（交通信息工程及控制专业论文）高速公路路段运行状况评价与分析研究.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 摘要 近年来，随着我国高速公路建设的飞速发展，高速公路网络日趋形成，高速公路的运营管理面临更 高的要求和挑战。本论文的研究目的是通过研究高速公路路段运行状况评价分析的重要问题，为高速公 路监控管理j 二作提供科学依据，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。本论文结合我国高速公路现状，从运行状况动态综 合评价、交通事件自动检测、短时段交通量预测三个方面，对高速公路路段运行状况评价分析的重要问 题进行了研究。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。 1 运行状况动态综合评价研究。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一种动态评价方法。该方法采用先状态分类后趋 势评价的两步评价方式，首次将适用丁时间序列的动态综合评价方法应用丁路段运行状况的趋势评价， 实例分析的结果表明，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 动态实时评绘。 2 路段交通事件自动检测研究。在研究分析交通事件检测现有算法的基础上对m c m a s t e r 算法 进行了深入研究，针对我国高速公路路段的普遍现状，提出了现阶段采用m c m a s t e r 算法与视频检测相 结合的事件检测算法，具有一定的现实意义。 3 路段短时段交通量预测研究。应用人t 神经网络方法构造预测模型针对b p 神经网络的缺陷， 应用可变学习率和基于数值优化的l e v e n b e r g - m a r q u a r d t 算法对b p 网络的训练算法进行改进，提出了基 于改进b p 网络的短时段交通量实时预测模型并利用实测数据对预测模型进行了实例分析，结果说明 了该模型的有效性。 本论文以“江苏省高速公路路网运行状况分析方法与应用研究”科研项目为研究背景，具有较强的 实用性，研究成果应用于江苏省路网交通调度指挥系统。 关键词：高速公路路段运行状况动态综合评价事件自动检测短时段交通量预测 第l 黄 东南大学坝十学位论文 a b s l r 瓤 t 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 yn e t w o r ki s d 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 hh i g h e rr e q u i r e m e n ta n d g r e a t e rc h a l l e n g et h a nb e f o r e ，1 kp u r p o s eo ft h i s d i s s e r t a t i o ni s t h r o u g ht h e s 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 op r o v i d et h es c i e n t i f i cb a s e sa n dd a t u mf o r f r e e w a yg o v e r n o r , a n dt oi m p r o v et h el e v e lo ff r e e w a yn e t w o r km 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 g t h ea e 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 sd 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 y s e c t i o n ：d y n a m i cc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o no fo p e r a t i o ns t a t u s a u t o m a t i ci n c i d e n td e t e c t i o na n ds h o t t e r m t r a f f i cf l o wp r e d i c t i o n n 圮t 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 tr e f l e c t st h ed y r n a m i c o p e r a t i o ns t a t u so f f r e e w a ys e c t i o nf r o mas p e c i a ls i d e 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 do na n a l y z i n g c 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 ns t u d ya n da n a l y s i sa l le x i s t i n gc 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 ee 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 e d 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 ce 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 s t h ef i r s tt i m