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交通沖突極值統計方法與應用 版權信息
- ISBN:9787030705471
- 條形碼:9787030705471 ; 978-7-03-070547-1
- 裝幀:一般膠版紙
- 冊數:暫無
- 重量:暫無
- 所屬分類:>>
交通沖突極值統計方法與應用 內容簡介
本書系統地介紹交通沖突極值統計方法與應用。在撰寫過程中,歸納了作者近十年來在交通沖突極值統計領域的研究成果,也充分吸收了近年來交通沖突和極值理論領域的新理論和新方法,并注重探討其在實踐應用中的可行性和可操作性。全書共八章,主要內容包括交通沖突技術、極值理論、一元交通沖突極值建模與分析、多元交通沖突極值建模與分析、交通事件安全連續體模型構建、交通安全改善效果前后對比分析、信號交叉口交通事故風險實時預測等。 本書可作為交通運輸規劃與管理、交通信息工程及控制專業研究生的參考教材,也可供從事道路交通安全相關行業的工程技術人員學習參考。
交通沖突極值統計方法與應用 目錄
“博士后文庫”序言
前言
第1章 緒論1
1.1 交通沖突技術的起源與發展1
1.2 極值理論的起源與發展6
1.3 交通沖突與極值理論的結合7
第2章 交通沖突技術8
2.1 交通沖突界定及常用指標8
2.1.1 交通沖突界定8
2.1.2 交通沖突指標9
2.2 交通沖突觀測方法15
2.3 代表性交通沖突技術簡介17
2.3.1 瑞典交通沖突技術17
2.3.2 荷蘭交通沖突技術24
2.3.3 美國交通沖突技術32
2.3.4 加拿大交通沖突技術40
2.4 交通沖突有效性分析44
2.4.1 交通沖突過程有效性44
2.4.2 交通沖突預測有效性45
第3章 極值理論48
3.1 區組極值模型48
3.1.1 模型原理48
3.1.2 廣義極值分布49
3.1.3 區組極小值51
3.1.4 r階廣義極值分布51
3.1.5 模型參數估計53
3.1.6 模型檢驗55
3.2 超閾值模型56
3.2.1 廣義帕累托分布57
3.2.2 閾值選取58
3.2.3 模型參數估計60
3.2.4 模型檢驗61
3.3 非獨立同分布極值建模62
3.3.1 非獨立極值分析62
3.3.2 非平穩極值分析63
3.4 多元極值模型64
3.4.1 分量*大值模型64
3.4.2 多元超閾值模型69
3.4.3 尾部相關性71
第4章 一元交通沖突極值建模與分析74
4.1 高速公路基本路段交通數據描述74
4.1.1 數據概況74
4.1.2 交通運行狀況數據分析76
4.1.3 交通沖突衡量與分析80
4.1.4 交通事故數據分析84
4.2 交通沖突極值安全分析原理86
4.2.1 PET及其取負映射87
4.2.2 事故風險界定87
4.2.3 重現水平的安全含義88
4.2.4 安全分析指標不確定性衡量88
4.3 高速公路變道沖突區組極值模型構建89
4.3.1 區組劃分89
4.3.2 區組極值模型構建90
4.3.3 *優模型及估計結果97
4.4 高速公路變道沖突超閾值模型構建100
4.4.1 非獨立同分布PET處理100
4.4.2 閾值選取102
4.4.3 超閾值模型構建104
4.4.4 *優模型及估計結果109
4.5 極值模型對比分析111
4.5.1 數據利用效率對比111
4.5.2 模型預測可靠性對比112
4.5.3 模型預測準確度對比113
4.5.4 對比分析結果討論114
4.6 極值模型與回歸模型對比分析115
4.6.1 回歸模型構建115
4.6.2 對比分析指標選取115
4.6.3 對比結果分析117
