（道路与铁道工程专业论文）交通事件持续时间预测方法研究.pdf

摘要 摘要 交通事件持续时间的预测是先进的交通事件管理系统的一项重要内容，精 确的、预测的交通信息对旅行者信息系统至关重要。事实上，交通事件的持续 时间包括四个重要组成部分：事件的发现时间，事件的响应时间，事件的清除 时间和交通的恢复时间。这四个阶段的总和代表了交通事件总的持续时间，也 就是从交通事件发生到交通恢复到正常状态的总和。前三个阶段表示事件的延 迟时间，它可以通过快速检测事件和快速清除事件来减小；第四个阶段表示交 通事件清除后拥堵的消散时间，不仅与交通事件本身的性质和特点有关，而且 与事件发生前后的交通状况有关。 过去对交通事件持续时间预测的研究中没有考虑到不同阶段的持续时间其 影响因素并不相同，因此并没有把交通事件的持续时间分阶段的加以预测，从 而使得预测精度很难提高。此外，由于对交通事件持续时间预测还存在使用的 数据样本单一，预测的实时性差，难以适应实际情况中数据缺失情况等缺陷， 因此一直没有被应用于实际的交通管理中。本文针对交通事件持续时间预测方 法展开了一系列的研究。 文章首先分析了上海市城市快速路的交通事件持续时间的影响因素，针对 目前上海市城市快速路交通事件管理的现状，设计了交通事件数据库。并采用 决策树方法建立了交通事件持续时间预测模型，该模型对于抛锚事件清除时间 的预测值与真实值差的绝对值小于1 5 分钟的准确率为8 2 ，对交通事故清除时 间的预测值与真实值的绝对值小于3 0 分钟的准确率为5 6 。其次，分析了荷兰 交通部提供的交通事件数据信息，这些信息详细、精确，有助于标定更为精确 的交通事件清除时间预测模型。基于荷兰交通事件的数据信息，本文提出了基 于贝叶斯的决策树算法的事件持续时间预测模型，该模型可以更好的处理信息 缺失或信息不全的交通事件信息，与分类树方法和线性回归预测模型相比，它 具有更高的预测精度。 自1 9 9 4 年d a g a n z o 提出元胞传输模型( c e l lt r a n s m i s s i o nm o d e l ，c t m ) 以来，由于c t m 模型中的参数易于标定，求解方法简单，可以很好的模拟动态 交通等优点一直被广泛应用。本文以上海市城市快速路的特征路段为基础，基 于元胞传输模型建立了交通事件持续时间预测的实例模型，将仿真结果与实际 摘要 路段交通参数对比发现，元胞传输模型可以真实的再现交通事件发生后道路的 运行状况和集散特点。 因此，本文采用c t m 模型建立了交通事件清除后拥堵消散时间的预测模型， 并基于c t m 模型计算了在交通事件延迟过程中，拥堵集结过程产生的延误和事 件清除后拥堵消散的延误。分析结果表明，在城市快速路上，交通事件清除后 拥堵的消散时间在事件总的持续时间中占有很大比例。拥堵的消散时间与事件 延迟时间的比值不仅随事件延迟时间的增加而增加，且这一比值对交通事件发 生后道路剩余通行能力的大小更为敏感。特殊情况下，拥堵的消散时间甚至是 交通事件延迟时间的三倍多，而事件的总延误随着事件后剩余通行能力的减小 而呈倍数迅速增加。因此，在交通事件处理过程中，要尽量减少占道，减少对 通行能力的干扰，这对保证事件发生后道路设施的运行效率最为有效。 交通事件处理过程中提高事件清除效率，降低事件延迟时间可以很大程度 上减小事件总的持续时间。在上海市城市快速路上发生的一般性质的交通事件， 降低事件的延迟时间，一定条件下可减小三倍的总的持续时间；在事件较为严 重时，降低事件的延迟时间，甚至可以减小五倍的总的持续时间。因此，对于 不同严重程度的交通事件，从先进的交通事件管理战略而言，应给予不同等级 的救援预案。 通过计算发现，高峰时段发生交通事件时，若该事件持续时间较长，有必 要采取交通需求控制措施优化路网的交通流，从而减少交通事件产生的总延误。 通过需求控制措施减少事件位置上游的交通需求，一般条件下可以使总延误减 小到原来的一半。 本文通过对交通事件清除后消散时间的预测，以及对拥堵延误和消散延误 的定量分析，得出的主要研究结论可以有助于评价各项交通救援措施的效果， 为提出更合理、更有效的交通救援措施和事件管理方法服务。 论文最后就进一步的研究方向进行了简要的讨论。 关键词：交通事件，持续时间，延迟时间，消散时间，预测，决策树，元胞传输模 型 a b s t r a c t ab s t r a c t p r e d i c t i o no ft r a 伍ci n c i d e n td u r a t i o nt i m ei sv e r yi m p o r t a n ti na d v a n c e d t r a 伍ci n c i d e n tm a n a g e m e n t ( a t i m ) t h ed u r a t i o no fa r ti n c i d e n ti sc o m p o s e do f f o u rp h a s e s ：d e t e c t i o nt i m e ，r e s p o n s et i m e ，c l e a r a n c et i m ea n dr