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摘 要：隨著我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)模不斷擴(kuò)大，隧道群和特長(zhǎng)隧道數(shù)量逐步增加。由于隧道運(yùn)行環(huán)境相對(duì)封閉，發(fā)生事故后交通疏導(dǎo)和事故救援難度大，且多數(shù)隧道在車輛運(yùn)行監(jiān)測(cè)方面并不完備，因此研究隧道內(nèi)車輛運(yùn)行軌跡、掌握不同個(gè)體車輛間的跟馳特性尤為重要。本文首先從車輛跟馳模型研究現(xiàn)狀進(jìn)行梳理，分析車輛跟馳模型已有研究的缺陷及挑戰(zhàn);其次，結(jié)合斷面交通數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)，基于特長(zhǎng)隧道特征分析、車輛運(yùn)行軌跡特征分析，提出車輛軌跡預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建思路和流程。

關(guān)鍵詞：跟馳模型;車輛軌跡預(yù)測(cè);斷面交通數(shù)據(jù)

中圖分類號(hào)：U491 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

隧道因運(yùn)行環(huán)境相對(duì)封閉，發(fā)生事故后交通疏導(dǎo)和事故救援難度大，易造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，因此科學(xué)合理的隧道交通監(jiān)管技術(shù)就顯得尤為重要。精準(zhǔn)實(shí)時(shí)地預(yù)測(cè)隧道內(nèi)各個(gè)體車輛的運(yùn)行軌跡，能夠?yàn)榻煌ü芾聿块T(mén)實(shí)時(shí)掌握隧道內(nèi)車輛運(yùn)行狀態(tài)、對(duì)管控方案做出動(dòng)態(tài)調(diào)整提供幫助。

車輛運(yùn)行軌跡的預(yù)測(cè)離不開(kāi)對(duì)車與車之間關(guān)系的研究。車輛處于自由行駛狀態(tài)下時(shí)，車輛的運(yùn)行相對(duì)平穩(wěn)，車速只與駕駛員自身意愿相關(guān);車輛處于非自由行駛狀態(tài)下時(shí)，車隊(duì)中任一輛車的車速都受前車速度的制約，即車輛處于跟馳狀態(tài)。車輛跟馳模型通常描述的是無(wú)法超車的同一車道中相鄰車輛間的相互作用，基于跟馳模型對(duì)特長(zhǎng)隧道內(nèi)不可變道條件下車輛的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行研究是較為適宜的。

1 車輛跟馳模型研究現(xiàn)狀

國(guó)外的學(xué)者對(duì)車輛跟馳模型進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，主要可以分為以下幾類：刺激—反應(yīng)模型，安全距離模型，生理—心理模型。近年來(lái)，又涌現(xiàn)出模糊推理模型和元胞自動(dòng)機(jī)模型。

1.1 刺激—反應(yīng)模型

車輛跟馳理論的中心思想是：反應(yīng)=靈敏度*刺激。Aron[1]通過(guò)分析一般條件下的跟馳數(shù)據(jù)，把后車駕駛員的反應(yīng)分為減速、穩(wěn)定跟馳和加速三個(gè)階段。凌代儉[2]等考慮時(shí)滯效應(yīng)對(duì)車流的影響，選取車頭時(shí)距和相對(duì)速度為變量，構(gòu)建了改進(jìn)后的跟馳模型。刺激—反應(yīng)模型具有開(kāi)創(chuàng)意義，許多后期的跟馳模型都在此基礎(chǔ)上建立。

1.2 安全距離模型

安全距離模型[3]最初由Kometani和Sasaki[4]提出，該模型最基本的關(guān)系并非GM模型所倡導(dǎo)的刺激—反應(yīng)關(guān)系，而是尋找一個(gè)特定的跟馳距離。曲昭偉[5]等針對(duì)最優(yōu)速度（OV）模型及其相關(guān)衍生模型假設(shè)安全距離恒定的缺陷，提出了基于最優(yōu)速度模型的改進(jìn)安全距離跟馳模型。

1.3 生理—心理模型

生理—心理模型用一系列閾值和期望距離體現(xiàn)人的感覺(jué)和反應(yīng)，在不同的值域，后車與前車存在不同的影響關(guān)系。行為閾值模型的缺點(diǎn)在于模型的參數(shù)較多，子模型之間的相互關(guān)系比較復(fù)雜，并且對(duì)于各種閾值的調(diào)查觀測(cè)比較困難。

