（安全技术及工程专业论文）基于支持向量机的交通事件检测建模与分析.pdf

匕塞交遭叁堂亟堂位i 金塞 旦墨! 丛篁 a b s t r a c t a b s t r a c t ：i nr e c e n ty e a r s ，c h i n a sr o a d w a yi np a r t i c u l a ro ft h eh i g h w a y sh a da r a p i dd e v e l o p m e n t t h i sb r o u g h tt r e m e n d o u sc h a n g e st ot h ep e o p l e ，b u ta tt h es a m e t i m ei tb r o u g h tal o to ft r a f f i cj a m sa n da c c i d e n t t h r o u g hr e s e a r c ht h et r a f f i ci n c i d e n t d e t e c t i o n ，w ec a l lf i n dt h ei n c i d e n ta ss o o na sp o s s i b l e ，a n dr e d u c et h el o s s e st ot h e m i n i m u m f i r s t ，w eg i v ea ni n t r o d u c t i o no ft h er e s e a r c hs t a t u so f t h et r a f f i ci n c i d e n td e t e c t i o n t h e ng i v et h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h er e s e a r c h a f t e rt h i s ，w eg i v ea d e s c r i p t i o no ft h et r a f f i cd e t e c t o r w eg i v et h et r a f f i ci n c i d e n ta l ld e f i n i t i o n t h e ng i v e a l l a n a l y s i s o ft h e p r i n c i p l eo ft h et r a f f i c i n c i d e n td e t e c t i o n ，s i n g l e c r o s sa n d d o u b l e - c r o s ss e c t i o nd e t e c t i o n t h e ng i v et h ea n a l y s i so ft h et r a f f i ci n c i d e n td e t e c t i o n m e t h o d s ，a n do ft h es u p p o r tv e c t o rm a c h i n e s ，a n dt h ee v a l u a t i o ni n d i c a t o r ss oo n w e g i v ea l li m p r o v e m e n to ft h e e v a l u a t i o ni n d i c a t o r s g i v ea na n a l y s i so ft h ef a c t o r so nt r a f f i cf l o w t h e ng e tt h ei n c i d e n t - r e l a t e df a c t o r s t h i sf a c t o rw i l lb et h em o d e li n p u tf a c t o r t h i sp a p e rp r o v i d e sa no r t h o g o n a le x p e r i m e n t m e t h o dt os e l e c tt h ep a r a m e t e ro fs v m t h e nw ed oe x p e r i m e n tb a s e do nt h e1 - 8 8 0 d a t a b a s e ，a n dg e tas a t i s f a c t o r yt e s tr e s u l t f i n a l l yw ea n a l y z et h ea p p l i c a t i o no ns e t t i n g o ft h et r a f f i cd e t e c t o ra n dt h er e b u i l do ft h er o a da n ds oo n t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t s ，t h et r a f f i cf l o wa n dt h et r a f f i ci n c i d e n th a v eav e r yc l o s e r