高速公路基本路段实时交通状态判别方法的研究及应用

摘要 ......................................................................................................................................... I ABSTRACT ............................................................................................................................. II 第一章绪论 (1)

1.1 研究背景与意义 (1)

1.2 国内外研究现状 (2)

1.3 主要内容与结构安排 (4)

第二章高速公路基本路段交通状态表征参数及划分标准分析 (7)

2.1 高速公路基本路段交通状态描述 (7)

2.2 高速公路基本路段动态交通流参数分析 (8)

2.2.1 交通流特征参数 (8)

2.2.2 交通流参数与交通状态的关系 (9)

2.2.3 交通流运行特性分析 (11)

2.2.4 交通流拥挤特性分析 (14)

2.4 高速公路基本路段交通状态分类标准分析 (15)

2.4.1 交通状态划分标准 (15)

2.4.2 基于模糊聚类的交通状态度量标准 (16)

2.5 本章小结 (17)

第三章高速公路基本路段交通状态模糊判别方法研究 (18)

3.1 概述 (18)

3.2 基于模糊聚类的交通状态的判别 (19)

3.2.1 交通状态模糊聚类 (19)

3.2.2 交通状态分类FCM算法流程分析 (21)

3.2.3 交通状态模糊聚类判别方法存在的问题 (23)

3.3 基于遗传算法的初始聚类中心选取 (25)

3.3.1 遗传算法概述 (25)

3.3.2 基于GA的FCM初始聚类中心的选择 (27)

3.3.3 FCM与GA-FCM比较分析 (29)

3.4 本章小结 (30)

iii

第四章交通状态判别决策分析模型研究 (31)

4.1 基于支持向量机的交通状态判别模型的实现 (31)

4.1.1 支持向量机理论 (31)

4.1.2 支持向量机分类原理 (35)

4.1.3 支持向量机的参数选择 (36)

4.2 基于核极限学习机的交通状态分类模型的实现 (37)

4.2.1 核极限学习机理论 (38)

4.2.2 核极限学习机分类原理 (42)

4.2.3 SVM与KELM对比分析 (43)

4.3 基于GA-FCM与KELM的交通状态判别方法 (44)

4.4 本章小结 (46)

第五章交通状态判别方法应用研究 (47)

5.1 数据选取与预处理 (47)

5.1.1 数据来源 (47)

5.1.2 数据预处理 (47)

5.1.3 仿真平台 (48)

5.2 交通状态聚类分析 (48)

5.2.1 FCM与GA-FCM算法对比分析 (48)

5.2.2 结果可靠性分析 (52)

5.3 交通状态决策模型判别分析 (54)

5.4 本章小结 (58)

结论 (59)

参考文献 (61)

攻读学位期间取得的研究成果 (65)

致谢 (66)

第一章绪论

1.1 研究背景与意义

近年来，随着交通出行量的快速增长，高速公路已逐渐成为日常通行的重要载体。截止至2013年底，高速公路通车总里程达10.4万公里。高速公路路网规模的逐渐扩大在一定程度上缓解了快速增长的出行需求，但是，在我国有限的资源、环境压力下，单纯地依靠道路基础设施的建设并不能解决实质性的问题。因此，如何在有限的资源下，提供快速、安全、舒适的行车环境，成为亟待解决的交通难题。

智能交通系统（Intelligent Transportation Systems，ITS）作为目前交通工程学科的热门研究领域，集电子信息、网络、自动控制等先进技术于一体，旨在缓解交通拥挤、保障交通安全、提升交通运营效率等。它受原有路网规划及其他硬性条件限制影响较小，具有实时、灵活、高效等特点。因而，ITS成为现今解决高速公路交通问题的主要手段。

交通状态的研究是ITS中的重要模块，高速公路交通状态的实时监控和交通状态信息的发布是保障交通安全和运行效率的重要基础。根据路段实时交通状态信息可以实现对高速公路交通流的管理和控制，减少拥挤的发生，充分发挥高速公路安全、快捷和高效的特点。

目前国内大部分高速公路采用全封闭，全立交的运行管理形式。在交通流稳定运行状态下，相邻互通间的基本路段上交通状态会随着互通进出口交通量的增减变化而变化，但交通状态在某个较短的时间段是稳定的。因此从理论上我们可以得到高速公路基本路段交通状态信息。且由于高速公路进出口(互通)间随着地域经济发展程度不同呈现相异的交通需求特征，在不同时段内相邻高速公路进出口间路段(基本路段)上也表现为不同的交通运行状态，因此，高速公路交通运行状态会呈现出不同的时空变化规律。但对于特定的空间条件下，高速公路交通状态的变化规律具有时间序列相似性，通过在海量的历史数据中找出与实时交通流参数相匹配的交通状态，可以实现对高速公路基本路段的实时交通状态判别。

国内外对高速公路交通运行状态的研究主要是针对交通事件判别算法，基于时空分布规律的交通流具体形态的研究较少。交通事件判别技术仅能够对高速公路突发的交通事件进行时间和空间位置确定，且有时间滞后性。各级管理部门采取相应的措施也需要反应时间，在时间上导致对交通事件的处理不及时，往往容易导致二次事件的发生，造成更严重的交通拥挤和阻塞。若能够对高速公路交通运行状态的变化过程进行实时监