1.4 模糊推理模型

基于模糊推理的車輛跟馳模型主要通過(guò)推理駕駛員未來(lái)的邏輯階段來(lái)研究駕駛員的駕駛行為，核心仍是刺激—反應(yīng)關(guān)系。近些年來(lái)在該領(lǐng)域的一些研究主要包括：Rekersbrink[6]模糊化了的MISSION模型;Henn[7]TRAFFIC—JAM模型。

1.5 元胞自動(dòng)機(jī)模型

元胞自動(dòng)機(jī)模型對(duì)交通系統(tǒng)的描述實(shí)踐了一種用離散化模型描述離散化問(wèn)題的思想，避免了流動(dòng)比擬下確定性方程的嚴(yán)格假設(shè)及求解離散化對(duì)真實(shí)信息的損失。但該模型的假設(shè)與實(shí)際的駕駛行為還存在著較大的差距，如何將該模型與交通實(shí)際聯(lián)系起來(lái)，還需要做大量的工作。

1.6 現(xiàn)有研究的缺陷

現(xiàn)有跟馳模型研究存在以下缺陷：

（1）模型的通用性較差，各類限制條件較多。（2）理論上的假設(shè)在模型的建立中是合乎情理的，但與實(shí)際情況存在著差異。（3）實(shí)際運(yùn)行中跟馳行為受道路和流量等多種條件的影響，而大多模型中忽略了其影響，只考慮了個(gè)別因素的作用。

2 研究熱點(diǎn)與面臨的挑戰(zhàn)

2.1 研究熱點(diǎn)

精準(zhǔn)實(shí)時(shí)地預(yù)測(cè)車輛在隧道內(nèi)行駛的軌跡參數(shù)，對(duì)于提前預(yù)測(cè)和研判交通態(tài)勢(shì)尤為重要，通過(guò)預(yù)測(cè)車輛未來(lái)時(shí)刻的軌跡信息，能夠有效評(píng)估駕駛安全性和舒適性。精準(zhǔn)預(yù)測(cè)車輛運(yùn)行軌跡，有利于隧道監(jiān)管者實(shí)時(shí)掌握個(gè)體車輛及交通流運(yùn)行狀態(tài)。

2.2 車輛軌跡預(yù)測(cè)面臨的挑戰(zhàn)

（1）個(gè)體車輛在各時(shí)刻運(yùn)動(dòng)的不均衡性。在不同交通流狀態(tài)下，個(gè)體車輛的運(yùn)動(dòng)特征具有不均衡性。在自由流狀態(tài)下，同一個(gè)體車輛的速度相對(duì)穩(wěn)定，速度特征只與駕駛員意愿相關(guān);在非自由流狀態(tài)下，同一個(gè)體車輛的速度特征與自由流狀態(tài)下的速度特征有明顯不同。

（2）不同個(gè)體車輛之間在各時(shí)刻運(yùn)動(dòng)的不均衡性。在不同交通流狀態(tài)下，不同個(gè)體車輛的運(yùn)動(dòng)特征具有不均衡性。在自由流狀態(tài)下，不同個(gè)體車輛的速度特征具有多樣性與差異性;在非自由流狀態(tài)下，相鄰兩車中后隨車的速度和其縱向位置受前導(dǎo)車的影響，后隨車駕駛員通過(guò)加、減速力圖保持同前車的安全間距，并以此對(duì)前導(dǎo)車的動(dòng)作做出反應(yīng)。

3 斷面交通數(shù)據(jù)環(huán)境

3.1 斷面交通數(shù)據(jù)特征

固定型的斷面交通檢測(cè)設(shè)備被用來(lái)采集道路斷面的交通流量、速度、車頭間距等數(shù)據(jù)。斷面交通檢測(cè)數(shù)據(jù)具有以下特征：（1）數(shù)據(jù)易提取。（2）數(shù)據(jù)量豐富。（3）數(shù)據(jù)精度高。

3.2 基于斷面交通數(shù)據(jù)的車輛軌跡預(yù)測(cè)的優(yōu)勢(shì)

斷面交通檢測(cè)設(shè)備在公路隧道有較高的覆蓋率，斷面交通數(shù)據(jù)容易獲取且信息完備，通過(guò)數(shù)據(jù)清洗和分類篩選，可以較為直觀地分析不同交通環(huán)境下車輛運(yùn)行特征，基于斷面交通數(shù)據(jù)的軌跡預(yù)測(cè)模型實(shí)用性、適應(yīng)性較強(qiáng)。

