（交通信息工程及控制专业论文）道路视觉运行状态评测系统研究.pdf

摘要 最近几年来，我国的高速公路路网日趋成熟，高速公路的建设也飞速的发展，高速 公路的监管和运营方面面临更高的要求和挑战，本论文通过对高速公路路段的交通流以 运行特征进行分析研究，对高速公路的运行状态进行评测分析，以便给高速公路的监控 管理工作提供更科学可靠的依据。从而更方便有效的开展高速路网的交通调度工作，充 分发挥高速公路路网的整体效益，提高路网运营管理水平和服务水平。本论文结合我国 高速公路现状，从运行状况的指标体系建立、交通事件检测子系统、交通流量参数 占空比检测三个方面，对高速公路路段运行状况评价分析进行了研究。这三个方面相互 联系，从不同侧面反映了路段的实时运行状况。 本文基于数字图像处理和计算机视觉技术，对系统中的关键技术进行了深入研究。 在系统设计方面，考虑到当前交通领域现有监控设备，设计了与之吻合的“视频图像采 集模块+ 视频检测服务器+ 视频检测终端 模式。 在运行状况动态综合评价研究方面，本论文根据我国高速公路的普遍现状建立综合 评价指标体系；在分析现有综合评价方法的基础上，提出了适合路段运行状况的评价方 法模型。该方法采用先状态分类后趋势评价的两步评价方式，将适用于时间序列的动态 综合评价方法应用于路段运行状况的评价，该方法能获得比较准确的运行状态分类和运 行趋势分析，适用于路段运行状况的动态实时评价。 在算法的研究过程中，通过对目标检测子系统中的背景模型算法、阴影检测算法、 运动目标检测算法以及运动目标跟踪算法的分析研究提出了车辆类型识别的技术：基于 几何特征分类器设计算法和基于不变矩分类器设计算法，为占空比的检测提供了良好的 基础。 关键词：高速公路道路运行状态评测参数视频检测占空比 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ff r e e w a yi no u rc o u n t r y , t h ef r e e w a y n e t w o r ki sd e v e l o p i n gg r a d u a l l y a tt h es a m et i m e ，f r e e w a ym a n a g e m e n th a st ob ef a c ew i t h h i g h e rr e q u i r e m e n ta n dg r e a t e rc h a l l e n g et h a nb e f o r e t h r o u g ht h es t u d yo nc o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o na n da n a l y s i so fo p e r a t i o ns t a t u so ff r e e w a ys e c t i o n , t h ep a p e r p r o v i d e dt h es c i e n t i f i c b a s e sa n dd a t u mf o rf r e e w a yg o v e r n o r , a n dt o i m p r o v et h e l e v e lo ff r e e w a yn e t w o r k m a n a g e m e n ta n ds e r v i c e ，f u r t h e r c o n s i d e r i n gt h ea c t u a l i t yo ff r e e w a yi no u rc o u n t r y , t h i s d i s s e r t a t i o ni ss t u d i e df o rt h r e ei m p o r t a n ta s p e c t so nf r e e w a ys e c t i o n ：d y n a m i cc o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o no fo p e r a t i o ns t a t u s ，t h ec h i l d s y s t e mo fi n c i d e n t d e t e c t i o na n dt r a f f i cf l o w p a r a m e t e r s 一- o c c u p a n c ys p a c e t h et h r e ea s p e c t sa r er e l a t e dt oo n ea n o t h e r , a n de a c ha s p e c t r e f l e c t st h ed y n a m i co p e r a t i o ns t a t u so ff r e e w a ys e c t i o nf r o ma s p e c i a ls i d e b a s e do nt h ed i g i t a li m a g ep r o c e s s i n ga n