公里，目前已建和在建的3 公里以上特长公路隧道达1 1 1 座，5 公里以上特长公路隧道达3 2 座。是世界上公 路隧道最多的国家。特别是西部大开发战略的实施，使西部山区的公路在全国公 路中的比重越来越大；而且建设的隧道也越来越长，比如，2 0 0 5 年4 月贯通的秦 岭终南山隧道全长1 8 4 k m ，居亚洲第一、世界第二 隧道作为公路重要组成部分既能缩短交通途径，又是简捷通过险要地段的重 要手段之一，其环境与洞外公路环境相比具有：隧道内外亮度差极大、空气污染 严重、侧向净宽较小且高度有限、没有扩展活动的余地和噪声高等特点，加之车 辆的迅速增长，使隧道的优越性大大减弱，各类交通事件也明显增加，而且发生 事故的严重性比较大，日益成为公路交通的重要问题。各类交通事件的频繁发生， 不仅使隧道效率降低，而且给人们的生命、财产以及社会和经济均造成了不同程 度的损失，有的甚至导致了严重后果。据有关资料统计，在隧道内发生事故的比 率为每1 亿车公里发生0 5 起。随着长大公路隧道数量的增长，隧道营运管理及 营运安全日益成为关注的重点，而我国在这方面的研究与经验不足 为了减少突发事件对公路隧道运行带来的负面效应，许多发达国家很重视公 路事件检测的研究，普遍建立了先进公路交通事件监控系统，以便快速确定公路 是否有事件发生及事件发生地点，及时救助驾驶员，减少事件的危害程度，并尽 早排除事件对公路通行能力的影响。因此，从隧道交通流运行特征出发对交通事 第一章绪论 2 件着手分析、探讨隧道事件检测迫在眉睫。 目前解决这种交通状况的方法之一就是利用各种交通事件自动检测算法来分 析公路隧道上的实时交通信息，从而尽快判断事件是否发生，以便能及时处理，缩 短事件在高速公路隧道上的持续时间，并在一定程度上减少二次事件发生的可能 性。交通事件检测方法主要有间接检测法和直接检测法，绝大多数的事件检测方 法都属于前一种，通过交通流的变化来间接地判断交通事件的存在。它们通过识 别由检测器得到的交通流参数的非正常变化实现这一目的。直接检测方法是指使 用图像处理技术来发现停驶车辆的一类方法。两种方法在目前的应用当中各有优 缺点，本论文将两种方法结合使用在隧道运营状态检测中，取长补短，以期得到 最佳的检测效果。 1 3 研究现状 针对交通异常行为国内外大量研究机构已进行一定的探讨。早在1 9 6 8 年 t e x a st r a n s p o r t a t i o ni n s t i t u t e 就开始了交通异常自动检测方面的研 究。六十年代开始实施的第一条高速公路交通管理系统f t m s ( f r e e w a yt r a 伍c m a n a g e m e n ts y s t e m ) 就把交通异常自动检测作为一项重要的内容。随着微电子技 术、计算机技术及通讯技术的飞速发展给交通事件自动检测带来了新的发展空间。 1 9 8 9 年欧共体提出使用计算机技术与其它相关技术结合在一起的人工智能技术， 能够对公路和城市道路交通事件进行识别和分类，提供健全的交通事件自动检测 系统。在美国，据运输部1 9 9 3 年2 月发表的“i n t e l l i g e n tv e h i c l eh i g h w a ys y s t e m p r o j e e t s ，在总投资2 2 8 亿美元的1 0 0 个已列入实施计划的i v h s 项目中，有 关交通异常检测的内容就达1 3 个，投资2 3 7 6 9 万美元，尝试用新型检测器和新 技术来进行检测。日本则是后来居上，目前己在国内多条高速公路上使用事件自 动检测系统。目前最先进的基于图像处理的事件自动检测系统，它利用计算机视 觉、图象处理等技术进行交通事件检测、监视。 在我国，高速公路管理和交通事件的管理问题不仅列入i t s 研究领域中，在 交通部“十五 期间公路交通技术创新重点中指出“以公路交通智能化管理为目 标，提高公路网运营管理技术。开发高速公路交通事故紧急救援和事故预防检测 系统。”其中明确地提出了事件管理所包括的事件检测、预测和事件后现场管理和 救援等内容。交通事件自动检测可以说是i t s 的重要组成部分，是交通事件发生 后进行交通流控制策略的基础。 高速公路交通异常系统的研究，经过4 0 余年的实践与发展，研究出许多异常 自动检测算法，这些算法可按以下方法分类【l 】： ( 1 ) 根据检测策略分类 第一章绪论 根据检测策略，事件检测算法可分为模式识别方法和统计预测方法两类。