利用高速路录像资料的交通流测量新技术

维普资讯 http://www.cqvip.com 表２连云港市２０００—２００４年水路货运量表单位：万ｔ　０引言　年份　２ｏ００　２００１　２ｏ０２　２ｏ０３　２００４　【水路货运量　２６２　２５８　２５４　２５５　２５１　交通流模型是描述交通流状态变量随时间空间变化、　分布的规律及其与交通控制变量之间关系的方程式。准　根据表２数据，利用改进的ＧＭ（１，１）模型和指　确的交通流模型是交通自动控制系统设计、分析、仿真、　数平滑模型对连云港市２０００￣２００４年水路货运量分别进　运行的基础，也是交通分析、预报、评价以及某些交通　行预测，结果如下：　设施的设计所需要的。在高速道路交通流建模中，常把　表３连云港市２０００～２００４年水路货运量预测值单位：万ｔ　模型分为采用流体力学模拟的宏观模型和采用车辆跟驰　年份　２０ｏ０　２００１　２ｏ０２　２００３　２００４　理论的微观模型两大类。无论宏观模型还是微观模型，　改进的ＧＭ（１，　２６２　２５７其建立过程和实际应用时，都需要通过测量确定各种参　．４１　２５５．４１　２５３．４４　２５１．４８　１）模型　数。测量的基本要求之一是可重复性，即可以在接近相　指数平滑模型　２６２　２５８．７９　２５４．９５　２５４．９９　２５１．７９　同的条件下重复进行大量次数的测量，再将所获得的数　据资料通过统计处理得到所需参数。　根据式（１４）（１５）求得改进的ＧＭ（１，１）模型、　在传统的交通流测量中，能够方便地直接获得的数　一次指数平滑模型的权重分别为ｄ．：０．１９１　２６２，破＝　据只有流量，即交通量。速度可以通过流动车测试法等　０．８０８　７３８，再利用式（１６）得到组合预测模型下的水路　方法获得，但重复测量比较困难。如果通过道路监控装　货运量预测值，连云港市水路货运量实际值和预测值对　置测量速度，则需要将单个车辆的速度换算成车流的平　比见表４。　均速度，尚无现成软件可供使用。至于交通流密度的测　表４连云港市水路货运量实际值和预测值对比表　量，除了航空遥感、卫星定点拍摄等成本很高的手段之外，　年份　２０ｏＯ　２００１　２ｏ０２　２ｏ０３　２ｏ０４　一般只能通过流量和速度换算。　水路货运量　２６２　２５８　２５４　２５５　２５１　在交通流的现代研究中，不仅关注流量、速度和密　｜　ｔ　度，而且关注交通波的传播速度。所谓交通波，包括局　组合预测值　２６２部密度增大造成的拥堵向上游的传播，也包括拥堵的消　．０　２５８．５２　２５５．０３　２５４．６８　２５１．７２　｜　ｔ　除而形成的疏散向上游的传播，还包括从整体看是随着　相对误差／％　０　０．２　０．４　０．１　０．３　车流一起向下游移动的小范围高密度“扰动”现象，等等。　绝对误差　０　０．５２　１．０３　３２　０．７２　德国物理学家Ｋｅｒｎｅｒ根据实验观测，提出了完全不同干　传统交通流速密关系的二维速密关系模型（图１），以及　从表４可以看出，平均相对误差为０．２％＜１％，满足　交通流的亚稳态（ｍｅｔａｓｔａｂｌｅ　ｓｔａｔｅ）、同步流（ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚｅｄ　条件，组合模型预测结果较好。　ｌｆｏｗ）、宽运动堵塞（ｗｉｄｅ　ｍｏｖｉｎｇｊａｍ）、幽灵式堵塞　５结论　（ｐｈａｎｔｏｍ　ｔｒａｆｉｆｃ　ｊａｍ）等一系列描述高速道路复杂交通现　象的概念。这些概念都与交通波的传播有密切联系。但　组合预测由于考虑了各种因素的影响，充分利用了　对交通波的传播行为和传播速度如何测量，目前国内外　各单项预测的有用信息，因此在本次水路货运量预测中　交通工程界都还缺乏成熟的技术。上世纪９０年代，我们　取得了良好的效果，为航道网规划提供了科学的决策依　曾针对低速混合型城市交通系统，将平面交叉Ｉ：１信号灯　据。　视为扰动源，由此得到拥堵波和疏散波的传播模型，再　同管道内活塞运动引起的气体流动过程建立比拟，从而　参考文献：　提出了交通波传播的测量方案，获得了一些与交通流模　【１】邓聚龙．灰理论基础【Ｍ】．武汉：华中科技大学出版社，　型参数有关的实测数据和经验公式。