（机械工程专业论文）高速公路交通事件自动检测模拟器的设计.pdf

武汉理犬学硪士。学位l a 文 摘要 智能运输系统( 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 ) 是将先避的信 惠技术、道信技术、控制技术、蒋感技术和系统缘台菠术有效穗集成，劳应璃 于地面运输系统，从而建立起大范围内发挥作用的、实时、准确、高效的运输 系统。在智能运输系统( i t s ) 中，交通事件自动检测是交通事件管理系统中的 重要组成部分。建立先进嬲交通事件自动捻测系统是智能交通研究蛉内容之一。 本文运用交通流的基本理论和方法，利用计算机技术建立了离速公路交通 事件自动捡溅模拟绞统。爨钵工馋如下： 1 ) 综合分析了交通流中驾驶员的交通特性、车辆的交通特性、道路的交通 特经，交逶浚约宏蕊参数、徽褒参数：劳辑礤究了交运滚参数之润的籀互关系。 阐述了高速公路基本路段服务水平及定义。为模拟器的设计奠定了理论基础。 2 ) 建立了摸苏器豹主舞功能纂】结构稽粲，对交通流系统模窒静建立伟了详 细描述，表明了模拟器的设计思想及设计内容。 3 ) 对交通事件及事件稳测原理进行了分析研究，并建立了交通事件自动检 测系统结车框架，阏述并分叛了交通搬按时酌度餐参数，对典型驰交通霉传检 测算法作了简要的介绍。 4 ) 套缨了攘夔羹爨鼓设诗及卷l 佟过程，裂瘸诗雾撬毫缀援彦设诗语言v i s a s l b a 8 j c 进行模拟器设计，编制模拟程序。这是最主骤也是最复杂的工作。 5 ) 详绩奔绍了禳李；l 器鹣模掇试验清琵。结合高速公路靛实弱数掘对试验数 据作了统计分析和效果比较。试验结果及分析表明此方案合理有效。对解决高 速公路运行能力的研究，以及交通拥挤、交通事件检测等阍题具有重要酾实际 意义。 关键词：智能运输系统高速公路交通流模拟交通零件检颡0模拟程序 试验数提 a b s t r a c t 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 ) i s a t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m t h a t i n t e g r a t e db ym a n yf i e l dt e c h n o l o g i e s ，j u s t l i k ei n f o r m a t i o n ，c o m m u n i c a t i o n ， c o n t r o lt e c h n i q u e ，s y s t e ms y n t h e s i st e c h n o l o g ya n ds oo n i t i s a p p l i e di nt h e t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m t h i ss y s t e mc a no p e r a t er e a l t i m e ，e x a c t l ya n de f f i c i e n t l y i nl a r g e s tr a n g e i ni t s ，t h em o s ti m p o r t a n tp a r ti sd e t e c t i n gt r a f f i ci n c i d e n t sa u t o m a t i c a l l y e s t a b l i s h i n ga d v a n c e ds y s t e m o ft r a f f i ci n c i d e n t sa u t od e t e c t i o ni so n ec o n t e n to f i n t e l l i g e n tt r a f f i cs e a r c h i n g i nt h i st h e s i s ，w es e t u pas i m u l a t es y s t e mf o rd e t e c t i n gh i g h w a yt r a f f i c i n c i d e n t sa u t o m a t i c a l l yo nc o m p u t e r t h ef o l l o w i n gi st h ed e t a i l s ： ( 1 ) w ea n a l y s et h et r a f f i c c h a r a c t e r so fd r i v e r s ，c a r sa n dr o a d si nt r a f f i c f l o w i n g ，a n d a l s o s t u d y t h em a c r oa n dm i c r op a r a m e t e r so ft r a f f i c f l o w i n g i n c l u d i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h e s ep a r a m e t e r s t h e nw eg