（计算机应用技术专业论文）高速公路智能交通监控管理系统its_mms的研究.pdf

贵州大学硕士学位论文 摘要 本课题来源于2 0 0 2 年贵州省省长资金项目( 黔科办：2 0 0 3 0 4 ) ，是贵州省交通 厅重大科研项目。“高速公路智能交通监控管理系统i t s _ m m s ”的研究是智能交通系 统研究的一个重要的组成部分。 高速公路智能交通系统i t s 是在较完善的道路基础设施之上，将先进的信息处理 技术、通信技术、计算机技术、传感器技术和系统综合技术有效地集成，并应用于运 输系统，从而建立起大范围内发挥作用的，实时、准确、高效的运输系统。它是当前 国际道路交通和运输科技发展的最前沿，也是高新技术的最大民用市场之一，是本世 纪交通运输发展的方向。 系统主要研究了系统模型的建立、整体方案部署、事件自动检测算法分析及新算 法的提出、交通参数模拟及新算法的实现、模拟数据分析等。 在系统研究中，本文涉及的主要技术难点和创新点有： ( 1 ) 系统模型的研究：在系统模型的建立中，考虑到贵州地处山区，除了其它 一般高速公路用到的模型外，还提出了更适于山区高速公路智能运输体系 的转弯模型，并重点分析了隧道监控模型： ( 2 ) 整体方案的部署：在系统整体方案中，分为信息采集、信息分析处理和信 息发布诱导等几个部分详细介绍了系统的整体规划方案的部署： ( 3 ) 新的事件自动检测算法的提出：在分析已有事件检测算法检测率、误报率 和平均检测时间等评价指标的基础上，提出了一种更为有效的事件自动检 测算法，即“基于算法组合的智能事件检测算法”； ( 4 ) 新的事件自动检测算法的实现：通过将新算法应用到系统的设计和实现过 程中，并和已有算法进行各项评价指标的比较，可以看出新算法有更好的 检测效率。 本系统研究中最重要的是监控管理系统模型的建立、事件自动检测算法的分析及 “基于算法组合的事件自动检测算法”的提出、设计、实现和高速公路交通情况的模 拟儿个部分。该系统已经在贵州省“清黄路”、“贵新路”、“凯麻路”初步投入运营使 用，取得了较好的监控诱导效果，降低了高速公路交通事故的发生率，降低了交通事 故造成的损失，使贵州高速公路的发展上了一个新的台阶，实现了交通的智能化。 关键词：i t s ，发布诱导，模型，事件自动检测算法，算法效率，算法组合，d e l p h f f 第v 页 贵州大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i st a s ki sa ni m p o r t a n ti t e mo fg u i z h o ut r a f f i cm i n s t r y ，s o u r c e do fi t e m o f6 u i z h o up r o v i n c es t a d h o l d e rf i a n c i n gi n2 0 0 2 ( s e r i a ln u m b e r ：2 0 0 3 0 4 ) t h e r e s e a r c ho fi n t e l l i g e n tt r a n s p o r ts y s t e mm o n i t o r i n ga n dm a n a g i n gs y s t e mo n h i g h w a yi sa ni m p o r t a n tp a r to f i t s i t si su s e dt oi n t e g r a t ea d v a n c e di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ，c o m m u n i c a t i o n ， c o m p u t e ra n dt r a n s d u c e rt e c h n o l o g yo nb e t t e rr o a db a s a lf a c i l i t i e s u s i n gi t s o nt r a n s p o r ts y s t e m ，y o uw i l le s t a b l i s ha ni m m e d i a t e ，a c c u r a t ea n dh i g h ( 汀f ic i e n tt r a n s p o r ts y s t e mi nl a r g e s c a l e i t si sn o to n l yt h ef o r e l a n do f in t e t n a ti o n a t r a f f i ca n dt r a n s