e l a t i o n s h i p t h ep a p e rv e r i f i e st h es v m c a ng i v eas a t i s f i e dr e s u l to ft h ed i c t i o n a n d w eg i v ea ni m p r o v eo ft h ee v a l u a t i o ni n d e x ，a n dt h i si n d e xi sm o r ec o n v e n i e n ta n d e 仟e c t i v e k e y w o r d s ：t r a f f i ci n c i d e n td e t e c t i o n s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e t r a f f i cd e t e c t o r t r a 伍ci n c i d e n tt r a f f i cf l o w c l a s s n o ： 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) 学位论文储躲秘亥 签字醐：翮年莎月尸日 导师签名：兹免j f i 莩， 签字日期：幻喟年月7 日 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，除了文中特别加以标注和致谢之处外，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已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位做作者签名侮葱啄签字胁伽少年厂月矿日 6 7 致谢 本论文的工作是在我的导师肖贵平教授的悉心指导下完成的，肖贵平教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来 肖贵平老师对我的关心和指导。 肖贵平教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向肖贵平老师表示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，贾利民教授、秦勇教授、王艳辉老师、王卓 老师、蔡国强老师、徐杰老师等老师给予我很大的帮助，张遵栋师兄、张晔师姐、 以及战世格、娄宝珠等同学对我论文中的研究思路以及实验过程中给予了热情帮 助，在此向他们表达我的感激之情。 在这里，特别要感谢董宏辉老师，董宏辉老师从我论文的选题到资料的分析， 一直到最后论文的成文和答辩的准备，董宏辉老师都给予我很多的指导，在这里 表示由衷的感谢。 感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1绪论 1 1研究目的和意义 近年来，我国的交通事业发展迅猛，特别是道路交通发展更是如此，促进了 经济发展和社会进步。但是随着我国道路的发展，道路的交通事件也是频繁发生 给社会造成危害。这里所指的交通事件主要是指导致道路通行能力下降或交通需 求不正常升高的情况。一般会包括发生事故或是非规律性拥堵现象。这些交通事 件不仅会造成道路运营效率的降低，还会造成交通安全问题，特别是有可能造成 二次事故，对社会及个人会造成非常大的伤害。因此对于交通事件检测的研究一 直受到人们的关注。 各国在发展交通的同时，也积极的发展智能交通管理控制技术。针对道路交 通检测技术方面也有很多的成果，并且在一些实际的道路上得以实施，并取得了 一定的效果，为今后智能交通技术的发展打下了基础。但是之前的各种交通检测 技术普遍存在检测率低、误报率高、检测时间长等其中的一个或者几个不足之处。 这样的一种情况不能满足现在的交通发展状况，需要更加可靠的检测方法来进行 智能检测和控制。近些年来，人工智能理论、通信技术、地理信息系统及最优控 制理论等理论技术在智能交通上的成功运用，使得交通事件检测技术的提升得到 了保障，产生了一些新思路和新方法。 本文选题的重要现实意义和理论价值，主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 对于道路管理的智能化具有重要作用 随着我国道路交通的不断发展，特别是高速公路的不断建设，对于道路的管 理提出了更高的要求。传统的公路管理手段明显已经不能适应现在的发展形势， 面对不断发展的道路交通，研究、开发、使用先进有效的道路交通事件检测技术 是必然的。对于提高道路管理的水平，减少管理成本、减少事故发生后的反应时 问、减少二次事故数量、提高效率等方面起到了积极作用。 ( 2 ) 确保道路的稳定高效与畅通 道路交通事件检测技术能够有效地提高道路管理机构的效率，降低反应时间， 使得广大的道路网络在发生交通事件之后在比较短的时间内，即可以获得反馈， 迅速派出人力物力前去支援解救，能够迅速的缓解或消除交通事故或者交通拥堵， 特别是大大降低了二次事故的发生概率，尽量减少了交通事故对于道路交通的负 面影响，进而可以组织人力物力前去疏导，保证了道路交通的畅通无阻，最大限 度地提高交通事件条件下的道路交通的效率。 