i v ead e f i n i t i o n f o rs e r v i c el e v e lo fb a s i cs e c t i o no fah i g h w a y a n dt h i sd e f i n i t i o ng i v e sn sa t h e o r y t h a ti st h eb a s i sf o rd e s i g no fs i m u l a t o l ( 2 ) w eb u i l tt h ec e n t r a lf u n c t i o na n dc o n f i g u r a t i o no fs i m u l a t o la n dm a k e d e t a i l e dd e s c r i p t i o no ft h ee s t a b l i s h i n gt h em o d ef o rt r a f f i cf l o w i n gs y s t e m t h e n w ed e s c r i e do u rd e s i g ni d e aa n dc o n t e n to fs i m u l a t o r ( 3 ) w em a k ea n a l y s i sa n ds t u d yo nt h et h e o r yo f t r a f f i ci n c i d e n t sa n dt h e d e t e c t i o no ft h e m a n dt h e n s e t u pc o n f i g u r a t i o n f o rt r a f f i ci n c i d e n t sa u t o d e t e c t i o ns y s t e m w ed e s c r i b et o l e r a n c e p a r a m e t e r s o ft r a f f i cj a ma n d g i v e a r i t h m e t i co fi n c i d e n t sd e t e c t i o ni np a p e r ( 4 ) w ed e s i g nt h es i m u l a t o rb y v i s u a lb a s i c t h i sw o r ki st h em o s te s s e n t i a l a n dc o m p l e xw o r k ( 5 ) t h i sp a p e rg i v e st h ed e t a i l so f t e s to fs i m u l a t o r a n dw ec o m p a r ea n d a n a l y s i s t h er e s u l td a t aw i t ht h ea c t u a ld a t am e a s u r e di n h i g h w a y ，t h e s e i i 。塑堡堡三；态兰堡主耋堡冀兰 c o n f o r m e dt h a to u rt e s ti sv a l u a b l e s oo u rs t u d yi si m p o r t a n tf o rt h es e a r c h i n go f s e t t l i n gt h et r a f f i cj a m ，i n c i d e n ta n dh i g h w a y t r a f f i cp r o b l e m k e y w o r d 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 ；h i g h w a y ；t r a f f i cf l o ws i m u l a t i o n t r a f f i ci n c i d e n t s d e t e c t i o n ；p r o g r a mo fs i m u l a t o r ；d a t ao f t e s t 1 1 1 武汉理“ ：大学碳士学使论文 第1 章弓f言 睫蓉现代交逶工其鲍迅猛发展，交通阀题越来越影b 囊羞现代人的生活，交 通拥挤加剧，交通事故频发，交通环境恶化。交通问题无论在发展中国家还是 发达重豢，裁成为令人爨撬嚣严霪润题。然瑟鸯臻懿遣蠢经济翡裁终，绩褥 邋路建设不可能达到相对满意的犀程数。在这种背景下，欧、美、r 等发达国 骞为了瓣决共凌嚣疆豹交通嗣惹，稳继投入了大藿入力稻方力，开始磷究道路 交通智能化问题，随着研究的深入和系统工程的不断扩展，标志着道路交通现 代仡的智能运输系统( i t s ) 应运而生。 智能运输系统( 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 ，麓称i t s ) 是烽先进的信 息技术、通信技术、控制技术、传感技术和系统综合技术有效地集成，并应用 于地嚣运竣系统，从两建立起大筵圈肉发挥l 睾崩瓣、实辩、准确、裹效戆运簸 系统。它是当今圈际道路交通和运输科技发展的最前沿方向，也是高新技术的 簸大瑟瑟枣场之一，是本整纪交逶运输发震豹未来。 