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浅谈高速公路可变限速控制技术

发布日期:2017-11-18 来源: 本网 查看次数: 142 作者:admin

核心提示:  1概述高速公路可变限速控制技术是近年来在发达国家得到广泛关注的一项高速公路交通控制技术。  传统的高速公路限速方法以自由流状态下的85%位速度作为制定限速值的基本依据,再结合道路线形等其他因素提出

  1概述高速公路可变限速控制技术是近年来在发达国家得到广泛关注的一项高速公路交通控制技术。

  传统的高速公路限速方法以自由流状态下的85%位速度作为制定限速值的基本依据,再结合道路线形等其他因素提出具体限速值。限速值一旦提出,一般不会改变,因此传统高速公路限速方法本质上是一种静态限速法。高速公路是一个由人、车、路和环境相互作用下复杂的动态系统,某一路段上的合理限速值在交通流运行状态和天气情况等多种因素影响下会不断发生变化。传统的高速公路静态限速法无法反映变化中的道路交通环境特征,具有一定局限性。

  高速公路可变限速控制技术(VariableSpeedLimits,简称VSL)提供了一种解决上述难题的途径。通过先进的交通流特征参数和交通环境特征参数自动检测技术,高速公路可变限速控制系统可并通过信息实时发布技术传递给道路使用者。与传统高速公路限速方法相比,高速公路可变限速控制技术不依赖于某一固定限速值,是一种动态限速方法。其核心思想是通过改变限速值对高速公路交通流运行状态进行人工干预,从而达到改善交通流运行状态、减小车速离散性、缓解拥堵、提升行车安全的目的。实践结果显示,高速公路可变限速控制技术对于减少高速公路超速行为、提升行车安全具有显著效果。例如,德国自20世纪70年代开始实施可变限速控制的3条高速公路平均交通事故降低了20%-30%t4;英国自1995年开始实施可变限速控制的M25号公路在未来18个月内事故率降低了28%;美国田纳西州1-75号公路在1992年12月发生99起交通事故,自1993年安装可变限速控制系统后,平均车速降低5%~10%,且没有再发生由于大雾导致的交通事故。

  作为一项在发达国家得到广泛关注并已在实践中取得良好效果的高速公路交通控制技术,可变限速控制技术在我国具有良好应用前景,具体表现为以下3个方面:(1)高速公路交通安全形势严峻:2007年,我国高速公路共发生交通事故12364起,死亡人数达6030人,百公里死亡率是其他等级公路5.6倍,直接财产损失占全国公路交通事故总数的40.8%,其中9.46%的事故是由于超速行驶造成。随着我国高速公路建设的进一步发展和汽车保有量的快速增加,高速公路交通安全形势面临严峻挑战。我国高速公路面临的交通安全形势要求我们采用新技术、新方法提升高速公路交通安全管理水平;(2)高速公路建设的进步为实施可变限速控制技术提供了良好的硬件条件:近二十年来,我国高速公路建设得到飞速发展,2008年底我国高速公路总里程突破6万公里,稳居世界第二位。很多新建高速公路的硬件设施好,通讯、电子、监控等配套设备完善,某些地区高速公路硬件条件甚至优于发达国家,为采用可变限速控制系统提供了良好的应用平台;(3)高速公路交通管理水平相对滞后:与硬件条件相比,我国高速公路交通控制与管理水平发展相对滞后,未能充分发挥硬件设施的全部功效,客观上造成了一定的资源浪费。例如很多新建高速公路均安装了可变信息板,目前多用于发布一些警示信息,对其功能的使用并不充分。采用可变限速控制技术可帮助我们充分发挥现有高速公路硬件设施的功效,达到提升行车效率,改善交通安全的目的。

  本文旨在系统介绍高速公路可变限速控制技术的发展历史、使用功能、系统构成和控制机理。

  首先对高速公路可变限速控制技术的基本思想进行了阐述,对其在我国的应用前景进行了探讨。在充分调研的基础上总结了现有可变限速控制系统的使用功能和系统构成,结合“国家道路交通安全科技行动计划”中的相关内容,介绍了国内已开发完成的可变限速控制系统的控制机理。

