CN111275974B - 一种高速公路施工区动态限速推荐值计算方法 - Google Patents

一种高速公路施工区动态限速推荐值计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高速公路施工区动态限速推荐值计算方法，(1)采集交通量、车辆平均行驶速度以及车辆到施工区的距离；(2)利用采集的数据建立数据库；(3)根据数据库计算得到道路密度和排队长度，根据车流波动理论，建立车流的连续性方程，利用车流的连续性方程计算得到施工区上游过渡段的交通波速；(4)根据交通波速来判断施工区车流是否会发生拥堵，当会发生拥堵时，通过道路密度及排队长度，在施工区可变限速控制条件下，计算得到期望车速，将所述的期望车速作为高速公路施工区动态限速推荐值。本发明为驾驶人提供及时、充分的路况信息，通过提供高速公路施工区动态速度推荐值来引导驾驶人安全行车，减少交通事故，提高通行能力。

Description

一种高速公路施工区动态限速推荐值计算方法
技术领域
本发明属于交通安全技术领域，具体涉及一种高速公路施工区动态限速推荐值计算方法。
背景技术
随着我国综合国力的增强，“以人为本”的理念不断深入，高速公路的安全必将是未来的关注重点。但高速公路的施工区段历来是高速公路事故的频发路段。而高速公路施工作业区主要存在的问题之一就是施工区速度分布不均匀，主要表现在以下几个方面：
1.施工环境下的高速公路作业段是事故常发区，而驾驶员超速驾驶是造成事故的重要原因。因为超速行驶的车辆在突发事件发生时会出现突然地减速使得速度一下由自由流车速降低到较低车速，导致上游路段车流的速度出现不均匀分布从而造成车流拥挤，进而引发二次碰撞事故。
2.我国目前施工区的限速方法不合理，当前，常用的限速方法主要是在高速公路主线设置统一的限速值，然而针对不同的交通环境，该方法显然不能达到有效限速的目的。实际上，我国高速公路交通环境具有多样性的特点，受施工、天气、驾驶员等多重因素的影响，因此单一静态的限速方案具有很大的局限性。
3.限速标准不合理。国内的限速标准一般是基于设计时速设定的，而设计时速考虑的是理想条件下的情况，不具有普适性。在实际中，限速值的设定需要考虑多种因素，针对不同的交通环境设定不同的限速值。因此基于设计车速的限速标准往往会使驾驶员实际车速与期望车速相背离，极大浪费了高速公路的资源。
4.限速数目不合理。限速数目是指在高速公路特定路段布置限速标志的数量，限速标志的数目不仅要满足一定的安全需求，同时也要考虑成本因素。以成本最小为前提设置最合理的限速标志，从而达到提高行车安全的目的。
5.限速标志设置位置不科学。大部分高速公路限速标志设置比较随意，只是主观的选取一些事故常发点进行布设，而缺乏对动态限速标志具体布设算法的讨论。
基于以上背景，研究一种高速公路施工区动态速度推荐值计算方法，可以为驾驶员提供施工区动态限速值的充分信息，使驾驶员全面了解前方施工区路况，有效降低高速公路施工区的事故率。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种高速公路施工区动态限速推荐值计算方法，为驾驶人提供及时、充分的路况信息，通过提供高速公路施工区动态速度推荐值来引导驾驶人安全行车，减少交通事故，提高通行能力。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种高速公路施工区动态限速推荐值计算方法，包括如下步骤：
(1)选取研究的施工路段上游过渡区作为数据采集目标区域，采集交通量、车辆平均行驶速度以及车辆到施工区的距离；
(2)利用步骤(1)采集的数据建立数据库；
(3)将高速公路划分为多个路段，每个路段长度相同，单个路段上限速值相同；根据步骤(2)数据库中的数据计算得到道路密度和排队长度，根据车流波动理论，建立车流的连续性方程，利用车流的连续性方程计算得到施工区上游过渡段的交通波速；
(4)根据步骤(3)中得到的交通波速来判断施工区车流是否会发生拥堵，当会发生拥堵时，通过道路密度及排队长度，在施工区可变限速控制条件下，计算得到期望车速，将所述的期望车速作为高速公路施工区动态限速推荐值。
所述步骤(2)中，利用步骤(1)采集的数据建立数据库时，对步骤(1)中的数据进行处理，剔除不合理的数据，并利用卡方检验方法验证数据的有效性，以有效数据作为数据库数据。
步骤(2)中，道路密度通过下式计算得到：
Figure BDA0002392015190000031
