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洪水灾害是威胁我国人民生命财产安全的主要自然灾害之一，随着知识水平的进步，预报技术的发展，以及科技手段的革新，我国对洪水的性质有了更科学的理解，对洪水的预测有了更准确的模型，治水防洪思路从被动应对转变为主动应对。治水防洪的理念也逐渐从洪水控制走向洪水管理，治水防洪的措施也逐渐完成从以工程性措施为主到更加注重非工程性措施的转变。
避灾系统是非工程性防洪措施的重要一环，是在洪水预报、警报基础上，在洪水到来前采取科学疏散方案或者应急避险措施，减小损失的过程，其实现基础是疏散路径规划方法以及适用于疏散过程的应急疏散规划方法。防洪疏散是在可预见性洪水灾害条件下，涉及成千上万群众在特定道路交通网络中进行大规模迁徙的复杂系统工程，除了要建立科学合理高效的疏散转移方案，也需要在疏散过程中还要考虑防洪管理部门宏观指令与群众自身驾驶选择之间的博弈，与复杂道路网络中交通实体之间的相互作用与影响，还需要模拟疏散过程中突发交通事件对疏散道路网络参数造成的影响，是一个高度复杂的、多层次、多目标非线性约束优化问题，其建模求解一直是灾害疏散领域的热点与难点问题。现代防洪疏散需要在实现对实时交通网络信息准确把握的基础上，以疏散路径规划算法为核心，以交通量分配模型为基础，建立适用于洪水灾害特点的包括疏散前路径规划与疏散中应急规划在内的防洪疏散路径规划理论，同时还需要建立与疏散计划相匹配的交通管理机制。
本文围绕洪灾疏散路径规划及其应急疏散规划中的若干关键问题，以现代计算方法、交通分配模型、计算机视觉等原理与方法为指导，分别从疏散路径规划及其疏散交通管理所需涉及的三个基本内容——交通量分配模型、疏散路径方案寻优理论、疏散网络实迁徙参数评估方法的研究为基础，建立了解决防洪疏散路径规划与应急疏散规划问题的完整理论体系，论文主要内容和创新成果如下：
（1）建立了基于多尺度融合的交通分配模型。结合元胞传输模型与跟驰理论提出了一种融合多尺度交通模型特征的交通量分配与模拟模型，使用网络建模语言实现了疏散交通道路网络的搭建，提出了适用于自由流交通状态下的元胞容量模型与引入半元胞概念的时间元胞模型，提出了基于连续包运动方程改进的车辆聚类离散包单元模型，建立了适用于模拟拥挤波、疏散波的车辆跟驰运动方程组，实现了基于车辆聚类单元的改进跟驰模型，为面向防洪疏散应用的交通分配与模拟提供底层计算框架。
（2）提出了一种基于扩展时空候选集搜索的疏散路径规划方法。针对防洪疏散网络的复杂拓扑结构，以启发式容量受限路径规划算法为基础，分别从基于拓扑分析结果的单源单汇、单源多汇以及多源单汇疏散场景特点分析出发，建立了纳入中转节点缓冲模型的多层次目标寻优方法、考虑路网清空时间的分流配额分配方法以及基于粒子群算法优化的汇流配额分配方法，同时将现有的单一最短路径搜索机制从时空两个维度扩展为最优路径候选集搜索，并集成为能够输出高质量转移方案的新疏散路径规划算法CQRP，为防洪疏散路径规划与应急疏散路径规划提供核心计算方法。
（3）提出了一种基于视频分析的实时交通流信息采集方法。针对应急疏散规划与疏散交通管理对实时交通流数据的需求，实现了基于视频分析的实时交通流信息采集方法。分析了疏散规划对于路网状态信息的实时性需求，提出了一种基于新的统计标识器的分区块快速背景更新机制，大大降低了背景更新的冗余计算量。从数学模型角度分析了序列图像背景更新的鬼影问题，并提出了基于窗口分析器的鬼影抑制机制，提高了背景图像真实度。针对防洪疏散过程中可能大概率存在的雨雾天气，推求了基于连续帧轮廓分析的雨天路面反光抑制方法；引入CUDA加速技术，以暗通道去雾模型为基础，提出了一种基于自适应大气光照图的图像去雾方法，使得系统能够在一定程度的雨雾天气中依然实现车流量的准确采集。针对交通流统计对实时性与准确率的需求，提出了一种基于高阶帧差函数的瞬时拥堵状态检测方法，并建立了根据瞬时拥堵状态自动切换的检测线与虚拟线圈双模式车辆计数机制，在确保检测准确率的前提下提高了车辆匹配与计数的时间效率。
（4）提出了面向突发交通事件的应急疏散规划与疏散交通管理机制。提出了主要突发交通事件的模拟方法，建立了用于辅助应急疏散规划决策的多源交通信息数据的融合机制，提出了基于智能设备的交通事件上报机制，设计了基于CQRP的应急疏散规划任务的寻优原则与计算流程。同时建立了实时交通流数据驱动的交叉口人工强制交通管理单元机制，用以确保疏散方案能够按计划有序执行。