4 基于斷面交通數(shù)據(jù)的特長(zhǎng)隧道車輛軌跡預(yù)測(cè)模型構(gòu)建

4.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理與指標(biāo)參數(shù)提取

利用隧道側(cè)裝視頻等斷面交通檢測(cè)設(shè)備獲取隧道內(nèi)車輛速度、車流量、車頭間距等數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理后可獲取車輛通過(guò)斷面時(shí)的指標(biāo)參數(shù)，為車輛運(yùn)行軌跡特征分析與車輛軌跡預(yù)測(cè)模型建立提供數(shù)據(jù)支撐。

4.2 特長(zhǎng)隧道特征分析

從道路結(jié)構(gòu)、幾何線形、管控方式等方面對(duì)特長(zhǎng)隧道進(jìn)行特征分析研究。

4.3 車輛運(yùn)行軌跡特征分析

基于車輛跟馳模型、斷面交通數(shù)據(jù)，研究不同交通流狀態(tài)下隧道內(nèi)車輛運(yùn)行軌跡的共性規(guī)律，掌握不同個(gè)體車輛間的跟馳特性，為車輛運(yùn)行軌跡預(yù)測(cè)模型構(gòu)建提供理論與數(shù)據(jù)支持。

4.4 車輛運(yùn)行軌跡預(yù)測(cè)模型構(gòu)建

自由行駛狀態(tài)下車輛的運(yùn)行狀態(tài)相對(duì)平穩(wěn)，車速與駕駛員自身意愿相關(guān);而在車輛處于非自由行駛狀態(tài)下時(shí)，車隊(duì)中任一輛車的車速都受前車速度的制約，即車輛處于跟馳狀態(tài)?；谲囕v跟馳理論對(duì)車輛運(yùn)行軌跡預(yù)測(cè)模型進(jìn)行構(gòu)建。

4.5 車輛運(yùn)行軌跡預(yù)測(cè)模型修正

結(jié)合上下游斷面交通流數(shù)據(jù)，判斷上下游交通運(yùn)行態(tài)勢(shì)，對(duì)車輛預(yù)測(cè)模型參數(shù)進(jìn)行修正（如圖1）。

5 結(jié)語(yǔ)

車輛軌跡預(yù)測(cè)的研究在交通流監(jiān)測(cè)與管控方面的研究有所欠缺，且許多已有的車輛軌跡預(yù)測(cè)研究中忽略了車速的變化以及車輛間的跟馳特性影響，在精度與準(zhǔn)度上存在一定不足。依托大量車道斷面數(shù)據(jù)深度發(fā)掘車輛運(yùn)行軌跡特征，構(gòu)建基于斷面交通數(shù)據(jù)的特長(zhǎng)隧道車輛軌跡預(yù)測(cè)模型，精準(zhǔn)預(yù)測(cè)車輛運(yùn)行軌跡，有助于監(jiān)管者實(shí)時(shí)掌握交通流狀態(tài)，為交通管控方案的制定與動(dòng)態(tài)調(diào)整提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]Aron M.Car Following in an Urban Network： Simulation and Experiment.In Proceedings of Seminar D，16th PTRC Meeting，1988.

[2]凌代儉，肖鵬.一類非線性車輛跟馳模型的穩(wěn)定性與分岔特性[J].交通運(yùn)輸工程與信息學(xué)報(bào)，2009（4）：6-11+24.

[3]陳征，閆冬梅，劉釗，等.典型跟馳模型的特征與性能分析[J].交通科技，2018（3）：98-102.

[4]Komentani E，Sasaki T.Dynamic Behavior of Traffic with a Nonlinear Spacing-speed Relationship.In Proceedings of the Symposium on Theory of Traffic Flow，1959.

[5]曲昭偉，潘昭天，陳永恒，等.基于最優(yōu)速度模型的改進(jìn)安全距離跟馳模型[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2019（4）：1092-1099.

[6]Cameron D.Advanced Transportation Systems Symposium，In Proceedings of the 28th，SATA Conference，1995.

[7]Henn V.Utilization de la Logique Floue Pourla Modelisation Mieroseo Pique du Trafic Routier.La Revune du Logique Floue，1995.