（系统工程专业论文）基于视频检测技术的城市快速路车流波相关问题研究.pdf

韭宝奎亚盍堂嚣芏僮监奎生塞擅鍪 中文摘要 摘要：城市快速路上经常发生的追尾事故大多是由于车流波现象引起的。在 高峰小时或者异常情况下( 如雨、雪、雾等异常天气) ，快速路的瓶颈地段经常出 现堵塞以及由堵塞引起的车流波。车流波不仅影响瓶颈点下游的车辆的运行，还 会降低瓶颈点上漩路段的有效通过能力。因此，车流波对快速路高速公路的通过 能力产生很大的影响。目前，国内外关于车流波的研究还处于理论研究阶段，没 有形成系统的理论体系。而且这些研究由于基础数据采集方法的限制，基本处于 宏观研究的层次。近年来，随着交通微观行为研究方法和模型的发展，国内外也 从不同的侧面对车流波的行为进行微观研究，但是这些研究的理论可靠性值得商 榷。基于此，论文由基础数据出发，应用视频采集和车载g p s 浮动车采集技术在 北京三环快速路两段频繁发生车流波现象的路段进行车流波数据采集；然后结合 视频图像处理技术进行数据析取，建立城市快速路车流波数据库；经过深入的数 据挖掘与分析，获得车流波形成、传播和消散机理，通过分析车流波传播特性及 规律发现车流波传播过程中驾驶员微观行为，并在此基础上建立相应的驾驶员微 观行为模型，为城市快速路车流波预防提供理论和数据基础。 论文韵主要研究结果是1 ) 城市快速路车流波形成机理：在城市快速路的某一 颓繁发生车流波现象的路段由于某种原因导致车辆紧急制动减速，在密集交通流 条件下这种刹车减速行为不断向上游或下游传播最终导致车流波形成；2 ) 深入分析 车流波传播特性，提出快速路车流波的微观传播速度计算公式和传播曲线；通过 分析车流波传播过程中车头时距的频数分布函数、车头问距的变化率、速度与车 头间距的函数关系及常用微观跟驰模型对车流波的拟合与校验，得出快速路车流 波传播机理和驾驶员微观行为，并构建基于模糊推理的驾驶员感知预测行为 模型和车流波传播条件下驾驶员微观跟驰模型。结果表明，模型可以有效、准确 地模拟车流波传播过程中驾驶员行为。 关键词t 车流波；微观行为；形成和传播机理；城市快速路。 分类号：u 4 9 l a b s l 随c t a b s t r a c t m a n y 协a i 五ca c c i d e n t si nh i g h - s p e e at b me x p r e s s w a y si nb e i j i n g ma t t r i b u l e dt os h o c , k w a v e ：s d u r i n gm o r n i n ga n de v c l l i n gp e a l , h o u r so fb a dw e a t h e r o i k er a i n y , 钾叮o rf o g g y ) , c o n g e s t i o n s 耐h 8 p p e nm t h eb o t t l e n e c ko fu r b a n e x 嗍y , w h i c hm a yl e a dt os l a o c k w a v e sh a p p e n i n g $ h o e k w a v a sn o to n l ya f f e c t c a p a c i t i e so fe x p r e s s w a y s , b u ta l s oa g g r a v a t ee n e r g y 咀s m p 6 0 na n da i rp o l l u t i o nt o t h es u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n t 1 1 l c i e f 0 豫s h o e k w a v e sw i l lh l l w e8g r e a ti n f l u e n c e0 1 1t h e c 印8 c i t i o f 妇e x p r e s s w a y s s ol 毡t h es t u d i e so l lm b a n8 1 1 0 c 蛔l l v e s t i l lo f a c a d e m i cr e s e a r c h e sa n dc a n n o tf o r mc o m p l e t es y s t e mi n f o r m a t i o n m o r e o v e r , m o s to f t h ea b o v es t u d i e s 矾o fm a c r o s c o p i cv i e , v l p o i n tb e c a u s eo fd a t ac o l l e c t i o nr e s t r i c t i o n w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm i c r o s c o p i cd r i v i n gb e h a v i o rm o d e la