韓君如

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行駛車(chē)輛擁堵測(cè)算法的研究及應(yīng)用

韓君如

（河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098）

隨著城市發(fā)展及車(chē)輛增加，交通擁堵現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重。特別是上下班期間通勤時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)，不但消耗人們大量時(shí)間，還造成交通成本升高，環(huán)境污染嚴(yán)重。通過(guò)研究車(chē)輛擁堵測(cè)算法來(lái)預(yù)知車(chē)輛擁堵信息，結(jié)合雷達(dá)測(cè)速技術(shù)及ITS（Intelligent Transportation Systems, ITS）信息技術(shù)，把車(chē)輛擁堵信息及時(shí)發(fā)布，讓可回避擁堵車(chē)輛的出行者提前做出正確的選擇出行方式。

安全行駛“三秒法則”；雷達(dá)測(cè)速技術(shù)；車(chē)輛擁堵測(cè)算法；擁堵路段最大承載量

1 交通擁堵現(xiàn)狀調(diào)查及分析

1.1 交通擁堵現(xiàn)狀及危害

交通擁堵就是車(chē)輛過(guò)多擁擠造成車(chē)輛難以行進(jìn)的現(xiàn)象，隨著城市化的快速推進(jìn)，城市區(qū)域不斷擴(kuò)大，城市人口大量涌入，車(chē)輛增速加快，交通堵塞現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重。給人們的工作效率和生活質(zhì)量造成巨大影響，低速行駛所造成的能源浪費(fèi)和環(huán)境污染給國(guó)家造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。車(chē)輛管理質(zhì)量的提升與車(chē)輛需求增加的矛盾已成為社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)，成為阻礙城市發(fā)展的“頑疾”。

1.2 分析擁堵路段的根源及對(duì)策

導(dǎo)致交通擁堵的原因有很多，但是最直接的原因是進(jìn)入道路的車(chē)輛超出了該路段的承載能力，主要表現(xiàn)在交叉路口的承載量上。交叉路口是不同方向道路的疊加，為滿(mǎn)足不同方向的車(chē)輛通行，必須采取分時(shí)通斷的管理方式，這就使同車(chē)道在交叉路口的承載運(yùn)輸能力下降。因此，怎樣測(cè)算擁堵路段的最大承載量是解決問(wèn)題的前提條件，對(duì)進(jìn)入擁堵路段的車(chē)輛行駛狀態(tài)的檢測(cè)推斷車(chē)輛是否開(kāi)始擁堵，這是預(yù)知擁堵的關(guān)鍵，把車(chē)輛擁堵信息及時(shí)發(fā)布，讓出行者提前回避，合理選擇出行方式，達(dá)到消散擁堵的目的。

2 解決車(chē)輛擁堵方案

由上分析可知，解決交通擁堵的原則就是如何實(shí)現(xiàn)讓可回避擁堵車(chē)輛提前預(yù)知路段擁堵信息而主動(dòng)避開(kāi)擁堵路段。采取的方案共分為三部分：首先實(shí)時(shí)測(cè)算出路段通行的最大承載量；第二把最大承載量轉(zhuǎn)化為擁堵信號(hào)發(fā)布出來(lái)；第三可回避車(chē)輛及時(shí)獲得擁堵信息主動(dòng)變更行駛路線(xiàn)。國(guó)際上流行一種車(chē)輛行駛“三秒法則”，其本質(zhì)都是出于安全，但是測(cè)算效果比較認(rèn)可?！叭敕▌t”最初由北美流行的“二秒法則”發(fā)展而來(lái)，它是根據(jù)人的反應(yīng)速度（時(shí)間）+踩制動(dòng)踏板開(kāi)始到制動(dòng)起作用的時(shí)間+車(chē)輛制動(dòng)開(kāi)始到停止的時(shí)間，得出的安全間隔距離。試驗(yàn)證明，車(chē)速36km/h的剎停距離為3.5m，而54km/h的剎停距離則增大為13m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于我們平時(shí)理解的距離。所以，開(kāi)車(chē)時(shí)一定要保持3秒的安全行車(chē)距離。