e c o v e r yt i m e i nt h e d e t e c t i o np h a s e ，t h el o c a t i o n , s e v e r i t y , a n di n j u r i e so ft h ei n c i d e n ta r ei d e n t i f i e db yt h e t r a j 五cm a n a g e r s ，p o l i c e ，o rp a t r o lm e m b e r s i nt h er e s p o n s ep h a s e ，i n s t n m l e n t e d v e h i c l e sa r r i v ea tt h ei n c i d e n ts i t et oh a n d l et h ei n c i d e n t i nt h ec l e a r a n c ep h a s e ，t h e r e s p o n s et e a m r e m o v e st h eo b s t a c l et h a td i s t u r b st h et r a f f i cm o v e m e n t s i nt h e r e c o v e r yp h a s e ，q u e u es t a r t st od i s s i p a t eu n t i lt h et r a 伍cr e s t o r e st on o r m a lc o n d i t i o n t h ef i r s tt h r e ep h a s e sa r cc a l l e dd e l a yt i m e t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri st op r e d i c tt h e d u r a t i o no ft r a f f i ci n c i d e n t , b a s e do nt h ei n c i d e n td a t ac o l l e c t e d t l 斌i ci n c i d e n td a t ah a v eb e e nc o l l e c t e df r o md i f f e r e n ts o u r c e s o n ei sf r o m t h es h a n g h a ic i t ye x p r e s s w a y , t h eo t h e ri sf o r mh i g h w a yi nt h en e t h e r l a n d s t w o k i n d so fp r e d i c t i o nm e t h o d so ft r a f f i ci n c i d e n tc l e a r a n c et i m ew e r ep r e s e n t e di nt h i s r e s e a r c h t h ep r e d i c t i o nm e t h o db a s e do nd e c i s i o nt r e ei sa p p l i e dt op r e d i c tt h et r a 伍c i n c i d e n td e l a yt i m ei ns h a n g h a i a n dt h ep r e d i c t i o nm o d e lb a s e do nb a y e s i a n d e c i s i o nt r e ei sa d o p t e dt op r e d i c tt h ec l e a r a n c et i m ei nn e t h e r l a n d s t h er e c o v e r y t i m ep r e d i c t i o nm o d e lb a s e do nc e l lt r a n s m i s s i o nm o d e l ( c t m ) i sp r e s e n t e d , f u r t h e r m o r ec o n g e s t i o nd e l a ya n dr e c o v e r yd e l a ym o d e l sb a s e do nc t ma r ea l s o d e v e l o p e d f i r s t l y ，t h i sr e s e a r c hd e s i g nt h e 伽i ci n c i d e n td a t a b a s eo fc i t ye x p r e s s w a y a c c o r d i n g t ot h ec u r r e n t 位商ci n c i d e n tm a n a g e m e n ts y s t e mi ns h a n g h a i ，b e c a u s et h e