et h a tt h ed y n a m i cc 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 di sa p p l i e do 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 n 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 e c o n da s p e c t ，t h eh i s t o r ya n dd e v e l o p m e n to fi n c i d e n td e t e c t i o na l g o r i t h m sa r ef i r s t l yr e v i e w e d b r i e f l y , a n dt h e nt h et h e o r i e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fa l lp o p u l a ri n c i d e n td e t e c t i o na l g o r i t h m sa r ca n a l y z e d b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s a n dc 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 r c o u n t r y , am o r ep r a c t i c a la n de f f e c t i v ei n c i d e n td e t e c t i o nm e t h o di sp r e s e n t e d i nt h et h i r da s p e c t ，t h ed i s s e r t a t i o np r e s e n t sas h o r t t e r mt r a f f i cf l o w p r e d i c t i o nm o d e lb a s e do n i m p r o v e db a c kp r o p a g a t i o n ( b p ) n e u r a ln e t w o r ka f t e ra n a l y z i n gt h ee x i s t i n gt r a f f i cf l o wp r e d i c t i o nm e t h o d s a d a p t i v es t u d yr a t ea n dl e v e n b e r g - m a r q u a r d tt r a i n i n ga l g o r i t h ma r ea p p l i e df o rt h ei m p r o v e m e n ta n d o p t i m i z a t i o no fb pn e u r a ln e t w o r k 。a tt h ee n do ft h i sc h a p t e r , s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t so ft h i sa l g o - i t h ma r e i l l u s t r a t e d ，t h er e s u l to fw h i c hp r o v e st h ef e a s i b i l i t ya n de f f i c i e n c yo ft h ea l g o r i t h ma n dh i g ha p p l i c a t i o nv a l u e i nt r a f f i cf l o wp r e d i c t i o n t h i sd i s s e r t a t i o ni ss u p p o r t e db yt h es c i e n t i f i cr e s e a r c hp r o j e c tt h a ta n a l y s i sm e t h o da n da p p l i c a t i o n s t u d yo l io p e r a t i o ns t a t u so ff r e e w a yn e t w o r ki nj i a n g s up r o v i n c e 1 1 1 er e s e a r c ha c h i e v e m e n t sa r ep r a c t i c a l a n da p p l i c a b l e k e y w o r d s ：f r e e w a ys e c t i o n 。o p e r a t i o ns t a t u s ，d y n a m i cc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n ，a u t o m a t i ci n c i d e n td e t e c t i o n ， s h o r t - t e r mt r a f f i cf l o w , 1 ) r e d i c t i o n 纂t 甍 东南大学硕十学位论文 圈目录 图目录 图2 - i苏嘉杭高速公路交通量日变化图( 单向) 5 图2 - 2 沪宁高速公路交通量日变化图( 单向) ，5 图2 - 3 沪宁高速公路苏州段1 5 m i n 流率变化趋势图6 幽2 - 4 沪宁高速公路交通最( 每车道) 5 m i n 变化趋势图6 图2 - 5 沪宁高速( 每车道) 5 m i n 流率频率分布图7 图2 - 6 沪。j 。