随着我国国民经济的快速发展和汽车保有量的激增,交通问题日趋严峻。智能运输系统(Intelligent Transportation Systems,简称ITS)成为世界公认的能够有效缓解或解决各种交通问题的有效途径,对高速公路安全预警系统的研究正是在ITS充分发展和中国政府对交通安全问题日益关注的背景下提出的。本文构建的高速公路安全预警系统以交通流的运行特征为主要监测对象,通过交通信息处理系统对检测到的交通信息数据进行综合处理和分析,采用基于交通流压缩理论模型及相关算法对交通安全状态进行判断,在认为交通流运行处于可能导致交通事故的不良状态或可能已经发生了交通事故时向高速公路的管理者和使用者发布预警或报警信息,从而有效避免和快速处理交通事故及二次事故。本文的主要章节包括:1、绪论;2、高速公路安全预警系统设计;3、高速公路交通信息采集与管理技术;4、高速公路交通流主要参数特性与运营安全的相关性分析;5、基于交通流压缩性的交通状态预判别算法研究。上述内容的安排采取由浅入深、层层铺垫的方式,具体研究内容主要集中在以下6个方面:1、界定了高速公路安全预警系统的主要功能。高速公路的预警管理主要具有预警、矫正、应急处置、免疫四项基本功能。高速公路预警管理是依据交通事故发展状况的判断,采用定性与定量相结合的方法,对高速公路交通安全发展态势进行过程描述、追踪分析和警情预报。预警系统能够通过对高速公路基础交通信息的采集、融合、对交通流特性的判断以及预警,起到对可能发生的重大交通事故(特别是特大交通事故和二次事故)的有效预防作用。2、分析了高速公路安全预警系统的信息需求。从用户与高速公路安全预警系统的关系划分成三类,一是系统管理者,二是系统参与者,三是系统服务者。管理者利用各种资源和手段对高速公路的安全运营进行宏观管理和微观管理。参与者借助系统提供的各种信息发布手段及时了解交通系统的安全状况,根据管理者发布的诱导信息规避可能发生的交通事故,保证交通安全。服务者通过查看系统数据,获取高速公路交通安全的相关资料,制定服务策略,为高速公路安全高效运营提供有针对性的服务。3、设计了高速公路安全预警系统的结构框架。将高速公路安全预警系统按照职能划分为基础交通信息采集、信息处理、信息发布三个子系统。利用多种交通信息采集设备,将各种多源异构的原始交通数据进行规范化后,进行融合处理和交通状态识别和预测,并根据事先设定的算法在可能发生交通事件的情况下发出预警。4、对高速公路交通信息的采集与管理技术进行了论述。高速公路交通信息的采集主要包括静态信息和动态信息的采集。介绍了高速公路交通信息的预处理技术和异常交通数据、不完整交通数据的处理方法。介绍了数据融合的功能结构划分,根据高速公路安全预警系统对于交通信息的需求,重点论述了高速公路空间平均速度和交通流量的融合算法。对系统的数据需求进行分析,对数据仓库的概念结构、逻辑结构、物理结构进行设计,提出数据存储方案和数据存储体系结构。具体给出了数据仓库的实施方法,并对数据质量管理方法和数据集成方式进行了探讨。5、结合吉林省长平等三条高速公路实测数据对交通流主要参数特性与交通安全运行状况的相关性关系进行了研究。分别从交通量特性、交通流速度特性、交通流构成特性三个方面对交通流与运营安全的相关性进行研究,发现并总结了相关性规律,为类似系统的建设提供了理论依据。6、建立了基于交通流压缩性理论的高速公路交通运行状态判别算法。算法能够针对不良状态发出预警或警报。算法特别加强了对于交通流常规运行状态的监测。结合交通流压缩理论,推算出交通流压缩系数与交通流密度的关系模型(见式5.22)、交通波与交通流密度的关系模型(见式5.23)、交通波与交通流实际阻塞密度的关系模型(见式5.24)。通过2个算例对算法进行了实际计算应用。通过编制程序,以长平高速公路的实测数据对算法进行测试,验证了算法的有效性。论文中涉及到的研究内容、研究方法和研究结论是对高速公路安全预警系统理论与实施技术的一种探索,可以为相关系统构建提供一定的理论依据和工程技术参考。