一種快速道路主線可變限速標(biāo)志優(yōu)化布設(shè)方法
【專(zhuān)利摘要】一種快速道路主線可變限速標(biāo)志優(yōu)化布設(shè)方法。首先基于事故風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)模型對(duì)快速道路上危險(xiǎn)瓶頸路段進(jìn)行識(shí)別，之后通過(guò)閾值設(shè)定確定可變限速控制路段長(zhǎng)度，設(shè)置多種可變限速標(biāo)志布設(shè)密度方案，對(duì)每種方案的最優(yōu)控制策略進(jìn)行求解，針對(duì)不同方案進(jìn)行投資?效益分析，從而確定最優(yōu)限速標(biāo)志布設(shè)方案。本發(fā)明彌補(bǔ)了以往研究中可變限速標(biāo)志布設(shè)缺乏理論支持的不足，依據(jù)交通安全改善效果及投資效益比確定可變限速控制路段長(zhǎng)度及限速標(biāo)志布設(shè)密度，使得可變限速控制思路及策略能發(fā)揮更大效益。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種快速道路主線可變限速標(biāo)志優(yōu)化布設(shè)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于交通分析技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種快速道路主線可變限速標(biāo)志優(yōu)化布 設(shè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 可變限速控制技術(shù)根據(jù)快速道路主線上交通流檢測(cè)器獲取實(shí)時(shí)交通流信息，通過(guò) 改變位于路側(cè)的可變限速標(biāo)志發(fā)布的限速值，從而對(duì)交通流運(yùn)行進(jìn)行主動(dòng)調(diào)節(jié)。隨著越來(lái) 越多的快速道路采用可變限速控制這一動(dòng)態(tài)交通控制策略可變限速控制系統(tǒng)中，可變限速 標(biāo)志的布設(shè)位置對(duì)可變限速使用效果影響的分析變得愈發(fā)重要。
[0003] 以往學(xué)者針對(duì)快速道路交通流檢測(cè)設(shè)備布設(shè)方案進(jìn)行研究，結(jié)果表明當(dāng)交通流檢 測(cè)設(shè)備的布設(shè)間距達(dá)到0.47英里時(shí)，基于交通流數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)事故風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)模型能夠達(dá)到較 好的預(yù)測(cè)精度。但是，以往研究中尚未針對(duì)快速道路上可變限速標(biāo)志布設(shè)問(wèn)題開(kāi)展研究。以 往研究中，可變限速標(biāo)志通常和交通流檢測(cè)設(shè)備布設(shè)一致，在每個(gè)交通流檢測(cè)設(shè)備位置設(shè) 置可變限速標(biāo)志。以往研究中可變限速標(biāo)志布設(shè)間距為0.31英里至0.5英里，實(shí)際應(yīng)用的可 變限速系統(tǒng)中標(biāo)志布設(shè)間距為0.5英里至3英里。以往可變限速標(biāo)志通常根據(jù)研究人員主觀 意愿而設(shè)置，缺乏理論與技術(shù)支撐，無(wú)法確保布設(shè)方案為系統(tǒng)最優(yōu)。本發(fā)明提出基于交通安 全改善效果分析及投資效益分析的快速道路主線可變限速標(biāo)志優(yōu)化布設(shè)方法，相比于現(xiàn)有 可變限速標(biāo)志布設(shè)方法更加科學(xué)有效，能充分發(fā)揮可變限速控制的作用，同時(shí)易于決策。