（交通运输规划与管理专业论文）城市道路交通安全预警系统理论研究.pdf

摘摘 要要 城市道路交通安全预警系统研究是在目前城市交通事故日益增长的严峻趋势背 景下提出的。城市道路交通事故的多发性、不确定性与复杂性决定了城市道路交通 安全预警系统研究任重而道远，困难重重。因此，目前国内甚至是国外发达国家迄 今在交通安全预警方面还缺乏深入的研究。 本文从影响交通事故发生的宏观和微观因素出发，研究交通事故发生原因。通 过交通事故发生原因的研究，根据影响不同范围的城市道路交通事故的原因不同， 借鉴前人提出的成果，本文提出了区域城市道路交通安全预警系统和局部城市道路 交通安全预警系统的结构、功能和模型。重点提出了 bmom 方法在城市道路交通安 全预警系统中的应用。 本文的研究涉及到城市道路交通安全预警系统的定义，构建原则，指标体系的 确定，系统的构成、结构、主要功能以及模型的建立，期望通过以上研究，能有效 解决城市道路交通安全存在的问题，缓解城市道路交通拥堵，保障城市道路交通安 全。本文还结合实例，给出了城市道路交通预警系统的具体应用以及在应用过程中 应当注意的一些问题。本文的最后指出了本论文研究的局限性及诸多有待进一步深 入研究的问题。 关键词关键词： 交通事故，交通冲突、预警，贝叶斯矩法，算法 i abstract urban road safety fore-warning system is brought forward in the background of growing traffic accidents in nowadays .it needs a long-time and formidable process to establish an effective fore-warning system because of the uncertainty and complexity of urban traffic accidents. thus, even in developed countries there have no in-depth theory in this field. research the mechanism of traffic accidents through both the macroscopic and microcosmic factors that affect the occurrence of traffic accidents. owing to different causations of traffic accidents in different cities, put forward the makeup, function and models of safety fore-warning systems in local and whole city and analyze the application of bmom in urban road safety fore-warning system. this article related to the definition, the principles of setting-up, the construction of evaluation target system of urban road safety fore-warning system, the composition, structure, main functions of the system and the establishment of the model. effective solution to the problems of urban road traffic safety, easing the urban traffic jams and protecting urban road safety were expected to obtained though the work mentioned above. moreover, combined with an example, educed how to use this system and some problems that should be noticed. finally, pointed out the limitations of this study, and many pending further problems that require more in-depth researches. key words：traffic accidents, traffic conflict, fore-warning, method of bmom, algorithm ii 独创性声明 本人声明所呈交的学位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，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其它个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，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： 日期： 年 月 日 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，即：学校有权 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。