7 ( 3 ) 保障了道路交通的安全 对于可以预测的交通事件，通过交通事件检测技术，一方面在发生事故之后 马上可以进行重点侦查和解救，另一方面，根据以往的数据，我们可以预测一部 分交通事件，对于道路交通的安全状况将是一种改善。 ( 4 ) 保障了道路交通事故的实时救援工作 利用先进的交通事件检测技术，能够有效地提高道路交通事件的检测效率和 效果，能够快速的发现交通事件，为交通管理部门提供最快的事故情况，保证了 他们能在第一时间去救援事故现场，能够通知到基层工作人员，增强了发生交通 事件地段的车辆、人流疏散的灵活性，从而大大降低了交通事件对道路运行产生 的负面影响，对于紧急救援工作是一个有利好的保障。 ( 5 ) 对以后的研究工作有一定的参考价值 本文重点研究的是基于支持向量机技术的交通事件检测方法。包括总结了以 前的几种经典的交通事件检测算法，交通事件检测算法的输入变量设计、参数设 计、对实际交通状况进行交通事件的检测并尝试对不同流向的交通流进行混合分 析。本方法对于道路的新建与改建、检测器的位置布局的应用讨论都是一种有益 的尝试。是对现有交通事件检测技术手段和方法的丰富，对以后的工作有一定的 参考价值。 综上所述，对于道路交通事件检测技术的研究是非常必要的，充分利用现代 智能理论和先进技术手段来构建性能良好效率较高的检测系统是完全必要和可能 的。开展该领域的研究对于提高道路管理部门的智能化、提高道路交通运行的效 率、保障交通安全和应急救援工作的顺利进行以及对于以后该方面的研究工作， 都是非常有意义的。 1 2 研究背景 铁路、道路、水运和航空是人们出行的主要方式。而其中道路交通方式又是 最主要的一种方式，与人们的生活密切相关。1 9 3 2 年德国修建了世界上第一条高 速公路，彻底改变了人们的时空观念与生活节奏，使人们的出行更为方便、舒适、 安全和快速，社会生活质量大大提升。它促进了货物运输在信息、组织、集散、 运送、服务等方面向快速优质方向发展，使整体道路服务水平得到了大幅度提高。 目前，全世界已有8 0 多个国家和地区拥有高速公路，通车总罩程超过了2 3 万公 里。其中美国位于第一，拥有高速公路的总里程为8 8 万公里，约占世界高速公 路总里程的一半。已完成以州际公路为核心的高速公路网，连接了所有5 力人以 上的城镇。加拿大、德国、法国等国家的高速公路总里程分别位居世界第三、四、 8 五名【l 】。 我国高速公路发展开始比较晚，但是发展很迅猛，1 9 8 8 年1 0 月3 1 日上海至 嘉定1 8 5 公里的第一条高速公路正式建成通车。之后发展非常迅猛，1 9 9 9 年突破 l 万公里，2 0 0 1 年达到1 9 万公罩，2 0 0 4 年突破3 万公里，2 0 0 5 年达到4 1 万公 里。2 0 0 6 年我国高速公路总旱程进一步达到4 5 4 万公里，稳居世界第二1 2 j 。公路 的发展，极大地提高了我国公路网的整体技术水平，优化了交通运输结构，缓解 了交通运输对国民经济的“瓶颈 制约作用，有力地促进了我国经济的快速发展 和社会进步。道路成为经济发展的先行官，预示着本地经济的大发展，同时也拉 动了消费。 但是道路发展，特别是高速公路发展给人们带来快捷、舒适和便利的同时， 也产生了一系列的问题。一旦发生事故会造成严重的人员及财产损失，而且在途 车辆要忍受事故之后的拥堵。一般来说，高速公路的车流量大，速度高，一旦发 生交通事故则会比一般道路还要严重得多。不仅一次事故殃及的车辆多、伤亡率 高，会造成严重的交通阻塞和行车延误，而且还会引起二次事故的发生，产生严 重的负面影响。2 0 0 4 年美国马罩兰州发生一起恶性高速公路交通事故，一辆载有 易燃液体的油罐车突然撞上了路边的隔离墩，然后冲进了过往车辆很多的9 5 号 州际公路，与其他车辆相撞，造成4 人以上死亡。致使高速公路暂时关闭，导致 道路交通严重拥挤，甚至波及到4 5 分钟路程以外的华盛顿地区【3 j 。美国每年因交 通事故致死的人数超过4 万人，由此造成的经济损失超过1 5 0 0 亿美元嘲。我国公 安部通报的最新全国道路交通事故统计分析表明，2 0 0 7 年全国共发生道路交通事 故3 2 7 2 0 9 起，造成8 1 6 4 9 人死亡，3 8 0 4 4 2 人受伤，直接财产损失1 2 亿元，其中 高速公路交通事故死亡人数达5 9 2 5 人，情况比较严重i s 。频繁的交通事件及交通 拥挤不仅给道路交通带来了严重影响和极大危害，还造成了系列交通安全、二 次事故、环境污染及能源浪费等严重问题。所以必须加强道路交通事件检测技术 的研究，从而保障人民的生命财产安全，对社会和国家的发展都有着非常重要的 意义。 欧美日等发达国家对于智能交通己经投入了大量的资金进行研究和实施。特 别是上世纪九十年代，在大规模的智能交通基础设施建设和智能交通监控技术上 有非常大的投入，比如欧洲的r d s ( r a d i od a t as y s t e m ，广播数据系统) t m c ( t r a f f i e m e s s a g ec h a n n e l ，交通报文频道) 交通信息服务系统、日本的v i c s ( v e h i c l e i n f o r m a t i o nc o m m u n i c a t i o ns y s t e mc e n t e r ) 系统等，其中就包括道路交通检测技术， 这些智能交通技术及设施综合运用了电子控制技术、信息技术、数据通信技术、 智能技术、计算机处理技术以及系统工程理论等。