（交通运输规划与管理专业论文）基于人性化的城市道路动态诱导限速系统.pdf

摘要 近年来，随着城市化进程的加快，使得城市规模在不断扩大的同时，城市的机动化 程度也日益提高，而城市道路的建设却不能跟上机动车的发展速度，因此交通拥堵、交 通事故、环境污染和能源短缺等相关交通问题成为世界各国所面临的共同难题。伴随智 能信息技术的发展，能够反映行车条件( 交通流状况、路面状况、能见度、交通事件与 事故情况) 的智能交通系统正得到越来越广泛的应用。 本文借鉴国内外研究成果，考虑国情和国际发展趋势的同时，在对城市路网交通特 性分析的基础上，提出基于人性化的城市道路诱导限速系统，根据实时道路、交通、气 候等信息，为驾驶员提供人性化的诱导信息，诱导驾驶员对车速和行驶路线进行选择， 能够有效地平滑交通流，提高运行速度，保证交通安全，提高车辆和道路的运营效益。 同时，本文对动态诱导限速控制过程进行分析，针对实时交通流状态和天气状况，制定 相应的限速策略。最后，本文提出了一种动态诱导限速系统效益评价的指标体系，选取 安全、效率、环保3 个主要因素，用层次分析法对系统运行后的效益进行评价。 关键词：人性化、动态诱导、限速、评价 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ea c c e l e r a t i o no fu r b a n i z a t i o np r o c e s s ，s c a l eo f c i t yh a sb e e n i n c r e a s e d ，s oi ti sw i t hm o t o r i z a t i o n h o w e v e r , t h ec o n s t r u c t i o no fu r b a nr o a d sc a nn o tk e e p u pw i t ho ft h ed e v e l o p m e n to fv e h i c l e s ，s op r o b l e m ss u c ha st r a f f i cj a m s ，e n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o n ，e n e r g ys h o r t a g e e t c h a v eb e c o m eg l o b a l d i f f i c u l t i e s a c c o m p a n i e db yt h e d e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n ti n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e mt o r e f l e c tt h ed r i v i n gc o n d i t i o n s ( t r a f f i cf l o w , r o a dc o n d i t i o n s ，v i s i b i l i t y , t r a f f i ca c c i d e n t sa n d a c c i d e n t ) w i l lb e c o m e m o r ew i d e l yu s e d r e f e r r e dt oag r e a tm a n yr e s e a r c ha th o m ea n d a b r o a d ，c o n s i d e r i n ga c t u a ls i t u a t i o no fo u r c o u n t r ya n di n t e r n a t i o n a lt r e n d s ，b ya n a l y s i so ft r a f f i cc h a r a c t e r i s t i c so fr o a d si n e i t y , d y n a m i cs y s t e mf o rs p e e dl i m i tb a s e do l lh u m a n - i n d u c e du r b a nr o a dh a sb e e np r o p o s e d b a s e do nr e a l - t i m es t a t u s0 1 1r o a d ，t r a f f i c ，w e a t h e r , h u m a n - i n d u c e di n f o r m a t i o nh a sb e e n p r o v i d e d ，d r i v e r sa r ei n d u c e dt ol i m i ts p e e da n ds e l e c tr o u t e s t r a f f i cf l o ww i l lb ee f f e c t i v e l y s m o o t h e d s p e e dw i l lb ei m p r o v e da