高速苏州段交通量( 每车道) i n , f i n 变化趋势圈7 图2 - 7 苏嘉杭高速公路车速频率分布图9 闺2 - 8 苏嘉杭高速公路车速累计频率分布图9 图2 - 9 京沪高速车速频率分布图9 图2 - l o 京沪高速车速频率累计分布图9 图2 - 11 连续流高速公路速度、流率、密度二参数关系l o 图3 l 高速公路路段运行状况评价体系图。1 4 图3 - 2 分类评价状态空间划分示意图1 9 图3 3 路段运行状况分类评价状态空间划分示意国，2 0 图3 - 4 路段运行状况的状态分类综合评价步骤。2 2 图3 5 路段运行状况动态综合评价步骤。2 7 图4 i 交通事件理论上对交通流的影响一3 i 图舢2 高速公路流量一占有率关系图3 6 图4 3 高速公路速度一占有率关系图3 6 圈4 - 4m c m a s t e r 事件检测算法中的四种不同交通状况3 6 图4 - 5m c m a s t e r 拥挤判断算法3 7 图4 - 6m c m a s t e r 拥挤类型判断算法3 9 图5 - 1 三层b p 神经网络结构翻4 7 图5 - 2 基于改进b p 网络的短时段交通量预测程序流程图4 9 幽5 - 3 改进b p 算法神经瘸络短时段交通流预测结果5l 图5 - 4 短时段交通流神经网络预测绝对误差图。5 1 图5 5 短时段交通量神经网络预测相对误差图。5 2 第v 翼 东南大学学位论文独创性声明 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，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 期：卵箩多号7 东南大学帧十学位论文第章练论 1 1 引言 第一章绪论 1 9 8 8 年1 0 月，上海沪嘉高速公路的正式通车实现了我国高速公路零的突破，随后广佛、沈人、西 临和第一条利用世行贷款的京津唐高速公路于9 0 年代初相继建成通车，此j 亓，中国高速公路的建设方 兴未艾，特别是1 9 9 8 年国家提出加快基础设施建设后，高速公路建设进入一个前所未有的黄金时期， 以适应社会经济发展和日益增长的交通需求。截至2 0 0 3 年底，全国公路总里程达到1 8 0 9 8 2 8 公里，其 中建成的高速公路里程达到2 9 7 4 5 公里。目前，“两纵两横”及京沈、京沪、京珠等三条重要高速公路 已经贯通，纵穿南北、横贯东西、贯穿全国主要大中城市的高速公路网络骨架已经初步形成。 近年来我国高速公路建设的蓬勃发展对促进我国，特别是周边地区的经济发展起到了十分重要的 作用，其利用率越来越高，有些高速公路已经成为了区域的经济命脉。然而，随着高速公路的发展，车 流量的增加，相应的高速公路交通拥挤、交通安全和对环境的污染等问题也逐渐表现出来。就目前我国 高速公路的运行状况来看，出现了许多亟待解决的新问题，其中包括大部分高速公路路况衰减；高速公 路系统的管理缺乏科学性，监控系统存在监而不控的现象；各种不同类型的车辆以不同运行速度混合行 驶导致车流不稳定及通行能力下降；交通量人的一些高速公路个别路段出现交通拥挤，而其它路段通行 能力尚有较大余地等。针对上述问题，急需建立一套与我国高速公路运行状况相适应的分析方法进行科 学的分析评价，为离速公路运营管理部门提供分析、管理、决策的方法和依据，提高高速公路运营管理 水平t 进而提高高速公路服务水平和运行质最，充分发挥高速公路的效益。 1 2 研究背景与目的 1 9 9 6 年9 月，江苏省第一条高速公路护宁高速公路建成并投入运营，此后，江苏省为适应国民 经济迅速发展和人民生活水平不断提高的需要，对高速公路建设一直保持高投入态势，现代化公路交通 网络已初现雏形。沪宁、宁连、宁通、沂淮江等一大批高速公路韵相继建成，使江苏省的公路交通状况 面貌一新，截止2 0 0 3 年底，全省高速公路通车总里程达到2 0 0 3 公里，高速公路里程位州全国第三，高 速公路密度位居全国第一。目前，江苏省的十三个省辖市都通上了高速公路，纵穿南北、横贯东两、覆 盖全省的“四纵四横四联”高速公路网络骨架已经基本形成。 江苏省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r = 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路网交通管理与调度。如何对高速公路路段运行状况( 交 通监控系统采集到的变通流、交通环境等监控数据，交通异常状况，短时段交通量预测等) 进行科学分 析，从而为路网调度部门科学合理地进行路网调度提供充分依据，正是本论文耍解决的关键问题。 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。本论文 的研究目的是：通过对已有高速公路交通运行状况进行调查和分析，准确把握其运行规律，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，提高路囤运营管理水平和服务 水平。本论文的研究依托江苏省交通科学研究计划项目：江苏省高速公路路网运行状况分析与应用研究， 研究成果将应用于江苏省路网调度指挥系统。 纂l 贾 东南大学碳十学位论文 第章绪论 1 3 国内外研究概况 1 3 1 国外研究概况 i t s 是借助信息技术对传统的道路交通运输系统的一次变革。在一些发达的欧美国家，高速公路网 络已经比较成熟和完善，二十世纪9 0 年代以来，研究发展i t s 。对高速公路远行状况进行分析评价， 更好的利用现有基础设施，提高高速公路运行质量和服务水平是欧美国家研究发展的重点，也是未来交 通发展的必然方向。美国和日本在i t s 的很多领域都走在了世界的前列。 美国、日本等发达国家的高速公路监控系统也较为成熟监控系统外场检测设备间距小、密度大( 日 本高速公路的部分路段车辆检测器密度达到间距5 0 0 米) ，为道路运行状况的分析提供了良好的条件。 