基于交通錄像資料的交通流參數(shù)測量和模型研究.pdf

1、目前交通擁擠在全球范圍內(nèi)已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)非常嚴(yán)重的問題。當(dāng)?shù)缆吠貙捵兊糜硬豢赡軙r(shí),科學(xué)家們把注意力放在了如何更合理高效地使用現(xiàn)存交通設(shè)施上。交通流模型是研究復(fù)雜交通現(xiàn)象和建立交通控制系統(tǒng)的重要工具。但是盡管新理論層出不窮,傳統(tǒng)模型被不斷改進(jìn),交通擁擠的程度卻在不停上升。此外仍然存在很多特殊的實(shí)測現(xiàn)象是現(xiàn)有模型無法復(fù)制和闡釋的,這就使得交通流研究的重點(diǎn)有必要被放在實(shí)測研究上。一方面,交通流模型的設(shè)計(jì)需要大量的實(shí)測交通數(shù)據(jù)和對真實(shí)道路交通

2、的深入調(diào)查予以支持,實(shí)測數(shù)據(jù)對確定交通流模型參數(shù)來講是必不可少的。另一方面,已有交通流模型的數(shù)量之多,需要對各類模型的優(yōu)劣加以比較,這就需要利用實(shí)測數(shù)據(jù)來驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果。
　　要更好地分析真實(shí)交通流的機(jī)理和交通擁擠的原因,不僅需要大量實(shí)測數(shù)據(jù),還需要基于實(shí)測數(shù)據(jù)建立起來的交通流模型,特別重要的是要通過分析車輛個(gè)體的微觀數(shù)據(jù)來研究整體車流的發(fā)展變化。著名的基于實(shí)測的交通流模型研究可以追溯到上世紀(jì)九十年代,Kemer、Helbing

3、等人利用埋設(shè)于路面下的環(huán)形線圈,在1996年至2001年問對德國A5公路上獲取實(shí)際車輛數(shù)據(jù),并提出了“三相交通流”模型以及一系列非線性復(fù)雜交通流理論。必須指出,環(huán)形線圈的直接輸出通常是車速和一段時(shí)間內(nèi)通過線圈上方的車輛數(shù)即流量,而交通流模型中需要的密度數(shù)據(jù)是根據(jù)流量和車速來間接得到的,由于流量總是一個(gè)時(shí)間平均概念,所以密度也是時(shí)間平均值,密度和速度數(shù)據(jù)間的同步性難以得到保證。
　　交通流視頻能夠提供車輛的微觀密度和速度數(shù)據(jù)從而克服

4、上述困難。本文設(shè)計(jì)了一種基于定點(diǎn)拍攝的錄像資料,以檢測車輛上某些代表性點(diǎn)在不同時(shí)刻的位置為主要目標(biāo)的實(shí)用性交通流參數(shù)測量方法,編寫了實(shí)現(xiàn)該方法的計(jì)算機(jī)程序。應(yīng)用該測量系統(tǒng)能夠提取錄像畫面上車輛的車頭間距和速度數(shù)據(jù),其中車頭間距的倒數(shù)能獲得密度數(shù)據(jù),而車速則通過車輛在短時(shí)間兩幀視頻圖像內(nèi)的位移除以時(shí)間間隔獲得,這樣每個(gè)速度數(shù)據(jù)都能和一個(gè)即時(shí)密度數(shù)據(jù)對應(yīng)起來。本文提出的一維掃描線車輛檢測方法,是上述圖像處理系統(tǒng)的核心,它將傳統(tǒng)的二維檢測區(qū)域

5、縮小為一維線段,大大減少了計(jì)算量,提高了計(jì)算速度,能夠有效地實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜交通條件下的交通實(shí)測,使一維車輛檢測技術(shù)獲得了從未有過的成功應(yīng)用,其創(chuàng)新性和對于交通流研究的價(jià)值都很高。
　　通過對中國幾個(gè)典型大城市不同快速路段的實(shí)際交通過程長時(shí)間連續(xù)拍攝錄像,采用基于一維掃描線方法的計(jì)算機(jī)程序,采集到視頻資料中“車速-車頭間距”數(shù)據(jù)對210920組,建立了一個(gè)國內(nèi)外交通流模型研究歷史上從未有過的大樣本微觀“跟車”交通實(shí)測數(shù)據(jù)庫。根據(jù)實(shí)測數(shù)

6、據(jù)得到的平均車速隨著車頭間距的增大而增大,符合交通流的基本特征。從超車道到交換道,一般平均速度依次下降,但在出口匝道影響下會(huì)出現(xiàn)“密度倒置”現(xiàn)象。實(shí)測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換得到“流量-密度”基本圖,存在整個(gè)密度變化范圍里都呈現(xiàn)非線性特征的類型。在小間距數(shù)據(jù)中,發(fā)現(xiàn)存在超過7％的“高速跟馳”車輛。迄今為止,尚未有國內(nèi)外其他研究者發(fā)表過類似本文的如此大樣本的微觀“跟車”交通流數(shù)據(jù),所以這些數(shù)據(jù)本身可能比已經(jīng)得到的結(jié)論更加重要,它們將為其他研究者提供重要的

7、研究基礎(chǔ)。
　　應(yīng)用上述實(shí)測數(shù)據(jù)對多種交通流速密關(guān)系模型進(jìn)行比較研究發(fā)現(xiàn),應(yīng)用一維管流模型進(jìn)行我國城市高速路交通流參數(shù)計(jì)算,具有比較明顯的優(yōu)勢。本文最后針對一維管流模型方程組,提出了一種在以往交通流研究中尚未見到過的高精度緊致差分格式。另一方面,推導(dǎo)了一個(gè)一維管流模型在比較一般初值下的解析解,利用這個(gè)解析解構(gòu)造了若干個(gè)算例進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果表明,這一格式一般具有二階時(shí)間精度和三階空間精度,當(dāng)參數(shù)特殊取值時(shí)能夠達(dá)到四階空間精