当然这些技术及理论也运用到 交通事件检测技术中，以解决交通效率与安全问题1 6 l 。 9 交通事件检测是通过对所采集的交通信息进行分析处理，快速判定是否有交 通事件发生。但是由于原有的交通信息采集技术相对比较落后，所采集的交通流 数据非常有限，难以有效地对所开发的交通事件算法进行标定，参数标定不准确， 致使算法的识别效果不理想。另外原有的交通信息采集和传输设备的可靠性及数 据传输过程的抗干扰性差，很容易给交通事件检测算法带来相当大的系统误差， 导致误报。还有就是原有的数据分析技术相对单一和有限，在一定程度上增加了 交通事件检测算法在数据处理上的难度和复杂性，使得算法研究一直处于一种实 验室阶段，不能实际运用，即使运用也很可能出现上面所说的那种情况，误报率 高，检测率低，检测时间比较长，也就是说，实际效果比较差，不能被交通使用 部门认可也是情理之中的事。 随着智能理论的出现以及完善和交通新技术的不断发展，使得交通事件检测 技术的发展有了基础，交通事件检测技术获得了比较好的发展，其中智能算法是 一个非常重要的方向，交通事件自动检测( a u t o m a t i ci n c i d e n td e t e c t i o n ，a i d ) 算 法实现对道路上发生的交通事件的检测，交通事件自动检测算法由于受到的限制 比较小，效果也比以前的方法有效，本部分成为交通事件自动检测的一个主要方 向。 可见，由于道路交通的发展，道路交通的安全和效率问题的凸显，使得各个 国家对于交通事件检测技术都不得不重视。并且随着智能理论的丰富，以及交通 信息检测设备的改良，从算法理论和实际数据两个方面支持着这个方向的前进。 交通事件自动检测算法成为其中最重要的方向，而且有以上的内容作为基础，发 展十分迅速，并且在实际运用上也有不错的效果。 1 3论文的结构和和技术路线 本文首先将会介绍以前的主要交通事件检测方法以及它们的不足之处，然后 介绍依托于支持向量机技术的交通事件检测方法，对这种交通事件检测方法进行 深入分析研究。研究的重点内容包括：传统交通事件检测算法的优点与不足，基 于支持向量机的交通事件检测模型的结构，检测模型的参数设计，核函数的选择， 基于交通流数据的事件检测，以及基于支持向量机的交通事件检测算法在新建道 路及改建既有路段上的应用和在交通检测器的优化布置方面的应用。 论文重点研究了以下内容： ( 1 ) 经典交通事件检测算法的分析与优缺点比较。 ( 2 ) 与交通事件相关的交通流等参数的分析。 ( 3 ) 确定交通检测算法的输入变量及算法的参数的选择。 1 0 ( 4 ) 基于美国加州1 - 8 8 0 交通数据库实际数据进行交通事件检测算法实验。 ( 5 ) 分析交通事件检测算法的应用。 论文的章节结构如下： 第一章绪论：主要介绍本文问题的来源、研究的目的意义和研究背景，明确 本文的研究内容和研究重点，理顺文章的结构。 第二章研究现状：对国内外的交通事件检测算法的研究应用现状进行总结， 说明并阐述了国内外的各种交通事件检测算法的优点与缺点。 第三章交通事件检测方法原理的论述：主要介绍了本文所指的交通事件的含 义，一般交通事件检测的基本原理，还有就是对交通事件所引起的交 通流变化显著程度判别。 第四章研究基础：本文用到的相关支持向量机的基本原理进行说明，并对交 通事件检测算法的评价指标进行改进。 第五章交通事件相关因素分析和检测算法结构的确定输入变量和参数 的确定：通过对各种与交通事件相关的交通参数进行分析获取检测算 法的输入变量，并对支持向量机的参数选择进行分析，给出一种正交 实验的方法，来选择参数。 第六章根据输入变量以及算法参数和设计的流程结构，对交通事件进行检测 实验，获取实验结果，并分析核函数与数据特征的关系，给出算法的 应用。 第七章结论：总结全文工作，并回顾研究过程和研究内容，指出论文的不足 之处。 文章的研究思路如下图1 1 所示： 1 4 小结 图1 1 本文研究思路 本章分析了论文的研究目的意义及研究背景，阐述了交通事件检测的重要性。 给出了本论文研究的主要思路和论文结构，并对每章的内容进行了概述。 2研究现状 2 1交通事件检测算法的研究 交通事件的检测，主要通过两种方式，一种是人工发现的方式，一种是自动 检测的方式，在道路规模比较小，交通需求也不是很旺盛的情况下，人工方式也 是可以确保交通运行正常的。随着经济的发展，道路特别是高速公路的规模和交 通需求的不断增长，道路交通的一系列问题随之出现，恶性交通事故不断发生， 严重威胁着人民生命和财产的安全，给道路交通的运行带来了严重影响。解决当 前道路交通问题的方法就是提高交通管理的水平，提高智能化程度，在交通事件 检测算法的研究和交通检测器的研制及传输上提高水平。 经典交通事件自动检测系统的基本结构如图2 1 所示，在一个路段上，设置好 交通检测器，确定一个交通方向和上下游方向，通过比较上下游交通流量的变化 情况确定是否有交通事件的产生。 