基于交通錄像資料的交通流參數測量和模型研究.pdf

1、目前交通擁擠在全球范圍內已經發(fā)展成為一個非常嚴重的問題。當道路拓寬變得愈加不可能時,科學家們把注意力放在了如何更合理高效地使用現存交通設施上。交通流模型是研究復雜交通現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,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測現象是現有模型無法復制和闡釋的,這就使得交通流研究的重點有必要被放在實測研究上。一方面,交通流模型的設計需要大量的實測交通數據和對真實道路交通

2、的深入調查予以支持,實測數據對確定交通流模型參數來講是必不可少的。另一方面,已有交通流模型的數量之多,需要對各類模型的優(yōu)劣加以比較,這就需要利用實測數據來驗證數值模擬結果。
　　要更好地分析真實交通流的機理和交通擁擠的原因,不僅需要大量實測數據,還需要基于實測數據建立起來的交通流模型,特別重要的是要通過分析車輛個體的微觀數據來研究整體車流的發(fā)展變化。著名的基于實測的交通流模型研究可以追溯到上世紀九十年代,Kemer、Helbing

3、等人利用埋設于路面下的環(huán)形線圈,在1996年至2001年問對德國A5公路上獲取實際車輛數據,并提出了“三相交通流”模型以及一系列非線性復雜交通流理論。必須指出,環(huán)形線圈的直接輸出通常是車速和一段時間內通過線圈上方的車輛數即流量,而交通流模型中需要的密度數據是根據流量和車速來間接得到的,由于流量總是一個時間平均概念,所以密度也是時間平均值,密度和速度數據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據從而克服

4、上述困難。本文設計了一種基于定點拍攝的錄像資料,以檢測車輛上某些代表性點在不同時刻的位置為主要目標的實用性交通流參數測量方法,編寫了實現該方法的計算機程序。應用該測量系統(tǒng)能夠提取錄像畫面上車輛的車頭間距和速度數據,其中車頭間距的倒數能獲得密度數據,而車速則通過車輛在短時間兩幀視頻圖像內的位移除以時間間隔獲得,這樣每個速度數據都能和一個即時密度數據對應起來。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,大大減少了計算量,提高了計算速度,能夠有效地實現各種復雜交通條件下的交通實測,使一維車輛檢測技術獲得了從未有過的成功應用,其創(chuàng)新性和對于交通流研究的價值都很高。
　　通過對中國幾個典型大城市不同快速路段的實際交通過程長時間連續(xù)拍攝錄像,采用基于一維掃描線方法的計算機程序,采集到視頻資料中“車速-車頭間距”數據對210920組,建立了一個國內外交通流模型研究歷史上從未有過的大樣本微觀“跟車”交通實測數據庫。根據實測數

6、據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出現“密度倒置”現象。實測數據轉換得到“流量-密度”基本圖,存在整個密度變化范圍里都呈現非線性特征的類型。在小間距數據中,發(fā)現存在超過7％的“高速跟馳”車輛。迄今為止,尚未有國內外其他研究者發(fā)表過類似本文的如此大樣本的微觀“跟車”交通流數據,所以這些數據本身可能比已經得到的結論更加重要,它們將為其他研究者提供重要的

7、研究基礎。
　　應用上述實測數據對多種交通流速密關系模型進行比較研究發(fā)現,應用一維管流模型進行我國城市高速路交通流參數計算,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,推導了一個一維管流模型在比較一般初值下的解析解,利用這個解析解構造了若干個算例進行數值計算。數值試驗結果表明,這一格式一般具有二階時間精度和三階空間精度,當參數特殊取值時能夠達到四階空間精