張 珊 張存?！?李 薇

(1.武漢理工大學(xué)智能交通系統(tǒng)研究中心 武漢 430063；2.云南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院 昆明 650041)

0 引 言

霧的存在會導(dǎo)致道路能見度下降，駕駛員產(chǎn)生猶豫、錯覺，給高速公路的交通安全和通行效率帶來負面影響。2016年，我國因霧引起的高速公路交通事故共192起，單起事故死亡率高達86.5%[1]，遠大于雨、雪等其他不良天氣，其嚴重的死傷率、巨大的經(jīng)濟損失引起了社會各界的廣泛重視。N.Chakrabartya等[2]認為霧天環(huán)境的低能見度會削弱駕駛員對周圍道路信息的感知、判斷和預(yù)測能力；若路面濕滑，則水分子和塵土、油污等雜質(zhì)結(jié)合附著在道路表面，使道路摩擦系數(shù)下降，車輛易行駛打滑、制動距離延長[3]；一旦道路擁擠，則更易發(fā)生追尾、碰撞事故[4]，降低了霧天行車的安全性。同時，駕駛員趨向于謹慎駕駛[5]；采用更小的自由流速度和加減速，道路通行能力有一定程度的下降[6-7]。

限速是保障高速公路霧天交通安全的重要手段，我國《道路交通安全法實施條例》[8]規(guī)定了不同能見度下車輛限速及相關(guān)措施，但其本質(zhì)是固定限速方式，不能根據(jù)天氣和交通流狀態(tài)實時對限速值進行動態(tài)調(diào)整，具有一定的局限性，因此，基于實時交通流運行狀態(tài)檢測的可變限速控制技術(shù)逐步發(fā)展起來。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(tài)進行人工干預(yù)，從而達到改善交通流運行狀態(tài)、緩解道路擁堵、提升行車安全的目的[9-10]。國內(nèi)外學(xué)者也對霧天環(huán)境下高速公路可變限速控制做了一定的研究。李長城等[11]通過分析京港澳高速公路實測數(shù)據(jù)，建立了霧天車輛平均行駛速度綜合預(yù)測模型；J.Perrin等[12]通過收集美國猶他州高速公路近3年的歷史數(shù)據(jù)，建立不良能見度下的信息系統(tǒng)ADVISE，通過可變信息牌向駕駛員提示當前能見度下的限速值；楊鑫宇等[13]針對不同設(shè)計速度的高速公路，在考慮能見度距離和單車道交通流量的基礎(chǔ)上，對車輛進行分車道、分車型限速，但限速方法較為單一，難以適應(yīng)實時變化的道路交通環(huán)境；S.Choi等[14]提出了1套可變限速控制的邏輯算法，使用K-最近鄰算法預(yù)測下1個周期的氣象、交通流數(shù)據(jù)，根據(jù)邏輯規(guī)則算法得出限速值，并在Vissim軟件中進行仿真驗證，但未考慮相鄰路段或相鄰周期限速值銜接問題。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者對霧天環(huán)境下高速公路的可變限速控制方法做了一定的研究，但仍存在以下不足：①研究大多針對平流霧(分布范圍較廣、能見度較均勻的霧氣)，較少考慮到團霧(覆蓋范圍小、可在短時間內(nèi)使能見度迅速下降的霧氣)的特點；②已有的控制方法較少考慮到交通流因素，相鄰控制周期或相鄰路段的限速值差異較大，在銜接處因車輛突然加減速而發(fā)生交通波動，易產(chǎn)生交通沖突。

基于此，在現(xiàn)有可變限速控制的基礎(chǔ)上，提出霧天環(huán)境下高速公路可變限速控制方案，包含系統(tǒng)布置、工作流程，以及可變限速控制策略，根據(jù)實時能見度和交通流數(shù)據(jù)，考慮最大安全車速、交通流運行狀態(tài)、駕駛員遵從度等因素，綜合確定目標路段的限速值，并從安全和效率2個方面對可變限速控制的實施效果進行評價，為保障霧天環(huán)境下高速公路的交通運行提供技術(shù)支持。