模 式识别方法通过一个或多个交通参数来区分异常状态和非异常状态。该方法不涉 及交通动态模型，实际上是一些有效的经验公式，其难点是区域界线难于确定。 统计预测方法建立在实时采集的数据基础上，根据采样值预测下一次采集值， 将预测值与采样值相比较来判断是否有拥挤发生。该方法难点在于如何滤波预测 与选择阈值。 ( 2 ) 根据检测截面分类 根据检测截面，事件检测算法可分为单截面法和双截面法。所谓单截面法是 根据一个检测面的监视信息进行事件检测。而双截面法是根据两个相邻检测面的 监视信息进行事件检测。在轻交通量时，车辆对道路的占有率较小，事件发生时 相邻检测器的检测值变化更小，不适合采用双截面算法，而对于繁密交通则宜采 用双截面算法。 ( 3 ) 根据监视设备分类 根据监视设备，事件检测算法可分为基于常规监视设备的算法( 如基于车辆 检测器检测的信息来判断交通事件) 和基于非常规监视设备的算法( 如基于c c t v 的自动事件检测算法) 。 根据检测原理的不同，有代表性检测方法主要有以下7 种 2 】： ( 1 ) 平滑法 六十年代中期，时间序列分析技术逐步发展成熟，c o o k 、d e c l e v e _ - - l a n d 和 p a y n ee ta l 应用时间序列分析技术，分别于1 9 7 4 年和1 9 7 6 年提出了改进的双指数 平滑法和单指数平滑法，两种方法都采用交通流量、时间占有率、车速、密度及 其时间与空间差作为交通参数，当任一参数超过阀值时单指数平滑法却认为有异 常发生；当预测的参数误差规范化之和超过阀值时双指数平滑法认为有异常发生。 ( 2 ) 加利福尼亚法 加利福尼亚法是基于异常发生时上游检测截面占有率将增加，下游检测截面 占有率将减少这一原理进行异常检测，在方法上属于二重决策树法，用占有率作 为交通参数，当由上游与下游占有率计算的三个特征值( 上游与下游占有率之差、 上游与下游占有率的相对差值、下游占有率前后时间的相对差值) 同时超过阀值 时即认为有异常发生，加利福尼亚法一般作为评价新算法的参考。 ( 3 ) h i o c c 法 1 9 7 9 年，英国的c o l l i n g s 和h o p k i n s 提出了高占有率异常检测算法，该算法 用上游占有率作为交通参数，当占有率绝对增加几秒时即认为有异常发生。 ( 4 ) 简化的卡尔曼滤波法 在六十年代，卡尔曼提出卡尔曼滤波器，并广范地应用到航空等领域，1 9 8 1 第一章绪论 4 年c r e m e r 将其应用到异常检测，该算法采用累积交通流模型以解释异常期问通行 能力的减少，用该模型计算干扰流量，当干扰流量超过阀值时即认为有异常发生。 简化的卡尔曼滤波法采用了两个常数滤波增益矩阵而不是一个连续可调的滤 波增益矩阵，其是目前适用性最强的算法，但相当复杂，而且滤波增益矩阵的参 数难以调节。 ( 5 ) 互相关法 1 9 8 6 年，德国的b u s c h 在他的博士论文里提出了该算法，通过计算上游与下 游交通流密度时间序列的相关函数估计压缩波波速，如果估计的波速小于阀值或 不能得到某一时间间隔可靠的波速估计即认为有异常发生。 ( 6 ) 灾变法 1 9 7 5 年，t h o w 提出了灾变理论( c a t a s t r o p h et h e o r y ) ，1 9 8 7 年，美国学者 h a l l 教授提出了灾变理论在交通方面的应用，1 9 8 9 年，b h a g w a n t n p c r s a u d 和f r e d l h a l l 将尖角灾难( c u s pc a t a s t r o p h e ) 用于交通异常检测，传统的交通流理论认 为，交通流量、车速与密度间的关系是连续函数( h c m ，1 9 8 5 ) ，然而，实测数据 却表现为在通行能力处，非阻塞状态的通行能力大于阻塞状态时的通行能力，根 据尖角灾难模型，可以很好地解释这一现象，在阻塞与非阻塞期间，交通流量与 占有率表现为连续变化，在非阻塞到阻塞状态的过渡期，车速将突然减小，由此 可以进行异常检测。 ( 7 ) 视频图像处理法【3 】 视频图像处理方法是近年来的研究热点。