CN103971523A - 一种山区道路交通安全动态预警系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种山区道路交通安全动态预警系统，包括交通事故分析预警模块，与所述交通事故分析预警模块相连接的交通流检测模块、道路线形模块、天气预报模块及可变交通标志LED显示屏，所述交通流检测模块用于动态采集道路上交通流量数据，所述天气预报模块用于动态采集天气情况，所述道路线形模块是静态采集，用于采集当前道路线形的几何特征，所述交通事故分析预警模块与所述交通流检测模块，天气模块及道路线形模块进行数据时时交互。本发明主要用于山区道路交通安全预警，安装在事故多发地点，可根据装置输出车辆限速、交通流量控制等交通管控策略，避免造成车辆在山区道路上行驶发生追尾、撞栏杆等交通事故。

Description

一种山区道路交通安全动态预警系统

技术领域

本发明属于电子产品制造与应用领域，具体地说是一种山区道路交通安全动态预警装置。

背景技术

山地城市是分布在山地、丘陵和崎岖不平的高原区域的城市，它们约占我国陆地面积的69％。由于山地城市的道路受自然条件限制，其公路线形、纵坡和路面状况等条件往往较差，这种较差的道路条件下的山地城市更容易发生交通事故。与普通城市相比，山地城市一直以较高的事故率、巨大的事故损害困扰着公路交通管理部门和道路使用者。因此，亟待寻求适于山区道路交通流特性的交通事故产生机理及其预警决策技术。

交通事故是车辆、道路、环境等多因素共同作用的结果，与车辆在道路上的行为相关，受到交通流、道路线形和天气变化等外部环境影响。与普通城市道路相比，山区道路交通事故的形成机理要复杂得多。目前，国内外众多学者、工程师已经深入分析普通城市的道路交通事故影响因素机理，一般采用结构方程、回归分析等数理统计方法从历史交通事故数据中挖掘它们之间的内在规律，但很少考虑交通流的载体-道路及外部环境的影响，现有研究不适于山区道路交通安全实际。山区道路交通事故研究已经取得了一些成果，其大多数研究均以交通安全评价、事故多发点鉴别、事故预测和防治等应用性研究为主，涉及交通安全分析的基础性研究还不多见，尤其是交通事故、气候灾害、道路施工等外界因素与交通流随机干扰微观特性之间关联性研究则更少，与山区道路交通安全管理实际存在一定差距。此外，现有研究未构建一套完整的山区道路交通安全动态预警技术，多数侧重于交通安全监控方面，较少涉及交通事故数据采集、交通事故原因挖掘分析、交通安全预警决策技术等，这限制了进一步推广应用。

综上所述，亟待寻求各种复杂运行条件下的山地城市道路交通安全预警装置，以减少交通事故或降低交通事故的损害程度为目标，为它的安全运行提供切实可行的安全预警、防护和应急技术，对提高我国山地城市道路安全管理智能化的水平具有重要的指导意义。

发明内容

面向山区道路交通安全管理实际，本发明提供了一种山区道路交通安全动态预警系统，结合GPS、GIS和GPRS等先进信息技术，集成交通事故分析预警模块、交通流检测模块、道路线形模块、天气预报模块、可变交通标志LED显示屏于一体，将每次交通事故的基本数据存储至交通事故原因数据库，从中挖掘交通流、道路线形、天气状况和交通事故之间内在关联，结合实际道路动态数据，据此生成相应的山区道路交通安全预警策略。本发明主要用于山区道路交通安全预警决策，可不断动态更新交通安全预警规则，据此提高根据实际山区道路交通状况动态生成安全交通管控策略的正确性和准确性，从而降低交通事故的发生概率。

本发明方案是通过以下技术方案实现的：

一种山区道路交通安全动态预警装置，包括交通事故分析预警模块，与所述交通事故分析预警模块相连接的交通流检测模块、道路线形模块、天气预报模块及可变交通标志LED显示屏，所述交通流检测模块用于动态采集道路上交通流量数据，所述天气预报模块用于动态采集天气情况，所述道路线形模块是静态采集，用于采集当前道路线形的几何特征，所述交通事故分析预警模块与所述交通流检测模块，天气模块及道路线形模块进行数据时时交互。