其中，ρm(k+1)指的是k+1时段内路段m的道路密度；ρm(k)指的是k时段内路段m的道路密度；T0为时间步长；Lm为路段m的的长度；qm-1(k)为k时段内驶出路段m前一路段的交通量；qm(k)为k时段内驶出路段m的交通量；
Figure BDA0002392015190000032
为k时段内驶入路段m的车辆数；
Figure BDA0002392015190000033
为k时段内驶出路段m的车辆数。
步骤(2)中，排队长度通过下式计算得到：
Figure BDA0002392015190000034
其中，Dm(k+1)指的是k+1时段内路段m的排队长度；Dm(k)指的是k时段内路段m的排队长度；T0为时间步长；qm-1(k)为k时段内驶出路段m前一路段的交通量；qm(k+1)为k+1时段内驶出路段m的交通量；
Figure BDA0002392015190000035
为k时段内驶入路段m的车辆数；
Figure BDA0002392015190000036
为k时段内驶出路段m的车辆数；ρjam为路段的拥挤密度；ρm(k+1)指的是k+1时段内路段m的道路密度；Lm为路段m的的长度；ρm(k+1)指的是k+1时段内路段m的道路密度；ρm(k)指的是k时段内路段m的道路密度。
步骤(3)中，则施工区上游过渡段的交通波速vw为：
Figure BDA0002392015190000037
式中：vw指的是车流波速(km/h)；吁指的是车流畅行通过的速度(km/h)；ρj为第j段的车流密度(辆/km)；qj-1指的是第j-1段的交通量(辆/h)；v1指第j-1段车速(km/h)；qj指的是第j段的交通量(辆/h)；v2指第j段车速(km/h)。
步骤(4)中，根据步骤(3)中的得到的交通波速来判断施工区车流是否会发生拥堵时，根据车流波动理论，如果交通波速为负值，此时发生拥堵。
步骤(4)中，期望车速通过下式计算得到：
Figure BDA0002392015190000041
其中，V(ρm(k))为k时段路段m的期望车速；vfree，m为路段m的自由流速度；am为模型参数；ρm(k)指的是k时段内路段m的道路密度；ρcr，m为路段m的临时密度。
步骤(4)中，期望车速通过下式计算得到：
Figure BDA0002392015190000042
其中，V(ρm(k))为k时段路段m的期望车速；vfree，m为路段m的自由流速度；am为模型参数；ρm(k)指的是k时段内路段m的道路密度；ρcr，m为路段m的临时密度；α为不遵守限速值的车辆比例；VL，m(k)为k时段路段m的限速值。
交通量、道路密度和车辆平均行驶速度关系如下：
qm(k)＝ρm(k)vm(k)
其中，qm(k)为k时段内驶出路段m的交通量；ρm(k)为k时段路段m的交通流密度；vm(k)为k时段路段m的平均速度。
k时段路段m的平均速度通过下式计算：
Figure BDA0002392015190000043
其中，vm(k+1)指的是k+1时段内路段m的平均速度；vm(k)为k时段路段m的平均速度；T0为时间步长；τ为因前方交通流密度变化导致的滞后时间；V(ρm(k))为k时段路段m的期望车速；Lm为路段m的长度；vm-1(k)为k时段路段m前一路段的平均速度；η，κ为模型参数；ρm(k+1)指的是k+1时段内路段m的道路密度；ρm(k)指的是k时段内路段m的道路密度。
本发明具有如下有益效果：
本发明的高速公路施工区动态限速推荐值计算方法从车流波动理论和交通流理论的两个重要方面两个方面着手分析，利用动态交通流模型解决问题，并最终得出了一种高速公路施工区动态限速推荐值方法，本发明的有益效果主要体现在：(1)本发明方法从动态限速的角度研究高速公路施工区的限速情况评价方法考虑因素更加全面，且该方法使得计算出的限速值更具有针对性，这解决了传统的静态限速方法存在的由于单一且不能根据实际交通流的变换而导致交通拥堵的问题；(2)本发明首次将动态交通流模型应用于施工路段的动态限速值计算中，拓展了动态交通流理论的应用范围。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例说明如下。
本发明针对施工路段行车条件复杂，交通安全影响因素复杂等特点，利用车流波动理论和动态交通流理论，综合考虑施工区车辆运行的交通流特性，提出一种高速公路施工区动态限速推荐值计算方法。
本发明高速公路施工区动态限速推荐值计算方法，包括以下步骤：
(1)选取研究的施工路段上游过渡区作为数据采集目标区域，采集交通量、车辆平均行驶速度以及车辆到施工区的距离；
(2)对步骤(1)中的数据进行处理，剔除不合理的数据，并利用卡方检验方法验证数据的有效性，以有效数据作为数据库数据；