1 霧天環(huán)境下高速公路可變限速控制系統(tǒng)的總體方案

1.1 系統(tǒng)組成

霧天環(huán)境下的高速公路可變限速控制系統(tǒng)主要包含4個部分：交通流檢測器、氣象檢測器、可變限速控制器和可變限速發(fā)布系統(tǒng)。

交通流檢測器用來收集車速、流量和占有率等交通流數(shù)據(jù)；氣象檢測器用于收集能見度等氣象數(shù)據(jù)；可變限速控制器根據(jù)實時交通流、氣象數(shù)據(jù)對各路段的限速值進行計算和優(yōu)化，可變限速發(fā)布系統(tǒng)包括路側(cè)的可變限速信息牌和針對此項功能開發(fā)的電子地圖、手機APP功能模塊等。

目前，在實際工程應(yīng)用中，交通流檢測器和氣象檢測器布設(shè)的較為均勻，可變限速信息牌通常布置在事故高發(fā)區(qū)或霧氣多發(fā)區(qū)。同時，由于交通流運行狀態(tài)和道路能見度會隨著時間、空間而變化，需要根據(jù)道路線性、氣象環(huán)境特征、系統(tǒng)維護成本和檢測器安裝位置等因素對高速公路進行分段，每條路段長度通常在1.0～3.0 km，不含可變限速信息牌的路段使用電子地圖或手機APP功能模塊進行限速值的發(fā)布。在各路段的開始處安裝交通流檢測器和氣象檢測器，用于收集路段的相關(guān)數(shù)據(jù)；各檢測器通過有線或無線的方式與可變限速控制器相互通信；可變限速控制器完成相關(guān)計算及優(yōu)化后，將當前控制周期下路段的限速值顯示在可變限速發(fā)布系統(tǒng)中。系統(tǒng)示意圖見圖1。

圖1 霧天環(huán)境下高速公路可變限速控制系統(tǒng)示意圖

1.2 系統(tǒng)工作流程

霧天環(huán)境下高速公路可變限速控制系統(tǒng)的工作流程如下。

1) 使用交通流檢測器、氣象檢測器收集當前路段的實時交通流、氣象數(shù)據(jù)，并傳輸至可變限速控制器。

2) 由可變限速控制器對數(shù)據(jù)進行分析判斷，設(shè)定的條件為當控制范圍內(nèi)任一路段的實時能見度低于250 m時，則需啟動可變限速控制。若進行可變限速控制，則由可變限速控制器對限速值進行計算及優(yōu)化；若不進行可變限速控制，則使用路段固定限速值對車輛速度進行控制。

3) 將目標路段在當前控制周期下的限速值顯示在可變限速發(fā)布系統(tǒng)中。

4) 若當前控制周期結(jié)束，則進入下1周期，并重復(fù)上述過程；否則可變限速發(fā)布系統(tǒng)中顯示步驟3中的限速值。

具體工作流程見圖2。

圖2 霧天環(huán)境下高速公路可變限速系統(tǒng)工作流程

2 霧天環(huán)境下高速公路限速值計算及可變限速控制策略

限速值的確定應(yīng)同時考慮實時能見度和交通流運行狀態(tài)，通過判斷其當前流量是否超過通行能力，從而制定不同的控制策略。限速值的取值應(yīng)慎重，若限速值設(shè)置的過高，則不能保證道路行車的安全性；若限速值設(shè)置的過低，降低道路的通行能力的同時，也會使駕駛員對限速值的遵從度下降。同時，頻繁的改變限速值，會使交通流產(chǎn)生較大波動，導(dǎo)致車輛沖突增多，也會增加汽車尾氣的排放量。

可變限速控制啟動后，按照以下流程確定各路段限速值。

1) 根據(jù)道路實時能見度和路段固定限速值確定路段i在下一循環(huán)周期(t+1)的最大安全速度。

vs(i,t+1)=min{vp,v0(i,t+1)}

(1)

