高速公路可变限速控制技术研究

总第207期交　通　科　技Serial N o .207　2004年第6期T ranspo rtati on Science &T echno logy N o .6D ec .2004收稿日期:2004206231高速公路可变限速控制技术研究干宏程　孙立军(同济大学道路与交通工程教育部重点实验室　上海　200092)摘　要　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。

最后,提出关于可变限速控制应用的一些建议和今后的研究方向。

关键词　高速公路　城市快速道路　可变限速控制　可变限速标志1　可变限速控制策略的提出限速的目的就是使驾驶员的驾驶行为变得更加一致,从而实现改善交通安全、缓解交通拥挤、减少污染和降低能耗等控制目的。

我国高速公路和城市快速道路运行的主要问题是拥挤和事故,因此本文以改善行车安全、缓解交通拥挤为控制目标对可变限速控制进行研究。

国内外多以85%位车速作为限速值,然而85%位车速改善行车安全的作用取决于车速分布的离散程度,即车速离散性越小,作用越明显。

由于拥挤时车速分布的离散性往往很大,因此85%位车速并不起什么作用,这就需要深入分析拥挤产生的原因,从而提出合理的可变限速(variab lespeed li m its V SL )控制策略。

拥挤可以分为两类,即需求增加引起的拥挤和通行能力下降引起的拥挤(如道路几何条件制约、事故等引起的供给不足)。

以下分别进行讨论。

1.1　对于需求所致拥挤的控制对于高速公路和封闭式的城市快速道路,当车流密度较低时,驾驶员选择速度的自由度很大,车间距较大。

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。

这时候,只要车辆到达率小于通行能力,车辆就能够以较低的速度稳定行进。

然而,当车辆到达率大于通行能力时,瓶颈路段上游就会出现排队,交通状况随之迅速恶化。

从我国高速公路和城市快速路的运行特点来看,造成交通流不稳定的主要原因是车头时距小、车速离散性大和交通扰动频繁。

而交通流不稳定时就会发生车辆在队列中停停走走的拥挤现象,甚至是严重的拥堵。

国内外对高速公路和城市快速道路的观测数据显示,交通流的密度存在一个临界值,大于该值,车速离散性很大,容易引起更多的交通扰动,造成交通流不稳定。

而车速离散性增大正是由车头时距离散性增大引起的,因此也存在一个“临界平均车头时距”,小于该值车速离散性和车头时距离散性都变得很大。

这样,当密度大于临界密度值时,就会造成车头时距小、车速离散性大,交通扰动频繁等结果,从而引起交通流的不稳定。

结合以上的分析,可以概括出需求所致拥挤的控制策略:(1)确定道路的临界密度的大小;(2)当密度超过临界密度值时,减小限速值;(3)当密度继续增大时,进一步减小限速值。

对于(1),即临界密度的确定,是一项重要的基础工作。

目前国内大多数高速公路和城市快速路都埋设了环形线圈等检测器用以检测流量、速度和占有率等交通参数,积累了大量数据,这就为确定临界密度提供了条件。

对于(2)和(3),当密度小于临近密度时,可以简单地用85%位车速作为限速值,但是当密度超过临界密度时,由于车速分布的离散性过大,就需要降低限速值,以防止车速分布的离散性过大和平距车头时距超过临界值,从而保证交通流的稳定和维持较大的流量,减小事故发生的可能性,推迟或避免拥挤的发生。

1.2　对于供给所致拥挤的控制对于供给所致拥挤的基本控制策略以图1来说明,假设可变限速标志沿着行车方向等间距布置,道路在逻辑上被分成若干小段(控制单元),每个小段至少包含一个V SL 。

假设初始的限速值为100km h ,事故发生在小段5上,则对于供给所致拥挤的控制策略为:(1)对事故发生的小段(路段5)进行限速控制,限速值可以由管理人员通过控制台人工设置。

