（载运工具运用工程专业论文）基于数据挖掘的交通流状态辨识算法研究.pdf

山东理工大学硕士学位论文 摘要 ! 曼! 曼曼曼曼! 蔓蔓蔓曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼詈曼曼曼曼! 曼苎苎! 鼍苎苎! 皇! il l l , l , m l , l j ! ll i 毫曼苎! ! ! ! ! 曼曼! 曼曼曼曼曼! 曼鼍! ! 蔓 摘要 对道路交通流进行预测、检测等分析研究，深入挖掘交通流动态信息，及时、 准确地辨识未来和实时交通流状态，是实现动态交通管理的一个重要前提，也是目前 广泛开展的智能运输系统( i n t e l l i g e n t t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ，i t s ) 项目，特别是其先 进的交通管理系统( a d v a n c e dt r a f f i cm a n a g e m e n ts y s t e m s ，a t m s ) 和先进的出行者 信息系统( a d v a n c e d t r a v e l e r i n f o r m a t i o ns y s t e m s ，a t i s ) 研究开发的基本要求。交通 流状态辨识的主要作用是及时准确地识别当前和未来交通流状况，实旌合理有效的交 通管控和诱导措施，及时处理事件，减少人员伤亡和财产损失，诱导驾驶员行为并使 交通流避开拥挤区域，达到平稳交通流、减轻拥挤区域交通压力、节约能源、减少污 染的目的。 本文从交通流的基本特点和动态交通管理、道路交通事件管理及交通流诱导的根 本需求出发，对交通流状态辨识的两个方面交通流短时预测和交通流实时检测的 相关理论和方法进行深入研究。基于动态交通管理的基本思想，根据我国i t s 框架， 以事件管理系统为基础，设计了交通流状态辨识系统框架；在总结目前交通流短时预 测和自动事件检测算法成果的基础上，依据数据挖掘技术中的非参数回归样条拟合、 小波多分辨分析方法，提出了基于非参数回归样条拟合的交通流短时预测算法和基于 多分辨分析的交通事件自动检溺算法；利用英国南安普敦大学t r g ( t r a n s p o r t a t i o n r e s e a r c hg r o u p ) 提供的实测数据以及交通仿真系统v i s s i m 的模拟数据分别对所建 立的算法进行验证，结果表明本文所建立的两类交通流状态辨识算法均具有良好的性 能。 关键词：交通流理论，状态辨识，数据挖掘，非参数回归，多分辨分析 山东理工大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t t r a f f i cf l o wc o n d i t i o nr e c o g n i t i o ni so n eo ft h ei m p o r t a n ti s s u e so fi n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o n s y s t e m so t s ) e s p e c i a l l yf o ri t sa d v a n c e dt r a f f i cm a n a g e m e n ts y s t e m s ( a t m s ) a n da d v a n c e d t r a v e l e ri n f o r m a t i o ns y s t e m s ( a t i s ) r e s e a r c ht h eo b j e c t i v eo ft r a f f i cf l o wc o n d i t i o nr e c o g n i t i o ni st o r e c o g n i z et h ec o n d i t i o no f t r a f f i cf l o wt i m e l ya n da c c u r a t e l y , t a k ee f f e c t i v et r a f f i ci n c i d e n tm a n a g e m e n t , t r a f f i cc o n t r o la n dt m m cf l o wg u i d a n c em e a s u r e st oc l e a no u tt r a f f i ci n c i d e n t st i m e l y i nt h i sw a y , t h e l o s so fc a s u a l t i e sw i l lb el o w e r e da n dt h es e c o n di n c i d e n t sw i l lb ea v o i d e d i na d d i t i o n ，t h ec o n t r o l m e a s u r e so ft r a n s p o r t a t i o nd e m a n dc a r lb et a k e ne f f e c t i v e l ya n dt h