基于交通波理论的高速公路事故的交通影响范围确定方法

技术领域

本发明属于交通信息及控制领域，涉及一种智能交通技术领域的方法，尤其是一种基于 交通波理论的高速公路事故的交通影响范围确定方法。

背景技术

高速公路上的交通事故在给人们带来生命财产损失的同时，也会引起大范围的交通拥堵， 增加车辆油耗和废气排放，带来能源消耗和环境污染问题。一旦高速公路上发生交通事故， 部分道路就会被占用或者封闭，从而影响道路交通的正常运行，事故发生地点因此便成为交 通瓶颈，道路的通行能力降低使之无法满足交通需求，进而导致交通拥堵，增加二次事故发 生的可能性。如不及时有效地评估突发事件对高速公路道路交通运营安全的影响，并让高速 公路上的驾驶员获悉影响的时间，这种影响往往会从点扩展到面，波及临近的高速公路，进 而影响到整个路网的运输效率和营运安全，严重导致大面积路网拥堵甚至瘫痪。事故影响分 析是高速公路系统分析中的一个重要方面，它是实行有效的交通控制、事故快速处理、交通 诱导及公路规划等的基础。对事故时空影响范围进行预算估计，采取有针对性的交通事故处 置措施和诱导、控制、疏导等交通管制措施，并通过高速公路信息发布系统告知高速公路上 的行驶者，能避免交通事故造成的交通拥堵现象进一步恶化，有效减轻驾驶员的不舒适度， 降低油耗，减小行驶时间损失，为高速公路交通设施与控制方案改善提供重要的定量依据。

但是，现有的交通事故影响研究存在一些不足，还无法有效应用于高速公路，主要包括 几下几方面：(1)目前对事故地点引发的交通影响进行分析的研究较少，研究重点主要集中 在对事故的特点、成因分析和预防对策上；(2)现阶段的事故影响范围研究主要集中在城市 道路中交叉口处的交通事故研究上。由于在高速公路上的车辆运行速度明显高于交叉口处的 车辆，并且高速公路上的运行成分单一，交通流特性十分明显，所以适合交叉口处的事故影 响范围估算方法并不适合高速公路上的事故影响估算；(3)目前对高速公路交通事故的影响 分析主要是确定性排队分析方法，这种方法虽然分析简单，使用方便，但是忽略了交通波的 扩散速度对交通流各参数的影响，计算结果与实际偏差较大；(4)由于交通检测技术的局限 性，在国际上尚无直接检测车辆停车、排队和延误的方法，传统的检测方法多利用视频检测 技术对道路上交通流量、车流速度和排队长度进行事后处置，对道路基础设施依赖性高，无 法实时准确地利用检测技术直接确定交通事故的时空影响范围。

发明内容

本发明的目的在于针对现有对高速公路事故的交通影响范围研究中存在的不足及实际需 要，提出一种基于交通波理论的高速公路事故的交通影响范围确定方法。

本发明的一种基于交通波理论的高速公路事故的交通影响范围确定方法，包括如下步骤：

步骤一、确定高速公路上的交通流量和车流密度，绘制两相邻车道的交通流量-密度图；

步骤二、分析交通事故过程各阶段的交通波，并确定各阶段的交通波的速度；

步骤三、根据各阶段的交通波速度绘制出交通事故的时空演化图；

步骤四、确定两股交通波相遇时的事故影响范围、相遇时间点和事故影响消散的时间点， 然后确定各时间阶段交通事故的空间影响范围、最长影响距离和最长影响时间。

本发明的优点与积极效果在于：

(1)与现有技术相比，本发明所需交通参量简单、易于获取，对高速公路基础设施条件 依赖性低，避开了一般道路交通检测手段不完善、可靠性低等缺陷，为准确计算事故拥堵排 队长度提供了可靠数据；

(2)该方法利用交通波理论对交通事故发生点上游车辆排队的聚积和消散过程进行分 析，确定交通事故的实时空间影响范围和最大排队长度的计算方法，具有计算简便，运算速 度快，可靠性高等优点，为交通事故的时空影响范围的确定奠定了坚实基础；