n ds a f e t yw i l lb ee n s u r e d a l s ot r a n s p o r te f f i c i e n c yw i l l b ei m p r o v e d a tt h es a m et i m e ，t h ep r o c e s so fd y n a m i cs p e e dc o n t r o lh a sb e e na n a l y z e d f o r r e a l - t i m et r a f f i cf l o wc o n d i t i o n sa n dw e a t h e r , c o r r e s p o n d i n gs p e e dc o n t r o ls t r a t e g i e sh a v e b e e np r o p o s e d f i n a l l y , ab e n e f i te v a l u a t i o ni n d e xs y s t e mf o rd y n a m i cs p e e dl i m i th a sb e e n p r o p o s e d t h ee f f e c t i v e n e s so fs y s t e mi se v a l u a t e db ya h pb a s e do ns a f e t y , e f f i c i e n c y , e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n k e yw o r d s ：h u m a n ；d y n a m i ci n d u c e d ；s p e e dl i m i t ；e v a l u a t i o n 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 鸯冶元 1 1 年月厂日 ， 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 匆考徒 导师签名：与冈 叫年舌月s - e l 卅年6 月f e t 长安大学硕士论文 第一章绪论 1 1 研究背景 近年来，伴随着经济的迅猛增长，我国机动车保有量增长迅猛，城市道路交通拥堵 和事故发生的机会越来越多。2 0 0 3 年，全国城市道路发生交通事故2 7 7 7 3 4 起，造成2 3 7 8 3 人死亡、1 7 1 4 8 0 人受伤，分别占总数的4 1 6 、2 2 8 和3 4 7 1 1 1 。2 0 0 4 年全国城市道路 上发生交通事故共造成2 0 7 9 4 0 起，造成2 3 9 9 2 人死亡、1 7 4 7 0 3 人受伤，分别占总数的4 0 2 、2 2 4 和3 6 3 【2 】。其中，因机动车驾驶人超速行驶造成死亡，占死亡总数的1 5 。 可见，车辆超速行驶已成为道路交通事故的“罪魁祸首”，是道路交通安全的“第一杀 手。研究中发现，城市道路许多事故发生在住宅区和市内道路( 限速8 0 k m h 或更低) ， 涉及行人的事故不断上升，缺乏自我保护能力的行人易受到伤害( 例如儿童、老人等) ， 等等。因此如何使机动车不超速行驶已成为当前交通管理部门的重要任务之一。 对于速度限制问题，目前我国城市交通管理部门倾向于从现有的交通管理方法中寻 找解决办法，例如增加限速标志、设置减速标线和减速带、安装雷达测速装置、电子警 察、增大交警巡察力度等措施，以达到降低车速的目的。但是，由于这些设施和手段只 是单方面地向驾驶者传递指令性和被动性的信息，故驾驶者接受信息的效果并不十分理 想；驾驶员在行驶过程中无法时刻关注时速表，经常导致超速驾驶而自己并不知情。 同时，长期以来，我国城市道路上，所使用的限速标志是一种不受交通流持性、气 候环境、交通事故等客观因素约束的静态限速标志，它仅适用于交通量不大的低等级公 路。在城市快速路和主干路上，由于交通量大，车流变化大，速度高，故安全、高速畅 通是其运行的首要条件，没有先进的监控设施和安全设备，就不能有效地组织交通流。 因此，为了更加和谐地建立驾驶者行驶速度与路段限速之间的平衡关系，有效地控 制和测量车辆运行速度，指示或控制车辆的通行，有效地减少交通事故，提高行车安全， 本文提出基于人性化的城市动态诱导限速系统，结合城市实际的道路、交通、气候等条 件采用合理的安全限速，防止驾驶员超速行驶，保障行车安全，提高城市道路安全。 1 2 研究目的及意义 动态诱导限速控制是根据道路、交通、气候等实时信息，制定控制策略，对路网内 行驶的车辆进行诱导限速控制，平滑交通流，提高运行速度，保证交通安全，提高车辆 和道路的运营效益，从而提高社会效益和促进经济发展。