所述交通事故分析预警模块包括交通事故原因数据库、交通事故原因挖掘分析模块和道路安全动态预警模块，所述交通事故原因数据库用于记录交通事故的地点、时间、事故类型及外部交通环境，所述交通事故原因挖掘分析模块用于分析交通流参数、道路线形的几何特征、天气状况与交通事故之间的内在关系，所述道路安全动态预警模块在交通事故原因挖掘分析模块的基础上根据实际道路实时数据动态生成相应的交通管控策略。

所述交通事故分析预警模块连接人机交互操作界面，用户可以手工输入交通事故的地点、时间、驾驶员行为、事故类型及严重程度，同时与所述交通流检测模块，天气模块及道路线形模块采集的数据进行交互自动获取与其附近的交通流(交通量、交通密度、车头时距和车速)、道路线形的几何特征(曲线、纵坡、弯坡、直线段加速度、横断面尺寸)、天气变化相关联的交通环境数据，并存储在交通事故原因数据库，提供查询、修改和统计分析功能。

所述交通事故分析预警模块利用交通事故原因数据库作为训练数据集，基于决策树模型，将特征空间进行划分，归纳出一组分类规则，从而正确识别交通事故发生的交通流、道路线形和天气状况取值范围及其条件概率分布。

所述交通事故分析预警模块与交通流检测模块、道路线形模块、天气预报模块进行实时数据交互，根据实际道路动态数据，结合山区道路交通安全的决策树模型，预测发生交通事故的概率，围绕交通安全这个目标，生成相应的交通管控策略。

所述可变交通标志LED显示屏安装在山区道路上，根据交通流、道路线形和天气变化，将安全预警信息动态向驾驶员发布。

本发明所述的一种山区道路交通安全动态预警系统，所述交通事故分析预警模块将每条交通事故记录作为样本(x_i，y_i)，总共N个样本组成给定训练数据集D＝{(x₁，y₁)，(x₂，y₂)，...，(x_N，y_N)}，其中：为影响交通事故发生的n个输入特征元素，包括交通事故的地点、时间、驾驶员行为、交通流(交通量、交通密度、车头时距和车速)、道路线形的几何特征(曲线、纵坡、弯坡、直线段加速度、横断面尺寸)、天气状况等，y_i＝(1，2，...，K)为交通事故的输出类标记，由交通事故的类型及严重程度确定的。

所述交通事故分析预警模块利用最小二乘回归树生成算法将D的输入空间划分为M个区域R₁，R₂，...，R_M，在每个单元R_m上有一个固定的交通事故类标记最优输山值对任意样本的输入特征向量x_i，I(x_i∈R_m)为x_i是否属于R_m，它的输出交通事故类标记y_i为 $f\left(x_i\right)=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\widetilde{c_m}I(x_i\∈R_m).$

所述的交通事故分析预警模块与实际交通环境数据采集系统相连接，当实时获取某山区道路的影响交通事故发生的输入特征向量x_i时，根据上述决策树模型，利用平方误差最小的准则求解x_i对应的输出交通事故类标记y_i，围绕交通安全目标输出相应的交通管控预警策略即：限速范围、车头时距范围等。

本发明所述的一种山区道路交通安全动态预警系统，由于采用了上述几种措施进行改进，与实际交通环境数据采集系统进行数据交互，集成交通事故、交通流、道路线形和天气状况于一体，利用决策树模型挖掘它们之间内在关系，结合实际道路状况，据此预警交通管控策略，避免了现有山区道路交通安全研究较少同时考虑交通流的载体、道路及外部环境等影响因素，从而不能解决各种复杂运行条件下的山地城市道路交通安全问题，此外本发明提供了系统成本低、误差低且高效安全，将该系统安装在易发交通事故的山区道路上，收集山区道路交通事故的历史数据，挖掘交通事故发生的内在形成机理，以减少交通事故或降低交通事故的损害程度为目标，为山地城市道路安全运行提供切实可行的安全预警、防护和应急技术。

