專利名稱：基于交通波理論的高速公路事故的交通影響范圍確定方法
技術領域：
本發(fā)明屬于交通信息及控制領域，涉及一種智能交通技術領域的方法，尤其是一種基于交通波理論的高速公路事故的交通影響范圍確定方法。
背景技術：
高速公路上的交通事故在給人們帶來生命財產損失的同時，也會引起大范圍的交通擁堵，增加車輛油耗和廢氣排放，帶來能源消耗和環(huán)境污染問題。一旦高速公路上發(fā)生交通事故，部分道路就會被占用或者封閉，從而影響道路交通的正常運行，事故發(fā)生地點因此便成為交通瓶頸，道路的通行能力降低使之無法滿足交通需求，進而導致交通擁堵，增加二次事故發(fā)生的可能性。如不及時有效地評估突發(fā)事件對高速公路道路交通運營安全的影響，并讓高速公路上的駕駛員獲悉影響的時間，這種影響往往會從點擴展到面，波及臨近的高速公路，進而影響到整個路網的運輸效率和營運安全，嚴重導致大面積路網擁堵甚至癱瘓。事故影響分析是高速公路系統(tǒng)分析中的一個重要方面，它是實行有效的交通控制、事故快速處理、交通誘導及公路規(guī)劃等的基礎。對事故時空影響范圍進行預算估計，采取有針對性的交通事故處置措施和誘導、控制、疏導等交通管制措施，并通過高速公路信息發(fā)布系統(tǒng)告知高速公路上的行駛者，能避免交通事故造成的交通擁堵現象進一步惡化，有效減輕駕駛員的不舒適度，降低油耗，減小行駛時間損失，為高速公路交通設施與控制方案改善提供重要的定量依據。但是，現有的交通事故影響研究存在一些不足，還無法有效應用于高速公路，主要包括幾下幾方面(1)目前對事故地點引發(fā)的交通影響進行分析的研究較少，研究重點主要集中在對事故的特點、成因分析和預防對策上；( 現階段的事故影響范圍研究主要集中在城市道路中交叉口處的交通事故研究上。由于在高速公路上的車輛運行速度明顯高于交叉口處的車輛，并且高速公路上的運行成分單一，交通流特性十分明顯，所以適合交叉口處的事故影響范圍估算方法并不適合高速公路上的事故影響估算；(3)目前對高速公路交通事故的影響分析主要是確定性排隊分析方法，這種方法雖然分析簡單，使用方便，但是忽略了交通波的擴散速度對交通流各參數的影響，計算結果與實際偏差較大；(4)由于交通檢測技術的局限性，在國際上尚無直接檢測車輛停車、排隊和延誤的方法，傳統(tǒng)的檢測方法多利用視頻檢測技術對道路上交通流量、車流速度和排隊長度進行事后處置，對道路基礎設施依賴性高，無法實時準確地利用檢測技術直接確定交通事故的時空影響范圍。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于針對現有對高速公路事故的交通影響范圍研究中存在的不足及實際需要，提出一種基于交通波理論的高速公路事故的交通影響范圍確定方法。本發(fā)明的一種基于交通波理論的高速公路事故的交通影響范圍確定方法，包括如下步驟步驟一、確定高速公路上的交通流量和車流密度，繪制兩相鄰車道的交通流量-密度圖；步驟二、分析交通事故過程各階段的交通波，并確定各階段的交通波的速度；步驟三、根據各階段的交通波速度繪制出交通事故的時空演化圖；步驟四、確定兩股交通波相遇時的事故影響范圍、相遇時間點和事故影響消散的時間點，然后確定各時間階段交通事故的空間影響范圍、最長影響距離和最長影響時間。本發(fā)明的優(yōu)點與積極效果在于(1)與現有技術相比，本發(fā)明所需交通參量簡單、易于獲取，對高速公路基礎設施條件依賴性低，避開了一般道路交通檢測手段不完善、可靠性低等缺陷，為準確計算事故擁堵排隊長度提供了可靠數據；(2)該方法利用交通波理論對交通事故發(fā)生點上游車輛排隊的聚積和消散過程進行分析，確定交通事故的實時空間影響范圍和最大排隊長度的計算方法，具有計算簡便，運算速度快，可靠性高等優(yōu)點，為交通事故的時空影響范圍的確定奠定了堅實基礎；(3)通過對高速公路上交通事故發(fā)生點上游車輛排隊的聚積和消散過程的分析， 對高速公路上事故的時空影響范圍進行了快速、準確地估算，為事故的安全態(tài)勢分析和應急處置策略提供有效依據，為高速公路的交通控制提供了可靠信息材料。


