（交通信息工程及控制专业论文）高速公路机电系统及其设计方案研究.pdf

摘要 随着社会的发展，国民经济的不断增长，人们对交通的需求量显著增加。交通设施 的设计建设已成为影响区域经济发展和人民生活品质的重点工程。高速公路作为一种先 进的交通设施，在快速发展的同时，也面临着巨大的挑战。如何实现高速公路的智能化， 使其充分发挥快速、经济、安全、舒适的特点，成为了高速公路设计建设管理中的重点 问题。 目前，高速公路的智能化主要体现在机电系统的智能化设计与管理中。本文在阐述 高速公路及其机电系统发展现状的基础上，分析了机电系统的结构与功能，并对高速公 路机电系统各子系统的结构、功能、设备组成及其主要技术情况等进行了比较深入的探 讨。 本论文首先分析了高速公路交通流特征以及交通流各参数间的关系，探讨了高速公 路交通流模型和交通流的各种干扰因素，在此基础上介绍了几种高速公路控制方法；并 比较深入的探讨了高速公路机电系统的组成、结构、功能等。论文结合新晋高速公路块 村营至营盘段的具体情况，对其交通量及交通流特征进行了预测与分析，并以现有的技 术规范为依据，对其机电系统设计、施工中存在的重点、难点问题进行了探讨，借鉴现 有高速公路机电系统先进的控制管理方法，对新晋高速公路块村营至营盘段的机电系统 进行了设计和说明。 关键词：高速公路，交通流，机电系统，监控，设计 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t y , t h eg r o w i n gn a t i o n a le c o n o m y , p e o p l e sd e m a n di n t r a f f i ch a sas i g n i f i c a n ti n c r e a s e t h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o no ft r a n s p o r tf a c i l i t i e sh a sa n i m p a c to nr e g i o n a le c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n dp e o p l e sq u a l i t yo fl i f eo fk e yp r o j e c t s e x p r e s s w a ya sa na d v a n c e dt r a n s p o r tf a c i l i t i e s 、析t hr a p i dd e v e l o p m e n tf a c e se n o r m o u s c h a l l e n g e s h o wt oi n t e l l i g e n th i g h w a yt oi t sf u l ls p e e d ，e c o n o m y , s a f e t y , c o m f o r tf e a t u r e s ，i s t h ek e yi s s u e so f h i g h w a yd e s i g na n dc o n s t r u c t i o na n dm a n a g e m e n t a tp r e s e n t , e x p r e s s w a yi n t e l l i g e n c ei s m a i n l yr e f l e c t e di ni n t e l l i g e n td e s i g na n d m a n a g e m e n to fe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m b a s e d o nd e s c r i b e dt h e d e v e l o p m e n to f e x p r e s s w a ya n de l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ，t h i sp a p e ra n a l y s i so ft h es t r u c t u r ea n df u n c t i o no f e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ，a n ds t u d ym o r ei n - d e p t ho nt h es t r u c t u r e ，f u n c t i o n , e q u i p m e n t c o m p o n e n ta n dm a i nt e c h n i c a lc o n d i t i o n so fs u b s y s t e m so fe x p r e s s w a ye l e c t r o m e c h a n