高速公路异常事件自动监测系统设计.docx
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高速公路异常事件自动监测系统设计
摘要
本文通过分析高速公路路网中的交通流运行特征，利用交通流基本理论知
识对路段上环形线圈采集到的交通流流量和占有率数据进行比较分析和统计
推导，并结合交通拥挤条件下车流的运行特征提出了适用于我国交通流的识别
交通拥挤现象发生与消散过程的增量判别准则；通过对流量、占有率这两个重
要的指标进行理论推导和统计分析构造出恰当的拥挤检测指标，用这些指标对
交通流状态进行划分实现对拥挤事件的自动检测与判别，并采用仿真与实际数
据加以验证。
针对以事件检测为目的的检测器布设方案，从经验和定量分析的
角度提出了一般布设原则；具体分析了检测器布设密度对行程时间计算的影
响，从计算行程时间的角度提出了合理布设检测器的原则，并采用CORSIM
微观仿真工具进行模拟验证。
关键词：
交通事件,交通拥挤,检测算法,检测器布设,微观仿真
ABSTRACT
Throughanalysisofthehighwaynetworktrafficcharacteristics,usetrafficflowbasictheorytoknowForroadsectiontoroidalgeneraltocollecttrafficflowandsharedataanalysisandstatisticsDerivationandtrafficconditionswithtrafficisputforwardtheoperationcharacteristicsidentificationoftrafficflowinourcountryTrafficcongestionphenomenonanddissipationprocessincrementdiscriminantcriteria;Throughtoflow,sharethetwoheavyTheindexestotheoreticalderivationandstatisticalanalysistectonicoftherightcrowdedwiththeseindicatorsmonitoringindicators,forTrafficflowstatetocrowdedeventsdividedrealizeautomaticdetectionanddiscrimination,andbyusingthesimulationandactualnumberAccordingtoverified.Forthepurposeofincidentdetectionlayontplan,thedetectorfromexperienceandquantitativeanalysisThegeneralprincipleofpaperlaid;ConcreteanalysisofthedetectortraveltimecalculationlayontdensityshadowsRing,traveltimefromtheAngleofcalculatedputforwardtheprincipleofreasonable,andlaiddetectorbyCORSIMMicroscopicsimulationtoolsforsimulation.
Keywords:
trafficevents,trafficcongestion,detectionalgorithm,detector,themicrosimulationlaid
引言1
第一章绪论2
1.1国内外研究现状2
1.1.1国外研究概况2
1.1.2国内研究概况4
1.2本课题研究的主要内容5
第二章交通事件6
2.1交通拥的类型6
2.2交通异常事件7
2.3交通流的度量参数8
2.4高速公路交通事件对交通特性的影响8
2.5高速公路交通事件检测系统的组成9
2.6交通事件算法概述10
第三章交通事件自动检测算法概述11
3.1事件自动检测算法的分类11
3.1.1按数据来源分11
3.1.2按检测截面分11
3.2算法评价指标12