  2可变限速控制技术的应用历史可变限速控制技术的应用始于20世纪50年代,当雨雪天气发生时,高速公路交通管理部门可以手动更换位于路侧限速显示牌的限速值,如所示。这一时期可看作可变限速控制技术的起步阶段,其控制机理简单,功能单一,限速值多依靠手动方式更换,且限速值调节只能依据粗略的静态限速预案,无法及时反映变化中的交通流运行状态,本质上仍然是一种静态限速方法。

  不同时期的可变限速控制系统20世纪中后期,随着发达国家高速公路网络的形成以及通讯、计算机技术的快速发展,可变限速控制技术有了更广阔的应用平台。美国密西根州(1962年)、新泽西州(1960s)、德国(1970s)部分地区先后开始了可变限速控制技术的实践。进入20世纪90年代,美国新墨西哥州(1989年)、荷兰(1991年)、澳大利亚(1993年)、芬兰(1994年)、英国(1995年)、美国亚利桑那州(1999年)、俄勒冈州(2000年)及明尼苏达州(2000年)等地区先后在某些高速公路上采用了可变限速控制技术(如所示)。与早期相比,这一时期的可变限速控制技术集成了实时交通流参数自动检测、实时气象信息自动检测等功能,通过核心控制算法对当前限速值进行动态优化,从而实现了对高速公路交通流的动态控制。

  进入21世纪,新技术的应用促进了可变限速控制技术从控制机理到使用功能的全面发展。比如采用太阳能供电技术对可变限速板进行供电,大大节约了能源并减少了供电设施导致应用位置的限制;可变限速被广泛应用于施工区等特殊路段作为临时性的交通控制措施(如-c所示);采用大型可变信息板与可变限速板协调设置,丰富了可变限速的信息发布方式。除发布限速信息外亦可提示前方路段实时交通运行状态、气象条件等信息(如-d所示),提高了驾驶员对可变限速的遵从度。这一时期随着技术的进步,可变限速的使用功能进一步增加,并开始与其他高速公路交通管理技术如匝道控制技术相结合。部分学者提出了建立基于匝道控制技术和可变限速控制技术的高速我国事实上在20世纪90年代初就开始了可变限速控制技术的实践。当时在广佛高速公路安装了7块可变限速标志板,通过感应线圈检测交通流量,并以此为输入参数,通过内部算法定义拥挤、较拥挤、畅通三种交通状态,相应的向驾驶员发布60km/h、80km/h、和100km/h的限速值。相似的可变限速控制系统目前在国内部分高速公路,如杭甬高速公路、沪蓉高速公路等均有使用。但是与发达国家相比,可变限速在我国的应用仍然处于初级阶段,突出表现为系统功能单一,限速值调整缺乏科学依据,对具体控制策略缺乏足够研究,不能充分发挥可变限速控制技术的优势。

  3使用功能和系统构成为充分了解可变限速控制系统使用功能和系统构成,对目前可变限速控制系统在国外应用情况进行了调研。调研结果如表1所示。从表1中可以看出,可变限速控制技术在使用功能上主要包括以下三个方面:(1)针对天气情况(如降雨、降雪和道路能见度等)和路面条件(如路面结冰)调整限速值;(2)针对交通流运行状态调整限速值(评价指标包括当前车辆运行速度、车道占有率、流量及密度等);(3)针对突发事件(如道路施工、交通事故等)调整限速值。

  目前采用的可变限速控制系统大多集成了以上三种功能中的一项或几项。不同的功能需求导致现有可变限速控制系统在具体的系统构成上(如检测器的种类、布设密度,可变情报板或限速板的布设密度,可变限速信息的发布方式等)存在一定差异。但总的来说,目前采用的可变限速控制系统的构成可以归结为信息采集层、数据传输层、可变限速控制层和信息发布层这四个不同层面,如所示。对每个层次的使用功能归纳如下。

  (1)信息采集层。信息采集层的功能是通过布设在高速公路沿线的各类检测设备,获得准确、实时的道路交通流运行状态以及天气条件。可变限速控制技术的优越性在于该技术能够反映实时的交通运行环境及运行情况,并进行动态的限速调节,因此信息采集层是实施可变限速控制的基础。

