（载运工具运用工程专业论文）车辆行驶速度智能控制系统体系研究.pdf

摘要 摘要 道路交通安全是影响我国交通运输业可持续发展的关键因素之一，而车辆行 驶速度过快是造成高速公路交通事故的重要原因，严重地威胁着人们生命和财产 安全。当前，我国高速公路车速事故严重，1 9 9 5 - 2 0 0 4 年，由于超速行驶共造成 1 0 6 万人死亡，直接财产损失达2 0 亿多元。在高速公路上总是存在着因车辆行驶 速度不当而造成的交通安全事故，如果能够对车辆行驶安全状态进行识别判断和 智能控制，则可以大大降低整条道路的事故率。因此，论文结合实际需要，研究 高速公路车辆安全行驶速度的智能控制系统体系。 目前，我国是以道路设计速度作为确定限速值的依据来进行车辆运行限速的， 显然是简单化和不科学的；同时，在设置限速值时，往往不分大小车型、不分路 段、不分气候条件等，一律采用统一的最高限速值的做法，显然是不合适的，缺 乏实时性、动态性；另外，目标车辆的跟踪与车速信息管理技术的落后使得车速 安全隐患得不到及时的发现和有效的控制。诸如问题严重影响着高速公路车辆运 行安全。 本文系统总结国内外车速安全的研究和分析了车速安全的影响因素。对车辆 安全行驶速度智能控制关键技术进行了研究，如：利用g p s 技术、视频检测技术 对目标车辆进行识别和实时跟踪，设计车速安全信息采集系统；利用g i s 技术、 数据融合处理技术以及人工智能等分析车速信息动态管理系统的建立方法；利用 车速安全综合评价的方法确定车速安全限值，研究车速智能控制体系框架，以及 设计车载车速智能预警系统。最后，通过a d m h s c a r 对车速限值进行验证分析， 证实其可行性。 本文所研究的车辆行驶速度智能控制系统体系能实时动态的监控车辆运行速 度，对提高高速公路车速安全具有重要的理论意义和应用指导价值。 关键词：安全车速；实时采集系统；动态管理系统；综合评价；智能控制；仿真 a bs t r a c t r o a dt r a f f i cs a f e t yi so n eo ft h ek e yf a c t o r st h a t a f f e c tc h i n a ss u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n to ft h et r a n s p o r ti n d u s t r y v e h i c l es p e e d i st h em a i nr e a s o no ft h e e x p r e s s w a yt r a f f i ca c c i d e n t , t h r e a t e n i n gp e o p l e sl i f e a n dp r o p e r t ys a f e t ys e r i o u s l y a t p r e s e n t ，e x p r e s s w a yt r a f f i ca c c i d e n tr e s u l to fv e h i c l es p e e d i st r o u b l ei no u rc o u n t r y , d u r i n g19 9 5 2 0 0 4y e a r s ，t o t a l l y 10 6m y r i a dp e o p l eh a v eb e e n d e a db e c a u s eo f o v e r - s p e e d i n ga n d t h ed i r e c tp r o p e r t yl o s sr e a c h e st oo v e r2b i l l i o ny u a n e x p r e s s w a yt r a f f i ca c c i d e n t r e s u l to fv e h i c l es p e e di sa l w a y se x i s t i fw ec a nc a r r y o ni d e n t i f y i n g ，j u d g i n ga n dt h ei n t e l l i g e n c ec o n t r o lt od r i v es a f ea p p e a r a n c e t ot h ec a r , m er a t eo ft r a m ca c c i d e n to ft h ew h o l ee x p r e s s w a yw i l lb es i g n i f i c a n t l yr e d u c e d t h e r e f o r et h es t u d yo fv e h i c l es p e e di n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mi sg o i n gn e c e s s a r y c u r r e n t l y ，t h ed e s i g ns p e e do f t h er o a di sa sab a s i sf o r