(3)通过对高速公路上交通事故发生点上游车辆排队的聚积和消散过程的分析，对高速 公路上事故的时空影响范围进行了快速、准确地估算，为事故的安全态势分析和应急处置策 略提供有效依据，为高速公路的交通控制提供了可靠信息材料。

附图说明

图1为本发明的事故交通影响范围确定方法的整体流程图；

图2为本发明实施例的交通流量-密度图；

图3为本发明实施例中交通事故发生初期的产生的交通波的示意图；

图4为本发明实施例中lane 1被清理后的初期产生的交通波示意图；

图5为本发明实施例中lane 1被清理后的后期产生的交通波示意图；

图6为本发明实施例中两车道清理完毕后的初期产生的交通波示意图；

图7为本发明实施例中两车道清理完毕后的后期产生的交通波示意图；

图8为本发明实施例在交通流量-密度图中事故发生到影响消除各阶段交通波示意图；

图9为本发明实施例的交通事故时空演化图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，一种基于交通波理论的高速公路交通事故的交通影响范围确定方法，包括 如下步骤：

第一步：确定高速公路上的交通流量和车流密度。

根据高速公路设计资料，确定高速公路的通行能力、拥挤密度等固定交通参量。利用高 速公路道路上布设的固定交通信息检测器例如地感线圈检测器，检测高速公路上车辆经过时 线圈检测器磁场变化，检测器据此计算出交通流量、车辆速度、车辆时间占有率和长度等交 通参数，获取道路交通信息，对所获取交通信息数据进行处理，剔除散点后，计算出高速公 路上不同交通状况下的交通流量和车流密度，得出正常交通状况下各车道上的交通流量-密 度图。具体包括如下步骤：

(1)获取道路交通信息：

根据高速公路设计资料，确定高速公路的最大通行能力q_max、允许的最大行驶速度v_max、 拥挤情况下的车流密度k_jam等。

采用地感线圈检测器获取道路交通信息。设从事故发生地点上游L范围内没有出口和进 口，并且认为L足够长，车队没有延伸过这一路段，还设停车线下游的交通流顺畅，没有阻 塞现象。上游车道的交通流量稳定，恒为一定值q₁。在高速公路上每隔距离S安置检测器， 根据检测器所检测的数据，计算获得如下数据：道路交通流量、车辆速度、车辆时间占有率 和长度等。对同一路段进行多时段的反复多次数据采集，统计分析计算当前道路上的交通流 量和车流密度，并记录发生交通事故、天气不良、道路施工等不良交通环境下的交通事件。

(2)处理数据，绘制图形：

剔除发生交通事故或者灾害性天气等不良交通环境下路段上交通流量和车辆密度数据。 选取两相邻车道作为研究对象，计算出无交通事件发生情况下的平均交通流量和相应的车辆 密度，并绘制交通流量-密度图，如图2所示。

图2为本发明实施例中某段高速公路的交通流量-密度图。横坐标表示车辆密度，纵坐 标表示交通流量。分别表示单条车道和两条车道的最大交通流量，分别表 示单条车道和两条车道在最大通行能力时的车流密度，分别表示单条车道和两条车 道的拥挤车流密度。

第二步：分析交通事故过程各阶段的交通波，并确定各阶段的交通波的速度。

本发明运用交通波理论，分析从事故开始到事故影响消除过程中交通波的积聚和消散过 程，并计算各阶段的交通波速度。

交通波理论是交通研究中进行分析、设计、仿真和决策的重要手段，它描述了同向运动 不同状态的两股交通流相遇时状态的转移过程，当道路交通因为交通状况的改变而发生车辆 密度的变化时，不同状态的交通流如q₁，k₁，v与q₂，k₂，v₂，相遇并产生传播速度为 u_w＝(q₂-q₁)/(k₂-k₁)的交通波，进而定量分析车流的积聚和消散过程。其中，q₁、q₂分别表 示两股交通流的交通流量，k₁、k₂分别表示两股交通流的车辆密度，v₁、v₂分别表示两股交 通流的速度。