3 擁堵路段車(chē)輛行駛狀態(tài)的測(cè)算方法

交通擁堵的地點(diǎn)一般發(fā)生在交叉路口或路險(xiǎn)階段，表現(xiàn)狀態(tài)都是車(chē)輛由少到多的積聚，是一個(gè)漸變過(guò)程，而對(duì)于進(jìn)入擁堵路段的車(chē)輛來(lái)說(shuō)就是運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化，都有一個(gè)加速啟動(dòng)和減速停車(chē)的過(guò)程。對(duì)于多車(chē)道的路段只需測(cè)算直行車(chē)道，分流車(chē)輛總是占少數(shù)，不影響通行擁堵的判斷，路段承載量也是指直行車(chē)道的縱向車(chē)輛數(shù)，即綠燈期間紅燈截留車(chē)輛以及正在進(jìn)入的車(chē)輛均能夠正常通過(guò)的車(chē)輛數(shù)，當(dāng)承載量達(dá)到最大承載量時(shí)車(chē)輛開(kāi)始擁堵。通過(guò)最大承載量推算出擁堵路段的距離，進(jìn)一步確定造成擁堵?tīng)顟B(tài)的最后一輛車(chē)的檢測(cè)位置，即安裝測(cè)速裝置的地方。反之，測(cè)速裝置對(duì)經(jīng)過(guò)該地點(diǎn)的車(chē)輛進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，判斷車(chē)輛是否處于制動(dòng)減速狀態(tài)，推算路段進(jìn)入擁堵?tīng)顟B(tài)。

下面典型實(shí)例來(lái)說(shuō)明最大承載量的測(cè)算及行駛車(chē)輛狀態(tài)的檢測(cè)：

車(chē)速40km／h路段，如果從40km／h（v=11)速度在3秒(t=3)內(nèi)停下來(lái)，減速度a=3.67m/s2(v=at)，安全停車(chē)距離是16.5米(v2=2as)。如果前車(chē)是20km／h（5.6m/s)速度3秒中內(nèi)減到與前一樣的速度就可以安全行駛，減速度1.9m/s2。如果前后車(chē)速差10km／h（2.8m/s)，減速度0.9m/s2(a=(v1-v2)/2)，由此推斷，如果減速度大于或超過(guò)3.67m/s2就說(shuō)明開(kāi)始停車(chē)了。小車(chē)停車(chē)占距5米，大車(chē)占距8米，每車(chē)平均7米距離計(jì)算。

假設(shè)紅燈截留時(shí)間為60秒，車(chē)輛行駛安全間距是3秒，每車(chē)身占7米，自身通過(guò)時(shí)間0.63秒，每車(chē)通過(guò)時(shí)間是3+0.63=3.63秒，計(jì)算出截留輛車(chē)是16，排隊(duì)長(zhǎng)度7*16=112米，第17輛車(chē)壓住112米之線(xiàn)就是紅燈熄滅的時(shí)刻，因此112米可以作為車(chē)輛擁擠（開(kāi)始擁擠向堵塞過(guò)渡）的閥值，該地點(diǎn)就是安裝車(chē)輛擁堵的測(cè)速裝置。如果第17輛車(chē)開(kāi)始減速，經(jīng)過(guò)112米逐漸減速，到達(dá)路口停止線(xiàn)時(shí)，紅燈又亮了，等于說(shuō)這輛車(chē)遭遇兩次紅燈，即從第一次紅燈滅之前開(kāi)始減速，經(jīng)過(guò)一個(gè)綠燈時(shí)間的減速，剛好到達(dá)停止線(xiàn)時(shí)第二次紅燈開(kāi)始亮了。就可斷定，從這輛車(chē)開(kāi)始道路進(jìn)入擁擠狀態(tài)。

進(jìn)入112米的車(chē)輛減速持續(xù)到停止線(xiàn)的減速度0.54m/s2(v2=2as，v=40km／h，a是減速度，s=112m)，得出結(jié)論：減速度大于0.54m/s2時(shí)車(chē)輛，壓112米線(xiàn)，擁擠開(kāi)始。

習(xí)慣上車(chē)輛經(jīng)過(guò)兩次的紅燈亮就可認(rèn)定為車(chē)輛擁堵，如果前面交叉路口紅燈截止車(chē)輛排了112米，后來(lái)車(chē)輛繼續(xù)減速排隊(duì)到兩個(gè)112米位置，即224米，該地點(diǎn)就是安裝車(chē)輛堵塞的測(cè)速裝置，224米就是車(chē)輛堵塞的閥值，只要在224米線(xiàn)的車(chē)輛減速度大于0.54m/s2時(shí)第二周期的紅燈開(kāi)始亮。

結(jié)論：壓224米線(xiàn)，減速度大于0.54m/s2時(shí)車(chē)輛，車(chē)輛開(kāi)始堵塞(v2=2as)，下表1（Tab1)描述的截留車(chē)輛從第一輛車(chē)開(kāi)始依次停車(chē)的過(guò)程。

4 測(cè)算方案可行性

4.1 雷達(dá)測(cè)速技術(shù)