视频交通事件检测方法的流程大致 包括3 个主要的步骤：目标提取、车辆跟踪和行为理解。它是基于虚拟线圈和多 目标跟踪的检测技术发展的。虚拟线圈是基于车流整体特征的交通事件检测算法， 交通事件的发生，不但会改变单个车辆的行为，而且会影响车流的整体特征。基 于车流整体特征的交通事件检测算法，就是指通过分析平均空间速度、区域占有 率、车辆间距、车辆队列等整体交通特征的变化，对交通事件进行检测；多目标 跟踪是基于车辆行为特征的交通事件检测算法，很多情况下，交通事件是由于车辆 抛锚停驶、车辆追尾或相撞等原因引起的，且事件发生后车辆一般会迅速停驶并 占据车道，阻碍随后驶来的车辆在这个已被占据的车道上通过，这个过程含有一 系列可以利用的车辆行为特征。基于车辆行为特征的交通事件检测算法就是指通 过分析车辆速度变化、车辆相对位置、车辆停驶、车辆转换行驶车道或方向等可 能与事件相关的车辆行为特征，对交通事件进行检测 以上算法代表了目前交通异常检测的主要算法，算法2 、3 与算法6 可归结为 模式识别法，其检测原理是通过一个或多个交通参数来区分异常状态与非异常状 态；算法1 、4 与算法5 可归结为统计预测法，其通过对交通参数进行短期预测并 第一章绪论 与实测值进行比较以检测由于异常引起的突然变化，这两种方法各有其特点与难 点，模式识别法人为地将交通流分为阻塞与非阻塞状态，但两种状态的交通流特 征值却难以准确地描述，而其又极大地影响着检测率与检测精度，为了提高检测 精度，往往采用保守的阀值，从而延误了检测时问，况且，对于低交通量，该算 法几乎无能为力；统计预测法通过滤波与预测，将交通流的趋势变化与随机变化 相分离，算法的成功与否取决于滤波方法、预测方法及阀值的确定方法。算法7 是直接检测法，将摄像机架设在隧道上方进行拍摄，摄像机所采集到的视频信号 经过一系列图象处理算法的处理，不仅可以判断事故是否发生及其严重程度而且 还可预测事故，还具有直观、灵活的优点，是目前公认的最有发展前途的检测算 法之一。 1 4 存在的问题和发展趋势 由于交通系统具有较强的非线性、模糊性和不确定性，各种现有的交通事件 检测算法都或多或少存在着不足之处，并没有一种算法的性能完全优于其它算法， 不同的算法只是在不同的情况下其性能优越。大多数算法在交通流高度稠密或中 等稠密情况下可以取得较好的检测效果，在低密度条件下其检测性能不高，而且 不能检测事件性质。基于图像分析的视频事件检测方法不但可以即时检测交通事 件，而且可以判断事件类型，记录事件现场。因此，直接检测和间接检测的结合 是未来的发展趋势，也是本文所要研究的内容。 1 5 研究内容与方法 1 5 1 主要研究内容 公路隧道事件检测系统作为隧道运营监控重要组成部分，它的主要作用就是 及时检测出隧道内发生的交通异常事件，使它们能得到及时的处理，以尽量减少 由于交通事件所带来的人员伤亡、财产损失等影响，并且避免二次事件的发生。 本文通过对直接检测与间接检测的分析比较，并依托工程提出公路隧道事件 检测系统的实施方案，主要包括如下内容： ( 1 ) 公路隧道交通流特性分析 通过隧道交通流的调查，分析了隧道正常、异常交通流基本参数随时间的变 化特性和隧道交通流基本参数相互关系。 ( 2 ) 公路隧道事件间接检测研究 通过对隧道交通流数据间隙现象的分析，提出了基于模糊聚类的交通事件识 别方法，并进行了实证研究。 ( 3 ) 公路隧道事件直接检测研究 第一章绪论6 通过对视频事件检测原理的分析，提出了摄像机布设间距的方法和安装要求， 并对视频事件检测系统功能的实现进行了介绍。 ( 4 ) 公路隧道直接检测与间接检测的结合研究 分析了直接与间接检测结合的合理性，并根据依托工程设计的现状，提出了 直接与间接检测布置方案。 ( 5 ) 公路隧道交通阻塞及疏散特性分析 将交通波理论应用于隧道阻塞交通流特性分析，用以研究隧道内交通事件的 疏散特性。 1 5 2 技术路线 本文的研究技术路线如图1 1 所示 图1 1 技术路线图 第二章公路隧道交通流特性分析 7 第二章公路隧道交通流特性分析 交通流运行状态的定性、定量特征称为交通流特性，用于描述交通流特性的 物理量称为交通流参数，交通流参数的变化规律则反映出了交通流的相关特性 4 , 5 1 。 因此，高速公路隧道交通流特性是由隧道交通流参数体现出来的，研究高速公路 隧道交通流特性就是研究隧道交通流参数的特性。