不过，这一方法若　２ｏｏ２．　应用到高速道路系统，则由于不存在信号灯而仍难以实　【２】朱士东．改进的ＧＭ（１，１）模型在城市规划货运量预测中的应　现测量重复性的要求。　用．中国科技论文在线，２００６．３￣５３７．　近年来我国城市交通快速发展，在高速道路迅速增　【３　钟霞，等．灰色理论及其组合模型在交通运量预测中的运用　３】交通标准化，２００４，（１　２）：３５￣３７，　收稿日期：２００６　ｌ１　２０　作者简介：吴正（１　０５６－），男，复旦大学力学与工程科学系副教　授，从事流体力学和交通流理论研究。　ｌｌｌ　２ＯＯ６．１２　维普资讯 http://www.cqvip.com 利用高速路录像资料的交通流测量新技术　口吴正，贾楠，朱辉　（复旦大学　力学与工程科学系，上海２００４３３）　摘　要：本文提出一种利用城市高速道路交通录像资料测量交通流模型中各种参数的新方法。通过　测量和分析获得了Ｋｅｒｎｅｒ非线性模型中的临界密度，宽运动堵塞的传播速度和Ｇｒｅｅｎｓｈｉｅｌｄｓ模型中的畅行　速度等参数。结果显示．这是一种操作性强、成本很低且有多种应用前景的交通流测量新技术。　关键词：交通流模型；测量；临界密度，宽运动堵塞；畅行速度　中图分类号：Ｕ４９１　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７１．３４００（２００６）１２．００２４．０４　Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　Ｍｅｔｈｏｄ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｔｒａｆｆｉｃ　Ｆｌｏｗ　Ｍｏｄｅｌ　Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｖｉｄｅｏ　Ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ　ｏｆ　Ｅｘｐｒｅｓｓｗａｙ　Ｔｒａｆｉｆｃ　ＷＵ　Ｚｈｅｎｇ，ＪＩＡ　Ｎａｎ，ＺＨＵ　Ｈｕｉ　（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｆｕｄａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２００４３３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｔｏ　ｍｅａｓｕｒｅ　ｔｈｅ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｔｒａｆｆｉｃ　ｆｌｏｗ　ｍｏｄｅｌｓ　ａｐｐｌｙｉｎｇ　ｖｉｄｅｏ　ｔａｐｅ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｕｒｂａｎ　ｅｘｐｒｅｓｓｗａｙ　ｔｒａｆｆｉｃ．Ｉｔ　ｉｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｃｒｉｔｉｃａｌ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｋｅｒｎｅｒ’Ｓ　ｎｏｎ－ｌｉｎｅａｒ　ｍｏｄｅｌ，ｔｈｅ　ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ　ｓｐｅｅｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗｉｄｅ　ｍｏｖｉｎｇ　ｊａｍ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｕｎｉｍｐｅｄｅｄ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｏｆ　Ｇｒｅｅｎｓｈｉｅｌｄｓ’Ｓ　ｍｏｄｅ１．