(2)设置事故上游相关路段的限速值,离事故从远到近限速值逐渐减小。

(3)距离事故一定距离以外的小段的限速值保持为原来的值不变。

图1　用于供给引起的拥挤的控制策略示意图具体在进行限速控制时,控制算法将根据交通需求(或到达率)的变化而改变事故上游路段的限速值。

例如对于图1的情况,路段5发生事故后,路段4与路段5交界处出现排队,于是采用图2所示的控制策略。

随着交通需求的增加,排队向上游扩散,控制算法会进一步减小上游各路段的限速值,增加限速路段数,从而减小相邻路段的速度差以平滑交通流。

此外,可变限速控制也可以用在对工作带(作业区)这类特殊事故路段的实时控制中。

图2　事故发生后采用的控制策略示意图以上提出的针对两类拥挤的控制策略,在缓解拥挤的同时,也实现了改善行车安全的目的。

拥挤状况下,车辆速度下降,车速离散性增大,而车速离散性大正是引起事故的主要原因。

而可变限速控制就是要减小车速离散性,从而在缓解拥挤的同时改善了行车安全。

对于事故等引起的拥挤,通过对速度进行控制,不但可以降低单个路段内高速车辆的比例,改善其速度的不均匀,而且可根据相邻两路段限速值的配合减小其速度差,从而达到平滑交通流,在发生拥挤时,减少首尾冲撞,改善交通安全之目的。

2　控制模型、算法及评价根据以上提出的可变限速控制策略,可以建立相应的V SL 控制模型:如前所述,设高速公路分为N 小段,每小段包含一个可变限速标志及一组(或多组)可检测密度(占有率)和流量等的检测器。

第i 小段的代表占有率为O (i ),i 减少的方向为行车方向,那么第i 个限速标志的限速值v lin (i )应根据以下公式联合确定: v lin (i )={20,30,40,50,60,70,80,90,100}i =1,2,…,N(1) v lin (i )≤v up lin (i )　i =1,2,…,N(2) O (i )=f (O (i ,1),O (i ,2),…,O (i ,m i ))i =1,2,…,N 。

m i 为第i 段包含的检测器组数。

(3) v lin (i )=f (O (i ))　i =1,2,…,N(4) v lin (i )-v lin (i -1)≤p (i )　i =1,2,…,N(5)这里,式(1)表示限速值只能取根据实际情况规定的几个离散值。

式(2)表示限速值应小于或等于由气候条件、道路几何条件及事故条件所规定的最大限速值v up lin (i ),此值由管理人员通过控制台人工设置。

式(3)表示第i 段的代表占有率O (i )由该段包含的多组占有率值决定。

式(4)表示限速值是占有率O (i )的函数,一般用分段函数表示,其中当占有率小于临界占有率(对应于临界密度)时,可简单地以第85百分位限速来代替。

式(5)中的p (i )为路段i 与路段i -1的允许限速差,可以由管理人员根据经验确定,一般取10或20km h ,这样在拥挤或事故发生的情况下,仍能平滑交通流、延缓拥挤、减少首尾碰撞事故。

根据以上分析,各可变限速标志的实际限速值应为:v lin (i )=m in{v up lin (i ),f (O (i )),v lin (i -1)+p (i )}(6) 由式(6)可知,计算应从最下游路段开始。

以上模型和算法的实现可以采用集中式控制结构和分散式制结构两种结构[1],限于篇幅,不作展开。

一般来说,可变限速控制技术在出现拥挤或发生事故的时候具有明显的效果,然而进行这种实地试验是不安全的。

为了评价本文提出的可变限速控制策略及相关模型、算法的有效性,这里采用波动理论对高速公路运行状况进行仿真计算。

设有一条高速公路,每隔2.5km 设置一块可变限速标志,单向双车道,每条车道的通行能力为1800辆 h ,在某时刻,一条车道因事故而阻塞,事故位置距离上游可变标志1600m 。