i c a l s y s t e m f i r s t ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft r a f f i cf l o wa n dt h er e l a t i o n s h i pa m o n g p a r a m e t e r so fe x p r e s s w a yt r a f f i cf l o w b a s e do nd i s c u s s e st r a f f i cf l o wm o d e l sa n dv a r i o u s i n t e r f e r e n c ef a c t o r so ft r a f f i cf l o w , t h i sp a p e rt h e nd e s c r i b e ss e v e r a lc o n t r o lm e t h o d so f e x p r e s s w a y ；a n di n - d e p t hs t u d yc o m p o s i t i o n ，s t r u c t u r ea n df u n c t i o n , e t co fe x p r e s s w a y e l e c t r o m e c h a n i c a l s y s t e m c o m b i n e s t h es i t u a t i o no fx i n - j i n e x p r e s s w a yk u a i y i n g t o y i n g p a ns e c t i o n , t h i sp a p e rp r e d i c to ft h es e c t i o nt r a f f i cv o l u m ea n da n a l y s i st h es e c t i o n t r a f f i cf l o wc h a r a c t e r i s t i c s ；a n da n a l y z e sm a j o ra n dd i f f i c u l ti s s u e se x i s ti nd e s i g na n d c o n s t r u c t i o no ft h ee l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m f i n a l l y , d r a w i n go nt h ee x i s t i n ga d v a n c e d c o n t r o la n dm a n a g e m e n tm e t h o d so fe x p r e s s w a ye l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ，t h i sp a p e r d e s i g n sa n di n s t r u c t i o n st h ee l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e mo fk u a i - y i n gt oy m g p a ns e c t i o no f x i n - j i ne x p r e s s w a y k e yw o r d s ：e x p r e s s w a y , t r a f n cf l o w , e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ，m o n i t o r i n g ，d e s i g n u 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 国民经济的发展与交通密切相关，交通运输业是国民经济中具有全局性和先导性的 基础产业。发达国家的成功经验证明，现代社会经济、文化发展离不开交通基础设施的 建设，而高速公路以其线型好、设计标准高、交通流量大、行车速度快等优点，成为了 公路发展建设的主要项目。 我国的高速公路建设起步较晚，发展迅速。从2 0 世纪7 0 年代开始规划修建高速公路， 到1 9 9 0 年全国高速公路通车里程只有2 7 1 公里。9 0 年代后，随着国家的重视和公路建设 投资的增大，至u 1 9 9 9 年，我国高速公路通车里程达1 1 6 万公里，跃居世界第三位。2 0 0 1 v 。 一 年我国高速公路通车总里程达1 9 万公里，跃居世界第二位。近年来，伴随着中国经济的 发展和西部大开发的进行，交通基础设施的需求量与日俱增，高速公路建设保持着快速 发展的势头。到2 0 0 4 年，我国公路总里程已达至u 1 6 0 万公里，其中高速公路通车里程已 超过3 4 万公里。