摘 要 针对合理布设高速公路监测设备，能够满足运行状态判别和应急管理等应用需求，在总结和分析交通流监测设备布设现状的基础上，提出“基于交通仿真技术在不同布设间距条件下的交通异常状态检测，以平均检测时间作为评价指标”的研究思路，并对事件检测参数选择、仿真条件设置和事件检测算法分析3个关键问题进行了论述。最后通过对高速公路上10种交通流监测设备布设间距进行仿真模拟，得到不同布设间距对应的事件检测时间，为交通管理部门进行交通流监测设备布设提供决策依据。
关键词 事件检测 AIMSUN 布设间距 平均检测时间
中图分类号：U491.116 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2017.07.072
Study on Spacing of Monitoring Equipment for Arterial
Highway Based on AIMSUN
ZHU Leilei[1]， YIN Hao[1]， DIAO Hanlou[2]
（[1] Highway Bureau of Jiangsu Provincial Department of Communications and Transportation， Nanjing， Jiangsu 210004；
[2] China Design Co.， Ltd， Nanjing， Jiangsu 210014）
Abstract According to the reasonable layout of highway monitoring equipment， can meet the operation state identification and emergency management applications， based on the summary and analysis of the status quo of traffic flow monitoring equipment layout， put forward "the abnormal traffic state of traffic simulation technology in different spacing conditions in detection based on the average detection time of the evaluation index. And for selection， event detection parameter setting and simulation condition event detection algorithm analysis of 3 key issues discussed. By the end of the highway 10 traffic flow monitoring equipment layout simulation， different layout corresponding event detection time， provide the basis for decision-making of traffic flow monitoring equipment layout for traffic management department.
Keywords event detection； AIMSUN；layout spacing； mean time to detect
当前，我国高速公路建设发展迅速，路网规模不断扩大。截止到2016年底，我国高速公路总里程已超过13万公里，位居世界第一。与此同时，伴随而来的是交通量激增，交通事故发生率不断上升，对人民生命财产造成威胁的同时，也大大降低了高速公路的通行效率。
目前，国内外对于交通检测器在高速公路布设的间距主要依据经验而定，为提升高速公路网的服务水平，提高路网运行效率，迫切需要利用现代信息技术及时准确地检测交通事件的发生。合理布设交通流监测设备，不仅能够为路网交通管控、监测预警以及公众出行服务提供技术支持，同时，还能最大限度地节约资金。所以，合理布设交通流监测设备意义重大。
1 现状分析
2012年，国家交通运输部发布的《公路网运行监测与服务暂行技术要求》，[1]提出易拥堵、易发生重特大突发事件以及氣象条件恶劣的高速公路路段监测设施布设间距设置须小于2km。当前，国内外对于交通流监测设备的布设，主要依据工程经验而定，缺乏系统的理论支撑。日本的Hanshin高速公路超声波检测器间距为500m，加拿大401国道平均间隔为1km，美国芝加哥高速公路监测设备平均间隔为200m。沪宁高速公路江苏段布设间隔约为2.5km，京台高速山东段间隔1km。在理论研究方面，针对检测器布设国外开展了在基于系统成本与行程时间的双层规划模型研究；[2]国内研究则主要包括基于行程时间检测、基于OD矩阵估计以及基于事件检测和交通诱导系统等[3-7]研究思路。
2 交通事件检测参数选择
