道路交通預(yù)警精度優(yōu)化研究

道路交通預(yù)警精度優(yōu)化研究

1交通安全監(jiān)控關(guān)聯(lián)模型道路事故造成的損害和損失已成為全世界的社會(huì)問(wèn)題。近年來(lái),交通事故的預(yù)防逐步得到學(xué)者和安全研究專家的廣泛關(guān)注,并取得了一些研究成果。文獻(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù),建立一種城市交通流量狀態(tài)時(shí)空關(guān)聯(lián)模型,該模型可以對(duì)多源物聯(lián)網(wǎng)傳感器進(jìn)行感知和反應(yīng),可以根據(jù)需要和單目標(biāo)跟蹤實(shí)現(xiàn)城市交通流量的實(shí)時(shí)分流引導(dǎo)和預(yù)測(cè)。文獻(xiàn)用系統(tǒng)論的方法對(duì)道路交通安全進(jìn)行系統(tǒng)研究,基于應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)管理理論研究、分析和解決交通安全問(wèn)題。文獻(xiàn)分析了我國(guó)交通現(xiàn)狀后,分析了建立交通安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警與應(yīng)急管理機(jī)制的必要性,并對(duì)交通安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警與應(yīng)急管理機(jī)制做了深入的分析和研究。因此本文在文獻(xiàn)研究成果的基礎(chǔ)上,采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),提出一種交通流量監(jiān)測(cè)、交通擁塞預(yù)測(cè)和安全應(yīng)急管理技術(shù),旨在有效降低交通安全事故發(fā)生率,提前消除交通安全隱患,為交管部門(mén)的監(jiān)管及事故處理,駕駛員、行人等出行提供實(shí)時(shí)可行的參考方案。2交通監(jiān)測(cè)機(jī)制的原理2.1交通流監(jiān)測(cè)機(jī)制汽車(chē)在道路上連續(xù)行駛形成的車(chē)流。廣義上還包括其它車(chē)輛的車(chē)流和人流。在某段時(shí)間內(nèi),在不受橫向交叉影響的路段上,交通流呈連續(xù)流狀態(tài);在遇到路口信號(hào)燈管制時(shí),呈斷續(xù)流狀態(tài)。交通流理論是運(yùn)用物理和數(shù)學(xué)的定律來(lái)描述交通特性的一門(mén)邊緣學(xué)科。它的應(yīng)用能更好地解析交通現(xiàn)象及其本質(zhì),使道路發(fā)揮最大功效.作為交通工程學(xué)的基礎(chǔ)理,多年來(lái)交通流理論廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸工程的許多研究領(lǐng)域:如交通規(guī)劃、交通控制道路與交通工程設(shè)施設(shè)計(jì)等方面。本節(jié)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),建立交通狀況監(jiān)測(cè)機(jī)制;同時(shí)基于二維馬爾科夫鏈時(shí)空模型,建立針對(duì)不同交通安全問(wèn)題的應(yīng)對(duì)管理方案。2.2交通流監(jiān)測(cè)模型框架因?yàn)榻煌ò踩[患和交通事故的發(fā)生集中于交通擁塞狀態(tài),所以本節(jié)針對(duì)交通擁塞的特點(diǎn),采用一種交通流體模型表示交通狀態(tài),采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),搜集擁塞時(shí)的實(shí)時(shí)交通信息,依據(jù)流模型對(duì)交通流狀態(tài)的疏密變化模擬為波傳播進(jìn)行解析,對(duì)于擁塞時(shí)的車(chē)輛類型及其走向模擬為密集型流體建立速度、加速度和密度三維狀態(tài)進(jìn)行分析,實(shí)時(shí)監(jiān)控交通狀態(tài)?