圖1為本發(fā)明的事故交通影響范圍確定方法的整體流程圖；圖2為本發(fā)明實施例的交通流量-密度圖；圖3為本發(fā)明實施例中交通事故發(fā)生初期的產生的交通波的示意圖；圖4為本發(fā)明實施例中l(wèi)ane 1被清理后的初期產生的交通波示意圖；圖5為本發(fā)明實施例中l(wèi)ane 1被清理后的后期產生的交通波示意圖；圖6為本發(fā)明實施例中兩車道清理完畢后的初期產生的交通波示意圖；圖7為本發(fā)明實施例中兩車道清理完畢后的后期產生的交通波示意圖；圖8為本發(fā)明實施例在交通流量-密度圖中事故發(fā)生到影響消除各階段交通波示意圖；圖9為本發(fā)明實施例的交通事故時空演化圖。
具體實施例方式下面將結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。如圖1所示，一種基于交通波理論的高速公路交通事故的交通影響范圍確定方法，包括如下步驟第一步確定高速公路上的交通流量和車流密度。根據高速公路設計資料，確定高速公路的通行能力、擁擠密度等固定交通參量。利用高速公路道路上布設的固定交通信息檢測器例如地感線圈檢測器，檢測高速公路上車輛經過時線圈檢測器磁場變化，檢測器據此計算出交通流量、車輛速度、車輛時間占有率和長度等交通參數，獲取道路交通信息，對所獲取交通信息數據進行處理，剔除散點后，計算出高速公路上不同交通狀況下的交通流量和車流密度，得出正常交通狀況下各車道上的交通流量-密度圖。具體包括如下步驟
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(1)獲取道路交通信息根據高速公路設計資料，確定高速公路的最大通行能力qmax、允許的最大行駛速度 Vmax、擁擠情況下的車流密度等。采用地感線圈檢測器獲取道路交通信息。設從事故發(fā)生地點上游L范圍內沒有出口和進口，并且認為L足夠長，車隊沒有延伸過這一路段，還設停車線下游的交通流順暢， 沒有阻塞現象。上游車道的交通流量穩(wěn)定，恒為一定值I。在高速公路上每隔距離S安置檢測器，根據檢測器所檢測的數據，計算獲得如下數據道路交通流量、車輛速度、車輛時間占有率和長度等。對同一路段進行多時段的反復多次數據采集，統(tǒng)計分析計算當前道路上的交通流量和車流密度，并記錄發(fā)生交通事故、天氣不良、道路施工等不良交通環(huán)境下的交通事件。(2)處理數據，繪制圖形剔除發(fā)生交通事故或者災害性天氣等不良交通環(huán)境下路段上交通流量和車輛密度數據。選取兩相鄰車道作為研究對象，計算出無交通事件發(fā)生情況下的平均交通流量和相應的車輛密度，并繪制交通流量-密度圖，如圖2所示。圖2為本發(fā)明實施例中某段高速公路的交通流量-密度圖。橫坐標表示車輛密度， 縱坐標表示交通流量。‘ax、‘ax分別表示單條車道和兩條車道的最大交通流量，K、<分別表示單條車道和兩條車道在最大通行能力時的車流密度，、^jm分別表示單條車道和兩條車道的擁擠車流密度。第二步分析交通事故過程各階段的交通波，并確定各階段的交通波的速度。本發(fā)明運用交通波理論，分析從事故開始到事故影響消除過程中交通波的積聚和消散過程，并計算各階段的交通波速度。交通波理論是交通研究中進行分析、設計、仿真和決策的重要手段，它描述了同向運動不同狀態(tài)的兩股交通流相遇時狀態(tài)的轉移過程，當道路交通因為交通狀況的改變而發(fā)生車輛密度的變化時，不同狀態(tài)的交通流如ki; ν與q2，k2，V2，相遇并產生傳播速度為Uw =(Q2-Q1)/(^-^)的交通波，進而定量分析車流的積聚和消散過程。其中，1、％分別表示兩股交通流的交通流量，I^lc2分別表示兩股交通流的車輛密度，Vl、V2分別表示兩股交通流的速度。下面給出一個實施例進行具體說明。本發(fā)明實施例，在tA時刻時，高速公路某橫斷面處發(fā)生一起交通事故，事故發(fā)生后將該方向上的所有交通即刻封鎖并進行事故處理；在時間、時刻，一條車道完成清理工作， 該車道上的車輛恢復行駛；在時間t。時刻，另外一條車道也清理完畢，道路全面通車，所有車輛恢復正常行駛。(1)首先用交通波理論分析自事故發(fā)生到事故影響消散的過程中各階段的交通流量及車輛密度變化。可將交通波傳播過程分為以下幾個階段1)當t = tA時，在高速公路某橫斷面上發(fā)生交通事故，該方向上的所有交通即時被封鎖，交通狀況如圖3所示，發(fā)生事故前后的交通狀況分別為自由流狀況下的交通流Ql， Ic1和道路阻塞狀況下的交通流q2，k2相遇，并產生波速為W21的交通波?；卯攖 =、時，第一條車道lane 1被清理，部分車輛恢復行駛，第一條車道被清