我国政府高度重视智能运输系统的研究、开发与应用，已将i t s 建设列入国 家国民经济帮社会发震“十五”计菇纲要，并作为未来交通建设与发餍的优先 领域予以艇点支持。 在智能运输系统中，变通事件自动检测是交通事件管理系统中最重要的组成 部分。建立先进的交逯事件自动捻测系绞是智能交通硬究弱内容之一。 智能运输系统是一个陋大的、复杂的综合系统，交通现象变化万干。随着高 遴公路交通量熬快速上舞，售患技术积遴瀑技术豹高速发震，各稀各群蕊餐裁 交通新概念、新技术应运而生。在研究开发的早期，由于现场试验费用太高， 氇太危陵，霹穰多( i t s ) 精橇念帮薪技术豹研究，都要依靠计算视模瓠。为此， 本文提出了交通事件自动检测模拟器的设计。 武汉理上人学硕士学位论文 1 1 智能运输系统概述及结构框架 智能运输系统是将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子控制技术、 计算机处理技术等，综合运用于整个地面运输管理体系，而建立起来的一种在 大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的公路运输综合管理系统。 该系统将汽车、驾驶员、道路及其相关的服务部门相互联结起来，使汽车与道 路的运行功能智能化。其服务范围是：先进的交通管理系统、出行信息服务系 统、商用车辆运营系统、电子收费系统、公共交通运营系统、应急管理系统、 先进的车辆控制系统。该系统能使交通基础设施发挥最大的效能，使路网上的 交通流运行处于最佳状态，最大限度地提高路网通行能力，提高公路运输系统 的机动性、安全性和生产效率，同时能减少公路运输对环境污染的影响【1 2 1 。 以美国为例，可对i t s 的结构框架有基本了解。美国相对于日本、欧洲来 说，i t s 的研究起步较晚，1 9 9 1 年才开始投入资金进行开发研究，但由于技术 进步，资金充足，发展极其迅速，很快就在实验研究和实践应用上处于国际领 先地位。1 9 9 5 年3 月，美国运输部正式出版公布了“国家智能运输系统项目规 划”，明确规定了智能运输系统的7 大领域( 即基本系统) 和2 9 个用户服务功 能( 即子系统) 。其构成如下：眦，3 ，4 ，2 3 1 ) 出行与运输管理系统。该系统有六个子系统：在途驾驶员信息系统；线路 引导系统：出行人员服务系统；交通控制系统：突发事件管理系统；排放测试 与污染防护系统。 2 ) 出行需求管理系统。这个系统包括3 个子系统：出发前的出行信息系统： 合乘配载和预约系统；需求管理与运营系统。 3 ) 公共交通运营系统。该系统有4 个子系统：公共运输管理系统：途中换乘 信息系统：满足个人需求的非定线公共交通系统：出行安全系统。 4 ) 商用车辆运营系统。该系统有六个子系统：商用车辆电子通关系统；自动 化路侧安全检测系统；商用车辆管理程序系统；车载安全监控系统；商用车辆 交通信息系统；危险品应急反应系统。 武汉理工大学硕士学位论文 5 ) 电子收费系统。该系统只有电子收费1 个子系统。 6 、应急管理系统。该系统有两个子系统：紧急告警与人员安全系统：应急车 辆管理系统。 7 ) 先进的车辆控制和安全系统。该系统包括7 个子系统：纵向避撞系统；侧 向避撞系统：交叉口避撞系统：视觉强化避撞系统；事故前乘员安全保护系统： 危险预警系统；自动公路系统。 除此之外，美国的智能运输系统正在开发一个新的领域，即先进的乡村运 输系统。该系统是把为城市地区开发的交通管理技术和系统功能推广应用到乡 村道路网络中去，主要是应用先进的电子通讯技术，提高行车的安全性，方便 外国游客出行，促进乡村地区的经济发展。系统包括为驾驶员和事故受害者提 供援助的无线紧急呼救系统，恶劣道路和交通环境的实时警告系统，以及有关 服务设施和旅游路线、景点等信息系统。 1 2 国外智能运输系统研究现状 美国、日本、欧洲等国家和地区的智能运输系统开发较早，技术水平先进， 现在已进入应用与实施阶段。例如： 7 , 3 3 , 3 4 1 ) 从1 9 8 9 年开始研制，在伦敦高森伯格( g o t h e n b u r g ) 和德国南部海森 ( h e s s e n ) 州地区实施的s o c r f t e s ( s y s t e mo fc e l l u l a rr a d i of o rt r a f f i c e f f i c i e n c ya n ds a f e t y ) ，是欧洲集成道路交通环境计划的一个双向通讯部分， 主要具有以下智能交通功能：动态导航，可提供动态路网信息和实时交通信息； 先进的交通车流控制；车队管理，给出车队实时的所在位置及道路状况报警； 停车场管理及信息系统，它从各停车场获得信息并及时通知车队，以便找到最 佳的停车位置；公共交通管理与信息系统，含公共车辆动态调度表、旅客信息 系统和公共交通车队信息；危险状态报警，给司机提供前方发生交通事故或者 大雾、冰雪预报：紧急救援：自动收费；旅游信息，提供旅馆位置、状态、加 油站信息等；提供交通管理的其他信息和咨洵功能。 