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高速公路路侧雷达布设间距对交通事故风险评估精度的影响

杨东锋 戴杰 张玥妍 韩磊 余荣杰

杨东锋, 戴杰, 张玥妍, 韩磊, 余荣杰. 高速公路路侧雷达布设间距对交通事故风险评估精度的影响[J]. 交通信息与安全, 2023, 41(2): 28-35. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.02.003
引用本文: 杨东锋, 戴杰, 张玥妍, 韩磊, 余荣杰. 高速公路路侧雷达布设间距对交通事故风险评估精度的影响[J]. 交通信息与安全, 2023, 41(2): 28-35. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.02.003
YANG Dongfeng, DAI Jie, ZHANG Yueyan, HAN Lei, YU Rongjie. Effects of Spacing of Highway Roadside Millimeter-wave Radar Detectors on the Accuracy of a Crash Risk Evaluation Model[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2023, 41(2): 28-35. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.02.003
Citation: YANG Dongfeng, DAI Jie, ZHANG Yueyan, HAN Lei, YU Rongjie. Effects of Spacing of Highway Roadside Millimeter-wave Radar Detectors on the Accuracy of a Crash Risk Evaluation Model[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2023, 41(2): 28-35. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.02.003

高速公路路侧雷达布设间距对交通事故风险评估精度的影响

doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.02.003
基金项目: 

国家自然科学基金项目 52172349

浙江省交通运输厅科技计划项目 2021047

详细信息
    作者简介:

    杨东锋(1977—),硕士,高级工程师. 研究方向:交通机电控制. E-mail:105691451@qq.com

    通讯作者:

    余荣杰(1989—),博士,教授. 研究方向:交通安全. E-mail:yurongjie@tongji.edu.cn

  • 中图分类号: U491.3

Effects of Spacing of Highway Roadside Millimeter-wave Radar Detectors on the Accuracy of a Crash Risk Evaluation Model

  • 摘要: 高速公路通过布设毫米波雷达等新型检测设备,实现交通状态的精准感知,并为主动交通管控提供支撑。然而检测设备布设成本高,其布设间距需综合考虑成本约束和交通状态感知成效。为探究路侧毫米波雷达布设间距对交通事故风险评估精度的影响,基于浙江省沪杭甬高速公路的实证数据开展研究。构建事故风险评估深度森林模型(deep forest,DF),应用滑动时空窗提取交通运行特征,并通过多层级联随机森林的集成建立交通运行特征与事故风险的关联关系;考虑路侧毫米波雷达感知范围,构建不同雷达布设间距下的交通运行数据集,开展布设间距对事故风险评估模型精度的敏感性分析。研究结果表明:DF模型曲线面积值(area under curve,AUC)为0.849,事故样本分类准确率为80.9%,高于传统的卷积神经网络模型(AUC值为0.741,准确率为75.2%)、随机森林模型(AUC值为0.715,准确率为70.8%);雷达布设间距与事故风险评估精度呈反比关系,且密集布设下模型精度提升的边际效应递减,当布设间距由1 500 m缩减至750 m时,事故风险评估模型AUC值呈显著上升趋势,由0.794提升至0.853,布设间距由750 m缩减至250 m时,AUC值无明显变化。综上,雷达布设间距为750 m可平衡布设成本和事故风险评估精度,成果可为高速公路车道级交通状态感知系统的规划设计提供决策依据。

     