t h el i m i to fv e h i c l es p e e di n o u rc o u n t r y , o b v i o u s l yw h i c hi ss i m p l ea n du n s c i e n t i f i c a tt h es a m et i m e ，w eo f t e n i g n o r et h ev e h i c l et y p e ，t h er o a ds e c t i o n ，a n dt h ec l i m a t i cc o n d i t i o n sa n ds oo nw h e n e s t a b l i s h i n gt h er e g u l a t i n gv a l u e w ea l lu s et h e u n i f i e dh i g h e s tr e g u l a t i n gv a l u e ，w h i c h o b v i o u s l yi si n a p p r o p r i a t e ，l a c k i n g t i m e l i n e s sa n dd y n a m i c m o r e o v e r , t h et a r g e t v e h i c l e s t r a c ka n dv e h i c l es p e e di n f o r m a t i o nm a n a g e m e n tt e c h n o l o g y sb a c k w a r d n e s s e n a b l e st h ev e h i c l es p e e dn o tt ob ea b l et oo b t a i nt h ep r o m p td i s c o v e r ya n dt h ee f f e c t i v e c o n t r 0 1 t l l i sa r t i c l eh a ss y s t e m a t i c a l l ys u m m a r i z e dt h ed o m e s t i ca n df o r e i g nv e h i c l es p e e d s e c u r i t yr e s e a r c ha n da n a l y z e dt h ef a c t o r so fv e h i c l es p e e ds e c u r i t y t h ea r t i c l eh a s c o n d u c t e dt h er e s e a r c ht ot h ek e yt e c h n o l o g i e so fi n t e l l i g e n tc o n t r o lo fv e h i c l es e c u r i t y s p e e d ，f o re x a m p l e ：c a r r y i n go nt h er e c o g n i t i o na n dt h er e a l - t i m et r a c kt ot h eg o a l v e h i c l e sa n dd e s i g n i n gv e h i c l es p e e ds e c u r i t yi n f o r m a t i o na c q u i s i t i o ns y s t e mu s m gt h e g p st e c h n o l o g ya n dt h ev i d e od e t e c t i o nt e c h n o l o g y ，a n a l y z i n gm e t h o d so fv e h i c l e s p e e di n f o r m a t i o nd y n a m i cm a n a g e m e n ts y s t e mu s i n gt h eg i st e c h n o l o g y ，d a t a f u s i o n t e c h n i q u ea n d a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e ，u s i n g v e h i c l es p e e ds a f e q u a l i t ys y n t h e t i c e v a l u a t i o n t sm e t h o dt od e t e r m i n ev e h i c l es p e e ds e c u r i t yl i m i t i n gv a l u e , s t u d y i n gm e 丘a m eo fv e h i c l es p e e di n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e m ，a sw e l la sd e s i g n i n gv e h i c l ec a r