至u 2 0 0 6 年底，我国高速公路总里程达4 5 万公里，2 0 0 7 年底达5 3 9 万公里， 2 0 0 8 年底，达n 6 0 3 万公里，2 0 0 9 年底，达n 6 5 万公里【l 】，稳居世界第二位，仅次于美 国。创造了世界高速公路发展的奇迹。 河南省地处中国中部，地理位置重要而特殊，其高速公路发展非常迅速，截止到2 0 0 6 年，河南省高速公路通车总里程达2 6 7 8 公里，居全国第6 位，在中西部省份位居第一。 2 0 0 7 年，河南高速公路通车里程率先冲破4 0 0 0 公里大关，稳居全国榜首，同时河南高速 公路网基本“结 成，n 2 0 0 7 年底，河南省除三门峡外，其他1 7 个省辖市都已形成“十 字或“米”字形交叉的高速公路。2 0 0 8 年底1 1 月底，国家主干线二连浩特至广州河南段 三条高速路建成通车；1 2 月5 日，安阳至南乐高速投入使用；1 6 日，济源至邵原及济源 至晋城省界高速顺利通车。河南高速公路通车总里程达到4 8 4 1 公里；截至2 0 0 9 年底，河 南高速公路通车里程已达4 8 6 0 k m 【2 ，继续蝉联全国第一。 高速公路的发展建设有利的促进了我国的经济发展和社会进步，提高了国家公路网 的整体水平，但同时也出现了一些问题。人们开始意识到高速公路的管理与普通公路有 着质的区别，它要求更严格，约束条件更多，这些严格的要求仅仅依靠人工是难以完成 的，必须借助现代化的技术手段辅助管理工作，运用电子技术、通信技术、计算机网络 技术、自动控制技术等手段建立和完善高速公路机电系统，对现有的交通网络或区域交 通进行更有效的控制，提高交通的机动性、安全性，最大限度的发挥现有道路系统的交 第一章绪论 通效率。因此，我国现阶段交通运输业的发展重点不仅是要继续修建更多的高速公路， 还要尽量完善高速公路机电系统的设计。实现高速公路管理的智能化，成为了科技发展 的必然结果。而现阶段，高速公路的智能化建设主要体现在机电系统的设计建设以及运 行管理上。 1 2 研究现状与趋势 1 2 1 高速公路机电系统 高速公路机电系统是以电子、电气、控制、通信、机械和交通工程等技术为基础的 综合性系统。它是实施高速公路现代化管理的主要工具，虽然在整个高速公路投资建设 中仅占- 4 , 部分，但可充分发挥高速公路“高速、高效、安全、舒适 的特点，从而提 高营运管理效率，使高速公路真正成为国民经济物资流通不可缺少的大运量、高效率运 输大通道。 高速公路机电系统一般包括监控系统、通信系统、收费系统、供配电照明系统以及 智能交通的部分内容。各系统之间密切联系、互为依托，共同完成高速公路的智能化管 理。因此高速公路机电系统发展水平的高低，将直接影响到高速公路的发展。 1 2 2 机电系统研究现状及发展趋势 经济发达国家的高速公路机电系统已发展到一个比较成熟的阶段，其主体工程和配 套设施已相当完善，基本实现了高速公路的联网，现阶段正向周边国家延伸，逐步形成 国际网络。并且高速公路的安全化、信息化、沿线环境和景观等问题也越来越受到重视， 目前其高速公路机电系统正向以计算机技术、现代通信技术和现代控制技术为基础的智 能交通系统( i t s ) 发展。 我国对高速公路机电系统的研究起步较晚，将电子、信息技术应用于交通运输管理 工作始于上世纪7 0 年代末，8 0 年代初国家科技攻关项目“津塘疏港公路交通工程研究 【3 】。当前我国高速公路机电系统的运营、管理体制大多仍是以“一条( 段) 高速公路、一 个投资主体、一个管理分中心 为基础的“省中心一路段分中心一收费站 三级管理模式， 除部分发达地区高速公路已实现联网外，其余地区并没有真正做到相互联网、信息共享， 高速公路各路段间基本仍保持着相对分隔，彼此独立运行的的状态。并且，在发达地区 与欠发达地区，其高速公路机电系统的发展情况还存在着比较大的差异。 江苏省目前已基本实现了省、市、县三级互联，应用了基于g i s 的省市县三级公路养 护管理系统、路政管理系统等；河南省的联网收费电子支付系统也正在建设实施【4 1 ；上 2 长安大学硕士学位论文 海则已完成了高速公路交通联网监控系统、联网收费管理系统、应急指挥系统、路政管 理信息系统和道路设施管理信息系统的建设。但在欠发达地区，其高速公路机电系统设 计建设形势却不容乐观。很多新技术在工程中得不到应用，在机电系统的设计建设中， 存在保守和观望态度，制约了机电系统的进步。 但随着近年来电子、信息技术的不断进步和国内高速公路的迅速发展，我国高速公 路机电系统正逐步与世界接轨。2 0 0 6 年第一届全国高速公路联网监控技术研讨会提出了 “联网监控概念，2 0 0 7 年第二届会议对这一概念进行了论证，2 0 0 8 年第三届会议“省 域交通应急指挥中心建设背景下的高速公路联网监控系统的构建与实施 的提出，预示 着我国高速公路机电系统将从单一路段机电管理与控制向多条路径的路网服务转化。高 速公路机电系统的总体发展趋势呈现了以下特征：一是网络化；二是智能化；三是信息 化；四是多功能化1 5 】 1 6 1 。