dt h ec o m p u t e rv i s i o nt e c h n o l o g y , t h ep a p e rh a s c o n d u c t e di n - d e p t hr e s e a r c hi nt h ek e yt e c h n o l o g i e so ft h es y s t e m i nt h ea s p e c to fs y s t e m d e s i g n i n g ，c o n s i d e r e dt h ee x i s t i n gm o n i t o r i n ge q u i p m e n t si nc u r r e n tt r a n s p o r t a t i o nf i e l d s ，t h e p a p e rh a sd e s i g n e dt h ec o m p a t i b l ym o d eo f t h ev i d e oi m a g eg a t h e r i n gm o d u l e + v i d e o d e t e c t i o ns e r v e r + v i d e od e t e c t i o nt e r m i n a l ” i nt h ef i r s ta s p e c t ，t h i sd i s s e r t a t i o nf i r s t l yp r e s e n t st h ee v a l u a t i o na t t r i b u t es y s t e mb a s e d o na n a l y z i n gc o m m o na t t r i b u t e s ，t h e nt h ed i s s e r t a t i o n s t u d ya n da n a l y s i s a l l e x i s t i n g c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nm e t h o d s a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fd y n a m i cc o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o no fo p e r a t i o ns t a t u so nf r e e w a ys e c t i o n ，t h ed i s s e r t a t i o np r e s e n t san e wd y n a m i c e v a l u a t i o nm e t h o dc a l l e d c l a s s i f ys t a t u sf i r s t , e v a l u a t et r e n dl a t e r i ti st h ef i r s tt i m et h a tt h e d y n a m i cc o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o nm e t h o di s a p p l i e d o ns y s t e me v a l u a t i o no ft r a f f i c f i e l d t h ea p p l i c a t i o ne x a m p l ep r o v e st h ev a l i d i t yo ft h en e wm e t h o d i nt h es t u d yo fa l g o r i t h m s ，t h ep a p e rb r o u g h tf o r w a r dt h et e c h n o l o g yo fv e h i c l et y p e r e c o g n i t i o n ，s u c h a sc l a s s i f i c a t i o na l g o r i t h m sb a s e do ng e o m e t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n d c l a s s i f i c a t i o na l g o r i t h m sb a s e do nc o n s t a n tm o m e n t ，t h o u g h tt h ea l g o r i t h ma n a l y s i so f b a c k g r o u n dm o d e la n ds h a d o wd e t e c t i o na n dm o v i n go b j e c td e t e c t i o na n dm o v i n gt a r g e t t r a c k i n g a l la b o v ep r o v i d e dag o o db a s i sf o ro c c u p a n c ys p a c et e s t i n g k e yw o r d s ：f r e e w a y ，s t a t eo fr o a dr u r m i n g ，p a r a m e t e r sv i d e od e t e c t i o n , o c c u p a n c ys p a c e i i 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 道路视觉运行状态评测的研究，对于交通指挥交通安全以及交通监控等具有非常重 要的理论意义和实用价值。