  • 图  1  高速公路研究路段

    Figure  1.  The section of highway for study

    图  2  毫米波雷达布设示意图

    Figure  2.  Millimeter-wave radar deployment schematic

    图  3  事故前交通流提取规则

    Figure  3.  Pre-crash traffic flow extraction rule

    图  4  多粒度扫描流程

    Figure  4.  The procedure of multi-grained scanning

    图  5  级联森林流程

    Figure  5.  The procedure of cascade forests

    图  6  CNN模型架构

    Figure  6.  The CNN model architecture

    图  7  对事故风险影响的交通流特征前5名

    Figure  7.  Top 5 traffic flow characteristics that impact crash risk

    图  8  不同雷达布设间距的实验场景

    Figure  8.  Experimental scenarios in different radar intervals setting

    图  9  不同雷达布设间距的模型AUC

    Figure  9.  Model AUC values in different radar intervals setting

    表  1  毫米波雷达采集的交通流数据示例

    Table  1.   Examples of traffic flow data collected by millimeter-wave radars

    检测时间 检测器编号 车道编号 方向 平均速度/(km/h) 车辆数 大车数
    2020-01-01 T00:00:12 102202101 1 上行 100.4 6 0
    2020-01-01 T00:00:12 102202101 2 上行 91.6 3 1
    2020-01-01 T00:00:12 102202101 3 上行 67.4 6 4
    2020-01-01 T00:01:12 102202101 1 上行 106.8 5 0
    2020-01-01 T00:01:12 102202101 2 上行 87.1 5 0
    2020-01-01 T00:01:12 102202101 3 上行 75.8 3 3
    2020-01-01 T00:02:12 102202101 1 上行 104.2 3 0
    2020-01-01 T00:02:12 102202101 2 上行 94.1 1 0
    2020-01-01 T00:02:12 102202101 3 上行 74.7 5 4
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    表  2  交通流特征变量

    Table  2.   Traffic Flow Characteristic Variables

    变量名称 单位 变量描述
    AS(U/C/D)T km/h T个时间片段下上游/事故/下游路段的速度平均值
    SS(U/C/D)T km/h T个时间片段下上游/事故/下游路段的速度标准差
    DS(U/C/D)T km/h T个时间片段下上游/事故/下游路段的相邻车道间速度差绝对值的均值
    SCDT km/h T个时间片段下事故路段及其下游的速度差绝对值
    SCUT km/h T个时间片段下事故路段及其上游的速度差绝对值
    AF(U/C/D)T veh/min T个时间片段下上游/事故/下游路段的流量平均值
    SF(U/C/D)T veh/min T个时间片段下上游/事故/下游路段的流量标准差
    BF(U/C/D)T % T个时间片段下上游/事故/下游路段的大车率
    FCDT veh/min T个时间片段下事故路段及其下游的流量差绝对值
    FCUT veh/min T个时间片段下事故路段及其上游的流量差绝对值
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    表  3  模型主要参数设置

    Table  3.   Model parameter settings of each model

    模型 最优模型参数设置
    Logit Sigmoid函数分类阈值=0.26
    SVM 核函数=高斯核函数,核函数系数gamma=1/110
    RF 子树数量=200,最大深度=5
    CNN 单次训练样本量=64,优化器=Adam优化器,学习率=0.001,学习率衰减率=0,训练轮次=100
    DF 每层包含随机森林数=4,每个随机森林中子树数量=100,级联森林层数=4(模型训练自动生成)
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    表  4  模型评价指标对比

    Table  4.   Comparison of model evaluation indicators

    模型 ACC recall AUC
    Logit 0.669 0.667 0.692
    SVM 0.672 0.681 0.703
    RF 0.721 0.708 0.715
    CNN 0.793 0.752 0.741
    DF 0.812 0.809 0.849
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    表  5  DF模型变量权重表

    Table  5.   The variable weights of DF model 单位: %

    变量 时间片段
    6 5 4 3 2
    ASD 0.84 0.69 1.37 2.62 3.44
    ASC 0.87 0.75 1.08 2.71 4.06
    ASU 0.88 0.80 0.91 1.43 3.05
    SSD 0.70 0.60 0.75 0.85 1.05
    SSC 0.89 0.78 0.81 1.35 1.49
    SSU 0.87 0.77 0.73 0.69 1.10
    DSD 0.70 0.67 0.82 0.80 0.87
    DSC 0.92 0.96 0.90 0.95 1.19
    DSU 0.69 1.19 0.90 1.08 1.09
    AFD 0.67 0.70 0.74 0.63 0.64
    AFC 0.88 0.72 0.85 0.72 0.67
    AFU 0.64 0.70 0.64 0.61 0.57
    SFD 0.67 0.58 0.65 0.58 0.71
    SFC 0.70 0.65 0.70 0.80 0.67
    SFU 0.53 0.65 0.57 0.58 0.57
    BFD 0.68 0.65 0.73 0.65 0.76
    BFC 0.76 0.74 0.83 0.98 1.05
    BFU 0.76 0.78 1.00 0.99 0.96
    SCD 0.61 0.59 0.73 1.00 1.76
    SCU 0.66 0.68 0.76 0.84 1.33
    FCD 0.57 0.61 0.58 0.54 0.59
    FCU 0.69 0.66 0.72 0.58 0.56
    均值 0.74 0.72 0.81 1.00 1.28
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  • [1] 交通运输部, 2021年交通运输行业发展统计公报[R]. 北京: 交通运输部, 2022.

