基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的降雨條件交通疏導(dǎo)方法研究

（吉林建筑科技學(xué)院，吉林長春 130014）

降雨天氣對城市交通的影響極為不利，最直接的影響是導(dǎo)致交通事故發(fā)生數(shù)量增加。相關(guān)研究表明，降雨造成的交通安全事故占總交通安全事故的35%左右，降雨不僅會嚴(yán)重影響駕駛?cè)藛T的視線，還會導(dǎo)致路面與汽車輪胎的摩擦力降低，造成駕駛?cè)嗽谶M(jìn)行剎車操作時(shí)，極易出現(xiàn)汽車打滑的情況。此外，駕駛?cè)嗽谝归g行車時(shí)，也會受到路面積水反射影響，造成駕駛?cè)藛T視線受阻。因此，如何有效降低降雨對道路交通的不利影響，成為近些年學(xué)者研究的重點(diǎn)課題。目前，針對降雨條件的相關(guān)研究，現(xiàn)有的道路通行能力分析方法與計(jì)算方法已經(jīng)不能滿足社會發(fā)展需求，影響因素分析也亟須改進(jìn)，以滿足社會日益發(fā)展的需求。

1 數(shù)據(jù)驅(qū)動控制理論

數(shù)據(jù)驅(qū)動控制概念最早緣于計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，進(jìn)入20世紀(jì)后，學(xué)者們開始嘗試將數(shù)據(jù)驅(qū)動控制理論應(yīng)用于道路交通行業(yè)。目前，相關(guān)的研究雖然較多，但不同的學(xué)者使用的名詞各不相同。

21世紀(jì)初期，我國學(xué)者首次提出了精確的數(shù)據(jù)驅(qū)動控制定義，即“控制器設(shè)計(jì)不包含受控過程數(shù)學(xué)模型信息，僅利用受控系統(tǒng)的在線和離線I/O數(shù)據(jù)以及經(jīng)過數(shù)據(jù)處理而得到的知識來設(shè)計(jì)控制器，并在一定的假設(shè)下，有收斂性、穩(wěn)定性保障和魯棒性結(jié)論的控制理論與方法”。

經(jīng)過近些年發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者在數(shù)據(jù)驅(qū)動控制方法方面的研究得到長足進(jìn)步，如PID控制、迭代學(xué)習(xí)控制、迭代反饋整定、虛擬參考反饋整定自抗擾控制等。上述算法具有相同特點(diǎn)，即進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)時(shí)不需要借助系統(tǒng)模型信息，只借助系統(tǒng)I/O信息數(shù)據(jù)即可。

與傳統(tǒng)需要基于模型控制器相比，新算法具有更簡單的結(jié)構(gòu)、運(yùn)算更小的便利性。上述幾種數(shù)據(jù)驅(qū)動控制算法是現(xiàn)階段使用最廣泛的理論，已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域中得到推廣與使用，為行業(yè)的發(fā)展提供了巨大助力。

2 降雨天氣城市交通擁堵基本特征

2.1 交通擁堵特性

交通行為是城市每一個(gè)人參與的活動，不同個(gè)體存在不同的行為目標(biāo)，不同交通環(huán)境中的個(gè)體均有不同的判斷與估計(jì)，在交通活動中，會盡可能優(yōu)化自身目標(biāo)。因此，所有個(gè)體的行為均會對當(dāng)前道路交通狀態(tài)造成影響。每一個(gè)交通參與者個(gè)體所產(chǎn)生的交通行為是不確定且難以預(yù)測的，道路交通擁堵具有隨機(jī)、動態(tài)、不確定等特點(diǎn)。

（1）層次性。

從宏觀角度分析，道路交通系統(tǒng)是一個(gè)整體系統(tǒng)，由若干個(gè)不同的元素所構(gòu)成。道路交通系統(tǒng)是一個(gè)典型的復(fù)雜系統(tǒng)，子系統(tǒng)包括道路交通系統(tǒng)、交通信號系統(tǒng)以及交通管理系統(tǒng)等，各子系統(tǒng)按照不同的組成部分又能劃分為不同的結(jié)構(gòu)。因此，道路交通擁堵產(chǎn)生的原因可能是道路設(shè)計(jì)存在缺陷，造成交通擁堵。