网络化主要指一些发达国家把主要高速公路连接起来，构成 省域、省际、国际间的高速公路网，形成了机电系统的网络化；智能化主要指运用信息、 通信和控制等技术，通过车辆与道路的双向信息沟通，达到疏通交通、缓解堵塞、提高 通行能力、减少交通事故、降低环境污染等目的，智能化运输系统i t s 将成为道路运输 系统的主要潮流；信息化公路将逐步实现，着眼于道路的多功能利用，不仅使用路面， 同时利用空间，成为信息化的公路。不仅具有运输人和物资的固有的交通功能，还兼有 输送电力等能源及各种信息的功能；随着信息时代的到来，卫星检测及控制系统将得到 广泛利用，高速公路将真正成为多功能公路【7 】【9 1 。各类检测及监测系统普遍使用，交通 控制中心将充分利用各方面汇集的交通信息，指挥汽车按最优路线行驶，节约时间的同 时又创造了最大效益。 1 3 研究目的与意义 近年来我国高速公路持续发展，汽车行业迅速崛起，不仅很好的拉动了相关行业， 也颠覆了人们传统的时间地域观念，使汽车运输“门对门”的优势得到了充分的发挥。 研究表明，高速公路具有“高速、高效、安全、舒适 的特点，其事故率比一般公 路低得多【1 0 1 。国外的高速公路交通事故量平均为一般公路的4 3 - 7 6 ；日本高速公路 的伤亡率只有一般公路的5 0 ，事故死亡率为一般公路的3 4 ；1 9 9 5 年，美国高速公 路事故率仅为o 7 5 起亿车公里，法国为0 5 7 起亿车公里，日本为o 5 6 起亿车公里。 然而近年来我国高速公路交通事故却频频发生，严重影响了高速公路的整体通行能力和 运营效率。比如我国交通流量最大的广佛高速公路的1 6 k m 处1 9 9 6 年l 7 月发生8 5 起 交通事故，死亡1 4 人，其中最高一次就死亡6 人；1 9 9 7 年1 2 月京津塘高速公路发生 3 第一章绪论 3 0 余辆车尾撞和众多人伤亡的重大事故；2 0 0 0 年1 1 月5 日郑洛高速公路1 2 0 k m 处，因 能见度低而造成5 0 余辆车追尾相撞，造成众多人员伤亡，交通堵塞达十个多小时。 因此，高速公路的智能化管理与控制成为了高速公路发展的必然趋势，而高速公路 的智能化主要体现在机电系统的设计建设上。它可以使管理部门全面的掌握高速公路的 道路信息，及时发现突发事件，准确有效的对高速公路进行控制，最大限度保证各种设 施和人、车安全，实现高速公路行车的安全、舒适、高效、流畅。 本论文所研究的新晋高速公路块村营至省界营盘段项目位于河南省西北部新乡市 境内。它是衔接河南贺屯东北部京珠国道主干线与山西省规划的高新高速公路晋城段， 实现新乡附近各区域间及其与山西省高速公路的连通，完善河南省骨架公路网的一段工 程，其机电系统的设计与研究对未来河南高速公路建设具有重要的参考意义。 1 4 论文思路与主要研究内容 本文结合新晋高速公路块村营至营盘段的具体情况，对其机电系统设计、施工中存 在的重点、难点问题进行了深入分析，借鉴现有高速公路机电系统先进的控制管理方法， 参照现行的技术规范，对新晋高速公路块村营至营盘段的机电系统进行了设计和说明。 论文共分为六个部分，主要研究内容为： 1 介绍了高速公路交通流特征与参数，探讨了交通流的干扰情况，并结合新晋高 速公路块村营至营盘段的具体情况，对其交通量与交通流情况进行了预测分析。 2 对高速公路机电系统的结构、功能、主要设备组成和技术情况进行了分析介绍， 探讨了高速公路常用的几种交通控制策略。 3 根据新晋高速公路块村营至营盘段交通流特点，对其机电系统进行了设计与研 究。 4 长安大学硕士学位论文 第二章交通流理论及分析 交通流是指汽车在道路上行驶形成的车流。广义的讲还包括其他车辆的车流和人 流。某段时间内，在不受横向交叉影响的路段上，交通流呈连续流状态；而在遇到路口 信号灯管制时，交通流呈现断续流状态。交通流是交通监控管理的主要对象，它的研究 与建模是交通工程界的一个重要研究课题，是高速公路机电系统分析设计、决策管理的 前提。 2 1 交通流的基本特征 在公路上行驶的车辆群称为交通流不同的交通流表示不同的车辆群体运行状态。 车辆运行状态往往随着车辆的技术状况、驾驶员特点和道路交通环境( 包括道路条件、 气象条件、车辆相互影响和交通管理) 等而变化【l l 】 【1 2 1 。 高速公路交通流状态变化具有如下特点： 易变各种干扰容易激发交通流运行状态变化。比如，高速公路上有抛洒物时，若 有车辆减速，很容易引起后随车辆车速和车间距的变化，甚至引起交通拥挤或交通事故。 变化幅度大高速公路的不同路段、不同时间，或者同一路段的不同时间，交通流 状态差别很大。 随机性偶发性交通事件引起的交通流状态变化具有一定的特征性倾向，但无法准 确预测。这种变化特征的物理量服从一定条件下的统计规律，可用统计方法研究它的分 布特性。 交通流运行状态的定性定量特征称为交通流特性，经常用各种物理量来描述，这些 物理量叫作交通特征变量或交通流参数。交通流状态可分为稳态和动态两类。稳态是指 只考虑交通流各参数沿道路长度和方向的不同分布，不考虑它们随时间的变化；而动态 则既考虑各参数随空间变化，也考虑它们随时间变化。 