[2]雷達(dá)測(cè)速是一種應(yīng)用廣泛而成熟的技術(shù)雷達(dá)測(cè)速具有測(cè)速技術(shù)成熟、性?xún)r(jià)比較高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)測(cè)速范圍比較大，這樣對(duì)安裝位置的要求相對(duì)較低。雷達(dá)測(cè)速是基于多普勒原理，當(dāng)雷達(dá)波束射到移動(dòng)目標(biāo)時(shí)，其反射信號(hào)將攜帶目標(biāo)的速度信息，由檢測(cè)器通過(guò)算法獲取目標(biāo)與雷達(dá)的相對(duì)速度。最新出臺(tái)的MPR-MU系列多目標(biāo)多車(chē)道定位跟蹤測(cè)速雷達(dá)是業(yè)界推出的第一款該類(lèi)卡口雷達(dá)，可安裝于檢測(cè)車(chē)道上方任意位置，實(shí)時(shí)跟蹤觀測(cè)區(qū)域內(nèi)1~4車(chē)道所有行駛車(chē)輛，并在車(chē)輛抵達(dá)指定位置時(shí)給出車(chē)輛速度及觸發(fā)信號(hào)?；谕瑯拥脑恚笤跈z測(cè)區(qū)內(nèi)對(duì)車(chē)輛進(jìn)行多次采樣，計(jì)算出車(chē)速及速度的變化率，并把數(shù)據(jù)上傳到系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理中心。

4.2 車(chē)輛擁堵測(cè)算法具有較大的冗余性和適應(yīng)性

由于車(chē)輛的復(fù)雜性和瞬時(shí)性都比較大，難得找到一個(gè)公式或精確數(shù)字來(lái)作出車(chē)輛擁堵的邏輯判斷，事實(shí)上也沒(méi)有必要力求十分準(zhǔn)確，因?yàn)檐?chē)輛擁堵本身就是一個(gè)不確定概念，沒(méi)有十分明確的數(shù)字界定。前面進(jìn)行測(cè)算的依據(jù)也是一個(gè)定性的概念，但是理論的推導(dǎo)是確切的，從而說(shuō)明這種方法是可行的，具有較大的冗余性，因?yàn)閷?duì)前提條件的要求較寬。雷達(dá)測(cè)速很準(zhǔn)確但是范圍可達(dá)一兩百米，對(duì)安裝位置的要求不需要十準(zhǔn)確。可以充分發(fā)揮軟件的智能作用，盡量把因素考慮更全一些，發(fā)出信息更切合實(shí)際的需要，總之這種測(cè)算方法是一種簡(jiǎn)便有效的測(cè)算方法，具有較強(qiáng)的操作性和實(shí)踐性。

5 解決車(chē)輛擁堵具有較大的現(xiàn)實(shí)意義

有數(shù)據(jù)分析每車(chē)輛在市區(qū)行駛因堵車(chē)所消耗油量不少每天1升，截止2017年我國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)量突破3億輛，北京突破5百萬(wàn)輛。歐洲每年因交通事故造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)500億美元之多，20世紀(jì)90年代對(duì)倫敦進(jìn)行的一次檢測(cè)報(bào)告證明大氣中74%的氮氧化物來(lái)自汽車(chē)尾氣排放。系統(tǒng)的深入分析和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為交通規(guī)劃或城區(qū)改造提供有力的科學(xué)依據(jù)，積極推動(dòng)智能交通發(fā)展，由此分析，經(jīng)濟(jì)效益不可估量。

[1] 楊楠.城市交通擁堵的危害及原因分析[A]中共錦州市委黨校,《中國(guó)市場(chǎng)》.(2014)42-0100-02.

[2] 李明.雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別技術(shù)研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)分析[J].現(xiàn)代雷達(dá), 2010,32(10):1-8.[2018.4]http://kns.cnki.net/kns/ViewPage/viewsave.aspx.

Research and application of vehicle congestion calculation method

Han Junru

（School of Civil Engineering and Transportation, University of Ocean, Jiangsu Nanjing 210098）

with the development of cities and the increase of vehicles, traffic congestion is becoming more and more serious. In particular, commuting time during the commuting period will be prolonged, which will not only consume a lot of time, but also lead to higher traffic costs and serious environmental pollution. Through the study of vehicle congestion calculation method to predict vehicle congestion information, combined with radar speed measurement technology and ITS (Intelligent Transportation Systems, ITS) information technology, the vehicle congestion information is released in time, so that the travelers who can avoid congestion vehicles make the correct choice of travel mode in advance.

safe driving "three seconds rule"; radar speed measurement technology; vehicle congestion measurement algorithm; maximum bearing capacity of congested roads

B

1671-7988(2018)16-53-02

U462.1

B

1671-7988(2018)16-53-02

CLC NO.: U462.1

韓君如，男，就讀于河海大學(xué)土木與交通學(xué)院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.16.019