基于固定检测器的城市道路交通事故影响范围确定方法

摘要

基于固定检测器的城市道路交通事故影响范围确定方法，涉及在完全由信号控制交叉口组成的城市道路网上发生交通事故后，确定交通事故的影响范围。具体包括以下步骤：计算交叉口进口道车辆的到达率；检测交叉口车辆的离去率；基于固定检测器计算排队长度；分析交通事故造成拥堵的扩散过程；最后确定交通事故的影响范围。本发明可以达到实时、准确预测交通事故影响范围，从而提高交通事故快速处置措施实施效率的目的。本方法简单实用、实时性和准确性较高。

说明书

技术领域

本发明涉及在城市道路发生交通事故后，根据在路段上布设的固定检测器，计算排队长度，并根据交通事故造成拥堵的扩散过程，确定交通事故的影响范围，为交通事故的处理、交通处置措施的实施提供依据。属于城市道路交通控制领域。 

背景技术

城市道路交通事故频发，不仅会造成人员伤亡、财产损失，还会导致交通拥堵，降低路网的运行效率，甚至诱发二次事故的发生。减小交通事故带来的负面影响的有效途径，就是实时计算事故造成的影响，及时采取具有针对性的交通事故处置措施。国内外在交通事故影响扩散方面进行了一些研究，但现有的研究存在一些不足，还不能有效应用于城市道路，主要包括以下方面：(1)对城市道路中交通事故影响扩散机理的研究大多借鉴公路交通相关理论，城市交通多由信号控制，其交通流形式比较复杂，不能简单以连续流进行分析，需要引进新的到达流模型以便准确计算排队长度；(2)通常认为交通事故解除后，车辆的离去率等于道路的最大通行能力，而实际并非如此；(3)通常认为拥堵扩散到交叉口，则交叉口立即陷入死锁状态，拥堵迅速扩散到交叉口其他连接路段，这种理论比较符合非信号控制交叉口，信号控制对拥堵扩散有一定的调节作用，交叉口不会立即陷入死锁状态，其拥堵扩散过程与非信号控制交叉口不同。 

经发明人长期研究发现，用城市交通组合流来描述交叉口进口道车辆的到达率，具有较高的准确性。通过布设在路段上的固定检测器，可以实时检测车辆的离去率。根据车辆的到达率和离去率，可以准确预测任意时刻的排队长度，结合交叉口信号配时情况，分析交通事故造成拥堵的扩散过程，可以准确预测交通事故影响范围。进行城市道路交通事故的影响分析，了解交通拥堵扩散规律，合理确定影响范围，有利于道路交通事故快速处置系统分析，便于更好地采取诱导、控制、疏导等交通流管制措施，避免交通事故造成的交通拥堵现象恶化，减小交通事故对城市交通网造成的负面影响。 

发明内容

本发明的主要目的是提供一种基于固定检测器的城市道路交通事故影响范围确定方法，本发明能与城市道路交通流和信号控制特性相适应，符合交通事故造成的拥堵扩散过程，具有简单实用、实时性和准确性较高的优点。 

为达到上述目的，本发明提出基于固定检测器的城市道路交通事故影响范围的确定方法为： 

1)用城市道路组合交通流来描述车辆到达的特征，计算车辆到达率， 

2)利用设置在路段上的固定检测器，检测车辆离去率， 

3)根据车辆的到达率和离去率，建立基于固定检测器的排队长度测定方法， 

4)分析确定交通事故造成拥堵的扩散过程， 

5)确定交通事故的影响范围。 

有益效果 

本发明根据城市道路交通流到达特性和在路段上布设的固定检测器，计算拥堵排队长度，并通过对交通事故造成的拥堵扩散过程的分析，确定交通事故影响范围，为交通事故的处理、交通处置措施的正确实施提供理论依据，提高交通事故处置措施实施的有效性。 

1、根据城市道路信号交叉口交通流特性，用城市交通组合流来描述城市道路车辆的到达率，避免了盲目采用公路交通流理论中连续流的缺陷，为准确计算事故点拥堵排队长度奠定了基础。 