er o u t er e c o m m e n d a t i o n sc a nb e a v a i l a b l et ot r a v e l e r ss oa st ol e s s e nt r a f f i cp r e s s u r e ，e c o n o m i z ee n e r g ya n dr e d u c ep o l l u t i o n a c c o r d i n gt ot h ed e m a n d so fd y n a m i ct r a f f i cm a n a g e m e n t , t r a f f i ci n c i d e n tm a n a g e m e n ta n du r b a n t r a f f i cf l o wg u i d a n c e ，t h et h e o r yo ft r a f f i cf l o wc o n d i t i o nr e c o g n i t i o n ，i n c l u d i n gt r a f f i cf l o ws h o r t t e r m f o r e c a s t i n ga n dr e a l - t i m ed e t e c t i o n , i ss t u d i e dd e e p l yi nt h i sp a p e r a na r c h i t e c t u r eo ft r a f f i cc o n d i t i o n r e c o g n i t i o ns y s t e mi sp u tf o r w a r db a s e do nt h eb a s i ct h o u g h to fd y n a m i ct r a f f i cm a n a g e m e n ta n dt h e a r c h i t e c t u r eo ft r a f f i ci n c i d e n tm a n a g e m e n ts y s t e m ，t w ot r a f f i cf l o wc o n d i t i o nr e c o g n i t i o na l g o r i t h m s ， n a m e l yt h et r a f f i cf l o ws h o r t t e r mf o r e c a s t i n ga l g o r i t h mb a s e do nn o n - p a r a m e t e rr e g r e s s i o ns p l i n e f i t t i n ga n dt h et r a f f i ci n c i d e n td e t e c t i o na l g o r i t h mb a s e do nw a v e l e tm u l t i r a s o l u t i o na n a l y s i s ，a r e p r e s e n t e da c c o r d i n g t o t h ec h a r a c t e r i s t i c o f t r a f f i c f l o w t h ep a r a m e t e r s o f a l g o r i t h m s a r ec a l i b r a t e d a n d t w oo f f - l i n et e s t sa r em a d ea c c o r d i n gt ot h ed a t au n d e rt h ec o n d i t i o no fi n c i d e n ta n dn o n - i n c i d e n t o b t a i n e df r o mt r a n s p o r t a t i o nr e s e a r c hg r o u p ( t r g ) o fu n i v e r s i t yo fs o u t h a m p t o no fu ka n dt h e s i m u l a t i o n t h er e s u l t so ft e s t sp r o v e dt h a tb o t ha l g o r i t h m sp e r f o r mb e t t e ri nt r a f f i cf l o wc o n d i t i o n r e c o g n i t i o n k e yw o r d s ：t r a f f i cf l o wt h e o r y , c o n d i t i o nr e c o g n i t i o n ，d a t am i n i n g ，n o n - p a r a m e t r i cr e g r e s s i o n ， m u l t i r e s o i n t i o na n a l y s i s 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得山东理工大学或其它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。 