动态控制意义如下： 1 ) 保证交通安全的前提下提高道路的通行能力； 第一章绪论 2 ) 在交通需求小于通行能力的情况下，当城市快速路上的车辆数变化而引起交通 密度变化时，可通过速度调节改善交通流的稳定性，避免冲击波的产生，并有助于保证 达到最大交通量； 3 ) 当交通需求大于通行能力时，诱导限速控制能够延缓交通拥挤的出现； 4 ) 当发生交通拥挤时，诱导限速控制通过改善城市快速路和主干路上交通速度的 均匀性，并在高峰时刻充分地降低行车速度，从而平滑交通流，减少追尾事故； 5 ) 减少交通事故频率及降低事故的严重程度，降低车辆因交通拥挤或堵塞而加、 减速造成的能源消耗及尾气排放带来的环境污染； 6 ) 在非高峰交通期间作为一种提前报警系统来防止事故发生，另外，在雨、雪、 雾等特殊气候条件下，给出能保证安全行驶的行车速度。 1 3 国内外研究现状 美国对车辆速度的管理已有十几年的丰富经验，对限速的合理制定形成了一套成熟 的体系。目前，我国交通事故日益增多，学习借鉴美国限速控制的先进经验十分必要。 1 3 1 美国的研究现状 1 限速政策发展 分析美国限速研究发展历史，我们就会发现一个很清晰的变迁过程。根据美国全国 性的限速法案或政策的重大变化可以将美国的限速历史分为以下4 个阶段：第一阶段为 1 9 7 4 年之前；第二阶段为1 9 7 4 - - 1 9 8 7 年；第三阶段为1 9 8 7 - 1 9 9 5 年；第4 阶段为1 9 9 5 年 本瓜【3 1 - - i - - 1o 1 ) 1 9 7 4 年之前 1 9 7 4 年之前，属于美国道路建设发展期，道路建设的增多，机动车数量也大大增加， 此时期限速主要是作为调节运输时效与交通安全之间的矛盾，管理者使用的一个工具。 所以，随着交通安全水平的下降，道路条件的改善及车辆安全性能的提高，运输时效与 交通安全之间的矛盾，向着运输时效方面倾斜，这个时期限速值总体上是一直在提高。 2 ) 1 9 7 4 - 1 9 8 7 年 1 9 7 4 年国会通过法案确立了全国最高限速，h i n a t i o n a lm a x i m u ms p e e dl i m i t ，简称 n m s l 。该法案出台的背景主要是出于能源消耗方面的考虑，当时美国机动化水平已经 与现在相差不大，而国际石油供应非常紧张，油价持续走高，能源问题已经严重影响了 经济发展甚至触及国家战略，制定n m s l 的目的在于尽量使车辆行驶在经济燃油速度， 2 长安大学硕士论文 减少车辆对石油能源的使用。在这个时期，运输时效与交通安全之间的矛盾下降为次要 矛盾，而运输时效与能源消耗成为当时交通管理中的主要矛盾。 3 ) 1 9 8 7 1 9 9 5 年 随着石油供应问题的好转，美国逐渐放宽了n m s l 的限制。1 9 8 7 年国会允许各州将 乡村州际道路行车条件较好路段的限速由5 5 m i h h ( 9 0 k r n h ) 提高到6 5 m i h h ( 1 0 5 k m h ) 。随着人们对安全、快捷的道路运输的呼声越来越高，在国家层面实施统 一的n m s l 不再适应现实发展要求。这个时期，由于能源问题得到解决，运输时效与交 通安全之间的矛盾上升为主要矛盾，所以对部分道路进行了限速值提高。 4 ) 1 9 9 5 年至今 1 9 9 5 年，国会取消了5 5 m i h ( 9 0 k m h ) 的全国最高限速，将限速的权限返还到各州。 但各州的速度规章须基于所有5 0 个州使用的基本速度法：“在当时的条件下任何人在道 路上驾车的速度不能超过一个合理、安全的速度 。许多州很快提高了乡村和城市州际 道路限速值，到2 0 0 5 年9 月，3 1 个州部分道路已经提高限速值到7 嘶m 或更高值。这个 时期，运输时效与交通安全之间的矛盾仍是进行限速及确定限速值的主要矛盾。 可见，在美国历史上，共有3 次大的限速政策变化，1 9 7 4 年由于能源紧张问题，全 国统一将限速值定为( n m s l ) 5 5 m i 1 1 。1 9 8 7 年，放宽了n m s l 限制，准许各州将州际 道路限速值设置在6 5 m i h h 。1 9 9 5 年，n m s l 法案废除，将限速权返回到各州。在各个 时期，研究人员都进行了限速政策的变化对交通安全的影响的研究。 2 限速值提高对安全的影响方面 虽然，限速的主要目的是提高交通安全，但是简单地设置一个限速值不能保证驾驶 速度有合理的改变，也不能保证减少事故发生的可能性和严重程度。美国研究了限速值 改变对交通的影响。1 9 8 7 年，国会准许各州把乡村州际公路较好路段的限速值从8 9 k m h 提高至u 1 0 5 k m h ，随后大多数州都相继提高了限速值。通过对比限速值改变前后发现， 平均速度和8 5 位车速增3 0 h 6 k m h ，尽管各州限速值的改变不同，但研究表明，限速值 提高后，公路的伤亡程度也有所增加鼬】。 美国对州际公路提高限速值的研究表明，限速值的提高增加了交通事故的发生，并 建议将来对于一些州际公路和其他主要的公路降低限速值。由于缺少对驾驶人驾驶速度 行为改变的观察研究，美国目前设置限速值仅仅是从改变驾驶人行为考虑，也就是说驾 驶人必须服从限速的规定调整驾驶速度，而没有考虑驾驶人自身选择速度的要求。另外， 仅仅依靠标志去改变驾驶人驾驶行为的效果并不理想。 第一章绪论 3 限速值制定考虑的因素 速度与事故严重程度之间的关系决定了在高速道路上设置最大限速值的必要性。 