下面给出一个实施例进行具体说明。

本发明实施例，在t_A时刻时，高速公路某横断面处发生一起交通事故，事故发生后将该 方向上的所有交通即刻封锁并进行事故处理；在时间t_B时刻，一条车道完成清理工作，该车 道上的车辆恢复行驶；在时间t_C时刻，另外一条车道也清理完毕，道路全面通车，所有车辆 恢复正常行驶。

(1)首先用交通波理论分析自事故发生到事故影响消散的过程中各阶段的交通流量及车 辆密度变化。

可将交通波传播过程分为以下几个阶段：

1)当t＝t_A时，在高速公路某横断面上发生交通事故，该方向上的所有交通即时被封锁， 交通状况如图3所示，发生事故前后的交通状况分别为自由流状况下的交通流q₁，k₁和道路阻 塞状况下的交通流q₂，k₂相遇，并产生波速为W₂₁的交通波。

2)当t＝t_B时，第一条车道lane 1被清理，部分车辆恢复行驶，第一条车道被清理后事故 地点的交通流q₃，k₃与阻塞状况下的交通流q₂，k₂相遇产生波速为W₃₂的交通波。第一条车道恢 复初期，道路上有两股交通波，波速分别为W₂₁和W₃₂，如图4所示，此状态持续到波速为W₂₁和W₃₂的两股交通波相遇时刻为止。

3)第一条车道交通恢复后期，即从波速为W₂₁和W₃₂的两股交通波相遇时刻开始到两车道 清理前的时间，波速为W₂₁和W₃₂的两股交通波相遇，产生波速为W₃₁的交通波，如图5所示。

4)当t＝t_C时，全部道路清理完毕，两车道lane 1和lane 2均被清理后的交通流q₄，k₄遇第 一条车道被清理后的交通流q₃，k₃，产生波速为W₄₃的交通波。初期阶段，道路上有波速为W₃₁和W₄₃的两股交通波，此状态持续到波速为W₄₃和W₃₁的两股交通波相遇时刻为止，如图6所 示。

5)从波速为W₃₁和W₄₃的两股两波相遇时刻开始到交通恢复正常为止。交通波W₃₁和W₄₃相 遇产生波速为W₄₁的交通波。如图7所示，道路上仅有波速为W₄₁的交通波，波速为W₄₁的交 通波完成后，交通恢复正常。

(2)计算交通波速度：

根据检测器记录的数据点及事故发生时间t_A、第一条车道清理时间t_B、第二条车道清理 时间t_C等，在交通流量-密度图中找出各交通状态下的交通流量q_i和车辆密度k_i：事故前自 由流状态下事故发生地的交通流量和交通密度分别为q₁，k₁；事故发生后事故地点的交通流量 和交通密度分别为q₂，k₂；第一条车道lane 1被清理后事故地点的交通流量和交通密度分别为 q₃，k₃；两条车道均被清理后事故地点的交通流量和交通密度分别为q₄，k₄。进而计算出上述分 析中各阶段的交通波速度W_ij。

计算公式为：

$W_{\mathrm{ij}}=\frac{q_j-q_i}{k_j-k_i}$

(q_i，k_i)和(q_j，k_j)分别为t_i和t_j时刻的交通状态。本实施例在交通流量---密度图中事故发 生到影响消除各阶段交通波示意图如图8所示。

图8中横坐标表示车辆密度，纵坐标表示交通流量。点1表示交通事故发生时刻的交通 状态，点2表示交通事故发生时刻后道路交通全部中断的交通状态，点3表示第一条道路清 理后的交通状态，点4表示全部道路清理后的交通状态，两点连线的斜率表示交通波的传播 速度。

第三步：绘制交通事故时空演化图，具体方法是：作时间-距离图，以事故发生点A为 起始点，各时间段中的交通波速度W_ij为线段斜率，结合事故发生时间、第一车道清理完成时 间、第二车道清理完成时间，绘制事故发生到事故影响消散过程中车队队尾的时间-距离图， 即为交通事故时空演化图，如图9所示。