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的問(wèn)題是：以往可變限速標(biāo)志通常根據(jù)研究人員主觀意愿而設(shè)置， 缺乏理論與技術(shù)支撐，無(wú)法確保布設(shè)方案為系統(tǒng)最優(yōu)。本發(fā)明提出一種基于交通安全改善 效果分析及投資效益分析的快速道路主線可變限速標(biāo)志優(yōu)化布設(shè)方法，根據(jù)不同事故風(fēng)險(xiǎn) 閾值確定相應(yīng)危險(xiǎn)道路長(zhǎng)度，并依據(jù)交通安全改善效果及成本-效益分析采取最優(yōu)布設(shè)方 案?？朔翱勺兿匏贅?biāo)志布設(shè)方案依靠依靠主觀判斷的理論缺陷與不足。
[0005] 本發(fā)明技術(shù)方案為：
[0006] 本發(fā)明提出一種科學(xué)合理的快速道路主線可變限速控制下可變限速交通該標(biāo)志 布設(shè)方案的優(yōu)化方法，基于事故風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)模型，考慮了不同風(fēng)險(xiǎn)閾值下的危險(xiǎn)道路長(zhǎng)度和 不同布設(shè)方案的交通安全改善效果及成本_效益比，對(duì)科學(xué)合理的布設(shè)可變限速標(biāo)志具有 重要意義，克服了以往可變限速標(biāo)志布設(shè)過(guò)程中隨意性大主觀性強(qiáng)的不足。實(shí)例顯示，本發(fā) 明提出的設(shè)置方法有很好的效果，優(yōu)于以往的設(shè)置方法。
【附圖說(shuō)明】
[0007] 圖1為本發(fā)明可變限速標(biāo)志優(yōu)化布設(shè)方法流程。
[0008] 圖2為路段檢測(cè)器布設(shè)示意圖。
[0009] 圖3為本發(fā)明的路段內(nèi)追尾事故風(fēng)險(xiǎn)空間分布示意圖。
[0010] 圖4為本發(fā)明的不同事故風(fēng)險(xiǎn)閾值下危險(xiǎn)路段長(zhǎng)度示意圖。
[0011] 圖5為本發(fā)明的布設(shè)方案優(yōu)選方法圖
[0012] 圖6為算例中各路段事故風(fēng)險(xiǎn)空間分布曲線。
[0013] 圖7為算例中不同布設(shè)方案安全效果。
[0014] 圖8為算例中不同方案成本-效益比。
[0015] 圖9為算例中的布設(shè)方案優(yōu)選方法圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 本發(fā)明是基于事故風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)模型，考慮了不同風(fēng)險(xiǎn)閾值下的危險(xiǎn)道路長(zhǎng)度，不同 布設(shè)方案的交通安全改善效果及成本-效益比，建立了快速道路主線可變限速標(biāo)志優(yōu)化布 設(shè)方法。可變限速控制標(biāo)志優(yōu)化布設(shè)方法流程可參考圖1。
[0017] 第一步是周期性采集多組采用可變限速控制的快速道路的交通流量、交通密度及 速度數(shù)據(jù)，如圖2所示。具體方法為，在快速道路某一粧號(hào)處設(shè)置感應(yīng)式線圈檢測(cè)器記錄通 過(guò)檢測(cè)器位置每輛車(chē)的通過(guò)時(shí)間、行駛速度、車(chē)頭時(shí)距和車(chē)輛長(zhǎng)度等信息，時(shí)間跨度需同時(shí) 包含可變限速控制時(shí)段和無(wú)可變限速控制時(shí)段。對(duì)每5分鐘對(duì)所采集到的信息分可變限速 值進(jìn)行集成分別得到該5分鐘內(nèi)不同限速值下的該粧號(hào)處的交通流量和密度，同時(shí)記錄下 當(dāng)前時(shí)刻、天氣狀況和可變限速控制狀態(tài)。若處于非可變限速控制狀態(tài)則記為NVSL，若處于 可變限速控制狀態(tài)則記錄下當(dāng)前限速值。從該原始數(shù)據(jù)庫(kù)中選取天氣狀態(tài)良好(無(wú)雨霧）、 可視條件良好(非夜間）、道路幾何條件良好(非交織區(qū)）的數(shù)據(jù)，將所選取的數(shù)據(jù)按照其是 否處于可變限速控制下的數(shù)據(jù)以及不同的限速值進(jìn)行歸類(lèi)，得到用于事故風(fēng)險(xiǎn)分析的基礎(chǔ) 數(shù)據(jù)。
