（交通运输工程专业论文）高速公路隧道交通诱导与控制策略研究.pdf

摘要 本论文结合我国高速公路隧道监控系统建设的实践及要求，对隧道交通诱导与控 制系统存在的问题进行了分析和研究，通过分析隧道交通流特性，介绍了一套适合于 隧道交通特性的宏观动态交通流模型。在此基础上，介绍了交通异常事件自动检测技 术，建立了b p 神经网络交通异常事件自动检测算法，可判别是否有阻塞、是否发生 异常交通。在研究了隧道监控系统理论后，阐述了隧道交通诱导与控制系统的功能、 组成和实现方式，给出了隧道交通异常情况下四种交通诱导与控制的策略。以这些策 略为理论基础，以白虎山隧道为例，介绍了隧道交通诱导与控制的模式及四种隧道交 通情况( 正常、拥挤阻塞、交通事故、火灾事故) 下的交通控制方式，并通过视景 仿真软件模拟了一个具有普遍性的公路隧道，初步实现了隧道交通视景仿真。 关键词高速公路隧道；交通诱导与控制；交通流模型；b p 算法；控制策略 a b s t r a c t c o m b i n i n gw i t ht h ep r a c t i c ea n dt h er e q u e s to ft h ec o n s t r u c t i o no ft h ee x p r e s s w a y t u n n e lm o n i t o r i n gs y s t e mi no u rc o u n t r y , t h i sp a p e ra n a l y s e sa n ds t u d i e st h ep r o b l e m s e x i s t i n gi nt h et r a f f i cg u i d a n c ea n dc o n t r o ls y s t e mo ft h et u n n e l s a f t e rt h ea n a l y s i so ft h e t r a f f i cf l o wc h a r a c t e r i s t i c so ft h et u n n e l ，i ti n t r o d u c e sas u i to ft h em a c r o s c o p i cd y n a m i c t r a f f i cf l o wm o d e l s ，w h i c hi ss u i t a b l ef o ri t st r a f f i cc h a m c t e r i s t i e s b a s e do nt h es t u d yo f t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft r a f f i cf l o w , i ti n t r o d u c e s t h ea u t o m a t i cd e t e c t i o nt e c h n i q u e so f a b n o r m a lt r a f f i ci n c i d e n t , a n ds e t su pb p a l g o r i t h m sc o r r e s p o n d i n g , w h i c hc a nt e l lw h e t h e r t h e r ei sab l o c k i n go ra l la b n o r m a li n c i d e n to rn o t a f t e rt h es t u d yo nt h et h e o r yo ft h e h i g h w a yt u n n e lm o n i t o r i n gs y s t e m ，t h i sp a p e re x p l a i n si t sf u n c t i o n ，c o m p o s i t i o na n dw a y o fr e a l i z a t i o n ，a n di n t r o d u c e sf o u rk i n d so fs t r a t e g i e si nt h ec a s eo ft r a f f i ci n c i d e n t s b a s e d o nt h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o n , a n da sa ne x a m p l et ob a i h u s h a nt u n n e l ，i ti n t r o d u c e st h e p a t t e r n so ft h et r a f f i cg u i d a n c ea n dc o n t r o l ，a n dp r e s e n t st h ew a y o ft h et r a f f i cc o n t r o li n f o u rk i n d so