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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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  • 收稿日期:  2022-09-28
  • 网络出版日期:  2023-06-19

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