图2 1交通事件检测系统结构图 2 1 1国内交通事件检测算法的研究 我国的交通事件检测算法开始研究的比较晚，交通监控系统也相对比较滞后， 但是一些专家学者在检测算法的设计以及应用上也有很大的建树。 刘伟铭提出了基于小波包分析的交通事件检测算法，给出了利用小波变换进 行交通事件检测方法的步骤，弥补了小波变换的不足【7 】，具有经典方法所无法比拟 的优点。李文江提出了一种基于小波分析的交通事件检测算法，利用数据进行实 验。高昕给出了m a l l a t 塔式算法的公式，采用小波变换的方法进行交通事件检测， 并给出了利用小波变换进行交通事件检测方法的程序流程图，利用实际数据进行 了分析，结果表明小波分析用于交通流数据分析有其突出的优点【8 1 。周雪铭提出了 一种同时基于小波分析和神经网络的交通事件检测算法，给出交通事件的信剧叫。 1 3 姜紫峰提出从多层前向人工神经网络角度建立模型，与经典算法比较表明， 具有检测率高、误报率低、检测时间短的优点，同时也存在有学习速度慢、各参 数实际意义不明确、训练具有局限性等不足之处【1 0 1 。姜桂艳提出了一种具有三级 报警制度的高速公路交通事件自动检测系统，并以人工神经网络技术为依托，设 计了基于单个检测设施的交通事件检测算法1 】。吕琪将一种新型的动态神经网络 结构与传统的基于状态估计的故障检测方法相结合，提出了一种基于动态神经网 络的交通事件检测算法【l 引。樊小红针对神经网络交通事件检测算法的缺陷，提出 遗传算法与神经网络相结合的交通事件检测算法，应用遗传算法优化交通事件检 测的神经网络模型参数，得到交通事件发生与交通参数问的映射关系【l 引。 周伟提出了一种基于模糊综合识别的交通事件检测算法，确定了流量、速度、 上下游占有率各模糊集的隶属函数，并运用实际数据进行验证【1 4 1 。杨兆升等提出 应用模糊综合决策模型来进行多目标多传感器的信息融合，来解决在交通事件中 的多传感器的交通事件识别问题，该模型具有信息损失少，计算量少，且实用性 强等特点【1 5 】。 宫晓燕提出一种基于非参数回归的短时交通流量预测与交通事件检测综合算 法框架并对框架中的每个步骤进行详细说明1 1 6 1 。刘伟铭针对目前我国高速公路上 存在着埋设检测器数量少、间距大的现状，提出了将主线检测器得到的信息和收 费e l 处得到的信息进行融合来判断交通事件的发生的方法【1 7 1 。 姜桂艳提出了一类基于支持向量机( s v m ) 的高速公路交通事件自动检测算 法，依据所选取的交通参数设计了反映交通状态的特征向量，针对不同类型的支 持向量机设计了不同的交通事件检测算法，并运用模拟数据进行了对比分析。梁 新荣提出了用支持向量机分类方法研究高速公路交通事件检测问题，根据交通事 件对交通流参数的影响规律选择了支持向量机的输入量，并进行了仿真研究i l 引。 陈斌建立了基于支持向量机的高速公路意外交通事件检测模型，利用自主开发的 e a d 2 s i m u l a t i o n s 系统所建立的数据库进行仿真试验，并研究了单侧输入与双侧输 入、不同输入特征因素组合的性能指标。裴瑞平提出了一种基于小波变换和最小 二乘支持向量机的交通事件自动检测算法，利用小波变换提取特征数据，使用最 小二乘支持向量机进行分类。 2 1 2国外交通事件检测算法的研究 最经典的两种交通事件检测算法是加利福尼亚算法和m e m a s t e r 算法。最早开 发并投入使用的交通事件检测算法是加利福尼亚算法。这种算法开发于1 9 6 5 1 9 7 0 年之间，始用于洛杉矾公路管理控制中心f 1 蝴2 1 。p a y n e 和t i g n o r 公布了10 种基于 1 4 最初的加州算法的改进交通事件检测方法，其中性能最好的是加州# 7 算法和加州 # 8 算法。 另外一种经典的交通事件检测算法就是p e r s a u d 根据突变理论开发的 m c m a s t e r 算法。使用大量的拥挤和非拥挤交通状态下的“流量一占有率 历史数 据，开发一个“流量一占有率 分布关系模板，通过将观测数据之间的关系与模 板进行两次比较，判断是否发生了交通拥挤以及发生的是偶发性拥挤还是常发性 拥挤【2 3 哪】。 还有标准偏差法也是经典算法之一，德克萨斯州交通协会( t 下i ) 在1 9 7 0 1 9 7 5 年期间开发了以判别突发交通事件为主要功能的标准偏差( s n d ) 算法，用于休 斯顿海湾公路( 1 - 4 5 ) 的交通监视和控制中心。 另外一种经典算法就是指数平滑法，c o o k 开发了一种双指数平滑( d e s ， d o u b l ee x p o n e n t i a ls m o o t h i n g ) 算法，用于对突发交通事件的判别。 另外，还有贝叶斯算法，使用两个相邻检测器之间占有率的差值对所发生的 拥挤进行判别；自回归移动平均方法a r i m a ( a u t or e g r e s s i v ei n t e g r a t e dm o v i n g a v e r a g e ) ，以单个检测器提供的占有率为输入数据，建立了一个三阶a r i m a ( 0 ，l ，3 ) 模型对占有率及其置信水平进行短期预测；高占有率算法( h i o c c ) ，运 用环型线圈检测器获得的占有率数据判别缓行车辆的存在，判别交通事件的产生； 英国道路交通研究实验室( n 汛l ) 开发的模式识别算法( p ：a t r e g ) ；动态模型算 法；低通滤波算法【2 趴。 