r i e s t h ev e h i c l es p e e di n t e l l i g e n c ee a r l yw a r n i n gs y s t e m f i n a l l y , t h ea r t i c l eh a sp r o v e dt h e f e a s i b i l i t yo ft h ei n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mo fv e h i c l es p e e db ya n a l y z i n ga d m a s c a r 摘要3 t ot h ev e h i c l es p e e dl i m i t i n gv a l u e t h ei n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mo fv e h i c l es p e e ds t u d yo ft h i sa r t i c l ec a l lr e a l t i m e a n dd y n a m i c a l l ym o n i t o rv e h i c l es p e e d i th a si m p o r t a n tt h e o r ys i g n i f i c a n c ea n d a p p l i c a t i o nv a l u et oe n h a n c et h ev e h i c l es e c u r i t ys p e e d k e yw o r d s ：s a f es p e e d ；r e a l t i m ec o l l e c t i o ns y s t e m ；d y n a m i cm a n a g e m e n ts y s t e m ； c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n ；i n t e l l i g e n tc o n t r o l ；s i m u l a t i o n 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本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。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：庸冶组 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：店珈7 矾 日期：辩争月多e t 老记 日 互 岁 镐明 名 年 签 略 秘 弼 二y、痧 刻 吻 导 期 滑 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 交通运输是国民经济和社会发展的重要基础产业，随着我国国民经济的发展， 社会对交通运输的需求持续增长，机动车数量迅速增加，交通运输业发展迅猛。 但与此同时，道路交通问题也日益突出，其中道路交通安全已成为影响交通运输 业可持续发展的一个关键因素。目前我国交通事故年死亡人数和万车死亡率均居 世界第一位，重大事故不能得到有效控制，道路交通安全隐患大量存在，西部地 区尤其是重庆地区由于其地形的复杂性，道路交通安全形势更为严峻。 近年来的研究表明，在道路交通事故中，由于驾车速度过快或速度不当、酒 后驾驶、疲劳驾驶等原因占9 0 以上，其中超速行车是一种导致交通事故频率高、 造成事故后果严重的交通违法行为。据2 0 0 4 公安部发布的交通事故白皮书，仅超 速行驶一项造成的事故数就占到总数的1 2 4 5 ，因机动车超速行车发生事故共造 成1 8 4 1 0 人死亡，占死亡总数的1 7 2 ，导致一次死亡1 0 人以上事故1 9 起，占 总数的3 4 5 n 1 。1 9 9 5 - 2 0 0 4 年，由于超速行驶共造成1 0 6 万人死亡。近五年来， 因超速行驶肇事的道路交通事故情况越来越严重，事故次数、死亡人数都逐年攀 升，直接财产损失高达1 3 亿多元。可见，加强对车辆安全行驶速度的控制对减少 我国的道路交通事故死亡人数、提高道路交通安全水平具有重要的意义。 根据对重庆市2 0 0 6 年高速公路交通事故调查结果显示，重庆市境内高速公路 2 0 0 6 年发生3 3 7 4 起，其中一般事故2 9 9 起，重大事故1 3 7 起，轻微事故2 9 3 8 起， 除轻微事故外的事故率为0 5 6 起公里。事故原因分布为：超速为5 4 ，车况不 良：3 4 ，间距不足：2 4 2 ，超限：2 ，操作不当：4 8 3 ，低速行驶：2 o ，无 防撞装置：6 ，其他原因：1 6 6 。进一步分析可得，间距不足和操作不当而引 发的事故很大程度也是由超速所间接导致的，因此，车速显然是交通安全的一个 重要控制因素。 