交通流有流动和排队两个显著的状态： 1 流动 流动可分为“通畅 和“拥挤 两种，通畅流动又可细分为自由流和稳定流两种。 拥挤也可细分为常发性拥挤和偶发性拥挤。 自由流驾驶员在车道和车速的选择上有较大自由度，多发生在交通密度小于1 2 辆k m 车道；自由流常因为车速过高而潜伏不安全因素。 稳定流驾驶员跟前车行驶，车速受前车制约，转换车道的可能性小，如一车的 5 第二章交通流理论及分析 行驶状态发生变化，这种变化将逆流传播；由于车辆跟驶，车流总体上呈稳定行驶状态， 多发生在交通密度为1 5 , - - , 4 0 辆k m 车道。稳定流是公路交通最常见的一种运行状态， 由于车辆紧密跟驶，常因偶发事件而产生车辆排队长龙，造成交通堵塞。 自由流和稳定流属于连续流，用车速、交通量和交通密度三个物理量可以充分描述 和检测其状态。 拥挤流动是一种不稳定流。其特征是车辆停停走走，处于交通“拥挤 状态，平均 车速会低于5 0 k i n h ，多发生在交通密度大于4 2 辆k m 车道的条件下。 根据产生拥挤的原因不同，可将拥挤分为常发性和偶发性有两种。 常发性拥挤是由于道路通行能力小于交通需求，拥挤产生的地点和时间都有规律 性。一般在交通高峰和道路瓶颈处最易出现。 偶发性拥挤由随机交通事件诱发，发生地点、时间都具有不确定性，还经常由此而 产生交通事故，造成交通堵塞、车辆损坏、人员伤亡，是监控的重点。就产生事件的车 辆而言，可看做是交通流的一种特殊状态。对后续车辆而言，事件造成一个不良交通环 境，干扰后续车辆的正常行驶，因而也可视为一种交通环境干扰。 当某路段车流的密度上升，车速下降，出现走走停停的拥挤现象时，用车速、密度、 交通量三个参数就不足以描绘其全部特征，还应加上拥挤车辆总数、拥挤持续时间、车 辆平均延误时间和拥挤出现的时刻、地点等参数。 2 停车排队等待 停车排队等待会造成交通堵塞，它是交通流的一种极限状态。造成停车等待的原因 是多方面的。在高速公路监控中，停车等待的主要原因有：一、公路管理部门对车辆用 户作某种特殊服务，如停车征收道路通行费等；二是因为能见度降低、道路设施故障、 交通事件或事故所产生的意外堵塞【”】。不管属于哪种起因，都须对其进行监控。停车等 待常用平均停留车辆数、平均停留时间、起讫时间和地点等参数进行描绘。 当道路上车辆增多、车流密度由小变大时，驾驶员被迫降低车速，单位时间通过道 路某一点的车辆数减少。而车流密度由大变小时，又允许驾驶员以较大的车速行驶，此 时，单位时间通过道路某一点的车辆数却可能增加。上述现象说明交通量、密度、车速 这三个参数之间存在着某种函数关系式。我们将表达交通流特性的三个参数的函数关系 式，叫做交通流基本参数模型。 6 长安大学硕士学位论文 2 2 交通流的基本参数 2 2 1 基本参数 表征交通流特性的三个基本参数分别是：交通量q 、行车速度v 和车流密度k 。 1 交通量q 交通量q 是指在选定时间段内，通过道路某一地点、某一断面或某一条车道的交通 实体数。交通量是一个随机数，不同时间、不同地点的交通量都是变化的。交通量随时 间和空间的变化的现象，称之为交通量的时空分布特性【1 4 卜【1 5 】。通常取某一时间段内的 平均值作为该时间段的代表交通量。其公式表示如下： g2 吉善吼 q j ) 式中：q i 为规定时间段内的交通量；1 1 为规定时间段的段数。 交通量的实际预测时，横断面可以是单向单车道、单向多车道或双向公路横截面， 可按需要选用；而小客车车辆总数是将其它车辆折合成小客车。 各种车型当量换算关系如表2 1 所示。 表2 1 车辆换算系数表 车型 车辆折算系数 说明 小客车 1 0 1 9 座以下的客车、载重2 吨的货车 中型车 1 5 1 9 座以上的客车、2 吨 k l n ，采用g r e n b e r g 的对数模型，即 ，：叱( 生)(26in ) ，= ( ) ( 2 ) 式中符号意义同上。 当交通密度很小时，即k ：s k m ，采用安特伍德的指数模型，即 v = v f e ( 2 7 ) 2 流量与密度关系 交通流的流量一密度关系是交通流的基本关系。 8 粤酗上鬻 长安大学硕士学位论文 留= 吩( 1 一吾) ( 2 8 ) 3 流量与速度的关系 流量与速度的关系为 g ：七心一! ) ( 2 9 ) 、f 可以看出，通常速度随流量增加而降低，直至达到最大流量q m 为止。在拥挤区部 分，流量和速度都会降低。 2 3 交通流干扰分析 道路上的交通流状态是一个复杂的动态过程，往往随驾驶员技术与心理特点、车辆 状况和道路交通条件而变化，还会受到气象等条件的影响。这些影响交通流状态的因素 称为交通流的干扰。研究交通流的干扰情况，对高速公路的有效管理与控制，实现高速 公路监控与管理目标有着重要的意义。 2 3 1 驾驶员因素 在车辆行驶过程中，驾驶员通过自己的感官接受外部刺激信息，产生感觉，从而控 制车辆，其过程为：接受刺激信息、分析判断、做出反应。不同驾驶员技术水平、心理 期望速度和对突发事件的反应时间不同。