n ds i m u l a t i o n , s e v e r a l 时u 抽o f m i e r o g e o p i ea l , l ，r o a d l , w h i c h n e o t l t od o f u r t h e r c a r e f u lc o n s i d e r a t i o n f o r t h i sr e l s o n , t h et h e s i sb e g i n sw i mb a s i cd a t a , u s i n gv i d e oc a m m sa n df l o a tv e h i c l e s w i t hi n - v e h i c l e ( i p st oc o l l e c td a t aa tt w os c c t i o l bo fb e i j i n g3 “r i n g - r o a dt h a t s h o c k - w a v e sf r e q u e n t l yo c c i , t h e nab a s i cd a t a b a s eo fs l a o c l “v a v ed a t aw a sb u i l tw i t h t h eh e l po fi m l l g ep r o c e s s i n gs o f t w a r ed e v e l o p e db yt h ep r o j e c tt e a m m e c h a n i s m so f s h o e k w a v ef o r m a t i o n , p r o p a g a t i o n 自md i s s i p a t i o nm f o u n db a s e d0 1 1d a t aa n a l y s i sa n d m i n i n g m i c r o s c o p i cd r i v e r s b e h a v i o r 玳f o u n db i 蹦do nf l h o c k - w e l v ep r o p a g a t i o n p r o p e r t i e sa n d 哪a g a t i l a w n , 砌af i i z 巧l o g , i , m o d e lo fc t r l v i n g 锄吐c i p 鲥o ne f f e c t d u r i n gs h o o k w a v ep r o ! 坤l t i o na n dam o d i f i e de 口- f o l l o w i n gm o d e lb a s e do nd r i v i n g a n t i c i p a t i o ne f f e c ta wd e v e l o p e di nt h i st h e s i s 丑 m a i nr e s u l t so f t h et l l l 棼i $ a l e nm e c h a n i s mo f s h o c k - w a y ef o r m a t i o ni nu r b a n e x p r e s s w a y ：s m a l ls p e l ld r o pa tap o i mo f a nu r b a ne x p r e s s w a yw i t hi i i i k l l o w l 3r l l s o n , n n dt h es p e e dd r o ps p r e a d s 呷曲m mo rd o w n s t r e a ma n df i n a l l ye r e a t as h o e k w a v e ；2 ) $ h o c k w a v ep r o p a g a t i o np r o l - r t i e s , i n c l u d i n gm i e r o 蚴p i c 由k l c k w g v 譬p t o p a t 窖a 虹o n s p e e da n ds h o e k w a v ep r o p a g a t i o nc u r v e ，m l x ：h o n i s mo fs h o e k w a v ep r o p a g a t i o n 锄d d i s s i p a t i o ni nl h b a ne x p r e s s w a ya n dm i c r o s c o p i cd r i v e r s b e h a v i o rb a s e do na a i y 酊3o f t i m eh e a d w a yf r e q t , , , n c yd i s t r i b u t i o n , d i 盘柚h e a d w a yc k 虬g e 纰 r e l a t i o n s h i p b e t w e e nv