ft r a f f i cs i t u a t i o n s ( n o r m a l ，c r o w d e d b l o c k i n g , t r a f f i ca c c i d e n t s ，f i r ea c c i d e n t s ) a n dw i t hv i s u a ls i m u l a t i o ns o f t w a r e ，t h i sp a p e rf u r t h e rs i m u l a t e so n ec o m m o nt u n n e l w h i c hi sb o t hl o n ga n dl a r g e ，t h e nr e a l i z e st h ev i s u a le m u l a t i o no ft r a f f i c ：e l e m e n t a r i l y k e yw o r d s ：e x p r e s s w a yt u n n e l ；t r a f f i cg u i d a n c ea n dc o n t r o l ；t r a f f i cf l o wm o d e l ；b p a l g o r i t h m ；c o n t r o ls t r a t e g y 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不 包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：芗铤争 砂矿妒年p 月，护日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属 学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利 等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论 文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守规定) 论文作者签名： 歹长 卯g 年多月够日 导师签名： 每豸睇 渺年l 9 月f 。日 长安大学工程硕士学位论文 第一章绪论 1 1 选题背景 自改革开放以来，随着我国经济的迅速发展，公路建设日新月异，公路里程逐年 增加，公路等级逐步提高。随着城市化进程的加快，我国许多城市的规模不断扩大， 随之而来引起了许多城市问题。由于城市交通堵塞、交通秩序混乱而造成的交通事故 频繁就是其中比较突出的问题之一n 1 。中国公路网数据显示，到2 0 0 7 年底，我国公 路总里程达到3 5 7 3 万公里。截至2 0 0 7 年底，我国高速公路通车总里程达5 3 6 万公 里，居世界第二位。2 0 0 4 年国家高速公路网规划瞳1 经国务院审议通过。国家高 速公路网规划采用放射线与纵横网络相结合的布局方案，形成由中心城市向外放射 以及横贯东西、纵贯南北的大通道。布局由7 条首都放射线、9 条南北纵向线和1 8 条东西横向线组成，简称“7 9 1 8 网 ，总规模约8 5 万公里，其中主线6 8 万公里， 地区环线、联络线等其他路线约1 7 万公里。为克服地形与高程障碍、改变线行、缩 短公路里程、提高道路服务水平，道路路线设计时往往采用隧道方式穿过高山。隧道 在特定条件下具有其它路线方案难以替代的作用，所以隧道在高等级公路上广泛应 用，而且隧道的适用环境也越来越复杂，隧道越建越长。据陕西省秦岭终南山公路隧 道公司报道：2 0 0 7 年1 月2 0 日正式通车的终南山隧道全长1 8 0 2 l ( i l 】，长度居亚洲第 一，世界第二，是世界上最长的双洞高速公路隧道。 作为地下建筑的公路隧道在交通工程方面的主要特点有：它是公路中的交通瓶 颈，一旦发生事故，危害很大，甚至危及隧道主体的安全；当隧道内发生某种交通事 故，不仅要及时发现、迅速处理和救援，而且还要对洞内外的交通进行疏导和管制： 为了避免混乱，要求隧道的交通监控与指挥系统尽量自动化，以便救援工作紧张而有 序的进行，尽快恢复正常交通。为保证高速公路、一级公路的服务水平，公路隧道作 为道路中的特殊路段，其交通工程受到人们的广泛重视。 公路隧道交通工程是一个多学科的边缘科学，包括隧道交通诱导与控制、通风与 照明控制、火灾报警及消防救援、闭路电视监控系统、其它管理设施及人员编制等， 长大公路隧道中交通工程的投资已占公路隧道建设总投资的2 0 左右口 。 八十年代末、九十年代初，公路隧道交通工程往往采用引进模式，如上海延安东 路隧道、成渝路龙泉山隧道等。广大交通工程研究、设计人员正在探索一套适合我国 第一章绪论 国情的隧道交通控制管理模式。目前，我国隧道的交通管理模式基本上是人为控制， 整个系统没有形成一个闭环j 当紧急事件发生时，无法自动处理或给管理者提供一套 或几套有效的管理方案。对于长度超过1 0 0 0 m 的高速公路隧道和一级公路隧道，其 交通控制尤为重要h 3 。