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分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。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 1 绪绪 论论 1.1 课题背景和意义课题背景和意义 交通安全本来泛指道路、铁路、水路和航空上的安全。但本世纪以来，由于机 动车发展很快，道路交通事故越来越严重，因此，一般所说的交通安全是指道路安 全，而铁路、水路和航空方面的安全称为运输安全。为了照顾我国的习惯说法，本 文沿用道路交通安全这个名称。道路分为城市道路和公路两大类，本文的研究对象 为城市道路的交通安全。而一提起交通安全，人们很自然地会将它与交通事故联系 在一起。因此本文研究的侧重点是如何减少城市道路上交通事故的发生1-8。 交通事故是指车辆在公用道路上行驶过程中，由于违章，造成了人畜伤亡或车 物损坏的意外事故。城市道路作为城市居民出行的载体，在城市居民的生活中有着 十分重要的作用。城市道路交通的安全情况在一定程度上决定着城市居民的生命安 全。城市道路交通安全的好坏也是评价一个城市交通管理工作好坏的直接标准。然 而，近年来我国城市道路交通安全状况不断恶化，交通事故总数上升、城市道路交 通事故死亡人数不断增长。据有关统计资料表明，2005 年，发生在全国城市道路上 的交通事故总数超过了 45 万起，死于交通事故的人数约达 10 万人。交通事故不仅 造成了巨大的经济损失，更是严重危害着人们的生命安全，进一步影响着社会的稳 定。因此，如何降低交通事故的高发率、降低交通事故，保障城市道路交通系统的 正常运行是一个亟待解决的课题。 本课题就是在这样的背景下提出的。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 目前我国城市道路交通安全面临越来越严峻的发展趋势，引起了社会的广泛关 注。有关专家也致力于减少交通事故、防止交通安全恶化的研究工作中。传统的交 通安全研究的方法主要包括两大类型9-16：基于事故数的安全研究方法和非事故间 接研究方法,如交通冲突。前者对于安全评价的效果较好，但是由于其并非从交通事 1 故发生的机理出发，因此对于交通安全的预测不是很理想；后者虽然克服了“事故数 法”的许多缺陷，但从本质上来讲它依然是事后数据，对前述问题的解决仍然显得苍 白无力，想减少交通事故似乎绝非易事。 预警一词最早出现在军事领域， 本世纪初开始应用于经济研究领域，并取得了 很好的成果。目前，预警研究已经深入到各个研究领域，例如天气预报预警系统研 究、交通灾害预警系统研究、生态环境预警系统研究、国家安全预警系统研究、粮 食生产预警系统研究等等。预警研究的思路和方法在上述领域的研究中发挥了很大 作用，为预防和控制危机的产生提供了有效的解决途径。预警管理作为一种先进的 理念，强调对事物发展过程中的负向状态的检测，从而控制事物的发展进程，使之 符合人的愿望。这就使得预警管理思想在城市道路交通安全管理过程中找到了用武 之地。同时，研究成熟的预测模型为城市道路安全预警系统的建立提供了模型方面 的支撑，智能交通的发展为城市道路安全预警系统的建立提供了技术手段上的支持。 可以说，建立适合我国道路交通安全特点的预警系统已完全成为可能。 国外对于交通安全的研究方法主要有专家分析法、回归分析法、速度中介法和 交通冲突技术17-18。国外交通预警理论研究较少，主要将预警理论用于军事、经济 方面的研究。 国内对于交通事故的研究方法主要有概率数理统计方法、强度分析法和预警研 究方法。国内交通安全预警理论的研究，包括高速公路交通安全管理、铁路交通安 全管理、空中交通安全预警管理、城市道路交通安全预警以及交通灾害的研究。上 述研究主要是通过分析现状，构建预警模型，建立预警系标体系和警限、警兆的确 定和预警信号输出等方法预警交通安全的危险状况。 武汉理工大学的刘清、佘廉在高速公路预警管理系统研究一文中，提出了 交通预警管理系统总体设计要求、高速公路预警管理系统的基本构成以及高速公路 管理系统的评价方法。对于高速公路安全起到重要的作用。 清华大学交通研究所的朱茵、陆化普在城市交通预警系统的事件自动检测算 法研究一文中，提出了预警事件自动算法，将智能检测设备 scoot 系统用于交通 拥堵检测，并运用现代化的处理方法，方便的预警城市道路上的交通拥堵，用于城 2 市道路预警系统，在交通预警系统研究领域作出了很大的贡献。 邵祖峰在城市道路交通安全预警指标设计与应用一文中，提出了城市道路 交通安全预警指标体系的设计方法以及城市道路交通安全预警系统的简单应用。