e l o c i t ya n dh c i l d w a y , s e v e r a lc a r - f o l l o w i n gm o d e l sv a l i d a t i o na n dc a l i b r a t i o n 嘶o gr e a ls l a o e k w a v ed a t a ；af i l z z yl o g i cm o d e lo fd r i v i n gm t i e i p a t i o ne f f e c td i h i n g d h x m mp r o p a 枷o na n dam o d i f i e de a r - f o l l o w i n gm o d e lb a s e do n d r i v i n g a n t i e i l m t i o n e f f e c t m b u i l t a n ds h o w g o o dr e , t i t s k e y w o r d s t h o e k w a v e s ；m i c r o s c o p i cd r i v i 璎b e h a v i o r , m e c h a n i s m so f s h o c k w a v e f o r m a t i o na n dp r o p a g a t i o n ；u r b a ne x p r e s s w a y c l a s s n o i1 5 4 9 1 致谢 本论文的工作是在找的导师吴建平教授的悉心指导下完成的，吴建平教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了找极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 吴建平老师对我的关心和指导。 吴教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予了 我很大的关心和帮助在此向吴老师表示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，黄玲、周元峰等同学对我论文的研究工作给 予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 n 北毫窑通古呈鳃堂建垃塞i l直 1 引言 1 1 选题意义 在拥挤的高速公路或城市快速路中交通流可以看作一种特殊的连续流体，显 现出与之相类似的特性。车流波作为交通流的一种特殊表现形式，当上游高速行 驶的车辆遇到下游车流中的低速行驶的车辆时，驾驶员基于安全角度出发必须减 速保持与其相同的行驶速度，后续到达的车辆也随之刹车减速，从而导致车流波 发生。车流波的形成不仅影响高速公路，城市快速路上游交通流的正常运行，还会 降低所在路段的道路通行能力，进一步形成移动式交通瓶颈，导致交通流出现排 队、紊乱，甚至交通拥堵。因此，车流波对城市快速路，高速公路的通过能力会产 生很大的影响。另一方面在车流波的传播与消散过程中，车辆频繁地处于加减 速状态单位公里油耗显著增加( 燃油量平均比匀速行驶过程中增加5 1 5 ) 进 一步加剧对周围环境的污染。同时对道路和车辆也有一定程度的损耗。可见，车 流波对城市快速路道路周围环境产生巨大的影响。因此，对车流波进行深入细致 地研究不仅有助于提高道路通行能力，保持交通流的畅通运行，而且可以尽可能 地减少由于车流波而产生的一系列负面效应 目前国内外关于车流波现象的研究主要集中在车流波的形成机理、传播和消 散规律及其相关应用等方面，其中大部分的研究认为车流波是交通流的一种i i 缶界 状态，即拥挤流和自由流之间的一种过渡状态，因而一部分研究从宏观层次上讨 论车流波的形成条件和交通流稳定性等问题。近年来，随着交通微观行为研究方 法和模型的发展，国内外也从不同的侧面对车流波传播过程中驾驶员的行为进行 微观层次研究，同时，利用交通流微观模拟模型来仿真分析车流波的形成、传播 和消散机理。但是，上述研究都存在一个人们普遍关心的问题：这些模型的有效 性到底有多高? 得出的结果是否与实际情况相符合? 模型是否通过实地采集的数 据进行验证? 由于很难采集到从形成到传播和消散全过程的车流波数据( 不论是 宏观参数还是微观参数) 。所以目前通过实际数据采集对车流波进行分析研究还比 较少。 本课题拟通过实地采集城市快速路车流波数据，分析车流波的形成、传播机 理建立理论模型，为深入研究车流波奠定理论基础。进行城市快速路车流波理 论研究的意义主要有以下几方面： 提出切实可行的车流波预防措施。分析城市快速路车流波的形成、传播和消 0 拙宝奎煎太堂醒鲎焦 i 幺 奎i直 散机理，了解可能导致车流波形成的各种因素。车流波形成、传播和消散过程中 交通流演变规律，为下一步提出切实可行的车流波预防措施提供理论基础。同时 在其它方面也会取得显著的效果，如可以有效地提高城市快速路交通流的稳定性、 降低事故率等。 有效的城市快速路交通管理。