这些都是经典的交通事件检测算法，其中特别是加利福尼亚算法和m c m a s t e r 算法等算法的公认程度最高，随着交通科技以及相关理论的发展，智能理论逐步 运用到交通事件检测中来，包括神经网络理论、模糊控制理论、支持向量机理论 等。 最早将神经网络理论用于交通事件检测的是c h e w 等人，设计了人工神经网 络结构模型，并取得了良好的检测效果。之后c h e w 和r i t c h i e 又开发了改进的 算法，该神经网络由输入层、中间层和输出层三层组成，输入层由上、下游流量、 速度、占有率组成，中间层处理数据，输出层产生交通事件和非交通事件信号， 最终判断是否有交通事件产型2 9 1 。 最早将模糊逻辑理论应用于交通事件检测的是h s i a o 等，通过模糊集中的隶属 度函数，使交通模式分类这种复杂的高维问题得到了较好解决。c h a n ge c 和 w a n gs h 提出了改进的模糊逻辑交通事件检测算法，在高流量的条件下把模糊逻 辑应用到加州# 8 算法中【3 0 】。 最早将支持向量机技术应用到交通事件检测中的是f a n gy u a n 和r u e yl o n g c h e u ，分别运用主干路网的模拟数据和加利福尼亚的1 - 8 8 0 高速公路实测数据进 1 5 行测试，并与多层前反馈神经网络测试结果比较【3 。 人工智能理论和手段的引入，极大地推动了道路交通事件检测算法的研究进 展。自上世纪9 0 年代以后，相继推出的人工神经网络算法、模糊逻辑算法、概率 神经网络算法、模糊逻辑遗传算法、支持向量机算法等一系列人工智能算法等， 大大提高了交通事件的检测效率与效果。 综合国内外交通事件检测的研究历史与现状可见，在道路交通事件检测算法 的研究过程主要经历了早期的基于模式识别、统计分析和突变理论的经典交通事 件检测算法研究阶段及后期的人工智能算法研究阶段。早期的交通事件检测算法 研究相对全面、系统和成熟，具有许多公认的经典算法，这些算法在道路交通事 件检测中发挥了重要作用；而后期的人工智能道路交通事件检测算法则是基于新 兴的理论和技术研究开发，多数仍在研究和探索中，但在交通事件检测效率和效 果上比较令人满意。 2 2交通检测器 固定型交通检测器和移动型交通检测器是交通事件检测算法常用的两种数据 来源，到底需要运用固定型交通检测器或是移动型交通检测器或者是两个结合的 使用，需要考虑具体的交通事件检测算法的结构原理和输入变量。 一般选择时会有几个重点需要注意的地方：交通检测器所检测出来的数据必 须能够满足检测算法全部需要的参数个数的需要；检测到的数据的精度也必须是 能够满足算法的精度要求。在实际运用中，还要考虑到实际的情况，比如当地的 气候条件等等，因为有一部分的交通检测器对环境的要求还是比较严格。另外就 是从经济的角度来考虑这个问题，上面的参数的个数、精度以及具体环境条件都 满足要求之后，就是要从经济的角度考虑问题。从这些可选的方案内选择成本低、 效果好、维护难度低的方式，这就是到底要选择那种交通检测器的一些常用的判 别方法。 下面分别对常用的这两大类检测器进行说明。 2 2 1固定型交通检测器 作为交通事件检测需要用到的固定型交通检测器一般分为磁频检测器，视频 检测器，波频检测器等，介绍如下： 一、磁频检测器 原理：通过测量到车辆的磁场或磁性介质的空间分布来进行检测。主要代表 1 6 是环型感应线圈。环型感应线圈是交通数据采集系统中使用最为广泛的检测器之 一。 检测对象：单组环型感应线圈可以检测交通流量、占有率、车型种类和车头 时距4 个交通参数；两组环型感应线圈还可以测量车辆平均速度。 优点：技术成熟，价格低廉，不受气候等条件的影响，检测精度非常高。 缺点：修理和维护需破坏路面，从而中断交通，且易被重型车辆或路面修理 等损坏，环型感应线圈安装位置的选择对检测精度有较大的影响。 二、视频检测器 原理：利用车辆的光学特性测量交通参数，是通过闭路电视或数字照相机、 摄相机来进行采集交通图像，并将其转换成数字信息。 检测对象：交通流量、速度、占有率、交通密度、车头时距以及车辆类型。 优点：能够直接提供交通的拥挤状况，可为交通管理者提供图信息，可同时 检测多个车道的交通参数。 缺点：雨、雾等气候条件对检测精度有很大的影响，小型车辆易受大型车辆 的遮挡而不容易检测到。 三、波频检测器，主要包括微波检测器、超声波检测器、红外线检测器等， 是利用红外线、超声波或雷达波主动探测车速或车的外形特征。 ( 1 ) 微波检测器 原理：以光速、带宽为2 5 2 4 0 g h z 的频率发射电磁能。 检测对象：交通流量、平均速度、车型。 优点：对气候条件不敏感，适应2 4h 运行，可以检测多车道交通参数，也能检 测出静止车辆的存在。 缺点：检测器的安装精度要求较高，道路具有铁质分隔带时，检测精度将受 其影响而降低。 ( 2 ) 超声波检测器 原理：以2 0 - 2 0 0k h z 的频率发射出声波，在空气中以7 4 0m p h 的速度传播， 通过测量从发射器发出的声波到达路面后返回的时间与到达通过车辆的车顶后返 回的时间差来判断车辆的类型。 