[0018] 第二步是依據(jù)交通流基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，運(yùn)用交通事故風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)模型對(duì)各路段內(nèi)交通事故 風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行計(jì)算。針對(duì)追尾事故其事故風(fēng)險(xiǎn)可用下式衡量。
[0026] 式中P(Y=1)為追尾事故發(fā)生概率，巧（t-M,丨丨為時(shí)間AT內(nèi)上游檢測(cè)器位置平均 速度，卩為下游檢測(cè)器位置平均速度，〇 +AU 0為上游檢測(cè)器位置平均占有率， C⑴_(tái)At, tj>為第j個(gè)時(shí)間A納上游檢測(cè)器位置車(chē)道m(xù)平均速度，6巾_紙奶為下游檢測(cè)器位 置車(chē)道m(xù)平均速度，％(tj_At，$為上游檢測(cè)器位置車(chē)道m(xù)平均占有率，J為一個(gè)時(shí)間段內(nèi)集 計(jì)交通流數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)(J= AT/At，At = 30s)，M為路段斷面車(chē)道數(shù)，〇(0U)為上游檢測(cè)占有率 標(biāo)準(zhǔn)差，〇 (0D)為下游檢測(cè)器占有率標(biāo)準(zhǔn)差，M，m，02，03為變量系數(shù)。
[0027] 根據(jù)各段交通事故風(fēng)險(xiǎn)運(yùn)用移動(dòng)平均法得到路段事故風(fēng)險(xiǎn)空間分布，如圖3所示。 根據(jù)不同事故風(fēng)險(xiǎn)閾值，在空間分布曲線上確定相應(yīng)危險(xiǎn)路段長(zhǎng)度，如圖4所示。
[0028]第三步是在控制路段長(zhǎng)度內(nèi)對(duì)可變限速標(biāo)志的布設(shè)位置和布設(shè)間距進(jìn)行設(shè)定，并 在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)多種可變限速標(biāo)志布設(shè)方案。
[0029] 第四步是對(duì)每種限速標(biāo)志布設(shè)方案下的可變限速控制效果進(jìn)行仿真分析并采用 優(yōu)化算法對(duì)每種布設(shè)方案下可變限速控制策略及效果進(jìn)行優(yōu)化。在具體實(shí)施時(shí)考慮到短期 仿真中交通流運(yùn)行無(wú)法代表路段內(nèi)普遍情況，因此針對(duì)各路段內(nèi)事故風(fēng)險(xiǎn)設(shè)置不同權(quán)重， 使仿真得到的事故風(fēng)險(xiǎn)曲線與計(jì)算所得曲線一致。采用遺傳算法對(duì)可變限速控制方案進(jìn)行 優(yōu)化，首先獲取研究路段內(nèi)檢測(cè)器實(shí)時(shí)交通流數(shù)據(jù)，根據(jù)事故預(yù)測(cè)模型計(jì)算各路段內(nèi)實(shí)時(shí) 追尾事故風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)某路段事故風(fēng)險(xiǎn)超過(guò)閾值時(shí)啟動(dòng)可變限速控制，逐步將限速值調(diào)整至目 標(biāo)值，同時(shí)設(shè)置限速值空間上的連續(xù)變化，避免相鄰路段速度出現(xiàn)較大波動(dòng)。當(dāng)路段內(nèi)事故 風(fēng)險(xiǎn)小于閾值時(shí)，可變限速值逐步恢復(fù)到默認(rèn)值。