c o n s t r u c t i o no ft h e 伽i ci n c i d e n td a t a b a s ei st h ef o u n d a t i o no fp r e d i c t i n gt r a l 3 f i c i n c i d e n td u r a t i o nt i m e s e v e r a li n f l u e n c ef a c t o r so fi n c i d e n td u r a t i o nt i m ea r c a n a l y z e di ns h a n g h a ic i t ye x p r e s s w a y , a n dp r e d i c t i o nm o d e lo fc l e a r a n c et i m ei s d e v e l o p e db a s e do nd e c i s i o nt r e em e t h o d p a r t i c u l a ra n da c c u r a t ei n c i d e n ti n f o r m a t i o nh a sb e e nc o l l e c t e db yt r a f 丘c i n c i d e n tm a n a g e m e n tc e n t e ri nn e t h e r l a n d s ，w h i c hi sh e l p f u lf o rc a l i b r a t i n gm o r e p r e c i s ep r e d i c t i o nm o d e lo fi n c i d e n td u r a t i o nt i m e t h e r e f o r ea n e wp r e d i c t i o nm o d e l m a b s t r a c t i sp r e s e n t e db a s e do nt h eb a y e s i a nd e c i s i o nt r e e t h i sm o d e lc a nd e a lw i t ht h e i n f o r m a t i o nw h i c hi sn o tc o m p l e t eo rc a nn o tb eo b t a i n e de a s i l y m o r e o v e rt h e p r o p o s e d m o d e li sd e m o n s t r a t e dt ob ch i g h l ya c c u r a t e ，r o b u s ta n dr e l i a b l e t h ec a l i b r a t i o nm e t h o do ft h em a i np a r a m e t e r so ft h ec t mm o d e li ss t u d i e d , t h e y a r ef r e ef l o w s p e e d , c a p a c i t yo ft h eb o t t l e n e c k , t h ec a p a c i t y , a n d t h e c h a r a c t e r i s t i cs p e e d s a ne x a m p l eo ft h ec t mm o d e lc a l i b r a t i o ni sp r e s e n t e do nt h e b a s i so fas e c t i o no fe x p r e s s w a yi ns h a n g h a i t h er e s u l t ss h o wt h a tc t mm o d e lc a n s i m u l a t et h er e a l 仃碰i cs i t u a t i o na n dc o n g e s t i o nc h a r a c t e r i s t i ca c t u a l l yw h e na n i n c i d e n to c c u r s m 街ci n c i d e n tr e c o v e r yt i m ea n dt h ec o n g e s t i o nd e l a yc a u s e db yt h ei n c i d e n t a r ec a l c u l a t e di nt h i sp a p e ru s i n gc t mm o d e l t h ei n f l u e n c ef a c t o r so f r e c o v e r yt i m e a n d 的伍cd e l a ya r ea n a l y z e d ，也e ) ra r ei n c i d e n ts e v e r i t y , i n c i d e n tc l e a r a n c et i m