因此，公路隧道交通诱导与控制策略的研究具有理论价值和使 用价值。 1 2 高速公路隧道监控系统的国内外现状及发展趋势 1 2 1 高速公路隧道监控系统的国内外研究与应用情况 隧道工程的发展趋势在给公路交通创造有利条件的同时，也给隧道的运营管理提 出了特殊的要求，并为其发展提供了契机。 上海延安东路隧道与深圳梧桐山隧道在我国较早地实现了隧道监控口3 。上海延安 东路隧道监控系统是一个多系统的集成，包括中央计算机、电力s c a d a 、交通监控、 火灾报警、闭路电视、收费管理、有线通信、无线通信、有线广播等九个分系统：其 监控层的主控层网络采用的是双光环网，通讯模块选取a b 公司的p l c 及其d h + 网 和p h o e n i xd i 百t a l 公司的1 7 7 1 p l u g i n 光纤通讯模块作为交通、电力子系统的主通 讯干道。此后，成渝高速公路的中梁山隧道、缙云山隧道等高等级公路隧道，通过引 进国外设备与自主开发相结合实现了隧道监控。温州景山隧道是我国第一个采用分布 式现场总线l o n w o r k s 网络技术对公路隧道进行监控的隧道。秦岭终南山公路隧道拥 有了全世界高速公路隧道最完备的监控技术。隧道每1 2 5 米设置一台视频监控摄像 机，两洞共有摄像机2 8 8 台，是世界上高速公路摄像机安装最密集的路段。每2 5 0 米设置一台视频事件检测器和火灾报警系统，对突发事件采用双系统全方位自动跟踪 监控，并根据事件类型提供最有效的救援方案；设计水平世界领先，许多关键技术属 国内首创。 国外的公路隧道监控系统的建设较国内成熟。意大利t a n a 公路隧道1 全长 2 0 k i n ，有4 座双洞隧道，最短的超过8 0 0 m ，洞内每隔1 2 5 m 安装一个环形线圈检溅 器，用以检测洞内交通事故和堵塞长度：在隧道入口处，装有三色交通信号灯。美国 纽约林肯隧道全长2 5 0 0 m ，内设三车道，每条车道上设置了8 个环形线圈检测器，6 个光电池式检测器，9 台工业电视摄像机：还配有巡逻车和一些通信手段，随时向控 制室传送有关洞内的交通信息。当某一车道上车辆密度超过3 5 辆k i n 时，隧道入口 交通信号灯就由绿色变成黄色闪烁，同时由入口警报显示板显示出“行车注意一等信 2 长安大学工程硕士学位论文 息。法国勃朗峰隧道全长1 1 6 0 0 m ，洞内推荐速度为7 0 k m h ，最小车头距为l o o m ， 采用雷达式车辆检测器测量隧道内的车辆数和区间密度；隧道内安装有c o v i 检测 器、风速风向检测器、车辆检测器，并设有相应的计算机系统和显示系统；隧道内 有完善的通风换气装置以及照明、供电设备；在洞外一定范围内进行预监控与检测， 避免有事故隐患的车辆进洞。 1 2 2 高速公路隧道监控系统的现状与发展趋势 目前，从公路隧道运营状况来看，闭路电视监控系统、环境信息检测系统、通风 与照明控制系统、火灾报警系统、消防救援系统、紧急呼叫系统、供配电系统与通讯 系统技术上比较成熟，但部分系统的应用效果不是很理想，交通诱导与控制系统大多 数依赖手动控制，检测采集的交通信息、环境信息得不到充分的利用。从系统结构来 看，大多数隧道监控系统采用集散式控制模式，不但布线复杂、施工困难、维修养护 不方便，而且工程造价高、可靠度低。从系统设备来看，目前国内己能生产所有的隧 道监控设备，但其设备的智能化水平低，部分产品没有标准化和规范化，降低了隧道 监控系统的整体可靠性。 公路隧道监控系统主要是为了进行交通控制，防患于未然，其关键是解决控制模 式和提高控制软件智能化水平。从系统结构考虑，系统控制应从集散式控制系统逐步 发展为现场控制，从多级控制发展为二级控制，通过互联网进行数据交换和信息共享， 从而提高系统的可靠性和维护操作的方便性，降低工程造价。从系统设备考虑，应提 高检测设备的水平，大力发展数字化与智能化仪器仪表，发展无线通讯与控制产品， 实现遥测、遥讯、遥控，如通过图像处理检测器检测交通参数，既为交通控制、通风 控制提供了依据，又对隧道的运营状态进行了监控，达到检测与监视的统一。从系统 功能考虑，火灾报警系统应达到自动检测与消防的联动，根据火灾类型与严重程度自 动制定灭火与救援措施；通风控制系统不但要考虑隧道的环境指标，而且要考虑交通 运营状态，既要为司乘人员提供良好的环境，又要节约能源、提高设备的使用寿命； 交通诱导与控制系统应能自动判别交通状态、异常自动检测与处理，为驾驶员提供交 通与环境信息，进行路线指示、引导与诱导，提高车速，降低事故率与事故的严重程 度及阻塞、火灾时的疏散时间。 1 3 本文研究的主要内容 根据隧道监控系统的国内外现状及发展趋势，本文将结合我国公路隧道监控系统 3 第一章绪论 建设的实践及要求，对隧道交通诱导与控制系统存在的问题进行分析和研究，力求在 隧道运营管理过程中，通过检测到的交通信息，采取合适的交通诱导与控制方式，使 行驶于隧道中的动态交通流与静态交通服务设施的达到协调，及时发现异常交通现 象，并向随行的交通流提供相应的信息，为实施紧急救援措施创造条件，力求隧道运 营管理达到三个“最”，即事故发生率最低、安全隐患最少、事故损失最小。 