美国加利福尼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( 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，美国加州人 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人数据库 使得j r 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 r 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 述度、车辆时间延误、车辆行驶里程和累计行驶时问等。分析评价指标主要以图表形式表示在图表和 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j 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 阀隔设置的车辆 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丁作，在监控中心的扩建改造中，将分析室扩大判运营初期的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，国辫普遍采用直接以采集躬车速、交通量与占有率指标中一个或两个表示路弼 运行状况，而采用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f 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，在高速公路路网与监控系统基本建成以后，国外发达国家都把高速公路运行状况的分析与信 息发布作为重点研究和建设的对象。国外高速公路运行状况分折系统可为我国高速公路管理和运营提供 很好的借鉴作用，但是，由于国内高速公路的监控系统设旌普遍存在的外场设备间距太、密度小等现状 问题，在短期内按照国外系统规模完善国内高速公路运行状况分析评价系统仍存在较大问题。因此，必 须以我国高速公路的现状为基础，结合未来发展规划，研究适合我国高速公路的运行状况分析评价方法。 1 3 2 国内研究概况 我国高速公路建设与国外发达国家相比起步较晚，目前高速公路的建设发展东西部不平衡，东部沿 海和经济发达省份高速公路骨架网络已经基本形成，而西部地区的高速公路建设尚处于起步阶段。我国 现有的高速公路里程还不能适应国民经济高速发展的需要，在今后一段时期内公路交通的首要任务仍然 是加快高速公路建设，发展道路体系，形成完善的高速公路网络。 我国高速公路交通监控系统也处于起步阶段，但随着高速公路的迅猛发展，以及车流量的不断增加 监控系统越来越显示出在高速公路交通管理与控制中不可取代的地位。目前，我国已开通的高速公路都 有一定规模的监控系统，有少数高速公路己经基本实现了全线监控( e c t v 视频监控) ，如南京机场商 曩2 翼 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 速公路、苏嘉杭高速公路等，上海市城市快速道路的高架部分车辆检测器的密度也达到了间距l k m , 通 过采集平均车速、交通量、占有率等数据，用于判断主线运行状况的畅通、拥挤或阻塞。对于新建的高 速公路，监控系统的设计和建设基本上与高速公路建设同步进行。 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 。j 。高速公路( 上海段) 交通监控- 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 构和高校豹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。文献f 2 】、 3 】、 【4 】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 有结台监控系统的现状、针对路网调度进行系统的实时运行状况分析。江苏省交通厅成立路网调度办公 室后，委托江苏省长天智远交通科技有限公司进行7 江苏省公路路网交通调度指挥系统研究设计，其中 对路网运行状况评价与调度管理给出了初步设计p j ，但深度不够，很滩为路网调度指挥系统提供具体直 接的分析方法和评价体系。 运行分析方面各系统均采用路段交通量、车速、占有率为基础指标，通过分别与预设值比较确定运 行状况。该类分析方法在实际运行中能较好的反映交通运行状况，但指标间存在冲突情况，会影响到评 价结果的精度。 总之，目前国内的高速公路运行状况分析评价研究仍较为零散，往往只局限于解决单一问题，如对 高速公路通行能力分析研究、服务水平分析研究、运行车速和行驶时问研究等，还没有比较系统的分析 和综台评价，尤其是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。 高速公路路段是路网的基本组成部分，对高速公路路段运行状况进行系统分析评价，为高速公路网络优 形成后实现路网调度指挥提供依据和支持，是高速公路运营管理中的一项重要内容，也是将来高速公路 智能化变通监控、管理、调度的必然趋势。 1 4 论文主要研究内容与方法 论文研究的主要思路为；通过实地调研以及基础资料的收集，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事件自动检测方法和短时段交通量预测方法。 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，提出适台我国高速公路踌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。 纂，贾 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 3 ) 高速公路路段交通事件自动检测 在研究分析现有交通事件自动检测算法的基础上，结合目前国内高速公路监控系统现状，根据交通 流量、占有率等相关指标，提出适合我国国情、适应现阶段的实用交通事件自动检测方法。 ( 4 ) 高速公路路段短时段交通量预测 在研究分析现有常用预测方法的基础上，利用监控系统外场设备采集的交通流量实时和历史数据， 应用改进的b p 神经网络，建立路段短时段交通量预测模型并应片jm a t l a b 编制神经网络程序利用调 研获得的实测数据进行实例研究。 1 5 论文结构 本论文紧密围绕高速公路路段运行状况评价分析这一主题展开论述，土要从三个方面研究了高速公 路路段运行状况评价分析问题：( 1 ) 高速公路路段运行状况动态综合评价方法；( 2 ) 高速公路路段交通 事件自动检测；( 3 ) 高速公路路段短时段交通量预测。 本论文共分为六个部分： 第一章为绪论。简述了与论文相关的一些基本问题，包括研究背景与目的、国内外研究发展现状、 论文主要研究内容与方法等； 第二章为高速公路路段交通特性和数据采集处理，作为路段运行状况评价分析的基础，本章主要分 析了高速公路路段的交通特性，并从三个重要方面阐述了交通数据采集与处理工作； 第三章为路段运行状况动态综合评价，通过分析一般评价指标，提出了适合路段运行状况评价的指 标体系，并在对多种常用综合评价方法对比分析的基础上，提出了“先状态分类后趋势评价”的运行状 况动态综合评价方法，在趋势评价中应用具有时序特征的动态综合评价新方法，最后利用实测数据进行 实例分析： 第四章为路段交通事件自动检测，分析了交通事件对高速公路路段交通流的影响介绍了交通事件 自动检测算法的发展历史和现状，通过对交通事件检测的经典算法和新算法的分析，针对我国高速公路 现状，提出了m c m a s t e r 算法与视频检测方法相结合的事件检测算法； 第五章为路段短时段交通量预测，通过对多种预测方法的分析比较，应用b p 神经网络建立预测模 型，并针对b p 网络的缺陷进行算法改进。应用m 枷a b 编制相关程序，最后利用实测数据进行实例分析； 第六章为全文总结与进一步的研究展望；最后为致谢。 纂页 东南大学硕士学位论文 第二章高速公路路段交通特性与交通信息聚集处理 第二章高速公路路段交通特性与交通信息采集处理 高速公路是有中央分隔带，上f 行每个方向至少有两车道，全部立体交叉，专供汽车分道高速行驶 并完全控制出入的公路。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。 高速公路基本路段是指主线上不受匝道附近车辆汇合、分离以及交织运行影响的路段部分。本文 所研究的对象就是高速公路基本路段咀r 所指路段均表示基本路段。 高速公路路段交通特性分析是路段运行状况评价分析的基础，而交通信息采集与处理直接影响到运 行状况评价分析的准确性和实时性。因此，本章的研究为本论文主体内容的研究奠定基础。 2 1 高速公路路段交通特性 高速公路是彻底的非中断性交通流设施，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 利首要步骤。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。 2 1 1 交通量时间分布特性 道路交通量的时间分布特性主要包括月变化特性、周变化特性、时变化特性、短时段流率特性等。 鉴于本文所研究的高速公路路段运行状况评价分析的实时性，本文主要分析交通量的时变化特性和短时 段流率特性。 2 1 1 1 小时变化 一天2 4 小时中，每个小时的交通量都变化不一。通常用表示各小时交通量变化曲线的交通量时变 图来表示交通量的时变规律。 城市道路的交通量时变图一般呈明显的马鞍形，上、下午各有一个高峰。根据对江苏省典型高速公 路的交通量调研( 如图2 1 ，2 - 2 所示) ，高速公路的交迸量时变图也大致呈马鞍形。对丁不同的路段， 冈为其地理位置、沿线经济发展、人口密度等原因，在交通量的时变规律上存在筹异，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 11 、1 4 一1 6 两个高峰。因此，对于不同的高速公路路段，研究时应掌握其交通量 时变图的特点和规律。 图2 - 1苏嘉杭高速公路交通量日变化图( 单向) 图2 - 2 沪宁高速公路交通量目变化图( 单向) 蔫5 翼 东南大学硕士学位论文第二章高速公路路段交通特性与交通信息采集处理 2 1 1 2 短时段流率 高速公路交通量小时分布可以反映高速公路1 日内的变化情况，对于根据1 日内不同时段进行交通 管理具有重要作用，但由于短期内交通流率存在波动性，特别是在高峰小时内，短期流率超过高速公路 通行能力易造成拥堵，仅仅通过小时流景不能反映这一波动性，因此，需要对不足一小时的流率进行短 时段流率分析。 1 1 5 m i n 流率 幽2 3 为调查得到的沪宁高速公路两小时内的1 5 n f i n 流率变化趋势图从图中可以看出1 5 r a i n 流率 与小时流量相近，且可以反映出1 5 分钟内交通量的波动情况提高对短时段流率变化的敏感性。 图2 3 沪宁高速公路苏州段1 5 m i n 流率变化趋势蚓 2 5 m i n 流率： 对沪宁高速公路不同路段高峰小时内5 m i n 流率变化进行统计，得到如卜| 5 m i n 流率变化趋势图 ( a ) 常州段 ( b ) 苏州段 图2 - 4 沪宁高速公路交通量( 每车道) 5 m i n 变化趋势图 从图中可以看出，5 m i n 流率变化趋势较为稳定，相对1 5 m i n 流率，可以反映路段更短时段内的交 通运行状况，且可以避免由于偶然波动造成的误判，是管理中的重要指标之一。通过对调查得到的沪宁 高速5 m i n 流率频率分布进行统计，得到如f 分布图： 第6 页 东南大学硕十学位论文第二章高速公路路段交通特十牛与交通信息采集处理 图2 - 5 沪宁高速( 每车道) 5 m i n 流率频率分布图 从频率分布图上可以看出，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 辆孙时，苏州段分布则主要集中于6 0 0 - - 9 0 0 辆，j 、时范围。 