由于某些路段车流波现象的频繁发生，导致交 通漉出现拥堵、紊乱。降低道路的通行能力。通过对快速路车流波的相关研究， 可以有针对性地提出城市快速路车流波管理的相关措施与建议。 1 2 选题范围 本课题通过选取几个车流波频繁发生的城市快速路路段作为数据采集地点， 利用视频检测和浮动车检测技术进行实地车流波数据采集，结合视频图像处理技 术进行自动化交通流数据处理包括宏观和微观交通流参数，进而分析车流波形 成机理和传播规律，研究车流波传播过程中驾驶员的微观行为并建立理论模型， 为下一步微观模拟提供理论基础。 本课题研究主要集中在以下三点； i ) 快速路车流波的形成机理； 2 ) 快速路车流波传播机理； 3 ) 快速路车流波传播过程中驾驶员的微观行为研究。 1 3 主要研究内容 本课题的主要研究思路为通过选取几个车流波频繁发生的城市快速路路段作 为数据采集地点利用视频检测和浮动车检测技术进行实地车流波数据采集，结 合视频图像处理技术进行自动化交通流数据处理，包括宏观和微观交通流参数， 进而分析车流波形成机理和传播规律，研究车流波传播和消散过程中驾驶员的微 观行为并建立理论模型，为下一步微观模拟提供理论基础 本课题的研究内容主要包括以下几部分： i )资料文献收集整理，对国内外车流波的相关研究成果进行广泛的检索和深 入的文献阅读整理。由于车流波的相关研究成果种类繁多，所以通过文献阅读将 其分门别类，归纳整理，得出比较清晰的框架，为进一步研究工作提供一定的借 鉴。 2 )数据采集：选择视频检测技术进行车流波数据采集，移动检测技术作为辅 助数据，用于视频数据的校验数据采集包括车流波数据采集地点的选择、采集 9 韭塞窑丑太茎鳃雯位逾室窑蓝缝述 方案的设计、实地的数据采集、视频数据的处理和有效性验证。 3 )车流波形成机理分析；类似于机械波的形成原理，从车瀛波形成的波源和 传播介质两方面深入挖掘导致车流波形成的主要因素，得出快速路车流波形成机 理因果分析图。 4 )车流波传播机理研究：通过分析车流波传播过程中速度、加减速度、时间 和空间车头对距、流量和密度等多方面交通流参数的演变规律，得出车流波的传 播机理和特性在数据分析的基础上，分析车流波传播过程中驾驶员微观行为， 建立基本模型，并利用数据对模型进行参数校准、检验、模型优化和结果分析。 5 )结论和建议t 对本课题所做的工作进行总结，提出不足及迸一步需要研究 的地方。 2 文献综述 快速路车流波相关研究大致可以分为三部分：车流波的形成、车流波的传播 与消散和车流波的预防。在车流波形成部分的研究中，人们更关心当交通流达到 何种状态下车流波会发生，因此基于宏观交通流模型得出车流波的形成条件被作 为车流波发生的判别准则。从另一个角度出发，一些研究学者认为车流波的形成 与交遇流的稳定性之间存在密切关系。当车流波发生时交通流一般处于不稳定状 态，所以交通流中的小扰动传播是否能够演变成车流波也作为车流波形成部分的 一个研究方向。同时。驾驶员的行为也会对交通流产生很大的影响，容易导致车 流波发生。车流波的传播速度作为表征车流波传播与消散的一个重要指标，分别 通过实地观测和微观模拟两种方法进行测量。由于驾驶员在加速和减速过程中的 行为有所差别，所以排队波和消散波被区分开来进行研究。随着智能交通技术的 不断发展，提出一些车流波的预防方法，但仍然需要进一步细致研究。 2 1车流波形成 2 i 1车流波形成条件 高速公路交通流具有流动、波动、激波、压缩和扩散等流体属性宏观流体模 型近似将高速公路交通流视为连续流体，即将流量、速度，密度等集聚变量看作 时问和空间的连续函数。宏观模型研究车流运动的整体规律按流体力学的观点， 它满足守恒方程1 1 1 1 2 1 1 3 ： 扯立交盈太堂亟兰焦监塞塞箧缝述 _ i ；+ 吼= o( 1 ) 其中k 交通流密度，g 为交通流量。 假设交通流量q 是密度i 的函数，即q = g ( t ) ，得到： t + c ( 七) = o c ( j ； ) = a g 挑 ( 2 ) 假设交通流的初始条件和临界条件为t 临界条件：i 似o ) = 妒( x ) o ，上 ( 3 ) 初始条件：i ( 0 ，f ) = 、i ，( f ) o o , a ) o ( o j e f _ 口，届时，q i r ) _ o q ( o ) g ( q 一叫口) ，q ( ，) 一 卢 仉口；o h ( o ) e 尼q 0 ) + o o 卢 q 口 o 如果v i ( o ) 满足 v l ( o ) 口芦，那么初始大扰动的幅度逐渐衰减至零，交通流趋向于均衡状态：如 果h ( o ) 口，声，那么初始大扰动最终可能会导致车流波。根据式( 1 0 ) 可以预测 出从i = 0 时刻到车流波出现所需要的时间为： ，一砉h - + a 丽1 ， “l j 等人在撕提出的交通流模型的基础上通过加入松弛项提出一个修正 的二阶宏观交通流模型。 害= 鲁+ v 豢= 一吾( v k ( p ) ) 一c ( 户) 昙 ( t 2 ) 其中c ( p ) = ( p ) 类似于等人的研究，波阵面的概念也被应用于上述交通流模型传播稳定性 的讨论中，式( 1 2 ) 的解即为车流波形成条件。 