检测对象：车辆速度、占有率、车辆类型、排队长度。 优点：检测器体积小，易于安装，且可以移动，使用寿命较长。 缺点：检测精度受环境影响较大，检测范围比微波检测器小。 ( 3 ) 红外线检测器 a ：激光红外雷达检测器 原理：以光速、一定带宽的频率发射电磁能。 1 7 检测对象：交通流量、车速、占有率和车种类型。 特点：适用于白天和黑夜情况。 b ：被动红外检测器： 原理：本身不发射能量，而是检测目标发射的能量，通过检测道路和车辆发射的 能量差，来检测。 检测对象：交通流量、占有率、车辆存在的信息。 特点：可以侧向方式检测多车道交通参数，也可以检测出静止车辆的存在， 但是易受气候等环境因素的影响。 2 2 2 移动型交通检测器 移动型交通检测器的数据用于交通事件检测的实例还是比较少的，首先就是 因为数据的不足。移动型检测器通常是指交通检测车，也就是通常提到的浮动车。 把定位和通信设备安装在指定的车辆上之后，行使在路上，来进行实时数据的采 集。这里综合运用了g i s 、通信、定位等多项技术，通过设备对采集到的交通信息 进行传输，通过一定的分析及算法获得是否有交通事件的出现【4 2 】f 4 3 】。 浮动车与普通车在交通参与人员感觉来没有任何的差别，对驾驶员没有任何 影响，所以对于采集到的交通流数据可以完全相信。国外对于移动检测技术已经 有比较多的研究，比如欧洲的e u r o s e o u t ，9 0 年代早中期美国芝加哥地区的 a d v a n c e 。韩国也于1 9 9 6 年左右开始了“韩国道路交通信息中心 ( k o r t i c ) 系 统的研究我国2 0 0 8 年奥运会规划中，确定北京的出租车作为浮动车，进行数 据的采集工作。总体来讲，我国这方面的作为还比较小，通过数据进行的研究更 少一些。 所以单独通过移动型交通检测器去做交通事件检测，现在还不太现实，但是 随着浮动车数量的增多，一将来会成为一个方向。 2 3 小结 本章回顾了交通事件检测算法的国内外的研究现状，并对交通事件检测的数 据来源交通检测器进行分析说明，为交通事件检测提供依据和基础。 3交通事件检测原理分析 3 1基本概念 3 1 1交通拥堵 交通拥挤的程度是交通状态的一个度量。而交通拥挤的量化定义主要有如下 三种： 一、日本道路公团对城市高速公路的交通拥挤定义：以时速4 0 公里每小时以 下低速行驶或反复停车、启动的车列连续1 公里以上并持续1 5 分钟以上的交通状 态。 二、美国芝加哥运输部对道路交通拥挤的定义：3 0 或更大的5 分钟车道占有 率对应的交通状态。 三、美国德克萨运输部提出的关于交通拥挤的量化定义：当出行时间超过在 小交通流量或者自由流出环境下正常发生的出行时问、产生较大的延误时的交通 状态。当这个延误超过大众能够普遍接受的界限时，称为不可接受的交通拥挤m 】。 概念一和概念二分别运用不同的交通参数从定量的角度对交通拥挤进行了描 述，当交通参数数值达到某个水平时，尽管可能没有停车排队，也可以认为是交 通拥挤。而且它们都强调交通拥挤是交通参数达到某个水平并持续一定的时间， 概念一还特别强调在空间上达到一定范围时才认定是交通拥挤状态，这就可以避 免将短时、小范围的交通波动误认为是需要外部干预、疏导的交通拥挤。因此， 可以认为这两个概念更重视对交通流正常运行影响较大、需要采取措施进行管理 的交通拥挤，而对于可以在短时内自行缓解的交通冲击波不作为研究的重点。 我国公安部2 0 0 7 年公布的城市交通管理评价指标体系中规定，用城市主 干路上的路段阻塞率( 中心城区主干道上周期性严重阻塞路段长度占主干道总长 度的比例) 来描述其交通拥挤程度： 1 一级：路段阻塞率小于等于1 0 ； 2 二级：路段阻塞率在1 1 至2 0 之间： 3 三级：路段阻塞率在2 1 至3 0 之间； 4 四级：路段阻塞率在3 1 至4 0 之间； 5 五级：路段阻塞率大于4 0 。 从以上的分析来看，交通拥挤定义是依据某种交通流特征参数，如交通流量、 1 9 行程速度、占有率或者延误对交通状态进行主观的划分。 3 1 2 交通事件 首先说明交通状态的含义，因为在这里所说的交通状态包括交通事件状态和 非交通事件状态【3 2 1 。交通状态包含两层含义：一方面是交通运行的客观状态，就 是随着交通状态的变化，交通流特征参数也随之变化；另一方面取决于驾驶员的 心理感觉，对于不同的道路状况等条件，驾驶员对交通状态的尺度也是不一样的。 交通状态的主要衡量指标是交通流量、占有率、行程速度、行程时间和延误。在 这里我们指的交通状态主要是第一方面即交通运行的客观状态。 本文将诱发交通表现出非正常交通流的事件统称为意外事件。道路上发生的 意外事件会干扰正常的交通流，从而导致交通延滞，严重时甚至引发交通堵塞。 意外交通事件具有偶发特征，即事件发生的时间、地点和严重程度都是随机的。 它在短时间内会引起道路有效通行能力的下降或交通需求的增加。事件一般分为 可预测的和不可预测的两类。 一、不可预测类：交通事故、车辆抛锚、货物散落、不正当驾驶和突发的自 然灾害等。 二、可预测类：大型活动( 如体育比赛等) 、道路修筑和路面养护等。 对于可预测类的交通事件，驾驶员可以预先制订合理的出行计划来降低其影 响，但对突发事件引起的延误，驾驶员却无法事先采取躲避措施。