通过分析隧道交通流特性，并结合国内外交通流模型的研究结果，介绍了一套适 合于隧道交通特性的宏观动态交通流模型，并对此模型进行了参数估计。此模型能够 以满意的精度描述各种不同的交通状况以及相互间转变的过程，为隧道交通诱导与控 制策略的设计提供了理论基础。 建立了b p 神经网络交通异常事件自动检测算法，给出了b p 神经网络的结构和 学习算法。该算法的建立使隧道的交通控制逐步走向智能化。 介绍了隧道监控系统的功能和构成，阐述了隧道交通诱导与控制系统的实现方 式，给出了隧道交通异常情况下的四种交通诱导与控制的控制策略。 介绍了隧道交通诱导与控制的模式及四种隧道交通情况( 正常、拥挤阻塞、交 通事故、火灾事故) 下的交通控制方式，并通过视景仿真软件模拟了一个具有普遍性 的公路隧道，初步实现了隧道交通视景仿真。 4 长安大学工程硕士学位论文 第二章高速公路隧道交通流特性研究 公路隧道交通流特性是通过交通量、车速、车流密度、车头时距、通行能力、延 误时间等交通参数来描述的，这些参数之间的定性和定量的数据关系反映了交通流特 性。对交通流各种参数进行系统调查和分析，确定其变化规律，是进行公路隧道交通 诱导与控制及仿真研究的依据。 2 1 高速公路隧道交通流运行特性 在规定的时间间隔内，公路隧道路段的可能运行状况与交通条件及几何线性有着 密切的关系。车辆运行情况往往随车辆的技术状况、驾驶员特点和交通环境( 道路条 件、气象、车辆相互影响和交通管制等) 而变化。 2 1 1 隧道交通环境特点 相对于洞外公路而言，公路隧道属于半封闭环境，具有与洞外公路不同的交通环 境特点。 1 、隧道“暗适应一和“明适应”7 1 白天进入隧道前，由于隧道内外亮度差别极大，从隧道外部去看照明很不充分的 隧道入口会看到黑洞( 长隧道) 及黑框( 短隧道) 现象；出洞时则相反，白天在隧道 出口因外部亮度极高，出口看上去是个亮洞，视觉上出现眩光而倍感不适，即“明适 应”。“暗适应和“明适应”对安全行车极为不利。 2 、环境照度 由于隧道内空间狭长，隧道内存在大量的汽车尾气，环境照度低( 一般在5 - - , 1 0 0 1 x 范围内) ，故行车能见度差。 3 、环境噪声 由于隧道内洞壁的反射，其环境噪声大，影响了驾驶人员的正常思维判断和反应 能力。 4 、空气质量 由于隧道能见度通常较低，加上入洞时的黑洞、黑框效应以及洞内的墙效应，隧 道内常为事故多发段，并诱发各种各样的火灾，而且易发生二次事故，其交通事故后 果严重，这些都致使隧道内空气污染严重，一氧化碳和烟雾浓度大，影响驾驶人员的 身体健康。 第二章公路隧道交通流特性研究 2 1 2 隧道车辆行驶特性 由于公路隧道特殊的构造和环境，车辆在隧道内行驶与在开阔的公路上行驶相比 有很大的区别。 1 、在正常行驶条件下，所有车辆必须各行其道，不得变线。除非有事故车占道， 并有信号指令方可变线。在隧道内一般没有其它车道可供使用，所以在事发点上游易 发生拥挤现象或造成堵塞。 2 、隧道内禁止蛇行和超车，为此在隧道内应有分道标志线( 实线) 。 3 、隧道内不得停车。如车辆发生故障，行驶的车辆不得不停车时，可以停在划 定的紧急停车段内。为了防止后续车辆拥挤，紧急停车段应间隔划分，使停车数量不 超过正常行驶时的交通密度。这种方式可以保证每条车道不会被车辆挤满，还可以提 供另一个车道供其它车辆通过。 2 2 交通流特性基本参数之间的关系8 1 交通流运行状态的定性定量特征被称为交通流特性，常用各种物理量描述交通流 特性，并称这些物理量为交通特征变量或简称交通流参数。任何已知交通流的运行状 态都是由速度、交通量或流率以及密度这三种主要度量指标来确定的。他们之间的基 本关系可以表示为 q p y ( 2 - 1 ) 式中，q 流量，辆小时； y 速度，公里小时； p 密度，辆公里。 2 2 1 速度一密度的关系 广义的速度一密度公式可表示为 y 一( 1 一尸弓) “ ( 2 - 2 ) 式中，y ，当车流密度很小时，车流在自由状态下的最大车速： 只当交通发生阻塞时，车速趋近于0 时的最大车流密度。 2 2 2 流量一密度的关系 将式( 2 2 ) 代入式( 2 1 ) ，得到 6 长安大学工程硕士学位论文 q 一俨一p 2 弓) “ ( 2 - 3 ) 式( 2 3 ) 为抛物线方程，根据矿一p 关系式的不同，可得到不同的表达式。 2 2 3 流量一速度的关系 同样通过速度一密度关系，可以求出流量一速度关系为 q - ( 1 一v ) 【弓一( 1 一y ) 】( 2 - 4 ) 由式( 2 2 ) 、( 2 3 ) 、( 2 4 ) 关系式可绘制y p 、q v 、q p 关系曲线图，见 下图2 - 1 所示。 p 图2 - 1 交通量一车速一密度关系图 由图可知： 1 、当车流密度小于最佳车流密度时，车流处于自由行驶状态，平均车速高，交 通量没有达到最大值，密度增大，交通量也增大。 