3.2.1评价指标12
3.2.2各种评价指标之间的关系13
3.3经典事件自动检测算法概述13
3.3.1比较法14
3.3.2统计预测法15
3.3.3滤波法16
3.3.4交通模型法16
3.3.5人工智能法17
第四章高速公路交通检测器布设方案研究19
4.1高速公路交通检测器设置依据19
4.1.1交通检测器经验布设原则分析19
4.1.2交通检测器布设方案定量分析及研究20
4.2基于行程时间检测的检测器优化布设21
4.2.1基于行程时间检测的检测器优化布设理论基础22
4.2.2高速公路检测器布设实例23
4.2.3高速公路模拟方案设计25
4.2.4模拟结果分析29
4.3本章小结33
第五章结论与展望33
引言
交通事件管理系统是高速公路交通管理系统的重要组成部分，对减少交通事件造成的人员伤亡，财产损失以及避免二次事故的发生等具有重要的作用。
交通事什自动检测算法是交通事件管理系统的核心。
因此，研究交通事件自动检测算法具有重要的意义。
高速公路交通事件管理主要包括五个主要步骤：
交通事件检测，交通事件确定，交通事件反应，交通事件清理，交通管理并通知司机”，。
交通事件检测是整个过程的第一步也是最重要的一步。
本文将针对高速公路交通现状中存在的主要问题和实际情况，开展对交通事件检测的研究．通过对先进的理论与技术研究，将其应用到高速公路交通事件检测算法中去，以提高交通事件检测算法的性能，以便快速定位发现交通事件，及时疏导交通事件避免二次事故，从而确保高速公路“安全、快速、高效、舒适”基本目标的实现[1]。
高速公路安全性优于普通公路。
由于高速公路上交通量大，车速高，所以交通事故也时有发生，其事故等级高、人员伤亡程度都较普通公路严重，即恶性事故多的特点引起了社会各界的广泛关注。
一旦出现恶性交通事件需要及时发现，先进的交通事件检测技术可有效地提高高速公路交通事件检测效率和效果，从而快速发现交通事件，为交通管理部门提供实时，准确、可靠的交通信息；避免二次事故发生，从而提高高速公路的安全性。
进而最大限度地发挥交通事件条件下的道路运营效率．所以开展交通事件检测的研究，为了有利于及早发现交通事件，有效实时交通疏导，及时消除交通事件影响，避免二次事故发生．最大可能的减小交通事件对环境和人类的危害．本文将重点研究神经网络在交通事件检测中的应用，是对现有交通事件检测算法的丰富与扩展，并提出增加新的交通状态参数，是对现有的交通状态参数不足提出的改进。
本文的研究可以为后续研究奠定良好的基础，而且具有重要的指导意义和参考价值，为确保高速公路“安全、快速、高效、舒适”的基本目标具有重要意义。
本文利用先进神经网络理论作为基础，结合国内高速公路的实际现状进行研究并给出一些建议，最大限度的提高交通事件检测的有效性，为以后将神经网络理论应用到实际的高速公路交通事件检测中奠定基础。
特别是对增强交通宏观控制能力、科学决策能力和应变能力，交通事件的自动检测都有着十分重要的现实意义和深远的历史意义[2]。
第一章绪论
随着高速公路国际化的发展和逐步网联的推进，保证大流量的车辆畅通与安全是极其重要的，因此交通异常事件的检测一直以来都是交通领域的重点和难点。
随着智能交通系统概念（ITS）的提出，智能交通系统的研究、开发、应用在国内外迅速推进。
智能交通系统是一个跨学科、信息化、系统化的综合研究体系，它是将先进的人工智能技术、自动控制技术、计算机技术、信息与通信技术及电子传感器技术等有效的集成并应用于整个交通管理系统而建立的一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合交通运输管理系统。
在智能交通系统体系结构，交通事件检测是智能交通系统研究中的一个重要方面，是智能交通系统的重要组成部分。
交通事件检测主要是利用传感器技术、光纤通信技术、计算机信息处理系统和人工智能技术来获得车辆数量、车速道路的空间占有率及车辆的前进程度等重要交通参数，从而预测和发现事故，避免事件路段交通事态的扩大，已达到车辆、司机和行人安全以及道路安全的目标[3]。
1.1国内外研究现状
事件自动检测（简称AID）是交通管理与控制系统重要的功能之一，如何准确、及时地检测和确认事故发生的!
