基于數據驅動的降雨條件交通疏導方法研究

（吉林建筑科技學院，吉林長春 130014）

降雨天氣對城市交通的影響極為不利，最直接的影響是導致交通事故發生數量增加。相關研究表明，降雨造成的交通安全事故占總交通安全事故的35%左右，降雨不僅會嚴重影響駕駛人員的視線，還會導致路面與汽車輪胎的摩擦力降低，造成駕駛人在進行剎車操作時，極易出現汽車打滑的情況。此外，駕駛人在夜間行車時，也會受到路面積水反射影響，造成駕駛人員視線受阻。因此，如何有效降低降雨對道路交通的不利影響，成為近些年學者研究的重點課題。目前，針對降雨條件的相關研究，現有的道路通行能力分析方法與計算方法已經不能滿足社會發展需求，影響因素分析也亟須改進，以滿足社會日益發展的需求。

1 數據驅動控制理論

數據驅動控制概念最早緣于計算機領域，進入20世紀后，學者們開始嘗試將數據驅動控制理論應用于道路交通行業。目前，相關的研究雖然較多，但不同的學者使用的名詞各不相同。

21世紀初期，我國學者首次提出了精確的數據驅動控制定義，即“控制器設計不包含受控過程數學模型信息，僅利用受控系統的在線和離線I/O數據以及經過數據處理而得到的知識來設計控制器，并在一定的假設下，有收斂性、穩定性保障和魯棒性結論的控制理論與方法”。

經過近些年發展，國內外學者在數據驅動控制方法方面的研究得到長足進步，如PID控制、迭代學習控制、迭代反饋整定、虛擬參考反饋整定自抗擾控制等。上述算法具有相同特點，即進行控制器設計時不需要借助系統模型信息，只借助系統I/O信息數據即可。

與傳統需要基于模型控制器相比，新算法具有更簡單的結構、運算更小的便利性。上述幾種數據驅動控制算法是現階段使用最廣泛的理論，已經在各個領域中得到推廣與使用，為行業的發展提供了巨大助力。

2 降雨天氣城市交通擁堵基本特征

2.1 交通擁堵特性

交通行為是城市每一個人參與的活動，不同個體存在不同的行為目標，不同交通環境中的個體均有不同的判斷與估計，在交通活動中，會盡可能優化自身目標。因此，所有個體的行為均會對當前道路交通狀態造成影響。每一個交通參與者個體所產生的交通行為是不確定且難以預測的，道路交通擁堵具有隨機、動態、不確定等特點。

（1）層次性。

從宏觀角度分析，道路交通系統是一個整體系統，由若干個不同的元素所構成。道路交通系統是一個典型的復雜系統，子系統包括道路交通系統、交通信號系統以及交通管理系統等，各子系統按照不同的組成部分又能劃分為不同的結構。因此，道路交通擁堵產生的原因可能是道路設計存在缺陷，造成交通擁堵。

在日常的生活中，如果監測系統不能有效對道路交通的實時動態變化進行監測，需要通過交通管理系統、交通信號系統對道路交通的擁堵進行判定。

（2）時空性。

道路交通出現擁堵現象與時間、空間存在直接聯系，簡單的原發性交通擁堵也具有潛在擁堵傳播途徑，導致在實際應用中，極易出現一個交通擁堵問題造成道路交通網整體發生嚴重擁堵現象，且各個擁堵現象之間存在一定聯系，相互作用。

在不同時空條件下，相同的道路交通擁堵原因與種類也會產生不同的結果，時空性是交通擁堵的重要特征，也反映出道路交通具有可預測性。

（3）不確定性。

道路交通系統運行的過程中存在許多不確定因素，如事件的突發性、管理水平等，使得交通狀態監測、控制中具有許多含義不清晰的概念。道路交通擁堵現象的出現與時間存在相關性，由道路交通系統的動態性決定。道路交通的擁堵在一定限度上還存在相對性。