研究生签名： 么绲 m j - f 司：2 - r t 年jb2 1 乒日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在不同媒体 上发表、传播学位论文的全部或部分内容。可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 导师签名： 认数磊 时阍：印；年奎羁2 ；黾 时间：州年宇月形日 山东理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景、意义 第一章绪论 近年来，社会经济的持续快速发展带动了我国城市化、汽车化的迅猛发展，进 而使交通需求急剧增加。为满足日益增长的交通需求，我国交通基础设施建设投资加 大、速度加快，基础设施取得了长足的发展，然而，交通问题依然尖锐，并且愈演愈 烈。交通拥挤、秩序混乱、事故频发、污染加剧，交通问题已经成为制约社会经济持 续、健康发展的瓶颈问题i l “。 如何解决出现的交通问题? 建设个科学合理的综合交通运输系统是解决问题 的基本前提，然而，如果不能充分有效地把建设好的交通设施利用起来，交通问题同 样得不到很好地解决。而要想建立良好的交通秩序、充分利用现有的交通设施，不但 要求我们进行交通工程的精品工程建设，而且要求我们实行先进的交通管理。交通管 理的现代化、智能化、信息化是解决交通问题这个复杂系统工程中的关键环节i t 4 。 1 1 1 我国交通问题现状及原因 1 、问题现状 ( 1 ) 交通拥挤 所谓交通拥挤，是指交通需求( 一定时间内想通过道路的车辆数) 超过某道路的 通行能力时，超过部分的交通滞留在道路u 匕的现象。 近年来，许多城市不同程度地受到交通拥挤的困扰，城市交通拥挤已成为人们所 关注的热门话题和研究的热点问题。交通拥挤使交通延误增大，行车速度降低，带来 了时间损失和燃料费用的增加；低速度行驶增加了排污量，导致环境恶化；另外，交 通拥挤使交通事故增加，阻塞使入烦躁和不安，不但容易导致交通事故增多，而且影 响工作效率和人的健康。总之，交通拥挤不仅造成了巨额的经济损失，而且制约着社 会经济进一步发展。 ( 2 ) 交通安全蛔题 自第一辆汽车问世以来，在一个多世纪里，汽车在人类的文明进步中起到了关 键性作用，但同时也给人类留下了严重的创伤汽车的使用导致了道路交通事故的 频繁发生。至今，全世界惨死于车祸的人数已有4 5 亿人，远远超过两次世界大战中 丧生的总人数。而且随着汽车数量的增加，社会机动化程度的提高，交通事故日趋严 重。进入2 0 世纪8 0 年代以来，全世界每年大约有5 0 万人在车祸中死亡，1 0 0 0 多万 山东理工大学硕士学位论文 第一章绪论 人受伤。在机动化程度较高以及正在走向机动化的国家，交通事故是导致死亡和伤残 的重要原因之一。2 0 0 5 年我国公安交通管理部门共受理一般以上道路交通事故 4 5 0 2 5 4 起，造成9 8 7 3 8 人死亡、4 6 9 9 11 4 人受伤、直接经济损失1 8 8 亿元，万车死 亡率为7 6 k j 。从以上数据可以看出，虽然我国近年来交通事故整体呈减少趋势，但 仍属于交通事故死亡人数较多的国家之一，交通安全形式非常严重。 造成交通事故的原因很多，主要包括驾驶员判断错误、车辆故障、恶劣的天气 和道路几何特征等。而交通量的增大，特别是交通拥挤现象的出现，也将加剧交通事 故的发生概率。反过来，交通事故的发生又会加剧交通拥堵状况。而且一旦发生的事 故得不到及时的处理，极易造成二次事故。 交通事故与地区的经济发展和机动化水平密切相关。西方发达国家也经历了一 个交通事故与经济增长速度、机动化进程同步发展时期，但在采取有效的交通安全措 施之后，交通事故的增长得到了有效地遏制。经济快速增长、机动化水平不断提高， 但交通事故的比率却呈下降态势，甚至交通事故的绝对数也在减少，这说明经济发展 和机动化程度的高低对交通事故的影响并不是完全确定的比例关系，更主要的取决于 整个社会对交通安全的重视程度以及所实旌的先进的交通管理措施。 目前，我国正处于经济快速增长、机动化水平不断提高的时期，交通基础设施远 远不能满足交通需求的迅猛增长，交通事业正呈现西方发达国家过去的发展态势，也 正在重复西方发达国家所走的老路。因此，吸取国外发达国家交通管理方面的经验教 训，对于我国交通事业的健康发展具有重要意义。 ( 3 ) 环境问题 随着城市的不断发展，环境问题已经成为社会各界广泛关注的焦点问题。而城市 环境问题的起因、恶化与城市交通密不可分。 尽管我国是一个机动化还处于较低水平的国家，然而，汽车污染所引起的危害已 相当严重，其直接影响到国家的经济发展和人民生活。从环保部门测定的数据知：汽 车每燃烧1 吨的燃料，产生的有害物质达4 0 - - - 7 0 千克。每千辆汽车每天排放的氧化 碳约3 0 0 0 千克，碳氢化合物约2 0 0 - - 4 0 0 千克，氮氧化合物约5 0 - 一1 5 0 千克。而在交通 拥堵时，车辆由于要频繁地加减速、起动和制动，此时排出的废气量是匀速行驶的7 倍多。截至2 0 0 4 年底，我国的机动车保有量已达到1 0 7 亿辆。