道路视觉运行状态评测则将摄像机、数字视频技术以及数字 图像处理技术相结合，并运用于对高速公路运行状态的动态综合评价中，显示出更强大 的优势。路段运行状况的动态综合评价通过建立拥堵指标评价模型、应用动态综合评价 方法得到评价结果，反映路段运行状况。 1 1 研究背景及意义 衣食住行自古以来是中国人赖以生存的四大要素，所以说交通是社会发展和人民生 活水平提高的基本条件，也是衡量一个国家现代化程度的标志之一，随着国民经济的发 展，交通运输的需求明显增长，交通行业的基础建设和运输称为经济生活中最活跃的方 面【l 】。 大多数国家要面临交通行业的问题和挑战，国家的经济直接受交通运输质量的影 响，交通运输的问题随着城市化发展越来越显著，我国大部分城市的交通基础设施落后， 交通拥堵现象严重，交通环境差强人意，质量下降，这些问题的存在已经严重影响我国 交通运输行业发展。据统计，美国曾损失4 1 0 亿美元，主要就是因为交通拥堵而造成的。 所以安全的、现代的智能交通系统急需要构建。 近年来，我国周边地区的经济发展受我国高速公路的建设影响，已经蓬勃发展起来， 高速公路成为了某些区域经济发展的命脉。现在，经济发展越来越快，高速公路建设的 速度也相对加快，随之而来的是高速公路上的各种问题，比如，车流量的增加造成高速 公路的交通拥挤，进而影响交通安全以及对高速公路的环境影响也加剧。我国高速公路 的现状也是存在很多问题，大部分高速东路路况衰减，因为建设年代久远，所以一些配 套设施不到位，而且系统的管理也缺乏一定的科学性，虽然有监控系统，但是却不能起 到多大的作用，而且不同类型车辆以不同的行车速度混合行驶，这样车流及其不稳定， 也会导致通行能力下降，并且有的路段通行能力有较大的空余，而其他路段却拥堵严重。 以上问题急需解决的办法，所以建立与我国高速公路运行状况相适应的分析方法对我国 高速公路路况进行科学的分析评价是势在必行。这样既可以提高高速公路服务水平和运 行质量又可以发挥高速公路的效益。 第一章绪论 1 2 研究概况 1 2 1 国内研究概况 我国高速公路建设起步较晚，而且发展不平衡，东西部之间存在较大差异，东部沿 海虽然已经基本形成公路的网络骨架，但是西部海处于起步阶段。所以今后一段时期内 还是要加快高速公路建设的步伐，以适应国民经济发展的需求，并形成完善的高速公路 网络。 高速公路起步较晚，随之交通监控系统也发展较缓，现在还处在起步阶段，但是监 控系统却在高速公路管理与控制有着不可取代的位置，足以可见监控系统在交通发展中 的重要作用。目前，我国已有少数高速公路基本实现了全程监控，如江苏的某些路段： 南京机场高速、苏嘉杭高速以及上海城市快速道路高架。通过用车辆检测器来采集平均 车速、交通量和占有率等数据。而检测器的密度已经能达到l k m 的间距，这样就能判断 道路运行的基本情况，比如判断是否畅通，是否拥挤或者堵塞等等。对于已经开通的高 速公路，现在已经有了一定规模的监控系统，而新建的则可以将监控系统的设计和高速 公路的建设同步进行。 国内很多研究部门和应用软件开发公司开展了监控中心的系统管理软件开发工作， 如上海电器科学研究所研究开发了高速公路运行管理软件，从应急指挥管理、交通监控、 路政管理、地理信息系统等方面为高速公路运营部门提供信息和决策支持，已经成功应 用于上海市内环线高架道路交通监控工程、沪宁高速公路( 上海段) 交通监控工程等多 条高速公路。但是在目前运作的监控系统中还存在一定的问题和不足，例如，监控系统 外场设备( 包括信息采集系统和信息发布系统) 数目少、密度小，不能满足i t s 先进的 监控系统的实际需要；虽然监控中心一般都有相应的监控系统软件对外场设备采集的数 据进行初步处理和统计，但目前的信息管理软件在数据处理方面功能设计较为简略，缺 少对实时数据的挖掘，不能为值机人员和路网调度部门提供直接应用的相关指标。目前， 国内高速公路监控系统的运行状况分析软件尚未见报道。随着我国高速公路建设的迅速 发展和相应问题的日益显现，从上世纪9 0 年代起，国内一些研究机构和高校的交通专 业开始重视并研究高速公路交通运行特征和状况分析，交通部公路科学研究所、同济大 学、东南大学、长安大学、长沙理工大学等都从事了大量的研究工作并取得了一些成果。 参考文献中也对高速公路运行状况和交通特征进行了研究分析，但都限于从总体运行状 况方面的分析，而没有结合监控系统的现状、针对路网调度进行系统的实时运行状况分 2 长安大学硕士学位论文 析。 