p o r tt e c h n o l o g y ，c i v i lm a r k e to fh i g h t e c h ， i l u ta l s ot h ed i r e c t i o no ft r a n s p o r t a t i o n t h i s s y s t e m d i s c u s s e st h er e s e a r c ho f s y s t e mm o d e l ，d e s i g no f s y s t e m ，a n a n l y s i so fi n f o r m a t i o n ，s i m u l a t i o no ft r a f f i ca n d t h ep e r f o r m a n c e a n a l y s i so ft h en e wa i da l g o r i t h mp r o m o t e di nt h ea r t i c l e t h e r ea r es e v e r a li n n o v a t i o n sa n dt e c h n i q u ed i f f i c u l t i e si nt h ea r t i c l e ： ( 1 ) t h er e s e a r c ho fs y s t e mm o d e l ：b e c a u s eg u i z h o up r o v i n c e1 i e si n m o u n t a i n o u sa r e a ，ip o s eat u r n i n gm o d e ls u i tf o rh i g h w a yi n m o u n t a i n o u sa r e a i nt h ea r t i c l e ，t h et u n n e lm o n i t o r i n gm o d e li s a n a l y z e dm i n u t e l y ，b e s i d e so t h e rm o d e l ( 2 ) t h ed e p l o y m e n to ft h et o t a ls c h e m e ：t h ea n a l y s i so ft h es y s t e ms c h e m e i sc l a s s e dt oi n f o r m a t i o nc o l l e c t i o n ，i n f o r m a t i o np r o c e s s i n ga n d i n f o r m a t i o np r o m u l g a t i o na n di n d u c i n gp a r t s ( 3 ) t h ep u t t i n gf o r w a r do fan e wa i da l g o r i t h m ：i nt h ea r t i c l e 。ip o s e a n e wa i da l g o r i t h m ，t h ei n t e l l i g e n ta i da l g o r i t h mb a s e do n a l g o r i t h m sc o m b i n a t i o n ，a f t e rt h ed e t a i la n a l y s i so ft h ep r e s e n t a l g o r i t h m sb yt h e i rd e t e c t i o nr a t e ( d r ) ，f a i la l a r m i n gr a t e ( f a r ) a n d m e a nt i m et od e t e c t i o n ( m t t d ) ( 4 ) t h er e a l i t yo ft h en e wa i da l g o r i t h m ：t h ep e r f o r m a n c eo ft h en e w a l g o r i t h mi sb e t t e rt h a no t h e ra l g o r i t h m sw h i c hw ec a ns e et h r o u g h t h ec o m p a r i s o ni nt h ep r a c t i c ea n di m p l e m e n t a t i o no ft h es o f t t h em o s ti m p o r t a n tp