；谖锫?lián)網(wǎng)的交通狀態(tài)監(jiān)測(cè)模型,包括安裝在交通燈處的傳感器節(jié)點(diǎn)、簇頭節(jié)點(diǎn)及接收匯聚數(shù)據(jù)的基站,基站具有存儲(chǔ)大量實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和交通流量分析服務(wù)器以及向各種類型車(chē)輛提供實(shí)時(shí)交通流量反饋信息功能。對(duì)于規(guī)模較大的主干道和交通路口,為了便于管理和數(shù)據(jù)采集,以及節(jié)省車(chē)載傳感器節(jié)點(diǎn)的能量,進(jìn)行分簇管理,對(duì)于每一個(gè)分簇區(qū)域,可以讓具有固定路線和運(yùn)行規(guī)律的公交車(chē)或者流動(dòng)的交管部門(mén)部署的流量采集、監(jiān)控車(chē)擔(dān)當(dāng)分簇內(nèi)的簇頭節(jié)點(diǎn),該節(jié)點(diǎn)具有發(fā)布洪泛消息的能力,其節(jié)點(diǎn)能量可以認(rèn)為是十分充足的。交通道路上的各種類型車(chē)輛上安裝的車(chē)載傳感器可以實(shí)時(shí)的加入不同的分簇,向不同的簇頭節(jié)點(diǎn)發(fā)布采集數(shù)據(jù)及獲得實(shí)時(shí)交通反饋信息和交管部門(mén)發(fā)布的控制信息等,以便實(shí)現(xiàn)對(duì)交通狀況的整體監(jiān)控和實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行綜合分析。監(jiān)測(cè)模型框架如圖1所示。圖1給出了一個(gè)交通路口處的監(jiān)測(cè)架構(gòu)。其中有2個(gè)分簇:區(qū)域1和2,簇頭節(jié)點(diǎn)分別由兩輛公交車(chē)1和2擔(dān)當(dāng)。分簇區(qū)域1中,因?yàn)榇仡^節(jié)點(diǎn)公交車(chē)1與簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)其他車(chē)輛1的走向在交通路口發(fā)生變化,而此時(shí)公交車(chē)2的走向與其他車(chē)輛1相同,因此當(dāng)路過(guò)此處交通路口后,其他車(chē)輛1經(jīng)過(guò)重新分簇加入了分簇區(qū)域2。其他情況與此類似。根據(jù)圖1中所示監(jiān)控區(qū)域,假設(shè)交通流監(jiān)測(cè)分簇區(qū)域1的二維平面M的面積為一個(gè)定值,該值與交通流密度之間具有一定比例的壓力關(guān)系。因此,分簇區(qū)域1的一段截面N與N+△N之間根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)法則可得式(1)。iMΔNdvdt=?c2N?i?NΔN+o(ΔN)(1)iΜΔΝdvdt=-c2Ν?i?ΝΔΝ+o(ΔΝ)(1)其中,c是常數(shù)。當(dāng)ΔN→0,Δt→0時(shí),交通流中速度與密度的關(guān)系如式(2)所示。?(iv)?N=(v+idvdt)?i?N(2)?(iv)?Ν=(v+idvdt)?i?Ν(2)根據(jù)加速度與速度之間的導(dǎo)數(shù)關(guān)系可得加速度與密度的關(guān)系如式(3)所示。?(ia)?N=((v+Δt)+id(dvdt)dt)?i?N(3)?(ia)?Ν=((v+Δt)+id(dvdt)dt)?i?Ν(3)其中,a表示加速度。2.3基于馬爾科夫鏈的時(shí)空模型針對(duì)不同的交通安全隱患及交通事故建立交通安全應(yīng)急管理機(jī)制顯得十分必要。建立應(yīng)急管理機(jī)制后,①可以準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地預(yù)測(cè)未來(lái)交通流量、可能擁塞的區(qū)域及其時(shí)間等交通運(yùn)行趨勢(shì);②可以及時(shí)搜集實(shí)時(shí)交通的信息數(shù)據(jù),并進(jìn)行解析可能造成交通擁塞和事故的因素進(jìn)行預(yù)測(cè)和判斷;③可以為交通管理部門(mén)提供科學(xué)的、有效性的調(diào)控應(yīng)急管理參考方案。