运行分析方面各系统采用路段交通量、占有率为基础指标，将这些指标与预先设置 好的的值进行比较，以确定道路运行状态。这样虽然能比较真实的反映道路运行状况但 是各项指标间会存在冲突，结果会受到指标的冲突的影响。 总之，目前国内对高速公路运行状况的分析比较单一，没有一个系统的评价。比如 只对高速公路通行能力进行分析研究，或者只针对道路的服务水平进行研究，或者只是 针对行车速度以及行车时间的研究等。而且现阶段我国以高速公路监控系统外场设备采 集数据为基础、针对路网调度指挥系统的研究很少。我国道路网的基本组成部分是高速 公路路段，所以为了高速公路能早日实现网络化，以及早日实现路网调度的联网操作， 对高速公路路段的运行状况评价亟待解决，这也是高速公路运营管理中的一项重要工 作，将来要实现高速公路的智能化的监控管理和调度，这也是必要趋势之一。 1 2 2 国外研究概况 传统的道路交通运输系统的比较大的变革是i t s ，它借助信息技术完成此次改革， 许多发达国家的高速公路的网络已经很成熟和完善。自2 0 世纪9 0 年代，欧美国家研究 反战的重点已经转移到了研究发展i t s 并对高速公路运行状况的分析，这也是未来交通 发展的必然趋势。这些的话不仅能更好的利用现有的高速公路基础设施，还能进一步提 高高速公路的运行质量和服务水平。在这些方面走在世界前列的有很多国家，尤其以美 国和日本为甚，他们在i t s 领域的研究和发展都很为成熟，而且对高速公路的监控系统 的研究也比较系统和完善。他们做了大量的工作来为道路运行状况的分析提供更好的基 础，比如日本的监控系统外场设备间距设置很小、但是设备之间的密度却很大，有一些 高速公路的车辆检测器密度已经达到了5 0 0 米 美国加利福尼亚州的高速公路已经开发并应用了高速公路运行状况测定系统 7 1 ( f r e e w a y p e r f o r m a n c em e a s u r e m e n ts y s t e m ，简称p e m s ) 。这一历时四年的项目由加州 运输局发起，美国加州大学伯克利分校研究开发，于2 0 0 2 年9 月完成。p e m s 从传感器 采集实时交通数据，并自动生成车辆行驶里程、行驶时间和行程时间等运行状况指标测 定结果，由此生成的包含实时和历史数据的庞大数据库使得工作人员对高速公路运行状 况和发展趋势能够作出准确的估计。p e m s 为交通规划、运营管理者和工程师提供了工 具和报告。p e m s 利用传感器数据计算运行状况测定指标和道路的其它交通特性，包括 速度、车辆时间延误、车辆行驶里程和累计行驶时间等。分析评价指标主要以图表形式 3 第一章绪论 表示，在图表和报告摘要中能看到相应数据，并能够通过网页界面在线获得，为出行者 提供在线服务。 日本阪神( 大阪至神户) 高速公路管理部门为了对高速公路运行状况进行实时、科 学的分析，对该地区范围内1 6 条线路，总长2 2 2 k m 实行统一管理。其信息主要通过各 线路上以5 0 0 m 间隔设置的车辆检测器获得，信息类型包括交通量、占有率与车速，其 中的交通量与占有率用于评价高速公路运行状况，车速数据则用于计算车辆行驶时间， 向驾乘人员发布，除车辆检测器外，公路全线还设置紧急电话设备，在线形不良路段加 设突发事件检测装置，以实时发现交通事件，采取管理措施。阪神高速公路的运营管理 部门非常重视运行状况的实时分析工作，在监控中心的扩建改造中，将分析室扩大到运 营初期的3 倍以上，并与京都大学建立了长期的合作研究关系，不断的对高速公路运行 状况分析方法进行研究和改进提高，以适应高速公路的发展和交通量变化趋势。运行状 况分析方面，国外普遍采用直接以采集的车速、交通量与占有率指标中一个或两个表示 路网运行状况，而采用一定的交通事件识别算法发现交通异常，这是在信息采集点密集 布设的条件下进行的，此时的各单一指标即能较准确的反映所在路段的实际情况，而在 信息采集点布设密度较低的情况下，单一指标异常波动难以被识别，因此分析运行状况 精度较低。所以，需要运用多个指标综合分析运行状况以提高准确性。 总之，高速公路的运行状况的分析以及信息发布是高速公路建设的首要问题之一， 国外的许多国家都将它们作为重点的研究和建设对象。我国的高速公路路网基本建成， 高速公路上的监控设施以及监控系统已初具规模，但是还存在很大的问题，设施之间的 间距普遍比较大，这样就造成了设施的布置的密度比较小，所以我国的高速公路的管理 以及运营方面可以借鉴国外在高速公路的运行状况分析方面取得的既有成果，并结合我 国高速公路建设的实际情况研究适合我国高速公路的运行状况分析评价方法。 1 3 研究目的和内容 1 3 1 研究目的 高速公路的日趋网络化对高速公路的运营管理提出更高的要求。开展区域高速公路 路网交通调度工作，有利于充分发挥高速公路路网的整体效益，有效处理恶劣天气和各 种突发性事件情况下的路网运行问题，提高路网服务水平。江苏省在全国率先开展了公 路路网交通调度工作，于2 0 0 0 年初正式成立了路网调度办公室，全面负责全省公路的 4 长安大学硕士学位论文 路网交通管理与调度。如何对高速公路路段运行状况进行科学分析，并建立可行的研究 模型，为道路运行状态的趋势预测提供可靠依据是本论文的研究的主要内容。 