这类事件的影响 不仅限于交通拥挤，还会引起二次事故。当交通拥挤时，车辆走走停停会引发更多 的小事故及汽车抛锚等。这样就增加了事件的数量，并延长了清除事件的时问。 因此这种突发性的事件对人员和货物运输方面的影响更大。 3 2交通事件检测原理 3 2 1检测原理 总体上说，交通事件检测可以分为两种，一种是直接检测法，一种是间接检 测法，这里所说的直接检测法，指的是使用图像处理技术来发现停驶车辆的一类 方法。这类方法实际上是“看到”发生了交通事件而不是通过交通事件的影响来 检测到它的存在。从潜在的意义上看，在检测速度方面远远胜于“非直接检测方法”， 在交通量较低的情况下也能有良好的检测效果，但需要更密集地设置检测站( 摄像 机) ，需要较高的资金投入才能保证合理的检测可靠性，而且气象条件对其影响也 较大，所以由于经济性原因，各国大力发展的是问接检测法，这里我们所研究的 也是指间接检测法。 问接检测法又分为两类，一类是利用单截面交通检测器检测，一类是利用上 下游双截面检测器检测。 单截面检测算法仅依据单个截面检测器检测到的交通数据变化来判断是否有 交通事件发生，其代表算法为m c m a s t e r 算法。它是根据突变理论，在道路阻塞与 非阻塞期间，交通流量和占有率表现为连续变化，在非阻塞至阻塞状态的过渡期， 车速将突然减小，由此可以进行事件检测，使用从拥挤向非拥挤状态变化的流量 占有率关系的历史资料，开发一个流量一占有率模板，该模板在坐标轴上由四个区 域组成，每个区域代表一个特别的交通状态。该算法的原理是在模板和观测数据 之间作比较检查，比较确定检测器附近是否拥挤，如果拥挤，既可以判定拥堵， 检测过程结束，然后还可以根据其他条件对拥堵的来源进行分析，这里不予讨论。 双截面法的原理是，高速公路上交通流处于正常运行状态时，各交通流参数 的关系相对稳定或变化过程平缓。当某一地点由于交通事件而发生拥挤时，事发 地点上游会产生一个导致拥挤的压缩波，使车辆聚集，上游检测站的流量会有所 减少，同时占有率明显增加、速度显著降低；事发地点下游则会产生一个扩张波， 使车辆稀疏，占有率降低，速度会恢复到甚至高于事件发生之前的水平，流量通 常会低于道路的正常通行能力。当车辆通过事发地点时，速度会发生明显的变化， 出现走走停停甚至是完全停驶现象，这使得车辆的行程时间明显增加，相应的行 程速度显著降低。因此，可以根据交通流在事件发生前后的这种变化规律，利用 各交通参数设计输入变量，来进行交通事件的检测。 3 2 2 检测算法评价指标 交通事件检测算法性能评价指标常用的有四个：事件检测率( d e t e c t i o nr a t e ， d r ) 、误报率( f a l s e a l a r mr a t e ，f a r ) 、误分率m c r ( m e m b e r o f w r o n g l yc l a s s i f i e d i n p u tp a t t e r n s ) 和平均检测时间( m e 锄t i m et od e t e c t i o n m t t d ) 3 3 3 。其中，事件 检测率是指在特定时间段内，由交通事件检测算法检测出的交通事件次数占实际 发生交通事件次数的百分比；误报率是指在特定时间段内，由交通事件检测算法 检测出的虚假交通事件占所有决策次数的百分比；误分率由该报未报以及不该报 而报告的次数占总输入的百分比：交通事件平均检测时间是指由算法检测出的交 通事件发生时刻与交通事件实际发生时刻的差值的算术平均值【划。 d r ( d e t e c t i o nr a t e ) ：n o _ o f i n c i i d _ e n t s - d e t e c t e d 10 0 ( 3 2 1 ) 2 1 f a r ( f a l s ea l 釉t a t e ) = 面五磊n o o 淼f f a 丽l s ea 面l a r m s 面蕊1 。 ( 3 2 - 2 ) m t t r ( m e a n t i m e - t o 舶e 妒去轧一t o ) mcr：numbero f w r o n g l yclassfiedi n p u tp a t t e r n s 10 0 t o t a ln u m b e ro fi n p u tp a t t e r n s ( 3 - 2 3 ) ( 3 - 2 - 4 ) 检测率、误报率、误分率通常用于度量交通事件检测算法的效能，而平均检 测时间则用于表示算法的效率。上述四个指标不是彼此独立的，它们相互依赖， 且相互之间存在着矛盾。对于同一种交通事件检测算法，当在相同条件下进行交 通事件检测时，检测率越高，则误报警率、误分率也越高；要使得误报率、误分 率降低，常常检测率也降低。增加算法的检测时间，则算法就能分析更多的数据， 从而提高检测率并减少误报率，但是延长的检测时间将会对拥挤路段的交通流造 成更严重的拥挤和更大的延误。 3 3交通流变化的显著性与交通事件 交通事件的发生会对交通流产生很大影响，交通流会出现变化，但是怎样的 变化才能算是显著，也就是可以算作是交通事件了，这也是一个很值得研究与分 析的问题。 要判断交通