因此利用二維馬爾科夫鏈模型建立時(shí)間-空間模型,對(duì)交通狀況在時(shí)間和空間上進(jìn)行解析并給出可行的解決方案。將交通流中的所有車(chē)輛運(yùn)行情況分為兩方面,一是其在整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域及分簇區(qū)域內(nèi)的運(yùn)行時(shí)間即時(shí)間信息;另一方面是其在監(jiān)測(cè)區(qū)域或分簇區(qū)域內(nèi)的地理位置信息即空間信息。為便于分析,本文做如下假設(shè):1)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)每個(gè)車(chē)載傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的采集到的數(shù)據(jù)封裝后的數(shù)據(jù)包大小相同,且每個(gè)數(shù)據(jù)包包含時(shí)間和空間信息;2)一定數(shù)量的車(chē)輛以相同的概率向每個(gè)交通燈處集結(jié),且相互獨(dú)立;交通流量處于飽和狀態(tài),每個(gè)車(chē)載傳感器節(jié)點(diǎn)在離開(kāi)一個(gè)分簇區(qū)域后,以相同的概率加入另一個(gè)分簇區(qū)域,且簇頭節(jié)點(diǎn)即公交車(chē)以一定的概率在交通燈處設(shè)置與上一次不同的走向,則該二維馬爾科夫鏈時(shí)空模型如圖2所示。其中,po表示某車(chē)載傳感器節(jié)點(diǎn)無(wú)法通過(guò)交通擁塞點(diǎn)的概率,水平方向表示該節(jié)點(diǎn)距離擁塞點(diǎn)的距離,最大值為X,即從該距離處即開(kāi)始應(yīng)急管理,垂直方向表示該節(jié)點(diǎn)行駛至擁塞點(diǎn)處所消耗的時(shí)間,當(dāng)該時(shí)間階段至最大表示已進(jìn)入擁塞區(qū)域,則表示已無(wú)法進(jìn)行管理,可能發(fā)生事故。從時(shí)間上看,每一階段以P(X,Y)概率靠近擁塞點(diǎn)。交管部門(mén),根據(jù)交通管理中心服務(wù)器,定位到交通擁塞區(qū)域,對(duì)搜集到的該區(qū)域的流量數(shù)據(jù)進(jìn)行解析,根據(jù)交通流的速度、加速度和密度三維關(guān)系,對(duì)二維馬爾科夫鏈時(shí)空模型的X和Y值進(jìn)行賦值,把分析后的結(jié)果即應(yīng)急管理參考方案發(fā)布給交通擁塞點(diǎn)附近的車(chē)載傳感器節(jié)點(diǎn),并根據(jù)該節(jié)點(diǎn)(Y,Y)值發(fā)出不同級(jí)別的提示和警示信息,預(yù)先避免事故的發(fā)生,提前去除安全隱患。3安全預(yù)警指標(biāo)的定量指標(biāo)插值法交通安全影響因素除了各種類型的車(chē)輛之外,還有行人、自形車(chē)等其它因素,因此本節(jié)根據(jù)2節(jié)中所建立的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的交通狀況監(jiān)測(cè)機(jī)制以及基于二維馬爾科夫鏈時(shí)空模型應(yīng)急管理方案,建立基于不同交通安全預(yù)警指標(biāo)實(shí)時(shí)、可靠的交通安全預(yù)警及應(yīng)急管理技術(shù)。對(duì)于安全預(yù)警指標(biāo)本文采用定量指標(biāo)處理,即基于最小二乘法的線性插值法處理,正向指標(biāo)處理過(guò)程如下所述,負(fù)向指標(biāo)同理。δ表示經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值,以此為依據(jù),分別用δ的均值E(δ)表示“很安全”情況,用δ的方差值D(ε)表示“很危險(xiǎn)”情況,形如式(4)所示。E(δ)=β/γ,D(δ)=β/γ2(4)假設(shè):E(Y)=φ,D(Y)=ν(5)則:E(δ)=(1-ζ)E(Y)=(1-ζ)φD(δ)=(1-ζ2)D(Y)=(1-ζ2)υ(6)參數(shù)δ和ζ可由式(4)和(6)得到,形如式(7)所示。