t r b 禁止推荐一个具体的数字作为限速值，而是应该根据具体的道路条件制定不同的限 速值。 限速值的制定者应该考虑两个要点。第一，个别驾驶人在速度选择时会把自身的冒 险强加给周围其他人；第二，驾驶人通过获得的信息能够调整到合适的驾驶速度。因此， 制定限速值时需要参考相关的4 个技术信息：设计速度；运行速度( 8 5 位车速) ； 安全经验，即事故频率和结果分析；执法经验，即执法水平和对限速要求的容忍度 ( 由于驾驶人的生理心理特性，驾驶入的驾驶速度不可能总是保持在规定的限速值以 下，对限速要求的容忍度即容许驾驶人在实际驾驶操纵过程中，其驾驶速度可以在高于 规定的限速值的一个合理范围内摆动) 【7 1 。 对于不同的道路类型，制定限速值参照的重点也不一样。例如，在乡村州际公路上， 车辆的运行速度是设置限速考虑的一个主要因素；对于有出入口控制的乡村道路，严格 的道路线形对驾驶人采用合适的驾驶速度影响较大，此时制定限速值时着重考虑设计速 度；对于城市道路，特别是住宅街道，与设计速度或车辆的运行速度相比，应优先考虑 安全和执法。 设置减速带限速最常考虑的是8 5 位车速。在一些道路上把限速设置在接近8 5 位 车速是很理想的。第一，能够让执法部门把他们的执法力度放在最危险的速度地区；第 二，根据速度与事故之间的研究关系，对于特定的道路类型，速度范围的上界事故发生 较少。 设置限速时把8 5 位车速作为主要考虑因素对所有的道路不一定都是合适的。例 如，在速度离散大的道路上，如果把8 5 位车速作为限速值，就会增加安全隐患。对于 混合交通、交通量大和路侧干扰严重的城市道路也不适合采用8 5 位车速作为限速值。 4 限速值的确定方法 美国等发达国家汽车普及较早，对限制速度研究也较早，从限速发展历史上可以明 显找出不同的限速值的制定方法。根据美国限速发展情况，限速值确定方法包括：法定 限速、最优限速法、工程研究方法和专家系统方法等几种，其中工程研究方法在道路限 速上是最常使用的【8 1 2 】。 ( 1 ) 法定限速 法定限速各个国家都曾有过，典型的法定限速案例是在美国。法定限制速度是通过 4 长安大学硕士论文 行政政策手段来平衡运输效率、安全和其他由车辆运行所带来的成本之间关系，这样会 造成限速管理可能会过于粗略，不与实际道路交通条件相适应。 ( 2 ) 最优限速法 最优限速这一概念是o p p e n l a n d e r 于19 6 2 年提出的，其思想是使限速值从社会角度衡 量为最优。该最优值的确定考虑了很多边际成本，所以按此方法确定的限速值对驾驶员 个体而言并非最优。 这种限速方法，通过机动车运行、旅行时间、事故次数、事故严重程度四类定量化 的因素来实现模型结构。通过机动车在不同环境和交通条件下不同道路运行状况绘制模 型变化曲线，而最优速度则是这个曲线的最低点。该方法最适合确定不同公路等级的总 体限制速度。然而，这种方法在实际应用中存在关键变量难以量化以及实施后因与个体 驾驶员速度选择差距较大而导致执法可行性较低的弊端，所以目前仍未见其在实践中得 到应用。 ( 3 ) 工程研究方法 目前欧美国家主要使用工程方法确定道路限速值。该方法要求通过收集数据并分析 来确定一个合适的限制速度，所收集数据包括占有优势交通组成的速度、事故数据，交， 通量、道路线形和道路路边状况。而在具体操作时，8 5 位车速是最通常采用的一种确 定限速水平的方法。通过调查获得8 5 位车速，确定限速值。 ( 4 ) 专家系统方法 专家系统指用计算机程序模拟特定领域内专家在解决复杂问题时的思考过程以进 行决策的方法。这种方法主要用于确定速度区的限速值，尤其适用于非自由流、多种道 路使用者等复杂情况下的限速值确定。其不足之处在于，这种方法需要开发复杂的系统， 需有知识、经验丰富的专家以及很强的计算机处理能力。 ( 5 ) 其他限速方法 除以上几种限速方法外，在实际工程中应用较多的还包括以下两种：可变限速及区 别限速。 可变限速。可变限速的实施，首先需要对交通流及道路状况进行实时检测，然后 通过动态信息显示屏发布最高及最低限速，提示驾驶员选择合适的行驶速度，从而使车 辆的速度分布保持一致，降低事故发生的可能性。可变限速在美国多用于大流量的高等 级公路，偶尔也用于学校和施工区这两个特殊区域。近年来可变限速方法也常用于提高 交通拥堵路段的通行能力( 在交通流严重拥堵时这一方法同样没有效果) 及安全状况。 第一章绪论 区别限速。这种限速方法包括分车型限速和分时间限速两种。分车型限速指对车 辆行驶性能差异较大的不同车型实行不同的限速值，如对小客车采用较高限速，而对大 货车采用较低限速。目前对于这种限速方法是否能够提高道路的安全水平尚无定论。分 时间限速指白天和夜晚采取不同的限速值。对夜间采取低于白天限速的做法主要是基于 安全方面的考虑。近些年的实测数据表明，降低夜间限速后，绝大多数驾驶员在夜间的 行驶速度并不比白天低，但同时也没有足够的证据表明这些地区应当取消这种做法。 1 3 2 国内研究概况 我国的研究者在限速标志速度值的确定、标志的设置位置等方面作了相关的研究。 1 限速值的设置方法方面 我国限速值的设置方、法【”1 主要有以下几种： 1 ) 依据我国现行的道路交通安全法律法规对行车速度的有关规定给出速度限制值。 