2 ) 为实现不停车收费a t c ( a u t o m a t i c t o l lc o l l e c t i o n ) ，由英国、瑞典、法国、 武汉理1 ：大学硕七学位论文 德国和葡萄牙等国的试验室开发研究了自动收费系统p a m e l a ( p r i c i n ga n d m o n i t o r i n ge l e c t r o n i c a l l yo f a u t o m o b i l e s ) ，系统由三大组成部分：车辆道路间通 讯系统；车辆内设备：路旁计费站。 3 ) 欧洲的p r o m e t h e u s ( p r o g r a mf o r a e u r o p e a nt r a f f i cw i t hh i 曲e s t e f f i c i e n c ya n du n p r e c e d e n t e ds a f e t y ) ，实现了以下三个目标：安全驾驶；流量和 均衡控制；旅行和交通管理。 4 ) 美国的i v h s ( i n t e l l i g e n t v e h i c l eh i g h w a y s o c i e t yo f a m e r i c a ) ，集中做了以 下五个方面的工作：先进的交通管理系统a t m s ；先进的交通信息系统a t i s ： 先进的车辆运营系统a v c s ；商用车辆运营系统c v o m ；先进的公共交通系统 a _ p t s 。 5 ) 同本的i t s 研究开发早于美国和欧洲，晟早的研究始于1 9 7 3 年的汽车交 通综合控制系统c a c s ，之后进行了先进的交通信息系统a m t i c s 和道路车辆 间通讯系统r a c s 的研究。正式投入使用的智能交通系统有：自动收费系统 ( e t c ) 、道路交通信息通讯系统f v i c s ) n 支持车辆行驶的高速公路系统( a h s ) 等。 6 ) 交通模拟软件，目前国际上较为流行的有四套，分别是：美国h c m 系 统，它与1 9 9 4 年版h c m 手册相配套，用于各种交通设施下的交通运行分析； 澳大利亚a r r b 开发的s i d r a 系统，主要用于各类交叉口的运行分析；瑞典公 路局的c a p c a l 系统和荷兰公路局的p t d e s c n 软件，分别为交叉口和环岛的 交通模拟模型。其中，美国的h c m 系统的应用最为普遍，也最具权威性。美国 交通运输研究局( t r b ) 研制开发的与h c m 配套使用的1 9 9 7 年版公路通行能 力系统软件h c s ( h i g h w a y c a p a c i t y s o f t w a r e ) 应用最为广泛该软件由交叉口、 干道、公路网等模块组成。数据输入包括交通设施几何参数( 车道数和车道宽 度等) ，交通和道路条件( 交通流量、自由流速度、地形条件、道路等级、横向 干扰等) ；输出结果为各种交通设施通行能力及相应服务水平和相关图表。 1 3 我国智能运输系统研究现状 我国智能运输系统的研究还处于初级阶段，但国际上i t s 技术的应用为我 4 武汉理上火学硕十学位论文 国i t s 的发展提供了很好机遇。中国i t s 的研究内容包括： 2 6 2 7 】 1 1 制定我国i t s 发展标准。由于智能运输系统是一个非常大的系统，需要 许多部门和企业提供产品，因此标准规范的制定必须走在前面。 2 ) 先进的交通管理系统。关键技术为：交通事故检测技术、路径诱导技术、 路测通讯技术、交通预测技术、停车收费技术和停车诱导技术等。 i 3 ) 先进的公共交通系统。包括：i 公交信息系统，公交智能调度系统，公交定 位系统，公交票制电子车票系统，公交专用道系统，公交需求管理系统。 4 ) 交通信息服务系统，包括：车辆交通信息服务系统，社会交通信息服务系 统。 5 ) 电视监控系统，包括：视频检测技术，交通电视监控技术。 6 ) 车辆安全系统，包括：车辆自动驾驶系统，车辆防碰撞系统。 7 ) 物流管理系统，包括：货物集散系统，物流计算机管理系统。 i t s 所采用的技术，是世界上最先进的电予计算机技术和电子通讯技术，在 我们国家已经有了一定的基础。我国已经建立了一些车辆定位系统( g p s ) ，不停 车收费系统，交通地理信息系统，并在交通管理信息系统、光缆监控系统、车 辆检测系统、交通广播系统等四个方面有比较深入的研究。 1 4 本课题研究的目的和意义 交通拥挤已经成为世界上各大中城市共同存在的严重问题。据调查，由交通 事件引起的偶发性拥挤占拥挤总数的5 0 以上，预计今后几年这个数字还会增 加。由于交通事件引起的拥挤是突发的、事先无法预测的，所以极易引起二次 事故。为了减少交通事件带来的损失，许多国家建立了高速公路交通事件管理 系统。交通事件管理系统通过计划和协调手段，使处于交通事件的高速公路尽 快恢复正常运行，把损失减4 , n 最低程度。交通事件管理系统一般包括事件检 测、事件性质鉴别、紧急救援、驾驶员信息等。其中事件检测是交通事件管理 系统中最重要的组成部分。 准确预报交通事件从来都是极其困难的问题，近些年来人们对这一领域的研 武汉理工人学硕士学位论文 究丌发做了大量的工作。