附图说明

图1是本发明的系统框架图；

图2是本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合本发明所提供的附图作进一步说明：

如图1所示，本发明所揭示的一种山区道路交通安全动态预警系统，包括交通事故分析预警模块、交通流检测模块、道路线形模块、天气预报模块及可变交通标志LED显示屏，其中所述交通流检测模块、道路线形模块、天气预报模块、可变交通标志LED显示屏与所述交通事故分析预警模块相连接。

具体来说，所述交通流检测模块用于动态采集道路上交通流量数据，具体有交通量、交通密度、车头时距和车速等信息。

所述道路线形模块用于静态采集当前道路线形的几何特征，具体有曲线、纵坡、弯坡、直线段加速度、横断面尺寸。

所述天气预报模块用于动态采集天气及变化情况。

所述交通事故分析预警模块包括交通事故原因数据库、交通事故原因挖掘分析模块和道路安全动态预警模块，所述交通事故原因数据库用于记录交通事故的地点、时间、事故类型及外部交通环境，所述交通事故原因挖掘分析模块用于分析交通流参数、道路线形的几何特征、天气状况与交通事故之间的内在关系，所述道路安全动态预警模块在交通事故原因挖掘分析模块的基础上根据实际道路实时数据动态生成相应的交通管控策略。

所述可变交通标志LED显示屏安装在山区道路上，根据交通流、道路线形和天气变化，将安全预警信息动态向驾驶员发布。

所述交通事故分析预警模块连接人机交互操作界面，用户可以手工输入交通事故的地点、时间、事故类型，同时与所述交通流检测模块，天气模块及道路线形模块采集的数据进行交互自动获取与其附近的交通流、道路线形、天气变化相关联的交通环境数据，并存储在交通事故原因数据库。

如图2所示，本发明所揭示的一种山区道路交通安全动态预警系统的工作流程为：

1)、当交通事故发生时，用户通过人机交互界面进行人工输入交通事故的地点、时间、驾驶员行为、事故类型及严重程度；

2)、交通流检测模块、道路线形模块、天气预报模块采集实际的交通环境数据；

3)、将人工输入的交通事故情况自动与步骤2)中采集到的交通流(交通量、交通密度、车头时距和车速)、道路线形的几何特征(曲线、纵坡、弯坡、直线段加速度、横断面尺寸)、天气状况等环境信息进行关联，构建一条完整的交通事故原因分析数据记录，并将该记录存储并更新交通事故原因数据库；

4)、将步骤3)中的记录作为样本数据，通过决策树模型重新挖掘交通事故分类规则；

5)、制备出道路交通安全预警策略，并通过可变交通标志LED显示屏进行信息发布。

当交通事故原因数据库变化后，所述的交通事故分析预警模块将数据库中的每条交通事故记录解析为样本(x_i，y_i)，样本数量为N→N+1，更新训练数据集D，利用最小二乘回归树生成算法将D的输入空间重新划分为M个区域R₁，R₂，...，R_M，在每个单元R_m上有一个固定的交通事故类标记最优输出值建立一个决策树模型，使它能够根据交通流、道路线形和天气变化对交通事故进行正确的分类。

在交通事故原因数据库的训练数据集所在的输入空间D中，基于决策树挖掘山区道路交通事故原因分类规则，其核心思想为选择第j个变量x^(j)和它的取值s作为切分变量和切分点，递归地将每个区域划分为两个子区域R₁(j，s)＝{x|x^(j)≤s}和R₂(j，s)＝{x|x^(j)＞s}并决定每个区域上的输出值，主要步骤如下：

(1)遍历变量j，对固定的切分量j和扫描切分点s，满足公式(1-1)的对(j，s)为最优切分变量j和切分点s。

$\underset{j,s}{\min }[\underset{c_1}{\min }\underset{x_i\∈R_1(j,s)}{\mathrm{\Σ}}{(y_i-c_1)}^2+\underset{c_2}{\min }\underset{x_i\∈R_2(j,s)}{\mathrm{\Σ}}{(y_i-c_2)}^2]---(1-1)$