山 东的李大龙在他的论文道路交通安全预测与预警系统的研究中，提出了道路交 通安全预警系统的组成。 预警理论作为一种先进的理念，在交通安全研究领域发挥了重要的作用。但是 国内目前还缺乏对于交通安全预警理论系统性的研究。本文从交通安全的影响因素 出发，通过预警理论研究，构建城市道路交通安全预警系统的指标体系、建立城市 道路交通安全预警系统模型等一系列步骤，借鉴前人的研究成果，试图深化国内对 于城市道路交通安全预警系统的研究。 1.2 研究的主要内容和技术路线研究的主要内容和技术路线 本文的主要内容包括以下几点: (1) 城市道路交通安全现状和原因分析 本文的第二章分析了我国目前城市道路交通安全的严峻现状，交通事故的定义 以及影响交通事故的原因。 (2) 城市道路交通安全预警系统理论概述 本文的第三章，介绍了预警系统的几个基本概念，城市道路交通安全预警系统 的概念、理论框架和系统建立的基本原则和步骤。 (3) 城市道路交通安全预警系统的构能、结构、功能和运作流程 本文第四章，是本文的核心部分之一，介绍了城市道路交通安全预警系统的构 成、结构、功能和运作流程，分别构建了区域城市道路交通安全预警系统和局部城 市道路交通安全预警系统的结构。 (4) 城市道路交通安全预警系统的构建 本文第五章， 是本文核心的部分之二， 本章构建了城市道路交通安全预警系统， 设计了城市道路交通安全预警系统的警限区间，分别构建了区域城市道路交通安全 预警系统和局部城市道路交通安全预警系统的模型。 3 (5) 实例分析 本文第六章，介绍了区域城市道路交通安全预警系统和局部城市道路交通安全 预警系统的在实际中的应用。 本文的技术路线如图 1.1 所示。 分析交通事故 产生的原因 城市道路交通安全 预警理论研究 构建城市道路交通安全 预警系统 区域城市道路交通 安全预警系统 局部城市道路交通 安全预警系统 实例分析 图 1.1 本文研究的技术路线 4 2 我国城市道路交通安全现状及原因分析我国城市道路交通安全现状及原因分析 2.1 我国城市道路交通安全的严峻现状我国城市道路交通安全的严峻现状 近几年来，随着经济的发展，我国各大城市内部的交通基础设施建设也得到了 快速发展，但是，尽管城市道路越建越宽，立交桥越建越多，交通信号越来越复杂， 道路的拥挤程度和交通事故的发生率却没有得到明显的缓解，交通运输业特别是城 市交通承受着越来越大的压力。城市道路交通事故的发生也更加频繁。 据有关资料表明，我国道路交通事故发生次数和死亡人数连续几年都位居世界 之首。2003 年万车死亡率达到 10.8 人，是日本 2000 年的 10.7 倍，是德国 2000 年的 7.6 倍，强烈扰乱着人们的正常生活，威胁着人们的生命安全，严重影响着经济和社 会的稳定和发展。 1993 年-2005 年全国道路交通事故四项指标 （事故次数、 死亡人数、 受伤人数和直接经济损失）统计数字如表 2.1 所示，1995 年和 2005 年我国城市道路 交通事故发生次数和死亡人数如图 2.1 和图 2.2 所示19。 0 100000 200000 300000 400000 500000 600000 700000 800000 900000 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 图 2.1 我国历年城市道路交通事故发生次数 5 0 20000 40000 60000 80000 100000 120000 1995 1996 19971998 19992000 2001 20022003 2004 2005 图 2.2 我国历年城市道路交通事故死亡人数 表 2.1 全国道路交通事故四项指标统计表 年份 事故次数 （次） 死亡人数 （人） 受伤人数 （人） 直接经济损失 （元） 1993 242343 63508 142251 999070121 1994 253537 66362 148817 1333827223 1995 271843 71494 159308 1520000000 1996 287685 73655 174447 1720000000 1997 300000 73861 190128 1850000000 1998 346192 78068 222721 1930000000 1999 412860 83529 286080 2124018089 2000 616971 93853 418721 2668903994 2001 754919 105930 546485 3087872586 2002 773137 109381 562074 3324381078 2003 667507 104372 494174 3369146852 2004 567753 99217 451810 2774752270 2005 450254 98738 469911 1880000000 从图 2.1 可以看出，近年来，我国的城市交通事故次数基本处于年年上升的趋 势， 而且上升幅度越来越大。 2002 年城市道路交通事故次数接近 80 万起， 虽然 2003 年事故次数有稍微下降，然而交通事故总数依然超过 60 万起，20042005 年，全国 6 道路交通事故次数出现较大幅度降低，但是事故总数依然超过 45 万起。