a r t so ft h es y s t e ma r et h eb u i l d i n go ft h es y s t e m m o d e l i n g ，t h ea n a l y s i so ft h ea i da l g o r i t h ma n dt h ep u t t i n gf o r w a r d ，d e s i g n m e n t a n di m p l e m e n t a t i o no fn e wa l g o r i t h m ”t h e i n t e l l i g e n t i n c i d e n td e t e c t i o n a l g o r i t h mb a s e do na l g o r i t h m sc o m b i n a t i o n ”t h es y s t e mh a sb e e np u ti n t ou s e 第v i 页 贵州大学硕士学位论文 o n “q i n g _ h u a n g ”g u i j i n ”，”k a i _ m a ”h i g h w a ya n dh a sa c q u i r e dg o o d m o n i t o r i n ga n dm a n a g i n gr e s u l t ，r e d u c e dt h eo c c u rr a t eo ft h et r a f f i ci n c i d e n t o nh i g h w a y ，c u td o w nt h ea p p e a r a n c eo ft h es e c o n di n c i d e n t ，d e c li n e dt h el o s s o ft h et r a f f i ci n c i d e n t t h eu s eo ft h ei t s j 蹦sw i l l m a k et h ed e v e l o p m e n to f g u i z h o up r o v i n c es t r i d ean e ws t e pa n dw i l lr e a l i z et h ei n t e l l i g e n c eo ft h e h i g h w a yt r a n s p o r t k e yw o r d s ：i t s ，p r o m u l g a t i o na n di n d u c i n g ，m o d e l ，a u t o m a t i ci n c i d e n td e t e c t i o n ( a i d ) a l t o r i t h m ，a l g o r i t h me f f i c i e n c y ，a l g o r i t h mc o m b i n a t i o n ，d e l p h i 第v i i 页 贵州大学硕士学位论文 第一章绪论 高速公路智能交通系统i t s 是在较完善的道路基础设施之上，将先进的信息处理 技术、通信技术、计算机技术、传感器技术和系统综合技术有效地集成，并应用于运 输系统，从而建立起大范围内发挥作用的，实时、准确、高效的运输系统。它是当前 国际道路交通和运输科技发展的最前沿，也是高新技术的最大民用市场之一，是本世 纪交通运输发展的方向。 监控管理系统m m s 是高速公路i t s 系统的一个重要部分，主要完成对高速公路各 种交通数据的智能分析处理并给出一定的解决方案，对道路进行诱导，最低限度地降 低意外事件造成的影响。我们所开发的高速公路智能交通监控管理系统可以实时收集 交通数据、实时响应交通流量变化，预测交通堵塞、检测交通事故、控制交通信号以 及给出交通诱导信息。 1 1 系统实施的必要性 最近几年贵州省高速公路交通基础设施建设投入之大、项目之多、效果之明显是 前所未有的，交通建设迈上新的台阶。根据贵州省1 9 9 1 2 0 2 0 年高等级公路规划， 到2 0 1 0 年之间规划建成“一纵一横四联线”，到2 0 2 0 年之前建成“二纵二横四联线” 的高等级公路网。 “一横”由湘黔省界起，经玉屏贵阳盘县，至滇黔省界，全长7 3 4 公里。 “二横”由渝黔边界坝芒起，经沿河遵义毕节威宁，全长8 3 0 公里。 “一纵”由重庆往南，在川黔省界崇溪河附近进入贵州省，经桐梓遵义 贵阳都匀独山，至黔桂省界新寨，全长5 3 7 公里。 “二纵”由川黔省界赤水起，经大方安顺安龙，跨南盘江入广西百色， 黔境内长5 3 0 公里。 “一联线”由关岭经兴仁至兴义，全长1 8 5 公里。 “二联线”由玉屏至铜仁，全长6 8 公里。 “三联线”由贵阳经修文、黔西、大方至毕节，全长1 7 8 公里。 “四联线”由黄果树至六盘水，全长1 2 4 公里。 目前贵州省高等级公路已通车路段1 0 0 3 k m ，包括贵遵、贵新、贵毕、贵黄、贵阳 绕城及东出口等高等级公路：正在实施或设计施工路段共8 6 4 k m ，包括遵义至崇溪河、 清镇至六盘水、关岭到兴仁等高等级公路；规划2 0 1 0 年至2 0 2 0 年修建路段为l o l l k m ， 包括杉木箐到毕节、大方至遵义、大方至安顺等高等级公路。 随着贵州省高速或高等级公路的迅速发展，改善了贵州省交通状况，为广大群众 提供了极大的方便，加快了沿途地区的经济发展。但由于贵州地形多变，商速或高等 级公路沿途地形及气象条件均很复杂，使得高速或高等级公路上交通事故频繁，因此 第l 页 贵州大学硕士学位论文 在贵州省高速公路上实施i t s 不仅可降低交通事故率，也可提高高速公路的通过能力， 节约交通投资，适应多元化投资回报的需要。同时，还可以满足高速公路的高速发展 对进行现代化管理、保护生态环境、减少国土资源的损失的要求。 因此，本课题是由贵州大学与贵州省高等级公路管理局合作，利用现有的资源， 开展贵州省高速公路智能交通监控管理系统i t s 的研究及实施工作，以便为提_mms 高贵州高速公路的运输效率、降低成本、缩短行车时间、推动经济发展、改善空气质 量、减少交通事故、推动贵州省相关产业的发展奠定基础。 1 2 国内外研究现状 我国高速公路i t s 的研究起步较晚，7 0 年代以来，从国外引进、吸收了一些项 m 并进行了一些i t s 或类似i t s 基础项目的研究和应用。而日本、美国、欧洲等国 永或地i 墨, i t ：l - 2 0 世纪6 0 年代就开始了有关智能交通的研究工作。国内外的实际情况 发明，道路网的发展是有限的，道路网的通行能力是有限的，而交通需求的增长速度 远远高于道路网的发展速度，因此利用先进的科学技术使交通智能化是解决这一矛盾 的出路之一，是解决交通运输“瓶颈”问题的战略举措。 8 0 年代后期，我国开始了i t s 基础性的研究和开发工作，包括优化道路交通管 理、交通信号采集、驾驶员考试系统、车辆动态识别等；9 0 年代开始建设交通控制中 心或交通指挥中心，并开展了驾驶员信号系统、道路交通管理的诱导技术等方面的研 究。目前我国已经建立并且开始应用的智能运输系统包括1 0 个方面的内容，如图卜l 所示。 目前国内的高速公路的机电系统主要还是采用传统的解决方案，即高速公路的收 费、监控、通信三大系统还是相互独立。各种信息的交互、处理与融合比较复杂。本 课题构建贵州清黄高速公路智能交通监控管理网络，应用信息融合技术实现多种业务 的融合，实现高速公路智能交通的监控管理。 国外i t s 的研究主要以美国、日本和欧洲为主。 美国i t s 的研究：美国在i t s 的研究开发上曾一度落后，但后来居上，目前在实 验研究和应用上都处于领先地位。美国交通系统的智能化研究始于2 0 世纪6 0 年代， 当时称为电子线路导航系统( e r g s ：e l e c t r o n i cr o u t eg u i d a n c es y s t e m ) ；8 0 年代 中期加利福尼亚交通部门研究的p a t h f i n d e r 系统获得成功，随后美国在全国开展了 智能化车辆道路系统( i v h s ：i n t e l l i g e n tv e h i c l e h i g h w a ys y s t e m ) 方面的研究； 1 9 9 0 年美国运输部成立了智能化车辆道路系统i v h s 组织。 第2 页 贵州大学硕士学位论文 图1 - 1 中国i t s 体系结构图 图l - 2 美国智能交通体系图 在美国，i t s 应用在车辆安全系统、电子收费、公路及车辆管理系统、实时自动 定位系统等方面发展较快。1 9 9 5 年3 月，美国运输部正式出版了“国家智能交通系统 项目规划”，明确规定了i t s 的7 大领域( 即基本系统) 和2 9 个用户服务功能( 即子 系统) ，如图1 - 2 所示l ”1 。 日本i t s 的研究：日本i t s 的研究是政府、民间和学术机构密切合作的研究，保 证了在技术发展过程中没有遗漏。日本政府在i t s 领域进行了大量资金投入，以期形 成i t s 产业推动日本经济发展。日本政府的直接支持，极大地推动了日本i t s 领域的 发展，其i t s 技术在全世界范围处于领先地位，占全球i t s 6 3 ，而欧洲占2 2 ，美 国占1 5 。 