主要依据是2 0 0 4 年5 月颁布实施的中华人民共和国道路交通法、中华人民共和国 道路交通法实施条例以及中华人民共和国道路交通安全法实施条例。 法律法规的限速有2 种方式：一是以道路条件来限速，如中华人民共和国交通安 全法规定机动车在道路上行驶不得超过限速标志、标线标明的速度。在没有限速标志、 标线的道路上，机动车不得超过下列最高行驶速度：没有道路中心线的道路，城市道路 为每小时3 0 k m ，公路为每小时4 0 k m ；同方向只有1 条机动车道的道路，城市道路为每小 时5 0 k m ，公路为每小时7 0 k m ，高速公路最高行驶速度1 2 0 k i n ，最低行驶速度6 0 k m 。二 是以车型限速：如规定机动车通过急弯、陡坡等，最高行驶速度不超过每小时3 0 k m ，但 拖拉机、电瓶车、轮式专用机械车不得超过每小时1 5 k m ，高速公路上行驶的小型载客汽 车最高车速不得超过每小时1 2 0 k m ，其他机动车不得超过每小时l o o k m 等。 但实际上，我国道路超速行驶现象比较普遍，由于受技术等条件限制大部分交通违 法行为得不到处罚和纠正，严重影响了法律法规的严肃性。同时也反映出来，由于道路、 车辆技术条件的改善，采用统一的限速标准并不完全合理。 同时，从我国的道路限速的法规看，还存在很多不完善的地方，比如限速值的计算 方法、限速数据调查、限速标准依据等，这些都需要不断研究完善。 2 ) 采用道路规划设计的计算时速作为最高速度限值。 这也是当前管理部门普遍采用的做法。此种做法的不足是车辆在按等值车速设计的 道路沿线行驶时，驾驶员会根据实际道路交通条件选择车速，且往往高于设计车速，会 带来一定的安全隐患。 6 长安大学硕士论文 3 ) 依据道路与交通特定条件而得出的安全允许行车速度作为最高速度限值。 目前，大家已认识到采用运行车速而不是设计车速进行安全评价和管理的重要性。 因此，在一些道路上把限速设置在接近8 5 位的车速是很理想的。第一，能够让执法部 门把他们的执法力度放在最危险的速度地区；第二，根据速度与事故之间的研究关系， 对于特定的道路类型，速度范围的上界事故发生较少。但当道路通过村庄、居民小区等 行人、非机动车密集的繁华路段，应根据具体的安全管理目标来限制道路行车速度，以 充分保障行人、非机动车等的交通安全。 2 可变限速研究方面 在一些可变限速控制研究方面，国内在主线限速控制以及限速值确定方面有新的研 究，以期能对现状进行改善。 例如：同济大学以改善行车安全、缓解交通拥挤为控制目标对可变限速进行过相关 研究； 干宏程，孙立军，结合我国高速公路和城市快速路的特点，运用交通流理论对拥挤 产生的原因进行分析，提出相应的可变限速控制策略、模型及算法，并进行有效性评价。 刘慧英，薛春峰，宁飞，分析了可变限速控制在高速公路监控系统中所起到的作用， 给出了主线可变限速控制的原理和控制策略，并建立了相应的数学模型。针对高速公路 交通流的特点，采用多层分散控制的策略，实现对主线行车速度的控制，提出了高速公 路监控系统中限速控制策略。 王正武，罗大庸，黄中祥，基于宏观交通流理论和多技术研究了协调控制问题，为 此，首先阐述了高速公路的一般宏观交通流模型然后分析主线限速、匝道融合的交通特 性，建立了主线限速匝道融合交通流模型，并协调主线限速和匝道融合，建立了协调 控制模型。最后，基于多技术和分层递阶结构提出了协调控制模型的求解算法，并给出 了应用此方法控制仿真高速公路的一个实例，提出了高速公路主线限速与匝道融合的协 调控制； 张膑，王奇等，针对高速公路可变限速控制是一个非线性时变系统，用数学模型难 于建模这一特点，提出了b p 神经网络控制方法。阐述了b p 神经网络的学习算法，根据 高速公路主线上车辆数目以及路面状况、气象条件等信息，设计了高速公路可变速度标 志神经网络控制器，并对控制器进行了仿真研究，提出了高速公路b p 神经网络限速控制。 高海龙，刘兴旺，吴京梅，总结了欧美等发达国家道路所使用的限速值的设计方法， 分析了影响道路限速的因素，在此基础上提出并构建了适合我国交通特性的基于多元因 7 第一章绪论 素的道路限速值的设计方法及具体实施流程。该方法综合考虑了运行速度、道路线形、 设计速度和交通安全等因素，可合理、科学的确定道路限速值。 我们可以发现，国内限速值的确定主要是在法定限速值或道路设计速度基础上，根 据车流量、交通事故、沿线地区发展水平等影响因素进行调整，影响因素对限值的影响 程度缺少客观的、量化的数学模型，调整值基本凭经验确定，可变限速值的合理与否与 设计人员的主观经验有很大关系。由于缺少适当的数学模型或统一的确定标准，可变限 速值确定一直是交通安全管理工作的一个难题。 1 4 本文的主要内容及技术路线 1 4 1 主要内容 1 限速控制的基本原理 通过分析速度对驾驶员生理状态、车辆及交通安全等等的影响，提出了限速控制的 必要性。用车流波动理论( 交通量角度) 和跟驰理论( 交通安全角度) 推导限速控制的 基本原理，在此基础上，对城市道路运行的主要问题进行分析，提出建立动态限速诱导 系统的必要性。 