2 、当车流密度接近或等于最佳车流密度时，车流出现车队跟驰现象，车速受限 制，车辆接近某一车速并等速行驶，交通量将要达到最大值。 3 、当车流密度大于最佳车流密度时，车流处于拥挤状态，由于车流密度逐渐增 大，车速和交通量同时降低，交通发生阻塞，甚至将发生停车现象。 根据理论推导可得，最佳车流密度假) 为道路完全阻塞时最大车流密度( p ，) 的 一半： 己- 弓2 ( 2 - 5 ) 道路上交通量达到最大值时行车速度( ) 为自由行驶状态的最大车速( ) 的一 半： 7 第二章公路隧道交通流特性研究 圪一2 ( 2 6 ) 道路上的最大交通量为： 1 q m x 己2 言( 弓) ( 2 - 7 ) 2 3 高速公路隧道交通流模型 g j 1 0 1 1 3 交通流模型分为微观模型与宏观模型两类。微观模型描述单个车辆的运行规律； 宏观模型描述车流( 车队) 的运动规律，即反映一些集总变量( 流量、速度、密度等) 的变化过程。显然，交通控制系统所采用的模型应当是宏观模型，宏观交通流模型又 有静态模型和动态模型之分。 隧道交通流一般可分为正常交通流与异常交通流两种状态。交通管理的目标主要 在于通过处理异常交通、防止异常交通发生提高公路运输效率。隧道交通异常现象主 要包括三种：在无交通事故情况下，某一方向或双向交通流量较大，车速较低，达 到阻塞饱和状态：发生交通事故；火灾引起交通中断。因此，本章将通过m a c k 系列宏观动态交通流模型讨论隧道交通流特性，此模型能够以满意的精度描述各种不 同的交通状况以及相互间转变的过程，例如顺畅及拥挤交通情况，顺畅过渡到拥挤的 过程，从拥挤恢复到顺畅的过程，能描述常发性和偶发性交通拥挤现象的出现与消除 过程。 2 3 1 密度动态模型 考虑一条长的高速公路隧道，其交通流可看作一个密度为p ( x ，t ) 、流量为q ( x ，t ) 的流体，x 为行车方向所取的位置坐标，t 为时间，它遵从如下流体运动的车辆守恒 基本方程： a _ _ p p + 塑。卜s( 2 8 ) 出a x 其中厂、s 分别表示断面z 处的驶入流量和驶出流量( 对应高速公路入口匝道和 出口匝道) 。在隧道的应用中，并没有出入口匝道，上式的，、s 项为0 ，因此( 2 - 8 ) 改为： 望+ 塑o ( 2 9 ) a f缸 为便于交通控制系统设计的应用，模型公式经过离散处理才能运用，并将公路分 为不同的区段和时间，因此要对式( 2 9 ) 进行空间z 和时间t 的离散，使模型成为离 散时间形式的差分方程。 r 长安大学工程硕士学位论文 将隧道分成段，每段长度为a 。( f 一1 ，2 ，) ，a r 直选取的尽量短一点，一股取 数百米到1 公里之间，每段内各交通变量近似地认为是均一的，隧道内第i 区段有一 个进入该区段的流量吼一。( r ) 和驶出该区段的流量留，( f ) 。第f 路段交通变量记为p i ( f ) 、 1 ，。o ) 、q z q ) 。于是，以增加变量数目( 维数) 为代价，把偏微分方程( 2 9 ) 化为如 下一组( n 个) 常微分方程，把x 离散化，也称为空间离散化。方程组为： m ) - 毒乳- m 啪) 】f i ， ( 2 - 1 0 ) 离散时间形式为： 胖+ 1 ) 咆 ) + 每乳- ) 鸭 ( 2 - 1 1 ) i 一1 ，2 ，nk 1 2 ，n 以z 为采样周期， ) 1 ( k r ) 。离散化中间采用近似关系式： a o ) 一二【1 肿+ 1 ) 一肛 ) 】 显然丁取值越小，则准确摩披高。t 的选取应满足不等式： r 0 ，即该断面处密度仍上升， 揪d f 下游交通会反过来影响其上游交通，这就是阻塞的逆向传播。 a 0p pc rpj 硼 图2 - 2 交通流与密度之间的影响关系 考虑到拥挤交通现象客观存在，在确定f 路段的动态流量口。o ) 时，应同时考虑该 路段交通密度p 。( f ) 和下游相邻路段内交通密度p m o ) ，即 q i ( f ) - a q p 。( f ) 】+ ( 1 - a ) q p 。+ 。( f ) 】 ( 2 1 2 ) 或 吼 ) 一a q p ， ) 】+ ( 1 - a ) q p f + l ) 】 ( 2 1 3 ) 加权系数口的值与p i 和肛+ 。有关。当p m p 。( 拥挤) 时，取口一0 ，即q i 主要决定于其下游的交通状 况。实际工作中把a 取为某个接近于1 的常数。 为了使式( 2 - 1 3 ) 更便于应用，将其中q ( p ) 关系用交通流基本公式 1 n 长安大学工程硕士学位论文 q p ， ) 】一p i ) y ， ) 代替，得到以密度和速度为参数的流量动态模型： q i ) 一a p ； ) 咋 ) + ( i - a ) p j + 1 ) y i + 1 ( 七) ( 2 - 1 4 ) 式( 2 1 4 ) 即为可适用于隧道的流量动态方程。 2 3 3 速度动态模型 车辆行驶速度是由驾驶员根据车辆、道路、交通以及环境( 如气象) 等实际情况 加以调整的。