式中：vp為高速公路路段的固定限速值。目前在實際工程中，高速公路主線限速值為100～120 km/h，隧道、橋梁處為60～80 km/h[15]；v0(i,t+1)為基于停車視距模型計算的車輛限速值。當車輛行駛時，駕駛員發(fā)現(xiàn)前方有車輛減速或障礙物而采取緊急剎車措施時，車輛制動至前車或障礙物前完全停車的最短距離稱為停車視距。車輛制動減速過程見圖3。

圖3 車輛制動減速過程示意圖

為確保后車能夠安全停車，需滿足：

L1(t0)+L2(t)-L3(t0+t)≤LJ

(2)

式中：L1(t0)為后車在駕駛員反應(yīng)時間t0內(nèi)的行駛距離；L2(t)為后車在制動時間t內(nèi)的行駛距離；L3(t0+t)為前車在(t0+t)內(nèi)行駛的距離；LJ為能見度距離。

考慮最不利的情況，在交通事故、貨物散落的情況下，前面障礙物處于靜止狀態(tài)，即L3(t0+t)=0，此時，后車能夠安全停車的條件為

L1(t0)+L2(t)≤LJ

(3)

目前學(xué)者們對駕駛員反應(yīng)時間做了大量的研究，多數(shù)分布在1.0～2.5 s之間。史桂芳等[16]針對霧天場景在專業(yè)試車場進行試驗，要求駕駛員看到警示燈隨機亮起而采取制動措施，測得反應(yīng)時間t0取值在2.0～2.5 s之間可滿足大部分駕駛員的需求，為保證安全，取反應(yīng)時間為2.5 s。

通過對駕駛員反應(yīng)時間和制動距離的分析計算，選取霧天環(huán)境下車輛限速值的計算公式為

(4)

2) 判斷路段i的當前流量是否超過其通行能力。即判斷檢測的路段i的實時占有率是否超過占有率閾值osw[17](osw的建議范圍：10.0%～12.5%)。

①路段i的限速值不超過式(4)中計算的最大安全速度為

vlim(i,t+1)≤vs(i,t+1)

(6)

②同一控制周期內(nèi)，相鄰路段的限速值差值不應(yīng)超過20 km/h。

|vlim(i,t+1)-vlim(i-1,t+1)|≤20 km/h

(7)

若速度差值超過20 km/h，則路段i及其上游的限速值應(yīng)重新選取、計算。

③同一路段中，相鄰控制周期的限速值差值不應(yīng)超過20 km/h。

|vlim(i,t+1)-vlim(i,t)|≤20 km/h

(8)

如果速度差值超過20 km/h，則路段i的限速值應(yīng)重新計算。此時應(yīng)當注意，若路段i在時刻(t-1)因能見度較高而限速值較大，而在時刻t因能見度驟然下降使限速值變低，無法滿足式(8)，為保證高速公路行車的安全性，以及考慮時間序列的不可逆性，時刻(t+1)的限速值應(yīng)仍取式(1)計算的最大安全車速。

3) 霧天環(huán)境下高速公路的限速值通常在40～120 km/h內(nèi)[8]。通過對霧天環(huán)境下大量實測數(shù)據(jù)進行分析，得出路段限速值與駕駛員實際行車速度的關(guān)系，見圖4。

圖4 路段限速值和實際行車速度的關(guān)系

當限速值為110 km/h時，約有14.8%的駕駛員會超過限速值，平均超速9.35 km/h；當限速值為80 km/h時，約有29.69%的駕駛員會超過限速值，平均超速9.62 km/h。由此可以看出，當限速值降低時，車輛的實際行駛速度超過限速值的比例將會增大，平均行駛速度會超過限速值約10 km/h，與Lu X. Y.[19]關(guān)于駕駛員遵從度的研究結(jié)果類似。同時，為了方便管理以及保持系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，限速值應(yīng)取整數(shù)且為10的倍數(shù)，即vlim(I,t+1)∈{40,50,60,…,100,110}。

以上，可變限速控制策略見圖5。

圖5 霧天環(huán)境下高速公路可變限速控制策略

可變限速控制策略在高速公路系統(tǒng)運行一段時間后，收集相關(guān)道路交通流信息，從安全和效率的角度對可變限速控制的實施效果進行評價。交通安全方面選取相鄰路段速度差作為評價指標，交通效率方面選取路段平均速度作為評價指標，綜合評價可變限速控制的實施效果。