7理后事故地點的交通流q3，k3與阻塞狀況下的交通流q2，k2相遇產生波速為W32的交通波。 第一條車道恢復初期，道路上有兩股交通波，波速分別為W21和W32，如圖4所示，此狀態(tài)持續(xù)到波速為W21和W32的兩股交通波相遇時刻為止。3)第一條車道交通恢復后期，即從波速為W21和W32的兩股交通波相遇時刻開始到兩車道清理前的時間，波速為W21和W32的兩股交通波相遇，產生波速為W31的交通波，如圖5 所示。4)當t = tc時，全部道路清理完畢，兩車道lane 1和lane 2均被清理后的交通流q4，k4遇第一條車道被清理后的交通流q3，k3，產生波速為W43的交通波。初期階段，道路上有波速為W31和W43的兩股交通波，此狀態(tài)持續(xù)到波速為W43和W31的兩股交通波相遇時刻為止，如圖6所示。5)從波速為W31和W43的兩股兩波相遇時刻開始到交通恢復正常為止。交通波W31 和W43相遇產生波速為W41的交通波。如圖7所示，道路上僅有波速為W41的交通波，波速為 W41的交通波完成后，交通恢復正常。(2)計算交通波速度根據檢測器記錄的數據點及事故發(fā)生時間tA、第一條車道清理時間tB、第二條車道清理時間、等，在交通流量-密度圖中找出各交通狀態(tài)下的交通流量Cii和車輛密度Ici 事故前自由流狀態(tài)下事故發(fā)生地的交通流量和交通密度分別為q” h ；事故發(fā)生后事故地點的交通流量和交通密度分別為q2，k2 ；第一條車道lane 1被清理后事故地點的交通流量和交通密度分別為q3，k3 ；兩條車道均被清理后事故地點的交通流量和交通密度分別為q4， k4。進而計算出上述分析中各階段的交通波速度Wu。計算公式為Wlj =
A · /Vy
J ‘( , 10和( ，kj)分別為、和、時刻的交通狀態(tài)。本實施例在交通流量-—密度圖中事故發(fā)生到影響消除各階段交通波示意圖如圖8所示。圖8中橫坐標表示車輛密度，縱坐標表示交通流量。點1表示交通事故發(fā)生時刻的交通狀態(tài)，點2表示交通事故發(fā)生時刻后道路交通全部中斷的交通狀態(tài)，點3表示第一條道路清理后的交通狀態(tài)，點4表示全部道路清理后的交通狀態(tài)，兩點連線的斜率表示交通波的傳播速度。第三步繪制交通事故時空演化圖，具體方法是作時間-距離圖，以事故發(fā)生點A為起始點，各時間段中的交通波速度Wu為線段斜率，結合事故發(fā)生時間、第一車道清理完成時間、第二車道清理完成時間，繪制事故發(fā)生到事故影響消散過程中車隊隊尾的時間-距離圖，即為交通事故時空演化圖，如圖9所示。根據交通波的傳播特性，可以通過圖9所示的交通事故時空演化圖描述事故發(fā)生后的車輛排隊過程。事故發(fā)生在tA時刻，距離為L的橫斷面上，兩條車道全部封堵，產生波速為W21的交通波；在、時刻，其中一條道路清理，產生波速為W32的交通波，并在tD時刻與波速為W21的交通波相遇，形成新的波速為W31的交通波；在t。時刻，兩條車道全部清理，產生波速為W43的交通波；在、時刻波速為W43的交通波與波速為W31的交通波相遇，形成新的波速為W41的交通波；在tF時刻，事故的影響全部消除，交通恢復正常。
第四步確定交通事故各階段時空影響范圍。根據繪制的交通事故的時空演化圖，建立兩車道的事故交通影響范圍確定模型， 通過計算兩股交通波相遇時的事故影響范圍和相遇時間點，利用解析幾何方法，進而計算各時段事故的時間影響范圍和空間影響范圍。具體包括如下步驟(1)確定兩股交通波相遇時的事故影響范圍LDe、LEH
權利要求
1.一種基于交通波理論的高速公路事故影響范圍的確定方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟步驟一、確定高速公路上的交通流量和車流密度，繪制兩相鄰車道的交通流量-密度圖；步驟二、分析交通事故過程各階段的交通波，并確定各階段的交通波的速度； 步驟三、根據各階段的交通波速度繪制出交通事故的時空演化圖； 步驟四、確定兩股交通波相遇時的事故影響范圍、相遇時間點和事故影響消散的時間點，然后確定各時間階段交通事故的空間影響范圍、最長影響距離和最長影響時間。