2、根据车辆的到达率与离去率，确定了拥堵实时排队长度和最大排队长度的计算方法，为交通事故影响范围的确定奠定了坚实的基础。 

3、通过对事故造成的拥堵扩散过程的分析，对交通事故的影响扩散范围进行了更加准确的估计，从而为事故快速处置措施的正确实施提供了理论依据，避免了处置措施的盲目采用。 

附图说明

图1为确定城市道路交通事故影响范围的流程图； 

图2为组合流在道路上的空间分布； 

图3为固定检测器检测得到的交通流参数变化图； 

图4为交通事故拥堵-消散示意图； 

图5为交通事故发生点排队示意图； 

图6为拥堵扩散到上游交叉口时本通行方向为绿灯相位的示意图； 

图7为上游交叉口本通行方向由绿灯相位转为红灯相位的示意图； 

图8为拥堵扩散到上游交叉口时本通行方向为红灯相位的示意图； 

图9为上游交叉口本通行方向由红灯相位转为绿灯相位的示意图； 

图10为模拟路网图； 

图11为模拟和计算所得的排队长度对比图； 

图12为模拟所得的交通事故影响范围，白色的表示排队的车辆； 

图13为计算所得的交通事故影响范围，红色的表示排队长度。 

具体实施方式

本发明提出的基于固定检测器的城市道路交通事故影响范围确定方法为： 

1)用城市道路组合交通流来描述车辆到达的特征，计算车辆到达率， 

2)利用设置在路段上的固定检测器，检测车辆离去率， 

3)根据车辆的到达率和离去率，建立基于固定检测器的排队长度测定方法， 

4)分析确定交通事故造成拥堵的扩散过程， 

5)确定交通事故的影响范围。 

根据以上基本思路，提出基于固定检测器的城市道路交通事故影响范围的具体确定方法： 

1、车辆到达率的计算方法： 

设：城市道路网完全由信号控制交叉口组成，路段上的车辆到达为组合交通流，由稳定流和离散流组成，组合交通流具有周期性特征，且组合交通流周期c₁等于上游交叉口的信号周期c；稳定流由上游交叉口直行相位放行的连续行驶车辆构成，稳定流持续时间g₁等于上游交叉口直行相位绿灯时间g，稳定流的到达服从泊松分布；离散流由上游交叉口左转和右转相位放行的车辆构成，离散流由上游交叉口左转和右转相位放行的车辆构成，离散流持续时间d₁等于上游交叉口 周期时间减去直行绿灯相位时间的剩余时间d，且d＝c-g，离散流的到达服从泊松分布；设周期开始时间为上游交叉口直行相位开始时间，则路段上车辆到达率为： 

$\bar{\lambda }=\frac{g_1}{c_1}({\lambda }_1-{\lambda }_2)+{\lambda }_2$

其中，λ₁为稳定流的到达率，λ₂为离散流的到达率，组合交通流在道路空间上的分布如附图2所示。 

2、固定检测器检测车辆的离去率 

在路段上设置固定检测器S，检测器检测所得的数据为交叉口车辆的离去率，检测器检测得到的交通流参数如图3所示。 

3、基于固定检测器的排队长度计算方法为： 

3.1)交通事故造成的拥堵-消散过程如附图4所示。t₀时刻交通事故发生，拥堵扩散持续时间包括三个部分：第一部分为车辆到达时组合交通流所在周期剩余时间Δc₁；第二部分为累计周期时间 为t₀到任意时刻t内包括的完整组合交通流周期的个数；第三部分为拥堵扩散结束时组合交通流所在周期剩余时间Δc₂，且有0＜Δc₁，Δc₂＜c1，拥堵扩散持续时间内的任意时刻t为： 

3.2)根据拥堵扩散持续到t时刻累计到达的车辆数D(t)和累计离去的车辆数T(t)计算路段上车辆的排队长度，任意时刻t路段上车辆的排队长度L(t)为： 其中，N₁和N₂分别为车辆到达时组合交通流所在周期剩余时间Δc₁内到达的车辆数和拥堵扩散结束时组合交通流所在周期剩余时间Δc₂内到达的车辆数；设固定检测器检测的时间间隔为Δt，q_i为第i个时间间隔内固定检测器检测到的车辆离去率，i为固定检 测器检测过的时间间隔的序号，n为到任意时刻t时固定检测器检测过的次数；k_j为路段阻塞密度，一般取为100-150辆车/公里； 

①确定N1：当Δc₁＞c₁-g₁时，N₁＝λ₁(Δc₁-c₁+g₁)+λ₂(c₁-g₁)，其中λ₁(Δc₁-c₁+g₁)为车辆到达时组合交通流所在周期剩余时间Δc₁内以稳定流形式到达的车辆数，λ₂(c₁-g₁)为车辆到达时组合交通流所在周期剩余时间Δc₁内以离散流形式到达的车辆数；当Δc₁＜c₁-g₁时，N₁＝λ₂Δc₁，此时，车辆到达时组合交通流所在周期剩余时间Δc₁内仅包括离散流，且到达的车辆数为λ₂Δc₁； 

②确定N₂：当Δc₂＜g₁时，N₂＝λ₁Δc₂，此时，拥堵扩散结束时组合交通流所在周期剩余时间Δc₂内仅包括稳定流，且到达的车辆数为λ₁Δc₂；当Δc₂＞g₁时，N₂＝λ₁g₁+λ₂(Δc₂-g₁)，其中，λ₁g₁为拥堵扩散结束时组合交通流所在周期剩余时间Δc₂内以稳定流形式到达的车辆数，λ₂(Δc₂-g₁)为拥堵扩散结束时组合交通流所在周期剩余时间Δc₂内以离散流形式到达的车辆数； 