因此，驾驶员的生理和心理特征是影响交通流 状态的主要因素之一。 以发现情况紧急制动为例，其制动过程可分为以下几个阶段： ( 1 ) 从发现情况到大脑进行判断再支配手脚进行操作，约需0 3 8 秒左右，这段时间称 为反射时间； ( 2 ) 松开加速踏极踩向制动踏板，约需时间0 2 3 秒左右； ( 3 ) 踩下制动踏板到制动器起作用达到制动效果所需时间称为制动传递延迟时间 【1 6 】 【1 7 1 。 分析1 9 8 1 年上海的统计数据可以发现，在所有交通事故中，违章行驶占4 1 7 ， 思想不集中、精神疲劳和操作失误占4 1 7 ，因此高速公路交通事故8 0 以上都是由驾 驶员原因引起的。而且，统计数字显示，在肇事的驾驶员中，又以青年、男性、单身的 驾驶员为多。 9 第二章交通流理论及分析 2 3 2 车辆因素 交通流的状况与车的因素也密切相关。车辆的交通性能主要包括车辆尺寸、动力性 能和制动性能。 车辆尺寸主要指车身的外形尺寸，它决定了车辆的容量，并与车辆交通状态和交通 监控管理密切相关。在交通流监控中，普遍的做法是把各种车辆换算成标准小客车来进 行计算与控制。车辆的动力性能主要由最高速度、加速时间和最大爬坡度三方面的指标 来决定。它是汽车最近本的一种性能，决定了汽车运输效率的高低。汽车的制动性能， 主要体现在制动力和制动距离上，它是保证行车安全的最重要的性能。 车辆的制动力由两部分构成，一是汽车制动器内部产生的制动力矩，二是汽车轮胎 与路面之间的摩擦力。因此，汽车的制动距离不仅与车辆性能密切相关，还经常要考虑 路面的因素。它的计算公式是： s ：s + 墨：旦+ 竺j ( 2 1 0 ) 3 6 2 9 自o ( 3 6 ) 2 由上式可知，随着车速增高，汽车制动距离将快速增长。德国一项研究表明，当车 速在l o o k m h 时，停车制动距离一般约为l o o m ，而车速达至l j 2 4 0 k m h 时，停车制动距离 约为1 0 0 0 m ，同时安全气囊不能起到任何保护作用。因此，在改善汽车制动效能和增强 附着力的同时，必须根据天气与路面情况，严格限制车速，保证行车安全。 2 3 3 道路因素 在交通流的研究中，道路因素非常重要。不同的道路有不同的通行能力与道路服务 水平，它们直接影响着交通流的状态和交通流的控制方法。 我国高速公路以密度作为主要衡量指标，将服务水平分为四个等级【1 8 】一【2 0 1 ，如表2 2 所示。 道路的通行能力不是一个不变的定值，它随道路条件、交通条件、管制条件及气候、 温度、地形、风力、心理等因素而变化，进而影响交通流的状态。 2 3 4 气象环境因素 浓雾、暴雨、大雪、强烈侧风和雷击等气象环境都将严重地影响交通流，导致高速 公路上的交通拥挤甚至交通事故，在这些因素中，不同的气象环境对交通的影响方式和 影响程度是不同的。 1 0 长安大学硕士学位论文 表2 2 我国高速公路服务水平划分标准 设计速度( k m h ) 服 翻变 1 2 01 0 08 0 务 水 ( i , c u 昂大服最煳艮最如艮 平 k i n 速度务交通速度务交通速度嬲 v 、，v 等 1 1 1 ) o a n h )流量o a n h )流量o 锄绚流量 级 m 蛐m 蛐m 蛐 夕 e 1 0 90 3 47 5 0 猡2 0 3 16 5 0 7 40 2 55 0 0 1 8 9 0 o 7 31 6 0 0 芝7 9 o 6 71 4 0 0 芝6 6 o 6 01 2 0 0 q 5 芝7 8o 8 81 9 5 0 芝7 1 o 8 61 8 0 0 芝6 0 0 7 51 5 0 0 9 5銎8接近1 d 4 7接近1 d 4 5接近l d 4 5 1 d m 艺2 0 0 1 d 0 之1 0 0 l d m 之0 0 0 附注1 ：v c 是在理想条件下，最大服务交通量与基本通行能力之比，基本通行能力是四级服务水平 上半部分的最大交通量。 1 浓雾 为了保证行车安全，车辆行驶过程中驾驶员应该在一定的距离外就能清晰地确认前 方车道上的障碍物。对于单向行驶车道，这个距离称为停车视距。 有关标准规定：在车道中心线距路面1 2 m 的高度上，驾驶员眼睛能够看到高度为 o 1 m 的障碍物而采取制动刹车，不撞上障碍物，能安全停车的最短距离称为停车视距【2 1 1 。 车辆以任何车速行驶，驾驶员在车内所见到的环境能见度应大于该车速下的停车视距。 当能见度小于行驶车速下的停车视距时，尾撞的危险加大。浓雾会恶化驾驶员视觉 环境，影响车辆正常行驶，高速行驶时，极易造成重大交通事故。雾越浓，能见度就越 小，驾驶员的可用反应时间越短，尾撞的概率越大。例如：2 0 0 6 年1 2 月2 5 日浓雾弥漫 在1 0 7 国道贾鲁河桥北1 公里处，引发多起交通事故，发生多车连环追尾的事故，事故 造成1 死3 伤；2 0 0 7 年1 0 月2 5 日，浓雾弥漫长治市区，能见度不足1 0 米，大雾天气 从早7 时开始，直到1 3 时3 0 分才散去，大雾天气使交通事故发生率比平常高出8 0 。 