长期以来，我国是以道路设计速度作为确定限速值的依据来进行车辆运行限 速的，显然是简单化和不科学的；同时，在设置限速值时，往往采用“一刀切 来设定高速公路全线限速值，比如不分大小车型、不分气候条件、不分路段等， 一律采用统一的最高限速值的做法，但这种方法显然是不合适的，缺乏实时性、 动态性；另外，对超速行驶，有雷达测速仪之类的现代科技手段可以测量，但要 及时纠正也是“望车莫及”，车速安全的实时跟踪与车速信息管理技术的落后使 得车速得不到有效的、及时的控制。 综上所述，超速行驶是高速公路交通事故的主要原因，限速方法的不合理以 第一章绪论 2 及车速控制技术的不完善是酝酿车速事故的根源。因此，我们应该从车速与安全 的关系着手，理顺车速安全的隐患因素，实时检测车速数据并分析判断车速的运 行安全，根据实时车速环境，确定动态车速限值，并利用高速公路监控技术对车 辆运行速度进行有效智能控制。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 车辆安全行驶速度控制系统的研究 从高速公路的发展历程来看，车速一直是事故的重要因素，车速事故的发生 往往是人、车、路与环境这个复杂、相互作用的系统失衡所致。而控制车速是改 善高速公路交通安全状况的有效方法之一，为预防和减少道路交通事故的发生， 国内外对行车速度及速度限制进行了大量的研究。 随着智能交通i t s 的发展，欧美等发达国家对车速安全进行了政策和措施的 研究。德国道路与交通研究协会于2 0 0 2 年8 月推出了道路安全核查建议，美 国运输部提出了关于行车速度及速度限制的交通安全研究报告等口1 ，均对车辆 安全行驶速度进行了研究，提出了车辆行驶限制及强化管理的要求。目前，美国 正在研究和部署车辆避碰、司机与车辆监控、车辆与乘坐者安全性能改善等工作口3 。 欧洲正在支持开发聪明( s m a r t ) 的约束系统、制定采用信息与通信系统的道路安 全长期计划、开展为优化人机界面和道路安全的远程信息处理“智能道路”的研 究和示范、通过标准和使用者信息提高隧道中的安全、建立卫星定位事故警示系 统等。澳大利亚也正在用智能交通系统新技术改善道路安全h ，。 我国由科技部牵头、国家智能交通运输系统工程中心组织研究的中国智能 运输系统体系框架中把车辆行驶速度的监控作为智能交通管理的重要内容5 1 。 山东省高速公路监控系统中利用主线可变限速值程序设计来控制车速等6 1 。近年 来，我国及许多国家的大中城市基本上均建立了信号灯自动控制系统工程，部分 城市建立了路口电子监控系统( 电子警察) 、g p s 卫星定位系统及交通诱导系统等 智能交通设施，已经能实现对车辆行驶的部分监控；通过交通安全信息的发布， 对车辆安全行驶进行预警等口1 。但在技术手段上主要集中在完善道路提示信息、改 善车辆自身特性、应用先进的测速设备监控车辆行驶等，并开发了道路及车辆安 全监控、车辆自动导航、车距自动保持、周边车辆危险报警、驾驶员状态监测等 系统。这些系统一般均为相对独立运行，各子系统的异构造成了大量的信息孤岛， 信息互通极其有限，系统之间没有进行有效的功能整合与集成，大大限制了各个 系统功能的发挥，无法实现对车辆安全行驶速度的主动有效控制。 通过归纳分析，当前车速控制技术分类如下： ( 1 ) 限速值限速 第一章绪论3 由于限制最高车速可以提高安全性，各国一般都根据本国的实际情况对公路 上行驶的车辆进行了最高车速限制。表1 1 列出了部分国家高速公路的最高车速限 制值。从表中可以看出，各国的最高车速限制值差别很大，意大利的车速限制值 最高，为1 4 0 k m h ；美国的车速限制值最低，为8 8 k m h 。这与各国的国情有关。 表1 1 部分国家高速公路最高车速限制值 t a b l e1 1t h eh i g h w a ym a x i m u ms p e e dl i m i to fs o m ec o u n t r i e s 国名 中国美国匈牙利丹麦波兰保加利亚土耳其 最高限速( k i n h ) 1 2 08 81 0 01 0 0 1 1 01 2 09 0 国名俄罗斯德国荷兰 捷克南斯拉夫挪威日本 最高限速( k m h ) 9 0 不限 1 0 01 1 01 2 09 01 0 0 国名希腊瑞典英国比利时 芬兰西班牙葡萄牙 最高限速( k m h ) 1 0 01 1 01 1 01 2 01 2 01 2 01 2 0 国名法国奥地利瑞士卢森堡 意大利罗马尼亚 最高限速( k i n h ) 1 3 01 3 01 3 01 2 01 4 09 0 ( 2 ) 交通执法限速 交通执法限速指的是通过人工或自动检测技术来判定高速公路上车辆是否违 章超速。目前常用有交通巡逻车定点或流动执法、空中执法、雷达测速或激光测 速、自动化的超速执法等措施。 ( 3 ) 交通工程限速 交通工程限速技术是指在设计和建设管理道路时通过一定的工程措施或管理 手段以使驾驶人能够更好地注意周边环境并缓慢行驶。如紧急电话、可变信息标 志、可变限速标志、路侧广播、气象检测器、车辆检测器、摄像机等，这些工程 限速设备主要由各监控分中心进行控制，监控中心具有数据采集、分析、管理、 发布以及对运行车辆进行安全预警、控制的功能。 ( 4 ) 智能车辆限速 车辆安全、环保与节能是当今车辆技术发展的三大主题，其中车辆安全技术 是最重要的。车辆安全技术可分为主动安全技术和被动安全技术。