一辆车某时刻在某位置的行驶速度与该车在过去时刻的速度有关，与当 时该位置处交通状况有关，还与前方交通状况有关。 假设平均速度为v ( x ，t ) ，它不可能瞬时的随着p ( x ，t ) 而变化，根据基本关系 q p v ，q ( x ，t ) 也是如此。事实上，在动态交通条件下，驾驶员根据本车前方交通密 度来调整车速；而且驾驶员对前方交通状况变化作出反映需要有一个延迟时间，车辆 动力、传动装置的调整也需要一定时间，故车速的变化比前方缸处密度的变化滞后 一个时间f ，即： ，o ，t + f ) 二v p ( x + x ，f ) 】 ( 2 - 1 5 ) 把式( 2 1 5 ) 左边对f 、右边对缸展开为t a y l o r 级数，略去高阶项，得到： y 帅f 掣叫俐卜等掣署缸 协 通过对微观交通的研究与观察发现：取缸为车头间距的一半为宜，即缸= 瓦1 ： 再把旦近似地看作常数，引入一个常参量( 其值大于o ) ，即： a p y 。一0 5 当 日p 同时把全导数： d ，o h , 0 1 , 出a 砸 代入式( 2 1 6 ) ，得到： i o v 磊o v + 扣小v 一号警】 ( 2 - 1 7 ) 第二章公路隧道交通流特性研究 将其进行空间离散化，同上将隧道划分为段，每段长度为，1 5 f l 2 ，) ，转 化为差分方程的形式，则有： 罢。丢p ，- - v i - 1 一t l v ； a z茁。 警。丢h 嵋】一_ 一l ，j 一i j - 缸f 。”1 。 将之代入式( 2 1 7 ) ，得到： 小扣叫】+ 云“r 一五 i p i + l 百- p i ( 2 - 1 8 ) 式( 2 - 1 8 ) 中末项引入一个新的常参数a ，是考虑到当p 。：f l l , j , f 约情况下，该项不 应呈现很大的、不切实际的数值。 以采样周期为丁进行时间离散化处理，并将差分方程： 罢导h + 1 ) - - 1 , , i ( 七) 】 一_ 一i v x + _ - i - _ a f 丁 。 代入( 2 1 8 ) 得到： 似她+ 如胁删】+ 篝悯h ) - v i f ： 一旦丛盟二旦盟( 2 1 9 ) 诅fp f ) + a ii l l l , 2 ， k 一1 , 2 ， 式中右边第三项引入一个修正系数亭，以便于调整该项权重，使模型更容易适合 于实际交通。第二、四两项的权重，可通过适当地估计，、f 数值来加以调整。式( 2 1 9 ) 即为实用的速度动态模型，它能够较精确地描述高速公路交通流空间平均速度的动态 变化，包括拥挤交通情况，从顺畅交通过渡到拥挤交通的过程以及由拥挤交通恢复到 顺畅交通的过程，本模型公式完全也可以作为隧道的速度动态模型。式( 2 1 9 ) 表明， 在动态过程中某路段的平均速度v ； + 1 ) 由四个方面因素决定： 1 、前一时刻该路段的平均速度v i ( 七) 。 2 、前一时刻该路段的交通密度p l ) 及该路段的p 一 ，特性。平均速度要朝着稳 1 2 长安大学工程硕士学位论文 态值方向变化，即朝着- 与v p ， ) 】相一致的数值趋近；且驾驶员反映愈快( f 小) ，则 这一作用愈强。其中： 咖叫1 倒 4 协2 。， 该公式是上文介绍过的p v 曲线的函数表达式的其中一种，模型参数z 、m 、口 需根据实际交通数据加以估计。 3 、v 。 + 1 ) 要与上游相邻路段在前一时刻的平均速度u 一。 ) 相适应。 4 、 ，； + 1 ) 与下游相邻路段的交通密度p 1 ( 七) 有关，即行车前方交通较密时， 速度降低。 综上所述，状态变量为密度和速度，适用于隧道的宏观动态交通流模型公式包括 ( 2 2 0 ) 、( 2 - 1 1 ) 、( 2 1 4 ) 、( 2 - 1 9 ) ，其中式( 2 1 9 ) 中的v ( p ； ) ) 可由式( 2 - 2 0 ) 确 定，而p ， ) 和p i + 1 ) 可由式( 2 - 1 1 ) 确定。 一般情况下，公路隧道多为单向双车道双洞隧道，必须对每个车道采取一组模型。 动态模型为以n ) 、v i ( 七) ( f 一1 , 2 ，) 为状态变量的2 维差分方程式。在己知初始 状态p ，( 0 ) 、v i ( o ) ，并实测到隧道首末两端的状态序列p 。似) 、v ，化) 、p ( 七) 、 ) 之后，即可用此模型进行实时仿真，计算出各路段的p 。 ) 、v i ) s h e 。 ) 一1 , 2 ，) 。 2 4 模型参数估计 模型参数估计的基本思想是寻找诸参数的最佳取值，使模型计算出来的交通流数 据同实测数据相比偏差最小。于是有三个问题需要解决：一是模型的计算值如何得到； 二是如何衡量计算值同实测值之间的偏差；三是如何寻找最优参数。 在宏观动态模型中，待估参数包括：y ，、p 蛔、f 、1 1 1 、f 、占、y 、a 、口。确 定参数数值即是进行参数估计。参数估计必须以实际交通检测数据为根据，通过优化 计算寻找最优参数值，使该模型的行为最好同实测数据吻合。 