山司、地点及性质，是管理与控制系统能台成功运行的关键技术。
交通事件自动检测算法的性能是交通事件管理系统的核心，也是智能交通系统实施中能否成功运行的重要评价指标之一。
多年来随着高速公路和城市快速路的依次兴起，国际各国在研究开发和改进AID算法方面做了大量工作[4]。
1.1.1国外研究概况
国外对事件管理系统的研究比较早，经过长时间的积累，在理论和实践方面都有令人瞩目的成就。
（1）理论方面
1968年，美国加利福尼亚州运输局提出了“加利福尼亚算法”，加州算法属双截面算法，它以车道占有率为参数，所依据的是事件发生时上游检测端面占有率将增加、下游检测端面占有率将减少这一原理。
之后Payne（1975）年以洛杉矶和明尼阿波利斯两个城市高速公路监测系统所得的数据为6基础，对10种高速公路事件自动检测算法进行研究比较，并开发了参数标定软件。
实践证明，能够判断事件持续和结束的算法7和算法8效果较好[5]。
1970年，Dudek和Messer提出了采用控制变量（能量或车道占有率）的标准正常偏差（SND）检测算法，他们认为，急剧变化的控制变量将反映出与道路几何因素所确定的交通需求和通行能力明显不一致的事件状态[6]。
1974年，Cooke和Cleveland提出了双指数平滑模型。
经比较，他们发现在确定交通流运行趋势时，更多地考虑最近一段时间的交通运行参数，得出的结果较为精确[7]。
1975年，加拿大McMaster大学土木工程系开发了基于高速公路/快速路突变理论的McMaster算法，该算法依据的是高速公路/快速路在拥挤车流速度降低、道路占有率增加并有拥挤车流存在这一事实，该算法除了能识别拥挤的存在外，还能识别导致发生拥挤的原因，包括常发性或偶发性拥挤[8]。
1991年，Panos和Richard提出了基于图像处理的事件检测算法，此算法以摄像机图像采集和计算机处理为基础，跟踪分析车流的行驶，能自动检测高速公路上发生的事故，此外，它还有直观、灵活和可以预测事故的优点[9]。
2）实践方面
为了指导地方性高速公路事件管理的顺利实施，美国运输部联邦公路局（FHWA）于1991年颁布了《高速公路事件管理手册》，并于2000年工1月推出了其更新版《交通事件管理手册》，这些手册对高速公路事件、事件管理工程的规划和设计、改善事件管理过程的方法和措施等做了较详尽的描述，对美国的高速公路事件管理发挥了积极的指导作用。
在西欧，德国、瑞典等许多国家都对高速公路/快速路事件管理给予了足够的重视。
1989年欧共体提出的欧洲公路交通安全设施系统（DedicatedRoadInfrastructureforVehicleSafetyinEuropeProgram，简称:
DRIVE）计划的子项目基于计算机图形识别技术的事故自动检测方案（IntegrationofComputerVisionTechniquesforAutomatieIncidentdetection，简称:
INVAID）就提出，使用计算机技术为公路与城市道路网络提供新的空间度量，发展把计算机、现有交通数据与其它相关数据结合在一起的人工智能技术，对公路与城市道路异常事件进行识别与分类，提供健全的交通异常事件自动检测系统。
德国BMW公司在上世纪九十年代开发了一个为COMPANION的事件管理系统，从而减少了二次事故的发生。
1996年3月，为了改善斯德哥尔摩地区的交通事件管理，当地交通管理部门组织成立了公路救援队，由紧急救援车、重型拖车和警察巡逻车等组成，并采用了许多先进的技术，如车载计算机系统、GPS车辆定位系统、数字化通信系统以及交通管理中心先进的事件数据库等[10]。