同时城市道 路交通事故带来的死亡人数也出现增长的趋势， 2003年10万多人死于交通事故， 2004 年和 2005 年交通事故带来的死亡人数略有下降，但总数依然超过 9.8 万。这给人们 的生活安定和社会的稳定带来极大的隐患和破坏，交通事故严峻状况可见一斑。交 通事故不仅危害着人们的生命安全，而且造成了巨大的经济损失。如何减少交通事 故，提高交通安全，尤其是减少城市道路上的交通事故不仅对于减少经济损失，保 障人们生命安全有着积极的意义，而且对于保障社会和谐、稳定有着重大的理论和 现实意义。城市道路交通安全问题已经成为迫切需要解决的课题。 2.2 我国城市道路交通安全严峻现状的原因分析我国城市道路交通安全严峻现状的原因分析 提起交通安全，人们很自然的把它和交通事故联系到一起。目前国内外对于交 通事故的定义虽然还没有一个统一的说法，但总的概念还是明确的。我国一般把交 通事故称为车祸或交通肇事。交通事故20是指车辆驾驶人员、行人、乘车人以及其 他在道路上进行与交通活动有关的人员，因违反“中华人民共和国道路交通管理条 例”和其他道路交通管理法规、章程的行为过失造成人身伤亡或财产损失的事故。通 俗点讲，凡车辆在公用道路上行驶过程中，由于违章，造成了人畜伤亡或车物损坏 的意外事故，统称交通事故。城市道路交通事故是指发生在城市道路上的交通事故。 从上述定义可以明确看出，构成交通事故应包括下列四项内容： 1) 人，人是构成交通事故的主体，所有参与交通的人包括在道路上从事有关活 动的个人或法人，特别是人的违规行为，如果是地震、飓风、洪水等超出人的主观 意志外的情况，而造成人员或车物的损坏则不能称之为交通事故。 2) 车， 在运行中的车辆， 至少有一方为运行中的车辆， 包括机动车和非机动车。 因车辆是构成交通事故的重要条件，如没有车辆，仅为行人与行人相撞，则不能称 为交通事故，车辆还必须在运行中互撞或与行人，固定物相碰撞，如果行人或牲畜 撞上处于静止状态的车辆，则不能称为交通事故。 3) 路，在国家实施行政管辖的道路上，这是构成交通事故的空间条件，此路系 指受行政管辖的公路、城市道路和街巷、公共广场与停车场等供车辆与行人通行的 7 地方，至于机关学校非社会公共使用的道路广场等则不能属于交通事故的范围之内。 本文所说交通事故特指发生在城市道路上的交通事故。 4) 后果，是指由于违规造成的人员伤亡或财物损坏的结果，没有造成任何伤亡 或损害的不能称为交通事故，但也不是所有伤亡或损害都算是交通事故，如有意用 汽车撞人，谋财害命就不能算交通事故，而是有意的犯罪行为。很明确，交通事故 是行人或驾驶员主观上的过失，如疏忽大意等而造成的伤亡或车物损失。如汽车野 外的军事演习、农田机耕、工矿施工、体育竞赛等行动中所发生的事故，不应称之 为道路交通事故，上述四个方面为构成道路交通事故的要素，缺一就不能称为交通 事故。 如上文所述，城市道路交通系统是由人、车、路和环境构成的复杂的大系统。 要提高城市道路的安全性，减少交通事故的发生，必须协调城市道路交通系统的各 个因素，提高城市道路交通系统的整体和谐性。交通事故的发生从根本上说是人、 车、路和环境的失衡造成的。因此交通事故的产生原因也可以从人、车、路、环境 四个方面加以分析。 2.2.1 人的原因人的原因 人是造成交通事故的最主要的原因。因为在人、车、道路三大要素中，车辆是由 人驾驶的；道路是由人来使用的；车辆和道路是客观的、无意识的，而人是主动的、 有意识的。因此交通安全的关键在于“人”，人是交通安全的核心。这里所说的“人” 包括驾驶员、行人以及参与交通活动的其他人。国内外交通事故有 8085是由 人所造成的。在人的因素中，驾驶员的作用尤为重要。不同性别、年龄和体质的驾 驶员，其生理、心理、感知、分析、判断和反应均不可能完全相同，而感知迟钝， 判断不准，操作失误在事故中占绝大多数。其次，行人以及其他参与交通活动的人 对于交通事故的发生也有一定的影响。 表 2.1 西安市城市道路交通事故原因人群分布表 事故原因 事故次数(起) 所占比例（%） 驾驶员 3799 90.63 行人 72 1.72 非机动车 453 10.81 总计 4192 100 8 9 驾驶员 90.63% 行人 1.72% 非机动车 10.81% 图 2.3 西安市城市道路交通事故原因人群分布图 表 2.1 和图 2.3 显示了西安市城市道路交通事故原因在不同人群中的分布情况 21，由图表也可以看出，在人的因素中，驾驶员在城市道路交通事故的成因中占有 极大的比重，是引起交通事故最主要的原因。 2.2.2 车的原因车的原因 车辆主要是指机动车，在道路上由各种交通参与者，比如机动车、自行车、行 人等，其中机动车是一种快速性交通工具，是能量很大的交通工具，相对于自行车 与行人来说，机动车是交通强者。为了减少道路上发生的交通事故，必须严格要求 作为交通强者的机动车。对于交通安全来说，车辆的关键在于它的制动性能，也就 是我们平常所说的（制动器）刹车不灵。车辆的制动过程大致包括如下的步骤：首 先是驾驶人员见到危险物体，这个交通信息通过人的眼睛传至大脑，在大脑中经过 分析和判断，作出决定，然后由大脑指挥脚踩制动踏板。