在日常的生活中，如果監(jiān)測系統(tǒng)不能有效對道路交通的實(shí)時(shí)動態(tài)變化進(jìn)行監(jiān)測，需要通過交通管理系統(tǒng)、交通信號系統(tǒng)對道路交通的擁堵進(jìn)行判定。

（2）時(shí)空性。

道路交通出現(xiàn)擁堵現(xiàn)象與時(shí)間、空間存在直接聯(lián)系，簡單的原發(fā)性交通擁堵也具有潛在擁堵傳播途徑，導(dǎo)致在實(shí)際應(yīng)用中，極易出現(xiàn)一個(gè)交通擁堵問題造成道路交通網(wǎng)整體發(fā)生嚴(yán)重?fù)矶卢F(xiàn)象，且各個(gè)擁堵現(xiàn)象之間存在一定聯(lián)系，相互作用。

在不同時(shí)空條件下，相同的道路交通擁堵原因與種類也會產(chǎn)生不同的結(jié)果，時(shí)空性是交通擁堵的重要特征，也反映出道路交通具有可預(yù)測性。

（3）不確定性。

道路交通系統(tǒng)運(yùn)行的過程中存在許多不確定因素，如事件的突發(fā)性、管理水平等，使得交通狀態(tài)監(jiān)測、控制中具有許多含義不清晰的概念。道路交通擁堵現(xiàn)象的出現(xiàn)與時(shí)間存在相關(guān)性，由道路交通系統(tǒng)的動態(tài)性決定。道路交通的擁堵在一定限度上還存在相對性。

例如，在對道路交通擁堵程度進(jìn)行分析時(shí)如果使用不同方法進(jìn)行劃分，產(chǎn)生的結(jié)果也會存在差異性。因此，道路交通擁堵分析具有相關(guān)性特點(diǎn)。

2.2 交通擁堵空間分布模型

基于時(shí)空角度對道路交通擁堵的演化過程進(jìn)行分析時(shí)，將道路交通系統(tǒng)簡化為由一條條線路組成的網(wǎng)，由于某種原因的出現(xiàn)，導(dǎo)致線路上的車輛不斷向后延伸。道路擁堵情況發(fā)生在道路交通網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵部位時(shí)，道路交通擁堵現(xiàn)象會逐漸蔓延開，對其他線路的通行造成不良影響，最終導(dǎo)致道路交通網(wǎng)整體都出現(xiàn)擁堵。

城市路網(wǎng)如圖1所示。

圖1 城市路網(wǎng)示意圖

粗線部分表示道路出現(xiàn)擁堵現(xiàn)象，陰影節(jié)點(diǎn)表示的是產(chǎn)生擁堵的道路岔口。圖1中道路交通網(wǎng)所形成的交通擁堵空間分布表征直白，便于理解。我國大多數(shù)城市的道路均采用南北與東西縱橫這種形式，且默認(rèn)在交叉路口區(qū)域直行車輛占比較大。

3 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的降雨條件交通疏導(dǎo)與管理方法

3.1 常發(fā)性交通堵塞的處理流程

常發(fā)性交通擁堵是道路交通中最常見的一種道路交通擁堵現(xiàn)象，主要指未曾出現(xiàn)任何交通異常的狀態(tài)下，道路交通供給的不足所造成的道路交通擁堵問題。解決常發(fā)性交通擁堵問題時(shí)，首先應(yīng)由決策系統(tǒng)基于獲取到的道路交通信息數(shù)據(jù)，并通過人為干涉進(jìn)行判斷，對道路交通擁堵部分進(jìn)行調(diào)整。例如可以通過采用分流、疏導(dǎo)等措施減輕擁堵情況。