e ， t r a 伍cd e m a n d t h er e s u l t ss h o wt h a tt r a 伍cr e c o v e r yt i m e a c c o u n t sf o rl a r g e p r o p o r t i o ni nt h et o t a li n c i d e n td u r a t i o nt i m ei nc i t ye x p r e s s w a yw h e nt r a 伍cd e m a n d i s1 1 i g h 1 1 1 er e c o v e r yd e l a ya l s oa c c o u n t sf o rl a r g ep r o p o r t i o n , a n ds o m e t i m e st h e r e c o v e r yd e l a yi se v e nl a r g e rt h a nt h ec l e a r a n c ed e l a y i nt h i sp a p e r , t h ei n f l u e n c eo f m a n yf a c t o r so nt h er e c o v e r yt i m ea n dr e c o v e r yd e l a yi ss t u d i e dq u a n t i t a t i v e l y 1 1 1 e r e s u l t sc a nb cu s e dt oo p t i m i z et r a f f i ci n c i d e n tm a n a g e m e n ta c t i v i t i e sa n di m p r o v et h e e f f i c i e n c yo fc i t ye x p r e s s w a y i nt h ef i n a l i t y , f u t u r er e s e a r c hd i r e c t i o n sa r er e c o m m e n d e d k 呵w o r d s ：t r a f f i ci n c i d e n td u r a t i o n , c l e a r a n c et i m e ，r e c o v e r yt i m e ，p r e d i c t i o n m o d e l ，d e c i s i o nt r e e ，b a y e s i a nm e t h o d ，c e l lt r a n s m i s s i o nm o d e l i v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：妞柄话蓓 2 一口易年弓月s 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：姬杨蓓蓓 2 矽吕年3 月 第1 章引言， 第1 章引言 1 1 研究背景与意义 道路拥堵问题已经成为世界上很多国家面临的主要交通问题之一。对驾驶 员和乘客而言，交通拥堵意味着行程时间延长，出行费用增加，出行效率降低； 对交通管理者而言，交通拥堵使公路单位时间的实际通过量小于其通行能力， 从而降低了公路网的运行效率。 ， 德克萨斯州德运输协会的一份研究报告表明n 一1 ，美国的交通问题近年来日 趋恶化，交通拥堵给更多的出行者和货物运输造成了延误，且在高峰小时的平 均车速逐年下降。2 0 0 2 年城市出行者平均每年要经历4 6 小时的交通拥堵，这比 1 9 8 2 年提高了1 8 7 。这种状况在大城市更为严重，例如在洛杉叽，出行者每 年的平均交通延误时间为9 3 小时；在旧金山，出行者平均每年有7 3 小时因为 交通拥堵而愤怒；华盛顿，由于高峰时段的车速下降，平均每位出行者损失6 7 小时。 近十年来，我国城市快速路发展迅猛：上海市快速路网布局为三环十射， 北京市环路达到六条之多，外加多条射线状快速路；广州、天津、济南和杭州 等城市也在筹划扩大城市快速路的规模。作为城市内交通大动脉，城市快速路 对保证城市内出行的快速、便捷起着重要的作用。然而，快速路慢慢丧失了“快 速的特点。以上海为例，2 0 0 5 年中心区高架道路工作日的服务水平整体评分 为6 7 分，处于全面拥挤的临界状态，总出行车次有明显的增长，年增长达到8 ，已突破1 3 0 万车次，全年服务水平无明显变化。高架道路非工作日的服务水 平整体评分为7 4 分，处于较畅通状态，出行车次年增长达1 6 ，接近1 2 0 万车 次，总体交通状态有恶化趋势口1 。 人们通常非常熟悉每日高峰小时的常发性拥堵，然而，由于不可预知的交 通事件或重大活动而引起的偶发性拥堵也是造成交通拥堵的重要原因。交通事 件是指非常发性事件，包括，交通事故、碰撞、抛锚的车辆，车辆着火，天气 情况，道路施工等。芝0 0 3 年，美国发生了6 百万次车辆碰撞，导致4 2 ，0 0 0 人死 亡，2 9 ，0 0 0 ，0 0 0 人受伤，总的经济损失约达2 3 0 6 亿美元，这相当于美国总的国 民生产总值的2 3 h 1 。