CN112435474B - 面向追尾风险防控的高速公路可变限速控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

面向追尾风险防控的高速公路可变限速控制系统及控制方法，本发明涉及高速公路可变限速控制系统及控制方法。本发明的目的是为了解决现有高速公路上车辆最高限速的设置并未考虑交通状态对交通安全的影响，导致无法动态控制高速公路最高限速的问题。系统包括：信息检测模块、控制模块和信息发布模块；信息检测模块用于实时检测路段的断面车流量、占有率、车辆速度、加速度和车头时距数据，并反馈至控制模块；控制模块用于接收信息检测模块检测的数据，判断路段追尾风险等级，计算路段的最高限速值，并输出到信息发布模块；信息发布模块用于实时发布路段的最高限速值和预警信息，提示驾驶员及时调整行驶速度，确保行车安全。本发明属于交通安全领域。

Description

面向追尾风险防控的高速公路可变限速控制系统及控制方法

技术领域

本发明属于交通安全领域，具体涉及到高速公路可变限速控制系统及控制方法。

背景技术

随着我国城镇化水平与汽车保有量的提高，高速公路交通需求也日益增长，车辆追尾事故在高速公路上频频发生，其已成为交通事故主要类型，未保持安全车距是引发的此类事故的主要原因。目前，高速公路上车辆最高限速的设置多考虑道路条件、天气情况、车辆类型因素，在主线上设置统一的固定式限速值，并未考虑交通状态对交通安全的影响，因此缺乏基于交通状态检测的高速公路最高限速动态控制方法。

近年来，为减少高速公路追尾事故发生，国内外开展了大量相关研究，目前的研究成果主要集中在两个方面：一是依靠车辆辅助驾驶系统，检测到车辆之间未保持安全间距时，自动发出警告，提醒驾驶员采取减速或制动等措施，然而目前该类系统的普及率不高，对车辆运行风险的防控作用甚微；二是考虑大雾、雨雪等恶劣天气因素或施工区、桥隧群区等特殊路段的事故风险，实现了在某一特殊环境下车辆限速的动态控制。在较高流量下，路段保持固定式最高限速值，驾驶员仍然期望车辆保持较高的行驶速度，易忽视此情况下安全驾驶对车辆间距的要求，因此车辆追尾风险成为高流量下高速公路的常发事故类型。可变限速控制可以改变车辆的平均速度和平均车头时距，使车辆的车头间距在当前交通状态下满足安全行车要求。研究表明，实施可变限速控制并配合超速抓拍摄像头可以有效减少追尾碰撞发生的概率。

综上所述，针对现存的高速公路速度控制系统以及研究应用的局限性，因此，需要建立面向追尾风险防控的高速公路可变限速控制方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有高速公路上车辆最高限速的设置并未考虑交通状态对交通安全的影响，导致无法动态控制高速公路最高限速的问题，而提出面向追尾风险防控的高速公路可变限速控制系统及控制方法。