δ=(1-τ)φ2((1+τ)?),ζ=φ/((1+τ)?)(7)綜上,可以通過(guò)最小二乘法估計(jì)插值法判定當(dāng)前交通狀況的安全級(jí)別,如式(8)所示。從車(chē)載傳感器節(jié)點(diǎn)、簇頭節(jié)點(diǎn)和基站三方面描述交通安全預(yù)警及應(yīng)急管理技術(shù)工作流程,如圖3所示。4交通道路使用飽和度仿真本節(jié)針對(duì)圖1所示的交通狀態(tài)及交通環(huán)境,采用NS-2仿真的方法結(jié)合式(1)、(2)、(3)、(7)和(8)對(duì)本文提出的交通安全預(yù)警及應(yīng)急管理技術(shù)(本文記為IOT-EWM)在擁塞段車(chē)輛排隊(duì)長(zhǎng)度、交通燈處流量對(duì)比和該段交通道路利用率進(jìn)行性能分析與評(píng)價(jià)。交通監(jiān)測(cè)道路區(qū)域范圍設(shè)定為800米*1000米,仿真時(shí)間為1000秒,隨機(jī)部署50個(gè)車(chē)載傳感器節(jié)點(diǎn),10個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn),1個(gè)基站。仿真中,設(shè)定車(chē)載傳感器節(jié)點(diǎn)和簇頭節(jié)點(diǎn)具有相同的發(fā)射功率和數(shù)據(jù)通信半徑。基站節(jié)點(diǎn)因位于交通燈處認(rèn)為能量是充足的。數(shù)據(jù)在物聯(lián)網(wǎng)上傳輸時(shí),信道速率為1Mbps,傳播時(shí)延是2μs,封裝后的數(shù)據(jù)包大小為8190比特,基站反饋的控制信息數(shù)據(jù)包大小為400比特,時(shí)間上預(yù)警階段假設(shè)為5個(gè)階段,空間上預(yù)警距離為500米。圖4給出了在擁塞交通燈處,等待的車(chē)輛數(shù)即排隊(duì)長(zhǎng)度。如圖4所示,統(tǒng)計(jì)仿真中交通路口處1000秒內(nèi)道路上的排隊(duì)長(zhǎng)度。顯然,采用IOT-EWM技術(shù)后,當(dāng)交通出現(xiàn)擁塞后,可以及時(shí)預(yù)測(cè)到安全隱患并實(shí)時(shí)給出應(yīng)對(duì)策略,進(jìn)行車(chē)輛運(yùn)行調(diào)控,在保證交通正常運(yùn)行的前提下,減小發(fā)生擁塞的可能性。排隊(duì)長(zhǎng)度在600秒后,呈線性降低。700秒后,擁塞狀況得到緩解后,流量不再降低,呈穩(wěn)定狀態(tài)。圖5給出了交通燈處流量對(duì)比曲線圖。圖6給出了交通燈處交通道路使用飽和度對(duì)比曲線圖。可以發(fā)現(xiàn),在600秒后,出現(xiàn)擁塞現(xiàn)象,IOT-EWM技術(shù)進(jìn)行應(yīng)對(duì)處理后,雖然流量有所降低,但是仍然保持一定數(shù)量的車(chē)輛可以通行,避免了擁堵;而實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果在600秒后,流量迅速降低至零,表明此時(shí)發(fā)生嚴(yán)重的交通擁堵,存在嚴(yán)重的安全隱患,需交管部門(mén)及時(shí)現(xiàn)場(chǎng)處理。5交通流量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與應(yīng)急處理技術(shù)目前交通安全問(wèn)題愈見(jiàn)凸顯,為了降低交通事故造成的損失,及時(shí)消除安全隱患,本文依據(jù)物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)的車(chē)載傳感器節(jié)點(diǎn)、簇頭節(jié)點(diǎn)和基站節(jié)點(diǎn)及其移動(dòng)性采集數(shù)據(jù)、匯聚數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的特點(diǎn),提出了適合交通擁塞