这个过程所需要的时间， 成为人的反应时间。反应时间的长短因人而异，与车辆本身无关，可看成是交通安 全因素三要素中人的因素。其次是驾驶人员踩制动踏板后制动起作用（即车辆开始 减速）到车轮制动，这个过程也需要时间。按交通安全的要求，这个时间越短越好， 这可以看成车辆本身安全性能好坏的重要因素。除此以外，交通安全中的因素还包 括刮水器是否良好，方向盘是否失效，喇叭是否失灵以及灯光是否失去作用等等。 10 制动不良 42.30% 制动失败 22.00% 转向失败 7.10% 灯光失败 5.10% 爆胎 23.50% 图 2.4 车辆故障造成的道路交通事故构成情况 由于车辆故障原因造成的交通事故构成情况如图 2.4 所示22。 从图 2.4 中可以看出，由于车辆原因构成的交通事故中，制动不良和制动失败 占很大比重。这也证明了对于交通安全来说，车辆的关键在于它的制动性能。 在大量事故统计资料中，由于车辆的各种故障而造成交通事故虽不太多，但从 预防角度考虑，仍是一个重要因素。如转向系统、刹车系统的稳定性、灵活性都有 影响，同时由于车辆的性能、新旧、维修的好坏、加速、减速度的大小也会起一定 的作用。虽然现在汽车生产厂家对于车辆的安全性能越来越重视，但是车辆出售以 后，很多车主不注意及时维修、保养以致车辆带病行驶的情况还存在。尤其是行驶 在城市道路上的公交车、出租车等，由于企业或车主受经济利益的驱使，使这些车 辆得不到及时维修、带病行驶的情况在每个城市或多或少都普遍存在。这些都可能 导致交通事故的发生。据国内外交通事故的统计表明，由于车辆因素所造成的交通 事故，在工业发达国家占 5左右，在我国和其他发展中国家占 10左右。 2.2.3 路的原因路的原因 道路是车辆行驶的载体与基础， 道路的等级质量， 线性标准等对于交通安全都有 11 着重要的影响。 道路等级方面，城市道路交通事故次数在不同等级的道路上存在着明显的差异， 图 2.5 和图 2.6 分别表示了西安市城市道路交通事故和经济损失在不同等级道路上的 分布情况。 快速路 5.26% 主干路 74.93% 次干路 14.84% 支路 4.97% 快速路 7.18% 主干路 76.57% 次干路 12.43% 支路 3.82% 图 2.5 西安市城市道路交通事故在不同等级道路上发生次数 图 2.6 西安市城市道路交通事故在不同等级道路上经济损失状况 从图 2.5 和 2.6 中可以看出，城市交通事故主要发生在城市主干路和次干路上， 发生在支路和快速路上交通事故则不多。这是由于支路上车流量少，快速路上虽然 车流量多，但是道路等级和交通管理水平相对较好，而主、次干路车流量相对于支 路较大，道路交通管理水平相对于快速路较差的缘故。 线形方面，道路的几何线形要素的构成是否合理，线形组合是否协调，对于事 故有较大的影响。平曲线与交通事故关系很大，曲率愈大，事故愈高，尤其使曲率 大于 10 度以上， 事故率急剧增加。 道路竖曲线半径过小时， 易造成驾驶员视野变小、 视距变短，发生事故。另外，坡度过大会致使制动失灵，造成事故发生，尤其在山 地城市，坡度对于交通安全的影响尤为重要。交通安全的发生不仅与平面线形，纵 坡有关，而且与线形组合是否协调有密切的关系，虽然线形标准都符合规范，但线 形组合不得当仍然会造成交通事故的发生。 路面方面，路面设计不符合标准、路面年久失修等也有可能引发交通事故。 除此以外， 道路交叉口设计不合理、 车道数设置不合理等也是造成交通事故的原 因。 目前一些城市道路存在道路设计不合理的情况， 例如： 城市的主干道没有设置非 机动车道，致使自行车、行人占据机动车道；道路转弯半径设置不合理；转弯视距 不够等，这些都有可能导致交通事故的发生，危及交通安全。 2.2.4 环境的原因环境的原因 道路交通环境包括道路交通流运行情况、道路交通标志、安全设施、噪音污染 和天气气候和道路的交通管制等。规范、完善的交通标志、标线对于预防交通事故 的发生有着十分重要的作用。噪音污染太严重，容易激发行人、驾驶员等交通参与 者的烦躁情绪，这些都可能诱发交通事故。天气情况对于交通安全也有很重要的影 响，雨天、雾天等恶劣天气条件下，行车安全系数会大大降低。道路周围如存在不 合理的大交通源也极有可能引发交通事故。 在交通环境的影响因素中，交通量的影响起着主导作用。交通量的大小，直接 影响着驾驶员的心理紧张程度，也影响着交通事故发生率的高低。 在交通量很小时，车辆的行驶主要取决于道路条件和车辆本身的性能。这个阶 段交通肇事往往是由于高速行驶、冒险行车、汽车的运行状况与道路条件不相适应 所致。随着交通量的不断增大，由于车辆的相互干扰，互成障碍，超车不当，避让 不及， 常导致交通事故的发生。因此，在行车中，控制行车速度是减少交通事故的 重要环节。 12 另外，我国的道路交通模式为混合交通。由于人、车混行，加之各种机动车、 非机动车在一条道路上行驶，相互争夺空间，大大增加了不安全因素，尤其是各种 不同动力、不同速度的车辆在一条道路上行驶，相互超越次数增多，使整个道路难 以形成稳定的交通流，既影响道路的通行能力又潜伏着诱发交通事故的隐患。 在这种情况下，道路的交通管制对于交通安全的作用就成为不容忽视的一个方 面，合适的交通管制，必然会大大减少交通事故的发生几率，反之则会增加交通事 故发生的几率。 