而且在计算机性能日益提高的今天，视频图像的处理算法已经可以满足系统响应速 度的要求，在这样的条件下，研究道路视觉下的交通流参数检测就变得很有可行性。为 了提高系统的实时性及模块化，长远的考虑，可以将整套系统移植到硬件上。 高速公路路段运行状况的分析评价是有效管理和运营高速公路、充分发挥其潜力的 关键。鉴于以上分析，本论文的研究目的是：通过对高速公路摄像头传过来的视频图像 信息进行处理，得到相关的交通流参数值，通过分析相关参数准确把握高速公路的现有 运行状态及其发展趋势，对高速公路路段运行状况评价与分析的重要问题进行研究，为 高速公路监控管理工作提供科学依据，以利于开展区域高速公路路网交通调度工作，进 而充分发挥高速公路路网的整体效益，提高路网运营管理水平和服务水平。 1 3 2 研究内容 本论文研究的主要思路为：通过对高速公路视频流图像信息进行处理分析，考察目 前国内高速公路路段运行管理现状，在研究过程中以交通工程学、交通流理论为基础， 运用线性规划等相关方法，结合国内高速公路特点，汲取国内外最新研究成果，制定出 评价路段运行状况的系统的分析评价指标与综合评价方法，并研究具有实用性和适用性 的路段交通自动检测方法和。 具体研究内容与方法如下： ( 1 ) 高速公路路段交通特性和数据采集处理以交通工程学、交通流理论为基础， 通过基础资料收集和实地调研数据，分析研究高速公路路段的交通特性，包括交通量时 间分布特性、交通量空间分布特性、交通流组成特性、运行车速特性、连续流特性等方 面。同时，从信息采集点布设、多种检测器优化组合应用和动态交通流信息的融合三方 面阐述交通信息采集和处理中的重要内容。 ( 2 ) 高速公路路段运行状况动态综合评价以交通流理论、高速公路系统控制理论 为基础，分析影响路段运行状况的因素；结合目前国内高速公路监控系统现状，提出 适合我国高速公路路段的运行状况综合评价指标体系。在研究分析现有的多种综合评 价方法基础上，根据高速公路交通系统的特点，研究适合路段运行状况的动态综合评 价方法。 5 第一章绪论 1 4 本文内容安排 本文主要针对现行高速公路运行中的道路运行状态的评测分析、道路运行趋势预 测，结合视频交通流参数监测方法，提出了道路运行状况评测的模型，并对运动车辆提 取、跟踪以及交通流参数提取过程中所涉及到的理论和算法进行分析，提出了车辆基于 不变矩分类器设计的车辆类型识别技术，并提出了新的对道路运行状况的度量单位占空 比。 本论文各章的主要内容如下： 第一章介绍了本文选题意义、研究目的与内容以及目前国内外在道路运行状况检测 方面的进展。 第二章对道路交通的监测方式以及现行的道路运行状况评价方法进行介绍，并分析 了现行和道路拥堵评价指标，以及未来发展方向和趋势。 第三章提出道路运行状态评测系统的模型研究，道路交通拥堵评价指标体系的建 立、拥堵评价指标的特性研究及指标优化以及评价方法的选择，最后一小节对道路占有 率的本质定义及参量做了研究，提出了道路占空比的思想。 第四章主要完成了系统的功能设计，系统框架设计、系统功能设计、算法设计以及 流程图、并对目标检测子系统的主要算法：背景模型、阴影检测、目标检测、运动车辆 的匹配与跟踪等进行了分析；对车辆类型识别技术进行分析研究，提出了基于不变矩分 类器的设计来对车辆类型进行识别。 第五章提出系统的开发实现、交通流参数提取等，主要针对道路占空比参数的提取 进行了分析研究。 第六章分析了影响系统性能的因素以及解决办法，并对系统进行了全面测试，对系 统的误差产生进行分析。 最后，对全文的工作进行了总结和概括，并对以后的研究方向做了展望。 6 长安大学硕士学位论文 第二章现行道路运行状态评测技术分析 道路运行状态评测研究的内容相当丰富，主要涉及到交通流理论、数字视频技术、 人工智能等学科知识，本章就现行交通检测技术进行了总体分析对比，指出交通检测技 术的发展趋势一视频交通流检测，并对现有的道路交通的监测方式进行分析研究。本 章第三节，对道路交通拥堵评价指标体系进行详细的分析。 2 1 道路交通的监测方式 高速公路是多车道公路，中央有分离带，和其他多车道公路一样，上下行每个方向 至少有两车道，两个方向的交通互不依赖，全部立体交叉，且两个方向在其前进方向上 的线形不同，一般情况下，高速公路是彻底的非中断性交通流设施，车辆可以不停顿的 连续行驶。 高速公路一般由高速公路基本路段、交织区、匝道( 包括匝道一主线连接处及匝道 一横交公路连接处) 三部分组成。 高速公路的基本路段是本文研究的对象，而基本路段是指主线上不受匝道车辆的汇 合分离以及交织运行影响的路段部分。 高速公路基本路段的交通流的特性分析是高速公路路段运行状态评价分析的基础。 道路运行状态评价分析的准确性以及实时性受交通信息的采集处理的影响很大。因此， 本章的研究为本论文主体内容的研究奠定基础。 2 1 1 高速公路交通流及运行特征 高速公路是彻底的非中断性流设施并具有良好的行车条件，在正常情况下，高速公路上 的车辆可以以较高的车速不停顿的连续行驶，对高速公路路段交通特性进行研究分析是 本文研究的理论基础和首要步骤。本论文主要从交通量时间分布特性、交通量空间分布 特性、交通流组成特性、车速特性、连续流特性等五个方面进行分析。 