2 0 0 9 年2 月1 1 日因浓雾笼罩，上午八点二十分京沪高速郯城至苍山段发生特大交通事 故，死伤数十人，大小车辆受损一百多辆，车辆十小时后才可通行。 为了预防浓雾天气出现交通事故，应该检测能见度，把检测结果视为停车视距，并 找出相应的行驶车速作为车速限值，通知公路上的行驶车辆在新的限速值内行驶。 大雾天气应立即关闭高速公路相关路段，由专车引导车辆下路绕行，或停放安全地 第二章交通流理论及分析 点。亦可间同隔放行，控制车流密度，由专车引导车辆保持间距慢行。 2 大雨与大雪 降雨时，能见度降低的同时路面潮湿或出现积水，使路面摩擦系数降低，车辆行驶 时出现打滑和刹车失阻现象以及造成制动有效距离加长，从而造成交通事故。降雪和雨 夹雪比降水天气对交通的影响更加显著。由于降雪和雨夹雪天气过程中，气温较低，可 在路面形成积雪、冰水混合物甚至结冰，车辆打滑现象比较严重，在转弯和刹车时，还 容易发生侧滑，易发生交通事故。由于大雨、大雪影响交通，导致的交通事故的事件经 常见诸报端。有资料表明：在所有公路致伤事故中，由刹车引起的约占2 0 ，这主要是 由于路面潮湿引起的，其中一半事故发生时正在降雨。据英、美、澳等国统计，雨天时 公路事故增加约3 0 ，起因于能见度低和刹车受阻，若同时有强风，则事故率更高，损 失更大。 3 侧向风 强烈的侧向风会使车辆在行驶过程中产生不可控制的侧向移动，例如，轿车以 l o o k m h 的车速行驶时，遇有风速为l o m s 的侧向风，车辆在1 0 0 米的行程内将偏离 中心线4 5 米，客车的偏移量将更大。这个数值可以使车辆身不由己地从一个车道转 移到另一个车道，导致交通流混乱和诱发交通事故。 高速公路隧道出口处、大型桥及高路堤处有时横向风力较大，面包车、大型客车、 篷布货车侧面受横向作用力较大，易出危险。 2 4 本章小结 高速公路机电系统的设计研究必须建立在一定的交通流状态基础上。基于这样的思 想，本章主要对交通流的特征、参数、基本模型等情况进行了分析，并从驾驶员因素、 车辆因素、道路因素和气象环境因素四方面对高速公路交通流的干扰情况进行了探讨和 分析。 1 2 长安大学硕士学位论文 第三章高速公路机电系统结构与功能 高速公路机电系统是发挥道路设施交通功能的主要辅助管理系统，是对高速公路实 施现代化管理的主要工具。高速公路机电系统主要由高速公路监控、收费、通信、照明、 供配电和隧道安全运行保障等子系统构成。各子系统之间与系统内部由通信网联系。 3 1 高速公路监控系统 高速公路监控系统是为保障高速公路的安全与通畅而设置的复杂机电系统，它对 交通流量、交通环境两大对象进行监控，具有监视监测和控制两大功制2 2 1 。某高速公路 管理中心监控室如图3 1 所示。 对高速公路而言，监控是对高速公路交通流运行状态及其交通设施和交通环境的监 测监视和对交通流行为的控制的统称。由现场监控站和各级监控中心组成监控系统，是 实现高速公路运行管理的主要手段。 由于交通安全和交通事故相关联，交通事故不仅会造成经济损失、财产损失和人员 伤害，也使车道堵塞、车速降低、行车延误时间加长，无法保证道路的畅通。保证行车 “安全”是维持道路“畅通 的前提条件，两者密切相关。建设监控系统是保证行车 “安全”和道路“畅通 ，并在此基础上实现环境保护等其他目的主要方式。 图3 1 某高速公路管理中心监控室 1 3 第三章高速公路机电系统结构与功能 高速公路监控系统，是采用现代化的手段对全线交通流量、交通状况、环境气象、 设施运行状态进行检测，按照一系列智能控制规则和策略产生控制方案及控制手段，调 整道路交通流的状态，进而实现控制交通流量、改善交通环境、减少交通事故，达到安 全、舒适、快捷的运输目的。 为实现这一目的，监控系统必须具备最基本的三个功能：采集交通流数据，判断 交通状态：根据交通状态，实施控制策略，决定控制参数；执行控制策略，将控制 参数作用于交通流。 高速公路监控系统结构示意图如图3 2 所示。根据监控系统的功能要求和设备特点， 监控系统可分为如下功能子系统： 外场设施 监控分中心设施 外场单元 巡逻车 养护车 语音信 旨上工作人员 道路使用者 收费站 业务电话 管理处 气象监测器 车辆检测器 气象信息 交通信息 遥控摄像机 信息采集 监控分中心 图像lt 数据 业务电话 信息提供 l 其他监控分中心h 叵匦垂囫卜一其他监控分中心i i 一匦藤两口一 ； ：j ： 一 ! ! j ； 硒；百 i ： i 控制台 li 监控中心 ； l ， 信息处理 图3 2 高速公路监控系统结构图 1 4 一 一 一 一 长安大学硕士学位论文 1 信息采集子系统 该系统的功能是获取交通信息原始数据，通过视频车辆检测器、超声波检测器、红 外检测器、检测线圈、通信设备等形成的交通量采集子系统，获得各段道路的交通量数 据。 由于高速公路交通具有高速的显著特点，气象条件对高速公路交通的影响就显得十 分重要，因此在高速公路监控系统中采集气象条件十分必要，所有的交通控制策略都是 在一定的气象条件下做出的。脱离了具体的气象条件，交通控制参数的实施将没有意义。 