2 动态诱导限速系统的建立 在对城市道路交通特性、动态限速控制需求进行分析的基础上，建立动态诱导限速 系统，提出系统建立的目标、原则、系统功能及框架，并对系统构成的主要内容进行阐 述。 3 诱导限速控制过程 对系统诱导限速控制过程进行分析，提出最优限速值的设计方法，针对实时交通流 状态及天气状况，制定相应的限速控制策略。 4 系统效益评价 选取安全、效率、环保3 个影响系统效益的主要因素，选取因超车造成的万车事故 率、因超车造成的万车死亡率、路网平均车速、路网平均延误时间、路网平均停车次数、 路网平均油耗、路网车辆平均污染物排放量、路网车辆平均交通噪声八个指标，用层次 分析法对系统建成后产生的效益进行评价，分析系统建立的可行性。 1 4 2 技术路线 本文技术路线如图1 1 所示。 8 长安大学硕士论文 图1 1 研究技术路线 9 ，：，：-：，-：i 第二章限速控制的基本原理 第二章限速控制的基本原理 2 1 限速控制的必要性分析 在城市道路上行车比高速公路上要危险的多，主要是城市道路上侧向干扰较多，车 辆间的冲突较多。车速对车辆和驾驶员心理都有很大的影响，且快速行车的驾驶员心理 状态对控制车辆能力比低速时差。一般来说，高速行驶对交通安全是不利的，因此，不 论从车辆、驾驶员因素考虑，还是从交通安全与畅通方面考虑，都需要对道路上的车速 予以限制。 限速控制的一个主要原因是个别驾驶人把自己的冒险强加给他人。他们为缩短行程 时间，宁愿以发生事故、受伤、甚至死亡作为冒险，一旦发生事故，其他人可能被牵连。 另外一个原因是一些驾驶人没有能力去判断他们驾驶设备工作状态的好坏( 如刹车 装置、操作装置) ，也没有足够的能力通过观察线形和路侧条件而采取合适的驾驶速度。 然而，不论是对于有经验的还是没有经验的驾驶人，在不熟悉的环境中都有可能低估风 险，采取不合适的驾驶速度。 其外，一些驾驶人低估了事故发生的可能性和严重程度而高速驾驶车辆。 2 1 1 速度对驾驶员生理状态的影响 研究表明【m 】：快速行车的驾驶员心理状态对控制车辆能力和交通安全都有极重要的 影响。事实上，在高速环境下行车，人体的生理状态也会有所改变，具体体现在： 1 ) 眼睛的动态视力降低。眼睛分辨两物点间的最小距离的能力称为视力。视力分 为静视力、动视力和夜间视力。在开车时，驾驶员边运动边看运动的物体，这时的视力 称为动态视力。动态视力随着速度的增加而降低。汽车以6 0 k m h 的速度行驶，驾驶员能 看清车前2 4 0 米的标志，而用8 0 k m h 的速度行驶，则在接近1 6 0 米处才能看清，车速提高 了3 3 ，视认距离减少3 6 。因此，汽车的最高车速受到驾驶员动态视力的限制。 2 ) 视野变窄。两眼注视某一目标，注视点两侧可以看到的范围叫视野。视野分为 静视野和动视野。若将头部固定，眼球自由转动，同时看到的范围为动视野。将头部与 眼球固定，同时能看到的范围为静视野。动视野比静视野大。随着车速的增加，驾驶员 的注意点前移、视野变窄，只注意于景象的中心而置两侧于不顾的现象叫隧洞视，隧洞 视的发生对交通安全不利。此外，在汽车行驶的过程中，靠近路边的景物相对于驾驶员 眼睛的角度若大于7 2 。s 时，景物在视网膜上就不能清晰地成像，感到模糊不清。所以， 车速越高越看不清路边近处的景物。当速度再增加时，驾驶员对于空间的视认能力也明 1 0 长安大学硕士论文 显减退。 3 ) 判断能力减退。高速行驶时，驾驶员在单一环境中行车，注意力衰退得很快， 而且反应变得迟钝，并对车速的速度判断比实际车速要低，意识水平也渐渐降低。 4 ) 注意力是驾驶员的一项基本指标，而且驾驶员还应有分配注意力的能力，以便 同时接受几个目标，同时完成几个工序。经验确定，同一视线可以容纳4 - - 6 个目标。而 高速行驶时，驾驶员在1 5 - 2 0 秒以内得不到新鲜信息就会感到枯燥无味，判断能力下降， 以致不能正确判断行车速度、行车距离、道路宽度等，容易发生事故。 5 ) 平衡感觉失调。当人站着快速原地转圈时会发生心里难受、站不稳等现象，这 种现象是由于掌握人体平衡感觉的内耳三半规管失控引起的。在高速路上，直线行驶时 交通事故多发，主要的原因就是因为三半规管不稳定，在高速下失控，使驾驶员产生错 觉而引起的。因此，在高速路上行驶要合理降低速度，应在有充分余地的车速下驾驶。 由于驾驶员在高速行驶下的心理变化，而这种变化对交通安全和畅通是不利的，因 此，即使道路条件很好也应采取速度限制。 2 1 2 速度对车辆的影响 1 ) 轮胎变形。 汽车在行驶过程中，轮胎伴随着旋转，将产生压缩及膨胀，即轮胎随着每一次接触 地面都会产生扭曲。高速行驶时轮胎旋转加快，这种扭曲就不能恢复，轮胎在离开地面 时出现波形，这种现象叫做轮胎变形。发生这种现象时特别容易发生交通事故。 2 ) 破坏汽车的操纵性和稳定性。 高速行驶，往往破坏汽车的操纵性和稳定性。离心力增加，使汽车所受的横向力加 大，高速行驶的汽车所受的横向力大于车胎与地面的摩擦力时，会使汽车偏离正常行驶 路线而产生侧滑。实际中，事故形式多表现为掉沟、翻车等事故。 3 ) 扩大了汽车的制动非安全区。 汽车持续制动距离是随车速的增加而成平方的关系延长。