我国的交通安全形势也十分严峻，特别是2 0 0 0 年到2 0 0 5 第1 章引言 年期间，死亡人数都在1 0 万人左右，事故死亡上升，事故发生次数居高不下， 经济损失巨大。表1 1 为1 9 9 4 年- - 2 0 0 5 年公路交通事故数据列表嵋引。 表1 11 9 9 4 - - 2 0 0 5 年公路交通事故数据列表 年份次数死亡人数受伤人数经济损失 1 9 9 42 5 3 5 3 75 6 3 6 21 4 8 8 1 7 1 3 3 3 8 2 7 2 2 3 1 9 9 5 2 7 1 8 4 37 1 4 9 41 5 9 3 0 815 2 3 6 6 3 3 2 4 1 9 9 62 8 7 6 8 57 3 6 5 51 7 4 4 4 71 7 1 7 6 8 5 1 4 5 1 9 9 73 0 4 2 1 77 3 8 6 11 9 0 1 4 81 8 4 6 1 5 3 4 5 3 1 9 9 83 4 6 1 2 97 8 0 6 72 2 3 5 2 11 9 2 9 5 1 4 0 1 5 1 9 9 94 1 2 8 6 08 3 5 2 92 8 6 0 8 02 1 2 4 0 1 8 0 8 9 2 0 0 06 1 6 9 7 19 8 8 5 34 1 8 7 2 12 6 6 8 9 0 3 9 9 4 2 0 0 l7 5 4 9 1 91 0 5 9 3 05 4 6 4 8 53 0 8 7 8 7 2 5 8 6 2 0 0 27 7 3 1 3 71 0 9 3 8 15 6 2 0 7 43 3 2 4 3 8 1 0 7 8 2 0 0 36 6 7 5 0 71 0 4 3 7 24 9 4 1 7 43 3 6 9 1 4 6 0 0 0 2 0 0 45 1 7 8 8 91 0 7 0 7 74 8 0 8 4 42 3 9 1 4 i 0 0 0 0 2 0 0 54 5 0 2 5 49 8 7 3 84 6 9 8 7 l1 8 8 4 0 1 2 0 0 0 交通事件是造成道路拥堵的主要原因之一。有关研究表明口引，由于高速公 路事件引起的偶发性交通拥堵( 如交通事故，抛锚车辆，天气变化等) 占城市 快速路总拥堵的5 0 - - 7 5 。2 0 0 0 年，美国由于交通事件造成的经济损失达2 5 6 亿美元，其中由1 1 的损失是由交通事件之后的交通拥堵引起的。美国f h w a ( f e d e r a lh i g h w a ya d m i n i s t r a t i o n ) 报告指出由于交通碰撞、抛锚、公路设 施损坏，以及危险品泄漏等交通事件引起的美国公路延误占由于交通拥堵产生 的总延误的1 3 西1 。另外交通事件引发的二次交通事故也通常比原先的事件更为 严重。事件停留在原位的时间越长，那么它引发二次事故的机率也越大。1 9 9 5 年加利福尼亚的统计数据显示，发生交通事件的情况下，二次事故的的比例提 高了6 倍1 0 1 。 交通事件除了带来巨大的经济损失，还使得道路产生交通拥堵，降低了道 路的运行效率并成为安全隐患。目前，我国上海市城市快速路的交通运行状况 也令人担忧，除了巨大的交通需求带来的常发性拥挤外，交通事件造成的拥堵 也非常频繁，中心城区快速路平均每天的抛锚数量约为6 3 起，交通事故约为2 4 起，在恶劣天气的抛锚达8 0 起，交通事故高达3 0 起1 ，上海市城市快速路自 2 0 0 6 年1 1 月至2 0 0 7 年6 月的交通事件如图1 1 所示。交通拥堵对广大出行者 带来影响，而更为严重的是交通拥堵会进一步导致二次事件的发生，据美国f h w a 2 第1 章引言 ( f e d e r a lh i g h w a ya d m i n i s t r a t i o n ) 报告阳3 ，将近2 0 的交通事件由于前一 次的交通事件引起。 2 0 0 6 1 1 2 0 0 6 1 22 0 0 7 12 0 0 7 2 月份 图1 1 上海中心城区快速路事件发展趋势 交通拥堵不仅带来了直接的损失，还带来了难以量化的间接损失。直接损 失包括：燃油的增加，出行时间增加等；此外，交通拥堵带来了环境的污染， 如大量的汽车尾气和噪声，以及交通事件给当事人造成生理和心理上的创伤。为 了缓解交通拥堵问题最直接的办法是修建新的交通设施和扩大交通网络。然而 虽然修建了新的道路，它仍然赶不上人口的增长和大城市内小汽车的增长速度。 因此，除了扩大设施建设，我们还应采取其它措施，如更好的公共运输系统， 更有效的利用现有的道路设施，更好的需求管理，更合理的土地利用等。 图1 2 所示为上海市高架的翻车事故，图1 3 为上海市高架路的追尾事件。 不同的事件性质，不同的事件严重程度，却造成了相同的交通干扰，交通通行 能力处的通行能力都减少到零，事件的延迟时间和交通的恢复时间也随着各种 因素的影响变得更为复杂。 3 o o o 0 o 0 0 o 0 o 0 o o o 5 o 5 0 5 3 2 2 1 l 骝v嘲籁章侨圈杈 第1 章引言 图1 2 上海高架路上的翻车事件 图1 3 上海高架路上的追尾事件 交通事件管理是交通管理中重要的组成部分。