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｎｅｗ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｓｅｒｖｉｃｅａｂｌｅ，ｌｏｗ－ｐｒｉｃｅｄ　ａｎｄ　ｗｉｄｅｌｙ　ｕｓｅｆｕｌ　ｔｏ　ｔｒａｆｆｉｃ　ｆｌｏｗ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｔｒａｆｉｆｃ　ｌｆｏｗ　ｍｏｄｅｌ；Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；Ｃｒｉｔｉｃａｌ　ｄｅｎｓｉｔｙ；Ｗｉｄｅ　ｍｏｖｉｎｇ　ｊａｍ；Ｕｎｉｍｐｅｄｅｄ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　长的同时，交通管理手段的现代化也得到同步发展，其　分道线、两标志物之间等）所需时间，即可获得速度数据ｔ　中很重要的一个方面就是录像监控设备的广泛应用。这　最后，把速度和密度相乘，就得到流量数据。　些监控设备获取的大量信息资料，是交通自动控制系统　之所以没有采用直接数出单位时间通过某截面车辆　设计和运行的重要依据，当然也应该成为交通流建模的　数的方法来测流量，是因为测量流量必须要有一段时间　基本出发点。本文所研究的就是如何在这些录像信息资　间隔。为了数据的准确性间隔不能太短，但在这段时间　料和交通流模型之间建立联系，针对城市高速路设计一　内密度会发生明显的变化，因此测得的流量和密度数据　种实用性较好的测量方法，可以方便且较为准确地收集　之间同步性就可能降低。采用上述方法，车辆通过分道　路面的各种模型参数。　线的时间很短，可以认为在这段时间内密度基本不变，　１测量方法的设计　从而克服了上述困难。　本方法与交通工程传统的测量方法相比有许多优点。　为模拟高速路录像监控过程，我们采用数码摄像方　首先，测量的原始资料比较容易获得，可以在所测量路　式。在某一路段的上方，如过街天桥、高层建筑等处，　段上方的立交桥、过街天桥、高层建筑等处通过拍摄获得，　对该路段交通流进行长时间（几十分钟至几小时甚至更　也可通过交通管理部门的监控录像获得。因此，实验的　长）连续拍摄。之后，通过Ｗｉｎｄｏｗｓ　ｍｏｖｉｅ　ｍａｋｅｒ软件在　主要部分就能在室内进行。这不仅改善了测量人员的工　电脑上进行图像格式转换及数据采集。　作条件，同时也提高了测量的可靠性。其次，数据收集　数据采集的具体做法是；固定画面，数出画面上某　过程比较简单，只需在电脑上数出车辆数及记录间隔时　一确定区域内的车辆数，即可获得密度数据ｔ然后让录　间即可，经过短期培训的普通工作人员都可以承担。第　像逐帧步进，通过测量某一辆车经过路上已知长度（如　三，也是最重要的，这种方法获得的数据量相当大，能　２００６．１２　ｌｌｌ　维普资讯 http://www.cqvip.com 够从根本上保证满足测量的重复性要求。根据我们的实　灵式堵塞”。不难看出，图ｌ与图３形态上是相当一致的。　践，这样采集一组数据一般只需要５—１０　ｓ录像资料即可，　把临界密度定义为交通流状态，既可取自由流又可　因此，通过一段加ｍｉｎ的录像资料可以得到几百组“流　取拥挤流时所对应的最小密度，也就是图１中线段ＡＢ　量一密度”或“速度一密度”二维数据点，比平面交叉　所对应的横坐标点。当密度大于这一点，则速度不再呈　口测量的效率更高。　现出与密度的线性关系。通过电脑上读取的大量“流量一　　根据以上方案，２００６年１月２６日我们在北京市二环　密度”对应数据，能够计算出不同密度下流量的标准差。路阜成门桥上进行了第一次实际拍摄，３月２３日在上海　当某一密度下标准差出现突然增大并且其后几个密度下　市南北高架路东侧的长征医院住院大楼ｌ２楼进行了第二　的标准差也都保持较大数值时，说明这个密度之后交通　次拍摄，均取得了成功。本文下面以第一次拍摄所获部　流已呈现出强非线性特征，所以可以认为其就是临界密　　分数据为例。该次拍摄的观测区域长８Ｏ余ｍ，单向４车　度。根据这样的定义，从图３的数据中计算得到３条车　道，我们拍摄了外侧的３条车道，其中最外侧车道有一　上匝道口，如图２所示。图３给出了分不同车道的“流量一　道的临界密度依次为：３６．６７　ｖｅｈ／ｋｍ，３６．６７　ｖｅｈ／ｋｍ和　密度”，“速度一密度”二维数据点分布图，其中ａ，ｂ，ｃ　４８．