3 實驗及分析

3.1 實驗方案

G4高速公路是1條連接北京和珠海的南北向高速公路。選取其湖北省內(nèi)部分路段(里程樁號K1239+500—K1250+56)的真實氣象、交通流數(shù)據(jù)在Vissim軟件中構(gòu)建霧天場景，進行對比仿真實驗。選擇路段長約10 km，根據(jù)道路線型等因素分為8個路段，編號1,2,…,8。路段固定限速值為120 km/h。

為驗證不同霧天場景下，可變限速控制方法的有效性，構(gòu)建了平流霧和團霧2種場景。平流霧分布范圍較廣且能見度較為均勻，團霧的分布范圍僅為幾百米，且能在短時間內(nèi)快速移動使道路能見度迅速下降，造成駕駛員心理恐慌，易發(fā)生追尾、碰撞事故。2組對比仿真實驗如下。

第一組。平流霧環(huán)境下，有/無可變限速控制。能見度分布見表1。

表1 平流霧環(huán)境下路段的能見度分布

第二組。團霧環(huán)境下，有/無可變限速控制。能見度分布見表2。

表2 團霧環(huán)境下路段的能見度分布

交通量在時間和空間上并不統(tǒng)一；選取控制周期為5 min。仿真時長為90 min，前30 min為預(yù)熱期，待車輛充分布滿路網(wǎng)。

3.2 實驗結(jié)果及分析

不同霧天環(huán)境、不同控制策略下，高速公路路段的平均車速見圖6～7。

不同霧天環(huán)境、不同控制策略下，高速公路相鄰路段在同一控制周期下的速度差見圖8。

平流霧與團霧、可變限速控制與無可變限速控制下，數(shù)據(jù)比較見表3。

從上述實驗結(jié)果中，可以得到如下結(jié)論。

1) 視能見度較低或交通較為擁擠的路段為瓶頸路段。無論是否運行可變限速控制策略，隨著道路能見度的下降，路段的平均速度均會呈現(xiàn)一定程度的減小。

圖6 平流霧環(huán)境下路段的平均速度

圖7 團霧環(huán)境下路段的平均速度

2) 實行可變限速控制，可以提高路段的最低車速，減少相鄰路段的最大車速差，改善瓶頸路段的通行能力，平滑交通流。

3) 提出的可變限速控制方法，在不同霧天環(huán)境下，均可有效地改善交通運行狀態(tài)，使車輛速度趨于同質(zhì)化，交通流運行狀態(tài)更加穩(wěn)定，團霧環(huán)境下相鄰路段最大車速差下降比例更為明顯。

圖8 同一控制周期下相鄰路段速度差

平流霧無可變限速控制可變限速控制改變比例/%團霧無可變限速控制可變限速控制改變比例/%最低車速/(km/h)47.35(路段455～60min)60.25(路段555～60min)提高27.2442.39(路段455～60min)54.49(路段455～60min)提高28.54 同一控制周期下相鄰路段最大車速差/(km/h)43.1831.77降低26.4243.6125.33降低41.91備注 車輛速度的離散性較大 當能見度下降時,車速急劇下降,并且排隊向上游蔓延

4 結(jié) 論

1) 在現(xiàn)有可變限速控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究了霧天環(huán)境下高速公路可變限速控制系統(tǒng)的組成、工作流程及控制策略。

2) 根據(jù)道路實時能見度和交通流運行狀態(tài)，考慮實測駕駛員遵從度的情況下，制定不同的可變限速控制策略，并從安全和效率2個方面，對可變限速控制的實施效果進行評價。在平流霧和團霧的環(huán)境下，提出的可變限速控制策略均可有效的提高最低車速、減小相鄰路段最大車速差，有利于保障霧天環(huán)境下高速公路系統(tǒng)安全、高效的運行。

3) 不同的道路環(huán)境下，占有率閾值及限速值折減系數(shù)應(yīng)有一定的差異，在此未進行深化研究。

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