  目前己实施可变限速控制的高速公路多采用环形线圈进行交通流参数的采集,亦有少部分公路采用微波、视频等检测设备;环境监测站以及能见度检测仪用于监测路段实时天气条件。需检测的交通流参数包括速度、流量、密度、占有率及车头时距等,环境天气数据包括降雨量、风速、风向、能见度及路面结冰情况等。信息采集层的关键在于检测到的交通流参数及天气数据的准确度,以及是否对交通流、天气的变化反应灵敏。

  表1实施可变限速控制高速公路情况及功能信息地区‘道路名称限速板间距/km使用功能美国(阿拉巴马州)根据道路能见度进行限速调节;根据车辆运行速度进行限速调节美国(科罗拉多州)依据相关法规调节限速,并非根据实时数据①检测交通事故及车辆抛锚事件,降低限速值;美国(特拉华州)②高降雨量、大风、低能见度情况下降低限速值;③检测路面降雪、结冰情况美国(福罗里达州)根据车道占有率、车速将交通流分为自由流阶段、低占有率阶段、高占有率阶段,每个阶段均设置调节阈值与恢复阈值①根据降雨类型及总量进行限速调节;美国(缅因州)突发事件导致车辆平均车速骤降时,降低限速值;道路达到一定服务水平时,关闭可变限速控制系统美国(密苏里州)根据车道占有率进行限速调节①根据检测雾、冰、雪进行限速调节;美国(新泽西州)②根据下游2公里处是否发生事故、拥堵进行限速调节;③根据控制区域内是否有耕作进行限速调节美国(宾夕法尼亚州)根据道路能见度进行限速调节美国(田纳西州)根据道路能见度、可视距离进行限速调节美国(维吉尼亚州)根据车道占有率、天气、突发事件建立起多维矩阵,进行限速值匹配并自动发布美国(华盛顿州)①根据道路能见度进行限速调节;②根据降雨类型及总量进行限速调节;③根据突发事件进行限速调节根据天气条件(风速、风向、气温、相对湿度、降雨强度、芬兰降雨量)以及路面条件(干、湿、盐、雪)将道路环境分为好、中、差三类,针对不同类设置限速值法国马赛①根据车速进行限速调节;②根据环境条件进行限速调节;③可手动调节限速值德国①根据交通流量、速度进行限速调节;②根据雾、冰、风情况进行限速调节荷兰①根据道路能见度进行限速调节;②根据检测到突发事件对上下游限速进行调节英国①根据交通流量进行限速调节;②检测车速及车辆排队情况进行限速调节澳大利亚①根据能见度、可视距离进行限速调节;②根据下游车辆运行速度进行限速调节)数据传输层:数据传输层的功能是对信息采集层各硬件设施所采集到的信息进行数据整理,并通过传输硬件设施将数据传送到计算机数据库中。为路侧信息采集设施及控制中心之间提供了信息交互的途径,起到了沟通桥梁的作用。目前数据传输层多利用高速公路环路载波系统的光缆进行数据信息的通信。数据传输层应根据具体需求提供与硬件兼容的接口,或传输前对采集数据进行相信息发布层应的转换以减少传输信息量。

  可变限速控制系统的构成可变限速控制层:可变限速控制层的功能即根据控制机理对实时交通流参数、天气数据进行分析,制定可变限速值的调控方式,是整个可变限速控制技术的核心。该层可以分为两个层面:单点限速控制层面主要针对道路某断面计算其合理的可变限速板实时发布的最优限速值;主线限速控制层面主要考虑多个可变限速板的协调,避免邻接路段限速值相差过大,确保整条线路控制的稳定性。

  信息发布层:信息发布层的功能即将可变限速控制层制定的控制命令通过可变限速板发布给驾驶员,是整个可变限速控制系统的终端。通过高速公路光缆系统将控制中心的可变限速控制指令传输到本地控制柜中,通过可变限速板或可变情报板进行限速值的发布。目前,可变限速值的发布方式有3种:强制执行、半强制执行及推荐执行。不同的发布方式控制效果不同,适用于不同的限速控制目标。