将隧道划分为 r 段，在两两划分段的交界和隧道的首末端放置车辆检测器，这 样可以提供的检测数据为每个路段的交通流量日。 ) 、时间平均速度m ) 。供参数估 1 3 第二章公路隧道交通流特性研究 计所用的实测数据覆盖了k 个检测周期( 每个周期设为数十秒) 。为了保证模型的精 度，测量数据应足够多，且包括有自由流、饱和流、过饱和流( 拥挤和阻塞) 等所有 交通状态以及中间过渡过程，使数据尽量准确齐全。 进行参数估计，首先应求解状态变量序列p ， ) 、y r ) 。实测数据中，作为模型 输入量的有首末端流量和时间平均速度留。( 七) 、w o ( k ) 、g ) 、h ) ，应注意测量 提供的速度为时间平均速度，在模型中的平均速度是空间平均速度，所用到的边界值 是第一路段上方的空间平均速度 ) ( 用于计算y 。 + 1 ) ) 和最末路段下方的交通密 度p + 。 ) ( 用于计算p + 1 ) ) ，可近似地取： ) 一w o ) ( 2 2 1 ) 队，阶篇 亿2 2 ) 模型的输入向量： u ( k ) 一【q o ) ) 口 r ) w ) 】r ( 2 - 2 3 ) 把式( 2 2 3 ) 代入状态方程 z ) 一【p 。 ) ， ， ) ，p ( 七) ， ) 】r ( 2 - 2 4 ) 可以得到状态的时间序列，这里近似取屹( 0 ) 一m ( 0 ) ，则状态初值为： 硼) = 【器w l ( o ) 篇w ( 0 矿 ( 2 - 初值的误差会影响到状态变量序列的精度，但当系统为稳定时，在仿真( 递推) 过程 中随着时间的推移，这种影响( 零输入相应的误差) 会越来越小。 模型的输出向量： y ( k ) s 【g ，( 七) w 。( 七) 鸟 ，( 七) w ( 七) 】r ( 2 - 2 6 ) 根据状态序列可计算出模型输出量的计算值： ) ， ) - k 。( 七) w t ) g ( 七) w ) 】r ( 2 2 7 ) 其中： 留，( 七) - p f ( 七) v ，( 七) ( 2 - 2 8 ) 1 4 长安大学工程硕士学位论文 w i ( k ) 一口v ( 七) + ( 1 一a ) v j + 1 ( 七) ( 2 2 9 ) 寻找一组参数值，使得模型输出的计算数值与实际测量值的二乘函数最小，即： l ，t 蔓【) ，( 七) 一y ( 七) 】rq y ( k ) 一y ( 七) 】r _ r a i n ( 2 3 0 ) k - 1 q 为2 n 2 n 维加权矩阵，其元素应根据所对应输出变量的实际测量精度及数量级来 适当地确定。具体的计算在此不进行介绍。 参数估计就是寻找最优的参数值使式( 2 3 0 ) 取最小值，这是一个优化问题。求 解这样的非线性最优化问题有多种方法，主要有两大类：梯度法和直接搜索法。梯度 法随着参数改变而变化梯度，计算复杂，因而人们也常用直接搜索法，它是随机地确 定多组初始参数值并计算相应的性能指标，找出性能最差的一组参数予以淘汰，并用 反射的方法找到一组新的参数补充进去。依此逐步淘汰较差的参数值，朝着最优参数 值逼近。 估计出参数后，还要对参数进行敏感性检验，希望模型不会因为参数的微小变化 而导致模型计算结果出现大的偏差，即模型具有良好的鲁棒性。上述模型参数中只有 自由速度v ，和阻塞密度p 厢。二者较为敏感。因此，确定这两个参数需要更为认真。 进行在线辩识运算时，可以只对这两个参数进行估计，其他不敏感参数取为适当常数 即可，这样就简化了模型及其参数估计。 2 5 本章小结 本章通过分析隧道交通流运行的特性和交通流基本参数的关系，根据隧道交通的 实际情况，提出了一套适合公路隧道交通流特点的交通流模型，此模型是一个具有较 高精确性、可靠性和鲁棒性的动态交通流模型。 1 5 第三章公路隧道交通流特性研究 第三章交通异常事件自动检测算法研究 3 1 事件检测算法综述 交通异常事件通常是指随机发生的车辆交通事故、故障车辆停驻或缓行、货物散 落和道路养护施工等使道路通行能力下降交通需求异常增加的事件。隧道交通异常自 动检测就是在交通异常时对各交通流模型特性研究的基础上，通过分析交通量、车速、 占有率对交通异常的敏感性，选择对交通异常最敏感的指标作为交通异常自动检测参 数，建立交通异常事件自动检测算法，确定潜在的、将要发生的事件，即判别是否有 阻塞以及发生阻塞的原因，判别是否发生异常交通，发生异常交通后，其所在的位置 与异常的严重程度，从而逐步走向智能交通控制。 3 1 1 事件算法的评估指标r 1 2 一个好的事件检测算法应当做到快速准确。常用的事件检测算法评估指标主要有 3 个，即检测率、误报警率和平均检测时间。 1 、检测率( d e t e c t i o nr a t e ，d r ) 检测率是指使用某种检测算法，在一定时间内正确检测到的事件数与实际发生的 事件数的比值。即： d r 。d n 1 0 0 a n 式中：d r 为检测率；d n 为检测到的事件数；a n 为实际发生的事件数。 2 、误报警率( f a l s ea l a r mr a t e ，f a r ) 误报警率是指误报事件总数占测试事件总数的百分比。