从前文的分析可以看出，交通事故的发生是人、车、路和环境失衡所造成的， 因此，要减少交通事故，必须从四个方面综合考虑，只有把人、车、路和环境综合 协调好，才能更好地预防交通事故的发生。 13 3 城市道路交通安全预警系统理论概述城市道路交通安全预警系统理论概述 3.1 城市道路交通安全预警系统的概念城市道路交通安全预警系统的概念 3.1.1 预警系统的几个基本概念预警系统的几个基本概念 预警23一般是指对危机与危险状态的一种预先信息警报或警告。狭义的预警是 指对自然资源或环境等危险对象可能出现的衰竭或危机而建立的报警。广义的预警 则涵盖了对研究对象的维护和减少危机的发展过程。它包括发现警情、确定警兆、 寻找警源、判断警度以及采取正确的预警方法将警情排除的全过程。城市道路交通 安全预警属于广义的预警范畴。 警义，指研究对象在发展过程中出现警情的含义，可以从警素和警度两个方面 考察。警素，指构成警情的指标。警度，指警情处于的状态，也就是它所具有的严 重程度，可分为无警、轻警、中警、重警和巨警。不同警度可以采用不同颜色的信 号灯来表示。警限，用来表示警情严重程度的等级分界线，但也可看作各种状态之 间的临界值。 3.1.2 城市道路交通安全预警系统的概念城市道路交通安全预警系统的概念 城市道路交通安全预警系统就是在顺境状态下，在对道路交通安全负变量检测 和评估的基础上，对城市道路交通安全系统接近负向质变的临界值的程度所作出的 不确定的早期预报。其实质是对系统安全运行稳定性程度的评判。其目的和作用是 防患于未然，超前预控。 3.2 城市道路交通安全预警系统建立的理论框架城市道路交通安全预警系统建立的理论框架 概括起来， 预警理论框架由以下几个部分组成： 明确警情， 确定警源， 分析警兆， 预报警度24-28。 3.2.1 明确警情明确警情 明确警情是预警的前提。警情是指那些值得引起人们警惕的交通安全状况。警 情可以从 2 个方面加以考察，一是构成警情的各种指标，二是表示警情严重程度的 14 警度。如前文所述，可以将警度分为无警、轻警、中警、重警和巨警 5 个警限。在 这 5 种警限中，无警警限（又称安全警限）的确定是最为关键的。无警警限可以用 3 种形式表示：有下限而无上限；有上限而无下限；既有上限又有下限，通常使用第 三种形式。关于各类警情指标警限的具体度量，可以依据历史分析、专家方法、国 际对比、数学方法等综合确定。当警情指标的实际值不在安全警限内，则表示警情 出现。结合具体情况，根据警情指标的实际值，观测其落在哪一个警限区域，便可 检测其警度。具体到城市道路交通安全预警系统，可通过构建城市道路交通安全预 警系统的各项指标，用科学的方法定量或定性地确定警限来反映警情。 3.2.2 确定警源确定警源 确定警源是预警过程的起点。警源就是导致警情发生的根源，分为以下四大类： 一是城市道路交通安全系统内部的内在警源，如交通事故、城市道路的改建等；二 是城市道路交通安全系统的外生警源 ；三是自然警源，主要是指自然条件的变化对 于城市道路交通安全的不利影响；四是非城市道路交通安全性警源，主要是指国内 或城市重大的社会、体育等活动对于城市道路交通安全的干扰。 3.2.3 分析警兆分析警兆 分析警兆是预警过程的关键环节。警兆是指警情发生的先兆，分析警兆是预警 过程中的关键环节。从警源到产生警情是一个过程，包含着警情的孕育、发展、扩 大和爆发。警情爆发之前，其间必有警情出现。一般来说，不同警情对应着不同的 警兆。分析警兆以及报警区间便可预测预报警情。如果说警源是警情产生的原因， 那么警兆就是警源演变成警情的外部形态表现。警兆根据可否直接表现为外部现象 特征指标，分为景气警兆和动向警兆。 3.2.4 警度预报警度预报 预报警度是预警的目的。在预报警度中，需要注意结合经验方法、专家方法等。 这样可以提高报警的精度。警度预报一般有 2 种方法：一种是直接建立关于警素的 普通模型，先作出预测，然后根据警素的警限转化为警度进行预报，另一种是通过 建立警兆与警素之间的时差相关模型，直接由警兆的警级预报警素的警度。 15 3.3 城市道路交通安全预警系统建立的基本原则城市道路交通安全预警系统建立的基本原则 城市道路交通安全预警系统的建立应该遵守以下几个原则： 3.3.1 科学的防范性原则科学的防范性原则 预警是为了给人们提供风险可能发生的有效信息， 指导人们及时采用相应的防范 措施，因而整个预警系统必须具有较为严密的科学性。可以说，它是整个系统的灵 魂和核心所在，因而也是整个预警系统建立过程中首先遵循的基本原则，是我们在 设计本系统时所奉行的基本指导思想。 3.3.2 系统原则系统原则 交通安全是一个系统工程，涉及到人、车、道路和环境等各个因素，各个因素之 间互相影响、互相作用。与之相对应的，交通安全预警系统也是一个系统工程，在 建立过程中，必须从交通安全的各个因素入手，综合考虑各个因素对于预警系统的 作用和影响，才能全面发挥整个系统的功能和作用，收到良好的效果。 3.3.3 以数据为依据原则以数据为依据原则 城市道路交通安全预警系统要完成预测和报警的功能， 就必须依据大量的与交通 安全有关的可靠、有用的数据信息。