随着机动车保有量的 增加，我国机动车污染物排放总量也日趋上升。在北京、上海、广州等大城市，机动 车已成为排放一氧化碳、氮氧化物、碳氢化合物等污染物的第一大污染源。国家环保 总局预测，2 0 0 5 年我国机动车尾气排放在城市大气污染中的分担率将达到7 9 左右 【6 】。如果不能有效控制汽车污染，城市污染将从煤烟型污染向机动车尾气型污染转化。 ( 4 ) 能源问题 交通对能源消耗相当大。据统计，交通运输是目前能源消耗量最大和增长速度 2 山东理工大掌蛔士学位论文 第一苹绪论 最快的一个部门，世界主要发达国家交通运输业的能源消耗占国家总消耗的3 0 左 右，我国8 0 以上的汽油都消耗在运输业上，而道路运输系统的能源消耗量占整个 交通运输部门能源消费量的5 0 以上1 7 1 。 能源消耗高度依赖于道路运输系统的运行状态。在拥挤的情况下，由于车辆不 得不频繁地加减速、起动和制动，能源消耗很大。据统计，在拥挤状态下的能耗是最 优状态下的两倍；在交通高峰时，这个比例将增加到3 3 倍，短期内可达到8 8 倍。 从以上讨论可以看出，交通拥挤是造成出行时间无法预测、运行成本增加、交 通事故增多、能源浪费和环境污染加剧的根本原因，造成了巨大的社会和经济损失。 因此，交通管理部门必须充分认识到这一点，才能有效地解决存在的问题。 2 、问题存在的原因 如何避免拥挤或减轻拥挤造成的影响，保证道路高速、安全、舒适和高效地运行， 不仅是发达国家，也是我国交通管理中需要解决的主要问题。通过分析我国存在的交 通问题，本文把导致上述交通问题的原因概括为如下几点： ( 1 ) 我国道路交通由交通、规划、城建、环保、市政和公安部门共同管理。这 就造成了部门问相互扯皮、职能交叉等问题，致使道路交通管理受到严重干扰。 ( 2 ) 虽然近年来我国交通基础设施建设取得了很大进步，但相对于日益增长的 交通需求，交通基础设施无论在数量上还是质量上都还有较大差距。 ( 3 ) 我国道路交通属于混合交通，行人、自行车和汽车在同路面上行驶。这 使得交通管理变得更加困难。 ( 4 ) 受传统思维的影响，我国的群众普遍缺乏交通安全意识。这也加剧了交通 事故的发生。 ( 5 ) 由于我国道路交通管理建设受到各方因素的制约，缺乏相应的智能监控、 控制和现代化管理设施和技术，信息化、智能化水平比较低，事件得不到及时处理， 交通流得不到合理诱导。 上述问题中，( 1 ) 、( 4 ) 属于人为主观因素，需要随着政府职能的明确和人们交 通意识的提高来逐步改进；( 2 ) 、( 3 ) 是我国客观现状，需要进一步发展经济予以解 决；而( 5 ) 正是我们交通工程研究人员所应着力解决的。 1 1 2 智能运输系统解决交通问题的有效途径 以前，人们一般用两种方式来解决人、车、路之间的矛盾，一是控制需求，最直 接的办法就是限制车辆数日的增加；二是增加供给，提高道路基础设施的数量。但是 这两种办法都有其局限性，交通的发展导致社会生产力和人民生活水平的提高，经济 的发展必然带来人们出行的增加，因此限制车辆数目的增加不是解决闷题的根本办 法。对于我国这样一个发展中国家，由于基础设施的缺口很大，因此在相当长的一段 时间内交通运输增长的需求主要还是靠提供更多的基础设旌来满足，特别是建设完善 的道路网络。在基础设施快速发展的同时，我们不得不看到，尽管在全球的许多地方 仍将建设更多的基础设施，但随着经济和技术的发展，面对越来越拥挤的交通，有限 的资源、财力以及环境的压力，建设更多的基础设旅将受到限制，尤其在我国这样一 个人口大国，大规模的道路建设已不能完全解决日益紧张的交通运输问题。 尽管道路的增长比汽车的增长慢，但是现有的路网是否得到了充分利用呢? 答 案是否定的，我们的实际经验也可以说明这一点，如果我们能够全面充分地了解路网 上的交通信息，无疑将会有利于我们的出行。智能运输系统( i n t e l l i g e n t t r a n s p o r t a t i o n s y s t e m s ，i t s ) 的出现为我们解决交通问题提供了一套行之有效的途径。智能运输系 统利用现代科学技术在道路、环境、车辆和驾驶员( 乘客) 之间建立起智能联系，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，保障人、车、路和环境的和谐统一，在极大的提高运输效率的同时，充 分保障交通安全、改善环境质量、提高能源利用率【i “0 1 。智能运输系统使汽车与道 路的功能智能化，所以它是目前国际公认的解决交通拥挤、改善行车安全、提高运行 效率、减少空气污染等问题，实现交通运输可持续、绿色发展的有效途径也是全世 界交通运输领域研究的前沿课题。可以说，智能运输系统是将当今世界上最新的科技 成果和人的本性研究相结合，基于传统交通系统而形成的一种反映了2 1 世纪道路交 通发展方向的系统。 l - 1 3 智能运输系统研究内容 早在2 0 世纪6 0 年代，些有识之士就萌发了在道路交通上应用信息、通信技术， 从而使人、车、路、环境更加和谐的构想。实现这一构想的主要手段有向驾驶员提供 交通信息，通过管制引导交通或限制交通，以及实施自动驾驶等，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州大学进行的自动驾驶实验，日本车 田公司提出的m a c 系统和机械试验所( 机械技术研究所) 进行的自动驾驶实验等。 