根据交通波的传播特性，可以通过图9所示的交通事故时空演化图描述事故发生后的车 辆排队过程。事故发生在t_A时刻，距离为L的横断面上，两条车道全部封堵，产生波速为W₂₁的交通波；在t_B时刻，其中一条道路清理，产生波速为W₃₂的交通波，并在t_D时刻与波速为W₂₁的交通波相遇，形成新的波速为W₃₁的交通波；在t_C时刻，两条车道全部清理，产生波速为W₄₃的交通波；在t_E时刻波速为W₄₃的交通波与波速为W₃₁的交通波相遇，形成新的波速为W₄₁的 交通波；在t_F时刻，事故的影响全部消除，交通恢复正常。

第四步：确定交通事故各阶段时空影响范围。

根据绘制的交通事故的时空演化图，建立两车道的事故交通影响范围确定模型，通过计 算两股交通波相遇时的事故影响范围和相遇时间点，利用解析几何方法，进而计算各时段事 故的时间影响范围和空间影响范围。具体包括如下步骤：

(1)确定两股交通波相遇时的事故影响范围L_DG、L_EH：

$L_{\mathrm{DG}}=\frac{W_{32}\times W_{21}}{W_{32}-W_{21}}\times (t_B-t_A)$

$L_{\mathrm{EH}}=\frac{W_{43}}{(W_{43}+W_{31})}[\frac{W_{21}\times (W_{32}+W_{31})}{(W_{32}-W_{21})}\times (t_B-t_A)-W_{31}\times (t_C-t_B)]$

如图9所示，L_DG表示波速分别为W₂₁和W₃₂的两股交通波相遇时的事故影响范围；L_EH表 示波速为W₃₁和W₄₃的两股交通波相遇时的事故影响范围。

(2)确定两波相遇时的时间节点t_D、t_E，事故影响消散的时间点t_F：

$t_D=t_B+\frac{L_{\mathrm{DG}}}{W_{32}}$

$t_E=t_C+\frac{L_{\mathrm{EH}}}{W_{43}}$

$t_F=t_C+(\frac{1}{W_{43}}+\frac{1}{W_{41}})\times L_{\mathrm{EH}}$

(3)确定各时段事故的空间影响范围L(t)：

$L\left(t\right)=\left(\begin{array}{cc}{W}_{21}\times (t-t_A)& t_A\le t\le t_D\\ \frac{(W_{21}-W_{31})\times W_{32}}{W_{32}-W_{21}}\times (t_B-t_A)+W_{31}\times (t-t_A)& t_D<t\le t_E\\ \frac{W_{43}}{W_{43}-W_{31}}[(t_C-t_B)\times W_{31}-\frac{W_{32}-W_{31}}{W_{21}-W_{32}}\times (t_B-t_A)\times W_{21}]+W_{41}\times t& t_E<t\le t_F\end{array}\right)$

(4)确定事故最长影响距离L_max和事故最长影响时间T_max：

$L_{\max }=\frac{W_{32}\times W_{21}}{W_{32}-W_{21}}\times (t_B-t_A)$

T_max＝t_F-t_A+α

其中，α为事故影响时间修正系数，该参数值的大小可根据交通事故影响时间的实际观测 值和模型理论值的比较结果进行标定，一般α取值范围为[0.04599，0.092]。

实现上述方法仅需要在高速公路断面上安置检测器。检测器利用感应式信号控制系统的 现有设施，系统性采集高精度的实时交通数据，并把实时采集的车流信息发送到后台服务器 数据库中，进行交通道路交通路段交通流量的事实状态和拥堵实时提取、排队长度计算、交 通诱导发布和交通事件的自动检测。

通过本方法及其实施装置，在不增加执行机构的基础上，只需安装较少检测器即可实现 对高速公路上交通事故的时空影响范围进行分析计算，帮助驾驶员在拥堵状况下及时采取必 要措施，合理选择行车路线，避开拥堵，减少了交通延误、堵塞和事故，从而可大幅度地提 高路网的通行能力，使路网畅通，降低能源消耗，减少排放量，改善环境污染，提高汽车运 输生产率和经济效益。