基于斷面交通數(shù)據(jù)的特長(zhǎng)隧道車輛軌跡預(yù)測(cè)方法研究

盧俊朋 車?yán)?/p>

摘 要：隨著我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)模不斷擴(kuò)大，隧道群和特長(zhǎng)隧道數(shù)量逐步增加。由于隧道運(yùn)行環(huán)境相對(duì)封閉，發(fā)生事故后交通疏導(dǎo)和事故救援難度大，且多數(shù)隧道在車輛運(yùn)行監(jiān)測(cè)方面并不完備，因此研究隧道內(nèi)車輛運(yùn)行軌跡、掌握不同個(gè)體車輛間的跟馳特性尤為重要。本文首先從車輛跟馳模型研究現(xiàn)狀進(jìn)行梳理，分析車輛跟馳模型已有研究的缺陷及挑戰(zhàn);其次，結(jié)合斷面交通數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)，基于特長(zhǎng)隧道特征分析、車輛運(yùn)行軌跡特征分析，提出車輛軌跡預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建思路和流程。

關(guān)鍵詞：跟馳模型;車輛軌跡預(yù)測(cè);斷面交通數(shù)據(jù)

中圖分類號(hào)：U491 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

隧道因運(yùn)行環(huán)境相對(duì)封閉，發(fā)生事故后交通疏導(dǎo)和事故救援難度大，易造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，因此科學(xué)合理的隧道交通監(jiān)管技術(shù)就顯得尤為重要。精準(zhǔn)實(shí)時(shí)地預(yù)測(cè)隧道內(nèi)各個(gè)體車輛的運(yùn)行軌跡，能夠?yàn)榻煌ü芾聿块T實(shí)時(shí)掌握隧道內(nèi)車輛運(yùn)行狀態(tài)、對(duì)管控方案做出動(dòng)態(tài)調(diào)整提供幫助。

車輛運(yùn)行軌跡的預(yù)測(cè)離不開對(duì)車與車之間關(guān)系的研究。車輛處于自由行駛狀態(tài)下時(shí)，車輛的運(yùn)行相對(duì)平穩(wěn)，車速只與駕駛員自身意愿相關(guān);車輛處于非自由行駛狀態(tài)下時(shí)，車隊(duì)中任一輛車的車速都受前車速度的制約，即車輛處于跟馳狀態(tài)。車輛跟馳模型通常描述的是無法超車的同一車道中相鄰車輛間的相互作用，基于跟馳模型對(duì)特長(zhǎng)隧道內(nèi)不可變道條件下車輛的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行研究是較為適宜的。

1 車輛跟馳模型研究現(xiàn)狀

國(guó)外的學(xué)者對(duì)車輛跟馳模型進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，主要可以分為以下幾類：刺激—反應(yīng)模型，安全距離模型，生理—心理模型。近年來，又涌現(xiàn)出模糊推理模型和元胞自動(dòng)機(jī)模型。

1.1 刺激—反應(yīng)模型

車輛跟馳理論的中心思想是：反應(yīng)=靈敏度*刺激。Aron[1]通過分析一般條件下的跟馳數(shù)據(jù)，把后車駕駛員的反應(yīng)分為減速、穩(wěn)定跟馳和加速三個(gè)階段。凌代儉[2]等考慮時(shí)滯效應(yīng)對(duì)車流的影響，選取車頭時(shí)距和相對(duì)速度為變量，構(gòu)建了改進(jìn)后的跟馳模型。刺激—反應(yīng)模型具有開創(chuàng)意義，許多后期的跟馳模型都在此基礎(chǔ)上建立。

1.2 安全距離模型

安全距離模型[3]最初由Kometani和Sasaki[4]提出，該模型最基本的關(guān)系并非GM模型所倡導(dǎo)的刺激—反應(yīng)關(guān)系，而是尋找一個(gè)特定的跟馳距離。曲昭偉[5]等針對(duì)最優(yōu)速度（OV）模型及其相關(guān)衍生模型假設(shè)安全距離恒定的缺陷，提出了基于最優(yōu)速度模型的改進(jìn)安全距離跟馳模型。