然而，由于受到各方面因素的影响，人们对于事件检 测系统研究开发的多，实际投入使用的少，其主要原因是：居高不下的误检率 和令人失望的检测效果以及观念的束缚，使得现有的检测系统没有发挥应有的 作用，有些检测系统甚至被拆除、停用。据美国近几年来高速公路的统计数据 表明，每年因偶发性拥挤所造成的延误、燃料浪费，从而产生的经济损失是巨 大的。因此建立先进的交通事件自动检测系统是智能交通研究的重点之一。 目前人们对交通事件自动检测系统作了较深入的研究，有关交通事件自动检 测算法研究已取得一些进展，但这些算法多数还停留在理论研究上，其准确性 和实用性还有待于在实际交通系统中加以验证，要想真正投入使用还存在很多 问题。为了验证算法的准确性和实用性，需采集大量交通流数据，对事件算法 及模型进行分析和比较，但是直接在实际交通事件中采集交通流数据是很困难 的，通常要进行大量模拟试验，人为产生交通事件和非交通事件，将事件与非 事件的交通流数据进行比较，以此来判断事件性质。一些发达国家在欲安装检 测系统的高速公路上作过类似模拟试验，试验场地是以公路上其中一段路段作 为模拟试验的目标路段，由于在实际路段上进行模拟试验，其成本是高昂的， 因此，在我国高速公路上进行现场模拟试验显然不太现实。为此，本文提出设 计交通事件自动检测模拟器，利用模拟器进行交通事件自动检测的模拟试验。 交通事件自动检测模拟器可有效地实现交通系统中交通运行的随机过程，可 重现实际的交通流状况，大大降低现场交通流试验的要求和试验成本。该模拟 器可为交通事件自动检测算法提供有效数据，检验事件检测算法的实际应用效 果，也能为智能运输系统其他领域的研究开发提供试验装置，为分析各种交通 流状况，试验各种拟定交通设施和交通控制方案提供有利的工具，此外在利用 现代系统工程和计算机技术的同时，还可为建立和开发新的智能交通研究方法 打下基础。 1 5 本课题的主要工作 1 ) 对交通流中驾驶员、车辆、道路的交通特性，交通流的宏观参数、微观 武汉理工人学硕士学位论文 参数进行综合分析，研究交通流参数之间相互的关系。阐述高速公路基本路段 服务水平及定义。为模拟器的设计奠定理论基础。 2 ) 建立了模拟器的主要功能和结构框架，对交通流系统模型的建立作了详 细描述，表明了模拟器的设计思想及设计内容。 3 ) 对交通事件及事件检测原理进行了分析研究，并建立了交通事件自动检 测系统结构框架，阐述并分析了交通拥挤时的参数度量，对典型的交通事件检 测算法作了简要的介绍。 4 ) 介绍了模拟器的设计及制作过程，利用计算机高级程序设计语言v i s a u l b a s i c 进行模拟器设计，编制模拟程序。这是最主要也是最复杂的工作。 5 ) 详细介绍了模拟器的模拟试验情况。结合高速公路的实测数据对试验数 据作了统计分析和效果比较。 本文研究并提出了高速公路交通事件自动检测模拟器的设计方案，设计了 系统的总体框架结构，介绍了其主要功能及特点，建立了系统模拟模型，给出 了系统软件的设计方法。试验结果及分析表明此方案合理有效。模拟器的研制 对解决高速公路通行能力、交通拥挤、交通事件检测等问题的研究具有重要的 实际意义。 本文的模拟程序设计没有任何现成资料可供参考，完全是本人通过阅读相 关资料受到启发自行创新设计的，尤其在微观模拟方面，目前国内比较成熟的 设计几乎是空白，因此该设计具有一定的创新性和先进性，为将来进一步研究 打下了良好基础。 武汉理j 一人学硕士学位论文 第2 章高速公路交通流特性描述 2 1 交通流的概念 交通流是指道路上运行车辆构成的流动形态。其中人( 驾驶员) 、车、路是 构成交通流的基本要素。 2 1 1 驾驶员的交通特性 在交通流特性描述中，由于驾驶员具有思维和判断能力所以机动车驾驶员 特性是重要的研究对象之一。驾驶员的主要任务是： 1 ) 按选定的路线驾驶车辆，完成从起点的终点的运输过程。 2 ) 遵守交通法规，按信号、标志指示行驶，服从交警指挥，自觉维护交通秩 序。 3 ) 遇到不利情况及时调整车速，改变车辆的位置和方向，及时停车，避免发 生交通事故。 车辆在行驶过程中，驾驶员通过视、听、触等感觉器官从交通环境中获取 信息，通过大脑进行处理，作出判断和反应，再支配手脚( 运动器官) 操纵汽 车，使其按驾驶员的意志在道路上行驶。其中对紧急情况的反应特性是驾驶员 的重要特性，试验测定表明，驾驶员对紧急情况的制动反应时间约为0 7 秒， 在实际情况中，由于环境条件不同，驾驶员思维判断的差异，制动反应时问还 可能增大，因此高速公路上前后车的安全距离应该根据车速而定，一般应大于 一百米左右。 2 1 2 车辆的交通特性 车辆是指道路上行驶的机动车和非机动车。 高速公路允许上路的车辆主要有小轿车、大客车、货车等机动车辆。 r 武汉理：大学颈士学靛论文 车辆外廓尺寸与道路设计、交通工程有密切关系。我国公路工程技术标准规 宠小轻车乡 露尺寸平均车长力6 张。在磺究遴路逶行能力时，遴常穆其余车赣 长度折算成当量小轿车车长。高速公路揍本路段车辆折鳟系数为： 车黧小壅车大中鍪车耨太黧车 车辆折算系数1 0 1 73 0 2 1 3 高速公路的交通特性 高遴公路是专供汽车高速行驶的公路，一般为双向酾车道。具体特性如下： 1 ) 实章亍交通暇制。隈制上路汽车的墩低和最离速度，一般遴应8 0 k m h 鞋上 的速度，规定速度小于5 0 k m h 的汽车不准上路，解决了混合交通问题。 