例如，在對道路交通擁堵程度進行分析時如果使用不同方法進行劃分，產生的結果也會存在差異性。因此，道路交通擁堵分析具有相關性特點。

2.2 交通擁堵空間分布模型

基于時空角度對道路交通擁堵的演化過程進行分析時，將道路交通系統簡化為由一條條線路組成的網，由于某種原因的出現，導致線路上的車輛不斷向后延伸。道路擁堵情況發生在道路交通網絡中的關鍵部位時，道路交通擁堵現象會逐漸蔓延開，對其他線路的通行造成不良影響，最終導致道路交通網整體都出現擁堵。

城市路網如圖1所示。

圖1 城市路網示意圖

粗線部分表示道路出現擁堵現象，陰影節點表示的是產生擁堵的道路岔口。圖1中道路交通網所形成的交通擁堵空間分布表征直白，便于理解。我國大多數城市的道路均采用南北與東西縱橫這種形式，且默認在交叉路口區域直行車輛占比較大。

3 基于數據驅動的降雨條件交通疏導與管理方法

3.1 常發性交通堵塞的處理流程

常發性交通擁堵是道路交通中最常見的一種道路交通擁堵現象，主要指未曾出現任何交通異常的狀態下，道路交通供給的不足所造成的道路交通擁堵問題。解決常發性交通擁堵問題時，首先應由決策系統基于獲取到的道路交通信息數據，并通過人為干涉進行判斷，對道路交通擁堵部分進行調整。例如可以通過采用分流、疏導等措施減輕擁堵情況。

3.2 突發性不可預見交通堵塞的處理流程

突發性不可預見交通堵塞指道路交通參與者個體在進行交通行為的過程中，發生交通事故、車輛故障無法行駛等突發性、可能引發道路交通擁堵的現象。突發性不可預見交通堵塞是由交通參與者個體引發的一種突發性事件，因此道路交通的管理與疏導者無法提前獲取有效的預測信息。出現突發性不可預見交通堵塞問題后，可以在采取第一種擁堵疏導措施的基礎上，提高對突發性事件的處理效率，盡快恢復道路交通的供給能力。

3.3 突發性可預見交通擁堵的處理流程

突發性可預見交通擁堵主要指一些大型活動對正常的道路交通運行造成了壓力，如季節性旅游、大型集會等。突發性可預見交通擁堵通常具有明顯的節點現象，道路交通管理者與疏導人員雖然不能準確地對將要發生擁堵的時間、地點等進行精確預測，但可提前采取有效的控制措施，如優化原有的交通控制方案、通過新媒體手段法保護相關的警示疏導信息等，均能有效減少突發預見性道路交通擁堵現象，甚至在高效合理的手段下，規避突發性可預見交通擁堵現象的產生。針對突發性可預見交通擁堵問題，在采取交通控制手段時，過于依賴疏導人員的專業知識。

4 應用實例的試驗驗證

降雨天氣，駕駛人員的視線、能見度下降，地面的積水等均會對車輛的駕駛造成不良影響。結合道路交通管理經驗以及交通疏導與管理方法，提出在不同降雨條件下，應根據不同降雨環境設置不同的限速，實行動態限速，降低降雨對車輛行駛造成的不良影響。

（1）車速控制管理。

VSL的應用對提升道路交通網運行的通暢性具有重要意義，可變限速情報工作原理如圖2所示。

圖2 可變限速情報工作原理圖

（2）降雨條件下動態限速設置。

降雨條件下設置限速對提升車輛運行的安全性、通暢性具有積極意義。在實踐中，如果設置的限速標準過低，不能起到預防交通事故導致道路交通擁堵的作用；限速標準過高，不利于道路交通供給的實現。因此，在實踐應用中應結合道路的實際車載流量、路況等參數進行確定。

除了事件影響度外，車輛總行程時間、平均擁堵時間、速度等均有所改善。綜上，提出的基于車速控制管理、動態限速設置在降雨條件下能夠有效地提升車輛運行效率，且在降低事故發生概率以及事件影響度方面也有明顯進步。

5 結語

不同降雨條件具有不同的分布特性與計算模型，結合降雨強度、車輛行駛過程中的能見度等，對車輛駕駛行為進行了分析，并制定道路通行能力影響的降雨天氣動態限速法，為減緩降雨對道路行駛帶來的不良影響提供依據。