3.2 突發(fā)性不可預(yù)見交通堵塞的處理流程

突發(fā)性不可預(yù)見交通堵塞指道路交通參與者個(gè)體在進(jìn)行交通行為的過程中，發(fā)生交通事故、車輛故障無法行駛等突發(fā)性、可能引發(fā)道路交通擁堵的現(xiàn)象。突發(fā)性不可預(yù)見交通堵塞是由交通參與者個(gè)體引發(fā)的一種突發(fā)性事件，因此道路交通的管理與疏導(dǎo)者無法提前獲取有效的預(yù)測信息。出現(xiàn)突發(fā)性不可預(yù)見交通堵塞問題后，可以在采取第一種擁堵疏導(dǎo)措施的基礎(chǔ)上，提高對突發(fā)性事件的處理效率，盡快恢復(fù)道路交通的供給能力。

3.3 突發(fā)性可預(yù)見交通擁堵的處理流程

突發(fā)性可預(yù)見交通擁堵主要指一些大型活動對正常的道路交通運(yùn)行造成了壓力，如季節(jié)性旅游、大型集會等。突發(fā)性可預(yù)見交通擁堵通常具有明顯的節(jié)點(diǎn)現(xiàn)象，道路交通管理者與疏導(dǎo)人員雖然不能準(zhǔn)確地對將要發(fā)生擁堵的時(shí)間、地點(diǎn)等進(jìn)行精確預(yù)測，但可提前采取有效的控制措施，如優(yōu)化原有的交通控制方案、通過新媒體手段法保護(hù)相關(guān)的警示疏導(dǎo)信息等，均能有效減少突發(fā)預(yù)見性道路交通擁堵現(xiàn)象，甚至在高效合理的手段下，規(guī)避突發(fā)性可預(yù)見交通擁堵現(xiàn)象的產(chǎn)生。針對突發(fā)性可預(yù)見交通擁堵問題，在采取交通控制手段時(shí)，過于依賴疏導(dǎo)人員的專業(yè)知識。

4 應(yīng)用實(shí)例的試驗(yàn)驗(yàn)證

降雨天氣，駕駛?cè)藛T的視線、能見度下降，地面的積水等均會對車輛的駕駛造成不良影響。結(jié)合道路交通管理經(jīng)驗(yàn)以及交通疏導(dǎo)與管理方法，提出在不同降雨條件下，應(yīng)根據(jù)不同降雨環(huán)境設(shè)置不同的限速，實(shí)行動態(tài)限速，降低降雨對車輛行駛造成的不良影響。

（1）車速控制管理。

VSL的應(yīng)用對提升道路交通網(wǎng)運(yùn)行的通暢性具有重要意義，可變限速情報(bào)工作原理如圖2所示。

圖2 可變限速情報(bào)工作原理圖

（2）降雨條件下動態(tài)限速設(shè)置。

降雨條件下設(shè)置限速對提升車輛運(yùn)行的安全性、通暢性具有積極意義。在實(shí)踐中，如果設(shè)置的限速標(biāo)準(zhǔn)過低，不能起到預(yù)防交通事故導(dǎo)致道路交通擁堵的作用；限速標(biāo)準(zhǔn)過高，不利于道路交通供給的實(shí)現(xiàn)。因此，在實(shí)踐應(yīng)用中應(yīng)結(jié)合道路的實(shí)際車載流量、路況等參數(shù)進(jìn)行確定。

除了事件影響度外，車輛總行程時(shí)間、平均擁堵時(shí)間、速度等均有所改善。綜上，提出的基于車速控制管理、動態(tài)限速設(shè)置在降雨條件下能夠有效地提升車輛運(yùn)行效率，且在降低事故發(fā)生概率以及事件影響度方面也有明顯進(jìn)步。

5 結(jié)語

不同降雨條件具有不同的分布特性與計(jì)算模型，結(jié)合降雨強(qiáng)度、車輛行駛過程中的能見度等，對車輛駕駛行為進(jìn)行了分析，并制定道路通行能力影響的降雨天氣動態(tài)限速法，為減緩降雨對道路行駛帶來的不良影響提供依據(jù)。