3 1 m i n 流率： 1m i n 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 m i n 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i m i n 流率调查得到其变化趋势如下图所示： ( a ) 常州段( b ) 苏州段 图2 - 6 沪宁高速苏州段交通量( 每车道) l m i n 变化趋势图 图2 - 6 显示，即使在交通正常情况下l m i n 内高速公路流率仍存在较大波动，相邻2 r a i n 之问最大流 率波动达到7 0 0 辆，j 、时，单纯依靠l n f i n 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l m i n 流率值对其进行较核，减少误判。 2 1 2 交通量空间分布特性 高速公路路段交通量的大小与高速公路沿线社会经济发展速度、人民文化生活水平、人口分布、气 候、物产等多方面囡素有关，因此也里现出交通量的空间分布特性。 2 1 2 1 区域分布 由于区域之间经济发展、生产与文化活动、对交通的需求不同，以及人口密度和汽车拥有量的差异， 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韵高速公路交通量高 綦，贾 东南大学硕士学位论文 第二章高速公路路段交通特性与变通信息采集处理 于经济欠发达、汽车拥有量低的区域，比如我国东、西部地高速公路交通量的差异，沿海经济发达 省份与内陆省份高速公路交通量的差异，江苏省苏南地区与苏北地区高速公路交通量的差异等。以江苏 省苏南地区的沪宁( 上海至南京) 高速公路江苏段和苏北地区的连徐( 连云港至徐州) 高速公路为例， 根据统计数据，2 0 0 3 年平均日交通量沪宁高速公路为3 9 8 3 1 辆，日，而连徐高速公路仅为1 6 9 6 辆，扫。 2 1 2 2 路段分布 由于路网上各路段的等级、功能、所处的区位不同，在同一时间内，路网上各路段的交通量有根人 不同。一般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。以沪宁高速公路江苏段为例，无锡段、苏 州段的交通流量明显高于镇江段和常州段。 2 1 2 3 交通量的方向分布 一条高速公路上、f 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( 6 1 ： 蟛= 萼襻，咣 ， k d 一瓦雨丽i 一则 2 1 国内数据表明，上下班路线交通流方向分布系数k d 一般为0 6 0 7 。 2 1 3 交通流组成特性 不同车型的车辆混合行驶，存在较大的动力性能差别，动力性能不良的大型乍易造成印流整体运行 速度的降低，并进一步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景交通罱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著别，实际应用中应根据商速公路车型组成特征具体分析。 以沪宁高速公路为例，通过调研。得到了沪宁高速公路车型组成情况的统计数据，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。统计结果表明，该高速公路车型组成以小车为主，大车 次之，中车最少。具体来看，沪宁高速公路运行车辆又以客车为主，占6 6 ，货车占3 4 。客车中， 小客乍最多，占客车总量的8 3 ，货车则主要为中型货车与大型货车。占货车总量的7 0 。与干线公 路相比不同之处在于高速公路不存在各类型拖拉机影响。 2 1 4 车速特性 高速公路车速与交避量一样。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，高速公路上小客车的8 5 位车速在l o o k m h 附近波动，1 5 位车速在7 5 k m h 附近波 动，5 0 位车速在9 0 k n c h 附近波动。 以江苏省具代表性的苏嘉杭、京沪高速公路为例根据对其进行的车速调查，得到的平均车速分布 如下： 第l 页 东南大学硕十学位沦文第二章高速公路路段交通特性与交通信息聚集处理 图2 7 苏嘉杭高速公路车速频率分布阔 圈2 - 9 京沪高速车速频率分布图 图2 - 8 苏嘉杭高速公路车速累计频率分布图 图2 1 0 京沪高速车速频率累计分布图 由统计数据可知，虽然对于不同的高速公路，其车速分布存在一定差异但范围基本一致，主要集 中于6 0 一1 2 0 k m h ，近似符合正态分布。特征车速约为：中位车速约8 5 9 0 k r r d l ，1 5 车速约6 5 7 0 k r r d h 8 5 车速约9 5 1 0 0 k m h 。 2 1 5 连续流特性 高速公路路段对交通流没有固定间断，其交通运行主要符合连续流特征。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”。图2 - 1 1 展示了这些关系的一般形式，这些关系是高速 公路通行能力研究的理论基础。虽然这些关系的图式对所有高速公路是相似的，但这些曲线的确切形状 及其数量标定取决于所研究路段上通常存在的交通条件和道路条件。特别是对指定设施标定的曲线，在 接近通行能力处可以是不连续的。并且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。f 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。此时，由于车辆之间的干扰。速度开始下降( 由于车辆的相互作用) 。 在低密度和低流率时，这种下降实际上可以不计。然而，当密度持续增加，达到某一值时，会使速度急 剧下降。当密度增加和速度下降而引起流量减