2.根據權利要求1所述的一種基于交通波理論的高速公路事故影響范圍的確定方法， 其特征在于，所述的步驟一具體包括步驟1. 1 獲取道路交通信息根據高速公路設計資料，確定高速公路的固定交通參量，主要包括最大通行能力、允許的最大行駛速度和擁擠情況下的車流密度；在高速公路上每隔距離S安置檢測器，利用檢測器對同一路段進行多時段的數據采集，根據每次采集的數據獲取該路段的車輛流量和車輛速度，并記錄發(fā)生在不良交通環(huán)境下的交通事件；步驟1. 2 統(tǒng)計不良交通環(huán)境下該路段的車輛流量和車輛密度數據，在步驟1. 1中獲取的數據中剔除不良交通環(huán)境下的數據，然后選取兩相鄰車道作為研究對象，計算出無交通事件發(fā)生情況下的平均車輛流量和相應的車輛密度，并繪制出兩相鄰車道的交通流量-密度圖。
3.根據權利要求1所述的一種基于交通波理論的高速公路事故影響范圍的確定方法， 其特征在于，所述的步驟二具體包括步驟2. 1 用交通波理論分析自事故發(fā)生到事故影響消散的過程中各階段的車輛流量及車輛密度變化，具體各階段為1)tA時刻，在高速公路某橫斷面上發(fā)生交通事故，該方向上的所有交通即時被封鎖，發(fā)生事故前的自由流狀況下的交通流和發(fā)生事故后的道路交通全部阻塞狀況下的交通流相遇，產生波速為W21的交通波；2)tB時刻，第一條車道被清理，部分車輛恢復行駛，恢復初期，第一條車道被清理后事故地點的交通流與道路交通全部阻塞狀況下的交通流相遇產生波速為W32的交通波，此時道路上存在波速分別為W21和W32的兩股交通波；3)在波速分別為W21和W32的兩股交通波相遇時刻開始，道路上僅有波速為W31的交通波；4)tc時刻，兩條車道都清理完畢，兩車道均被清理后的交通流與第一條車道被清理后的交通流相遇，產生波速為W43的交通波，此時道路上有波速為W31和W43的兩股交通波；5)在波速為W31和W43的兩股交通波相遇時刻開始，道路上僅有波速為W41的交通波，在波速為W41的交通波完成后，交通恢復正常；步驟2. 2 在交通流量-密度圖中找出各交通狀態(tài)下的交通流量Qi和車輛密度ki;然后根據下式確定各階段的交通波的速度Wij Wv^⑴K ■ _ /T -J ‘其中，發(fā)生交通事故前的自由流狀態(tài)下的事故發(fā)生地的交通流量和交通密度分別為Q1, h ；交通事故發(fā)生后的道路交通全部阻塞狀況下的事故地點的交通流量和交通密度分別為(12，1 ；第一條車道被清理后的事故地點的交通流量和交通密度分別*q3，k3 ；兩車道均被清理后的事故地點的交通流量和交通密度分別為q4，k4。
4.根據權利要求1或3所述的一種基于交通波理論的高速公路事故影響范圍的確定方法，其特征在于，步驟三中所述的交通事故的時空演化圖具體通過下面方法得到以事故發(fā)生點A為起始點，各時間段中的交通波速度化彳為線段斜率，結合事故發(fā)生時間、第一車道清理完成時間、第二車道清理完成時間，繪制事故發(fā)生到事故影響消散過程中車隊隊尾的時間-距離圖，所得到的時間-距離圖就是該交通事故的時空演化圖。
5.根據權利要求1所述的一種基于交通波理論的高速公路事故影響范圍的確定方法， 其特征在于，所述的步驟四具體包括(1)確定兩股交通波相遇時的事故影響范圍LdpL:
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于交通波理論的高速公路事故影響范圍的確定方法，用于在無出入口匝道的高速公路上發(fā)生交通事故后，確定交通事故的時空影響范圍。本發(fā)明方法首先確定高速公路在不同交通狀況下的車流量和車流密度，繪制高速公路流量一密度圖，然后運用交通波理論，分析從事故開始到事故影響消除過程中交通波的聚積和消散過程，計算各階段的交通波速度，繪制交通事故時空演化圖，最后確定事故在各階段的影響時間范圍和空間范圍。本發(fā)明方法簡便、穩(wěn)定性好、可靠性高，可實時、準確預測交通事故影響范圍，向高速公路管理部門提供穩(wěn)定、及時、可靠的交通事故信息，從而提高交通事故快速處置措施的實施效率。
文檔編號G08G1/00GK102419905SQ20111023129
公開日2012年4月18日 申請日期2011年8月12日 優(yōu)先權日2011年8月12日
發(fā)明者余貴珍, 劉玉敏, 王云鵬, 田大新, 魯光泉 申請人:北京航空航天大學