第2章监控对象与交通流监控

1、2.12.1监控目标监控目标 2.22.2监控对象监控对象交通流交通流 2.32.3交通事件与干扰交通事件与干扰 2.42.4监控系统功能监控系统功能 2.52.5交通监控信息采集交通监控信息采集2.62.6信息处理信息处理 2.72.7交通监控特点交通监控特点 第第2 2章章 监控对象与交通流监控监控对象与交通流监控 【本章内容简介】交通监控是对高速公路交通流状态及其交通设施和交通环境的监测与控制。本章主要介绍了交通监控目标、对象，交通事件交通监控系统的功能及特点，交通监控信息采集及信息处理等。 【本章重点难点】重点掌握交通事件交通监控系统的功能及特点，交通监控信息采集及信息处理。第第2 2

2、章章 监控对象与交通流监控监控对象与交通流监控2.1 2.1 监控目标监控目标 交通监控是对高速公路交通流状态及其交通设施和交通环境的监测与控制。 对高速公路的行车安全应有更高的要求，监控系统将行车安全作为主要工作目标之一。 1 1、最大行车安全、最大行车安全念念 2 2、道路畅通、道路畅通 道路畅通指公路没有堵塞现象，车辆能够持续以理想车速运行的状态。 交通监控的目标就是通过对交通流的监视来预防事故发生、减轻拥挤程度、排除堵塞，恢复道路的通畅。 3 3、交通设施状态完好、交通设施状态完好 公路交通设施由路、桥、隧道等土木建筑物和各类机电设备组成。 监控系统应该通过各种检测轮回采集主要设施的工

3、作状态，作出评价。设备发生故障时，系统能迅速诊断和报警，以利抢修。 4. 4. 其它优化目标其它优化目标 为向用户提供优质服务，使高速公路取得更大的社会效益和经济效益，对监控系统提出若干优化目标：如用户总旅行时间最小、车辆总行驶距离最大、油耗量最小和对环境的污染最小等。2.2 2.2 监控对象监控对象交通流交通流高速公路交通流状态变化具有下述特点： （1）易变。干扰容易激发状态变化。如一辆车驾驶失误，可以引起后随车辆车速和车间距离出现很大改变。 （2）变化幅度大。沿高速公路不同路段和不同时间，交通流的状态可能相差很大。 （3）随机性。状态变化无法准确预测，但是具有一定的特征性倾向。 2.2.1

4、 2.2.1 交通流特性交通流特性 交通流状态可按不同方法对其分类，对监控而言，可分为流动、停车排队等待两大类。 （1 1）流动）流动 流动可分为“通畅”和“拥挤”两种，通畅流动又可细分为自由流和稳定流两种： 自由流驾驶员在车道和车速的选择上有较大自由度，多发生在交通密度小于12辆km车道；自由流常因为车速过高而潜伏不安全因素。 稳定流驾驶员跟随前车行驶，车速受前车制约，转换车道的可能性甚小。稳定流是公路交通最常见的一种运动状态，由于车辆紧密跟驰，常因偶发事件而产生车辆排队长龙，交通堵塞。 自由流和稳定流属于连续流，用车速、交通量和交通密度三个物理量可以充分描述和检测其状态。 （2 2）停车排

5、队等待）停车排队等待 停车排队等待造成交通堵塞，它是交通流的一种极限状态。 2.2.2 2.2.2 交通流参数交通流参数 1 1交通量交通量 交通量为单位时间通过公路某横断面的小客车车辆总数。单位时间一般采用小时或日；“横断面”可以是单向单车道、单向多车道，也可以是双向公路横断面，可按需要选用。2 2平均车速平均车速 速度是交通系统中最为常见的变量，速度是随着交通需求的增加不断减小，速度是最为敏感的变量。常用在交通监测方面的速度参数主要有以下几种。 瞬时点速度：车辆驶过道路某一地点的瞬时速度，也称为地点速度。 时间平均速度：如有n辆车在给定时间间隔内通过某断面，其地点速度的算术平均值称时间平均

6、速度。 路段平均车速：在某个特定瞬间，一段特定长度内的道路上全部车辆地点速度分布的平均值，称为空间平均速度，其数值为地点车速观测值的调和平均值。 3 3交通密度交通密度K K(辆km或辆km道) 交通密度K(辆km或辆km道)：路段区间单位长度瞬时存在的车辆数称为交通密度，简称密度，大都按方向或车道以每公里车辆数表示，它说明道路上车辆密集程度。4. 4. 车头间距车头间距 车头时距表征前后两车在时间上的距离，车头间距表征前后两车在空间上的距离，这两个量分别描述了公路上车辆的拥挤程度。5.5.车辆占有率车辆占有率 车辆占有率在很大程度上反映了高速公路在密度特性，是密度变量的另一种表现形式。常用的

