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原文传递面向事故风险防控的高速公路交通传感器优化布设方法

论文题名：	面向事故风险防控的高速公路交通传感器优化布设方法
关键词：	高速公路;事故风险;事故风险防控;交通传感器;传感器布设
摘要：	目前视频、雷达、感应线圈、微波等传感器被广泛应用在高速公路事故风险防控中，为事故风险的检测及预警提供了重要的基础信息。然而实际应用中这些固定传感器的布设主要依靠工程经验或采取均匀布设方法，具有较大的主观性，可能导致传感器在高风险路段上缺失或在低风险路段上闲置，不仅造成了大量的资金浪费，而且难以达到预期的事故风险防控性能。此外交通事故的发生具有较大的不确定性，事故可能发生在高速公路上的任何位置，但是由于成本限制固定传感器无法在全路网上任意位置进行布设，因此仅依靠固定传感器，难以全面获取高速公路上的事故风险信息。近年来随着移动出行的快速发展，手机GPS、车载GPS等个人移动设备被大量使用，为全路径的事故风险感知提供了新的手段，可弥补固定传感器信息采集的不足，是固定传感器的有效补充。然而由于用户需求、出行时间、出行范围等的随意性和不确定性，导致移动传感器数据服务质量不稳定，难以有效服务于事故风险防控系统。因此亟需对面向事故风险防控的高速公路交通传感器布设问题进行研究，构建固定传感器的优化布设方法及移动传感器的有效激励机制，以提高事故风险检测性能，为高速公路事故风险防控提供支持。　　基于此，本文考虑到交通事故的不确定性，首先提出一种事故风险空间分布估计方法，获取高速公路上事故风险的整体分布状态，降低事故不确定性影响，为传感器的布设提供依据。针对事故检测中场景直接识别和交通流参数间接推断的不同工程应用需求，建立了满足事故场景直接识别需求的事故场景检测传感器布设方法，提出了满足事故间接推断需求的交通流参数检测传感器布设方法。为提升移动传感器的数据服务质量，设计了一种移动传感器的激励机制，提高用户参与度，使移动传感器能够有效服务于高速公路事故风险防控系统。本文的主要工作如下：　　（1）针对道路事故风险空间分布估计中有限历史事故样本造成的风险分布有偏估计及对道路风险差异性考虑不足的问题，提出一种基于最优传输理论的事故风险空间分布估计方法，提升了高速公路事故风险空间分布估计的准确性及可靠性。该方法考虑到高速公路上隧道、桥梁等不同类型道路风险特征的差异性，引入风险自适应的事故风险空间分布函数，获取道路事故风险的可能空间分布状态。为降低分布估计的有偏性，依据最优传输理论思想，通过最小化与各历史周期内事故风险可能空间分布之间的差异，建立了事故风险空间分布估计模型。实验过程中利用国际公开事故数据集，将本文提出的方法与固定带宽核密度估计方法进行对比，结果表明本文方法对道路事故风险空间分布的估计更加有效。　　（2）针对事故不确定性影响下事故场景检测的异质传感器布设难题，提出一种基于事故场景覆盖的固定传感器优化布设方法，该方法能够为视频、雷达等面向事故场景检测的异质传感器的布设提供依据。在该方法中，为降低事故不确定性带来的影响，将传感器布设问题转化为对事故风险空间分布的覆盖问题，并根据异质传感器感知模型及事故风险空间分布状态，建立了覆盖质量指标定量描述异质传感器对事故风险分布的覆盖性能。综合考虑事故风险覆盖质量、检测误差及布设成本等因素，建立了异质传感器布设的优化模型，并提出一种基于搜索剪枝策略及AO-GI-MO的两阶段求解算法。最后利用国际公开事故数据开展实验，结果表明本文方法对事故的覆盖率偏差较小，集中在0-10%之间，因此本文方法在实际应用中具有较高的可靠性。　　（3）针对传感器布设中对不同流量状态下事后交通流时空累积效应考虑不足导致其难以满足事故风险检测需求的问题，提出一种基于交通流累积效应的固定传感器优化布设方法，该方法能够为线圈、微波等面向交通流参数检测的传感器的布设提供依据。首先引入交通波理论，对事故发生后交通流演化过程进行分析，获取事后交通流时空累积效应。在此基础上，综合考虑高速公路交通流量、交通流时空累积效应、事故风险时空分布、事故检测需求及成本等因素，构建了传感器布设模型，并提出了基于改进布谷鸟搜索的模型求解算法。最后利用国际公开事故数据开展实验，将本文方法与目前常用的均匀布设方法进行对比，结果表明在不同的交通流量下，本文方法对事故的检测率较均匀布设方法都有所提升，提升率集中在0-40%之间。　　（4）针对移动传感器数据服务质量不稳定导致其对事故风险检测效率低下的问题，提出一种面向事故检测增强的移动传感器激励方法，该方法能够提升移动传感器的数据服务质量，并为不确定性任务及用户情景下移动传感器的激励问题提供参考。在该方法中，考虑到交通事故的不确定性，将移动传感器激励问题转化为对事故风险的时空覆盖问题，并结合移动传感器数据的有效性条件、移动用户的出行距离、到达规律及移动传感器在交通流中的占比等，建立了移动传感器对事故风险的机会覆盖率指标。为实现事故风险的预期覆盖性能，以成本最低为目标、以事故风险覆盖率为约束，构建了移动传感器的激励模型。最后利用国际公开事故数据开展实验，将本文提出的方法与均匀激励方法进行对比，结果表明在不同的交通流量下，本文方法的成本效益相对均匀激励法都有所提升，提升量集中在0-10%之间。　　综上所述，本研究旨在针对目前高速公路事故风险防控中常用的交通传感器，设计相应的布设方法。所提方法能够指导实际工程应用中传感器的布设，提升高速公路运营的安全性。研究成果将丰富交通安全防控中传感器的布设理论，为相关行业标准的制定提供参考。
作者：	曹倩
专业：	交通信息工程及控制
导师：	李志慧
授予学位：	博士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2023