1.3 生理—心理模型

生理—心理模型用一系列閾值和期望距離體現(xiàn)人的感覺和反應(yīng)，在不同的值域，后車與前車存在不同的影響關(guān)系。行為閾值模型的缺點(diǎn)在于模型的參數(shù)較多，子模型之間的相互關(guān)系比較復(fù)雜，并且對(duì)于各種閾值的調(diào)查觀測(cè)比較困難。

1.4 模糊推理模型

基于模糊推理的車輛跟馳模型主要通過推理駕駛員未來的邏輯階段來研究駕駛員的駕駛行為，核心仍是刺激—反應(yīng)關(guān)系。近些年來在該領(lǐng)域的一些研究主要包括：Rekersbrink[6]模糊化了的MISSION模型;Henn[7]TRAFFIC—JAM模型。

1.5 元胞自動(dòng)機(jī)模型

元胞自動(dòng)機(jī)模型對(duì)交通系統(tǒng)的描述實(shí)踐了一種用離散化模型描述離散化問題的思想，避免了流動(dòng)比擬下確定性方程的嚴(yán)格假設(shè)及求解離散化對(duì)真實(shí)信息的損失。但該模型的假設(shè)與實(shí)際的駕駛行為還存在著較大的差距，如何將該模型與交通實(shí)際聯(lián)系起來，還需要做大量的工作。

1.6 現(xiàn)有研究的缺陷

現(xiàn)有跟馳模型研究存在以下缺陷：

（1）模型的通用性較差，各類限制條件較多。（2）理論上的假設(shè)在模型的建立中是合乎情理的，但與實(shí)際情況存在著差異。（3）實(shí)際運(yùn)行中跟馳行為受道路和流量等多種條件的影響，而大多模型中忽略了其影響，只考慮了個(gè)別因素的作用。

2 研究熱點(diǎn)與面臨的挑戰(zhàn)

2.1 研究熱點(diǎn)

精準(zhǔn)實(shí)時(shí)地預(yù)測(cè)車輛在隧道內(nèi)行駛的軌跡參數(shù)，對(duì)于提前預(yù)測(cè)和研判交通態(tài)勢(shì)尤為重要，通過預(yù)測(cè)車輛未來時(shí)刻的軌跡信息，能夠有效評(píng)估駕駛安全性和舒適性。精準(zhǔn)預(yù)測(cè)車輛運(yùn)行軌跡，有利于隧道監(jiān)管者實(shí)時(shí)掌握個(gè)體車輛及交通流運(yùn)行狀態(tài)。

2.2 車輛軌跡預(yù)測(cè)面臨的挑戰(zhàn)

（1）個(gè)體車輛在各時(shí)刻運(yùn)動(dòng)的不均衡性。在不同交通流狀態(tài)下，個(gè)體車輛的運(yùn)動(dòng)特征具有不均衡性。在自由流狀態(tài)下，同一個(gè)體車輛的速度相對(duì)穩(wěn)定，速度特征只與駕駛員意愿相關(guān);在非自由流狀態(tài)下，同一個(gè)體車輛的速度特征與自由流狀態(tài)下的速度特征有明顯不同。

（2）不同個(gè)體車輛之間在各時(shí)刻運(yùn)動(dòng)的不均衡性。在不同交通流狀態(tài)下，不同個(gè)體車輛的運(yùn)動(dòng)特征具有不均衡性。在自由流狀態(tài)下，不同個(gè)體車輛的速度特征具有多樣性與差異性;在非自由流狀態(tài)下，相鄰兩車中后隨車的速度和其縱向位置受前導(dǎo)車的影響，后隨車駕駛員通過加、減速力圖保持同前車的安全間距，并以此對(duì)前導(dǎo)車的動(dòng)作做出反應(yīng)。

