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淺談高速公路可變限速控制技術

發布日期:2017-11-18 來源: 本網 查看次數: 2948 

核心提示:  1概述高速公路可變限速控制技術是近年來在發達國家得到廣泛關注的一項高速公路交通控制技術。  傳統的高速公路限速方法以自由流狀態下的85位速度作為制定限速值的基本依據,再結合道路線形等其他因素提出

  1概述高速公路可變限速控制技術是近年來在發達國家得到廣泛關注的一項高速公路交通控制技術。

  傳統的高速公路限速方法以自由流狀態下的85%位速度作為制定限速值的基本依據,再結合道路線形等其他因素提出具體限速值。限速值一旦提出,一般不會改變,因此傳統高速公路限速方法本質上是一種靜態限速法。高速公路是一個由人、車、路和環境相互作用下復雜的動態系統,某一路段上的合理限速值在交通流運行狀態和天氣情況等多種因素影響下會不斷發生變化。傳統的高速公路靜態限速法無法反映變化中的道路交通環境特征,具有一定局限性。

  高速公路可變限速控制技術(VariableSpeedLimits,簡稱VSL)提供了一種解決上述難題的途徑。通過先進的交通流特征參數和交通環境特征參數自動檢測技術,高速公路可變限速控制系統可并通過信息實時發布技術傳遞給道路使用者。與傳統高速公路限速方法相比,高速公路可變限速控制技術不依賴于某一固定限速值,是一種動態限速方法。其核心思想是通過改變限速值對高速公路交通流運行狀態進行人工干預,從而達到改善交通流運行狀態、減小車速離散性、緩解擁堵、提升行車安全的目的。實踐結果顯示,高速公路可變限速控制技術對于減少高速公路超速行為、提升行車安全具有顯著效果。例如,德國自20世紀70年代開始實施可變限速控制的3條高速公路平均交通事故降低了20%-30%t4;英國自1995年開始實施可變限速控制的M25號公路在未來18個月內事故率降低了28%;美國田納西州1-75號公路在1992年12月發生99起交通事故,自1993年安裝可變限速控制系統后,平均車速降低5%~10%,且沒有再發生由于大霧導致的交通事故。

  作為一項在發達國家得到廣泛關注并已在實踐中取得良好效果的高速公路交通控制技術,可變限速控制技術在我國具有良好應用前景,具體表現為以下3個方面:(1)高速公路交通安全形勢嚴峻:2007年,我國高速公路共發生交通事故12364起,死亡人數達6030人,百公里死亡率是其他等級公路5.6倍,直接財產損失占全國公路交通事故總數的40.8%,其中9.46%的事故是由于超速行駛造成。隨著我國高速公路建設的進一步發展和汽車保有量的快速增加,高速公路交通安全形勢面臨嚴峻挑戰。我國高速公路面臨的交通安全形勢要求我們采用新技術、新方法提升高速公路交通安全管理水平;(2)高速公路建設的進步為實施可變限速控制技術提供了良好的硬件條件:近二十年來,我國高速公路建設得到飛速發展,2008年底我國高速公路總里程突破6萬公里,穩居世界第二位。很多新建高速公路的硬件設施好,通訊、電子、監控等配套設備完善,某些地區高速公路硬件條件甚至優于發達國家,為采用可變限速控制系統提供了良好的應用平臺;(3)高速公路交通管理水平相對滯后:與硬件條件相比,我國高速公路交通控制與管理水平發展相對滯后,未能充分發揮硬件設施的全部功效,客觀上造成了一定的資源浪費。例如很多新建高速公路均安裝了可變信息板,目前多用于發布一些警示信息,對其功能的使用并不充分。采用可變限速控制技術可幫助我們充分發揮現有高速公路硬件設施的功效,達到提升行車效率,改善交通安全的目的。

  本文旨在系統介紹高速公路可變限速控制技術的發展歷史、使用功能、系統構成和控制機理。

  首先對高速公路可變限速控制技術的基本思想進行了闡述,對其在我國的應用前景進行了探討。在充分調研的基礎上總結了現有可變限速控制系統的使用功能和系統構成,結合“國家道路交通安全科技行動計劃”中的相關內容,介紹了國內已開發完成的可變限速控制系統的控制機理。