2 ) 实行分薅 予驶。奁对自行骧瓣车遂阙设置中央分溅蘩，实芎亍对囱行车分疆。 在同向行驶车道上画行驶线，使快慢车邋分开，减少超车和同向车速相差过多 造藏静予撬。 3 ) 严格控制出入。采用全封闭、全立交方式，规定车辆只能从指定的互通式 立交匝道进出。对于不凇车辆遗蹦的路f l ，设置分离式立交加以隔绝，消除了 交叉口处侧向车辆的于扰。 4 ) 商标准的线形。极大限度地避免长直线路段，采用大半径曲线。增加路线 黪美感，萋专利予行车安全。 5 ) 密集形的管理。有充分的管理设施、控制设施、交通标志、安全设施、旅 客骚务设蓬及敬费菇点等。 为了便于分析通行能力等问题，提出了理想道路和交通条件。理想道路条件 规定为，车道宽液不小予3 6 6 m ；车道矫侧净空太于1 8 3 m ；车流中的车翟均为 小客车；纵坡平缓并有开阔视野；良好的平面线形和路藤状况；车辆问保持与 遮度相适应的车头问距，且无任何方向的干扰。 2 2 交通流的基本参数 行驶在道鼹上蜓冬耱车辗，英运行状态照i 蓬路条件、交逶骂凌和鹭鼗员慧 武汉理上人学硕士学位论文 性的不同而变化。尽管这种变化很复杂，但通过大量观测分析，发现它们具有 一定的特征倾向。交通流运行状态的定性、定量特征称为交通流特性。用来描 述和反映交通流特性的物理量称为交通流参数。这些交通流参数在道路交通的 规划、设计和管理中都有重要的使用价值旧】。 交通流参数一般分为两大类：宏观参数和微观参数。 宏观参数：主要描述交通流作为整体表现出来的特性，包括交通量、变量速 度和交通密度。 微观参数：用于描述交通流中彼此相关的个体车辆之间的运行特征，如车 头时距、车头间距等。 2 2 1 交通量 交通量q 是指单位时间t 内通过某地点或断面的车辆数n 。 由于交通量是一个随机数，不同时间、不同地点交通量都是变化的，因此在 表达方式上通常取某一段时间内的平均值作为该时间的代表交通量。 交通量分为日交通量、小时交通量、流量等，若以小时交通量计算，单位为 ( 辆h ) 。交通量在道路规划中有一定的参考价值，但不能单独作为道路设计、 计算、分析的依据，应结合其它参数度量综合考虑。 2 2 2 车速 车速v 是指车辆在单位时间内通过的距离。设行驶距离为s ，所需时间为t ， 车速可用s t 表示按照s 和t 的取值不同，车速分为地点车速、行驶车速、 区间车速、时间平均车速和空间平均车速等。 1 ) 地点车速：是指车辆驶过某一地点的瞬时速度。通常用作道路设计、交 通管制规划资料。 2 ) 行驶车速：是指车辆通过一段路程，在实际行驶时间内的车速( 不含停车 时间) 。可用于计算道路使用者的成本效益分析。 3 ) 区间车速：又称行程车速，是指车辆在某一路段所行距离除以行驶的总时 斌汉理一l ：大学硕士学位论文 间( 包括行车及停车时间) 所得的速度。这是一项综合性指标，用以评价道路 通畅程度，估计行车延误帻况，要提裹逡竣效率，归根缝底就是提裹车辅豹行 稷车速。 4 ) 平均车速：平玛车速哥簧涎秘方法计算：一释楚时润平臻车速，楚指在 绘定的时间间隔内测得的、通过禁一地点的所有车辆的地点车速的算数平均值。 另一种楚区闻平均车速，是指在麓一特定瞬间，占据一定道路区间的所有车辆 的速度的平均值。实质上。时间平均车速是点的测量；区间平均车速是与道路 长度有关的测量。 行车速度和交通量一榉，也是一个隧机变量。研究表明在乡村公路秘薅速公 路上，行车速度般呈正态分布，在高速公路匝道口处，车辆比较集中，车速 一般呈镳态分布。篷予每壤车的速囊都不尽超霜，嚣此交逶流本鸯不哥能矮一 个精确的速度值来表示，只能用蓿干单个车辆的速度分布来表示，即平均的或 密代表蕊靛数值来近叛 弋表特定瀚交通流整体。 。 2 ，2 3 交通密发和占鸯率 1 ) 密度k ：是指定长度的车道内瞬间拥有的车辆数，单位为( 辆k m 车道) 。 密度缀难蠢接溺掰，可以通过车遵和流登计算出 来，它们的关系建： k = 兰( 2 一1 ) v 式中：k 一交通密度( 辆k m ) ： q - - 一交通薰( 辆h ) ； v 一一区间乎均车速( k m h ) 。 交通照和速度比较容易测量，常作独立参数，密度般认为是从属量，由 一e 式霹鬟瑟，当交淹量一定时，密发与速发戏反兜。然露密度是这三令交避淡参 数中最重爱的一个参数，它是衡鬣交通搠挤状态的恰当指标。它能够更商观、 受确切圭| 亟袭示交溪需求燮。密菠还可以迓像遣蹙爨驾驶爨操缀车辆的舒邋往和 灵活性。 武汉理工人学硕十学位论文 由于密度具有瞬时特性，随观测时间和区间而变化，而且反映不出与车辆 长度和速度的关系，所以在交通工程中又引入了道路占有率的概念。 2 ) 道路占有率：分空问占有率0 ，和时间占有率o ，。 在观测路段长度内，行驶车辆的总长度占该路段长度的比例称为空间占有 塞 0 一：婆1 0 0 ( ) ( 2 2 ) 土 式中：l 一一第i 辆车的长度； x 一一观测路段长度 由此可知车流密度只能表示车流的密集程度，而空间占有率则能反映某 路段上车流的长度。 在一定时间内，车辆通过某道路上的任一截面所需时间的累计值与观测 总时间的比值的百分数，称为时间占有率。 0 婆算l o o ( ) ( 2 - 3 ) 式中：v 一一第i 辆车的地点车速； t ：一一观测时间。 