主动安全技术 是预防和避免发生交通事故的技术措施，例如采用制动防抱死系统、驱动防滑装 置、电控悬架机构、驾驶员不安全状态的监测装备等，保证车辆在发生事故之前 能够安全制动。被动安全技术是指发生交通事故时和发生交通事故后减轻伤害的 技术措施，例如采用车身安全防撞、安全气囊、安全带等装置，可以减轻事故对 人的伤害。目前，由于汽车被动安全技术( 如安全带、安全气囊) 和主动安全技术( 如 a b s 防抱死) 的发展，使得驾驶过程变得越来越安全。车辆性能的提高，使得车辆 第一章绪论 4 最高行驶速度越来越高。为此，车载车速安全控制技术得到发展，可以通过车载 限速装置来限制驾驶员的超速行驶。如“停止型”限速器、“感应型”油门踏板、 车载限速语音提示等车载限速装置呻1 。 1 2 2 道路交通信息系统的研究 传统上对交通信息的管理主要通过出外调查、手工记录，其工作量大，耗费 大量人力物力。 随着高速公路建设的加快，道路安全、监控、通讯、维护等管理工作中需要 处理的信息量越来越大，单靠手工处理信息已不能满足实际要求。2 0 0 1 年，哈尔 滨市开发了道路交通管理信息系统，利用交通数据，通过统计分析，能得到一些 有用的结论n 训；广东省的某些高速公路也各自建立了管理系统，能有效的改善交 通管理工作n ；安徽科力信息产业有限公司和黑龙江省公安交通管理局联合开发 的“交通事故管理系统 ，其特点是操作简单，好学易懂；还有公安部交通科学信 息研究所开发的“全国道路交通事故信息系统 ：北京工业大学开发的“g a g i s n 2 3 等。国内现有的交通事故管理软件虽然基本能够满足交警部门的日常工作需要， 但一般只是为了能够分清责任，简单地记录事件，其记录方式存在着一些不合理 之处。其所具有的查询、统计功能一般也都非常有限。有些虽然涉及到了路网或 g i s 等内容，但功能较弱，操作复杂，不具有实用价值，而且都存在着可扩展性差 等问题。 其后，各国开始重视对道路交通实时动态信息系统的建设。如日本的车辆信 息系统和通讯系统( v i c s ) ，是日本一家具有半官方性质的交通信息处理、发布中 心，v i c s 可向装有车载导航系统的机动车为用户提供实时交通信息服务。在美国、 欧洲等发达国家也有类似的交通信息管理中心，欧洲交通事故数据库软件有c a r e 、 i r t a d 、e c m t 、u n e c e n 3 3 等，其中c a r e 是记录事故条件比较全面的一种。加拿大 魁北克省蒙特利尔市的c o n c o r d i a 大学公布的i s m i s 系统是功能比较先进的同类 软件，它在预测模型和辅助决策上有较大进展，但操作要专业人员进行，且只能 用于道路交叉口，并不涉及g i s 。且其发布信息的途径主要是依靠路边的可变情报 板( v m s ) 和互联网、交通电视台等大众传媒n 到。为了改善北京市的交通状况，北 京市公安交通管理局制定了北京市智能交通管理系统发展规划，能实现交通信息 的实时动态的采集与处理n5 i 。在我国动态交通信息管理系统的研究还在起步阶段， 对车速的动态限制速度研究甚少，具体开发的信息管理并不能实时的对车辆运行 进行控制。 总体上来说，国外的研究较国内深入，在软件界面、可操作性等方面比较完 善，有很多软件已经具备一定的g i s 功能。但在记录和统计方法的合理性方面以 第一章绪论 5 及与g i s 有机结合的问题上，国内与国外软件均有较大差距。 1 2 3 车速信息采集系统的研究 目前，交通信息采集技术常用的包括感应线圈检测技术、磁力检测器、红外 线检测器、微波雷达检测器、声学检测器、超声波检测器、视频检测器等n 6 1 ，而 最近的车辆定位研究主要在于地理信息系统( g i s ) 、全球定位系统( g p s ) n 7 1 、车 辆航位推算导航系统( d r ) n 羽技术以及它们的组合方法等。 不同的检测器其适应范围及检测结果也不相同，如何优化选择是车速检测的 必要保障。虽然我国在交通数据检测的理论上取得了一定的成就，但却并没有建 立一个系统的信息数据库，缺乏一个共享的信息平台，极大地浪费了交通信息资 源。 1 3 本研究的目的和意义 根据现有的理论与实践成果，利用i t s 、g p s g i s 技术，将先进的计算机处理 技术、信息技术、数据融合与挖掘技术、数据通信传输技术、自动控制技术、人 工智能技术及电子技术等，并利用高速公路现有的交通管理设施，再加以适当扩 充，建立高速公路动态管理信息系统，以便实时采集车速数据，从而形成一体化 的智能控制系统。 通过国内外研究现状的分析，说明目前对车辆安全行驶速控制的方法不完善 缺乏有效性，限速模型与限速标准没有考虑不同类型车辆、不同路段的路况、不 同气候条件等因素的影响，缺乏合理性。所以，如何根据车辆类型、路段的路况、 气候条件等因素设定动态的安全速度限制值，并对车辆行驶速度进行实时监测， 进而实现对车辆安全行驶速度的主动控制，有效改善高速公路交通安全状况具有 重要的理论和实际意义。 1 4 本研究的主要内容 本文在分析车速安全影响因素的基础上，重点介绍车辆行驶速度智能控制的 关键技术，并通过a d a m s c a r 对综合评价所确定的安全限速值进行仿真验证。