1993年2月美国运输部发布的智能车辆道路系统项目（IntelligentVehicleHighwaySystemProjects，简称:
IVHS），总投资2.28亿美元，共100个子项目中，有关交通异常检测内容的项目为13个，投资2376.9万美元，尝试用新型检测器和新技术对异常事件进行检测。
伊利诺斯、芝加哥应用事件检测与管理系统后，通过计算得出的投入产出比是1:
17;此外，统计推测得出，系统可以减少由于该事件可能产生的18%的二次事故和600k的交通阻塞，可以使高速公路通行能力提高约10%，其经济效益和社会效益是相当可观的[11]。
日本则是后来居上，目前己在国内多条高速公路上使用事件自动检测系统。
该系统是运用图像处理技术，自动地检测行驶中车辆的行驶轨迹，并将此信息传送给交通控制中心，与此同时，提供给后续的车辆。
采用这一系列可以瞬时地发现交通事故等异常的交通现象，对于迅速地进行伤员救护、事故处理、降低事故所造成的交通阻塞、以及预防后续车辆的追尾事故等具有重要的作用[12]。
1.1.2国内研究概况
国内在这方面的发展相对比较缓慢，但随着国内高速公路和城市快速路的迅速发展，许多研究单位和交通管理部门开始重视这个新的领域。
（1）理论方面
1990年，交通部公路科学研究所的王彦卿提出了能自适应交通状况变化的交通异常检测算法，该算法针对交通参数的闲值一可以随交通状况的变化给出了调节方法，对交通流的变化有一定的适应性，并在京石高速公路上得到了检验[13]。
1997年，李文江、荆便顺等提出了一种基于小波分析的交通事件检测算法，该算法首先构造二进小波，对一交通流数据进行二进小波转换，检测其奇异点，根据判断逻辑确定是否有交通事件发生[14]。
2001年，交通部公路科学研究所的周伟在分析拥挤交通流特性的基础上，提出了一种基于模糊综合识别的事件检测算法，并可以确定拥挤成因，仿真研究结果比较表明该算法效果较好[15]。
2001年，郭恒明和张鹏飞提出了基于环形线圈的城市道路交通异常自动检测方法，该方法以累积占有率作为检测指标，能较好地避免随机波动的影响，但它假定研究路段是不允许停车的，这与现实条件不太相符[16]。
2003年，吕琪、王慧将一种新型的动态神经网络结构与传统的基于状态估计的故障检测方法相结合，提出了一种基于动态神经网络的交通事件检测算法。
该网络借鉴静态BP网络的训练算法，并针对其训练方法中收敛速度慢及容易陷入局部极小点的缺点采用一种改进的算法[17]。
（2）实践方面
1988年，上海一嘉定高速公路的开通实现了我国高速公路零的突破。
随着高速公路在我国的出现，高速公路管理便成为了广大交通工作者的重要研究内容。
事件管理作为高速公路管理的重要组成部分，我国的交通工作者在这方面也做了许多基础性的研究工作[10]。
1993年，中国公路工程咨询监理总公司和辽宁省交通勘测设计院联合承担了“深圳市高速公路网交通工程总体规划”，其中之一的研究工作就是规划和设计深圳市高速公路网事故处理系统。
该项工作从设计的系统目标出发，建立了事故处理系统的组织结构，制定了事故处理的业务流程并建立了一套事故检测方法和手段。
这一研究工作是我国高速公路事件管理的较早应用[10]。
1995年，北京工业大学交通工程专业开发了用于城市交通事故控制的地理信息系统，具有较强的实用性，促进了我国在交通事故管理方面的研究[12]。
2000年，国家智能交通系统工程技术研究中心的高海龙、张北海等对紧急事件管理系统进行了研究，为首都机场高速公路开发了事件管理系统。
此系统不需要增加额外的设备费用，取得了一定的社会和经济效益[18]。
2002年，彭春露设计了城市道路交通异常事件管理系统，作者提出了交通异常管理的框架，运用面向过程的方法开发了整个系统，为该系统具体实施起到了指导作用[19]。
