【2024研赛】【华为杯E题】2024 年研究生数学建模比赛思路、代码、论文助攻
本文研究了高速公路应急车道的合理使用问题，旨在通过数学模型优化应急车道的临时启用决策。研究基于四个视频观测点的交通流数据，分析了交通流参数随时间的变化规律，并建立了交通流拥堵模型，用于实时预警路段拥堵状态。此外，本文还探讨了如何通过合理布置视频监控点，提升应急车道启用决策的科学性和经济性。研究结果为高速公路应急车道的动态管理提供了理论依据，具有重要的实践意义。
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高速公路应急车道紧急启用模型
高速公路拥堵现象的原因繁多，其中最典型的便是部分路段出现瓶颈路段，其主要原因在于车辆的汇聚。拥堵现象一旦形成，往往容易向更广范围蔓延。一些特定路段，如匝道出入口或桥梁入口等，也容易成为堵点。此外，某些高速公路由于受到多种因素的影响，车道数量有限，这也会导致通行能力受限，成为主要问题之一。需要注意的是，交通事故是随机事件，难以预测和控制，因此不在本次讨论范围内。拓宽车道宽度可以有效缓解拥堵问题，但这也并非我们当前需要探讨的重点。在此，我们仅关注现有条件下，如何最大限度地利用现有资源。对于某些特殊场景，如果能在交通拥堵发生之前采取相应措施，就可能有效化解一次拥堵。
在高速公路建设过程中，通常会在右侧设置应急车道，以处理工程救援、消防应急、医疗救助等多种应急车辆的需求。一般情况下，应急车道作为应急逃生通道，禁止随意占用，但若合理利用，例如通过监测上下道口的交通流量，发现潜在的拥堵风险，而实际路段未发生事故的情况下，可在允许范围内使用应急车道，以降低车流密度，从而有效避免可能的大规模拥堵。高速管理部门持续致力于探索合理使用应急车道的方法，通常情况下，管理者依赖多路段的视频监控系统和经验判断来决定是否临时开放应急车道。这种做法一方面缺乏理论支持，容易引发争议，另一方面对缓解交通拥堵的效果也难以进行评估。因此，建立数学模型以识别高速公路特定路段即将发生的拥堵情况，并评估临时借用应急车道对缓解道路拥堵的作用，具有重要的理论意义和现实价值。
在突发情况中临时开放应急车道时，应在高速公路沿线设置警示标志或电子提示设备，以便动态更新沿线车辆可使用应急车道的公告信息。一旦通过报警系统或无人机监控发现该路段发生交通事故，立即通过告示装置通知应急车道上的车辆移至行车道以提高撤离效率。此举不会影响道路救援行动。
问题 ：
该路段（长度约5公里，两个主车道加一个应急车道）上布置了四个观测点（见示意图1）。请基于该路段的四个观测点视频数据，解决以下问题：
基于题目中给出的数据，对四个观测点的交通流参数进行时间变化趋势分析（更精确的统计结果将有助于提升后续模型的预测能力）；
构建交通流拥堵模型，基于四个观测点的车流密度、流量、速度等基本参数以及两行车道的道路状况，预测并分析从第三观测点至第四观测点路段在未发生拥堵时可能持续半小时的拥堵状态，并提前10分钟发出预警信息，其依据是观测数据和道路特征分析结果。
（3） 请利用视频数据验证所建模型的有效性。
图1 路段示意图
- 为决策者提供临时应急车道启用决策的理论依据，构建了一个合理启用高速公路应急车道的模型。
- 基于监控数据，设计合理规则或算法，实时判断应急车道是否启用。请量化你们模型启用应急车道的效果。
- 现有的监控布置未考虑应急车道临时启用问题。为了提高应急车道临时启用决策的科学性，同时控制成本，应如何优化视频监控点的布置？原因是什么？
名词****解释
流量：某时刻单位时间内通过某点的车辆数；
密度：某时刻某处单位长度内的车辆数；
速度：某时刻通过某点的车流速度。
参考文献
杨阳，刘强，石英杰，基于饱和路段动态应急车道的优化决策模型研究，公路工程，2022年，第3期，第172-176页。
数据附件（高速公路交通流数据.zip）
数据描述：长深高速公路某段上四个点位交通监控视频；
数据内容：四个文件夹（32.31.250.103，32.31.250.105，32.31.250.107，32.31.250.108）和数据说明.docx (包括python读视频数据程序)。