从上述介绍中可知，车流波的形成反映了一种交通流的不稳定状态，车流波 可以理解为均衡和不均衡两种交通流状态之间的一种过渡状态。 2 1 3驾驶员行为与车流波形成 道路的几何形状在定程度上会对交通流产生影响，例如出入口匝道、曲线、 坡度。在这些路段也很容易导致车流波发生。除了道路的几何形状以外，驾驶员 行为也会对交通流产生影响( f o r b e se t m1 9 5 8 ，h e r m a na n dp o t t s1 9 6 1 ) ，这种效应叫 做“加速瓶颈0 主要是由于驾驶员在加速过程中与前车之间的可接受间隙比在减 速过程中大，也就意味者加速过程的交通流量比减速过程的交通流量小。如果一 列车队首先减遽然后再加速回复到原速，那么由于驾驶员的上述行为必然导致密 度和流量的下降类似于几何瓶颈地段交通流量的下降，可能导致车流波发生， 如图2 1 所示，一列车队首先从交通流状态l 减速至状态2 。然后加速至原速，但 是他们不可能加速返回到状态l ，他们只能加速至状态3 ，从而导致车流波发生。 图2 1 车漉波与驾驶员行为 f i 磬n 2 1 s h o c i w a v ec a i l l s e d b y a s y m m e t r y d r i v i n g b e h a v i e e r i n d e c e l e r a t i o a a n d a e l e r a i i o n , r e f e r e n c e 2 2 车流波传播与消散 目前车流波的传播与消散方面的研究包括传播速度和其他传播特性的研究， 集中在交通流相变和微观驾驶员行为等方面。 2 2 1车流波传播速度理论分析 假设沿着一条笔直的公路上有两种不同的交通流密度毛和岛运行( 图2 2 ) 。 用移动线s 分割这两种密度，s 的速度为，如果路线按照所画的箭头方向运行， 速度为正。 一 正兰1 量 圉2 2 车流波 f i g u r e 2 2 m o v e m e m o f s h o c k w a v e d u e t o t h ec h a n g g o f d e m i l k s 在a 区，速度为妈，相对于移动线s 的速度为= “一) ，在时同f 内穿越移 动线s 的车辆数为l = 即；同理，在b 区，速度为屹，相对于移动线s 的速度 为= ( 屹一) ，在时同f 内穿越移动线s 的车辆数2 = 缸由车辆数守恒，即 1 ；2 t “一) 毛= 沁一) 屯， 于是我们得： 1 4 岣七2 一码毛= ( 毛一_ | i i ) ( 1 3 ) 用吼和吼分别表示a 区和b 区的车流流量，霉l = 与屿、吼= 屯，得到 5 再q 2 - q l ( 1 4 ) 这就是车流波的传播速度公式1 1 1 1 2 1 p 1 4 1 如果认为交通流量和密度是连续变量，即假设 g i2 q q 2 = g + 却 k l = n = p k 产见= p + a pw h e l a 斗0o s ) 将式( 1 5 ) 代入( 1 4 ) 得到： =粤06) 2 翥 由式( 1 6 ) 知，在流量密度曲线图中曲线的斜率表示车流波传播速度。如图2 3 所示，在不拥挤区域，曲线的斜率为正，表示消散波；在拥挤区域曲线的斜率 为负，表示摊队波 图2 3 车流波传播速度的物理意义 假设在t 时刻x = s ( t ) 位置发生车流波现象，那么根据守恒方程得； 罢r p 仁r ) 出+ 鲁岛p “，) 出= 一( 吖) 一a 似，) ( t 7 ) 根据莱布尼茨公式得； r 岛似，) 凼+ 厶b ( 彬) 出+ p ( r ，) 鲁一p ( s 。，) 妄= g k ，) 一。p ，r ) ( 1 8 ) 其中s ( r ) 代表车流波的传插曲线毋，协即为车流波的传播速度，交通流密度 拙塞窑煎太堂煎主堂鱼监室塞敏舞整 的变化幅度表示车流被的强弱。 如果取极限口斗j ( f r 、6 _ j ( r ) + ，得： i d s = 币q ( s 巧* , t ) 习_ q ( 丽s - , t ) 出 p ( ，) 一p j 一，r ( 1 9 ) 可见，式( 1 9 ) 与式( 1 4 ) 结果一致。 如果速度一一密度关系采用一模型，”= 叶 一期， = 吩( 1 一玎) ，卵2 鲁，将其代入( 1 4 ) ，得到车流波传播速度公式为； = 叶 1 一“+ ) ( 2 0 ) 下面我们分别针对不同的交通流状态推导出不同的车流波波速公式： 如果相邻交通流密度相等毛= 岛( 即r h = 啦) ，代入( 2 0 ) ，得： = 叶 1 一( 啊+ 啦) = 叶【l 一2 仇】 ( 2 1 ) 在信号交叉口信号灯由绿灯变为红灯时，产生车辆停车，导致停车波现象发 生，在绿灯阶段车流密度为自，标准化密度为哺，在红灯阶段车流标准化密度变为 l ，所以停车波的波速公式为： l o = ，ll 一( 吼+ 1 ) l = - - u 氆( 2 2 ) 由上式知停车波以q ，珐的速度向上游传播，如果此信号灯交叉口处的红灯 时间为r 秒，那么在红灯阶段排队的车辆数为”，w 。 