1 交通流量时间分布特性 交通量的时间分布特性主要包括月变化、周变化、时变化、短时段流率等。本文所 研究的高速公路路段运行状况评价分析具有较强的实时性，所以主要分析交通量的时变 化特性和短时段流率特性。 ( 1 ) 小时变化 7 第二章现行道路运行状态评测技术分析 一天2 4 小时中，每个小时的交通量都在不断变化。表示各小时交通量变化曲线称 为时变图，通常用时变图来表示交通量的时变规律。 城市道路上的交通量时变图一般呈明显的马鞍形，在上、下午各有一个高峰。通过 对江苏省典型高速公路的交通量进行调研( 如图2 1 ，2 2 所示) ，发现高速公路的交通 量时变图也大致呈马鞍形。不同的路段，因为其人口密度、经济发展、地理位置等原因， 在交通量的时变规律上存在一定差异，有其自身的特点。以江苏省沪宁高速公路为例， 从图2 2 可以看出，高速公路车辆出行主要集中于早8 点至晚7 点这一时段，其中，又 存在9 1 1 、1 4 1 6 两个高峰。所以对于不同的高速路段，应该针对其交通量事变图的 特点和规律来研究。 图2 1 苏嘉杭高速单向交通量日变化图图2 2 沪宁高速单向交通量日变化图 ( 2 ) 短时段流率 高速公路交通量的小时分布可以反映高速公路1 日内的路况变化情况，对于针对1 日内不同的时段来进行交通管理具有重要意义，但是短期内交通流率存在较强波动性， 特别是在高峰小时内，短期流率超过高速公路通行能力则会造成拥堵，所以仅通过小时 流量不能反映这一波动性，因此，需要对小于一小时的流率进行短时段流率分析。 1 5 分钟流率 圄 长安大学硕士学位论文 1 2 0 0 1 0 0 0 苓8 0 0 未6 0 0 篓4 0 0 2 0 0 互 0 1 53 04 56 07 59 01 0 512 0 时间( 分) 图2 31 5 分钟流率变化趋势图( 沪宁高速公路苏州段) 通过调查，得到沪宁高速公路两个小时以内的1 5 分钟流率变化趋势，如图2 3 所示。 图中反映了1 5 分钟内交通流量的波动情况，可以看出与小时流量非常接近。 5 分钟流率 对沪宁高速公路不同路段高峰小时内5 分钟流率变化进行统计，得到如2 4 所 示5 分钟流率变化趋势图。 从下图可以看出，5 分钟流率比1 5 分钟更流率更为稳定，偶尔的波动造成的误判也 可以避免，能更清楚的反应短时间内的交通运行状况，通过对调查得到的沪宁高速5 分 钟流率频率分布进行统计，得到如图2 5 的分布图： 从图2 5 可以看出来，不同运行状态的路段均存在一定的流率分布集中区域，常州 段由于交通量较小，集中区出现在4 0 0 6 0 0 辆d , 时，常州段分布则主要集中于6 0 0 9 0 0 辆d , 时范围。 o5i 01 52 02 5s o ( a ) 常州段 国 o o o o o o o o o o 牾鲫蒋跚孙孙岱m 5 第二章现行道路运行状态评测技术分析 o1 040 ( b ) 苏州段 图2 5 沪宁高速( 每车道) 5 m i n 流率频率分布图 1 分钟流率 1 分钟流率为实时反映路段交通需求的指标。将时间间隔缩小至1 分钟可以实现对 运行状况不良的及时发现，提高进行相应管理的效率，减少问题处理的时间延迟。通过 对典型高速公路的高峰小时内1 分钟流率调查，得到其变化趋势如图2 6 所示： 图2 6 显示，即使在交通正常情况下1 分钟内高速公路流率仍存在较大波动，相邻 2 分钟之间最大流率波动达到7 0 0 辆d , 时，单纯依靠1 分钟内流率反映路段运行状况， 并以此为依据进行控制与管理易产生误判，因此，需要结合相邻时间的1 分钟流率值对 其进行较核，减少误判。 1 0 0 0 o o o 0 o o o o sm 长安大学硕士学位论文 1 4 0 0 1 2 0 0 l o 舳0 o 4 0 0 o 鬻鬻誉黼攀篆薰翁 黎塑攀戮 曩i t “一一j t 凄 。糊 i i 誓。l 一j 曩。：一：。一誊冀，| “。朝 一 i窿“篡”囊熏誓 。差鎏 ：蠹一。io 一孽；| ： 攀“| 1 鬈“ 接l i51 01 52 02 53 0 ( a ) 常州段 ( b ) 苏州段 图2 61 分钟变化趋势图( 沪宁高速苏州段交通量( 每车道) ) 2 交通量的空间分布特性 高速公路路段交通量的大小与多方面因素有关，随空间位置而变化的特性成为交通 量的空间分布特性。 ( 1 ) 区域分布 不同区域的高速公路交通量存在差异。一般来说，经济发达、汽车拥有量高的区域 的高速公路交通量高于经济欠发达、汽车拥有量低的区域，通过对2 0 0 3 年江苏省高速 公路路段的研究，发现苏南地区的沪宁( 上海至南京) 高速公路平均日交通量为3 9 8 3 1 辆日，而江苏段和苏北地区的连徐( 连云港至徐州) 高速公路日交通量仅为1 6 9 6 辆 日。 ( 2 ) 在路段上的分布 一般我们采用路网交通量分布图来表示交通量在各路段上的分布，从交通量分布图 上可以明显的分辨出路网上交通的主要流向、走廊，判断交通量分布的均匀性。通过分 析研究沪宁高速公路江苏段，无锡段、苏州段的交通流量明显高于镇江段和常州段。 o o 0 o o o o o o o 言：盼孙鲫黝硼嬲砌 第二章现行道路运行状态评测技术分析 ( 3 ) 交通量的方向分布 一条高速公路上、下行两个方向的交通量，在很长时间内，可能是平衡的，但在某 一短时间内，如一天中某几个小时，两个方向的交通量会有较大不同。