3 斷面交通數(shù)據(jù)環(huán)境

3.1 斷面交通數(shù)據(jù)特征

固定型的斷面交通檢測(cè)設(shè)備被用來采集道路斷面的交通流量、速度、車頭間距等數(shù)據(jù)。斷面交通檢測(cè)數(shù)據(jù)具有以下特征：（1）數(shù)據(jù)易提取。（2）數(shù)據(jù)量豐富。（3）數(shù)據(jù)精度高。

3.2 基于斷面交通數(shù)據(jù)的車輛軌跡預(yù)測(cè)的優(yōu)勢(shì)

斷面交通檢測(cè)設(shè)備在公路隧道有較高的覆蓋率，斷面交通數(shù)據(jù)容易獲取且信息完備，通過數(shù)據(jù)清洗和分類篩選，可以較為直觀地分析不同交通環(huán)境下車輛運(yùn)行特征，基于斷面交通數(shù)據(jù)的軌跡預(yù)測(cè)模型實(shí)用性、適應(yīng)性較強(qiáng)。

4 基于斷面交通數(shù)據(jù)的特長(zhǎng)隧道車輛軌跡預(yù)測(cè)模型構(gòu)建

4.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理與指標(biāo)參數(shù)提取

利用隧道側(cè)裝視頻等斷面交通檢測(cè)設(shè)備獲取隧道內(nèi)車輛速度、車流量、車頭間距等數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理后可獲取車輛通過斷面時(shí)的指標(biāo)參數(shù)，為車輛運(yùn)行軌跡特征分析與車輛軌跡預(yù)測(cè)模型建立提供數(shù)據(jù)支撐。

4.2 特長(zhǎng)隧道特征分析

從道路結(jié)構(gòu)、幾何線形、管控方式等方面對(duì)特長(zhǎng)隧道進(jìn)行特征分析研究。

4.3 車輛運(yùn)行軌跡特征分析

基于車輛跟馳模型、斷面交通數(shù)據(jù)，研究不同交通流狀態(tài)下隧道內(nèi)車輛運(yùn)行軌跡的共性規(guī)律，掌握不同個(gè)體車輛間的跟馳特性，為車輛運(yùn)行軌跡預(yù)測(cè)模型構(gòu)建提供理論與數(shù)據(jù)支持。

4.4 車輛運(yùn)行軌跡預(yù)測(cè)模型構(gòu)建

自由行駛狀態(tài)下車輛的運(yùn)行狀態(tài)相對(duì)平穩(wěn)，車速與駕駛員自身意愿相關(guān);而在車輛處于非自由行駛狀態(tài)下時(shí)，車隊(duì)中任一輛車的車速都受前車速度的制約，即車輛處于跟馳狀態(tài)?；谲囕v跟馳理論對(duì)車輛運(yùn)行軌跡預(yù)測(cè)模型進(jìn)行構(gòu)建。

4.5 車輛運(yùn)行軌跡預(yù)測(cè)模型修正

結(jié)合上下游斷面交通流數(shù)據(jù)，判斷上下游交通運(yùn)行態(tài)勢(shì)，對(duì)車輛預(yù)測(cè)模型參數(shù)進(jìn)行修正（如圖1）。

5 結(jié)語

車輛軌跡預(yù)測(cè)的研究在交通流監(jiān)測(cè)與管控方面的研究有所欠缺，且許多已有的車輛軌跡預(yù)測(cè)研究中忽略了車速的變化以及車輛間的跟馳特性影響，在精度與準(zhǔn)度上存在一定不足。依托大量車道斷面數(shù)據(jù)深度發(fā)掘車輛運(yùn)行軌跡特征，構(gòu)建基于斷面交通數(shù)據(jù)的特長(zhǎng)隧道車輛軌跡預(yù)測(cè)模型，精準(zhǔn)預(yù)測(cè)車輛運(yùn)行軌跡，有助于監(jiān)管者實(shí)時(shí)掌握交通流狀態(tài)，為交通管控方案的制定與動(dòng)態(tài)調(diào)整提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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