日本的智能交通研究开始于1 9 7 3 年，以通产省为主开发的“汽车综合控制系统” 第3 页 贵州大学硕士学位论文 c a c s ( c o m p r e h e n s i v e a u t o m o b i l et r a m cc o n t r o ls y s t e m ) 被认为是日本最早的i t s 项 目：1 9 9 3 年7 月，日本成立“车辆、道路与交通智能协会”。目前日本i t s 研究与应 用开发工作主要围绕三个方面进行：汽车信息和通讯系统v i c s ( v e h i c l ei n f o r m a t i o n c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 、不停车收费系统e t c ( e l e c t r o n i ct o l lc o l l e c t i o n ) 、先进的道 路支援系统a h s ( a d v a n c e dh i g h w a ys y s t e m ) 。 日本的i t s 由9 个开发领域和2 0 个用户服务功能构成，如图1 3 所示1 4 0 i 。 日本智能交通体系 高 级 钟 驶 系 统 电 子 i = i 动 收 费 系 统 安 全 驾 驶 辅 助 系 统 最 优 交 通 管 理 系 统 高 效 道 路 管 理 系 统 公 共 交 通 支 援 系 统 图i - 3 日本智能交通体系图 商 用 生 辆 管 理 系 统 行 人 辅 助 支 持 系 统 紧 事 生 控 欧洲i t s 的研究：欧洲i t s 的研究介于日本和美国之间。欧洲i t s 的研究由官方 与民间并行进行的。由于欧洲的国家大部分较小，因此，i t s 的开发和应用是与欧盟 的交通运输一体化建设进程紧密联系在一起的。但是由于欧洲各国政府的分散投资和 各国的i t s 的需求不一致，在整个欧洲建立统一的交通信息服务系统困难重重。自1 9 8 6 年以来，西欧主要国家是在“欧洲高效安全交通系统计划p r o m e t h e u s ”和“保障 车辆安全的欧洲道路基础设施计划d r i v e ”两大计划指导下开展交通运输信息化领域 的研究、开发与应用。 近年来，欧盟i t s 的主要研究工作包括t - t a p 计划( 1 9 9 4 1 9 9 8 ) 和t e n - t 计划 ( 1 9 9 5 1 9 9 9 ) ：t - t a p ( t h et e l e m a t i c sa p p l i c a t i o n sp r o g r a m ) 的主要目标是运用先进 的信息处理技术来提高交通效率、保障安全和改善环境，从而极大提高欧洲工业的竞 争能力，提高交通和运输水平：t e n t 是1 9 9 5 1 9 9 9 年欧盟委员会推进的横贯欧洲交 通信息服务网络，覆盖了交通运输的各个方面。 1 3 本文创新点及主要研究内容 本课题来源于2 0 0 2 年贵州省省长资金项目( 黔科办：2 0 0 3 0 4 ) ，贵州省科技厅重 要科研项目。主要研究智能交通监控管理系统相关理论及其在贵州省清黄高速公路实 第4 页 重型查堂堡主堂垒堡塞 施的相关技术，研究开发和集成智能交通监控管理系统组网技术，以目前贵州省硬件 设施最好的清黄路段为依托，构建清黄高速公路智能交通监控管理系统。 本文主要技术难点、创新点有： ( 1 ) 系统模型的建立：在系统模型的建立中，考虑到贵州地处山区，除了其它 一般高速公路用到的模型外，还提出了更适于山区高速公路的智能运输体 系的转弯模型，并重点分析了隧道监控模型； ( 2 ) 整体方案的部署：在系统整体方案中，分为信息采集、信息分析处理和信 息发布诱导三大部分详细介绍了系统的整体规划方案的部署； ( 3 ) 新的事件自动检测算法的提出：在分析已有事件检测算法检测率、误报率 和平均检测时间等评价指标的基础上，提出了一种更为有效的事件自动检 测算法，即“基于算法组合的智能事件检测算法”； ( 4 ) 新的事件自动检测算法的实现：通过将新算法应用到系统的设计和实现过 狸中，并和已有算法进行各项评价指标的比较，可以看出新算法有更好的 检测效率。在本文中，由于无法动态获取车辆检测器上传的各项交通参数， 通过仿真实现了高速公路交通参数的模拟和新算法的实时事件检测。 