[0030] 第五步是分別對(duì)各可變限速標(biāo)志布設(shè)方案成本-效益比進(jìn)行分析。其中收益為在 該布設(shè)方案下通過(guò)可變限速降低事故風(fēng)險(xiǎn)比例，成本為所布設(shè)的可變限速標(biāo)志數(shù)量，二者 比值為該方案成本效益比，其計(jì)算公式為：
[0032]其中，
[0033] Rb-c表示方案i的收益-成本比；
[0034] E(i)表示方案i中可變限速降低事故風(fēng)險(xiǎn)比例；
[0035] N(i)表示為方案i中可變限速標(biāo)志個(gè)數(shù)。
[0036] 第六步是決定可變限速標(biāo)志最優(yōu)布設(shè)方案。基于第四步中的不同方案對(duì)交通安全 的改善效果及第五步中各方案相應(yīng)成本效益比，繪制布設(shè)方案優(yōu)選圖，如圖5所示。落入圖 中對(duì)角線上側(cè)區(qū)域的為不推薦方案，落入圖中下側(cè)區(qū)域的為推薦方案，其中不推薦方案分 為較不推薦方案和強(qiáng)烈不推薦方案，推薦方案分為較推薦方案和強(qiáng)烈推薦方案。最終根據(jù) 不同方案在圖中所處位置進(jìn)行最優(yōu)決策。
[0037] 下面結(jié)合附圖對(duì)發(fā)明的布設(shè)優(yōu)化方法進(jìn)行了實(shí)例演示：
[0038] 假設(shè)以某高速公路30公里路段為例，路段內(nèi)包含多個(gè)交通瓶頸，高峰期擁堵現(xiàn)象 普遍發(fā)生。研究路段內(nèi)布設(shè)有功能完善的交通流檢測(cè)器，布設(shè)間距為0.2英里至0.64英里， 平均布設(shè)間距為0.5英里。根據(jù)以往研究，本路段內(nèi)交通流檢測(cè)器布設(shè)密度能夠滿足實(shí)時(shí)事 故風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)模型的精度要求。為了確定危險(xiǎn)交通瓶頸路段，本發(fā)明采集了研究路段內(nèi)所有 檢測(cè)器位置上一周時(shí)間的交通流數(shù)據(jù)。根據(jù)針對(duì)常發(fā)擁堵瓶頸路段建立的實(shí)時(shí)追尾事故風(fēng) 險(xiǎn)預(yù)測(cè)模型，對(duì)各路段內(nèi)追尾事故風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行計(jì)算，并繪制事故風(fēng)險(xiǎn)空間分布曲線，如圖6所 示。從圖中可以看出，研究路段內(nèi)不同區(qū)域的交通事故風(fēng)險(xiǎn)存在較大差異，圖中虛線框范圍 內(nèi)交通事故風(fēng)險(xiǎn)較高，如圖6所示，因此選擇該區(qū)域作為危險(xiǎn)瓶頸路段進(jìn)行可變限速控制， 路段范圍為粧號(hào)14英里至28英里。
[0039]表1不同事故風(fēng)險(xiǎn)閾值下控制路段
[0041] 設(shè)置三種事故風(fēng)險(xiǎn)閾值，對(duì)可變限速控制路段長(zhǎng)度進(jìn)行確定，如表1所示。當(dāng)閾值 設(shè)置為〇. 053時(shí)，如圖6中TH1所示，可變限速控制路段長(zhǎng)度較短，僅為2.2英里；當(dāng)閾值設(shè)置 為0.048時(shí)，如圖6中TH2所示，可變限速控制區(qū)域包含兩個(gè)分離路段，控制區(qū)域總長(zhǎng)為7.3英 里；當(dāng)閾值設(shè)置為〇. 043時(shí)，如圖6中TH3所示，可變限速控制區(qū)域?yàn)榛捥?hào)14.8英里至26.5英 里間連續(xù)路段，長(zhǎng)度為11.7英里。每種閾值情況下，分別設(shè)置了三種不同限速標(biāo)志布設(shè)方 案，每種方案下限速標(biāo)志設(shè)置信息如表2所示。例如，方案A1中設(shè)置了 5個(gè)限速標(biāo)志，平均間 距為0.4英里，標(biāo)志布設(shè)位置也在表中給出。其中方案A1中限速標(biāo)志布設(shè)密度最大（間距最 ?。?，方案B3和C3中布設(shè)密度最?。ㄩg距最大）。