当信号交叉口处信号灯由红灯变为绿灯时，引起车辆消散，产生起动波，在 红灯阶段车流标准化密度为1 ，绿灯阶段车流准化密度变为辘，所以起动波波速公 式为： = 叶l l 一( 1 + 仉) = 嘻。吼 ( 2 3 ) 2 2 2车流波传播速度实验研究 一些研究人员基于高速公路铺设的感应线圈获得的交通流数据，借助交通流 流量曲线、谱分析和互相关分析等技术，通过实验法研究车流波的传播速度 w i n d o v e r , e ta l ( 2 0 0 i ) 通过分析一处几何瓶颈地段上游2 公里路段的交通流研 究车流波的传播速度。通过分析拥挤时段连续5 个感应线圈的交通流量曲线，发 现车流波的传播速度基本上保持不变，大约在1 7 - 2 0 公判小时。根据实验数据。 车流波的传播速度与交通流量没有相互关系，相邻检测器之问的旅行时闻也没有 明显的相关性，而且车流波的传播时间持续较长 m c h c a s s i d y ( 2 0 0 2 ) 同样通过实验数据发现车流波的传播速度基本上保持 不变，约为2 2 , - - 2 4 公里巾时，而且也车流波所在路段和交通流量无关。m t m o z n l g l ( 2 0 0 1 ) 应用互相关分析方法得出车流波的传播速度约为1 9 4 公m d , 时。 w a n gc ta l ( 2 0 0 4 ) 应用谱分析方法计算拥挤交通流状态下车流波的传播速度大概为 1 5 - 2 0 公里小时。 2 2 3车流波传播速度与跟驰模型 姜锐等人结合微观跟驰模型利用计算机仿真的方法研究高速公路小扰动传播 速度其中跟驰模型为： 誓= 矿( 自) 一m ( 虬一) ( 2 4 ) 其中 = 一k ，为前后两车之间的距离；矗，z 。分别为前后两车的空问位置， ，分别为前后两车的速度；v ( h ) 是最优速度函数，印前后两车之问的距离为h 时的安全速度；t 为灵敏度系数；最优速度函数盘】下： 矿( ) = 碥 怕】出m o b j ) - - - h m ( 6 0 - b s ) ( 2 5 ) 其中：虼为初始速度； 为前后两车的车头间距；6 ，为自由流时前后两车的 车头间距：疋为交通流处于堵塞时前后两车的车头闻距 m 为灵敏度参数。 计算机模拟过程为：假设车队的车头时距均为矗，如果第一辆车的速度变化， 那么会导致其后跟随的车辆连续的也发生速度变化假设第一辆车速度的变化为 一个小扰动，f 为小扰动由第一辆车传到第月辆车的时间，那么小扰动传播的速度 为c o 伽) = n 1 1 ，f ；然后不断地增加车头间距。得到对应于不同车头间距速度发 生小扰动的传播速度。仿真结论为岛会随着密度的增加而增加，当达到最大值后， 随着密度的增大而减小。 2 2 4加速波与减速波 当车流波发生时交通流会出现密度突变，所以车流波也被看作自由流和捧队 流之间的过渡状态。当车流波传播到来时。驾驶员需要减速从而安全行驶；当车 流波不断消散时，驾驶员可以不断地加速行驶。因此，一些学者将车流波分为加 速波和减速波两类。地a n o 2 0 0 0 a n d 2 0 0 2 ；c a s s i d y , 1 9 9 5 m a d l 9 9 7 ；t a k a s h in a g e c a m i 2 0 0 0a n d2 0 0 3 1 d a g a m m ( 1 9 9 9 ) 利用马尔科夫链理论讨论加速波和减速波特征结合交通流相 变理论。在流量密度曲线图中用两组曲线族分别代表加速波和减速波，分析交通 流量和密度是如何随着加速波和减速波的传播而变化的，得出下列结论； 1 加速度扰动不会导致加速波，而减速度扰动会导致减速波出现； 2 加速波一般持续时间很短，而且很快消散：减速波一般会持续很长时问 2 3 车流波预防 2 3 1可变限速控制 车流波会导致道路通行能力下降，甚至造成严重的交通事故发生。如果上游 到达车流率比下游离开车流率高的话，那么交通拥挤就会出现。如果我们封行驶 车辆进行限速，即降低上游车辆的到达率，那么可以有效地减轻由于车流波造成 的影响。基于这一想法， 在可变限速控制中最普遍应用的方法是模型预测控制方法( i v l o d e lp r e d i c t i v e c o n t r o l ：m p c ) 。在m p c 模型中有两个概念，一个是预测水平( r 。) ，另一个是控制 水平( j v o ) ，用于减少变量的数日、提高系统的稳定性。b r e t o n 烈a l ( 2 0 0 2 ) 给出 了在车流波状态下。和m 两个变量的选取规则。 采用m e a n e t 模型在荷兰a 1 高速公路一段1 9 公里路段采用计算桃仿真的 方法验证可变限速控制的m p c 方法的有效性。仿真结果显示m p c 方法可以明显 地减少车流波的发生次数，而且旅行时间平均减低1 5 。 2 3 2可协调的自适应导航控制系统 自适应导航控制系统( a c c ) 是第一个驾驶员辅助控制系统，从而达到改善交通 流的目的利用自适应导航控制系统，驾驶员可以与前车保持期望的跟驰距离同 时保证安全行驶。