4.7 安全評價指標對比分析119
第5章 多元交通沖突極值建模與分析122
5.1 概述122
5.2 多元交通沖突極值安全分析原理123
5.3 高速公路合流區交通沖突二元極值建模125
5.3.1 高速公路合流區交通沖突判別125
5.3.2 二元超閾值模型估計結果128
5.3.3 一元超閾值模型與二元超閾值模型對比133
5.3.4 多元極值體系下沖突衡量指標探討134
5.4 信號交叉口進口道追尾沖突二元極值建模135
5.4.1 信號交叉口追尾沖突判別136
5.4.2 單指標的一元超閾值模型構建與分析139
5.4.3 多指標的二元超閾值模型構建與分析145
5.5 信號交叉口中心區左轉沖突二元極值建模151
5.5.1 信號交叉口中心區左轉車輛沖突判別151
5.5.2 一元極值模型構建與分析153
5.5.3 二元極值模型構建與分析155
5.5.4 極值模型對比分析157
第6章 交通事件安全連續體模型構建162
6.1 概述162
6.2 超閾值模型存在問題分析164
6.2.1 閾值選取問題再探討164
6.2.2 PET映射問題探討166
6.3 安全連續體參數化模型的提出與解析167
6.3.1 移位Gamma-GPD模型167
6.3.2 模型參數解析169
6.4 安全連續體參數化模型的標定方法169
6.4.1 移位值δ的確定方法169
6.4.2 Gamma-GPD模型參數標定方法170
6.5 安全連續體參數化模型標定結果分析173
6.5.1 移位值δ標定結果173
6.5.2 Gamma-GPD模型參數標定結果174
6.5.3 模型參數值解析175
6.6 廣義嚴重程度指標下的安全連續體模型探索176
6.6.1 廣義嚴重程度指標構建177
6.6.2 安全連續體模型標定178
6.6.3 安全連續體圖形化表達182
第7章 交通安全改善效果前后對比分析184
7.1 概述184
7.2 基于交通事故的前后對比分析185
7.2.1 前后對比分析的考慮要點185
7.2.2 前后對比分析方法187
7.3 基于交通沖突的前后對比分析190
7.4 左轉專用車道加長項目安全改善效果評價193
7.4.1 左轉專用車道加長項目概況193
7.4.2 基于交通沖突數的安全改善效果分析195
7.4.3 基于交通沖突廣義極值分布的安全改善效果分析196
7.5 Smart Channel項目安全改善效果評價203
7.5.1 Smart Channel項目概況203
7.5.2 基于交通沖突數的安全改善效果分析207
7.5.3 基于交通沖突廣義帕累托分布的安全改善效果分析208
7.6 基于貝葉斯層級廣義極值分布模型的前后對比分析方法212
7.6.1 貝葉斯層級廣義極值分布模型及其應用方法212
7.6.2 貝葉斯層級廣義極值分布模型應用215
第8章 信號交叉口交通事故風險實時預測220
8.1 概述220
8.2 信號交叉口動態交通參數提取223
8.3 交通事故風險實時預測模型構建225
8.4 信號交叉口交通事故風險實時分析226
8.4.1 模型估計結果226
8.4.2 安全評價指標計算結果228
8.4.3 實時風險預測結果驗證230
參考文獻231
編后記235
交通沖突極值統計方法與應用 節選