[0042] 表2不同可變限速標(biāo)志布設(shè)方案
[0044] 對(duì)每種方案下可變限速控制效果進(jìn)行仿真分析，仿真時(shí)間為3小時(shí)?？紤]到短期仿 真中交通流運(yùn)行無(wú)法代表路段內(nèi)普遍情況，因此針對(duì)各路段內(nèi)事故風(fēng)險(xiǎn)設(shè)置不同權(quán)重，使 仿真得到的事故風(fēng)險(xiǎn)曲線與圖6相一致。采用已有的可變限速控制策略及優(yōu)化方法對(duì)各方 案的最優(yōu)控制效果進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表3所示。
[0045] 表3不同方案下最優(yōu)控制策略與控制效果
[0047] 不同限速標(biāo)志布設(shè)方案下安全效果如圖7所示，結(jié)果表明方案C2中可變限速控制 改善交通安全效果最好，降低了交通事故風(fēng)險(xiǎn)達(dá)69.16%，方案C1和B1中控制效果也較好， 方案A3中可變限速控制效果最差，降低了交通事故風(fēng)險(xiǎn)僅5.19%。不同方案的投資-效益分 析結(jié)果如圖8所示，可以看出方案C2具有最高的收益-成本比，表明此方案下單位限速標(biāo)志 使事故風(fēng)險(xiǎn)下降最大，方案C3和A2中收益-成本比也較高。雖然方案C1中事故風(fēng)險(xiǎn)下降最 大，但由于方案中可變限速標(biāo)志數(shù)量最多，因此其收益-成本比在所有方案中最低。
[0048] 將不同方案的安全效果及成本效益比繪入方案優(yōu)選方法圖中，如圖9所示。從圖中 可以直觀看出，只有方案C2位于強(qiáng)烈推薦范圍以內(nèi)，表明方案C2在有限成本投入下實(shí)現(xiàn)了 令人滿意的控制效果。根據(jù)圖中結(jié)果，方案C2是研究路段內(nèi)最佳可變限速標(biāo)志布設(shè)方案，推 薦在實(shí)際快速道路可變限速控制中進(jìn)行應(yīng)用。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種快速道路主線可變限速標(biāo)志優(yōu)化布設(shè)方法，其特征是包括步驟： 1) 采集快速道路交通流檢測(cè)器位置的交通流數(shù)據(jù)，步驟包括： 101) 采集檢測(cè)器位置實(shí)時(shí)流量數(shù)據(jù)； 102) 采集檢測(cè)器位置實(shí)時(shí)密度數(shù)據(jù)； 103) 采集檢測(cè)器位置實(shí)時(shí)速度數(shù)據(jù)。 2) 根據(jù)步驟1)中所得基本交通流數(shù)據(jù)，運(yùn)用實(shí)時(shí)交通事故風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)模型對(duì)各路段內(nèi)交 通事故風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行計(jì)算;將快速道路主線劃分成多個(gè)路段，依據(jù)各路段兩端檢測(cè)器位置的交 通流數(shù)據(jù)，計(jì)算每個(gè)路段內(nèi)的交通事故風(fēng)險(xiǎn)值，采用移動(dòng)平均方法繪制整個(gè)快速道路主線 上事故風(fēng)險(xiǎn)的空間分布曲線； 3) 基于步驟2)中得到的快速道路主線上事故風(fēng)險(xiǎn)的空間分布曲線，進(jìn)而確定危險(xiǎn)路段 長(zhǎng)度。