2 0 世纪8 0 年代以来，发达国家交通运输领域的研究进入了一个崭新的阶段，美国、 加拿大、德国、法国、日本、澳大利亚等国都投入大量的人力物力从事i t s 的研究， 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。近年来， i t s 技术研究以惊人的速度发展，出现激烈竞争的局面，并逐步形成了美国、欧洲、 日本三大体系。 目前，i t s 在全世界发展迅速，其功能和规模不断扩大，对其构成的描述也不尽 相同。根据国内外科学家的研究和开发，目前智能运输系统包括的内容大致如下【l 圳： 4 山乐理工大学碗士学位论文 第一章绪睦 ( 1 ) 先进的交通管理系统( a d v a n c e d t r a f f i c m a n a g e m e n t s y s t e m s a t m s ) 先进的交通管理系统( a d v a n c e dt r a f f i cm a n a g e m e n ts y s t e m s ，a t m s ) 是i t s 最 基本的组成部分，它是指应用先进的计算机、通信和传感器技术，将车辆、道路和交 通管理融为一体，能够实现对交通流进行实时监测、智能控制和主动管理的系统。由 于a t m s 实现了车辆运行与交通管理的完美结合，因此能够保证道路网始终处于最 佳的运行状态。a t m s 的主要目标是实现对城市道路与公路的一体化监视、控制与管 理。a t m s 通过对道路交通网络中的各种交通信息进行实时采集、传输和分析处理， 及时发现交通运行过程中存在的各种故障，为道路交通的管理者和参与者提供决策信 息支持，最大限度地减少由交通拥挤和交通事故引起的出行时间延误，提高道路交通 的安全性和运行效率。 a t m s 主要包括十个子系统：交通信息采集子系统、信息通信子系统、交通管理 控制中心、交通信号控制子系统、突发事件快速反应子系统、交通信息综合管理子系 统、交通信息服务子系统、收费子系统、车辆管理子系统和驾驶员管理子系统。a t m s 的物理结构如图1 1 所示。交通流状态辨识就是基于动态交通管理基本思想，通过交 通管理控制中心整合交通信息采集子系统、信息通信子系统、交通信息服务子系统、 交通信息综合管理子系统、交通信号控制予系统、突发事件快速反应子系统等a t m s 中各子系统，以及先进的出行者信息系统( a d v a n c e d t r a v e l e r i n f o r m a t i o ns y s t e m s a t i s ) 的功能来实时辨识交通流运行状态，以便于合理地进行事件管理和交通流诱 导措施。 交通信息服交通信息综合 务子系统管理子系统 l * “i 驾驶员管 、i 忿移：卜 理子系统 、。，一，xi 重焦一：； i 盎等直仕曲；布 l 收费子系“品薹嚣嚣衰系冬 l 反应子系统 车辆管理交通信息采交通信号控 子系统集子系统制子系统 图1 - 1a t m s 物理构成 ( 2 ) 先进的出行者信息系统( a d v a n c e dt r a v e l e ri n f o r m a t i o ns y s t e m s a t i s ) a t i s 利用先进的信息、通讯及其它相关技术，实时地向出行者提供道路交通信 息、公共交通信息、换乘信息、交通气象信息、停车场信息以及与出行相关的其它信 息。出行者根据这些信息确定自己的出行方式、选择路线。更进一步的是，当车上装 备了自动定位和导航系统时，该系统可以帮助驾驶员自动选择行驶路线。在事故条件 下，安装a t i s 的车辆，出行时间降低8 一2 0 ，每次发生事故时延误降低1 9 0 0 辆小 时，燃油消耗降低6 扣1 2 ，v o c 排放降低2 5 ，h c 排放降低3 3 ，n o x 排放降 低1 5 3 1 。 ( 3 ) 先进的公共交通系统( a d v a n c e dp u b l i c t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ，a p t s ) a p t s 主要是采用各种智能技术促进公共运输业的发展，它包括：公共车辆定位 系统、客运量自动检测系统、行驶信息服务系统、自动调度系统、电予车票系统、响 应需求的公共交通系统等。如利用全球卫星定位系统和移动通信网络对公共车辆进行 监控和调度，采用i c 卡进行客运量检测和公交出行收费，通过个人计算机、闭路电 视等向公众就出行时间和方式、路径及车次选择等提供咨询，在公交车辆上和公交车 站通过电子站牌向候车者提供车辆的实时运行信息，提供电话预约公共汽车的门到门 服务，提高公共交通的吸引力。 ( 4 ) 先进的车辆控制系统( a d v a n c e dv e h i c l ec o n t r o ls y s t e m s ，a v c s ) a v c s 结合传感器、计算机、通讯、电机及控制技术应用于车辆及道路设旌上， 帮助驾驶员提高行车安全性，增加道路容量，减少交通拥挤。