第1章 緒 論 據世界衛生組織統計,全世界每年均有超過120萬人死于道路交通事故,受傷人數及由此造成的經濟損失更是數目驚人。目前,道路交通事故是人類死亡的第八大誘因,并且是年齡為5~29歲的人死亡的首要原因。道路交通安全已然成為影響世界可持續發展的重大問題之一,而改善交通安全狀況則亟須全人類不懈地努力和探索。交通沖突技術是近年來交通安全研究領域興起的一個重要探索方向,并逐漸發展成為道路交通安全主動分析不可或缺的技術手段。交通沖突技術與極值理論的結合,不僅有助于驗證交通沖突技術的有效性,增強使用交通沖突技術進行安全分析與評價的信心,而且能極大地豐富交通沖突的使用方法,拓展應用交通沖突技術進行安全分析與評價的領域。 1.1 交通沖突技術的起源與發展 交通事故是道路交通系統運行失效的產物,也是反映道路交通安全狀況*直觀有效的指標。因此,現階段為改善交通安全狀況所采取的努力主要是以歷史交通事故數據的統計分析為基礎,并將事故數(率)和事故嚴重程度作為安全水平的衡量依據。然而,以交通事故數據為基礎的交通安全分析方法存在諸多缺點。 (1)交通事故記錄的不完整性導致分析結果不能反映真實的交通安全水平。 交通安全分析所使用的事故數據主要來自交警部門或道路交通主管部門的交通事故記錄。由于交通事故的界定、處理、現場記錄、報告、統計等階段存在的問題,*終收集到并用于安全分析的交通事故數據往往只是實際發生交通事故的一部分,很難反映研究對象的真實安全水平。 (2)交通事故發生的稀少性導致交通安全分析所需的周期一般較長。 交通事故屬于極稀少事件,很多研究對象在相對較長的時間內沒有交通事故發生。因此,一般需要相當長的時間才能收集到滿足統計分析要求的交通事故數據。通常情況下,建議的交通事故數據收集周期為2~3年。 (3)交通事故發生的隨機性導致以統計回歸為基礎的安全分析存在較大的不確定性。 交通事故也屬于強隨機性事件,即使在道路、交通、環境等因素完全相同的情況下,交通事故的發生與否也不一定相同。通過對大量交通事故數據進行統計分析可以幫助尋找一般性規律。然而,由于事故發生的隨機性,安全分析的結論也存在較大的不確定性。 (4)交通事故統計分析的集計性導致無法分析事故個體發生的內在機理。 交通事故發生的極稀少性和強隨機性要求必須從集計的角度分析才能得到相對可靠的分析結果。這種集計分析方法有助于從總體角度分析道路、交通、環境因素與交通事故的關系,卻無法具體分析每一起事故發生的內在機理,尤其是很難分析道路使用者個體因素(如駕駛員行為因素)對事故發生的影響。 (5)交通事故統計方法的事后性導致安全分析的時效性和主動性較差。 應用交通事故統計方法進行安全評價及指導安全改善對策制定具有明顯的事后性,即必須等到一定數量的事故和事故傷害發生后才能采取相應的措施。這往往意味著需要等待2~3年才能知道一項改造措施的安全效果,嚴重影響了安全分析的時效性。此外,被動等待交通事故的發生也制約了交通安全分析的主動性。 這些缺點給交通安全分析帶來的被動和無奈顯然是人們不愿意看到和接受的。交通安全理論和概念國際研究協會(International Cooperation on Theories and Concepts in Traffic Safety,ICTCT)提出的“不要等待交通事故的發生”和“我們不需要利用交通事故來阻止交通事故”等口號,明確表達了交通安全領域廣大科研人員和工程實踐人員對改變現狀以及探尋利用非事故數據進行交通安全分析的迫切希望。 實際上,利用非事故數據進行交通安全分析或尋找交通安全分析的事故替代指標方面的研究由來已久。具有普遍認可度的事故替代指標往往需要同時具備以下三個條件:①能夠恰當地反映道路和交通條件變化的影響;②與受道路、交通條件變化影響的交通事故相關;③能夠被實際觀測。 滿足上述條件的事故替代指標較多,交通沖突是*為常用的一種。首先,交通沖突的發生受道路、交通、環境及其他因素的影響。其次,雖然交通沖突與交通事故有所不同,但是兩者之間聯系密切且受到很多共同因素的影響。*后,相較于交通事故,交通沖突發生頻率更高且在現有技術條件下能夠被較為準確地觀測。 