通過(guò)在事故風(fēng)險(xiǎn)曲線上設(shè)置風(fēng)險(xiǎn)闊值，可W對(duì)危險(xiǎn)瓶頸路段進(jìn)行識(shí)別，如果某路段內(nèi) 事故風(fēng)險(xiǎn)高于設(shè)定闊值，則認(rèn)為該路段屬于危險(xiǎn)路段范圍；如果事故風(fēng)險(xiǎn)低于闊值，則表明 該路段為安全路段范圍； 4) 基于步驟3)所確定的需要進(jìn)行可變限速控制的危險(xiǎn)路段長(zhǎng)度設(shè)計(jì)多種可變限速標(biāo) 志控制方案，通過(guò)仿真分析并采用優(yōu)化算法對(duì)不同布設(shè)方案下可變限速策略及效果進(jìn)行優(yōu) 化； 5) 對(duì)不同可變限速標(biāo)志布設(shè)方案進(jìn)行投資-效益分析，根據(jù)交通檢測(cè)器的位置設(shè)定不 同可變限速標(biāo)志布設(shè)方案，并計(jì)算相應(yīng)收益-成本比，其計(jì)算公式為：(1) 其中， Rb-C表示方案i的收益-成本比； E(i)表示方案i中可變限速降低事故風(fēng)險(xiǎn)比例； N( i)表示為方案i中可變限速標(biāo)志個(gè)數(shù)； 6) 依據(jù)步驟4)中得到的各方案的可變限速控制效果及步驟5)中各方案收益-成本比， 確定最優(yōu)可變限速標(biāo)志布設(shè)方案。分別W方案收益和投資成本為橫縱坐標(biāo)，可W將平面劃 分為四個(gè)象限，右上方為第一象限，逆時(shí)針?lè)较蛞来螢槎?、四象限，其中第二象限為強(qiáng)烈 不推薦區(qū)域，第四象限為強(qiáng)烈推薦區(qū)域，同時(shí)，直線y = x將第一、=象限各劃分成兩個(gè)部分， 第一象限和第=象限的上半部分均為較不推薦區(qū)域，第一象限和第=象限的下半部分均為 比較推薦區(qū)域，依據(jù)上述步驟可得可變限速標(biāo)志布設(shè)最優(yōu)方案選擇方法指導(dǎo)圖。通過(guò)各方 案對(duì)應(yīng)的投資成本和方案收益可W確定各方案在指導(dǎo)圖中的位置，依據(jù)該位置所屬區(qū)域的 推薦程度進(jìn)行決策。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種快速道路主線可變限速標(biāo)志優(yōu)化布設(shè)方法，其特征是所 述步驟3)中的危險(xiǎn)路段長(zhǎng)度確定過(guò)程中，首先通過(guò)設(shè)置精確的事故風(fēng)險(xiǎn)闊值對(duì)絕對(duì)危險(xiǎn)路 段的起止范圍進(jìn)行確定，其次考慮到駕駛員接近危險(xiǎn)路段時(shí)會(huì)提前改變駕駛行為，因此需 要合理延長(zhǎng)和優(yōu)化可變限速控制的危險(xiǎn)路段長(zhǎng)度。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種快速道路主線可變限速標(biāo)志優(yōu)化布設(shè)方法，其特征是所 述步驟4)中的可變限速標(biāo)志布設(shè)位置中，通常布設(shè)于交通流檢測(cè)器處，此時(shí)限速標(biāo)志數(shù)量 等于路段內(nèi)檢測(cè)器數(shù)量;可變限速標(biāo)志的布設(shè)密度也可低于檢測(cè)器密度，如兩個(gè)檢測(cè)器對(duì) 應(yīng)一個(gè)可變限速標(biāo)志。
【文檔編號(hào)】G08G1/01GK105913666SQ201610542827
【公開(kāi)日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年7月11日
【發(fā)明人】李志斌, 劉攀, 王煒, 徐鋮鋮
【申請(qǐng)人】東南大學(xué)