文章整体结构如下： ( 1 ) 第一章介绍了课题研究的背景、国内外研究现状及本文的主要研究内容及预 期目标等相关内容； ( 2 ) 第二章提出了信息采集模型、交通流模型、气象信息模型、转弯模型、隧道 监控模型和信息发布诱导模型等i t s 中的几个模型的建立，其中转弯模型是针对山区 高速公路i t s 提出的新模型，重点分析了隧道模型： ( 3 ) 第三章分析了系统整体方案的部署，从信息采集、信息分析处理到信息发布 诱导形成一个闭环的控制方案： ( 4 ) 第四章对事件自动检测算法进行了详细分析，在分析事件检测算法检测率、 误报率和平均检测时间这三个评价指标的基础上，提出了一种更适合山区高速公路 i t s 的事件检测算法，即“基于算法组合的智能事件检测算法”，并分析了算法的效率。 ( 5 ) 第五章研究了软件设计方案，开发工具采用b o r l a n d 公司的d e l p h i 语言， 数据库采用功能强大的s q ls e r v e r2 0 0 0 数据库管理系统； ( 6 ) 主要对高速公路交通参数进行了模拟，通过实际交通情况的模拟演示了系统 事件自动检测算法及智能化监控诱导的实现： 第5 页 贵州大学硕士学位论文 ( 7 ) 对本文所做工作进行了总结，并预测了系统的发展前景，提出了下一步的研 究目标。 第6 页 贵州大学硕士学位论文 第二章系统模型研究 高速公路智能交通监控管理系统的功能需求是将计算机技术、传感器技术、通讯 技术、自动控制技术、人工智能技术等先进的技术有效地综合运用于高速公路控制与 管理，通过使用车辆检测器、能见度仪、紧急电话等先进的交通信息采集设备，充分 发挥高速公路交通设施的机能，使车辆能迅速、安全、流畅地运行，促进人、车辆、 道路三者之间的和谐，提高路网的通行能力，并改善环境。 2 1 信息采集模型 交通参数信息采集：自动信息采集主要是通过车辆检测器进行交通参数数据采 集。从环形线圈的工作原理可知，不论车辆通过检测器或停在检测器上，都能使检测 ： ： i 作，所以这种检测器既可以检测交通量，又可以检测占有率及大致的车速等多种 变通参数。人：l ：信息采集主要是紧急电话、巡逻人员、驾驶员等报告的信息。交通事 什f 门检测主要通过自动采集信息的分析判断再加上人工采集信息的辅助分析最终确 定事件的发生。 气象信息采集：主要是通过能见度仪检测路段风、雾、雨、雪、凝冻等气象信息， 通过与气象部门相关规定门限值的比较，按相关气象级别采取相应处理措施。 视频数据信息采集：主要是通过外场摄像机采集的视频数据信息，监控中心值班 人员通过视频数据对高速公路各种异常信息进行确认，然后采取相应处理措施。 图2 - i 信息采集模型组成 第7 页 贵州大学硕士学位论文 2 2 交通流模型 单车道交通流模型：一般，分析交通流理论中研究单车道交通流( 如跟车模型) 的模型是假设车辆中无超车现象。在保证交通安全的前提下，如果有超车改道行为， 跟车模型显然不能很好地描述这种实际的交通流。单车道有超车的交通流模拟的核心 问题是超车，对超车问题进行处理，需要研究驾驶员的超车行为。本文采用可接受安 全间距的处理方法，即研究驾驶员超车时，能够接受的安全间距及临界值。 宇仁德等1 2 9 1 假设不存在重叠超车时，单车道超车可接受安全间距模型如图2 2 所，j ：，有超车问距、回位间距及前间距三类间距。_ 般情况，超车间距、回位间距可 从行午安全的加度来确定。尽管这两个间距值是可接受的，但如果前间距太大或太小， 同样会导致超车不成立。其原因在于：当前间距太大时，后车无须超车，即可保持自 身的车速，不受阻碍；而前间距太小，超车可能会导致碰撞事故的发生。般而言， 前间距应小于每个驾驶员跟车时的期望间距。 前间距是判断超车是否成立的一个重要依据之一。驾驶员超车时，会特别注意自 己车道的交通状况，其车速要高于前车，正常地，当其接近前车时，才会进行超越。 考虑在大多数道路上，前车不会像在拥挤的城市交通中一样突然制动：同时驾驶员的 驾驶行为一般都比较积极，即有超车机会，一定会发生超车行为。因此，超越时，一 般与前车保持较短的前间距。 超车间距 回位间距 。i 1v 。l 1 r l i v - ：- 口昏 1 前间距 7 图2 - 2 单车道车辆超车改道模型 在模拟模型中，前间距d 。可以构造为车速差v 。的线性函数，而且在不同的前 车速的情况下，d 。变化较少，公式如下：d 。= kx v d + d ，显然该值不仅与驾驶员有 关，而且与车型有关，在模拟时，对于不同车辆，可以在一定取值范围内随机产生k 、 d ，这在计算机模拟程序中通过定义一个 o ，1 1 分布的随机数非常容易实现k 、d 值的 随机选取。 第8 丽 贵州大学硕士学位论文 模型中，超车间距及回位间距是关键的因素。一方面关系到后车是否能够安全地 超越前车与对向来车不发生对面碰撞事故；另一方面也关系后车安全超越前车后是否 能够安全得回位原车道行驶，同时仍然与被超越车辆保持安全行驶间距。 多车道交通流模型：为了方便描述高速公路的交通流状态，将高速公路划分成理 想路段。