本系统的主要特色是利 用传感器弥补人类感官功能的不足，减少危险的发生，提高自动控制的程度，实施更 安全、准确、可靠的控制，避免驾驶员因判断错误或技术不熟练所造成的损失。a v c s 目前还处于研究试验阶段，从当前的发展形式看，可以分为两个层次： 一是车辆辅助安全驾驶系统，该系统有以下几个部分：车载传感器( 微波雷达、 激光雷达、摄像机、其它形式的传感器等) 、车载计算机和控制执行机构等。行驶中 的车辆通过车载传感器测定出与前车、周围车辆以及与道路设施的距离及其它情况， 然后车载计算机进行信息处理，对驾驶员提出警告，在紧急情况下，强制使车辆制动。 二是自动驾驶系统，装备了这种系统的汽车也称智能汽车，它在行驶中可以做到 自动导向、自动检测和回避障碍物，在自动公路上，能够在较高的速度下自动保持与 前车的距离。不过现在智能汽车只有在自动公路上使用才能发挥出全部功能，如果在 普通公路上使用，它仅仅是一辆装备了辅助安全驾驶系统的汽车。 ( 5 ) 商用车辆运营系统( c o m m e n e i a lv e h i c l e so p e r a t i o n s ，c v o ) c v o 是应用前述a t m s 、a t i s 、a v c s 技术于商业运营车辆，例如车辆自动识 别技术、车辆自动定位技术、车辆自动分类技术等，提高企业内部劳动生产率，提升 6 山东理工太学硕士学位论文 第一章绪论 运输效率及安全，改进对突发事件的反应能力，改善车队管理和交通状况，并减少运 输成本，提高生产力。所谓“商用车”不仅包括大型与重型车辆( 如卡车、货车) ， 还包括紧急救援用车辆( 如救护车、拖吊车) 以及每日运作的商用小型车( 如出租车) 等。 ( 6 ) 电子收费系统( e l e c t r o n i ct 0 uc o l l e c t i o n e t c ) 公路收取通行费已经成为中国公路建设资金回收的重要渠道之。但是随着交通 量的增加，收费站开始成为道路上新的瓶颈，在中国南方的一些高速公路上已经发生 了行车2 0 分钟，排队交费需3 0 分钟或更长时间的交通堵塞现象。电子收费系统就是 为解决这个问题而研制开发的。使用者可以在高速公路公司或银行预交一笔通行费， 领到一张内部装有电子线路的通行卡，将其安放在自己汽车的指定位置，这样当汽车 通过收费站的不停车收费车道时，该车道上安装的读取设备与车上的通行卡进行相互 通信，自动在预交账户上将本次通行费扣除。e t c 大大降低了收费站的运营和管理 费用，减少了车辆的延误。e t c 使运营费用降低9 0 ，通过能力提高2 5 0 ，燃油消 耗降低6 v 1 2 ，e t c 装置应用的范围内每英里c o 排放降低7 2 ，h c 排放降低8 3 ， n o x 排放降低4 5 【j j 。 ( 7 ) 紧急事件管理与救援系统( e m e r g e n c ym a n a g e m e n ts y s t e m s e m s ) e m s 即为当紧急危难发生时，求援车辆如何求援、救援车辆如何在最短的时间 内到达现场，以及如何警示其它驾驶员的系统。本系统包括车辆故障与事故求援、事 故救援派遣以及救援车辆优先通行等部分，其基础是a t i s 、a t m s 和有关的救援机 构及设旌，通过a t i s 和a t m s 将交通监控中心、交通警察、道路养护管理机构、职 业的救援机构、灾害处治管理中心等联成有机的整体，为道路使用者提供现场紧急处 治、拖车、现场救护、排除事故车辆等服务。 1 1 4 中国智能运输系统的体系框架 ( 1 ) 中国i t s 发展现状 近年来，我国经济的高速增长带来了尖锐的车路矛盾，使得解决交通问题的要 求更加迫切。各级政府和交通规划管理部门对i t s 都给予了高度重视，目前全国各地 已经有很多部门正在积极规划和开展s 项目。在国家层面上，中国政府大力推动i t s 的研究和应用，1 9 9 9 年科技部批准成立国家i t s 协调领导小组；同年科技部组织国 内数十家单位联合制定中国智能运输系统体系框架和技术标准，并于2 0 0 1 年1 0 月正式通过了国家的鉴定和验收：2 0 0 1 年“十五”科技攻关计划中将“智能交通系 统关键技术开发和示范工程”列为重大项目，并设立了北京、上海、广州、天滓、重 庆、青岛、济南、杭州、深圳和中山1 0 个i t s 项目示范城市。在地方层面上，从2 0 7 山东理工大学硕士学位论文 第一章绪论 世纪9 0 年代开始，国内的大城市陆续引进国外的自适应交通信号控制系统，例如北 京和大连等城市采用了英国的s c o o t 系统，上海、天津、沈阳、广州、杭州和苏州 等城市采用了澳大利亚的s c a d 系统，北京市交通管理部门目前正在实施交通流实 时动态信息采集、处理分析和发布系统。除了政府和管理部门的大规模投入外，企 业界也对智能运输系统表现了浓厚的兴趣，纷纷将i t s 作为企业的主要发展方向之 一，并投入了大量的研发资金，积极开发各种适合中国交通条件的智能运输系统产品。 i t s 正在形成一个蓬勃发展的新兴高技术产业。 ( 2 ) 中国i t s 服务领域划分 根据中国智能运输系统体系框架f 4 1 ，我国i t s 服务领域共分为8 个服务领域，3 4 项服务，1 3 8 个子服务，如表1 - 1 所示。 