交通事件管理是指系统的、 有计划的、综合使用包括人的、制度上的、机械的和技术资源来减少事件的持 续时间和事件对交通流造成的影响，从而提高驾驶员、肇事者和事件处理人员 的安全性。交通事件管理应针对不同的事件性质，不同的严重程度，不同的发 生时间区别对待，采用不同的交通事件处理措施，从而提高交通事件管理的效 率，使交通事件对道路交通的干扰最小化。为了提高事件处理的操作效率、安 全性和道路的运行效率，必须尽可能的减少事件的发现、确认；实施有效的相 应事件响应措施；安全的清除事件；高效的交通流管理措施直到交通恢复到正 常状态1 2 邝1 。 为了尽可能的降低交通事件造成的影响，高速公路事件管理系统需要实时、 可靠的预测交通事件所造成的阻塞，并将预测的事件持续时间提供给交通控制 4 第1 章引言 系统、交通诱导系统、旅行者信息服务系统，以便有关管理部门采取必要的交 通管理控制措施，诱导驾驶员选择行驶路径n 副，避免交通拥堵，减少二次交通 事件的发生。 1 2 研究的必要性 1 2 1 交通事件管理的需要 交通事件管理系统是智能交通系统( i t s ，i 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 s ) 中重要的组成部分。交通事件管理也是紧急事件管理的一个重要部分。 紧急事件管理的逻辑过程具备派遣和控制紧急事件服务n 钔。因此，它与管理交 通、车辆监控、公交管理和a t i s 有交互作用以便检测和实施的紧急事件服务和 执法。比较理想的做法是，当得知交通事件发生时，尽可能快速的应用这些技 术。然而，对于交通管理者而言，最困难的一步是要预估交通事件的持续时间， 才能有助于决定采取适当的管理措施。 实现有效的交通事件管理的两个关键目标是：减少二次事故发生的风险， 保证事件当事人和救援人员的安全性；使交通事件对交通的影响最小化，减小 路网中由于交通事件而引起的出行者的总延误。交通事件管理的五个可量化的 目标包括1 5 3 1 副： 减少事件的发现时间和对事件的确认； 减少救援到达现场的时间； 在尽可能多的保证开放的车道数的情况下，实施恰当的、安全的现场管 理： 减少事件的清除时间； 向公众提供及时、准确的交通信息从而使他们可以做信息选择，例如， 使用可替代路径修改出行计划。 而预测的交通事件持续时间信息的提供是非常重要的一个部分，它将贯穿 与事件发生的整个过程，帮助交通事件管理系统实现它的上述管理目标。 通常，旅行者收到的交通事件管理部门发布的信息仅是关于事件本身特点， 如事件的类型，事件发生的地点等信息，没有关于事件对交通影响程度的信息。 这种情况主要是由于媒体和一些交通信息提供者在没有获得交通数据，没有交 通工程师的分析、指导，他们很难获得精确的处理后有效的交通信息，因此交 第1 章引言 通事件持续时间的发布尽管在交通事件管理系统中起着很重要的作用，但是持 续时间的信息发布也具有很大的挑战性。 智能交通系统在改善诸多交通问题和矛盾方面一直是一个有利的工具。在 先进的旅行者信息系统的帮助下，我们可以获得更多的信息。 1 2 2 先进的旅行者信息系统的需要 先进的旅行者信息系统( a t i s ，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 ) 将有用的交通信息发布给公共出行者，由于先进的信息技术和通信技术的发展， 出行者可以在车内，家里，办公室或其它户外场所获得实时或预测的交通信息， 因此决定他们的出行时间、方式、路径。信息发布的方式包括可变信息板，高 速公路电台，车内的交通诱导，网络，电话，闭路电视，信息服务站，手机等。 在先进的旅行者信息的辅助下，交通事件管理系统可以收集并向旅行者发 布出行前和出行途中的实时预测交通信息。旅行者在获得这些精确、实时的交 通信息后，可充分地对自己的出行计划和路线进行调整，从而缓解了交通拥堵， 使道路网络的利用率最大化。图1 4 为车辆到达一离去曲线图。对应与a 、b 、c 、 d 、e 间的时间段分别为发现时间、到达时间、清除时间和恢复时间，对时间划 分的具体定义见第二章n 引。 事件清除后的 驶离通行能力 流率 图1 4 交通事件情况下的车辆到达一离去曲线图 图1 4 中，交通事件发生造成通行能力的折减，流出率下降，因此到达率 与流出率之间的不一致形成了车辆的排队，图中的不规则四边形阴影即是排队 6 第1 章引言 车辆的总延误。但是在采取了适当的交通控制或在a t i s 的辅助下，到达率减少 如图所示的修正到达率，修正的到达率使得总延误降低，虚线的三角形部分即 减少的延误。 交通事件引起的交通延误通常比常发性拥堵引起的延误更难让人接受，因 为偶发性拥堵是在出行者完全没有意料的情况下发生的，如果此时仅发布交通 事件发生的信息，而不是对交通状况做出预测，那么信息将不会提高出行者对 其出行时间估计可靠性，排队的过程变得更加难以忍受。 交通是一个动态的过程，由于交通事件的干扰，对广大的道路使用者而言， 交通状况变得更加难以预测。