在选取检测参数时，必须充分考虑检测参数对事件发生判别的正确性和敏感性，为了能够提高高速公路交通事件判别的准确性，需要对检测参数进行选择。在车流运行过程中，速度，流量和密度是表征交通流特性的3个基本要素，[8]在评价交通运行状态时，通常以较易测定的占有率取代密度，即选取流量、速度和占有率作为检测交通事件的参数。
本研究以间隔500m和1000m布设检测器的路网作为实验平台，模拟有无事件发生对交通参数的影响。以速度参数为例，仿真输出结果如图1所示，当交通事件发生时，上游速度下降明显，敏感性高。
3 仿真条件设置
交通仿真技术能够再现车流的运动过程，并通过输出评价指标对可能的策略进行客观评价，具有成本低、可重用、可控制等优点，具有很好的应用效果，本研究仿真条件设置主要包括搭建路网模型、设置车辆属性、模型参数标定以及设置交通事件。
3.1 搭建仿真路网
本研究基于西班牙TSS公司研发的Aimsun仿真器进行仿真，搭建仿真路网包含道路的几何线性构建、交通状态输入、交通需求输入以及信号控制策略等设置。本研究所基于的仿真模型是交通运行状态不受其它路段（分流、合流）影响的基本路段，仿真路段示意图如图2所示。
3.2 设置车辆属性
车辆属性主要包括车型构成和车辆机动性能。由于大型拖挂货车所占比例较小，可视为对仿真结果普适性无影响。故本研究仅考虑小车和卡车，比例设置分别为80%和20%。
3.3 模型参数标定
通过对变道模型、车辆跟驰模型等模型参数标定来校正车辆的驾驶行为，使之能够匹配实际车辆在高速公路上的运行特征，达到更加准确的模拟高速公路实际车流运行状态。
3.4 设置交通事件
初拟的检测器布设间距500m、1000m、1500m、2000m、2500m、3000m、3500m、4000m、4500m、5000m共10种情形。交通事件的参数设置主要包括事件的发生位置、开始时刻、持续时间、事件的严重程度以及路段的交通量。根据相关研究，道路的通行能力能够反映交通事件发生的严重程度，阻断1条路剩余通行能力为80%、阻断2条路剩余通行能力为50%、阻断3条路剩余通行能力为20%（表1）。
4 交通事件检测算法
4.1 California算法
California算法（简称加州算法）目前已经得到广泛的应用和认可，是事件检测算法中的经典算法之一。当交通事件发生时，上游断面检测器检测到占有率增加，下游断面检测器检测到占有率减少，当同时满足相邻两检测器占有率差值、相邻两检测器占有率相对差值和下游检测器2min前和当前占有率相对差都在阈值之外时，则判断交通事件发生，如表2所示，为基于California算法的高速公路交通拥堵平均检测时间输出值。
4.2 SND算法
SND（标准正常偏差）算法是一种最基本的事件检测算法，以交通量或者占有率作为检测值，通过检测拥挤时刻t前的n个值的算术评价值来预测时刻t的值，用标准正常偏差来度量交通变量改变程度，当它超过阈值时，就判断事件发生。如表3所示，为基于SND算法的高速公路交通拥堵平均检测时间输出值。
4.3 Mcmaster算法
Mcmaster算法基于突变理论模型，该算法规定检测器在两个连续采样周期内，流量、车速和占有率中任意两个超过阈值则判断为拥挤。
或者在连续三个采样周期内，占有率、车流速度或者车流量三者任一指标在阈值之外，则判断为拥挤。如表4所示，为基于Mcmaster算法的高速公路交通拥堵平均检测时间输出值。
5 仿真结果
由California算法、Mcmaster算法和SND算法三种算法的仿真输出结果可知，在道路条件相同的情况下，交通事件发生的程度越严重，检测交通事件的时间就越短，事件发生的位置距离检测器越近，交通拥堵的平均检测时间越短。三种算法在检测器布设不同间距下平均检测时间输出如图3所示。
由图3可知，基于本研究所假设的条件下，以平均检测时间作为单一评价指标，优越性排序分别是California算法、SND算法和Mcmaster算法。但是在目前已有的交通事件检测算法中，并没有一种算法的有效性完全优于其它算法，不同的算法只是在不同的条件下其性能优越。考虑到交通流系统是由人、车、路三要素构成的动态、开放的复杂巨系统。为提高事件检测时间的准确性，在实际的应用过程中需要将不同的算法赋予不同的权值以提高运行效率，实现算法的优化组合，考虑到实际交通流状态的不确定性，本文拟赋予以上三种算法相同的权值，即各权值取1/3，结合以上三种算法的仿真结果，形成了高速公路布设间距与平均检测时间对照表，如表5所示，为交通管理部门进行交通流监测设备布设提供决策依据。
6 结论
高速公路网交通流监测设备布设是路网运行状态监测体系建设的重要内容，尤其是布设间距，直接决定着建设规模和建设成本。鉴于当前国内外对于交通流监测设备的布设缺乏系统的理论支撑的实情，本研究提出了基于AIMSUN交通仿真的交通流监测设备布设研究思路，通过对交通参数的选择以及高速公路事件检测算法的分析，基于仿真输出结果，形成了高速公路布设间距与平均检测时间对照表，并对各算法的优劣作了比较，以期为相关研究和工程建设提供参考。
参考文献
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