通过气象采集系统采集高速公路各地段的能见度、温度、湿度、风向、风速、雨雪等气 象条件，为制定控制方案提供依据。根据路段具体情况，高速公路监控系统可以设置专 用的气象检测装置，也可以取用当地气象台站的数据。 2 交通控制子系统 根据各地段的交通状态和气象条件，选择或配置交通控制方案。交通控制子系统包 括：交通控制目标、交通控制方法、交通控制参数。控制参数以一定的控制形式作用于 交通流。根据控制形式的不同，控制方法可以分为匝道控制和主线控制两大类，而匝道 控制又可以分为：入口匝道定时调节控制、入口匝道整体定时控制、入口匝道交通感应 控制、入口匝道汇合控制。 3 交通诱导信息显示子系统 交通状态检测子系统检测到了交通事件，交通控制系统由此获得交通控制方案，计 算出交通控制参数，这些参数依靠交通诱导子系统作用于交通流，为车辆提供诱导信息。 交通诱导子系统包括：可变限速诱导系统，依靠埋设在道路两侧或中间的可变限速标志， 进行整条道路的车速优化处理，使车辆以均匀的密度分布在高速公路上；可变情报板系 统则提供更为具体的诱导信息，向车辆提供准确的交通状态和警告、指挥信息。显示子 系统包括控制中心通过电视墙或者大屏幕投影再现重要地段的摄像机和视频传输设备 获取的视频实时数据，和能见度、温度、湿度、风向、风速、雨雪等视频数据，并根据 需要可对视频数据进行抓拍记录；通过设在路边的紧急电话获取紧急救援信号。 4 中央控制设施子系统 中央控制系统是监控系统的核心，其主要功能是： ( 1 ) 由中心计算机对外场终端设备送来的各种数据进行实时的运算、处理和分析， 并根据要求进行显示、打印、记录或制表。 ( 2 ) 根据测得的数据进行事件判断，决定控制方案，由控制台发出指令，控制道路 1 5 第三章高速公路机电系统结构与功能 信息板指挥事件处理： ( 3 ) 通过闭路电视摄像机监视公路沿线、大型桥梁和隧道内的交通流状况； ( 4 ) 负责管辖区域内的通信联络，包括紧急电话、无线电话和业务电话的接收和转 送； ( 5 ) 隧道内火灾或公路上交通事故的监视、记录和报警； ( 6 ) 沿线电力系统发电、配电、照明等有关设备的控制和调度； ( 7 ) 全系统组成设备工作状态的监测。 图3 - 3 是中央控制设施子系统组成示意图，由图可见，中央控制设施子系统的主要 组成设备有：计算机及其外部设备、大屏幕图形显示板、控制台、电话总机台、不停电 电源u p s 设备等。 i 交通限制l 板模拟图i 闭路电视l 交通参数i i 显示板i 形显示板i 监视墙l 显示板i 臣匦叠翌口匝盟亟口 玉匾互 匝巫巫匦囹 图3 3中央控制设备子系统组成示意 5 计算机网络子系统 计算机网络子系统将其他子系统通过计算机网络连接为一个整体，使之真正成为一 个功能强大的有机系统。计算机网络系统包括：计算机设备、网络连接设备、计算机操 作系统、数据库系统、计算机网络管理、监控系统应用程序。 实际的高速公路监控系统采用丰富多样的电子产品完成交通量信息和气象信息的 采集、交通控制以及交通疏导功能。系统通过在高速公路沿线、立交、隧道、收费广场 设置摄像机、车辆检测器、气象检测器、紧急电话等设备采集道路交通信息，并把信息 传输至监控站、监控分中心和监控中心，由运算单元进行处理，控制系统根据处理结果 决定控制方案，通过安装于道路中间分隔带或路旁的可变限速标志及可变情报板等诱导 设备为车辆行驶提供指导信息，在必要时使用匝道控制限制进入高速公路的车辆数量或 车辆密度。在交通事件发生时，通过紧急救援系统为车辆提供救援服务，这些系统通过 数据传送系统和计算机网络技术连接成为有机的整体，完成高速公路的监控任务。 长安大学硕士学位论文 由于侧重点不同，监控系统有多种功能划分方式，本论文在介绍过程中，将上述功 能子系统进一步划分为：气象采集系统、交通参数及状态采集系统、交通视频监视系统、 交通控制系统、交通监视及诱导系统，它们之间的关系可用图3 4 表示。 图3 4 高速公路监控系统各子系统关系图 3 2 高速公路通信系统 高速公路在地域上是一条长数十到数百公里的狭长地带或网状区域。其管理机构是 由管理中心、管理分中心、沿路侧分布的各监控与收费站点组成。因此，在高速公路的 管理中，大量的各类信息需要及时交换、传达。高速公路通信系统就是负责各类信息传 输与交换的主要工具。 高速公路通信系统主要由以下几部分组成： ( 1 ) 主干线传输作为交通专用通信网的通信主干线，它不仅要满足长途网和地 区网的传输要求，而且应该考虑到省内各地区交通部门的通信需要。 ( 2 ) 业务电话它是通信系统基本的通信业务，包括网内各级管理机构的业务电 话和个人电话，应能实现专用网内用户和公用网用户之间的通话。 ( 3 ) 指令电话为在高速公路内部进行交通管理和调度指挥服务。指令电话调度 台对分机应具有选呼、组呼、全呼的功能，它包括有线指令电话和无线指令电话。 ( 4 ) 紧急电话高速公路内部专用的安全报警电话，它是为高速公路使用者提供 紧急呼救救援的通信手段。 ( 5 ) 数据传输包括收费系统和监控系统，内部的计算机数据通