3.3)设固定检测器设置点S到事故点的距离为l₀，采样间隔为Δt，则基于固定检测器的排队长度为： 其中，t_S为拥堵排队扩散到固定检测器设置点S的时刻，排队长度L(t)计算示意图如图5所示。 

4、交通事故造成拥堵的扩散过程 

4.1)设交通事故发生在东西方向路段上，交通事故造成的拥堵在路段上扩散，当排队长度L(t)大于事故点到最近的上游交叉口的距离L_AB时，拥堵排队会影响到距离事故点最近的上游交叉口； 

4.2)当拥堵扩散到距离事故点最近的上游交叉口时该交叉口东西方向直行为绿灯相位： 

如图6所示，东进口方向的车辆开始滞留在交叉口内部，西进口方向的车辆通行顺畅，南、北进口车辆在停车线处排队等待， 

任意时刻t时交叉口北进口从停车线开始计算的排队长度为： 

$L_N\left(t\right)=(N_{N1}+[\frac{t-t_d}{c_1}]\bar{\lambda }{c}_1+N_{N2}-\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{q}_{\mathrm{Ni}}\mathrm{\Delta t})/k_j+l_N$

任意时刻t时交叉口东进口从停车线开始计算的排队长度为： 

$L_E\left(t\right)=(N_{E1}+[\frac{t-t_d}{c_1}]\bar{\lambda }{c}_1+N_{E2}-\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{q}_{\mathrm{Ei}}\mathrm{\Delta t})/k_j-d_1$

任意时刻t时交叉口南进口从停车线开始计算的排队长度为： 

$L_S\left(t\right)=(N_{S1}+[\frac{t-t_d}{c_1}]\bar{\lambda }{c}_1+N_{S2}-\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{q}_{\mathrm{Si}}\mathrm{\Delta t})/k_j+l_S-d_2/2$

其中，N_N1、N_E1、N_S1分别为北进口、东进口、南进口车辆到达时组合交通流所在周期剩余时间Δc₁内到达的车辆数；N_N2、N_E2、N_S2分别为北进口、东进口、南进口拥堵扩散结束时组合交通流所在周期剩余时间Δc₂内到达的车辆数；q_Ni、q_Ei、q_Si分别为第i个时间间隔内设置在北出口、东出口和南出口的固定检测器检测到的车辆离去率；t_d为拥堵排队扩散到最近的上游交叉口的时刻；l_N和l_s为t_d时刻北进口和南进口方向已有的排队长度；d₁和d₂分别为交叉口东西方向和南北方向的宽度； 

东西方向绿灯相位结束，转为红灯相位，如图7所示，此时，交叉口处于死锁状态，西进口方向开始出现排队，任意时刻t时西进口方向排队长度为： 

其中，Δg为拥堵排队扩散到上游交叉口时东西方向绿灯相位的剩余时间；N_W1为西进口车辆到达时组合交通流所在周期剩余时间Δc₁内到达的车辆数；N_W2为西进口拥堵扩散结束时组合交通流所在周期剩余时间Δc₂内到达的车辆数；q_Wi分别为第i个时间间隔内设置在西出口的固定检测器检测到的车辆离去率； 

4.3)拥堵扩散到距离事故点最近的上游交叉口时该交叉口东西方向直行为 红灯相位： 

①交通事故路段剩余通行能力大于车辆到达率时，拥堵路段排队长度逐渐减小，拥堵停止继续扩散； 

②交通事故路段剩余通行能力小于车辆到达率时： 

如图8所示，在上一东西方向直行绿灯相位时东进口方向车辆已经进入该交叉口内部，南、北进口方向车辆在绿灯相位也无法继续通行，排队等待，东、西进口车辆由于红灯状态而在停车线处排队等待，本周期时间结束，东西方向变为下一信号周期的绿灯相位，交叉口进入死锁状态，如图9所示，则： 

任意时刻t时东进口从停车线开始计算的排队长度为： 

$L_E\left(t\right)=(N_{E1}+[\frac{t-t_d}{c_1}]\bar{\lambda }{c}_1+N_{E2}-\underset{i=1}{\overset{q}{\Sigma }}{q}_{\mathrm{Ei}}\mathrm{\Delta t})/k_j-d_1$

任意时刻t时南进口从停车线开始计算的排队长度为： 

$L_S\left(t\right)=(N_{S1}+[\frac{t-t_d}{c_1}]\bar{\lambda }{c}_1+N_{S2}-\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{q}_{\mathrm{Si}}\mathrm{\Delta t})/k_j+l_S-d_2/2$