其中：c₁＝avg(y_i|x_i∈R₁(j，s))和c₂＝avg(y_i|x_i∈R₂(j，s))。

(2)用选定的对(j，s)划分区域R₁(j，s)＝{x|x^(j)≤s}和R₂(j，s)＝{x|x^(j)＞s}，并决定相应的输出值 $\widetilde{c_m}=\frac{1}{N}\underset{x_i\∈R_m(j,s)}{\mathrm{\Σ}{y}_i}(m=\mathrm{1,2}).$

(3)继续对两个区域调用(1)和(2)，直至满足停止条件。

(4)将输入空间划分为M个区域R₁，R₂，...，R_M，构建交通事故原因分类的生成决策树为 $f\left(x\right)=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\widetilde{c_m}I(x\∈R_m).$

在上述交通流、道路线形和天气变化对交通事故影响的分类规则x_i→f(x_i)(x_i∈R_m)基础上，当实时获取某山区道路的影响交通事故发生的输入特征向量x_i时，根据上述决策树模型，利用平方误差最小的准则求解x_i对应的输出交通事故类标记y_i，围绕交通安全目标输出相应的交通管控预警策略如：限速、车头时距范围等，将相应的安全预警信息根据设备访问地址动态地发送给各个山区路段的LED显示屏。

以上列举的仅是本发明的具体实施例，显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形，如：本发明直接运用在普通城市道路安全预警，可拓展交通事故产生的影响因素，如：驾驶员的基本属性、驾驶员遵守交通法规意识等，借鉴其方法、理论和技术路线解决应急物流安全、隧道交通安全、特大型桥梁交通事故等交通安全预警问题。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (6)

1.本发明涉及一种山区道路交通安全动态预警系统，其特征在于：包括交通事故分析预警模块，与所述交通事故分析预警模块相连接的交通流检测模块、道路线形模块、天气预报模块及可变交通标志LED显示屏，所述交通流检测模块用于动态采集道路上交通流量数据，所述天气预报模块用于动态采集天气情况，所述道路线形模块是静态采集，用于采集当前道路线形的几何特征，所述交通事故分析预警模块与所述交通流检测模块，天气模块及道路线形模块进行数据时时交互。

2.根据权利要求1所述的山区道路交通安全动态预警系统，其特征在于：所述交通事故分析预警模块包括交通事故原因数据库、交通事故原因挖掘分析模块和道路安全动态预警模块，所述交通事故原因数据库用于记录交通事故的地点、时间、事故类型及外部交通环境，所述交通事故原因挖掘分析模块用于分析交通流参数、道路线形的几何特征、天气状况与交通事故之间的内在关系，所述道路安全动态预警模块在交通事故原因挖掘分析模块的基础上根据实际道路实时数据动态生成相应的交通管控策略。

3.根据权利要求1所述的山区道路交通安全动态预警系统，其特征在于：所述交通事故分析预警模块连接人机交互操作界面，用户可以手工输入交通事故的地点、时间、事故类型，同时与所述交通流检测模块，天气模块及道路线形模块采集的数据进行交互自动获取与其附近的交通流、道路线形、天气变化相关联的交通环境数据，并存储在交通事故原因数据库。

4.根据权利要求1所述的山区道路交通安全动态预警系统，其特征在于：所述交通事故分析预警模块利用交通事故原因数据库作为训练数据集，基于决策树模型，将特征空间进行划分，归纳出一组分类规则，从而正确识别交通事故发生的交通流、道路线形和天气状况取值范围及其条件概率分布。

5.根据权利要求1所述的山区道路交通安全动态预警系统，其特征在于：所述交通事故分析预警模块与交通流检测模块、道路线形模块、天气预报模块进行实时数据交互，根据实际道路动态数据，结合山区道路交通安全的决策树模型，预测发生交通事故的概率，围绕交通安全这个目标，生成相应的交通管控策略。

6.根据权利要求1所述的山区道路交通安全动态预警装置，其特征在于：所述可变交通标志LED显示屏安装在山区道路上，根据交通流、道路线形和天气变化，将安全预警信息动态向驾驶员发布。