系统对这些数据加以整理、分析之后，才能预 报出交通安全的发展趋势，才能做出正确的决策。所以系统的建设必须坚持以数据 为依据的原则。 3.3.4 实用性和可操作性原则实用性和可操作性原则 任何一种新的方法在实际应用中必须以实用性为其生存的根本要求， 城市道路交 通安全预警系统也必须坚持实用的原则。可操作性是一个系统能够得以推广的手段。 交通安全预警系统不仅要面对交通安全方面的专家，而且系统更多地要面对生活在 城市中的广大的交通参与者。系统对于他们来说必须容易理解、操作性强才能获得 他们的认可，否则再好的系统也不能充分发挥其作用。 3.3.5 多种方法相结合原则多种方法相结合原则 一方面，目前对于交通安全预测的方法多种多样，如灰色预测法、bp 神经网络 16 预测方法等等。这些预测方法各有利弊，因此在系统建设时，必须采取多种方法相 结合的原则。另一方面，城市道路交通安全预警系统在指标设计时候，也必须要采 用定量和定性相结合的方法。只有采用多种方法相结合，系统的功能才能更完善。 3.4 城市道路交通安全预警系统建立的步骤城市道路交通安全预警系统建立的步骤 城市道路交通安全预警系统的建立包括预警指标体系的构建、预警界限的确定 和预警结果的输出三个步骤： 3.4.1 预警指标体系的构建预警指标体系的构建 确定一套能全面反映城市道路交通安全发展状况和趋势的预警指标体系是构建 城市道路交通安全预警系统的一项很重要的工作。指标的选择应该遵循全面性、科 学性、有代表性、整体完备性几个原则。除了要确定每个指标的影响外，还有确定 各个指标的综合影响，就是要选取适当权重来确定指标的综合影响。由于选取指标 的量纲不同，因此要根据其权重对指标进行标准化，形成一套规范的预警指标体系。 3.4.2 预警界限的确定预警界限的确定 预警界限的确定是建立预警系统的重要环节。 当预警指标偏离其正常水平并超过 警限值时，就表示有警情出现。警限的确定既不能太高也不能太保守。要科学合理 地确定预警界限，使之能准确地判断道路交通安全发展状况和趋势。 3.4.3 预警结果的输出预警结果的输出 预警结果的输出对于交通安全预警系统的建立也十分的重要。 预警结果的输出不 仅是预警系统建立的目的，也是评价预警系统运行效果的手段。用科学、合理、易 懂的方式输出预警结果，对于决策者制定合理的决策十分的重要。 17 4 城市道路交通安全预警系统的构成、结构、功能和运作流程城市道路交通安全预警系统的构成、结构、功能和运作流程 4.1 城市道路交通安全预警系统的构成城市道路交通安全预警系统的构成 根据影响不同范围城市道路的交通事故的因素不同， 将城市道路交通安全预警系 统分为区域城市道路交通安全预警系统和局部城市道路交通安全预警系统。分别介 绍如下： 4.1.1 区域城市道路交通安全预警系统区域城市道路交通安全预警系统 区域道路交通安全是指一个较大区域的道路交通安全，比如一个组团、一个城 市、一个国家都可以称为一个区域。由于区域具有范围大的特征，在预警系统构建 时应该从宏观层次考虑城市道路事故的影响因素，而不能采用微观因素思考的方法。 具体到区域道路交通安全预警系统的构建思想是通过分析历年交通事故的统计资 料，找出影响该区域道路交通安全的主要因素（人、车、路和环境） ，例如：区域的 机动车保有量、区域的主干路数量等，通过收集这些因素的具体数值，采用适当的 数学方法，构建该区域道路交通安全模型。通过建立的模型得到预测期区域城市道 路交通事故的总量，然后算出区域交通事故总量小于等于某一固定值 c 的概率，通 过此概率与警限区间值的对比，找出此概率值所处的警限区间，进而得出该区域道 路交通安全在预测期所处的级别，从而完成区域道路交通安全预警系统的任务。本 文采用 bmom 方法构建区域道路交通安全预警系统的数学模型， 具体模型及应用见 本文第五章第五小节以及第六章。 4.1.2 局部城市道路交通安全预警系统局部城市道路交通安全预警系统 局部道路交通安全是指范围较小的一条或者几条道路，一个或者几个交叉口的 交通安全。由于范围较小，我们在考虑这些道路或者交叉口的交通安全时，就应该 从微观层次来考虑影响该局部城市道路交通安全的因素。具体到局部道路交通安全 预警系统的构建思想是通过采集这些道路或者交叉口的交通流参数，通过将这些参 数标准化后的数值与预警系统警限的对比，找出该值所处的警限区间进而分析得出 该局部道路或者交叉口的交通安全状况。本文是采用城市道路交通安全预警系统的 18 事件自动检测算法来构建局部城市道路交通安全预警系统的数学模型。在预警交通 拥堵的基础上，结合局部城市道路交通安全预警系统指标与警限的对比，确定该局 部道路交通安全所处的安全级别，完成局部城市道路交通安全预警系统的任务。 值得注意的是，区域城市道路交通安全预警系统和局部城市道路交通安全预警 系统不是两个毫无联系独立的系统，而是一个系统城市道路交通安全预警系统 的两个组成部分。在适当情况下，两个系统可以单独应用，但是大多数情况下，是 两个系统共同完成城市道路交通安全预警系统的预警功能。 4.2 城市道路交通安全预警系统的结构城市道路交通安全预警系统的结构 一个好的系统必须拥有一个好的结构才能完成其功能，城市道路交通安全预警 系统也不例外。