(3)根据步骤(2)数据库中的数据计算得到道路密度和排队长度，根据车流波动理论，建立车流的连续性方程。根据车流波动理论，如果交通波速vw为负值，波的方向与车流方向相反，此时车辆后涌，开始排队，发生拥堵。从安全角度上看，交通波速vw为负值时，反向交通波与正向交通流产生冲击，必然影响对上游路段的交通安全产生影响。为准确描述高速公路交通流的动态传播过程，需要将高速公路划分为多个路段，每个路段长度相同，长度可设为1公里，单个路段上限速值相同，路段编号为1-2-…-i-…-j-…。
(4)根据步骤(3)中得到的交通波速vw来判断施工区车流是否会发生拥堵，通过得到的道路密度及排队长度，在施工区可变限速控制条件下，计算得到期望车速，也即高速公路施工区动态限速推荐值。通过二号无线通信模块与LED可变信息情报板相连接，使其显示绿色的推荐速度值。
其中步骤(3)中车流波动理论中车流波的波速公式为：
Figure BDA0002392015190000061
式中：vw指的是车流波速(km/h)；vf指的是车流畅行通过的速度(km/h)；ρj为第j段的车流密度(辆/km)；qj-1指的是第j-1段的交通量(辆/h)；v1指第j-1段车速(km/h)；qj指的是第j段的交通量(辆/h)；v2指第j段车速(km/h)。
根据
Figure BDA0002392015190000062
要控制vw不小于0，可以得到施工区和上游过渡段速度和密度之间的关系：
Figure BDA0002392015190000063
式中：ρi-1指的是第i-1段的车流密度(辆/km)；vi指的是第i段的车速(km/h)。
由公式(2)可知，若要拟定施工区限速值，为了保证交通流正向传播，施工区上游过渡段交通流密度存在一定限制，根据交通流三参数之间的基本关系，若已知密度，则可求得流量，因此上游过渡段的速度便可得到。因此可按照此思想，依据一定的控制目标(效率、安全等)，确定施工区的动态限速值。
为准确描述高速公路交通流的动态传播过程，需要将高速公路划分成多个路段，每个路段长度为1至数公里，单个路段上限速值相同。高速公路动态交通流模型的表达式为：
qm(k)＝ρm(k)vm(k)(3)
密度方程为：
Figure BDA0002392015190000071
速度方程为：
Figure BDA0002392015190000072
Figure BDA0002392015190000073
路段m排队长度计算公式为：
Figure BDA0002392015190000074
式中：qm(k)为k时段内驶出路段m的交通量；ρm(k)为k时段路段m的交通流密度；vm(k)为k时段路段m的平均速度；Lm为路段m的长度；ρcr,m为路段m的临时密度；ρjam为路段的拥挤密度；V(ρm(k))为k时段路段m的期望车速；vfree,m为路段m的自由流速度；T0为时间步长(通常取10～20s)；τ为因前方交通流密度变化导致的滞后时间；η，κ，am为模型参数，通常情况下η取0.5，κ取3.5，am取10。
在可变限速控制条件下，施工区车速不仅受到路段交通流状态影响，也受到路段动态限速值的影响。因此，期望车速由(6)式改进为：
Figure BDA0002392015190000075
式中：VL，m(k)为k时段路段m的限速值；α为不遵守限速值的车辆比例。
实施例
本实施例的高速公路施工区动态限速推荐值计算方法包括以下步骤：
1)选取研究的施工路段上游过渡区作为数据采集目标区域，将目标区域的前端作为数据采集断面，采集该断面上一定时间内(如一天)的交通量、车辆行驶速度，并结合视频摄像法提取车辆距施工区上游及过渡区内的距离，保存四种数据作为样本原始数据库；
2)对采集到的交通量与速度数据进行统计分析和数据筛选，进行异常数据的剔除，并录入数据库；
3)利用车流波动理论，建立车流的连续性方程，计算得到施工区上游过渡段的交通波速vw，根据波速vw数值的正负判断施工区是否发生拥堵，当vw为负值时，表明交通波的方向与车流方向相反。此时，在施工区将开始排队，产生堵塞。当vw为正值时，表明交通波的方向与车流方向相同，此时不致发生排队现象，或者是已有的排队开始消散。
4)根据计算得到的交通波速vw来判断施工区车流是否会发生拥堵，通过得到的道路密度及排队长度，在施工区可变限速控制条件下，计算得到期望车速，也即高速公路施工区动态限速推荐值。

Claims (4)

1.一种高速公路施工区动态限速推荐值计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)选取研究的施工路段上游过渡区作为数据采集目标区域，采集交通量、车辆平均行驶速度以及车辆到施工区的距离；