表1 - 1 中国i t s 服务领域 中国i t s 服务名称 中国i t s服务名称 服务领域服务领域 交通法规监督与执行紧急情况的确认及个人安全 交通运输规划支持 紧急车辆管理 交通管理基础设施的维护管理紧急事件危险品及事故的通告 与规划交通控制和安全公共出行安全 需求管理 易受伤害道路使用者的安全措 事件管理 施 交汇处的安全服务 电子收费电子收费公交规划 出行前信息服务 公交运营管理 出行者信息服务行驶中驾驶员信息服务 运营管理车辆监视 途中公共交通信息服务 一般货物运输管理 特种运输的管理 个性化信息服务 交换客货运信息资源 路径诱导及导航服务 综合运输提供旅客联运服务 车辆安全和辅 视野的扩展 提供货物联运服务 助驾驶纵向防撞 自动公路自动公路 横向防撞 交叉路口防撞 安全状况( 检测) 碰撞前司乘人员保护 自动车辆驾驶 1 1 5 交通流状态辨识研究的意义 道路交通拥挤是目前一些大中城市面临的紧迫问题。从经济学的观点看，交通 拥挤是交通供需之间存在矛盾的体现，即交通供给无法满足交通需求。针对这一矛盾， 8 山东理工大掌坝士学位论文第一章绪论 一般有三种解决方法：依靠各种设施和手段提供更多的交通供给：通过各种政策调整 和降低交通需求；动态交通管理( d y n a m i ct r a f f i cm a n a g e m e n t ，d t m ) ，通过各类实 时、动态的交通管理策略来提高交通供给与交通需求之间的配对，进而提高交通供给 的使用效率和服务水平【1 1 ”j 。 对道路交通流状态进行分析研究，及时、准确地辨识未来和实时交通流状态， 是实现动态交通管理的一个重要前提，也是目前广泛开展的智能运输系统( i n t e l l i g e n t t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ，i t s ) 项目，特别是其先进的交通管理系统( a d v a n c e dt r a f f i c m a n a g e m e n ts y s t e m s ，a t m s ) 和先进的出行者信息系统( a d v a n c e dt r a v e l e ri n f o r m a t i o n s y s t e m s ，a t i s ) 研究开发的基本要求。相对于动态交通管理中的主动策略和被动策 略( 参见第二章，2 ，2 1 动态交通管理) ，交通流状态的辨识也可以分为预辨识和实时 辨识。预辨识是对采获的实时交通流数据按照一定的数学模型进行分析，预测未来一 定时间内的交通流状况，其主要内容为交通流的短时预测；实时辨识是通过交通流实 时数据，对交通拥挤、堵塞现象进行分析和研究，及时、准确地辨识交通异常状况， 其主要内容为交通流的实时检测，重点是突发交通事件的自动检测。无论是交通流状 态的预辨识还是实时辨识，其所采用的交通状态分析算法的性能直接影响到辨识的精 度，进而对交通管理系统所采取的管控策略的有效性有着显著性影响。因而，交通管 理系统整体性能的提高，关键在于交通流状态辨识算法性能的改善。实践表明，这些 交通流状态辨识算法的精度和可靠性决定了i t s 中a t m s 和a t i s 的效率和效果，因 此交通流状态辨识两类算法的研究一直是i t s 领域研究的重要内容之一【9 08 l 。本文的 主要研究内容便是基于数据挖掘技术的交通流状态辨识理论与方法。限于时间关系， 本文按照动态交通管理基本思想，基于数据挖掘技术方法，主要围绕交通流状态辨识 在事件管理中的应用进行阐述。 1 2 主要研究内容及关键理论 1 2 1 主要研究内容 ( 1 ) 基于动态交通管理基本思想的道路交通流状态辨识系统框架研究； 依据动态交通管理基本思想，对交通事件管理系统进行拓展，针对交通事件管理 和交通流诱导，构建道路交通流状态辨识系统的结构框架。 ( 2 ) 基于非参数回归样条拟合的交通流短时预测算法； 按照数据挖掘技术的任务分类( 详见第四章，4 1 数据挖掘技术) ，交通流短时预 测主要是基于数据挖掘任务中的预测和回归任务对交通流未来短时期内的交通流参 数状态进行预测。本文基于非参数回归样条拟合理论建立交通流短时顸测算法。 ( 3 ) 基于多分辨分析的交通事件自动检测算法。 交通事件自动检测是交通流检测中的重点研究内容，它是基于数据挖掘任务中的 分类( 更具体说是模式识别) 任务对道路交通流状况进行自动检测，判别事件的发生 与否。本文基于多分辨分析建立交通事件自动检测算法。 1 2 2 关键理论 本论文的关键理论是交通流状态辨识的两类算法( 交通流短时预测算法和交通 事件自动检测算法) 。 1 3 交通流状态辨识系统研究现状与发展趋势 1 3 1 国外研究现状f 9 - 1 2 1 4 。1 9 】 在美国，基于交通流状态辨识理论的交通事件管理系统在许多州已经得到了广泛 的应用。上世纪6 0 年代早期，底特律的交通工程师便出版了各类交通事件出现频率 的调查报告。7 0 年代中期，加州交通局广泛地报道了洛杉矶地区的高速公路应用事 件管理的最新进展。联邦公路局也出版两卷有关高速公路与事件管理的报告：“赢速 公路事件管理的两种概念和方法”( 1 9 7 8 年) 、“高速公路管理手册”( 1 9 8 3 年) 。