  4控制机理可变限速控制系统的核心为可变限速的控制机理,即系统如何根据实时道路交通流特征参数、天气情况等对当前限速值进行调节。针对这一问题,国外学者已进行了大量的研究。这方面的研究成果按系统控制目标的差异可以分为以下两个方面:这一方向以美国学者AbdelAty和加拿大学者ChrisLee等为代表,着重研究车辆实时碰撞风险预测技术,以及交通流运行特征参数与交通安全的关系。在研究基础上提出可变限速控制系统的启动阈值。结合交通流微观仿真技术对可变限速控制策略进行效果评估,确定最优策略。这一思路的关键是对高速公路实时碰撞风险预测技术的研究。加拿大学者Lee在多伦多Gardiner高速公路上选择了一段10公里的路段安装了38个环形线圈,记录了13个月内发生的234起交通事故和事故发生前后的交通流数据,在此基础上建立起实时碰撞风险预测模型如公式(1)所示:其中:F为预测事故数量,0为常数,Ac、Ae(;)、为交通流参数变量,Aw)为道路几何条件变量,为高峰/非高峰时段调节变量,I为出行距离变量,0为距离变量参数。

  (2)以提升通行效率为目标。

  以交通流相关理论为基础,着重研究可变限速控制系统对于高速公路通行能力的影响,包括不同限速值所导致的关键占有率的后移现象,拥挤状态下稳定性交通流的形成,对于交通通行效率的影响,对于消除冲击波、提高瓶颈消散影响等。

  关于可变限速对通行能力的影响,学术界存在一定争议。Zackor观测了德国境内某条双车道高速公路在设置及不设置可变限速设施前后的交通流数据,提出实施可变限速控制技术之后导致通行能力及通行速度提高5%10%;但是荷兰高速公路数据显示可变限速控制系统并不能引发通行能力的提高,Hegyi的理论即认为不存在通行能力的提高;Papageorgiou观测了27d内某双向6车道的道路交通流情况,得到了不同限速值条件下的交通流特征,验证了存在通行能力提高的现象,并发现了关键占有率后移现象,证实了可变限速对于拥挤状态下稳定交通流、提高通行速度方面具有良好的效果。

  东南大学江苏省交通规划与管理重点。

  本文所述可变限速控制机理是一个动态调节过程,限速值能够反映该周期内的具体道路交通环境,周期迭代过程中限速值亦随道路交通环境的变化而改变。某周期内,实时气象数据和交通流数据通过各自模块进行收集后,与道路参数一起存储在记录文件中,形成实时基础数据库。根据高速公路交通流运行状态以及天气条件提出可变限速控制系统启动的判定方法。可变限速控制系统启动后,从三个方面共同决定某限速位置可变限速值的调节方向与幅度:(1)以提升交通安全为目标,根据建立起的碰撞风险预测模型以及碰撞风险阈值,确定是否需要降低限速值;(2)以稳定交通流为目标,分析可变限速控制的实施对于降低速度离散性和稳定交通流的作用,在确保交通安全前提下确定限速值的调节策略;(3)判断前两个目标所确定的限速值是否能够满足当前天气条件下对与限速的要求,并结合路段最高、最低限速值,确定该点最终的限速值调节方向与幅度。总线控制单元将协调各单点控制单元的限速发布值,确保邻接路段限速值变化幅度在可接受范围之内,确保整条线路控制的稳定性。完成本周期内限速值的调节与发布后,系统进入下一周期重新检测实时道路交通流、环境参数,根据上述控制机理进行新周期内限速值的调节,确保该可变限速控制系统能够反映动态道路交通环境情况。

  5结论高速公路可变限速控制技术能够减少超速行为,降低速度离散性,提高道路交通安全,且能够降低恶劣天气条件下的事故率,近年来在发达国家得到广泛关注。本文介绍了高速公路可变限速控制技术的基本思想,并对其在我国的应用前景进行了探讨,总结了现有可变限速控制系统的使用功能与系统构成及可变限速控制系统的控制机理。

  可变限速控制系统的控制机理图我国篼速公路交通事故率及死亡率均高于国外发达国家,且车辆超速是导致交通事故的主要原因之一。采用可变限速控制技术可以充分发挥现有高速公路硬件设施的功效,达到提升行车效率、改善交通安全的目的。因此可变限速控制技术在我国高速公路交通控制领域具有良好的应用前景。

  此外,可变限速控制技术还可广泛应用于普通公路事故多发路段车速控制、恶劣天气条件下道路车速控制、施工区车辆通行速度控制、隧道内及出入口速度控制、学校周边地区速度控制等领域,具有较高的应用价值与广阔的应用空间。

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