每一理想路段( 以下就简称为路段) 上至多与一个入口匝道或一个出口匝道 相连，入口匝道都在这一路段的起点处，出口匝道都在这一路段的终点处；同一路段 上车道数目相同且各车道长度基本相等。 二。( 1 ，砷! p = = = ：。二鬻葺一r1q i 1 rr ，q i 一下一 ( 1 ，x + 1 ) ( 2 ，x + 1 ) ( i ，x + 1 ) 卜( i + l ，x + 1 ) 图2 - 3 多车道多匝道路段图 谭满春等采用一个二维向量( i ，x ) 来表示第i 路段第x 车道，表示第i + l 路段第 x + l 车道的车流转向第i + l 路段第x 车道。车辆改变车道用有向强连通图g ( m ，a ) 表示 一个只包含一条高速公路的道路交通网络，m 为网络节点集，a 为有向弧集，即路段 集； 介绍几个常用参数： a h ：高速公路各路段编号的集合，a h e a ，高速公路各路段的编号i ( i = l ，2 ，) ， 路段i ( i 2 ) 的上游路段编号是i _ l ； r ：起始节点的集合，r 表示一个起始节点，即r r c m ，除非特别说明，具有相 同起始点的车辆不一定从同一入口匝道驶入主线； s ：终讫节点集合，s 表示一个终讫节点，即s s c m ，具有相同终讫点的车辆不一 定从同一出口匝道驶离主线； 0 d ( r s ) ：车辆的起讫点分别为r 、s ，即用“0 d ( r s ) 车辆”表示起点为r ，讫点为s 的车辆； c i - 1 ，n 。 ：路段i a h 上所有车道的集合，n 。是路段i 上车道总数：l 表示某一车 道编号，即1 c i ； p ”( t ，i ，1 ) ：路段i 的第l 车道上0 d ( r s ) 车辆在时刻t 的平均密度( v e h k m ) ： 第9 页 贵州大学硕士学位论文 q ”( t ，i ，1 ) ：在时间段 t t ，( t + 1 ) t 内离开路段i a h 的第l 车道，流入下游的 o d ( r s ) 车辆数除以t ( v e h h ) ； v ( t ，i ，1 ) ：路段ie a h 的第1 车道上的车辆在时刻t 的平均速度( k m h ) ； d “( t ，i ) ：入口匝道i 上的o d ( r s ) 车辆在时刻t 的交通需求( v e h h ) ； u “( t ，i ) ：在时间段 t t ，( t + 1 ) t 内由入口匝道i 进入高速公路主线的o d ( r s ) 车 辆数除以t ( v e h h ) ： w “( t ，i ) ：入口匝道i 上o d ( r s ) 车辆在时刻t 的排队数量( v e h ) ； e ”( t ，i ) ：在时间段 t t ，( t + 1 ) t 内由出口匝道i 驶离高速公路主线的o d ( r s ) 车 辆数除以t ( v e h h ) ： q _ ：；( t ，i ) ：在时间段 t t ，( t + 1 ) t 内路段i 上的车辆中由第x 车道换到第l 车道 的车辆数与车道( i ，x ) 上车辆总数的比例； ，( t ，i ) ：第x 车道换到第l 车道的每辆车安全行驶所占的空间( 用长度表示) ：l i ： 路段i a 的长度( k m ) ； ， t ：采样周期( h ) ，应满足：0 t 二l ，v i a h ； v ， 巾( i ，1 ) ：路段( i ，1 ) 的上游路段i - 1 中与车道l 相近的车道集合，即由 ( i ，1 ) = ( ( i 一1 ，x ) ：f 卜x f l ，x c 广1 ，若i = l 则中( 1 ，1 ) 是空集： v ，：自由流速度； p 。，：临界密度： b 。：期望系数( 0 b 。1 ) ； u ( t ，i ) = u r s ( t ，i ) ：入口匝道i 在时刻t 的匝道调节率，即在时间段 t t ，( t + 1 ) t ，j 内由入口匝道i 进入高速公路主线的车辆总数除以t ( v e h h ) ： d ( t ，i ) = d r 5 ( t ，i ) ：入口匝道i 上车辆在时刻t 的交通需求( v e h h ) ； w ( t ，i ) = w r s ( t ，i ) ：时刻t 在入口匝道i 上等待的车辆数( v e h ) 。 ，j l i g h t h i l l 和w h i t h a m 曾给出路段流量守恒方程，为 p ( t + l ，i ) = p ( t i ) + 丢 q 。化i ) q 。( t i ) 】 陆1 ) 第1 0 页 贵州大学硕士学位论文 在有车辆改道的情况下，主线车流量描述如下所示。 