城市道路交通安全预警系统不仅要进行道路监测、成因分析、责任 认定及损害赔偿，而且要科学地作出反应。它既需要有专门的理论和知识，又需要 有实用的技巧和手段。具体在交通安全领域，该系统将汽车、驾驶员、道路、道路 管理部门以及其他相关的服务部门相互连接起来，通过对道路条件和道路交通运营 状况的检测，预防预报道路交通事故的发生，从而使路网上的交通流运行处于最佳 状态，改善交通拥挤和堵塞，最大限度地提高路网通行能力，提高整个道路运输系 统的机动性、安全性，提高道路的综合经济效益和社会效益。为完成上述任务，按 照城市道路交通安全预警系统构建的原则和要求，结合其在实际中的应用特点，本 论文提出了城市道路交通安全预警系统的组建方案。由于区域城市道路交通安全预 警系统与局部城市道路交通安全预警系统完成的任务有所区别，本文分别组建了区 域城市道路交通安全预警系统与局部城市道路交通安全预警系统结构图，如图4.1和 图4.2所示。 4.2.1 区域城市道路交通安全预警系统结构图区域城市道路交通安全预警系统结构图 该系统包括4个子系统：危机判定子系统、城市道路交通事故预测子系统、道路 交通安全评价子系统和报警子系统。该系统的总体构建思路是：首先，通过有关信 息收集系统收集影响城市道路交通安全的信息，对城市道路交通安全状态进行初步 分析，然后利用相关数据预测未来的交通事故发展趋势；同时，对现有的城市道路 19 交通安全状况进行分析评价，形成对交通安全进行预警的知识库，结合预警指标得 到城市道路交通安全的预警结果。最后，利用结果对危机判定子系统进行分析，按 照实际情况进行修改和完善。 区域城市道路交通安全预警系统的基本结构如上图4.1所示29-34。 危机判定 子系统 道路交通事故 预测子系统 道路交通安全 评价子系统 预测影响因素 预 测 方 法 预 测 结 果 选取评价指标 评 价 方 法 评 价 结 果 报警 子系统 图4.1 区域城市道路交通安全预警系统结构图 (1)危机判定子系统危机判定子系统 该系统主要通过城市道路交通运行状况信息的收集、检测和判断完成城市道路 安全状况的初步分析，确定影响城市道路交通安全的主要因素。具体到本论文，区 域城市道路交通安全预警系统主要是利用历史收集的基础数据确定影响城市道路交 通安全的主要因素，通过城市道路交通安全预警系统的收集系统收集影响道路交通 运行状况的相关因素信息，完成城市道路交通安全状况的初步分析。该系统的核心 是构建一个有效、可靠的交通安全信息收集、判断系统。精度高、可靠性好是该系 统构建的基本要求。 (2)城市道路交通事故预测子系统城市道路交通事故预测子系统 该子系统根据已经确定的影响道路交通安全的主要因素，从历史指标数据库中 20 提取数据，通过选取合理的预测方法，得到未来交通事故的发生次数，从而为在整 体上控制交通事故的发生打下基础。该子系统的核心就是选取合理的预测模型预测 交通事故，使模型能够很好的反映交通事故的产生规律。本论文采用贝叶斯矩法预 测交通事故，能很好的预测交通事故并能得到交通事故低于或者高于某个数值的概 率，从而为有效控制交通事故数奠定了良好的基础。 (3)城市道路交通安全评价子系统城市道路交通安全评价子系统 通过城市道路交通事故预测子系统预测的交通事故在总体上控制交通事故的发 生，道路交通运行状况就要通过城市道路安全评价子系统来确定。系统建立科学、 合理的城市道路交通安全评价指标体系，采用合理的交通安全评价方法，通过预测 到的交通事故总数小于等于某一个固定值 c 的概率值与预警警限对比分析，来评价 该地区目前的交通安全状况。本论文利用 bmom 方法的预测结果，来分析城市道路 交通安全状况、从而判断交通安全处于何种等级：无警，轻警、中警、重警还是巨 警。 (4)报警子系统报警子系统 一方面，报警子系统根据道路交通事故评价子系统的评价结果，报警该地区一 定时期内交通安全的处于何种级别，通过报警结果，提醒广大交通决策者通过相应 措施整体上改善交通安全状况。根据道路交通安全评价子系统作出的对于道路交通 安全的评价，通过报警子系统将预警系统得到的结果表示出来，一般可采用信号灯 色传达不同的警级状态，并根据交通安全所处的不同等级作出相应的预防对策。 一般的区域城市道路交通安全预警系统包括以上四个子系统， 在系统开发初期， 由于广大的交通参与者对于系统的不熟悉和不了解，可以在系统中增加一个解释机 制。解释机制用来回答用户对预警系统的提问。解释机制的回答包括两个方面：一 是 why，即为什么会得出这样的处理结论；二是 how，即这种结论是怎样得到的。 解释机制对问题的处理结论及过程的详细说明，使用户能了解事故的处理方法和依 据，增加了透明度，同时也为用户了解事故造成的损失、维护系统提供了方便。 4.2.2 局部城市道路交通安全预警系统结构图局部城市道路交通安全预警系统结构图 由前文所述，局部城市道路交通安全有别于区域城市道路交通安全预警系统， 21 影响前者的是一些较微观层次上的因素，因此，在构建局部城市道路交通安全预警 系统时，道路交通事故预测子系统就没有太大的意义，取而代之的是道路交通信息 检测子系统。该系统通过检测道路或者交叉口处车辆的运行参数，得出影响交通事 故的有关交通流的参数数值，建立道路交通流运行状况的数据库，然后将数据