隧道交通流参数特性主要包括 两方面： 一是交通流参数随时间的变化特性，即交通流参数的时变特性， 二是交通流参数之间的相互关系特性。 2 1 公路隧道交通流运行特性 在规定的时间间隔内，公路隧道路段的可能运行状况与交通条件及几何线性 有着密切的关系。车辆运行情况往往随车辆的技术状况、驾驶员特点和交通环境( 隧 道条件、气象、车辆相互影响和交通管制等) 而变化。 2 1 1 隧道交通环境特点1 6 相对于洞外公路而言，公路隧道属于半封闭环境，具有与洞外公路不同的交 通环境特点。 1 、隧道“黑洞效应 和“白洞现象 白天进入隧道前，由于隧道内外亮度差别极大，从隧道外部去看照明很不充 分的隧道入口会看到黑洞( 长隧道) 及黑框( 短隧道) 现象；出洞时则相反，白天在隧 道出口因外部亮度极高，出口看上去是个亮洞，视觉上出现眩光而倍感不适，即 “黑洞现象 、“黑框效应 和“白洞现象 对安全行车极为不利。 2 、环境照度 由于隧道内空间狭长，隧道内存在大量的汽车尾气，环境照度低( 一般在5 l o o i x 范围内) ，故行车能见度差。 3 、环境噪声 由于隧道内洞壁的反射，其环境噪声大，影响了驾驶人员的正常思维判断和 反应能力。 4 、空气质量 由于隧道能见度通常较低，加上入洞时的黑洞、黑框效应以及洞内墙效应， 隧道内常为事故多发段，并诱发各种各样的火灾，而且易引发生二次交通事故， 后果严重，这些都致使隧道内空气污染严重，一氧化碳和烟雾浓度大，影响驾驶 人员的身体健康。 第二章公路隧道交通流特性分析 8 2 1 2 隧道车辆行驶特性【6 】 由于公路隧道特殊的构造和环境，车辆在隧道内行驶与在开阔的公路的行驶 相比有很大的区别。 1 、在正常行驶条件下，所有车辆必须各行其道，不得变线。除非有事故车占 道，并有信号指令方可变线。在隧道内一般没有其它车道可供使用，所以在事发 点上游易发生拥挤现象或造成堵塞。 2 、隧道内禁止蛇行和超车，为此在隧道内应有分道标志线( 实线) 。 3 、隧道内不得停车。如车辆发生故障，行驶的车辆不得不停车时，可以停在 划定的紧急停车带内。为了防止后续车辆拥挤，紧急停车带应间隔划分，使停车 数量不超过正常行驶时的交通密度。这种方式可以保证每条车道不会被车辆挤满， 还可以提供另一个车道供其它车辆通过。 2 2 交通流基本参数 4 - 5 , 7 - 9 】 为了便于后续说明，首先介绍一下交通流基本参数的定义。在交通流理论研 究中，交通流的基本参数有三个：交通量、速度和密度，也称为交通流三要素。 速度和密度反应交通流从路上获得的服务质量，流量可度量车流的数量和对交通 设施的需求情况。 2 2 1 交通量 交通量是指在单位时间内，通过道路某一点、某一断面或某一条车道的交通 实体数( 对于机动车而言就是车辆数) ，一般用q 表示。在交通调查中，交通量常 用下式计算： g ：芸 ( 2 1 ) g 5 i l z 上， 式中：n 观测时段内的车辆数： t 观测时段长度。 2 2 2 速度 速度有地点速度和平均速度之分，平均速度又分为时间平均速度和区间平均 速度两类。 2 2 2 1 地点速度 地点速度也称为点速度、即时速度或者瞬时速度，为车辆通过道路某一点时 的速度，一般用u 表示，理论计算公式为： 第二章公路隧道交通流特性分析 9 ( 2 2 ) 式中x l 和x 2 分别为时刻t l 和t 2 的车辆位置。 在交通数据采集中，一般采用车辆通过某一非常短的距离( 例如检测线圈的 宽度) 除以通过该距离的时间来近似代替地点速度值 3 4 ，3 5 ，7 9 。 ( 1 ) 时间平均速度 时间平均速度就是观测时间内通过道路某断面所有车辆地点速度的算术平均 值，一般用“，表示： i 2 专酗 ( 2 3 ) 式中：“；第i 辆车的地点速度； n 观测的车辆数。 ( 2 ) 区间平均速度 区间平均速度一般用甜。表示，为车辆行驶一定距离d 与该距离对应的平均行 驶时间( 或行程时间) 的比值： 万2 彘。覃d2覃11 n 1 ( 2 4 ) 专喜专喜詈万备i 式中：玉车辆f 行驶距离d 所用的行驶时间( 或行程时间) 甜；车辆i 行驶距离d 的行驶速度( 或行程速度) 。 此式表明区间平均速度是观测路段内所有车辆行驶速度( 或行程速度) 的调 和平均值。 ( 3 ) 时间平均速度和区间平均速度的关系 研究发现，时间平均速度和区间平均速度存在如下的换算关系： 一u t ：瓦+ 篁 ( 2 5 ) z ：一u 一篁(26)tu u j = 一士 l z b ， 有关研究人员曾用实际数据对式( 2 5 ) 进行回归分析，并得到两种平均速度的如 下线性关系 】： u ，= 1 2 6 u f - 1 8 9 0 ( 2 7 ) 等骧l乜 j j 出一出 i i “ 第二章公路隧道交通流特性分析 1 0 仃：掣：l 洲* d 百1 ：擎+ d 鬻去：华1 v l,t7u, + d 号仃= p = k + 碑百= 等+ d 等专军去= 半+ d 昙 仃= i 1 ，万1 车百1 + 蹴= ，昙+ 班= ( ，+ d ) 后 式中：，：车长；h ，：车头时距；d ：线圈长度。 时间占有率即车辆的时间密集度，就是在一定的观测时间t 内， 测器时所占用的时间与观测时间段的比值，一般用盯表示： 仃：坠 丁 式中：f ，第i 辆车占据检测器的时间； t 观测时间段。 2 3 交通流基本关系9 - 1 0 2 3 1 三参数基本关系 交通流三参数之间的基本关系式为： 车辆通过检 ( 2 8 ) q = v k ( 2 9 ) 式中：g 为平均流量( 辆小时) ；1 ，为区间平均速度( 公里小时) ；k 为平均 密度( 辆公里) 。 公式推导：后= ，r = ，g = 孚= 可n = i n v = k v ，v 流量、密度、速度三者之间的关系可由图2 1 表示： 第二章公路隧道交通流特性分析 图2 1 交通流三参素关系图 f i g2 1 t r a f f i cf i o f ft h r e ep a r e m e t e rr e i a t i o nc h a r t 从图中可以得出反映交通流特性的一些特征变量： ( 1 ) 极大流量g 。：q v 曲线的峰值。 ( 2 ) 临界速度，。：流量达到极大时的速度。 ( 3 ) 最佳密度后。：流量达到极大时的密度。 ( 4 ) 阻塞密度k ；：车流密集到所有车辆无法移动时的密度。 ( 5 ) 畅行速度y ，：也叫自由流速度，指车流密度趋于零，车辆可以畅行无阻 时的平均速度。 2 3 2 流量与速度的关系 ，。2 流量与速度的关系为：q = k j ( v - 二) ( 2 1 0 ) vl 流量与速度关系如图2 1 所示，从图中可以看出，通常速度随流量增加而降 低，直到达到最大流量g 。为止，随后流量和速度都降低。当q q 。，k 卜k 。，v - v = 任意满足两个 条件时，则属于交通不拥挤。 2 3 3 流量与密度的关系 交通流的流量一密度关系是交通流的基本关系 第二章公路隧道交通流特性分析 1 2 g 曲，( 1 一丢) ( 2 1 1 ) 流量与密度关系曲线如图2 - 1 所示，从图中可以看出，通常流量随密度增加 而增加，直到达到最佳密度k 。，随后流量随密度增加而降低。当k k 。时，表示 交通不拥挤，当k - k 。时，表示交通拥挤。 2 3 4 速度与密度的关系 常用的速度一密度线性关系模型为 归1 ，月一丢) ( 2 1 2 ) 如图2 - 1 所示，当k = 0 时， ，= 1 ，即在交通量很小的情况下，车辆可以畅行 速度行驶。当k = k ，时，1 ，= 0 即在交通密度很大时，车辆速度趋近于零。 当交通密度很大时( k - k 胛) ，采用g r e n b e r g 的对数模型，即 尼i v = 1 ，肼l n ( ) ( 2 1 3 ) 当交通密度很小时( k k 。) ，采用安特伍德的指数模型，即 一土 1 ，= v ，p k ( 2 1 4 ) 式中符号意义同上。 2 4 交通调查与数据处理 根据研究的需要，针对成渝高速公路上的中梁山特长隧道的交通现象进行了 交通调查，采集了交通流参数数据。 2 4 1 交通调查 2 4 1 1 交通调查位置如图2 2 所示 图2 2 交通调查位置示意图 f i g2 2t r a f f i ci n v e s t i g a t ep o s t i o ns k e t c hc h a r t 2 4 1 2 交通调查方法 第二章公路隧道交通流特性分析 1 3 考虑到交通调查人员数量、调查条件和调查资料的可重复利用性，本次交通 调查采取了环形线圈检测器检测的方法。线圈检测的方法就是线圈安装在调查地 点道路上，实时检测交通流参数。