汽车高速行驶，一旦遇情 况采取制动但制动距离加长，使制动非安全区扩大，制动效果也变差。而且，高速行驶 在一定时间内遇到的情况相对较多，这种突遇情况往往会来不及采取措施而发生事故。 道路事故成因其中最主要的一项就是高速行驶。驾驶员缺少行车的基本知识，盲目 快速和超速行驶，遇到紧急情况采取措施不当而发生交通事故的情况比较普遍。因此， 为了保障城市道路的交通安全与畅通，在城市道路上采用限速控制是非常重要的。 第二章限速控制的基本原理 2 1 3 速度对交通安全的影响分析 1 速度离散程度影响事故的发生 关于车速与事故，人们通常认为速度越高则相应发生事故的几率也越高，很早就有 研究表明，事故数与速度不是简单的线性关系。1 9 6 4 年，s o l o m o n 在6 0 0 k m 公路上观测 1 0 0 0 0 个驾驶员的车速与事故的情况，发现车速与事故数量之间的关系呈“u 型：车速 接近交通流平均车速时，事故率最低；随着车速与平均车速差值的增大，事故数量都呈 增加趋势。也就是说，事故数量主要和速度的离散性有关，速度离散性大，频繁出现超 车现象，则容易发生事故，这意味着，不但快速行驶的车辆容易发生事故，那些速度比 平均速度慢得多的车辆也很容易发生事故。 对于城市道路，一方面车辆冲突较多，行人和停泊车辆增大了与正常行驶车辆的碰 撞机会，引发事故潜在性也由此增大。另一方面，车辆的低速行驶又减轻了事故的严重 程度，但由于行人处于弱势地位，即使与车辆碰撞的速度较低，行人也易受伤害。同时， 在城市干路上高于交通流平均速度行驶的车辆更容易发生事故，尤其是单车事故；而低 于车流平均速度行驶的车辆常常引发多车追尾和有角度的碰撞事故。因此，为了减少事 故数量，应尽量减少速差，降低速度离散性。 2 速度大小影响事故的严重程度。 事故严重程度是随车速增加而增加的，因为它取决于撞击过程中消散的能量多少。 在车身质量一定时，车辆动能与车速平方成正比，撞击中消散的动能与碰撞前后的速差 v 有关。研究表明，车速超过9 6 k r n h 后，事故严重程度随速度增加而快速增加，车速 超过11 2 k m h 后，致命伤亡的可能性迅速增加；当x v d 、于1 6 k m h 时，严重伤亡的可能性 小于5 ，当v 超过4 8 k m h 时，严重伤亡的可能性超过5 0 旧。根据国外的调查，当车 速从6 0 k m h 降低n s o k m h 时，行人致命事故降低了2 5 ，行人平均伤害严重性指数( i s s ) 从2 8 下降到2 0 ，如果能保证车辆在接触障碍物前充分制动，则可以避免事故发生或把事 故严重程度降到最低。 因此，限速的主要目的是通过减少驾驶人在速度选择时强加给自己和他人的危险来 提高交通安全。限速可以从两个方面来提高安全，第一，制定速度的最大界限，目的是 降低事故的严重程度和减小事故发生的几率：第二，制定速度的最小界限，减少速度的 离散程度，如在同一时间同一条道路上减少车辆之间的速度差，由此降低车辆发生冲突 的机会。 1 2 长安大学硕士论文 2 2 限速控制的基本原理 2 2 1 最低限速 对道路实施限速控制，不仅限制道路的最高安全行驶速度，而且对驶入快速路的车 辆规定最低行驶时速，如果低于最低限速则会影响交通流的畅行，属于违章行为。 行车速度高是城市快速路的一大特点，城市快速路宽阔平坦的路面、直缓的线形创 造了一个高速环境。但由于车辆性能存在差异，因此，还必须对进入城市快速路的车辆 进行甄别，把那些技术状况差、速度提不起来的车辆排除在外。如果快速路上很多车辆 以较低的速度行驶，整个车流的速度也就降低，所以必须对进入快速路上车辆的速度进 行最低值限制，尽量缩小车辆间的速度差值。同时，车辆速度差距缩小，车辆超车变道 的情况减少，追尾碰撞的可能性也减少，从而使车流在较高的速度下保持安全畅通。一 些驾驶员误以为在快速路上开慢车比开快车安全，其实不然，在快速路上采用慢速行车 严重阻碍全线车辆的正常流动，极为危险，致使自己处于被动危险的境地。 此外，对快速路上实施最低速度限制也要考虑快速路上的交通拥挤问题。拥挤发生一 后，车辆运行速度降低，道路运营效率下降，车辆燃油消耗增加，尾气和噪声加剧了对 环境的污染。交通拥挤的具体定义各国尚无统一标准，日本道路公团对城市快速车道的 交通拥挤定义为：在快速车道上以时速4 0 k m h 以下低速行走或反复停车、起动的车列连 续l k m 以上，并持续1 5 m i n 以上的状态为交通拥挤。美国芝加哥将交通拥挤定义为：3 0 或更大的5 m i n 车道占有率。根据著名的b l o c h s 定理，交通拥挤【1 6 】的定义为： 。” 耳：二生 ( 2 1 ) 。 6 0 一屹 式中： 拥挤速度( k m h ) ； 乃一持续时间( m i n ) 。 如果取拥挤持续时间耳= 1 5 m i n ，则拥挤速度为v , , - - - 4 4 k m h 。我国规定，在正常条件 下，车辆在城市高速公路上行驶的时速不得低于5 0 k m h ，如果低于此速度则会影响交通 流的畅行，属于违章行为。 2 2 2 最高限速 当前管理部门普遍采用道路规划设计的计算时速作为最高速度限值。