本 文主要的研究内容如下： ( 1 ) 车辆及车辆行驶速度实时采集方法及系统结构 研究车辆行驶速度实时综合采集系统结构，通过视频监测装置以及车载g p s 获取准确的车辆及车辆实时行驶速度。 ( 2 ) 车一路安全行驶速度动态信息系统的建立方法 研究车一路实时安全行驶速度模型，将g i s 系统的道路交通安全动态信息( 道 第一章绪论6 路状态、天气条件、交通环境) 与车驾状况信息( 车辆类型、安全状况、行驶公 里数、发动机使用特性以及驾驶员特征等) 进行集成、分析和处理，建立车一路 安全行驶速度动态信息系统的方法，能提供不同车辆在不同天气条件及交通环境 条件下的实时安全行驶限定速度。 ( 3 ) 车辆安全行驶速度智能控制体系 研究具有动态辩识和自动控制功能的车辆安全行驶智能的控制系统体系，建 立智能控制系统体系结构。该系统通过将车辆实时行驶速度与安全行驶限定速度 进行比较，自动判断车辆安全状态，通过车速预警信息发布提示车辆驾驶员，然 后由车载控制模块对行驶速度进行控制。 ( 4 ) 车速安全限值的a d a m s c a r 仿真试验 通过综合评价方法确定安全车速限值，然后利用a d a m s c a r 对限值进行仿真 试验，评判车速安全限值是否合理。 1 5 本研究的方法 车辆行驶速度智能控制系统所涉及因素众多，由于车速所引起的交通事故大 多属于小概率事件，其规律性难以把握。同时，车速交通事故数据匮乏，记录项 目不完整，增加了研究难度。鉴于上述特点，本研究采用系统分析方法，兼顾到 宏观和微观两个方面，既对车速信息检测系统、车速信息管理系统进行宏观规律 和方法的研究，又深入到具体的车速安全限值和超速预警进行微观分析研究工作， 并通过a d a m s c a r 对车速安全限值进行合理性分析。借鉴国内外有关科研成果， 针对车速安全状况，进行必要的抽象、推理和归纳，提出具有重要理论意义和实 践价值的车辆行驶速度智能控制系统体系。 1 6 本研究的技术路线 车辆行驶速度智能控制系统，就是考虑不同道路环境、不同车辆类型、不同 气候条件等因素，确定不同条件下，不同车辆在不同路段上的安全行驶速度，并 对车辆的行驶速度进行实时检测，建立综合的车速信息管理平台，并通过评价当 前车辆运行车速安全，分析是否属于安全驾驶行为，确保车辆在安全行驶速度下 行驶。从车速安全信息来讲，把运行车辆作为控制主单元，把车速信息作为控制 的流程走向，则车辆行驶速度智能控制系统体系研究的技术路线如图1 1 所示： 第一章绪论 7 图1 1 本论文研究的技术路线 f i 9 1 1t e c h n i c a ll i n e so f t h i sp a p e r 1 7 本章小结 通过对当前限速问题的剖析，确定论文研究的目标和主要内容，并分析国内 外与本论文研究内容相关的研究现状、最新进展及发展趋势。论述本研究的意义， 并介绍研究方法和技术路线，为本研究奠定了理论基础和技术条件。 第二章车速与交通安全的相关性即其影响因素 8 第二章车速与交通安全的相关性及其影响因素 2 1 车速分类 正确区分设计速度、运行速度、期望速度与限制车速的基本概念及相互之间 的关系，是确定合理限速值的前提和依据。 ( 1 ) 设计速度。设计速度是公路设计时确定几何线形的基本要素，特别是在 选择平、纵面设计参数、超高、加宽等方面都是考虑在最不利条件下的等级标准。 它是在气候条件良好，车辆行驶只受公路本身条件影响时，特别是在受限制的路 段，具有中等驾驶技术的人员能够安全且舒适驾驶车辆的速度。 根据美国最新版的“绿皮书 公路和街道几何设计政策称，设计车 速是一个选定的速度，用来确定设计道路的各种几何特征，并把“安全 这个词从 上一版的定义中删去了，避免以为超过设计车速的速度是“不安全 的。 ( 2 ) 运行速度。是指车辆驾驶员根据实际道路情况自我选择的行驶车速。运 行车速是随机变量，在按等值车速设计的公路沿线，驾驶员对线形造成的危险感 觉会有所变化，其选用的速度往往也会随之发生变化，经常会超过设计车速n 引。 因此，适应特定设计车速的公路设计值( 如视距、超高等) 对驾驶员选用的实际车 速有时就不能满足要求。 ( 3 ) 期望速度。期望速度是车辆在不受或基本不受其他车辆约束的条件下， 驾驶员所希望达到的最高“安全 车速。一般而言，期望车速与道路等级及交通 状况、在行车辆的性能状况、驾驶员的性格、承运任务的急缓相关。当驾驶员感 觉行驶过程中的运行速度低于期望车速一定数值时，便有改变其车速的意图。 ( 4 ) 限制速度。限制速度是从安全和运行速度的角度，限制公路某一路段的 最高运行车速。 从四种速度概念定义可知，设计速度用于设计阶段确定道路各种指标的参数， 驾驶员不能感知设计速度；运行速度及期望速度用以评价运营道路条件( 如线形、 环境、交通状况) ，是驾驶员对道路危险感觉的直接体现，是行车条件的实际反应； 限制速度是平衡安全、效益、经济关系的管理手段。因此限制速度应建立在运行 速度调查分析的基础上。 目前，高速公路限速方法，即选用设计速度作为限制速度实质上是对两种速 度概念的混淆，我国不仅管理人员对两者的概念理解存在偏差，而且专业设计人 员对两者的区别也不十分清晰。长期以来设计人员把设计速度或设计速度折减后 的数值作为限速度数值，导致我国限速标志设置混乱局面。