p ”( t + l ，i ，1 ) = p ”( t ，i ，1 ) + q ”( t ，妒( i ，1 ) ) - q ”( t ，i ，1 ) + u ”( t , i ，1 ) e ”( t ，i ，1 ) 】+ t 1 ：( t ，i ) p ”( t ，i ，x ) - t 1 ：p ”( t i ，1 ) ( 2 t - 2 ) e gj e c f 式中：q - ( t ，币( i ，1 ) ) 为由甲( i ，1 ) 流入路段( i ，1 ) 的0 d ( r s ) 车辆流量，且q ”化甲( 1 ，1 ) ) 2 0 ； 乍辆的改道只能在相邻的车道之间进行，即i x zj l 等r i 三( t ，i ) = 0 ( 3 ) u “( t ，i ，1 ) 为时刻t 出入口匝道i 进入的车辆在第l 条车道上的流量，由入口匝道i 进 入的车辆不一定马上改道进入内侧车道，但总满足u t m ( t ，i ) = u r ( t ，i ，1 ) 0 - - 4 ) l e c t e “( t ，i ，1 ) 为经过车道( i ，1 ) 由出口匝道i 驶出的车辆的流量，由出口匝道i 驶出的车 辆总流量为e r s ( t ，i ) = e r l ( t ，i ，1 ) ( 5 ) 厄 动态流量方程为 q ( t ，i ) = q p ( t ，i + 1 ) p ( t ，i ) v ( t ，i ) + 卜o ( p ( t ，i + 1 ) ) p ( t ，i + 1 ) v ( t ，i + 1 ) ( 6 ) 式中：o ( p ) 0 ，1 为一加权函数。当p p 。，) ( 7 ) 高速公路各段车流量q ；、r ；、s 。的关系为q 严q “+ r t s 。i = 1 ，2 ，n ( 8 ) 撒元功等【1 6 1 提出并分析图2 4 ： ( 1 ) p i 队。 p c r ，如图( a ) 所示，交通处于顺畅状态，交通流量可以按照稳态关 系进行计算，即q 。( k ) = p ( k ) v t ( k ) 。 ( 2 ) p 。 p 。， p 。，如图( b ) 所示，上游处于交通拥挤状态，下游处于交通顺畅状 态，此时上游的交通流量不受下游交通状况的影响，流量的计算方法同( 1 ) 。 ( 3 ) p 。 p 。 p 。+ 。( k ) v 。( k ) ，上游的交通流量主要取决于下游的交通流量， 因为下游承受的交通流量小于上游的交通流量需求。 ( 4 ) p 。 p c ， d 。，如图( d ) 所示，上游处于交通畅通状态，下游处于交通拥挤 状态，此时p 。( k ) v 。( k ) 2 5 02 0 3 0 第1 3 页 贵州大学硕士学位论文 表2 3 雨天控制方案 驶员的危机感，从而有意识地控制车速，减少爆胎事故的发生。 雨天控制方案：雨对高速公路行车的影响主要有两方面：一，降雨使道路能见度 降低：二，下雨时轮胎与路面间形成水膜使轮胎平滑，当时速达8 0 公里以上时，水 膜会将轮胎与地面完全隔开，轮胎在水上滑行，制动效果下降，制动距离延长，对刹 车与转向带来不利影响。可通过c m s 发出“雨天行驶，注意路滑”等信息警示驾驶员 注意控制车速；由c s l s 显示限速指令。 雪天控制方案：雪对高速公路行车的影响有两方面。其一，降雪使道路能见度降 低视线会较为模糊：将雪时雪花粘在轮胎上，容易滑胎，而且路面积雪使车辆容易 卅，对1 i 辆行驶带来不利影响。应通过c m s 发布“雪天路滑，注意安全”等信息提 州钙驶i ! ，! 汁惑安个，减速行驶，并通过c s l s 加以限速。车距控制与限速指令如表2 - 4 所小，该表参考气缘g i f t 的降雪量分级，并根据多位安全行驶驾驶员的经验制定。 分级2 4 小时降雪量( 咖)限速( k i n h )车距( m ) 小雪 o 1 2 4 中雪2 5 4 9 或积雪3 c m 8 01 5 0 大雪5 0 9 9 或积雪5 c m 6 01 0 0 暴雪 1 0 0 或积雪 8 c m 4 05 0 表2 4 雪天控制方案 结冰路段控制方案：结冰路段上，车辆与道路路面之间的滑动摩擦系数较小，影 响制动效果。在结冰路段行驶，应控制车速，防止侧滑相撞和连续追尾。这种情况下， 应通过c m s 发布“结冰路滑，注意慢行”等信息提醒驾驶员注意路段结冰，通过c s l s 进行限速。 横风控制方案：风力对行车影响主要来自横风，高速行驶的汽车侧面受到横风作 用，往往诱发车祸。遭遇横风时，驾驶员会感到汽车发飘，此时驾驶员应适当减速， 握紧方向盘。另外，通过c m s 发布“注意横风，谨慎驾驶”等信息提醒驾驶员注意横 风，谨慎行驶。车速控制与限速指令如表2 5 所示，该表参考