但是，这种做 法的不足是车辆在按等值车速设计的道路沿线行驶时，驾驶员会根据实际道路交通条件 选择车速，且往往高于设计车速，会带来一定的安全隐患。 目前，管理部门已认识到采用运行车速而不是设计车速进行安全评价和管理的重要 第二章限速控制的基本原理 性，因此，依据道路与交通特定条件而得出的安全允许行车速度作为最高速度限值。对 于高速公路来讲，一般设置可变限速标志来限制行车速度的最高值。 可变速度控制是指在高速公路上设置可变限速标志来限制行车速度，从而使主线上 的交通流的速度能随车流密度的改变而改变，从而保证交通流的均匀、稳定，同时还能 提高道路通行能力。 可变速度控制的基本原理是依据道路、交通、气候等条件对高速公路主线交通流安 全高效运行的限制要求和路段交通流的流量、速度、密度的关系，确定能够允许的最大 交通流量下的最佳速度和最佳密度，并据此采用可变限速标志等方法对高速公路主线交 通流进行速度控制。 可变速度控制的目标主要是速度指标。事实上，由交通流理论可知：交通流的速度 是其他交通流状态变量( 例如交通量、密度、车头时距、占有率) 的函数。根据这些变 量的函数关系，加上道路、交通、气象等条件对交通流运行安全和效率的约束条件，可 建立交通流速度控制的数学模型。实际控制时，可依据交通流状态和道路气候条件，通 过修正数学模型参数，来获得不同交通环境条件下的最佳速度控制。 2 2 3 用车流波动理论推导限速的基本原理 车流波动理论是由英国学者莱特希尔( l i g h t h i l l ) 和惠特汉( w h i t h a m ) 提出的。将 交通流比拟为流体流，运用流体力学的基本原理，模拟流体的连续性方程，建立车流的 连续性方程。把车流密度的疏密变化比拟成水波的起伏而抽象为车流波。当车流因道路 或交通状况的改变而引起密度的改变时，在车流中产生车流波的传播。通过分析车流波 的传播速度，以寻求车流流量、密度和速度之间的关系 1 7 - i s 】。 ， s jl 匕 t ，+ k k k 2ib k a 1r 图2 1 波动理论分析示意图 如图2 1 所示，假设有一分界线s 将交通流分割为a 、b 两段。么段的车流速度为k ， 密度为墨；b 段的车流速度为圪，密度为砭；分界线s 的移动速度为圪。假定沿路线 按照车流方向速度为正，反之为负。 得到车流波动理论的基本方程： 匕= 1 一( 7 i + 7 7 2 ) ( 2 2 ) 1 4 长安大学硕士论文 其中，圪指分界线s 的移动速度； 7 7 l 、7 7 2 分别为分界线两侧的标准化密度； 巧为畅行车速。 车流波动理论认为如果圪为负值，则表示b 段的交通参数变化影嘲! f j a 段的交通运 营状况，产生类似流体流动中的回波，波的方向与原车流流向相反，此时，车辆后涌， 开始排队，形成堵塞。从安全角度认为影响到上游路段的交通安全。所以在实施对策管 理时，应该控制圪s d , f o 。 将从瑁- ：，磊亏嘭，代入式( 2 2 ) ，可得到 匕= 外一睁剀 亿3 ) 其中，仇指a 段的标准化密度： 墨、分别指a 段和b 段的车流密度。 巧指路段的阻塞密度； 吼、q z 分别指路段a 、b 的流量； 巧、圪分别指a 段和b 段的车流速度； 实施对策管理时，要控制k 不小于0 ，即要求分界线不后移，取圪卸进一步推导， 从而得到实施限速对策时的流量、车速关系式： 吼= i 一办 他4 ) 式中：吼限速段上游段交通流量，辆h ； g ：限速段交通流量，辆h ； 砖阻塞密度，辆胁； k 限速段上游段车速，妇1 l l ； 匕限速段车速，k m h 。 根据q = 巧( - 一爿n 带到公式眩4 ) 可得到限速与上游流量关系式： 第二章限速控制的基本原理 q - 2 芒k 圪 ( 2 5 ) 此交通量即为临界交通量。表示如果限速砭，上游交通流量大于g l 时，需要进行分 级限速，否则将影响上游路段的交通运营安全；反过来说，当上游交通量为g 。时，计算 为时，表明下游限速不能低于k 。如果需要限速值小于圪，则要求提前限速。 2 2 4 用跟驰理论推导限速的基本原理 对于城市道路，当车流密度较低时，驾驶员选择速度的自由度很大，车辆之间的间 距较大。随着密度的增加，选择速度和驾驶的自由度减小，跟车变得越来越多，平均车 速随之降低。因此，按交通流密度的大小，在道路上行驶的一队汽车可分成两种运行状 态：自由行驶状态和非自由行驶状态。 当车流处于非自由行驶状态时，车队中的任一辆车的车速都受前车车速的制约，驾 驶员只能按前车所提供的信息采用相应的车速。同时，在一队汽车中，跟随前车运行的 后车驾驶员总不愿意落后很多，而且紧随前车车速，跟驰前进。但从安全角度出发，跟 驰车辆要满足两个条件：一是后车的车速不能长时间的大于前车车速，只能在前车车速 附近摆动，否则会发生碰撞，这是车速条件；二是前后车之间必须保持一个安全距离， 即在前车刹车后，两车间有足够的距离，从而有足够的时间供后车驾驶员做出反应，采 取制动措施，这是间距条件，显然车速高时，制动距离大，安全距离也加大。 足够的车头间距能让后车司机有足够的时间感知并安全地通过减速避免发生前后 碰撞。要定义一个“足够”的车头间距非常困难，因为它具有很强的司机个体和环境的 特定性。足够、安全的车头间距