【2024华为杯数学建模竞赛】E题 解题思路 | 视频特征提取

问题 1

1. 某路段（长度约5000m，行车道2+应急车道1）上有四个视频观测点（见示意图1）。请基于该路段四个视频数据解决如下问题：
   （1）针对题目提供的数据，统计四个观测点的交通流参数随时间的变化规律（更精细的统计可以更有利于未来建模）；

解题思路

统计获取数据：

1.通过目标检测算法（如YOLO、Faster R-CNN）识别视频中的车辆，统计在视频中某条虚拟线或区域内通过的车辆数量。

2.统计视频中车辆占据车道的时间比例，常用于检测拥堵或道路容量使用情况。

3.通过目标检测和跟踪算法（如光流法、DeepSORT）连续跟踪每辆车的位置，记录车辆在道路上的运动轨迹及通过速度。

4.使用深度学习的分类算法或预训练的卷积神经网络（如ResNet、MobileNet），根据车辆的外观特征分类不同类型的车辆。

统计分析数据：
相关分析：车流量、车速、车道占有率

（2）建立交通流拥堵模型，利用交通流在四个观测点的基本参数（车流密度、流量、速度等）以及道路情况（两行车道），给出从第三点到第四点之间路段可能（没有拥堵之前）出现持续（比如持续时间半小时）拥堵状态的实时预警（比如拥堵10分钟前预警）及依据；
（3） 请利用视频数据验证所建模型的有效性。

解题思路

本身：

ARIMA（自回归移动平均模型）: 常用于时间序列分析，可以基于历史的交通参数（如流量、速度、密度）来预测短时间内的交通拥堵情。

LSTM（长短期记忆网络）: LSTM 是一种深度学习模型，擅长捕捉时间序列中的长期依赖关系，适用于预测未来一段时间内的交通流变化。

相互关系：

连续流方程: 基于守恒定律，交通流在相邻路段之间具有守恒性，即上游路段的车流会影响下游路段的交通状态。通过分析交通流方程的解，可以量化路段之间的影响。

交通流理论（如LWR模型）

问题 2

构建合理启用高速公路应急车道模型为决策者提供临时启用应急车道决策的理论依据。

解题思路

决策模型需要遵守的交通规则，例如：

应急车道的使用规则: 在很多国家和地区，应急车道的使用有严格的限制，通常仅用于紧急车辆或特殊情况下的临时启用。因此，模型需要考虑政策和法规约束，并为决策提供合法合理的建议。

安全优先原则: 模型设计中必须优先考虑交通安全，特别是在启用应急车道后，确保紧急车辆能够顺利通行，且一般车辆的速度受到有效管理。

应急车道启用决策规则
制定启用应急车道的决策规则，基于交通流量、拥堵情况、安全性、路段特征和天气条件等因素。可以构建决策树或基于规则的系统：

阈值触发规则:

车流量阈值: 当车流量超过某一临界值（例如设计容量的80%或90%）时，考虑启用应急车道。
拥堵持续时间: 当拥堵持续时间超过预设时长（如15分钟或30分钟）且预计短时间内无法缓解时，触发应急车道启用。
车速阈值: 当车辆速度低于某一阈值（如低于 30 km/h）时，考虑启用应急车道。

动态调整规则: 根据实时变化的交通流数据和拥堵状况动态调整启用决策。例如，某路段拥堵严重但下游路段畅通时，可以启用应急车道以缓解上游拥堵。

问题 3

利用监控数据，设计合理规则或算法，实时决策是否启用应急车道。请量化根据你们的模型启用应急车道的作用。

解题思路

1.根据第一二问得到预测结果

2.计算对比，可视化展示