基于数据驱动的降雨条件交通疏导方法研究

（吉林建筑科技学院，吉林长春 130014）

降雨天气对城市交通的影响极为不利，最直接的影响是导致交通事故发生数量增加。相关研究表明，降雨造成的交通安全事故占总交通安全事故的35%左右，降雨不仅会严重影响驾驶人员的视线，还会导致路面与汽车轮胎的摩擦力降低，造成驾驶人在进行刹车操作时，极易出现汽车打滑的情况。此外，驾驶人在夜间行车时，也会受到路面积水反射影响，造成驾驶人员视线受阻。因此，如何有效降低降雨对道路交通的不利影响，成为近些年学者研究的重点课题。目前，针对降雨条件的相关研究，现有的道路通行能力分析方法与计算方法已经不能满足社会发展需求，影响因素分析也亟须改进，以满足社会日益发展的需求。

1 数据驱动控制理论

数据驱动控制概念最早缘于计算机领域，进入20世纪后，学者们开始尝试将数据驱动控制理论应用于道路交通行业。目前，相关的研究虽然较多，但不同的学者使用的名词各不相同。

21世纪初期，我国学者首次提出了精确的数据驱动控制定义，即“控制器设计不包含受控过程数学模型信息，仅利用受控系统的在线和离线I/O数据以及经过数据处理而得到的知识来设计控制器，并在一定的假设下，有收敛性、稳定性保障和鲁棒性结论的控制理论与方法”。

经过近些年发展，国内外学者在数据驱动控制方法方面的研究得到长足进步，如PID控制、迭代学习控制、迭代反馈整定、虚拟参考反馈整定自抗扰控制等。上述算法具有相同特点，即进行控制器设计时不需要借助系统模型信息，只借助系统I/O信息数据即可。

与传统需要基于模型控制器相比，新算法具有更简单的结构、运算更小的便利性。上述几种数据驱动控制算法是现阶段使用最广泛的理论，已经在各个领域中得到推广与使用，为行业的发展提供了巨大助力。

2 降雨天气城市交通拥堵基本特征

2.1 交通拥堵特性

交通行为是城市每一个人参与的活动，不同个体存在不同的行为目标，不同交通环境中的个体均有不同的判断与估计，在交通活动中，会尽可能优化自身目标。因此，所有个体的行为均会对当前道路交通状态造成影响。每一个交通参与者个体所产生的交通行为是不确定且难以预测的，道路交通拥堵具有随机、动态、不确定等特点。

（1）层次性。

从宏观角度分析，道路交通系统是一个整体系统，由若干个不同的元素所构成。道路交通系统是一个典型的复杂系统，子系统包括道路交通系统、交通信号系统以及交通管理系统等，各子系统按照不同的组成部分又能划分为不同的结构。因此，道路交通拥堵产生的原因可能是道路设计存在缺陷，造成交通拥堵。

在日常的生活中，如果监测系统不能有效对道路交通的实时动态变化进行监测，需要通过交通管理系统、交通信号系统对道路交通的拥堵进行判定。

（2）时空性。

道路交通出现拥堵现象与时间、空间存在直接联系，简单的原发性交通拥堵也具有潜在拥堵传播途径，导致在实际应用中，极易出现一个交通拥堵问题造成道路交通网整体发生严重拥堵现象，且各个拥堵现象之间存在一定联系，相互作用。

在不同时空条件下，相同的道路交通拥堵原因与种类也会产生不同的结果，时空性是交通拥堵的重要特征，也反映出道路交通具有可预测性。

（3）不确定性。

道路交通系统运行的过程中存在许多不确定因素，如事件的突发性、管理水平等，使得交通状态监测、控制中具有许多含义不清晰的概念。道路交通拥堵现象的出现与时间存在相关性，由道路交通系统的动态性决定。道路交通的拥堵在一定限度上还存在相对性。