  2可變限速控制技術的應用歷史可變限速控制技術的應用始于20世紀50年代,當雨雪天氣發生時,高速公路交通管理部門可以手動更換位于路側限速顯示牌的限速值,如所示。這一時期可看作可變限速控制技術的起步階段,其控制機理簡單,功能單一,限速值多依靠手動方式更換,且限速值調節只能依據粗略的靜態限速預案,無法及時反映變化中的交通流運行狀態,本質上仍然是一種靜態限速方法。

  不同時期的可變限速控制系統20世紀中后期,隨著發達國家高速公路網絡的形成以及通訊、計算機技術的快速發展,可變限速控制技術有了更廣闊的應用平臺。美國密西根州(1962年)、新澤西州(1960s)、德國(1970s)部分地區先后開始了可變限速控制技術的實踐。進入20世紀90年代,美國新墨西哥州(1989年)、荷蘭(1991年)、澳大利亞(1993年)、芬蘭(1994年)、英國(1995年)、美國亞利桑那州(1999年)、俄勒岡州(2000年)及明尼蘇達州(2000年)等地區先后在某些高速公路上采用了可變限速控制技術(如所示)。與早期相比,這一時期的可變限速控制技術集成了實時交通流參數自動檢測、實時氣象信息自動檢測等功能,通過核心控制算法對當前限速值進行動態優化,從而實現了對高速公路交通流的動態控制。

  進入21世紀,新技術的應用促進了可變限速控制技術從控制機理到使用功能的全面發展。比如采用太陽能供電技術對可變限速板進行供電,大大節約了能源并減少了供電設施導致應用位置的限制;可變限速被廣泛應用于施工區等特殊路段作為臨時性的交通控制措施(如-c所示);采用大型可變信息板與可變限速板協調設置,豐富了可變限速的信息發布方式。除發布限速信息外亦可提示前方路段實時交通運行狀態、氣象條件等信息(如-d所示),提高了駕駛員對可變限速的遵從度。這一時期隨著技術的進步,可變限速的使用功能進一步增加,并開始與其他高速公路交通管理技術如匝道控制技術相結合。部分學者提出了建立基于匝道控制技術和可變限速控制技術的高速我國事實上在20世紀90年代初就開始了可變限速控制技術的實踐。當時在廣佛高速公路安裝了7塊可變限速標志板,通過感應線圈檢測交通流量,并以此為輸入參數,通過內部算法定義擁擠、較擁擠、暢通三種交通狀態,相應的向駕駛員發布60km/h、80km/h、和100km/h的限速值。相似的可變限速控制系統目前在國內部分高速公路,如杭甬高速公路、滬蓉高速公路等均有使用。但是與發達國家相比,可變限速在我國的應用仍然處于初級階段,突出表現為系統功能單一,限速值調整缺乏科學依據,對具體控制策略缺乏足夠研究,不能充分發揮可變限速控制技術的優勢。

  3使用功能和系統構成為充分了解可變限速控制系統使用功能和系統構成,對目前可變限速控制系統在國外應用情況進行了調研。調研結果如表1所示。從表1中可以看出,可變限速控制技術在使用功能上主要包括以下三個方面:(1)針對天氣情況(如降雨、降雪和道路能見度等)和路面條件(如路面結冰)調整限速值;(2)針對交通流運行狀態調整限速值(評價指標包括當前車輛運行速度、車道占有率、流量及密度等);(3)針對突發事件(如道路施工、交通事故等)調整限速值。

  目前采用的可變限速控制系統大多集成了以上三種功能中的一項或幾項。不同的功能需求導致現有可變限速控制系統在具體的系統構成上(如檢測器的種類、布設密度,可變情報板或限速板的布設密度,可變限速信息的發布方式等)存在一定差異。但總的來說,目前采用的可變限速控制系統的構成可以歸結為信息采集層、數據傳輸層、可變限速控制層和信息發布層這四個不同層面,如所示。對每個層次的使用功能歸納如下。

  (1)信息采集層。信息采集層的功能是通過布設在高速公路沿線的各類檢測設備,獲得準確、實時的道路交通流運行狀態以及天氣條件。可變限速控制技術的優越性在于該技術能夠反映實時的交通運行環境及運行情況,并進行動態的限速調節,因此信息采集層是實施可變限速控制的基礎。