为了表示这种方 向上的不平衡性，常采用方向分布系数k d 表示： k d = 圭蔓堑妻奎皂喜望量1 0 0 ( 2 1 ) = 面而丽手一1 u u 川， 3 交通流组成特性 不同车型的车辆混合行驶，能够影响到高速公路的通行能力，因此，在运行管理中， 对交通量数据，需要根据不同车型的一辆车在通行能力方面等于的标准车辆数换算为当 量交通量才能进行准确的比较。不同的车型组成，所换算成的标准车交通量也存在较大 差别，实际应用中应根据高速公路车型组成特征具体分析。 通过调研，沪宁高速公路车型组成情况如下，车型主要以小车为主，大型车次之， 中型车最少。细分之下，大型车又主要以客车为主，占该路段高速公路上全部车辆的 6 6 ，在所有的客车中，小客车占客车总量的8 3 ；而货车只占3 4 ，对货车又进行统 计，发现货车中的中型货车与大型货车，占货车总量的7 0 。统计结果可以在一定程度 上反映江苏省高速公路车型组成特点。 高速公路车速与交通量一样，是一个随机变量，也是表征其交通特性的重要指标。 研究表明在高速公路路段上，运行车速一般呈正态分布。对高速公路的车速进行统计分 析，一般要借助车速分布直方图和车速频率、累计频率分布曲线。 通常用百分位车速表征车速统计分布特性。百分位车速的含义为：如8 5 位车速， 是指路段上行驶车辆中有8 5 的车辆低于该车速，其余百分位车速含义类同。5 0 位车 速又称为中位车速或中值车速，在正态分布的情况下，5 0 位车速等于平均车速，但一 般情况下，两者不等。 一般情况下，车速在l o o k m h 附近8 5 都是小客车，车速在7 5 k m h 占1 5 位，车 速在9 0 k m h 占5 0 位。以苏嘉杭、京沪高速公路为例，对其进行的车速调查，得到如 下的平均车速分布： 1 2 长安大学硕士学位论文 4 0 0 3 5 0 3 0 o 2 5 o 誊2 0 o 褂1 5 o 爨1 0 o 5 0 0 0 一5 0 9 6 p i 奠囊0 嚣誊。奠i 雾0 一耋麓j l jj 。豢誉囊誊警蓦。誊i 瀚 鼍鬈鬈墓潺薯? 麓i 季。豢_ 。誊i 。辫誊! 薯- j 爱j 餐鬻j 笺覆 季雾警 i 强鸯。t 。；嚣i 勰叠0 t 一；一。薯曩。一皇i it ，。+鬟v ，誊 j 薯嚣 i 薯j j ) 誊i ：l i i 豢器掌薯曩二一 围 麓夕嚷誉i 翼 ￥鎏； _ + 爹i 专蠹囊j 懑一爹篓? 釜鬻麓：叠曩) ；：| l 么 囊 ， 羹 一。i l 蓑麓i 。誊鼍矮豢辫i 麓j j 二o - ；_ | 菱糍 j 荔蠢豢遴，；蠢蒸锄。誊薅j 麓 一一0 翰：l 搿 h * 一“。o曩 _ 一 搿， 豫、r o 澄+ 滋爹1 1 、鼍。 务i o i 。i 、”、v j j 。瑚2 。n ijo i 差一m ! o7 0 。- 、毋，l 嚣i = _ i i 盘m 口一澎 平均车速( 公里小时) 图2 7 苏嘉杭高速车速频率分布图 图2 8 苏嘉杭高速车速累计频率分布图 图2 9 京沪高速车速频率分布图 第二章现行道路运行状态评测技术分析 图2 1 0 京沪高速车速频率累计分布图 5 连续流特性 高速公路路段无内部因素会导致交通流周期性间断，所以其交通运行属于连续流特 征。公式q = v x k 给出了描述高速公路交通流三个参数之间的基本关系。这些关系是 高速公路通行能力研究的理论基础。虽然这些关系对所有高速公路是相似的，不会随不 同地点或同一地点不同时间而有很大的变化，但确切数值还是取决于所研究路段的交通 条件和道路条件。流率的零值会在以下两种截然不同的条件下出现： ( 1 ) 当道路上没有车辆时，密度为零，流率也为零。在这一条件下速度是纯理论 的，是第一个驾驶者可能选择的任何高速度。 ( 2 ) 当密度高达所有车辆停驶的程度时( 速度是零) ，流率也是零。因为没有活动， 车辆不能通过道路上任何一点。 在这两个极端之间，交通流的动态特性才产生最大的影响。当密度由零增加时，因 为道路上行驶的车辆增多，所以流率也在增加。因为道路上行驶的车辆增多，所以流率 也在增加。这个时候由于各个车辆之间的相互干扰，车速开始下降，如果密度和流率很 低的时候，下降的幅度可以火忽略不计。但是，如果车辆密度一直增加，当达到某一个 特定的值速度反而会迅速的下降。 2 1 2 道路通行能力指标 1 最大服务交通量 觚所= 西( y c ) f ( 2 2 ) 胍n 第i 级服务水平的最大服务交通量( p u m 蛐) 。 1 4 长安大学硕士学位论文 c b 基本通行能力，极力想条件下一车道所能通行的最大交通量( p u c 0 a i n ) ) 。 设计速度为1 2 0 、1 0 0 、8 0 和6 0 k m h 的高速公路基本路段的cb 分别为2 0 0 0 、 2 0 0 0 、19 0 0 和18 0 0 p c u ( h i n ) 。 ( 矿c ) ，第1 级服务水平最大服务交通量与基本通行能力的比值。 