1.2本课题研究的主要内容
本论文主要研究高速公路交通事件检测算法及检测器优化布设方案，论文划分为五章，各章的主要内容如下：
第一章是绪论部分。
从高速公路的发展和建设入手，分别阐述了国外研究概况和国内研究概，最后，本章给出了论文的主要研究内容及其相互关系。
第二章主要讲述了交通事件的类型，主要针对交通拥的类型、交通异常事件、交通流的度量参数、高速公路交通事件对交通特性的影响、高速公路交通事件检测系统的组成进行分析，为高速公路交通事件检测理论研究。
第三章为交通事件自动检测算法研究以及各种算法的比较。
通过对经典事件自动检测算法概述，对多种算法进行比较，从而将不同算法的优点加以借鉴，研究和设计性能更优，效果更好的综合算法和布设方案。
第四章对高速公路交通检测器布设方案进行了研究。
针对以事件检测为目的的检测器布设方案，从经验和定量分析的角度提出了一般布设原则；同时具体分析了检测器布设密度对行程时间计算的影响，从计算行程时间的角度提出了合理布设检测器的原则，并采用仿真实验进行模拟验证。
第五章结论和展望。
总结高速公路事件检测算法和交通检测器布设方案的应用范围、局限性以及未来的研究方向。
第二章交通事件
目前国内外对交通事件的定义还没有一个统一的提法，定义的内容和表述的
方式都不尽相同。
凡在高速公路或城市道路上发生交通事故、车辆抛锚、车辆上货物散落等等都可以称为交通事件[20]。
从系统的观点看，交通事件是指在某一时期导致或将要导致交通行为模式发生改变的事件:
从管理人员的角度，需要他们注意的突发情况都是事件;从驾驶员的角度看，任何导致自己不方便或延迟的都是事件[21]。
从交通事件发生的主体匕可以看出，它必须包括以下四个主体部分[22]:
人，人是构成交通事件的主体。
车，运行中的车辆，或至少有一方为运行中的车辆，包括机动车和非机动车。
车辆是构成交通事件的重要条件，如果没有车辆仅为行人与行人之间的相撞或冲突则不能称为交通事件。
路，国家实施行政管辖的道路，这是构成交通事件的空间条件。
后果，指由于违规或其它非法行为造成人员伤亡或财产损失的结果，没有造成人员伤亡或财产损失的一般不能称为交通事件。
在交通系统中，事件一般分为可预测的和不可预测的两类:
1）不可预测类:
交通事故、车辆抛锚、货物散落、不正当驾驶和突发的自然灾害等;
2）可预测类:
大型活动如体育比赛等、道路修筑和路面养护等。
对于可预测类的交通事件，驾驶员可以预先制订合理的出行计划来降低其影响，但对突发事件引起的延误，驾驶员却无法事先采取躲避措施。
这类事件的影响不仅限于交通拥挤，还会引起二次事故。
当交通拥挤时，车辆走走停停会引发更多的小事故及汽车抛锚等。
这样就增加了事件的数量，并延长了清除事件的时间。
因此这种突发性的事件对人员和货物运输方面的影响更大[23]。
在本文中，我们定义交通事件是指公路上的不可预测的偶发性事件而引起的交通堵塞，其中主要指交通事故，如图2一1所示。
由于事件造成道路容量暂时下降而引起的拥挤，从而反映拥挤前后的交通流参数变化是不连续的，并且前后的差值随事件的严重性而增大。
由交通事故引起的非常发性拥堵造成的经济损失是非常大的，所以在交通监控系统中，应能及时检测到事件的发生，便于交通管理部门迅速清理现场、疏导交通。
2.1交通拥的类型
根据原因的不同，高速公路上的交通拥挤分为两种类型：
常发性拥挤和偶发性拥挤。
常发性拥挤有两种情况：
一种是由于交通需求过大引起的；另外一种是由于逍赂几何条件上的缺陷造成的局部通行能力降低。
常发性拥挤可以预测，它往往是在高速公路某路段处周期性的发生，这样就可以通过多次观察来预测其发生的时间和地点。