  目前己實施可變限速控制的高速公路多采用環形線圈進行交通流參數的采集,亦有少部分公路采用微波、視頻等檢測設備;環境監測站以及能見度檢測儀用于監測路段實時天氣條件。需檢測的交通流參數包括速度、流量、密度、占有率及車頭時距等,環境天氣數據包括降雨量、風速、風向、能見度及路面結冰情況等。信息采集層的關鍵在于檢測到的交通流參數及天氣數據的準確度,以及是否對交通流、天氣的變化反應靈敏。

  表1實施可變限速控制高速公路情況及功能信息地區‘道路名稱限速板間距/km使用功能美國(阿拉巴馬州)根據道路能見度進行限速調節;根據車輛運行速度進行限速調節美國(科羅拉多州)依據相關法規調節限速,并非根據實時數據①檢測交通事故及車輛拋錨事件,降低限速值;美國(特拉華州)②高降雨量、大風、低能見度情況下降低限速值;③檢測路面降雪、結冰情況美國(福羅里達州)根據車道占有率、車速將交通流分為自由流階段、低占有率階段、高占有率階段,每個階段均設置調節閾值與恢復閾值①根據降雨類型及總量進行限速調節;美國(緬因州)突發事件導致車輛平均車速驟降時,降低限速值;道路達到一定服務水平時,關閉可變限速控制系統美國(密蘇里州)根據車道占有率進行限速調節①根據檢測霧、冰、雪進行限速調節;美國(新澤西州)②根據下游2公里處是否發生事故、擁堵進行限速調節;③根據控制區域內是否有耕作進行限速調節美國(賓夕法尼亞州)根據道路能見度進行限速調節美國(田納西州)根據道路能見度、可視距離進行限速調節美國(維吉尼亞州)根據車道占有率、天氣、突發事件建立起多維矩陣,進行限速值匹配并自動發布美國(華盛頓州)①根據道路能見度進行限速調節;②根據降雨類型及總量進行限速調節;③根據突發事件進行限速調節根據天氣條件(風速、風向、氣溫、相對濕度、降雨強度、芬蘭降雨量)以及路面條件(干、濕、鹽、雪)將道路環境分為好、中、差三類,針對不同類設置限速值法國馬賽①根據車速進行限速調節;②根據環境條件進行限速調節;③可手動調節限速值德國①根據交通流量、速度進行限速調節;②根據霧、冰、風情況進行限速調節荷蘭①根據道路能見度進行限速調節;②根據檢測到突發事件對上下游限速進行調節英國①根據交通流量進行限速調節;②檢測車速及車輛排隊情況進行限速調節澳大利亞①根據能見度、可視距離進行限速調節;②根據下游車輛運行速度進行限速調節)數據傳輸層:數據傳輸層的功能是對信息采集層各硬件設施所采集到的信息進行數據整理,并通過傳輸硬件設施將數據傳送到計算機數據庫中。為路側信息采集設施及控制中心之間提供了信息交互的途徑,起到了溝通橋梁的作用。目前數據傳輸層多利用高速公路環路載波系統的光纜進行數據信息的通信。數據傳輸層應根據具體需求提供與硬件兼容的接口,或傳輸前對采集數據進行相信息發布層應的轉換以減少傳輸信息量。

  可變限速控制系統的構成可變限速控制層:可變限速控制層的功能即根據控制機理對實時交通流參數、天氣數據進行分析,制定可變限速值的調控方式,是整個可變限速控制技術的核心。該層可以分為兩個層面:單點限速控制層面主要針對道路某斷面計算其合理的可變限速板實時發布的最優限速值;主線限速控制層面主要考慮多個可變限速板的協調,避免鄰接路段限速值相差過大,確保整條線路控制的穩定性。

  信息發布層:信息發布層的功能即將可變限速控制層制定的控制命令通過可變限速板發布給駕駛員,是整個可變限速控制系統的終端。通過高速公路光纜系統將控制中心的可變限速控制指令傳輸到本地控制柜中,通過可變限速板或可變情報板進行限速值的發布。目前,可變限速值的發布方式有3種:強制執行、半強制執行及推薦執行。不同的發布方式控制效果不同,適用于不同的限速控制目標。