(2)利用步骤(1)采集的数据建立数据库；
(3)将高速公路划分为多个路段，每个路段长度相同，单个路段上限速值相同；根据步骤(2)数据库中的数据计算得到道路密度和排队长度，根据车流波动理论，建立车流的连续性方程，利用车流的连续性方程计算得到施工区上游过渡段的交通波速；
(4)根据步骤(3)中得到的交通波速来判断施工区车流是否会发生拥堵，当会发生拥堵时，通过道路密度及排队长度，在施工区可变限速控制条件下，计算得到期望车速，将所述的期望车速作为高速公路施工区动态限速推荐值；
步骤(4)中，期望车速通过下式计算得到：
Figure FDA0003119313720000011
其中，V(ρm(k))为k时段路段m的期望车速；vfree，m为路段m的自由流速度；am为模型参数；ρm(k)指的是k时段内路段m的道路密度；ρcr，m为路段m的临时密度；
交通量、道路密度和车辆平均行驶速度关系如下：
qm(k)＝ρm(k)vm(k)
其中，qm(k)为k时段内驶出路段m的交通量；ρm(k)为k时段路段m的交通流密度；vm(k)为k时段路段m的平均速度；
或者，步骤(4)中，期望车速通过下式计算得到：
Figure FDA0003119313720000012
其中，V(ρm(k))为k时段路段m的期望车速；vfree，m为路段m的自由流速度；am为模型参数；ρm(k)指的是k时段内路段m的道路密度；ρcr，m为路段m的临时密度；α为不遵守限速值的车辆比例；VL，m(k)为k时段路段m的限速值；
k时段路段m的平均速度通过下式计算：
Figure FDA0003119313720000021
其中，vm(k+1)指的是k+1时段内路段m的平均速度；vm(k)为k时段路段m的平均速度；T0为时间步长；τ为因前方交通流密度变化导致的滞后时间；V(ρm(k))为k时段路段m的期望车速；Lm为路段m的长度；vm-1(k)为k时段路段m前一路段的平均速度；η，κ为模型参数；ρm(k+1)指的是k+1时段内路段m的道路密度；ρm(k)指的是k时段内路段m的道路密度；
步骤(3)中，则施工区上游过渡段的交通波速vw为：
Figure FDA0003119313720000022
式中：vw指的是车流波速；vf指的是车流畅行通过的速度；ρj为第j段的车流密度；qj-1指的是第j-1段的交通量；v1指第j-1段车速；qj指的是第j段的交通量；v2指第j段车速；
步骤(4)中，根据步骤(3)中的得到的交通波速来判断施工区车流是否会发生拥堵时，根据车流波动理论，如果交通波速为负值，此时发生拥堵。
2.根据权利要求1所述的一种高速公路施工区动态限速推荐值计算方法，其特征在于，所述步骤(2)中，利用步骤(1)采集的数据建立数据库时，对步骤(1)中的数据进行处理，剔除不合理的数据，并利用卡方检验方法验证数据的有效性，以有效数据作为数据库数据。
3.根据权利要求1所述的一种高速公路施工区动态限速推荐值计算方法，其特征在于，步骤(2)中，道路密度通过下式计算得到：
Figure FDA0003119313720000023
其中，ρm(k+1)指的是k+1时段内路段m的道路密度；ρm(k)指的是k时段内路段m的道路密度；T0为时间步长；Lm为路段m的长度；qm-1(k)为k时段内驶出路段m前一路段的交通量；qm(k)为k时段内驶出路段m的交通量；
Figure FDA0003119313720000031
为k时段内驶入路段m的车辆数；
Figure FDA0003119313720000032
为k时段内驶出路段m的车辆数。
4.根据权利要求1所述的一种高速公路施工区动态限速推荐值计算方法，其特征在于，步骤(2)中，排队长度通过下式计算得到：
Figure FDA0003119313720000033
其中，Dm(k+1)指的是k+1时段内路段m的排队长度；Dm(k)指的是k时段内路段m的排队长度；T0为时间步长；qm-1(k)为k时段内驶出路段m前一路段的交通量；qm(k+1)为k+1时段内驶出路段m的交通量；
Figure FDA0003119313720000034
为k时段内驶入路段m的车辆数；
Figure FDA0003119313720000035
为k时段内驶出路段m的车辆数；ρjam为路段的拥挤密度；ρm(k+1)指的是k+1时段内路段m的道路密度；Lm为路段m的长度；ρm(k+1)指的是k+1时段内路段m的道路密度；ρm(k)指的是k时段内路段m的道路密度。
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