7、时间占有率。2.2.3 2.2.3 参数间的相互关系参数间的相互关系 1 1稳定流的参数关系稳定流的参数关系 稳定跟驰指行驶不存在超车条件，后车的行驶状态受前车制约，参数间存在如下关系式： 关系式说明：监控任意两个参数，可以推算出第三个参数。 2 2非稳定流的参数关系非稳定流的参数关系 车队在行驶过程中，表征其状态的参数发生较大的突然变化，称为状态不稳定。 如果车流中有一辆车A因故障减速行驶，当后随车辆无法超车时，只有被迫减低车速而使两车间距缩小，密度加大，形成如图2-1(a)所示的密度突变界面。两车后面的跟随车辆会由于同样原因而减速靠近。 从图2-1(b)看出似乎是密集界面逆车流方向传播，与

8、初始界面形成一段由两个界面夹持的有很多拥挤车辆在内的密集车队。设想缓行首车故障被排除，可以加速行驶，则它和紧随兵后车距又被拉大，在拥挤的车队形成一个新的疏散界面。 随着加速车辆的加多，这个疏散界面会以另一种传播速度也逆车流传播。当这个疏散界面追上原有的后传密集界面，则拥挤车队消失，恢复正常行驶状态，如图2-1(c)和(d)所示。 图2-1 非稳定流密度突变示意图 1可测性和可控性 2对象的多元化3对象的时空变化 4对象的监控环境条件2.2.42.2.4交通流作为监控对象的属性交通流作为监控对象的属性 2.32.3交通事件与干扰交通事件与干扰 交通事件交通事件是指非周期性发生且使某段道路通行能力

9、下降的事件，如交通事故、故障停车、货物散落、道路维修、交通阻塞等。引起交通流状态发生变化的外部因素都可归属于干扰。干扰来自道路、交通和气象环境的变化，具有明显的随机性和突发性。 2.3.12.3.1道路环境干扰道路环境干扰 1 1道路维修道路维修 道路路面的破损及其强度、平整度和抗滑能力的降低对行车安全和舒适影响很大。公路养护可以保证路面处于良好使用状态，并不构成干扰。但是，道路大修必须先封闭车道，造成通行能力变化，破坏供求平衡，形成干扰。 表2-1 一条车道堵塞时路段通行能力的变化 单向车道数最大服务交通量(vehh)车道事件(封闭l条车道)路肩事件(影响交通)交通量(vehh)减小(%)交

10、通量(vehh)减小(%) 2 1850X2=3700 1300 65 3 000 19 3 18503=5550 2700 51 4 600 17 4 18504=7400 4300 42 6 300 15 2 2路面状态变化路面状态变化湿润、结冰和积雪 气象变化经常使路面抗滑能力突然降低，对车辆正常运行产生相当大的破坏作用，形成强烈干扰，需要经常监测这种情况。车辆运行转向和制动以车轮和路面存在附着力为前提，路面湿润、结冰和积雪都会显著降低路面平均附着系数，减小路面抗滑能力，车轮易产生滑动。 表2-2 各种路面状态的附着系数 路面类型 峰值附着系数 滑动附着系数 干路面 0.8O.9 0.7

11、5 湿沥青路面 0.50.7 0.450.60 湿混凝土路面 0.8 0.7 雪压紧的路面 0.2 0.15 冰路面 0.1 0O72.3.2 2.3.2 交通环境干扰交通环境干扰交通事件交通事件 1 1事件起因和事件类型事件起因和事件类型 交通事件具有随机性和突发性，事件出现地点和时刻无法预测。引发事件的起因虽然很多，但存在一定的统计规律，掌握此种规律，将有助于采取预防措施。 2 2事件后果事件后果 交通事件出现可能产生三种不同后果：一是事件本身不严重，又得到驾驶员和道路管理人员的及时处理，使事件成因很快消失，来不及形成交通拥挤；二是形成偶发性拥挤，造成车辆延误，需要公路管理部门进行管理控制

12、，如果事件能及早发现，管理控制措施得力、及时，拥挤将逐渐消失，交通恢复正常状态；三是事件迅速引发成为交通事故，产生人员伤亡和车辆损坏，需要公路监控部门紧急救援和排除事故。 图图2-2 2-2 交通总事件树交通总事件树 3. 3. 交通事故交通事故 1987年交通部和公安部对有关事故统计分类的标准作了修改，修改后的交通事故等级划分新标准是： (1)轻微事故 轻微事故是指一次造成轻伤l2人，或者财产损失机动车事故不足1000元，非机动车事故不足200元的事故。 (2)一般事故 一般事故是指一次造成重伤l2人；或者轻伤3人以上；或者财产损失不足3000元的事故。 (3)重大事故 重大事故是指一次造成

13、死亡l2人；或者重伤3人以上10人以下；或者财产损失3万元以上而不足6万元的事故。 (4)特大事故 特大事故是指一次造成死亡3人以上；或者重伤ll人以下；或者死亡l人，同时重伤8人以上；或者死亡2人，同时重伤5人以上；或者财产损失6万元以上的事故。2.3.3 2.3.3 气象环境干扰气象环境干扰 1. 1. 浓雾浓雾 浓雾恶化驾驶员视觉环境，影响车辆正常行驶，高速行驶时，极易酿成重大交通事故。 为了保证行车安全，车辆行驶过程中驾驶员应该在一定的距离外就能清晰地确认前方车道上的障碍物。 2 2大雨、大雪大雨、大雪 大雨与大雪给车辆行驶带双重不利影响：一是显著降低能见度；二是润湿或冻结的路面使车辆