９０　ｖｅｈ／ｋｍ。不难看出，这样得到的临界密度值都是　分别为第ｌ，２，３车道上的“速度一密度”分布，ｄ，ｅ，　比较低的，尤其是与传统交通流模型所认为的拥挤流出　ｆ则为相应车道上的“流量一密度”分布。　现的高密度相比较而言。所以，这是与Ｋｅｍｅｒ给出的　２测量结果与分析　２．１　Ｋｅｒｎｅｒ非线性模型中临界密度的测量结果　定义和实测数据一致的，也就是说我们的方法能够得到　Ｋｅｍｅｒ模型中的临界密度值。　２．２宽运动堵塞的传播速度　Ｋｅｍｅｒ把“流量一密度”平面上呈现　非线性的二维区域进行细分：从左上角自　由流边界处的点，到右下角完全拥堵的点　之间连一条直线，恰好落在此连线上的点　所对应的交通流状态称为宽运动堵塞状态，　其余点所对应的称为同步流状态。在宽运　动堵塞下，堵塞形成的区域以一个恒定速　度向上游推进，即使遇到交通瓶颈、上下　匝道等也不会改变推进速度。如果是同步　流状态，则不具有宽运动堵塞恒定推进速度的特征，并　且在遇到交通瓶颈、上下匝道干扰时很容易发生流动状　态的改变。我们在上一节中已求得了临界密度，只要将　该密度下的最大流量所对应的数据点与流量为０的堵塞　密度数据点连一直线ｑ∞），即为宽运动堵塞线，其斜率　ｑ’（ｐ）的相反数则就是宽运动堵塞的传播速度。　根据这样的定义，从图３的数据中计算得到３条车　道宽运动堵塞的传播速度依次为：ｌ　２．７４　ｋｍ／ｈ，１　３．５　ｋｍ／ｈ　和ｌ４．９６　ｋｒｎ／ｈ。在Ｋｅｍｅｒ发表的文献中，测得的宽运动　２￣１８　ｋｍ／ｈ，我们以前通过数值模拟得　按照传统的交通流理论，流量一密度之间的函数关　堵塞传播速度为１ｋｍ／ｈ。可以看出本文所用测量方法的结　系可以用一条曲线表示。但Ｋｅｍｅｒ指出，实际测量的结　到的结果是９￣２４　果并非如此，而应该是散布在流量一密度平面上的一个　果与原有的实测或计算都能有较好的吻合。　二维区域中的点，简化成低密度自由流阶段的一条曲线　２．３　Ｇｒｅｅｎｓｈｉｅｌｄｓ模型中畅行速度的测量结果　和中、高密度拥挤流阶段的一个二维区域（图１）。换句　行驶，有时车辆只能以拥挤流的低速行驶。注意到这一　一Ｇｒｅｅｎｓｈｉｅｌｄｓ模型，即“速度一密度”线性函数模型，　个关键参数。畅行速度，也就是在道路工程学的意义下，　话说，对同一个密度状态，有时车辆可以自由流的高速　是交通工程中最常用的经验模型，畅行速度是该模型中　　部分范围的密度本身并不一定大，有时远未达到交通饱　车流能达到的最大速度，通常根据道路等级、几何线形、和，用传统的交通流理论无法解释，所以也被称为“幽　管制措施等条件确定。在交通流模型研究与应用中，有　２０Ｏ６．１２　维普资讯 http://www.cqvip.com 时也需要测定畅行　速度值。　本文提出的畅　（ａ）　５０．００　（ｂ）　５０．００　行速度值测量方案　如下：在图３中，　５・００　“速度一密度”数　要２目２５．００　据点散布在一个　二维区域内，选　取位于这个二维　区域上边界的数据　点，用最小二乘法　与Ｇｒｅｅｎｓｈｉｅｌｄｓ模　型方程进行拟合，　０．ｏ０　０．ｏ０　０．Ｏ０　４０．ｏ０　８０．ｏ０　０，Ｏ０　５０．００　１００．００　１５０．００　Ｐ（ｖｅｈｉｃｌｅｓ／ｋｉｎ）　Ｐ（ｖｅｈｉｃｌｅｓ／ｋｉｎ）　（Ｃ）　３０．００　（ｄ）　—２０００．Ｏ０　１５００．００　所得直线在Ｕ轴上　的截距即是畅行速　童２０．００　．　＼　日　Ｊ０００．００　５００．００　度。根据这一方法，　１０．００　从图３的数据中计　算得到３条车道的　畅行速度依次为：　４１．５４　ｋｍ／ｈ．４９．９２　０．００　０．００　０　Ｏ０　５０．Ｏ０　ｌ００．００　ｌ５０．Ｏ０　２００．Ｏ０　Ｐ（ｖｅｈｉｃｌｅｓ／ｋｍ）　５０，００　１００．００　Ｐ（ｖｅｈｉｃｌｅｓ／ｋｍ）　ｋｍ／ｈ和３６．５１　ｋｍ／ｈ。　（ｅ）　２０００．００　１６００．Ｏ０　（ｆ）　Ｉ６００．００　、ｌ２００．００　８００．００　４００　００　３结语与展望　在国内交通工　程界，虽然也针对　笪１２００．００　８００．００　—口　４００．００　０　００　０．００　城市快速路开展了　一些理论研究，但　０　００　５０．