    Ministry of Transport. Statistical bulletin on the development of the transportation industry(2021)[R]. Beijing: Ministry of Transport, 2022. (in Chinese)
    [2] 焦蕴平. 向交通强国奋进[J]. 中国公路, 2019(19): 16-19. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GLZG201919010.htm

    JIAO Y P. Forge towards a country with strong transportation network[J]. China Highway, 2019(19): 16-19. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GLZG201919010.htm
    [3] 王少飞, 谯志, 付建胜, 等. 智慧高速公路的内涵及其架构[J]. 公路, 2017, 62(12): 170-175. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GLGL201712045.htm

    WANG S F, QIAO Z, FU J S, et al. Connotation and architecture of smart expressway[J]. Highway, 2017, 62(12): 170-175. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GLGL201712045.htm
    [4] 王虹. 新基建模式下智慧高速的"破"与"建"[J]. 中国交通信息化, 2021(7): 22-26. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JTXC202107003.htm

    WANG H. The"break"and"build"of smart highway in the new infrastructure model[J]. China ITS Journal, 2021(7): 22-26. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JTXC202107003.htm
    [5] 公安部交通管理局. 中国道路交通事故统计年报(2021)[R]. 北京: 公安部交通管理局, 2022.

    Ministry of Public Security, Transportation Bureau. The road traffic accidents statistics report in China(2021)[R]. Beijing: Ministry of Public Security, Transportation bureau, 2022. (in Chinese)
    [6] 王锐, 高磊. 智慧高速主动交通管控策略探究[J]. 中国交通信息化, 2022(增刊): 109-111. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JTXC2022S1028.htm

    WANG R, GAO L. Exploration of active traffic control strategy on smart highway[J]. China ITS Journal, 2022(SUP1): 109-111. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JTXC2022S1028.htm
    [7] 崔录库, 刘金伟. 主动交通管理在智慧高速中的应用探讨[J]. 中国交通信息化, 2021(12): 131-133. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JTXC202112021.htm

    CUI L K, LIU J W. Exploring the application of active traffic management in smart highway[J]. China ITS Journal, 2021 (12): 131-133. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JTXC202112021.htm
    [8] 赵祥模, 高赢, 徐志刚, 等. IntelliWay-变耦合模块化智慧高速公路系统一体化架构及测评体系[J]. 中国公路学报, 2023, 36(1): 176-201. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZGGL202301015.htm

    ZHAO X M, GAO Y, XU Z G, et al. IntelliWay: An integrated architecture and testing methodology for intelligent highway using varied coupling modularization[J]. China Journal of Highway and Transport, 2023, 36(1): 176-201. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZGGL202301015.htm
    [9] ABDEL-ATY M A, CAI Q, ELURU N, et al. Integrated freeway/arterial active traffic management[R]. Orlando: Department of Transportation, 2019.
    [10] 刘星良, 单珏, 刘唐志, 等. 基于交通流稳定性系数的高速公路交通事故实时风险预测[J]. 交通信息与安全, 2022, 40 (4): 71-81. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.04.008

    LIU X L, C Y, LIU T Z, et al. Real-time forecast models for traffic accidents on expressways using stability coefficients of traffic flow[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2022, 40(4): 71-81. (in Chinese) doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.04.008
    [11] 王西. 新基建背景下智慧高速多元融合感知技术应用浅谈[J]. 中国交通信息化, 2020(6): 125-126. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JTXC202006017.htm

    WANG X. Discussion on the application of smart highway multi-integration sensing technology under the background of new infrastructure construction[J]. China ITS Journal, 2020(6): 125-126. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JTXC202006017.htm
    [12] ROSHANDEL S, ZHENG Z, WASHINGTON S. Impact of real-time traffic characteristics on freeway crash occurrence: systematic review and meta-analysis[J]. Accident Analysis & Prevention, 2015, 79: 198-211.
    [13] 杜豫川, 刘成龙, 吴荻非, 等. 新一代智慧高速公路系统架构设计[J]. 中国公路学报, 2022, 35(4): 203-214. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZGGL202204017.htm