如果驾驶员可以提前获得在事件发生的主要位置 附近的精确的交通事件持续时间预测信息，他们可以采取积极的措施避免交通 拥堵，如选择不同的路径或改变出行时间。这就在空间和时间上使路网内的交 通变得均衡，因此不仅缓解了交通拥堵，也使紧急救援系统可以更容易、更安 全地到达交通事件现场，减少了事件的清除时间，减少总的交通延误，提高交 通事件处理效率。同时，也减少了二次事件发生的机率。 对交通事件持续时间的预测，可以帮助出行者根据自己的出行计划和他们 可以承受的延误时间选择继续等待或改变出行计划，帮助出行者减少担心迟到 的压力。预测的交通事件持续时间信息可以帮助快递公司、物流公司提高出行 的可靠度，提高工作效率，同时他们的客户的等待时间窗也相应缩小。预测的 事件持续时间信息提高了城市物流的服务质量。 精确实时和预测的交通信息对a t i s 的成功应用至关重要。研究表明n 引：只 有稳定、可靠的交通信息才能对驾驶员的行为产生影响；虽然实时的近期历史 数据也很有帮助，但是a t i s 应该基于预测，这样才能使交通信息发挥它的作用。 事实上，稳定、可靠的交通信息在以下两方面显得特别有价值u 。1 ：第一， 交通是一个动态的、时变的系统，因此，精确的交通信息对出行前的驾驶员有 更大的帮助。第二，由于在i t s 方面的建设，我们可以获得实时的基本交通信 息数据，然而由于并不是所有的地方都有检测器，且有些数据收集系统并不稳 定，因此，建立稳定、精确的交通预测模型非常重要。 很多研究者对交通信息发布的效果做了研究啪1 ，在l e v i n s o n 的研究中瞄， 旅行者的出行费用被看作是期望的出行时间和这个时间的可靠性的综合体。仿 真结果表明，在车辆的到达率为道路通行能力的9 5 时，交通信息在拥堵形成 的初期更为有效。此外，在偶发性拥堵时发布交通信息比常发性拥堵时发布交 7 第1 章引言 通信息更为有效。 交通是一个复杂的混合体，交通事件的持续时间一般较长，在事件刚发生 的时刻，预测交通事件的持续时间变得更加复杂。因此需要一种恰当的模型可 以真实的刻画交通事件持续时间的变化特点，获得一种精确的、并且是基于预 测的交通事件持续时间预测值。预测的交通事件持续时间只有在可接受的精度 范围内，才会对出行者的出行行为产生影响，否则不仅交通事件发生后的交通 状况变得更加难以琢磨，出行者的出行费用成本反而将有所增加。 1 2 3 评价交通事件管理措施的需要 经过过去十年的发展，交通事件管理效率和安全性已经有了很大的提高。 在确保安全的交通事件管理的前提下，减少交通事件持续时间，减少交通事件 造成的延误是交通事件管理的主要目标。为了评价交通事件管理措施是否达到 了这样的目标，同时提出更好的，公认的交通事件管理措施，需要对交通事件 管理措施进行评价睢2 1 。 提高交通事件管理效率，不仅要减少交通事件的延迟时间，也要减少交通 事件清除后拥堵的消散时间，实现减少交通事件产生的总延误的目的。通常对 交通事件持续时间的预测仅包括对交通事件延迟时间的预测，然而交通的恢复 时间也是产生交通延误的重要原因之一。通过计算交通发生后交通恢复时间， 得到交通事件总的持续时间，因此可以分析得出交通事件引起的总延误，评价 各交通管理措施的效率，以便提出更好的交通事件处理措施。 1 3 研究内容及技术路线 1 3 1 研究内容 本文的主要研究目标是对交通事件持续时间进行预测，计算、分析由于交 通事件的影响产生的延误，有助于交通事件管理，配合先进的交通信息系统以 提高道路的使用效率，同时为评价交通管理措施，实施交通控制方法提供理论 依据。因此本文的主要研究内容包括： ( 1 ) 分析交通事件持续时间预测研究的必要性和意义。对目前国内外多种 交通事件持续时间预测方法进行进行比较，对各种预测方法的做出评价。 ( 2 ) 通过调查上海市交通事件处理和预测方法的现状，对进一步改进上海 8 第1 章引言 市城市快速路交通事件持续时间预测方法提出要求和实现方法。并采用决策树 方法预测上海市城市快速路的交通事件持续时间。 ( 3 ) 以荷兰交通部提供的详细、精确的交通事件数据为基础，采用基于贝 叶斯方法的决策树算法构建交通事件持续时间预测模型。并比较贝叶斯决策树 预测模型和传统的决策树算法以及非线性回归方法三者的预测精度，和适用性。 ( 4 ) 采用元胞传输模型仿真上海市城市快速路的特征路段的交通事件发生 后，道路拥堵的行程和消散的过程，得出事件清除后交通恢复持续时间，通过 比较证明元胞传输模型的计算结果可以再现交通事件发展的过程。因此，采用 元胞传输模型建立交通事件持续时间的交通恢复时间的计算模型，分析交通事 件清除后拥堵的消散时间的各影响因素。 ( 5 ) 采用元胞传输模型，计算交通事件发生后，不同交通需求、不同严重 程度的交通事件、不同的事件延迟时间时，道路交通产生的总延误、拥堵延误、 消散延误以及平均延误。分析的结果可以有助于我们评价交通管理措施的有效 性和提高交通管理效率。 1 3 2 研究的技术路线 本文的研究技术路线如图1 5 所示。 