即： 里100far1 0 0 三! d n 式中：f n 为误报次数；d n 为检测到的事件数。 3 、平均检测时间( m e a nt u n et od e t e c t ，m t d ) 平均检测时间是指在一定时间内，从事件发生到被算法检测到的时间差的平均 值。即： 脚。孝争t l ( i ) 一嘲】 式中：m t d 为平均检测时间；r z ( ) 为被算法检测到的事件i 实际发生的时间：a r ( i ) 长安大学工程硕士学位论文 为算法检测到事件i 报警的时间；厅为算法检测到的真正事件数。 通常用检测率和误报警率来度量事件检测算法的效能；而用平均检测时间反应算 法的效率。这些指标不是独立的，他们之间存在矛盾关系。算法在追求检测大范围事 件发生时，必须具有很高的敏感性，同时也会产生大量的误报次数；类似地，较低敏 感度的算法产生较低的误报率，但是事件检测率也不高。当检测时间变长时，允许算 法分析更多的数据，提高了检测率，降低了误报率，但是这样会对交通产生更大的影 响。所以检测算法的性能体现在对d r 、f a r 和m 1 d 指标的综合评价，没有必要强调 一方最优。在具体应用中，事件检测的逻辑机理决定了d r 、f a r 和m t d 之间的平 衡关系。 3 1 2 各种算法简介1 3 1 异常事件检测算法发展至今，大致可归纳为六类：模式识别算法、统计预测算法、 时间序列和平滑滤波算法、交通模型和理论算法、低流量事件检测算法以及智能检 测算法。 1 、模式识别算法 模式识别算法是将实测的交通参数与该参数在过去事件状况下的典型值相比较 以检测事件。该方法不涉及交通流动态模型，算法简单，缺点是门限参数值难以确定。 具有代表性的算法有加利福尼亚算法、多用途时间检测算法、m o n i c a 算法、b e r k e l e y 算法等。 2 、统计预测算法 统计预测算法假设交通流模型和交通特征满足统计学原理，根据历史时间序列数 据做出预测模型，利用该预测值与实际观测值进行比较，以差异程度作为事件发生与 否的标准。此类算法有贝叶斯算法、标准正态偏差( s n d ) 等。 3 、时间序列和平滑滤波算法 此类算法是通过分析或平滑原始数据，去除短期的交通干扰，如随机波动、交通 脉冲和压缩波，然后将处理过的数据与预定的门限值进行比较。常用的算法有时间序 列算法、低通滤波算法、d u t c h 算法等。 4 、交通模型和理论算法 这种算法是使用复杂的交通流原理来描述和预测事件状态期间的交通行为，并将 实际的交通参数与模型预测值进行比较，以判别事件的发生。典型的算法有多重模型 1 7 第三章公路隧道交通流特性研究 法和突变理论算法。 5 、低流量事件检测算法 低流量事件检测算法是通过分析高速公路路段单个车的速度输入一输出值，在其 速度和实际进入时间的基础上，算法预测进入车辆的离开时间( 假设测量路段速度恒 定) ；根据计划的和实际的输出时间，车辆被分成3 种类别：出口数少于计划数( 显 示事件) ，出口数等于计划数( 没有事件) ，出口数多于计划数( 未知状态) 。 6 、智能检测算法 智能检测算法是近年来的研究热点，是基于一些智能算法逼近任一非线性函数的 思想。包括模糊逻辑算法、神经网络算法以及小波算法等。 3 2b p 神经网络算法概述 b p 神经网络n 耵( b a c k - p r o p a g a t i o nn e u r a ln e t w o r k ) 是一种反向传递的并能修正 误差的多层映射网络。最初由w e r b o s 开发的反向传播训练算法是一种迭代梯度算法， 用于求解前馈网络的实际输出与期望输出间的最小均方差值。当参数适当时，此网络 能够收敛到较小的均方差，是目前应用最广的网络之一。b p 神经网络除有输入层和 输出层之外，还有一层或多层隐层，同层节点间无任何联结，每个节点都是单个神经 元。 学习过程是由模式的正向传播和误差反向传播所组成。在正向传播过程中，输入 样本从输入层传入，经各隐层逐层处理后，传向输出层。如果输出层不能得到所期望 的输出，则转入反向传播过程，将实际值与网络输出之间的误差沿原来的连接通路返 回，通过修改各层神经元的连接权重使误差减少，然后再转入正向传播过程，这种信 号正向传播与误差反向传播的各层权值调整过程，是周而复始地进行的。权值不断调 整的过程，也就是网络的学 - j j l l 练过程。此过程一直进行到网络输出误差减少到可接 受的程度，或进行到预先设定的学习次数为止。如此反复计算，直至误差小于设定值 为止。 3 2 1b p 神经网络模型1 6 1 s 7 3 z a 3 采用b p 神经网络算法的多层前馈网络是至今为止应用最为广泛的神经网络。在 多层前馈网络的应用中，三层前馈网络的应用最为普遍，如图3 1 所示。三层前馈网 络中，输入向量为x ；隐层输出向量为y ；输出层输出向量为o ；期望输出向量为d 。 输入层到隐层之间的权值矩阵用y 表示；隐层到输出层之间的权值矩阵用矽表示。 1 8 长安大学工程硕士学位论文