任意时刻t时西进口从停车线开始计算的排队长度为： 

$L_W\left(t\right)=(N_{W1}+[\frac{t-t_d}{c_1}]\bar{\lambda }{c}_1+N_{W2}-\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{q}_{\mathrm{Wi}}\mathrm{\Delta t})/k_j+l_W-d_1/2$

任意时刻t时北进口从停车线开始计算的排队长度为： 

$L_N\left(t\right)=(N_{N1}+[\frac{t-t_d}{c_1}]\bar{\lambda }{c}_1+N_{N2}-\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{q}_{\mathrm{Ni}}\mathrm{\Delta t})/k_j+l_N.$

其中，l_W为t_d时刻西进口方向已有的排队长度。 

5、确定交通事故的影响范围 

5.1)交通事故发生时，根据交通事故类型确定交通事故清理时间，按照《道路交通事故处理办法》相关规定，将交通事故分为轻微事故、一般事故、重大事故和特大事故四类，第一类轻微交通事故的清理时间一般为20-30分钟；第二类一般事故的清理时间为30-60分钟，第三类重大事故的清理时间为60-90分钟，第四类特大事故的清理时间为90-120分钟，从而可以确定交通事故清理结束的时刻t₁； 

5.2)假设如下路网：由三条东西方向道路和三条南北方向道路构成的方格网式道路网，距离事故点最近的上游交叉口为O交叉口，距离O交叉口最近的东、南、西、北四个方向的交叉口分别为E1、S1、W1、N1交叉口，O交叉口与E1、S1、W1、N1四个交叉口之间的路段长度分别为l_O-E1、l_O-S1、l_O-W1、l_O-N1， 距离E1交叉口最近的北、南两个方向的交叉口分别为E2、E3交叉口，距离W1交叉口最近的北、南两个方向的交叉口分别为W2、W3交叉口，假设路网如图10所示； 

5.3)根据3.3)中基于固定检测器的排队长度测定方法，计算任意时刻t时事故点的拥堵排队长度L(t)，将事故点的拥堵排队长度L(t)和事故点与O交叉口之间的距离L_AB进行比较，如果L(t)＜L_AB，则交通事故造成的拥堵排队不会扩散到距离事故点最近的上游O交叉口，事故影响范围仅限于此交通事故发生路段，此时的交通事故影响范围即为事故点拥堵排队长度；如果L(t)＞L_AB，则交通事故造成的拥堵排队就会扩散到O交叉口，转5.4)； 

5.4)根据拥堵排队扩散到O交叉口时该交叉口东西方向直行为绿灯相位还是红灯相位，采用4.2)或4.3)中拥堵排队长度测定方法，计算O交叉口东、南、西、北四个方向进口的排队长度L_EO(t)、L_SO(t)、L_WO(t)、L_NO(t)，将其和O交叉口与E1、S1、W1、N1四个交叉口之间的路段长度分别进行比较，如果L_EO(t)＜l_O-E1，则O交叉口东进口方向的拥堵排队不会扩散到E1交叉口；如果L_EO(t)＞l_O-E1，则O交叉口东进口方向的拥堵排队会扩散到E1交叉口；南、西、北三个方向的确定方法与此相同； 

5.5)重复以上计算判断过程，直至t₁时刻，交通事故现场清理完毕，交通事故发生路段通行能力恢复正常，停止以上计算判断过程，此时，确定交通事故影响范围为拥堵排队扩散到的所有交叉口及其各方向排队共同构成的区域范围。 

以图10所示路网，运用VISSIM仿真软件模拟交通事故造成拥堵的扩散过程。 

示例：一个完全由信号控制交叉口构成的标准方格路网。交叉口基础数据如表1所示： 

表1交叉口基础数据表 

模拟交通事故在500s时刻发生在W1交叉口与O交叉口之间的路段上，事故点距上游交叉口144m，由于固定检测器距上游交叉口124m，故l₀＝20m。交通事故造成W1交叉口与O交叉口之间的路段通行能力下降，可用检测器实时检测。设交通事故拥堵扩散时间为20分钟，模拟数据记录时间为500s-1700s。模拟与计算的排队长度随时间变化如附图11所示。 

模拟中排队车辆显示为白色，运动车辆显示为蓝色。不同时刻交通事故的模拟影响范围与计算影响范围的如表2所示。 

表2事故影响范围数据表 

用排队长度总和S描述交通事故影响范围，S₁为模拟得到的交通事故影响范围，S₂为计算得到的交通事故影响范围，相对误差σ＝|S₁-S₂|/S₁。各时刻两者的误差如表3所示： 

表3模拟与计算误差表 

  时间(s)   1300   1440   1560   1700   相对误差   13.5％   14.9％   13.0％   11.1％ 

基于固定检测器计算得到的交通事故影响范围与模拟结果相符，说明本发明设计的方法能较好地估计交通事故影响范围，从而为交通控制管理措施的实施提供理论依据。