本次交通调查中，线圈埋设在隧道左线中部快 速道上，调查时间段为2 0 0 6 年6 月1 日周三0 0 ：0 0 - 2 4 ：0 0 ，连续检测2 4 个小时。 2 4 2 数据处理 利用环形线圈采集了每辆车的原始数据，并对其进行了统计处理。参考国外 有关高速公路正常交通流、交通拥挤研究方法【1 1 1 ，交通流参数统计间隔取2 0 s ， 即统计了单车道2 0 s 间隔内的流量、速度( 即时间平均速度，本章以下如无特别 说明均指时间平均速度) 和时间占有率。 车辆分类及换算标准，如表2 1 。 表2 1 车辆分类及车辆当量换算系数 t a b2 1v e h i c h ec i a s sa n de q u a lm e a s u r ec o r l v ( r s i o nc o e f f i c i e n t 小客车 中型客车大客车 小型货车中型货车大型货车 车辆类型 ( 4 ( 5 1 2 座) ( 1 2 座) ( 2( 2 5( 5摩托车 座)吨)吨)吨) 当量换算 1 01 o2 51 o2 52 51 0 系数 由于研究时间和篇幅的限制，论文选取有代表性的2 0 0 6 年6 月1 日一天 的调查数据来说明相关的研究内容、研究方法和研究结论。6 月1 日调查位置示 意图如图2 1 ，选取的数据观测时间段为 1 5 ：3 0 - - 1 7 ：1 0 ，隧道正常稳定交通流实 时变化情况，选取的数据观测时间段为6 ：0 0 - - 8 ：2 0 ，隧道常发性异常交通流状态 经历了畅通状态、拥挤状态、再次恢复到畅通状态以及各个状态相互之间的转化 过程，即包括了交通瓶颈的形成、扩散和消散的全部过程。选取的数据观测时间 段为2 0 ：0 0 - - - 2 1 ：1 5 ，隧道偶发性异常交通流状态经历了畅通状态、拥挤状态、再 次恢复到畅通状态以及各个状态相互之间的转化过程，即包括了交通瓶颈的形成、 扩散和消散的全部过程。 2 5 时变特性分析 隧道交通流时变特性就是指隧道交通流基本参数：流量、速度、时间占有率 随时间的变化特性。本节将以6 月1 日全天的调查数据，选取有代表性的观测 时段、观测单车道分析隧道中正常交通流和异常交通流的交通瓶颈形成、扩散和 消散整个过程中，交通流参数的变化规律。 2 5 1 稳定流实测三参数时变特性 隧道稳定交通流的流量、速度、时间占率的时变特性如图2 3 、2 4 、2 5 。 第二章公路隧道交通流特性分析 1 4 图2 3 正常稳定流交通量时变图 f i g2 3n o r m a it r a f f i cv o i u n l et i m ed i v e r s i f i c a t i 0 1 1 图2 4 正常稳定流地点速度时变图 f i 9 2 4n o r m a it r a f f i cs p e e dt i i n ed i v e r s i f i c a t i o n 图2 5 正常稳定流时间占有率时变图 f i g2 5n o r m a it r a f f i co c c u p a n c yt i m ed i v e r s i f i c a t i o n 由图2 - 3 2 5 可以看出，隧道稳定交通流，其曲线变化很平稳，没有突兀的地方 第二章公路隧道交通流特性分析 1 5 2 5 2 异常流实测三参数时变特性 ( 1 ) 隧道常发性异常交通流的流量、速度、时间占率的时变特性如图2 6 、 2 7 、2 8 。 图2 6 常发性异常交通流交通量时变图 f i g2 6f r e q u e n t i ye x c e p t i o nt r a f f i cv o i u m et i m ed i v e r s i f i c a t i o n 图2 7 常发性异常交通流地点速度时变图 f i g2 7f r e q e n t i ye x c e p t i o nt r a f f i cs p e e dt i i 舱d i v e r s i f i c a t i o n 第二章公路隧道交通流特性分析 1 6 图2 8 常发性异常交通流时间占有率时变图 f i g2 8f r e q u e n t i ye x c e p t i o nt r a f f i co c c u p a n c yt i m ed i v e r s i f i c a t i o n 上述三图说明了在隧道常发性交通拥挤形成、扩散和消散过程中交通流基本 参数流量、速度和时间占有率的变化规律。