交通沖突與交通事故的關系如圖1-1所示[1]。道路改造措施的實施可能會導致條件集合A、B、C的變化,其中集合A中的因素只影響交通沖突的發生,集合C中的因素只影響交通事故的發生,集合B中的因素同時影響交通沖突和交通事故的發生。例如,一個駕駛經驗豐富的駕駛員會更加自信,并傾向于在駕駛過程中與其他車輛保持相對較小的時空間距,這會導致交通沖突數量的增加而可能并不引發交通事故;在路面非常濕滑的條件下駕駛員采取了制動措施,如果以開始剎車時刻車輛之間的時空接近度來界定交通沖突,交通沖突的數量可能保持不變,而交通事故數量則會由于制動失效而明顯增加;不良的道路設計會導致駕駛員操作失誤,促使駕駛員采取避險操作以進行糾正,這種情況就可能導致交通沖突(避險行為及時有效)或交通事故(避險行為無效)的發生。從這個角度來看,交通沖突和交通事故都屬于風險事件且誘因相同。由于交通沖突和交通事故過程的一致性,集合B的范圍往往較廣而集合A、C相對較小。 圖1-1 交通沖突與交通事故關系示意圖 美國的底特律通用汽車實驗室*早認識到交通沖突與交通事故之間的密切關系并將交通沖突應用至安全分析。1968年,該實驗室的Perkins和Harris提出使用以避險行為為核心的交通沖突來評價車輛運行的安全性[2]。此后,交通沖突技術就得到了越來越多的關注和應用。然而,交通沖突的界定在當時還是比較寬泛的,不僅道路使用者之間的相互作用會被視為交通沖突,交通違規行為(如車輛闖紅燈)也會被視為交通沖突。1971年,Hayward重新界定了交通沖突,認為交通沖突是需要相互作用的道路使用者中至少有一方必須改變速度或方向才能避免交通事故發生的一種危險情況[3]。 從20世紀70年代后期開始,北美和歐洲很多國家的學者開始了交通沖突技術的研究,制定了一系列交通沖突標準。1977年,在Oslo舉辦的**屆交通沖突技術研討會(The First Workshop of International Cooperation on Traffic Conflict Techniques)上,參會學者對交通沖突的定義達成了共識,認為交通沖突是“一種可觀測的交通事件,其中兩個或兩個以上道路使用者在空間或時間上相互接近,以至于如果其中一方不改變其運行狀態將會發生碰撞”[4]。 在隨后的幾十年里,交通沖突技術的發展也歷經波折。雖然廣大學者對交通沖突的定義達成了共識,但在實際應用該定義時卻存在諸多問題。一方面,當時的交通沖突觀測主要以人工觀測為主,觀測方法的主觀性和觀測結果的不一致性在較大程度上限制了交通沖突技術的應用;另一方面,很多研究發現交通沖突與交通事故之間并沒有較強的相關關系,這也帶來了對交通沖突有效性的質疑。雖然發展緩慢,但當時也取得了很多標志性的成果,例如,部分國家建立了適用于本國條件的交通沖突技術體系,學者提出了一系列用于衡量交通沖突嚴重程度的量化指標,也有很多研究建立了描述交通沖突與交通事故關系的回歸模型等。 21世紀左右,隨著視頻檢測技術等傳感技術的飛速發展,一些客觀的交通沖突判別技術和方法相繼提出,從而推動了交通沖突技術的快速發展。很多先進的交通沖突判別方法(如加拿大基于計算機視覺的交通沖突識別技術)逐步成型并成功應用至科學研究和工程實踐中。此外,很多新的統計分析方法也被引入交通沖突技術中,從而更好地證明了交通沖突與交通事故之間的關系,也驗證了交通沖突技術的有效性。這些都在很大程度上促進了交通沖突技術的研究和進一步發展,也推動了交通沖突技術在道路交通安全領域的應用。 通過對交通技術發展進程的分析發現,盡管過去的幾十年里交通沖突技術取得了長足的發展和一系列重要的突破,但無論是在理論基礎研究還是在應用實踐中,現階段的交通沖突技術體系并不十分完善,未來潛在的研究方向可能包括以下幾個方面。 