偶发性拥挤是由于道路上的偶然事件暂时阻塞一条或多条车道，引起路段通行能力下降，结果导致拥挤。
偶发事件包括交遗事故、车辆抛钳、货物散落等。
傀发性拥挤中越来越多的交通事件不但对高速公路的正常运行产生严重影响，也降低了交通的安全性。
图2-1交通事件示意图
2.2交通异常事件
交通异常事件是指在道路通行能力一定的情况下，在当时的交通负荷下不应出现的反常事件，如车辆故障、交遇事故引起的车流合并和交通阻塞等。
交通异常事件包括交通事故和交通事件[3]。
1.交遇事故
撞入、撞车、撞路边设施、翻车等造成人身伤害、车辆和设施损坏的交通异常情况属于交通事故，发生交通事故的路段，轻则造成局部交通瓶颈，引起交通拥堵，重则涉及半幅甚至整幅道路，造成单向甚至双向交通堵塞。
2.交通事件
车辆故障、路边偶停车、小弯道及大纵坡上的车速陡减路段、入口匝道、车辆拥挤形成交通瓶颈路段、大型低速车辆驶入形成的移动瓶颈等交通异常情况均属于交通事件，这些都会造成局部路段交通拥挤和堵塞。
交通异常事件的具体分类如图2-2所示。
图2-2交通异常事件的分类
2.3交通流的度量参数
对于交通流，易于检测器检测的有以下几个基本参数[24]:
（1）流量:
在某一特定时间段内通过某一点（检测断面）的行驶车辆数，单位为辆/小时;
（2）速度:
在某一特定时间段内沿道路行驶一定长度内各车辆速度的算术平均值，单位为公里/小时;
（3）占有率:
为车辆占有长度总和与路段长度的比值。
但在路段上采用直接的方法来测量车辆长度的总和是行不通的，但可以通过时间量测来计算该值，其计算是通过:
（2-1）
2.4高速公路交通事件对交通特性的影响
高速公路交通流参数表示与交通状态相关联的模式,交通流具有道路与车辆间以及车辆相互之间的影响。
高速公路上发生交通事件时,导致道路通行能力降低,不能满足当前的交通需求,造成交通拥挤。
分析这种状态下交通流基本变量的变化特征,正是衡量交通状况、建立检测算法、判断交通异常和进行交通控制的根本依据。
目前,对交通事件多采用波动理论描述,通过对其前兆特征分析来进行。
当高速公路某一路段发生事件时,事件点通行能力立即下降。
如果下降到低于交通需求时,交通流受到影响,产生偶发性交通拥挤,在出事地点下游的一定范围内将出现交通流反常；上游车辆因交通受阻而减速,下游车辆稀少而加速；出事车道上的交通流量减少,相邻车道因交通流合并而车流量增多；上游道路的时间占有率增大,下游的时间占有率减小等等。
总之,当发生交通异常时,交通流参数在一定范围内将比正常值偏大或偏小,如图2-3所示。
在一个事件的附近出现4个不同的交通流区域,我们称其为路段。
路段1和路段4中的交通流不受事件的影响,保持正常情况；路段2紧靠事件的上流,交通流变得拥挤,表现为速度低于正常值而密度高于正常值；路段3紧靠事件的下流,交通流变得稀疏；路段1和路段2之间的分界线向上移动,上游形成冲击波,而路段3和路段4的分界线向下移动,下游形成扩展波[25]。
图2-3交通事件对交通流的影响
2.5高速公路交通事件检测系统的组成
交通事件检测系统由硬件和软件两部分组成,硬件设备包括视频检测器、气象检测器、通信传输设备、计算机等；软件系统则包括视频检测器或车辆检测器所测得的交通资料和事件检测算法等；
高速公路视频交通事件自动检测系统有以下几部分组成：
视频采集：
沿线布设的摄像机分远景和近景，远景摄像机为带云台的摄像机，可检测车辆停驶、交通拥堵二种交通事件；近景摄像机为固定式摄像机（可以用于替代现有的车辆检测器,现有的车辆检测器系统由于路面损坏导致车道线圈
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