    DU Y C, LIU C L, WU D F, et al. Framework of the new generation of smart highway[J]. China Journal of Highway and Transport, 2022, 35(4): 203-214. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZGGL202204017.htm
    [14] 金峰, 顾永鑫, 胡飞. 沪杭甬高速毫米波雷达事件检测能力分析[J]. 中国交通信息化, 2022(8): 122-124, 139. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JTXC202208012.htm

    JIN F, GU Y X, HU F. Analysis of millimeter wave radar event detection capability for the Huhangyong highway[J]. China ITS Journal, 2022(8): 122-124, 139. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JTXC202208012.htm
    [15] CHEN H, DOUGHERTY M, KIRBY H. An investigation of detector spacing and forecasting performance using neural networks[C]. 4th World Congress on Intelligent transport systems, Berlin, German: Mobility for everyone, 1997.
    [16] KWON J, PETTY K, VARAIYA P. Probe vehicle runs or loop detectors? effect of detector spacing and sample size on accuracy of freeway congestion monitoring[J]. Transportation research record, 2007, 2012(1): 57-63.
    [17] 刘政威. 考虑交通事件检测的固定型交通检测器布设方法研究[D]. 南京: 东南大学, 2011.

    LIU Z W. Research on the fixed traffic detectors deployment method considering traffic event detection[D]. Nanjing: Southeast University, 2011. (in Chinese)
    [18] CAO Q, LI Z, MA Y, et al. Optimal layout of heterogeneous sensors for traffic accidents detection and prevention[J]. IEEE transactions on instrumentation and measurement, 2022, 71: 1-13.
    [19] 刘昕, 刘志远, 聂品, 等. 微观交通仿真模型参数标定研究综述[J]. 铁道科学与工程学, 2022, 19(11): 3179-3189. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-CSTD202211007.htm

    LIU X, LIU Z Y, NIE P, et al. A survey of microscopic traffic simulation calibration methods[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2022, 19(11): 3179-3189. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-CSTD202211007.htm
    [20] HOSSAIN M, ABDEL-ATY M, QUDDUS M A, et al. Real-time crash prediction models: State-of-the-art, design pathways and ubiquitous requirements[J]. Accident Analysis & Prevention, 2019, 124: 66-84.
    [21] YU R, ABDEL-ATY M. Utilizing support vector machine in real-time crash risk evaluation[J]. Accident Analysis & Prevention, 2013, 51: 252-259.
    [22] 孙剑, 孙杰. 城市快速路实时交通流运行安全主动风险评估[J]. 同济大学学报(自然科学版), 2014, 42(6): 873-879. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TJDZ201406008.htm

    SUN J, SUN J. Proactive assessment of real-time traffic flow accident risk on urban expressway[J]. Journal of Tongji University(Natural Science), 2014, 42(6): 873-879. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TJDZ201406008.htm
    [23] ZHOU Z H, FENG J. Deep forest: towards an alternative to deep neural networks[C]. IJCAI Conference, Melbourne, Australia: IJCAI, 2017.
    [24] 夏恒, 汤健, 乔俊飞. 深度森林研究综述[J]. 北京工业大学学报, 2022, 48(2): 182-196. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-BJGD202202010.htm

    XIA H, TANG J, QIAO J F. Review of deep forest[J]. Journal of Beijing University of Technology, 2022, 48(2): 182-196. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-BJGD202202010.htm
    [25] YU R, WANG Y, ZOU Z, et al. Convolutional neural networks with refined loss functions for the real-time crash risk analysis[J]. Transportation Research Part C: Emerging Technologies, 2020(119): 102740.
    [26] LI P, ABDEL-ATY M, YUAN J. Real-time crash risk prediction on arterials based on LSTM-CNN[J]. Accident Analysis & Prevention, 2020(135): 105371.
    [27] 高珍, 高屹, 余荣杰, 等. 连续数据环境下的道路交通事故风险预测模型[J]. 中国公路学报, 2018, 31(4): 280-287. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZGGL201804033.htm
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  • 收稿日期:  2022-09-28
  • 网络出版日期:  2023-06-19

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