可协调的自适应导航控制系统( c a c c ) 是结合车车通信，路车通 信的自适应导航控制系统。通过c a c c 系统，驾驶员不仅可以接受到前车发送的 信息，而且可以接收其他车辆和路边通信装置发送的信息，从而可以快速地采取 相应措施，提高乘客的舒适度。当某辆车突然减速时，后面跟随行驶的车辆可以 通过c a c c 系统迅速地接收到相关信息，自动采取相应措施避免车流波的发生。 计算机仿真结果显示c a c c 系统可以在很大程度上缓解车流渡带来的一系列 负面效应，因为当车流波发生时，c a c c 系统会向上辩车辆预先发送警告信息， 从而可以提前增加与前车之间的罪驰距离。 3 数据采集 准确、可靠、广泛的数据对科学研究有着锻重要的意义。真实可靠的数据不 一定会得出正确的结论和模型，但是，没有真实可靠的数据必然得不到科学、严 谨的结论。 车流波研究中最关键的问题是缺少大量真实、可靠的实测数据，因此目前许 多研究都基于计算机仿真方法。充足的实测数据是分析车流波形成、传播、消敖 机理的基础。因此有必要通过数据采集建立车流波相关数据库。 3 1 数据采集 3 1 1数据采集来源 目前，北京城市快速路交通信息采集设备主要包括环形线圈( 城市主干路) 、 视频检测器( 安装于城市主干路、快速路) 、微波检测器( 安装于二、三、四环路) 、 超声波检测器( 安装于四环快速路) 。环形线圈可以提供交通流量数据和平均旅行 速度。微波检测器同样可以提供交通流量和平均旅行速度，但是数据质量容易受 到外界环境的影响。视频检测器可以提供大范围、实时，多车道的交通流数据。 为了更好的分析车流波形成、传播和消教过程，我们结合2 种数据源进行分 析 n 视频图像采集数据； 2 1 车载g p s 浮动车数据。 以视频采集数据为主，车载g p s 浮动车数据为辅，分析车流波的形成、传播 和消散机理 3 1 2数据采集方案 1 数据采集方案如下； 1 数据采集地点的选择- 选取一段没有进出口匝道干扰的城市快速路，一般 长度为3 0 0 5 0 0 m , 并且这段路的几何形状最好以直线段为宜； 2 初步观测：实地观测数据采集路段，了解路段的具体地形情况，选择适宜 的地点架设摄像机；测量路段的基本几何参数( 路段长度、车道数) 。绘制路 段的几何地形图；选择明显的物体作为标志物。 3 试拍；试拍1 5 - - , 2 0 分钟的交通流状态，试拍时不需要多功能数据采集车参 拙塞奎堑去堂壅堂焦监塞煎握丞基 与。 4 初步分析：从试拍的视频图像中。分析是否符合数据采集方案的要求( 地 点的选择，摄像机拍摄位置、拍摄角度，拍摄图像是否清晰，便于数据后处理) ， 确定可能获取的可靠数据以及相应的数据获取方法。 5 多功能数据采集车设各的安装：将必要的测量仪器与设备预先安装在采集 车上，并进行调试，确保能够正常工作。 6 实地采集：在预定的时间将摄像机放置在预先设定好的位置，调整摄像机 的高度以及角度，多功能数据采集车行使在观测路段内后，同时开始拍摄采集 车的行使过程。拍摄的时间一次应该在l 2 小时，拍摄次数应该依据样本量的 需要而定 图3 1 所示为视频数据采集流程圈。 圈3 1 视频数据采集流程图 f i g 3 1 轴w 恤m o f d a t a c o l l e c t i o n m i 雌v i d q 4 如m t e c h n i q u e 2 预期可采集数据 n 参与车流波中任一辆车在任一固定时刻的速度、加速度和减速度； 2 1 任一固定时刻车队中相邻车辆的车头时距、车头间距、相对速度； 在某一时段的特定路段的交通流量和密度；全部路段的平均交通流量、密度； 只有取得与之相关的、可用的、可靠的数据，才能为车流波条件下的交通微 观行为模型的建立、参数的校准、标定提供坚实的数据基础。 3 i 3数据采集情况 韭窟窑亟太堂硒堂僮监奎堑据丞塞 本课题共选取3 处快速路路段作为数据采集地点，每个数据采集地点至少进 行了2 次实验，具体的数据采集情况如表3 1 所示。圉3 2 所示为车流波视频采集 场景。 图3 2 数据采集地点场景 f i g 3 2 am o f s m v e y s i t ei nb e i j i n g3 “r i n gr o a d 袁3 1 数据采集情况 t a b l e 3 it h e d e t a i l e d i n f o r m a t i f o r e a c h e x p e r i m e n t 鬻产吲卜京广大厦 拍摄时问 0 5 - 5 - 2 0 天气晴 拍摄目的初步拍摄 拍摄内容一台d v 分别拍摄积向交通流 道路几何形状双向三车道+ i 女急车道 交通流量由北向南：4 5 0 0 辆，j 、时 由甫向北：5 1 6 0 辆川、时 是否适宜拍摄车流波 在早晚高峰期可以观察到明显的车流波现象。 