发现及处理事故的时间t 1,t 2分别为6m in 和5m in ,事故发生时高速公路单方向交通量为2000辆 h 。

使用和不使用V SL 控制两种情况下交通状况的差29干宏程　孙立军:高速公路可变限速控制技术研究 2004年第6期别可以通过对排队长度及沿线速度分布的计算来分析。

假定此高速公路交通速度和密度基本符合线性关系,即v =v f 1-KK j。

式中:v f 为自由流速度,取为100km h ;K j ,取为144辆 h ,并假设一车道阻塞时剩余通行能力为1400辆 h 。

当不使用可变限速标志时,事故清除后的排队长度为L 1=(Q 1-Q 2)×(t 1+t 2)K 2-K 1=(2000-1400)×(110+112)128-24=1.06km式中:Q 1、Q 2分别为阻塞时的交通量和阻塞路段的通行能力;K 1和K 2为正常和阻塞时的密度。

事故发现时,事故上游的速度为83km h ,事故处的速度为11.11km h 。

这样大的速度差很容易引起二次事故。

当使用可变限速标志时,发现事故时的排队长度为 L 2=(Q 1-Q 2)×t 1K 2-K 1=(2000-1400)×110128-24=0.58km事故发现后,根据控制算法,事故上游第一块可变限速标志的限速值降低为40km h ,驾驶员到达事故地点的时间比不使用可变限速标志时要延长∃t =36001.6-L 240-1.6-L 283=48s 这相当于事故的处理时间减少了48s ,自然也就减轻了拥挤程度。

此外,根据控制算法,除事故上游第一块限速标志外,上游其他几块限速标志也将改变限速值,如图2所示。

这样交通流从高速区到事故处的低速区经过一定距离的减速、缓冲和平滑,减小了二次事故的可能性,降低了事故的影响程度。

3　结论及建议可变限速控制的作用最终还要取决于驾驶员的服从情况,具体进行可变限速控制时,如果能够利用可变情报板等提供一些辅助信息以使驾驶员了解交通状况,就能够增强驾驶员的服从性[3]。

其次,还应避免限速值的变化过于频繁。

此外,国外经验表明,检测器的性能往往影响可变限速控制系统的实施效果,这一点也是需要注意的。

本文介绍的V SL 控制策略、模型及算法针对我国高速公路和城市快速路运行的主要问题(拥挤和事故)而提出,用以缓解交通拥挤、改善行车安全,为国内应用V SL 技术提供了一个基本思路和理论支持。

实际应用V SL 技术之前,需要解决一系列关键问题,如临界密度值的确定、限速值与密度的函数关系的确定等。

此外,模型在对道路、交通、事故及环境等各种影响因素的整合方面,有待进一步研究,例如,如何更好地选取和引入各种环境影响变量对限速值计算公式加以改进。

参考文献1　陈建阳.高速公路可变限速标志的作用及控制.同济大学学报,1993,21(3):387～3912　Ch ristiane Steinhoff .D river percep ti ons and theeffectiveness of p reventative traffic m anagem ent strategies .P roc 7th W o rld Congress on IT S ,2000A Study on the Var i able Speed L i m its Technology for FreewaysGan H ong cheng ,S un L ijun(Key L ab .of Road and T raffic Engineering ,M inistry of Educati on at Tongji U niversity ,Shanghai 200092,Ch ina )Abstract :B ased on the traffic flow theo ry and the exp lo rati on on driver behavi o r ,th is paper analyzesthe reason s beh ind congesti on .T hen it p ropo ses real 2ti m e con tro l strategies of variab le speed li m its (V SL ),develop s a con tro l m odel and so lu ti on ,and has an evaluati on of the strategies .F inally ,it gives som e recomm endati on s and discu sses the research fields fo r V SL techno logies in the fu tu re .Key words :freew ays ,u rban exp ress w ays ,variab le speed li m its (V SL ),variab le speed sign s392004年第6期 干宏程　孙立军:高速公路可变限速控制技术研究。