2 2 4 车头时距和车头间距 流量、车速和密度都是交通流的宏观参数，它们用于交通流的整体描述。 车头时距和车头间距则是交通流的微观参数。 1 ) 车头时距 车头时距是指前后两辆车经过车道上某一地点的时间间隔。交通量也可表 示为平均车头时距h ，的倒数： q ；# 3 6 0 0 ( 2 4 ) 1 式中：h ，一一平均车头时距，单位是秒( s ) 。 试汉理l ：大学硕士学位论文 2 ) 车头间距 车头闻距是搬在屡一时闯逡，摆邻嚣车辆之闼数距离。密度与乎蟛车头闫 躐】1 的关系是： k ：1 0 0 0( 2 5 ) 日， 式中：h 。一平均车头澜距，鼙位为米( 琢) 。 使用微观参数，可以单独分析交通流中各种相同类型车辆的运行情况，也 就是说，可单独分析混合车流中前后跟随的轿车车流的密度和流率，也可单独 计箕货车或其它交通体的密度和滚率。 2 3 交通流基本参数的关系 在日常生活和交通管理的实践中，我们发现：当道路上车辆增多、车流密 度壹枣到太交纯时，驾驶员被迫簿糕车速，蕈垃粒趣逶避道路菜一点静车辆数 会减少。而当车流密度由大到小变化时，驾驶员将以较大的车速行驶，这时单 位辩阕通过道路菜一点的车辆数可能会增细。这种现象潞锈交通蹙、密度、车 速三者之间存在糟某种函数关系。表达交通流特性的三参数的函数关系式，叫 做交通流簇本参数模型f l 】。假设车流均匀，车种单一母寸，三者之间的理论关系 式为： 七：里 v 2 3 1 率速与密度的关系 ( 2 6 ) 车速与密度模型有许多种，最常用的是线性模型( 格林希尔芝速度一密度模 型) ，即： ( 2 7 ) 式中a 、b 为待定参数，当密度k 趋于0 时，车速u 接近自由流车速u ，由上! ： 式褥8 2 “，。当密度缓大时，车凝无法行驶，这时兹密发豫为臻褰密度k ，当 武汉理一l ：人学硕士学位论文 k = k ，时，u 。，得b = 一丢。将a 、b 代入上式得速度一密度的线性关系式 u 砷丢) 速度一密度的关系，即u - k 曲线如图2 1 非拥挤流 - q “。 厂 、 ，? - 、 k ，7 j i 。 k ； 。 ， ，? ，j 1 1 + 。 u j ? ， ，t 。 u r “ 、 k q 圈2l 车速一密度、流量一密度、流量一车速关系图 ( 2 8 ) 2 3 2 流量与密度的关系 将速度一密度关系式( 2 8 ) 代入基本关系式q = k u ，得流量一密度模型 q 1 ”箬) ( 2 _ 9 ) 该关系式可作流量一密度曲线，q 与k 是二次抛物线的关系，q - k 曲线如图2 1 。 当流量取极大值时，对应的密度称为最佳密度( 也称临界密度) k 。，即： 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 d d 云2 ”， 2 七“， 上= 0 庀 u ，0 ，k 2k 。 七： 。k 。2 将上式代入( 2 - 9 ) 得 旷华 ( 2 - 1 0 ) ( 2 一l i ) 式中g 。为最大交通量。由流量一密度关系曲线可知，当k k ，时，交通流处于拥挤状态。 2 3 3 流量与车速的关系 将关系式u _ u ，( 卜寺) 变换成k = 旧毒) ，代入式q = k u ，得流量一车速 模型：q = k ( u 一竺)( 2 1 2 ) 。 “7 该关系式可作流量一车速曲线，如图2 1 所示。同理，可求出最大交通量g 。所 对应的最佳车速( 临界车速) “。： “。：_ u f 1 3 ) ( 2 - 1 3 ) “m2 了 由此可知，临界车速为自由车速的一半。当o u ”。时，所对应的q g 。，交 通流处于拥挤状态；当“。 1 7 8 2 0 0 0 四级3 6i 6 2 2 2 0 0 从这个数据可以看出，各国高速公路基本路段服务水平的定义是基本类似 的。 2 5 本章小节 本章综合分析了交通流中驾驶员的交通特性、车辆的交通特性、道路的交 通特性，交通流的宏观参数、微观参数，并分析研究了交通流参数之问相互的 关系及关系曲线。阐述了高速公路基本路段服务水平及定义。为模拟器的设计 奠定了理论基础。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章交通流模拟模型的建立 3 1 交通流基本模型 交通流模拟模型主要分为两类：宏观模型和微观模型。前者将交通流看作 可压缩流体，考虑的是车群运行，可用数学关系式表达交通流宏观变量的关系， 即速度、密度和流量之间的关系，宏观模型主要用于研究高速公路的总体特征： 而微观模型则较详细地描述各个车辆的运行状况，主要以车头时距和驾驶员的 接受间隔为对象，模拟交通运行，统计平均交通效果，能较近似地反映时实交通 状况。前者适合于再现时实仿真和控制，后者可用手交通流局部特性的深入研 究叭3 2 ，5 2 1 。 本文利用计算机技术，建立模拟器的主要功能，对交通流重点进行微观模 拟。以模拟器系统中相对独立的实体或行为为建模对象，在微观上描述实体行 为和相互作用。其基本模型如下： 3 1 1 道路设施模型 以道路路段为对象，描述道路设施及相关物理参数，对道路模型作符合路 段情况的简化。在系统模拟过程中，道路设施模型是最重要的静态模型它给 出模拟试验的基本框架。道路模型描述道路、车道、路肩宽度、交通标志等。 