（5）验证了本文所提出算法的有效性。通过对双车单元的计算模拟，验证了本文提出的车辆聚类模型的准确性有效性；通过对路段截断时间中拥挤波与疏散波的模拟，验证了本文提出的改进IDM车辆跟驰模型的有效性；通过对多场景道路交通监控视频进行交通流采集实验及其结果分析，验证了本文提出的交通流信息采集方法的有效性；通过对模拟疏散场景的计算与微型路网应急疏散场景的演算，验证了本文提出的CQRP疏散路径规划算法与应急疏散规划算法的有效性。
避灾系统是非工程性防洪措施的重要一环，是在洪水预报、警报基础上，在洪水到来前采取科学疏散方案或者应急避险措施，减小损失的过程，其实现基础是疏散路径规划方法以及适用于疏散过程的应急疏散规划方法。防洪疏散是在可预见性洪水灾害条件下，涉及成千上万群众在特定道路交通网络中进行大规模迁徙的复杂系统工程，除了要建立科学合理高效的疏散转移方案，也需要在疏散过程中还要考虑防洪管理部门宏观指令与群众自身驾驶选择之间的博弈，与复杂道路网络中交通实体之间的相互作用与影响，还需要模拟疏散过程中突发交通事件对疏散道路网络参数造成的影响，是一个高度复杂的、多层次、多目标非线性约束优化问题，其建模求解一直是灾害疏散领域的热点与难点问题。现代防洪疏散需要在实现对实时交通网络信息准确把握的基础上，以疏散路径规划算法为核心，以交通量分配模型为基础，建立适用于洪水灾害特点的包括疏散前路径规划与疏散中应急规划在内的防洪疏散路径规划理论，同时还需要建立与疏散计划相匹配的交通管理机制。
本文围绕洪灾疏散路径规划及其应急疏散规划中的若干关键问题，以现代计算方法、交通分配模型、计算机视觉等原理与方法为指导，分别从疏散路径规划及其疏散交通管理所需涉及的三个基本内容——交通量分配模型、疏散路径方案寻优理论、疏散网络实迁徙参数评估方法的研究为基础，建立了解决防洪疏散路径规划与应急疏散规划问题的完整理论体系，论文主要内容和创新成果如下：
（1）建立了基于多尺度融合的交通分配模型。结合元胞传输模型与跟驰理论提出了一种融合多尺度交通模型特征的交通量分配与模拟模型，使用网络建模语言实现了疏散交通道路网络的搭建，提出了适用于自由流交通状态下的元胞容量模型与引入半元胞概念的时间元胞模型，提出了基于连续包运动方程改进的车辆聚类离散包单元模型，建立了适用于模拟拥挤波、疏散波的车辆跟驰运动方程组，实现了基于车辆聚类单元的改进跟驰模型，为面向防洪疏散应用的交通分配与模拟提供底层计算框架。
（2）提出了一种基于扩展时空候选集搜索的疏散路径规划方法。针对防洪疏散网络的复杂拓扑结构，以启发式容量受限路径规划算法为基础，分别从基于拓扑分析结果的单源单汇、单源多汇以及多源单汇疏散场景特点分析出发，建立了纳入中转节点缓冲模型的多层次目标寻优方法、考虑路网清空时间的分流配额分配方法以及基于粒子群算法优化的汇流配额分配方法，同时将现有的单一最短路径搜索机制从时空两个维度扩展为最优路径候选集搜索，并集成为能够输出高质量转移方案的新疏散路径规划算法CQRP，为防洪疏散路径规划与应急疏散路径规划提供核心计算方法。
（3）提出了一种基于视频分析的实时交通流信息采集方法。针对应急疏散规划与疏散交通管理对实时交通流数据的需求，实现了基于视频分析的实时交通流信息采集方法。分析了疏散规划对于路网状态信息的实时性需求，提出了一种基于新的统计标识器的分区块快速背景更新机制，大大降低了背景更新的冗余计算量。从数学模型角度分析了序列图像背景更新的鬼影问题，并提出了基于窗口分析器的鬼影抑制机制，提高了背景图像真实度。针对防洪疏散过程中可能大概率存在的雨雾天气，推求了基于连续帧轮廓分析的雨天路面反光抑制方法；引入CUDA加速技术，以暗通道去雾模型为基础，提出了一种基于自适应大气光照图的图像去雾方法，使得系统能够在一定程度的雨雾天气中依然实现车流量的准确采集。针对交通流统计对实时性与准确率的需求，提出了一种基于高阶帧差函数的瞬时拥堵状态检测方法，并建立了根据瞬时拥堵状态自动切换的检测线与虚拟线圈双模式车辆计数机制，在确保检测准确率的前提下提高了车辆匹配与计数的时间效率。
（4）提出了面向突发交通事件的应急疏散规划与疏散交通管理机制。提出了主要突发交通事件的模拟方法，建立了用于辅助应急疏散规划决策的多源交通信息数据的融合机制，提出了基于智能设备的交通事件上报机制，设计了基于CQRP的应急疏散规划任务的寻优原则与计算流程。同时建立了实时交通流数据驱动的交叉口人工强制交通管理单元机制，用以确保疏散方案能够按计划有序执行。
（5）验证了本文所提出算法的有效性。通过对双车单元的计算模拟，验证了本文提出的车辆聚类模型的准确性有效性；通过对路段截断时间中拥挤波与疏散波的模拟，验证了本文提出的改进IDM车辆跟驰模型的有效性；通过对多场景道路交通监控视频进行交通流采集实验及其结果分析，验证了本文提出的交通流信息采集方法的有效性；通过对模拟疏散场景的计算与微型路网应急疏散场景的演算，验证了本文提出的CQRP疏散路径规划算法与应急疏散规划算法的有效性。