2 单向车行道的设计通行能力 c v = m s v , n 少力矿声 ( 2 3 ) 式中c d 单向车行道设计通行能力，即在具体条件下，采用i 级服务水平时所能通 行的最大交通量( v e h h ) ； 单向车行道的车道数； 少车道宽度和侧向净宽对通行能力的修正系数； 丘矿大型车对通行能力的修正系数； 户驾驶员条件对通行能力的修正系数。 c o = c b ( v c ) f n 少力矿户 ( 2 4 ) ( 1 ) 车道宽度及侧向宽度的修正系数f w ( 如下表) 表2 3 车道宽度和侧向净宽修正系数少 行车道一边有障碍物行车道两边有障碍物 侧向净宽车道宽度m 3 7 53 5 03 7 53 5 0 有中央分隔带的4 车道公路( 每边有2 个车道) 芝1 7 5 1 o o0 9 71 0 00 9 7 1 6 0 0 9 90 9 60 9 9o 9 6 1 2 0 0 9 90 9 6o 9 80 9 5 o 9 0 0 9 3 0 9 40 9 3 0 9 2 0 6 0 0 9 70 9 2o 9 60 9 1 0 3 0 o 9 3o 9 00 8 70 8 5 o 0 9 00 8 70 8 10 7 9 1 5 第二章现行道路运行状态评测技术分析 有中央分隔带的6 或8 车道公路( 每边有3 或4 车道) 1 7 51 o o 0 9 61 o o0 9 6 1 6 0 o 9 9o 9 50 9 90 9 5 1 2 0 0 9 90 9 50 9 8 0 9 4 0 9 0 0 9 80 9 40 9 70 9 3 0 6 0 0 9 70 9 30 9 6o 9 2 0 3 0 0 9 50 9 2o 9 30 8 9 0 0 9 40 9 1o 9 10 8 7 注：一些高级形式的中央带护栏如已为广大司机所熟悉且基本上不影响其行使 时，可不作为障碍物； 两边侧向净宽不足且不相等时，取两侧向净宽的平均值。 ( 2 ) 大型车的修正系数居矿 1 加= 二一 ( 2 5 ) 。 1 + n r ( 西矿- 1 ) 式中胁大型车交通量占总交通量的百分比； 肪大型车换算成小客车的车辆换算系数，e m v 值见表2 3 。 表2 4 高速公路、一级公路路段车辆换算系数上洳 车型 平原微丘 重丘山岭说明 大型车 1 7 2 02 5 3 o3 o分子适用于高速公路，分 小客车 1 01 01 o 母适用于一级公路 注：大型车包括：中型及重型载货汽车、拖挂车、单个及通道式大客车； 小客车包括：吉普车、摩托车、载重盟t 载货车、s 1 2 座面包车。 ( 3 ) 驾驶员条件的修正系数石 根据驾驶员的技术熟练程度、遵守交通法规的程度、在所指高速公路或者相似的路 段上的行驶经验、以及驾驶员的健康状况，石在1 0 0 - 4 ) 9 0 范围取值。 2 2 视频交通流检测技术分析 近年来，我国经济高速发展，高速公路通车里程飞速增加，车辆数量日益剧增，车 1 6 长安大学硕士学位论文 流量也日益增长，随之也就要求高速公路监控系统能够起到重要的作用。视频交通流检 测技术对现代交通的管理和决策起到了重要的作用，它在公路建设，隧道桥梁建设、管 理中越来越重要。现在检测技术在不断发展，交通流检测也变得更加轻便、灵活，而且 安装更加简单，性能更加稳定，精度不断提高。 随着计算机性能的不断提高，数字视频技术、动态图像序列的分析处理技术也日益 提升。视频检测技术应用数字图像处理技术，以视频图像为分析对象，对设定区域的图 像进行分析，可以得到交通流的各项参数。 2 2 1 流媒体的数字图像处理技术 1 、数字图像处理技术分析 数字图像是将传统的照片或录像带模拟信号经取样及数字化后达成的图像。数字图 像处理，指利用数字计算机或其它高速、大规模集成数字硬件对从图像信息转换来的数 字信号进行某些运算或者处理，以期提高图像质量或者达到人们所要求的某些预期效 果，比如图像变换，图像增强，图像配准，图像分析，图像分割和特征提取等 2 、本论文涉及到的图像处理技术 本主要研究的是：将高速公路上的摄像机拍摄到的实时交通流图像进行数字化处 理，然后运用数字图像处理技术对数字化后的图像进行一系列的处理，包括滤波降噪、 图像差分、阈值分割，目标提取、区域融合、目标匹配、跟踪、车辆类型识别等。 2 2 2 视频交通流检测技术现状 利用视频检测，除可提供一般的交通流参数以及进行事件检测外，还可进行道路运 行状态的评测以及其发展趋势的预测研究。由于视频检测具备灵活性和多种附加功能， 并且是近年来提出的新型研究课题，因此受到人们的青睐。 美国i s s 公司的a u t o s c o p e 视频车辆检测技术，是世界研发最早并最先获得国际专 利的视频车辆检测技术，具有实时检测交通参数的能力，算法【1 2 1 的基本原理是：先划定 指定检查区域，当车辆进过此区域时，模拟检测线圈的感应机制会被唤醒，于是产生视 觉信号的变化，最后利用环形线圈的信息处理算法完成交通信息采集工作。为了得到车 流量、车速、占有率等交通参数的采集，往往使用多个虚拟检测线圈同时工作。该产品 不适宜大规模使用，因为它要求摄像机固定，且一台处理机器只能处理一路视频信号， 但是它采用嵌入式系统，可靠性较高。 1 7 第二章现行道路运行状态评测技术分析 法国的c i t i l o g 提供了一定的车辆检测和路况分析能力，主要采用车辆