3 1 2 车辆模型 以车辆为对象，描述车辆的物理参数和驾驶员行为参数。在模拟模型系统 中，车辆是最重要的动态模型，它由交通产生模型产生，赋予进入系统时的初 始参数，在模拟过程中，受到道路、控制和其它车辆模型的制约，相应调整自 身的位胃、速度、运行状态，实现加速、减速、停车、超车、换道等行为。所 武汉理工大学硕十学位论文 有车辆模型的表现行为均以二维图形在计算机上动态显示出来。 3 1 3 交通产生和交通行为模型 按模拟试验要求产生符合给定概率分布的交通体，向模拟系统提供车辆动 态模型，车头时距，车辆类型、驾驶员特性等，描述车辆在系统中的行为及行 为转换。交通流分自由流，稳定流和交通拥挤等几种情况，交通行为表现为追 赶、跟驰、换道、超车等。该模型十分重要，是模拟系统与实际道路交通系统 之间相似性的重要体现。 3 1 4 交通控制模型 在模拟试验中可通过人机交互，实现对道路交通的控制和管理。如控制车 流密度，限制车速，禁止超车，封道等。 3 1 5 人机交互模型 完成信息交互工作，为使用者提供控制模拟运行的界面和系统输出界面。 3 2 交通流模拟模型的结构描述 从模拟器的系统功能、计算机程序及模型的组织结构上考虑，模拟模型可 分为四个模块：输入模块，功能模拟模块，数据传输模块，输出模块。模型模 块及它们的内部关系见图3 1 。 1 ) 输入模块：输入初始交通条件，如交通密度，车辆类型，限制车速及交 通流状态等，使用户能进行不同交通流量、不同车型、不同速度条件下的对比 模拟试验，也可进行相同条件下的多次模拟试验。 2 ) 功能模拟模块：在模拟过程中，车辆按设定的原则在道路上行驶，车辆 可以按三种模式行驶，即自由行驶、跟驰和超车，每种模式对应不同的行为规 则。由于车辆到达是随机的，相关的车辆模型参数也是随机的，所以导致车辆 模型行为的随机性，以及系统行为的随机性，也就是说车辆行为对于系统是事 武汉理l 人学硕士学位论文 先未知的。利用计算机随机数每次产生不同参数的特点，使相同初始条件下， 相同随机分_ 布的系统中细节也不相同。 3 ) 数掘传输模块：定点设置雷达检测器，通过传感器把检测数据传输到控 制中心，并在计算机上时实显示出来。 4 ) 输出模块：以二维动画图形在窗口中显示车辆运行状况，以文本文件存 储模拟路段的重要交通参数，并对数据文本文件进行数据处理和分析。 设定初始值： 输入模块 车辆类型交通密度车速限制 + 动态交通行为： 图形自由行驶跟驰加减车速 能模拟模块 显示超车拥挤交通事件 i 交通流数据检测： 据传输模块 检测设备传感器显示屏 输出模块 圈3 1 2 0 武汉理工大学硕士学位论文 3 3 本章小结 本章建立了模拟器的主要功能和结构框架，对交通流系统模型的建立作了 详细描述，表明了模拟器的设计思想及设计内容。 武汉理j 一人学硕十学位论文 第4 章交通事件检测分析 4 1 交通事件及拥挤概述 交通拥挤是指交通需求( 一定时间内想要通过道路的车辆数) 超过某道路 的交通容量，造成道路上出现部分的交通滞留现象。高速公路交通控制研究的 主要问题就是如何避免因拥挤引起的运行问题。 交通拥挤分为常发性拥挤和偶发性拥挤两大类。常发性拥挤是由于高峰期 交通需求超过容量而引起的、重复发生的拥挤，一般为可预测的。偶发性拥挤 则是由于交通事故、车辆故障、路面维修等引起的一般是不可预测的。因此 常发性拥挤和偶发性拥挤的特性有很大差异。常发性拥挤从不拥挤到拥挤需要 一个过程，因而拥挤前后的交通流参数( 交通量、速度、道路占有率等) 的变化是 连续的。偶发性拥挤是由于事件造成道路容量暂时下降而引起的拥挤，从而反 映拥挤前后的交通流参数变化是不连续的，并且前后的差值随事件的严重性而 增大。由于处理常发性拥挤和偶发性拥挤的方法不同，因而如何准确快速地检 测拥挤、确定拥挤类型并对其实施有效控制，是高速公路交通系统研究的首要 问题，也是评价高速公路控制系统优劣的重要标准之一。 交通流理论表明，根据交通量的大小，以及交通流参数变化是否连续，可 以判别交通拥挤的类型。由于常发性拥挤可以预测，而偶发性拥挤不可预测， 因此，交通拥挤判别中偶发性拥挤的判别显得更为重要。 高速公路交通事件自动检测方法有许多，其实质就是对实时交通信息进行 采集、传输、存储，并对这些信息进行分析、处理、汇总，再由交通事件检测 算法自动判断是否发生拥挤，然后实施交通信号控制、违章信息处理，交通策 略制定，并且公布交通信息，实行交通诱导，让人们自觉避开交通阻塞地段， 合理使用交通资源，从而达到提高运输效率的目的【1 , 9 , 18 , 1 9 , 2 0 。检测系统的构成如 武汉理f ：人学硕十学位论文 图4 1 ，其中系统的关键部分是事件算法及拥挤判断。 监视系统 通讯系统 1 数据传输系统 t 腔制中心 数据处理系统 信息分析与识别软件 l t 救援设施与场外控制设施 图4 1 事件检测算法的优劣通常采用下述指标衡量： 1 ) 检测率( d r ，d e t e c t i o nr a t e ) ，是指在一定时间内，所检测到的事件数与 实际发生的总事件数的比值。 2 ) 误报率( f a r ，f a l s e a l a r m r a t e ) ，是指在一定时问内，误报事件的次数占 检测到的事件总数的百分比。通常在保