而形成此种局面根源 第二章车速与交通安全的相关性即其影响因素 9 在于我国缺乏对设计速度与运行速度的深入研究和明确的限速标志设置规定。 从交通工程学研究的限制车速角度看，限速是通过定点单车自由流车速的实 地观测，作为限制车速的分析，取其8 5 定点单车自由流分位车速为限制车速。这 种观测分析，实际中还要考虑气候、路面状况、路线位置状况、路侧安全设施、 会车视距及事故多发地段等因素。因此，据调查，大多数人认为当前高速公路及 高等级公路中采用设计车速作为限制车速的标准是不当的，特别是在新开通的路 段和车流量达不到运量期指标的路段，限制车速使用设计车速时，认为过于保守 的人更多。对于这样一种状况，一旦确定路线的限制车速，大多数情况下，是无 法更换或取代的。尽管道路设计者明知设计车速和限制车速的起点不同，且又互 相联系，但因为在路线开通时，一般都用设计车速作为限速值，而各种安全设施 的使用，车流量的实际了解，各种其它因素的明确，再通过实地观测地定点单车 自由流车速的8 5 分位车速作为修正限速值，实际上却难以办到。 正是由于上述原因，道路设计人员无法参与从统计的角度加以修正限制车速 的工作。导致当前高速公路及高等级公路限速限值往往过低，造成许多驾驶员都 反映在良好气候路况以及比较安全的情况，即营运车速超过限制车速( 使用设计 车速) 也不会造成不安全的情况下，仍然要用设计车速来确定限制车速的原因。 2 2 车速与安全的相关性 2 2 1 车速与事故率 关于车速与事故数，人们的直观感觉是：速度越高，相应事故数越多。大多 数研究表明事故数与车速不是简单的线性关系。 早在1 9 6 4 年，s o l o m o n 脚3 在6 0 0 k m 的四车道高速公路上观测1 0 0 0 0 个驾驶员 的车速与事故的情况，并对不同道路断面的事故率进行了计算和分析，发现车速 与事故数之间是一个“u 形曲线，并开发出了最初的车速模型。公式如下： i = 1o o 0 0 0 6 0 6 2 v z o 舯6 6 7 5 抛3 ( 2 】) 式中：，表示1 0 万车公里事故率( 次1 0 万车公里) ，a v 表示速度离散度， 也叫速度梯度，即车速与平均车速之差( k m h ) 。 s o l o m o n 模型曲线表明，车速离散性越大，事故率越高。即车速接近平均车速 时，事故率最低；随着车速与平均车速的差增大，无论是大于平均车速还是小于 平均车速，事故数都呈增加趋势。 1 9 6 8 年，c i r i l l o 对一条州际高速公路上的涉及2 0 0 0 辆车的白天交通事故进 行了类似分析，证实了s o l o m o n 的研究结论，从而将u 型曲线扩展到了高速公路。 但是，上述结论是在分析仅包括两辆或多辆同向行驶车辆的交通事故时得到的。 第二章车速与交通安全的相关性即其影响因素l o 1 9 8 9 年夏天，瑞典就车速与事故数的关系进行了持续2 个月的专项实验，曾 将限速1 l o k m h 的道路车速均降低到9 0 k m h 。降低限速标准使小客车车速降低了 1 4 4 k m h ，高速公路的平均车速降低1 1 k m h ；事故率比1 9 8 8 年同期减少了2 7 ， 伤亡人数减少了2 1 。实验结果表明运行车速的降低有利于交通事故率的减少。 h a r k e y ( 1 9 9 0 ) 、f i l d e s ( 1 9 9 1 ) 等人的研究也有类似的结论：随着车速与平均 车速差的增大，无论是大于平均车速还是小于平均车速事故数都呈增加趋势。 速度离散性越大，频繁发生车辆超车和被超车，容易发生事故。也就是说路上行 驶的车辆，不仅仅是比一般车辆速度快的那些车容易发生事故，那些车速比一般 车辆慢的车辆也很容易发生事故。 1 9 9 3 年，蒙纳斯( m o n a s h ) 大学事故研究中心口2 3 针对澳大利亚公路现状，就 事故率与车速的关系进行过再研究，并提出了m u a r c 模型，其具体模型为： i = 5 0 0 + 0 8 a v z + 0 0 1 4 a v 3 ( 2 2 ) 式中：，为路段事故率( 1 0 5 v e h k m ) ，a v 为速度梯度( k m h ) 。m u a r c 模型分 析显示，当车辆运行车速大于路段平均车速时，m u a r c 模型与s o l o m a n 模型结论一 致，即速度梯度越大，交通事故率越高；当车辆运行车速小于路段平均车速时， m u a r c 模型认为事故率只有轻微的增加，即运行车速低于路段平均车速时的速度梯 度与事故率无关。 1 9 9 9 年，英国交通研究实验室的a b u r u y a 研究出的适用于欧洲的车速与事故 模型3 | ，e u r o 模型表明，事故率和平均车速与超速行驶者的比例有很大关系，平 均车速和车速差异都会对事故率产生影响，当平均车速为6 0 k m h 时，车速差异每 降低l k m h ，事故率将降低2 5 6 。具体的模型为： 从( ，) ：坐1 ， v ( 2 3 ) 式中：，为年平均事故率( 1 0 6 v e h k m y ) ，a v 为速度梯度( k m h ) ，1 ，为平均 运行车速( k m h ) 。