００　ｌ００．０ｏ　ｌ５０．００　—０　４００．００　Ｏ０　Ｐ（ｖｅｈｉｃｌｅｓ／ｋｍ）　Ｐ（ｖｅｈｉｃｌｅｓ／ｋｍ）　所得结果往往较少　实验支持，而在　图３分车遒“流量一密度”和“速度一密度”二维数据点分布图　高速路的交通流数据测量及处理方法方面一直鲜有进展，　【４】Ｋｅｒｎｅｒ，Ｂ．Ｓ．，Ｒｅｈｂｏｒｎ…Ｈ，Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ａｎｄ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｉｔｃｓ　大量宝贵的实际交通监控录像资料没有得到充分应用。　研究开辟一个新领域，对这种研究会有促进作用。本文　原有理论，而且还可在红绿灯配时、交通引导等多方面　有实际应用意义。必须指出，交通系统是一个复杂的巨　ｏｆ　ｒｔａｆｉｆｃ　ｊａｍｓ［Ｊ］．Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｅ，１９９６，（５３）：１　２９７￣１３００．　５】Ｋｅｒｎｅｒ，Ｂ．Ｓ．，Ｅｘｐｅｆｉｍｅｎｔｌ　ｆｆｅａｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ｓｅｌｆ－ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ　ｉｎ　本文所述实验数据获取方法，将为交通工程的基础理论　【ｔｒａｆｆｉｃ　ｆｌｏｗ［Ｊ］．Ｐｌａｙｓ．Ｒｅｖ．ＬｅＲ，１９９８，（８　１）：３７９７￣３８００．　６］Ｋｅｍｅｒ，Ｂ．Ｓ．，Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｆｅａｔＩｌｒｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｍｅ￣ｅｎｃｅ　ｏｆ　ｍｏｖｉｎｇ　所得结论，如堵塞传播的速度等，不仅从实验上支持了　【ｊａｌｎｓ　ｉｎ　ｆｒｅｅ　ｒｔａｆｉｆｃ　ｌｆｏｗ［Ｊ］．Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ａ，２０００，（３３）：２２１－２２８．　【７】Ｋｅｒｎｅｒ，Ｂ．Ｓ．，Ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚｅｄ　ｌｆｏｗ　ａｓ　ａ　ｎｅｗ　ｔｒａ墒ｃ　ｐｈａｓｅ　ａｎｄ　系统，影响因素很多，在不同国家测得的数据可能会有　一ｒｅｌａｔｅｄ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｆｏｒ　ｔｒａｆｉｃ　ｆｌｆｏｗ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ［Ｊ］．Ｍａｔｈ．ａｎｄ　Ｃｏｍｐ．　Ｍｏｄｅｌｉｎｇ，２００２，（３５）：４８　１￣５０８．　些差别，因此，在我国开展复杂交通现象的测量方法　研究，并用以指导交通工程实践是十分必要的。　【８】吴正．交通流的动力学模拟与测量方法【Ｊ】．复旦学报（自然　参考文献：　述【Ｊ】．交通运输工程学报，２００２，（２）：７４￣７９．　科学版），１９９１，（３Ｏ）：ｌ１１￣１１７．　【１】官晓燕，汤淑明，王知学，陈德望．高速公路交通流建模综　【９】昊正．低速混合型城市交通的流体力学模型【Ｊ】．力学学报，　１９９４，（２６）：１４９￣１５７．　【２１任福田，等．交通工程学【ＭＪ．北京：人民交通出版社，２００３．　【ｌ０】吴正．关于交通流动力学模型与交通状态指数研究【Ｊ】．水动　【３】Ｋｅｒｎｅｒ，Ｂ．Ｓ．，Ｋｏｎｈａｕｓｅｒ，Ｐ，Ｃｌｕｓｔｅｒｅｆｆｅｃｔｉｎｉｎｉｔｉａｎｙｈｏｍｏｇｅｎｅｏｎｓ　力学研究与进展，２００３，（Ａ　１８）：４０３￣４０７．　ｔｒａｆｉｆｃ　ｌｆｏｗ［Ｊ］．Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｅ　１９９３，（４８）：２３３５￣２３３８．　２００６．１２　黝蹦的