图中曲线表明，交通流从畅通状态向 拥挤状态的转变过程中，即交通瓶颈的形成、扩散过程中，速度下降，时间占有 率上升；从拥挤状态到畅通状态的转变过程中，即交通瓶颈的消散过程中，速度 上升，时间占有率下降。从整个过程来看，速度和时间占有率存在明显的变化： 速度曲线呈凹形，时间占有率曲线呈凸形，而流量则没有明显的变化，只是大体 上呈现一种下降趋势。同样超车道交通流参数的时变特性，只是在曲线形状上因 为车道不同而略有差别，但基本形状是相同的。 ( 2 ) 隧道偶发性异常交通流的流量、速度、时间占率的时变特性如图2 9 、 2 1 0 、2 1 1 。 图2 9 偶发性异常交通流交通量时变图 f i g2 9e p i p h e m o m e n o ne x c e p t i o nt r a f f i cv o i m i l l et i m ed i v e r s i f i c a t i o n 第二章公路隧道交通流特性分析 1 7 图2 1 0 偶发性异常交通流地点速度时变图 f i g2 1 0e p i p h e m o m e n o ne x c e p t i o nt r a f f i cs p e e dt i m ed i v e r s i f i c a t i o r 图2 1 1 偶发性异常交通流时间占有率时变图 f i g2 ”e p i p h e m o m e n o ne x c e p t i o nt r a f f i co c c u p a n c yt i 鹏d i v e r s i f i c a t i o n 上述三图说明了在隧道偶发性交通拥挤形成、扩散和消散过程中交通流基本 参数流量、速度和时间占有率的变化规律。图中曲线表明，与隧道常发性交通拥 挤三参数曲线形状基本相同，但速度、时间占有率在突变点处变化更加剧烈。 2 6 三参数相互关系研究 隧道交通流基本参数之间的相互关系是隧道交通流特性的另一个重要方面 【4 ，5 ，1 1 。1 2 】。如前所述，交通流基本参数为流量、速度和密度，其中速度可用区间平 均速度表示，也可用时间平均速度表示，密度也可用时间占有率表示。这些参数 中密度和区间平均速度是不能实时检测的，这给交通流模型的应用带来很多困难， 而密度和区问平均速度的等效参数：时间占有率和时间平均速度是可以实时检测 的 3 s 一4 0 。因此，论文交通检测数据对交通流实时检测三参数：流量q 、时间平均 速度u 和时间占有率盯之间的关系【1 3 。1 4 】进行研究。 第二章公路隧道交通流特性分析 本节的流量数据直接采用各车道2 0 s 间隔内的车辆数，单位为v e h 2 0 s ，速度 的单位为公里d , 时 2 6 1 流量她点速度关系 ( 1 ) 隧道稳定交通流的流量、地点速度相互关系特性如图2 1 2 。 图2 1 2 稳定流q v 图 f i g2 1 2n o r m a it r a f f i cf i o wf f - vc h a r t 从图2 1 2 ( 地点速度流量) 可知：流量与地点速度呈现负斜率的函数关系，即 当流量增加时，车流平均地点速度渐渐降低，当流量从2 v e t d 2 0 s 增到期1 3 v e h 2 0 s 时，其平均地点速度从8 0 公里d , 时降到5 5 公里j 、时。在此范围内属于稳定流。 ( 2 ) 隧道常发性异常交通流的流量、速度相互关系特性如图2 1 3 。 图2 1 3 常发性异常流q _ v 图 f i g2 1 3f r e q u e n te x c e p t i o n a it r a f f i cf l o wo - vc h a r t 从图2 1 3 ( 地点速度流量) 可知：地点速度与流量的关系略呈抛物线状，在此 抛物线上半段曲线曲率较小且较平缓，当流量从l v e h 2 0 s 增至1 1 v e t d 2 0 s 时，其地 点速度则从8 0 公里d , 时降到5 8 公里d , 时，下半段曲线的曲率较上半段大，当流 第二章公路隧道交通流特性分析 1 9 量从l o v e h 2 0 s 降至l v e h 2 0 s 时，其地点速度从3 0 公里d , 时降到l o 公里d , 时。 ( 3 ) 隧道偶发性异常交通流的流量、速度相互关系特性如图2 1 4 。 偶发性异常交通流 l u u 芝8 0 黧：i 一： 量? fi i ；l ”。：，7 、蓊 雩 6 0 嗣 趟4 0 蓬2 0 舞 u o24681 01 2 交通量( v e h 2 0 s ) 图2 1 4 偶发性异常o - v 图 f i g2 1 4e p i p h e n o m e n o ne x c e p t i o n a it r a f f i cf i o wq - vc h a r t 从图2 1 4 ( 地点速度流量) 可知：地点速度与流量的关系略呈抛物线状，在此 抛物线上半段曲线曲率较小且较平缓，当流量从l v e h 2 0 s 增至9 v e h 2 0 s 时，其地 点速度则从8 0 公里d , 时降到5 8 公里d , 时，下半段曲线的曲率较上半段大，当流 量从8 v e h 2 0 s 降至2 v e h 2 0 s 时，其地点速度从3 0 公里d , 时降到0 公里d , 时。说 明存在交通流中断的情况。 2 6 2 流量一时间占有率关系 ( 1 ) 隧道稳定交通流的流量、时间占有率相互关系特性如图2 1 5 。 图2 1 5 稳定流q 一仃图 f i g2 1 5n o r m a it r a f f i cf i o wo - oc h a r t 从图2 - 1 5 ( 流量- 时间占有率) 可知，当时间占有率小于2 5 时，流量与时间占有 率存在正相关线性关系，属于稳定交通流。 第二章公路隧道交通流特性分析 ( 2 ) 隧道常发性异常交通流的流量、时间占率的相互关系特性如图2 1 6 。 图2 1 6 常发性异常流o - 仃图 f i g2 1 6 r e q u e n te x c e p t i o n a it r a f f i cf i o wo - 0c h a r t 从图2 1 6 ( 流量，时间占有率) 可知，当时间占有率小于2 5 时，流量与时间占有 率存在正相关线性关系，属于稳定交通流；当时间占有率大于3 5 时，所收集的 样本呈散乱状，属于拥挤交通流；此时流量与时间占有率略呈抛物线状。说明交 通流运行经历畅通和拥挤两种状态时，数据将聚集成两个区域，分别对应畅通状 态和拥挤状态，两种状态相互转化时存在数据间隙。 ( 3 ) 隧道偶发性异常交通流的流量、时间占有率相互关系特性如图2 1 7 。 图2 17 偶发性异常q 一盯图 f i g2 1 7e p i p h e n o m e n o ne x c e p t i o n a it r a f f i cf i o wo - 0c h a r t 从图2 - 1 7 ( 流量时间占有率) 可知，当时间占有率小于2 0 时，流量与时间占有 率存在正相关线性关系，属于稳定交通流；当时间占有率大于2 0 时，所收集的 样本呈散乱状，属于拥挤交通流，此时流量与时间占有率略呈抛物线状。 2 6 3 地点速度一时间占有率关系 第二章公路隧道交通流特性分析 2 1 ( 1 ) 隧道稳定交通流的地点速度、时间占有率相互关系特性如图2 1 8 。 图2 1 8 稳定流v 一盯图 f i g2 1 8n o r m a it r a f f i cf i o wv 一0c h a r t 从图2 1 8 ( 地点速度时间占有率) 可以看出，当时间占有率在2 5 以内，平均 地点速度变化较为平坦，大约从8 0 公里d , 时降到5 5 公里d , 时。地点速度与时间 占有率呈现负斜率的函数关系，即当时间占有率越低，地点平均速度就越快。 ( 2 ) 隧道常发性异常交通流的地点速度、时间占率的相互关系特性如图2 1 9 。 图2 1 9 常发性异常流r 盯图 f i g2 1 9f r e q u e n te x c e p t i o n a it r a f f i cf i o wv 一0c h a r t 从图2 1 9 ( 地点速度时间占有率) 可以看出，每2 0 s 的平均地点速度多集中在 5 5 公里4 , 时到8 0 公里小时和l o 公里d , 时到3 0 公里d , 时之间；时间占有率相对 集中在0 2 0 和3 5 8 0 之间。地点速度与时