例如，在对道路交通拥堵程度进行分析时如果使用不同方法进行划分，产生的结果也会存在差异性。因此，道路交通拥堵分析具有相关性特点。

2.2 交通拥堵空间分布模型

基于时空角度对道路交通拥堵的演化过程进行分析时，将道路交通系统简化为由一条条线路组成的网，由于某种原因的出现，导致线路上的车辆不断向后延伸。道路拥堵情况发生在道路交通网络中的关键部位时，道路交通拥堵现象会逐渐蔓延开，对其他线路的通行造成不良影响，最终导致道路交通网整体都出现拥堵。

城市路网如图1所示。

图1 城市路网示意图

粗线部分表示道路出现拥堵现象，阴影节点表示的是产生拥堵的道路岔口。图1中道路交通网所形成的交通拥堵空间分布表征直白，便于理解。我国大多数城市的道路均采用南北与东西纵横这种形式，且默认在交叉路口区域直行车辆占比较大。

3 基于数据驱动的降雨条件交通疏导与管理方法

3.1 常发性交通堵塞的处理流程

常发性交通拥堵是道路交通中最常见的一种道路交通拥堵现象，主要指未曾出现任何交通异常的状态下，道路交通供给的不足所造成的道路交通拥堵问题。解决常发性交通拥堵问题时，首先应由决策系统基于获取到的道路交通信息数据，并通过人为干涉进行判断，对道路交通拥堵部分进行调整。例如可以通过采用分流、疏导等措施减轻拥堵情况。

3.2 突发性不可预见交通堵塞的处理流程

突发性不可预见交通堵塞指道路交通参与者个体在进行交通行为的过程中，发生交通事故、车辆故障无法行驶等突发性、可能引发道路交通拥堵的现象。突发性不可预见交通堵塞是由交通参与者个体引发的一种突发性事件，因此道路交通的管理与疏导者无法提前获取有效的预测信息。出现突发性不可预见交通堵塞问题后，可以在采取第一种拥堵疏导措施的基础上，提高对突发性事件的处理效率，尽快恢复道路交通的供给能力。

3.3 突发性可预见交通拥堵的处理流程

突发性可预见交通拥堵主要指一些大型活动对正常的道路交通运行造成了压力，如季节性旅游、大型集会等。突发性可预见交通拥堵通常具有明显的节点现象，道路交通管理者与疏导人员虽然不能准确地对将要发生拥堵的时间、地点等进行精确预测，但可提前采取有效的控制措施，如优化原有的交通控制方案、通过新媒体手段法保护相关的警示疏导信息等，均能有效减少突发预见性道路交通拥堵现象，甚至在高效合理的手段下，规避突发性可预见交通拥堵现象的产生。针对突发性可预见交通拥堵问题，在采取交通控制手段时，过于依赖疏导人员的专业知识。

4 应用实例的试验验证

降雨天气，驾驶人员的视线、能见度下降，地面的积水等均会对车辆的驾驶造成不良影响。结合道路交通管理经验以及交通疏导与管理方法，提出在不同降雨条件下，应根据不同降雨环境设置不同的限速，实行动态限速，降低降雨对车辆行驶造成的不良影响。

（1）车速控制管理。

VSL的应用对提升道路交通网运行的通畅性具有重要意义，可变限速情报工作原理如图2所示。

图2 可变限速情报工作原理图

（2）降雨条件下动态限速设置。

降雨条件下设置限速对提升车辆运行的安全性、通畅性具有积极意义。在实践中，如果设置的限速标准过低，不能起到预防交通事故导致道路交通拥堵的作用；限速标准过高，不利于道路交通供给的实现。因此，在实践应用中应结合道路的实际车载流量、路况等参数进行确定。

除了事件影响度外，车辆总行程时间、平均拥堵时间、速度等均有所改善。综上，提出的基于车速控制管理、动态限速设置在降雨条件下能够有效地提升车辆运行效率，且在降低事故发生概率以及事件影响度方面也有明显进步。

5 结语

不同降雨条件具有不同的分布特性与计算模型，结合降雨强度、车辆行驶过程中的能见度等，对车辆驾驶行为进行了分析，并制定道路通行能力影响的降雨天气动态限速法，为减缓降雨对道路行驶带来的不良影响提供依据。