9 第1 章引言 交通事件持续时间预测 事件发现时间ll 救援到达时间ll 事件清除时间 基于贝叶斯的决策 树模型预测方法 交通事件延迟时间预测 基于元胞传输模型仿真得 到交通事件的消散时间 交通事件清除后 拥堵消散时间预测 交通事件延误分析 有效的交通事件管理有效的交通监控管理 图1 5 研究技术路线图 1 4 章节安排 基于本论文的研究内容，各章节的安排如下： 第一章：引言。 阐述本论文展开的研究背景和意义，分析了研究的必要性。概括了本研究 的研究内容以及主要研究技术路线。 第二章：交通事件持续时间预测综述。 给出了交通事件持续时间的定义，并界定了本研究中交通事件的内涵。本 章分析了国内外对交通事件持续时间预测研究的现状和各种方法，具体介绍了 各种方法的理论基础和特点。 1 0 第1 章引言 第三章：决策树算法预测上海交通事件的延迟时间。 本章首先介绍了决策树算法的生成、修剪，并详细介绍决策树i d 3 算法和 其性能。本章采用决策树方法建立上海市城市快速路的交通事件持续时间预测 的决策树模型。因此本章具体分析了上海市交通事件数据的采集方法、分析了 事件持续时间的影响因素，并设计了交通事件数据库。最后对模型的预测结果 进行了检验。 第四章：基于贝叶斯的决策树方法预测交通事件延迟时间。 基于贝叶斯的决策树算法可以很好的处理数据缺失问题，本章采用来源于 荷兰交通部收集的交通事件数据，建立了基于贝叶斯的决策树交通事件延迟时 间预测模型。并将此模型与分类方法的预测模型和采用线性回归的预测方法进 行对比，结果得出基于贝叶斯的决策树模型的预测精度更高，且更适用与缺失 数据的数据库。 第五章：交通事件恢复时间的元胞传输模型。 元胞传输模型不仅是对流体力学理论的收敛和逼近，它也对实际路网提供 了一种简单的求解方法。因此本章采用元胞传输模型建立交通事件恢复时间的 预测模型，并详细介绍了元胞传输模型的各参数的合理取值和标定方法。最后， 给出了一个基于元胞传输模型的上海市城市快速路特征路段的实例验证。 第六章：交通恢复时间和延误的预测与分析。 采用元胞传输模型预测交通恢复时间，并分析交通事件的严重程度、事件 延迟时间、交通需求、降低的事件清除时间对交通恢复时间的影响，以及这些 因素对交通事件引起的总的交通延误、拥堵延误、消散延误以及平均延误的影 响关系。通过影响因素分析，可以在定性和定量两个方面指导交通事件管理和 交通监控管理工作，提高道路运行效率和管理效率。 第七章：结论与展望。 总结全文，并对后续工作进行展望。 第2 章交通事件持续时间预测综述 第2 章交通事件持续时间预测综述 对交通事件的可靠的预测，快速的发现，和及时的响应是成功应用高速公 路事件管理系统的关键。目前，关于交通事件持续时间预测方法的文献很多， 本文首先给出了交通事件和交通事件持续时间的定义，并详细回顾了交通事件 持续时间预测的诸多方法。 2 1 交通事件以及事件持续时间的定义 2 1 1 交通事件的定义 对交通事件的定义有很多，一般主要分为两类，一类是广义的定义，另一 类是狭义的定义。广义的定义如高速公路事件是指任何有计划和偶然发生的事 件，它影响了交通流的正常运行1 ，如交通事故、碰撞、抛锚的车辆，车辆着 火，天气情况，道路施工等。此外道路通行能力手册【2 4 】给出的广义的定义：它 对交通事件的特性描述为： - 降低道路的服务水平， - 降低了道路的通行能力， - 给驾驶员带来危险，特别是交通事件的直接涉入者。 然而为了实际应用的方便，工程上经常采用狭义的交通事件定义。狭义的 交通事件定义与广义的定义的区别在于，前者不包括高速公路维修、建设以及 特殊的非紧急事件。在工程中，我们经常把高速公路维修和建设列为“施工 类，而非紧急事件列为“特殊事件 。因此本文所研究的交通事件也为狭义的交 通事件。 交通事件由于降低了车辆的平均行驶车速，从而降低了道路的通行能力口： 一些驾驶员为了避开事发车辆，或让行于救援车辆，也会造成通行能力的下降： 在交通事件过程中的车道封闭或车道阻塞，也造成了通行能力的下降，一项研 究表明1 ，在一个三车道的公路上，如果有一条车道受阻，通行能力将减少5 0 。另外，交通事件除了减少通行能力外，还带来了人员伤亡、财产损失等。 1 2 第2 章交通事件持续时间预测综述 2 1 2 交通事件持续时间的定义 交通事件的持续时间包括四个重要的、彼此独立的部分：事件的发现时间， 对事件的响应时间，事件的清除时间和交通的恢复时间乜射，见图2 1 所示。 时间 事件发现i事件响应l 事件清除i 交通恢复i 阶段 l 阶段阶段 l 阶段 l正常交通 事件 发生 事件 发现 救援 到达 事件 被清除 事件影响 结束 图2 1 交通事件随时间变化的四个阶段 - 事件发现阶段：从交通事件发生到交通管理者、警察或高速公路响应队 发现交通事件的时间。这一阶段的主要内容是对交通事件的确认，它对 保证及时的响应有重要的意义。 - 事件响应阶段：从交通事件被确认到救援车辆到达现场的阶段。 - 事件清除阶段：是指救援队伍处理受伤人员，封闭车道，直到移除车辆 和碎片后离开现场，即救援队伍将干扰交通运行的障碍清除。 - 事件恢复阶段：交通事件被清除后，车辆排队开始消散直到交通流恢复 到正常交通状态。 这四个阶段代表了交通事件持续的时间，也就是从交通事件发生到交通恢 复到正常状态的总时间。前三个阶段表示事件的延迟时间，它可以通过快速检