1)交通沖突技術規范化和標準化研究 現階段交通沖突技術版本多種多樣,這些版本雖有一些基本的共同之處但也存在較多差異。例如,瑞典交通沖突技術以距離事故時間和沖突速度為沖突衡量指標,這些指標只有在存在沖突過程的前提下才存在;荷蘭交通沖突技術考慮了存在沖突過程和不存在沖突過程兩種情況;美國交通沖突技術在很大程度上依賴于避險行為;德國的交通沖突研究更關注駕駛行為失誤。對交通沖突理解的不同導致不同國家學者的研究很難交互驗證,因而相關研究成果也很難進一步推廣。在交通沖突技術發展的早期,使用不同的交通沖突技術有利于人們從不同的角度去理解交通沖突。但是,隨著交通技術的不斷發展,其*終會走向規范化和標準化。這就需要全球范圍內的學者和工程實踐人員通力協作,尤其是在交通沖突定義和觀測統一化方面共同努力。 交通沖突技術規范化和標準化的努力還需要考慮擴展現有交通沖突技術的研究范圍。雖然前文給出的交通沖突定義表明其研究的核心是兩個或兩個以上的道路使用者,但大部分研究都局限于兩個道路使用者之間的相互作用,僅有少量的研究提到了單個或多個道路使用者。顯然,擴大交通沖突技術的研究和使用范圍將有助于更加全面地分析道路交通安全狀況。 2)交通沖突與交通事故關系的進一步研究 盡管已經有較多的研究開始直接使用交通沖突進行道路交通安全分析,探討交通沖突與交通事故之間的關系仍然是一個充滿挑戰卻意義非凡的工作。一方面,證實交通沖突與交通事故之間的關系可以增強工程實踐人員使用交通沖突技術的信心;另一方面,從不同的視角探索交通沖突與交通事故的關系也有利于更加全面地了解交通事故的發生機理。基于現代統計分析技術(極值理論、因果關系、概率模型等)的建模方法為交通沖突與交通事故關系研究注入了新的動力,但這些技術方法仍需要進一步驗證和完善。同時,探索新的模型和方法也是未來的研究方向之一。 3)使用交通事件安全連續體而不僅是交通沖突進行安全分析 現階段已經有一些學者建議使用交通事件安全連續體,即考慮所有的交通事件而不僅是交通沖突或交通事故進行交通安全分析,但要實現這一目標仍有很多工作要做。首先,描述交通事件安全程度的指標必須是客觀的,并且一個好的指標應不僅能夠反映事故發生的風險,還能夠體現出潛在交通事故的嚴重程度。其次,使用交通事件安全連續體并不意味著僅考慮其中各個級別所包含交通事件的數量,而是要合理利用整個安全連續體分布。為了更好地利用整個安全連續體,建立其參數化模型將十分重要。 當然,利用交通事件安全連續體的一個重要前提是證明安全連續體的真實存在。自然駕駛實驗可以為這個方向的研究提供較好的數據支撐,因為其所記錄的數據不僅包括正常的交通狀態信息,還包括交通沖突狀態以及較為罕見的交通事故狀態信息。 4)探尋交通沖突與正常交通事件的分界 現階段的大部分研究表明,分析交通沖突頻數(率)能夠得到可接受的安全分析結論,因此基于交通沖突頻數(率)的安全分析仍然會是未來研究的主體。使用交通沖突頻數(率)的關鍵在于確定交通沖突與正常交通事件的臨界值。一種臨界值確定方法是測試所有可能的臨界值并選取與交通事故相關程度*高的交通沖突所對應的值。這種方法的隱含前提是不同路段上交通沖突與正常交通事件的分界是明確且一致的。另一種方法是允許臨界值隨道路、交通、環境條件的改變而改變,即通過回歸分析方法建立沖突臨界值與道路、交通、環境等因素的關系模型。 5)交通沖突嚴重程度的多維描述 交通沖突嚴重程度通常由時間或空間接近程度來描述,時空接近度越高,交通沖突越嚴重。學者先后提出多種交通沖突嚴重程度衡量指標,然而即使是同一個指標,在不同背景條件下所蘊
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