在 1 9 8 8 年，t r b 组织完成了个关于事件管理的综合报告“高速公路事件管理”。2 0 0 2 年l o 月起至2 0 0 5 年1 月，弗罗里达州交通运输局资助南加利福尼亚大学完成了“b e s t p r a c t i c e sf o rt r a f f i ci n c i d e n tm a n a g e m e mi nf l o r i d a ”项目。近年来，美国的i t s 得到 了广泛实施，改进了交通流监控、通信和出行者信息发布媒介等事件管理的支撑技术， 使得交通事件管理系统也逐渐向自动化、智能化方向迈进，如明尼苏达州的d i v e r t 、 马里兰州的c h a r t 、纽约和新泽西区域的1 1 r a n s m i t 以及圣地亚哥的智能呼救电 话和a d v a n c e 等。 在澳大利亚，悉尼市建立了把高速公路网络( 有3 2 0 个c c t v 监视器和以5 0 0 米间隔布置的检测线圈) 同城市交通信号系统( s c a r s ) 相结合、具有快速事件检测 和响应能力的交通事件管理系统；昆士兰州( o u e e n s l a n d ) 建立了具有半自动化 事件检测能力的交通事件管理系统；墨尔本建立了具有全自动事件检测能力的交通事 件管理系统；泊斯市区6 0 k i n 的高速公路上引进了m r w a 系统。在欧洲，很多国家 建立了基于视频检测技术c c a t s 和c c i d s 的事件检测和管理系统，如德国的集中式 事件预警系统c o m p a n i o n ，瑞典的m c s 系统等。2 0 0 0 年，英国南阿普顿大学的交 通运输研究组( t r a n s p o r t a t i o nr e s e a r c hg r o u p ，t r g ) 主持开展了p r i m e ( p r e d i c t i o no f c o n g e s t i o na n di n c i d e n t si nr e a lt i m e ，f o ri n t e l l i g e n ti n c i d e n tm a n a g e m e n ta n d e m e r g e n c yt r a f f i cm a n a g e m e n t ) 项目，并于2 0 0 2 年完成。该项目融合了多种检测算 1 0 山东理工大学碗士学位论文 第一章绪论 法来检测交通事件的发生，在欧洲一些城市公路的实施表明其具有良好的检测性能。 近年来，随着道路网络的逐步成熟和道路交通需求量的进一步增加，与突发交通 事件无关的常发性拥挤越来越严重。交通高峰期的持续时间不断延长，高峰期出现交 通拥挤的路段不断增加，严重影响了道路交通的安全性和运行效率，因此，常发性拥 挤也逐渐成为交通监控的重要内容之一。所以，以发现道路上突发交通事件为目的的 自动检测方法的研究，已经扩展成为对道路上所有交通异常状态辨识方法的硬究，如 在美国德克萨斯州运输局资助下，德克萨斯州交通运输研究所于2 0 0 4 年9 月开始的 “d y n a m i ct r a f f i cf l o wm o d e l i n gf o ri n c i d e n td e t e c t i o na n ds h o r t - t e r mc o n g e s t i o n p r e d i c t i o n ”项目，已经结合交通事件检测和短时交通流预测两种交通流状态辨识方 法进行道路事件和交通拥挤的判别。本文便是结合交通流短时预测和交通流( 交通事 件) 检测两方面的理论方法，研究交通流状态动态辨识，及时准确地判别道路未来短 时间内以及实时交通流运行状态。 1 3 2 国内研究现状 我国的道路建设虽然发展迅猛，但相应的监控和管理基础设施建设还远远不够， 就道路交通流状态辨识技术的研究和应用而言，我国还处于初步阶段。这样的现状远 远落后于发达国家，但是我国交通工程科研人员现已认识到现代化的交通管理，特别 是基于动态交通管理思想的事件管理、交通流诱导，是保障道路交通安全、快速、高 效、舒适、方便运行的重要手段，并开始着手基于交通流状态辨识的交通流短时预测 和交通事件检测、确认和响应技术的研究开发。华南理工大学的刘伟铭教授在其1 9 9 8 年出版的高速公路系统控制方法一书中就对交通拥挤与事件的自动检测理论、交 通事件管理策略做了相应的阐述，并一直在这领域进行深入的研究。吉林大学、天津 大学、山东理工大学、长沙交通学院等部门也是国内较早研究交通事件管理、交通状 态判别的机构，近年来发表了多篇相关学术论文。北京、上海等大城市已经安装现代 化的高速公路系统交通流检测、监视设备，这将为道路交通事件实时检测技术的研究 与实施打下良好的基础。另外，交通部也把事件管理系统作为“十五”公路交通技术 创新重点之一u g l ：“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系统，开发气象检测设备和车辆防撞设备， 最终建成高速公路网络事故紧急救援和事故预防系统，交通事故一旦发生后能紧急救 援并能合理疏导交通。”我国交通部编制的公路水路交通中长期科技发展规划纲要 ( 2 0 0 6 - - 2 0 2 0 年) 中，也把智能化数