14、轮胎的附着系数大为减少，路面抗滑能力大幅度下降。 3 3侧风大侧风大 侧向风力会使车辆在行驶过程中产生不可控制的侧向移动，例如侧向风速为22ms时，车辆向前行驶60m，可能产生1.21.5m侧向移动。这个数值可以使车辆身不由己地从一个车道转移到另一个车道，导致交通流混乱和诱发交通事故。 4 4沿海湿热气候沿海湿热气候 南方沿海地区，湿度大，温度高，而且空气中含有较高浓度的酸、盐成分，对金属具有很强的腐蚀作用，还容易滋长霉菌，对金属设备的使用寿命、电子器件和光学器件的使用性能有较大的影响，应该提出防腐、防霉和防潮的要求。 5 5雷击雷击 雷击通过暂态过电压损坏电子设备而影响高速公路管理的正常运行

15、。 系统具体功能为： (1)准确及时采集交通流、交通环境和主要交通设施状态的各种信息； (2)根据已掌握的信息，迅速作出有针对性的处理和优化控制方案，并立即执行； (3)建立多种信息发布渠道，为用户提供信息服务，通过驾驶员调整行驶行为，达到交通流动态平衡： (4)专项监控：如探测和确认交通事件；隧道火情监控；冬季路面使用状态监测等； (5)对交通事故能作出快速响应，迅速排除事故根源和提供救援服务； (6)建立道路交通数据库，用以支持道路运行状况评价，为改善道路经营和交通管理的决策提供数据分析。2.4 2.4 监控系统功能监控系统功能图图2-3 2-3 交通监控系统功能方框图交通监控系统功能方框

16、图 1 1信息类别信息类别 需要采集的信息按性质可分为：数据、图像、语音三种类型。从信息所反映的功能可归属为：交通流、环境干扰、设备状态三大类。具体划分见表2-4。2.5 2.5 交通监控信息采集交通监控信息采集表2-4 需要采集的信息分类 2 2采集点的选择采集点的选择 目前的办法是以点代线、以点代面。采集有限个点的信息，用这些点的信息估计道路的全部信息。 信息采集点的选择很重要，原则上应按照信息特点选择： 首先，采集点本身的信息应具有比较重要的意义； 其次，该点外界干扰少，检测提供的信息精度较高； 第三，通过它能够相对准确地估计其它各点的信息。图图2-4 2-4 信息采集装置沿路段布设示意

17、图信息采集装置沿路段布设示意图 3 3信息采集方法信息采集方法 采集交通流信息主要是检测车辆，将车辆存在和运动状况转换成电信号输出。车辆是一个含有大量铁构件、有质量、有几何形状的实体，并具有一定的光、热、电的物理特性。根据这些特点结合目前成熟技术，车辆检测有下列几种方法： （1）磁性检测 （2）超声检测 （3）电磁波检测 （4）热检测 （5）质量检测 （6）视频图像检测 （7）外形检测2.6 2.6 信息处理信息处理 1 1处理的必要性处理的必要性 采集到的原始信息不可避免的要混入噪声。所谓噪声是指信噪声是指信息采集过程中，存在各种干扰，使采集到的信息偏离真值，出现息采集过程中，存在各种干扰，

18、使采集到的信息偏离真值，出现一个不可忽略的小量误差。一个不可忽略的小量误差。 检测误差 车辆未通过传感器(如环形线圈)中心部分，而是在其作用范围附近通过。 系统误差 检测器由传感、转换和放大等器件组成，构成一个电子系统。系统的电源会有波动，各电子元件也有热噪声，这些因素都使检测信号在真值附近摆动。 环境误差 检测环境往往存在干扰，如大风易使超声信号偏转；浓雾和烟尘会影响光波的通过率；汽油车发动机的点火脉冲高压对电信号产生电磁干扰等。 2 2抑制噪声抑制噪声 (1)(1)模拟滤波模拟滤波 信号和噪声都可以分解为不同频率的正弦信号组合，在噪声和信号频率不相重合的条件下(大多数情况)，可以用电气元件搭成一些网络，让有用的信号以很小的衰减通过此网络；而噪声通过此网络则产生很大的衰减，从而抑制噪声。 (2)(2)数字滤波数字滤波 监控系统绝大多数信号都要转换成数字信号并进入计算机，这就提供了一个通过数字计算改变数字信号，抑制噪声的机会，这种技术称为数字滤波。 3 3统计处理统计处理 采集的原始信号是一辆一辆车的运动信息，监控需要的是交通流的状态信息，即一队车辆在给定的时间间隔内(选定的采样周期)的统计值。图图2-5 2-5 车辆通过环形线圈检测参数变化关系示意图车辆通过环形线圈检测参数变化关系示意图 4 4参数和状态估计参数和状态估计 交通流是一条长带形