  4控制機理可變限速控制系統的核心為可變限速的控制機理,即系統如何根據實時道路交通流特征參數、天氣情況等對當前限速值進行調節。針對這一問題,國外學者已進行了大量的研究。這方面的研究成果按系統控制目標的差異可以分為以下兩個方面:這一方向以美國學者AbdelAty和加拿大學者ChrisLee等為代表,著重研究車輛實時碰撞風險預測技術,以及交通流運行特征參數與交通安全的關系。在研究基礎上提出可變限速控制系統的啟動閾值。結合交通流微觀仿真技術對可變限速控制策略進行效果評估,確定最優策略。這一思路的關鍵是對高速公路實時碰撞風險預測技術的研究。加拿大學者Lee在多倫多Gardiner高速公路上選擇了一段10公里的路段安裝了38個環形線圈,記錄了13個月內發生的234起交通事故和事故發生前后的交通流數據,在此基礎上建立起實時碰撞風險預測模型如公式(1)所示:其中:F為預測事故數量,0為常數,Ac、Ae(;)、為交通流參數變量,Aw)為道路幾何條件變量,為高峰/非高峰時段調節變量,I為出行距離變量,0為距離變量參數。

  (2)以提升通行效率為目標。

  以交通流相關理論為基礎,著重研究可變限速控制系統對于高速公路通行能力的影響,包括不同限速值所導致的關鍵占有率的后移現象,擁擠狀態下穩定性交通流的形成,對于交通通行效率的影響,對于消除沖擊波、提高瓶頸消散影響等。

  關于可變限速對通行能力的影響,學術界存在一定爭議。Zackor觀測了德國境內某條雙車道高速公路在設置及不設置可變限速設施前后的交通流數據,提出實施可變限速控制技術之后導致通行能力及通行速度提高5%10%;但是荷蘭高速公路數據顯示可變限速控制系統并不能引發通行能力的提高,Hegyi的理論即認為不存在通行能力的提高;Papageorgiou觀測了27d內某雙向6車道的道路交通流情況,得到了不同限速值條件下的交通流特征,驗證了存在通行能力提高的現象,并發現了關鍵占有率后移現象,證實了可變限速對于擁擠狀態下穩定交通流、提高通行速度方面具有良好的效果。

  東南大學江蘇省交通規劃與管理重點。

  本文所述可變限速控制機理是一個動態調節過程,限速值能夠反映該周期內的具體道路交通環境,周期迭代過程中限速值亦隨道路交通環境的變化而改變。某周期內,實時氣象數據和交通流數據通過各自模塊進行收集后,與道路參數一起存儲在記錄文件中,形成實時基礎數據庫。根據高速公路交通流運行狀態以及天氣條件提出可變限速控制系統啟動的判定方法。可變限速控制系統啟動后,從三個方面共同決定某限速位置可變限速值的調節方向與幅度:(1)以提升交通安全為目標,根據建立起的碰撞風險預測模型以及碰撞風險閾值,確定是否需要降低限速值;(2)以穩定交通流為目標,分析可變限速控制的實施對于降低速度離散性和穩定交通流的作用,在確保交通安全前提下確定限速值的調節策略;(3)判斷前兩個目標所確定的限速值是否能夠滿足當前天氣條件下對與限速的要求,并結合路段最高、最低限速值,確定該點最終的限速值調節方向與幅度。總線控制單元將協調各單點控制單元的限速發布值,確保鄰接路段限速值變化幅度在可接受范圍之內,確保整條線路控制的穩定性。完成本周期內限速值的調節與發布后,系統進入下一周期重新檢測實時道路交通流、環境參數,根據上述控制機理進行新周期內限速值的調節,確保該可變限速控制系統能夠反映動態道路交通環境情況。

  5結論高速公路可變限速控制技術能夠減少超速行為,降低速度離散性,提高道路交通安全,且能夠降低惡劣天氣條件下的事故率,近年來在發達國家得到廣泛關注。本文介紹了高速公路可變限速控制技術的基本思想,并對其在我國的應用前景進行了探討,總結了現有可變限速控制系統的使用功能與系統構成及可變限速控制系統的控制機理。

  可變限速控制系統的控制機理圖我國篼速公路交通事故率及死亡率均高于國外發達國家,且車輛超速是導致交通事故的主要原因之一。采用可變限速控制技術可以充分發揮現有高速公路硬件設施的功效,達到提升行車效率、改善交通安全的目的。因此可變限速控制技術在我國高速公路交通控制領域具有良好的應用前景。

  此外,可變限速控制技術還可廣泛應用于普通公路事故多發路段車速控制、惡劣天氣條件下道路車速控制、施工區車輛通行速度控制、隧道內及出入口速度控制、學校周邊地區速度控制等領域,具有較高的應用價值與廣闊的應用空間。

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