模型虽然涵盖了运行车速和速度梯度两项指标，但起关键作用 的为速度梯度，速度梯度小于o k m h 时，事故率降低；速度梯度大于o k m h 时， 事故率升高，运行车速并不对事故率产生重要影响。 2 0 0 2 年，我国学者杜博英阱1 对车速与事故模型进行了再研究，在假定如下两 个条件下：( 1 ) 当运行车速为o k m h 时，事故率为o ；( 2 ) 当运行车速为3 0 0 k m h 时，事故率达到最高值，为1 0 6 次1 0 6 v e h k m 。初始事故率模型为： 厂：v p( 2 4 ) 式中：为事故率( 次1 0 6 v e h k m ) ；1 ，为运行车速( k m h ) ；p 为控制参数。 第二章车速与交通安全的相关性即其影响因素 1 1 在使用s o l o m o n 双向四车道高速公路数据的基础上，计算出p 值，如表2 1 所示，进一步提出了运行车速与事故率模型： ，= = 1 ，( 2 e 0 9 ) 3 6 6 7 ( 1 - v t o ( 2 5 ) 表2 1 不同车速条件下的控制参数值p t a b l e2 1c o n t r o lp a r a m e t e rpu n d e rt h ec o n d i t i o n so fd i f f e r e n ts p e e d 运行车速( k m h )事故率( 次1 0 6 v e h k m ) 控制参数p 000 1 1 01 3 4 40 0 6 3 3 0 01 0 6 2 4 2 2 综上所述，关于车速与交通事故率之间的关系如表2 2 所示，可以看出，运 行速度和速度梯度是两个不可缺少的指标。速度离散度大，容易发生事故；车速 越高，越容易发生事故。因此，对车速的限制既要降低单个车辆的运行最高车速， 也要限制车速的梯度差值。 表2 2 前期工作结论一览表 t a b l e2 2p r e p a r a t o r yw o r kc o n c l u s i o nl i s t 车速模型运行速度速度梯度交通事故率 a v 0 增加 s o l o m a n 无 y 0 增加 m u a r c 模型无 v o增加 e u r o 模型无 1 ， o 减少 2 2 2 车速与事故严重度 大多数关于车速与事故的关系研究都显示，车速不仅影响着事故发生次数， 还制约着事故的严重程度。据统计，1 9 9 8 年美国交通事故死亡总人数为4 1 4 7 1 人， 其中由于车速的原因导致的死亡人数为1 2 4 7 7 人，占3 0 ，美国每年由车速过高或 车速变化过快的原因诱发的事故数占全部交通事故数量的1 3 ，在所有与事故相关 的因素中，车速的重要性排在第二位心5 1 。 显然，行车速度与交通事故的严重程度之间存在着相应的关系，这是由物理 学定律所决定的，运动物体的动能与其质量和速度平方成正比。因此，行车速度 越高，所发生交通事故的严重程度也随之增大。 1 9 6 4 年，s o l o m o n 研究报告得出如下结论：行车速度超过6 0 英里d , 时 第二章车速与交通安全的相关性即其影响因素 1 2 ( 9 6 k m h ) 后，交通事故的严重程度会随着速度的增加而快速增加，而行车速度 超过7 0 英里d , 时( 1 1 2 k i n h ) 后，发生死亡交通事故的几率会急剧上升。 1 9 9 4 年，b o w i e 和w a l t z 对国家交通事故报告系统7 年时间段内的交通事故 进行了分析，发现交通事故中人员伤害的几率取决于汽车运行速度变值( a v ) ，当 v 小于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 ，速度变化率与人员伤害几率的具体关系如表2 3 所示： 表2 3 速度变化率与人员伤害几率的关系 t a b l e2 3t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h er a t eo fs p e e dc h a n g ea n dt h er i s ko fp e r s o n a li n j u r y 口v 中等程度伤害严重程度伤害 口， 英里d 时 a i s2 +a i s3 + 公里d , 时 1 - 1 04 51 0 1 1 6 1 1 - 2 01 0 62 61 7 - 3 2 2 1 - 3 02 9 21 1 13 3 4 8 3 1 - 4 05 3 42 7 9 4 9 - 6 4 4 1 - 5 06 7 24 0 66 5 8 0 5 0 +3 9 35 4 38 0 + 1 9 9 3 年，j o k s c h 发现，发生交通事故时汽车驾驶员死亡的几率与运行速度改 变值( a v ) 的四次方成正比关系乜引，其函数表达式为y = ( x 7 1 ) 4 ，如图2 1 所示。 图2 1 事故严重度与车速变化的关系 f i 薛1t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ea c c i d e n ts e v e r i t ya n dt h ec h a