薷= 帙京广大厦 拍摄时问 0 5 - 5 - 2 61 2 ：3 0 a m - 0 5 - 6 - 2 71 s ：0 0 p r a 天气晴 拍摄目的实地数据采集 拍摄内容一台d v 分别拍摄双向交通流 道路几何形状双向三车道+ 紧急车道 交通流量由北向南：5 6 4 0 辆，小时 由南向北；4 4 6 0 辆，小时 数据采集结果 共采集到1 6 段车流波视频圈像 ( 2 ) 长虹桥 过街天桥 路边住宅楼( 1 5 层)i 拍摄时问0 6 - 3 - 2 51 0：0 6 - 3 - 2 51 ii j 3 0 a m 1 4 ：0 0 p m 0 0 a m 1 4 ：0 0 p 皿 j 天气 晴+ 大风晴+ 大风i 韭塞空疆太翌硒土壁色趁塞蕴掘墨塞 拍摄目的 初步拍摄 拍摄内容两台d v 分别拍摄般向两台d v 分别拍摄双向 交通流，一台拍由北向南车交通流。一台覆盖视野范围为 流，另一台拍由南向北车流。1 5 0 米，一台覆盖视野范围 3 0 0 j i 。 道路几何形状双向三车道 交通流量由北向南：4 5 6 0 辆川、时 由南向北；4 7 8 0 辆，小时 是否适宜拍摄车流波在早晚高峰期可以观察到明显的车流波现象。 笆， 过街天桥路边住宅樱( 1 5 层) 拍摄时间 一 0 6 - 4 - 2 0 1 7：0 6 - 4 - 2 0 1 7 ； 0 0 p m 一1 8 4 5 p m 0 0 p m 一1 8 _ 4 5 d 1 天气 晴睛 拍摄目的实地数据采集 拍摄内容 一台d v 拍摄农展桥地两台d v 分别拍摄双向 下隧道的双向交通流，包括由交通流，一台覆盖视野范围为 北向南车流和由南向北车流。1 5 0 米，一台覆盖视野范围 3 0 0 米 道路几何形状 双向三车道+ 紧急车道 交通流量 由北向南：4 2 6 0 辆川、时 由南向北：3 1 8 0 辆d , 时 数据采集结果共采集到t o 段车流波税额图 1 f ，荆 路边住宅楼( 1 5 层) 拍摄时问蝴- 2 l1 3 ：0 0 p m , q 4 ：0 0 p a n 天气晴 拍摄目的 视频标定 拍摄内容 一台d v 分别拍摄双向交通流，1 3 = 0 0 - - 1 3 ：o o 拍摄覆 盖视野范围为1 5 0 米。1 3 t0 帖1 4 - 加拍摄覆盖视野范围为 3 0 0 米。 道路几何形状 双向三车道 交通流量由北向南；4 3 0 0 辆小时 由南向北；5 0 2 0 辆川、时 _ 1 窘圈* 路边住宅楼( 1 5 层) 拍摄时间 0 6 - 4 2 41 7 ：0 0 p n h l 8 - 3 0 p 1 1 天气 睛 拍摄目的 实地数据采集 拍摄内容 视频拍摄：两台d v 分别拍摄双向交通流，一台覆盖视 野范围为1 5 0 米，一台覆盖视野范丽3 0 0 米。 道路几何形状双向三车道 交通流量由北向南：4 0 6 0 辆川、时 由南向北；4 6 6 0 静小时 数据采燕结果共采集到3 3 段车流披视频图像 拍摄目的实地数据采集 拍摄内容 视频拍摄：两台d v 分别拍摄双向交通流，一台覆盖视 野范围为1 5 0 米，一台覆盖视野范围3 0 0 米 道路几何形状取向三车道 交通流量由北向南；4 6 4 0 辆，小时 由南向北：3 8 8 0 辆小时 数据采集结果共采集到1 6 段乍流波视频图像 寡n 聩o 路边住宅楼( 1 5 层) 拍摄时阃0 雒81 7 ：0 0 p m - 1 8 ：3 0 p | m 天气晴+ 大风 拍摄目的实地数据采集 拍摄内容视频拍摄：两台d v 分别拍摄双向交遇流，一台覆盖视 野范再为1 5 0 米，一台覆盖视野范围3 0 0 米。 道路几何形状双向三车道 交通流蛀 由北向南：5 2 2 0 辆，小时 由南向北：4 9 舳辆d , 时 数据采集结果共采集到1 6 段车流波视频图像 ( 3 ) 农展桥 - 过街天桥 拍摄时间 0 6 - 3 - 2 51 1 ；4 5 a m 天气晴+ 大风 拍摄目的初步拍摄 拍摄内容阿台d v 分别拍摄双向交通流，一台拍由北向南车流， 另一台拍由南向北车流。 道路儿何形状 双向三车道 交通流量由北向南：4 l 胁辆，小时 由南向北：5 1 4 0 辆，小时 是否适宜拍摄车流波农展桥两侧分别为使馆区和农业展览馆，附近没有高层 建筑物，不适宜车流渡视频数据采集。 京信大厦( 2 7 层) 0 6 - 3 - 2 61 6 ：o p l 8 ： 拍摄时间 晴转骐+ 大风 天气 初步拍摄拍摄目的 三台d v 分别拍摄双向交通漉。一台拍摄东三环快速路拍摄内容 车流，另一台拍摄北三环快速路车流 双向三车道+ 机场高速路道路几何形状 由北向南；4 1 8 0 辆，j 、时交通流量 由南向北：5 1 4 0 辆川、时 京信大厦位于东三环和北三环交界处，可以清楚地拍摄是否适宜拍摄车流波 到东三环和北三环交通流情况，在早晚高峰期可以观察到明 显的车流波现象，适宜车流波视频数据采集。 j k 塞窑煎太堂臻坐焦j 盘塞熬握墨基 圈3 3 视频监控的基本框架 f i g u r e3 3s e q d mo f v i d e od e l t x 艏o l ls y s t e m 视频数据处理系统的基本框架包括图3 3 所示的6 个基本部分。在本课题研究 中，事件检测模块暂时没有采用。 摄像机标定模块作为系统框架的第一步，其基本过程是摄像机观察一系列的 特征点，或