面向追尾风险防控的高速公路可变限速控制系统包括：

信息检测模块、控制模块和信息发布模块；

信息检测模块用于实时检测路段的断面车流量、占有率、车辆速度、加速度和车头时距数据，并反馈至控制模块；

控制模块用于接收信息检测模块检测的数据，判断路段追尾风险等级，计算路段的最高限速值，并输出到信息发布模块；

信息发布模块用于实时发布路段的最高限速值和预警信息，提示驾驶员及时调整行驶速度，确保行车安全。

面向追尾风险防控的高速公路可变限速控制方法具体步骤如下：

步骤一：交通信息检测与处理；具体过程为：

(1)对高速公路进行控制路段划分，按照行车方向给路段编号为i＝1,2,3，…，分段间隔为1-5km，每个路段均需要布设信息检测模块；

每个控制路段起点上游设置可变限速节点，按照行车方向编号为P_i，和路段编号保持一致，每个节点均需要布设信息发布模块；

各个所述信息检测模块和信息发布模块均通过无线传输设备与控制模块连接；

(2)控制周期序号为T＝1,2,3，…，控制周期设置为5min、10min或15min；获取路段初始最高限速值V₀；第T＝1周期，路段i＝1的最高限速值为V₀；

步骤二：计算安全间距；

步骤三：根据实际车头间距S₀、安全间距S_n、制动停车后两车的安全间距S_a，计算路段追尾风险系数ε_i及追尾风险等级；

步骤四：判断ε_i是否满足控制启动阈值；

步骤五：计算安全车速；

步骤六：根据安全车速，计算最高限速值；

输出路段i＝1在第T＝T+1周期的最高限速值；

步骤七：根据最高限速值，发布限速信息；

步骤八：令i＝i+1，重复步骤二-八，直至输出所有路段在T＝T+1周期的最高限速值；

步骤九：令T＝T+1，重复步骤二-九，直至输出所有路段在所有周期的最高限速值。

本发明的有益效果为：

1.本发明所述的面向追尾风险防控的高速公路可变限速控制方法从宏观层面对存在追尾风险的路段进行主动防控，统一调整路段最高限速值，降低路段车辆速度分布的不均匀性，降低发生追尾事故的概率。

2.本发明所述的面向追尾风险防控的高速公路可变限速控制方法考虑了较高流量下安全行车对车辆间距的要求，克服了固定式限速值未考虑当前交通状态的局限性，导致无法动态控制高速公路最高限速的问题，对于我国高速公路多样化的交通环境，更具有灵活性。

3.本发明所述的面向追尾风险防控的高速公路可变限速控制方法通过实时车辆运行数据，判断路段的追尾风险等级，采用非事故数据的理论推导法更适合我国高速公路追尾事故特征的研究现状，既能够提高车辆行驶的安全性，又不降低高速公路的通行效率。

附图说明

图1是本发明所述的面向追尾风险防控的可变限速控制方法的结构原理框图；

图2是本发明所述的面向追尾风险防控的可变限速控制流程图；

图3是本发明所述的车辆安全间距示意图；

图4是本发明所述的一个控制周期内路段上车辆的追尾风险系数分布图；

图5是本发明所述的相邻车辆线性相似的时空轨迹线图；

图6是本发明所述的可变限速控制方法的工作原理示意图；

图7是本发明所述的龙门架式可变信息显示屏的示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式面向追尾风险防控的高速公路可变限速控制系统包括：

信息检测模块、控制模块和信息发布模块；

信息检测模块用于实时检测路段的断面车流量、占有率、车辆速度、加速度和车头时距数据，并反馈至控制模块；

控制模块用于接收信息检测模块检测的数据，判断路段追尾风险等级，计算路段的最高限速值，并输出到信息发布模块；

信息发布模块用于实时发布路段的最高限速值和预警信息，提示驾驶员及时调整行驶速度，确保行车安全。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述信息检测模块为雷视一体化检测设备；

所述信息发布模块为龙门架式可变限速信息显示屏。

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式面向追尾风险防控的高速公路可变限速控制方法具体步骤如下：

步骤一：交通信息检测与处理；具体过程为：

获取路段i在T周期内的实时交通数据和路段初始最高限速值V₀；

(1)根据道路线形条件的相关参数、路侧环境变化对高速公路进行控制路段划分，按照行车方向给路段编号为i＝1,2,3，…，分段间隔为1-5km，每个路段均需要布设信息检测模块；

每个控制路段起点上游设置可变限速节点，按照行车方向编号为P_i，和路段编号保持一致，每个节点均需要布设信息发布模块；

各个所述信息检测模块和信息发布模块均通过无线传输设备与控制模块连接；

(2)控制周期序号为T＝1,2,3，…，控制周期设置为5min、10min或15min；获取路段初始最高限速值V₀，一般高速公路小型客车初始最高限速值为120km/h；第T＝1周期，路段i＝1的最高限速值为V₀；

步骤二：计算安全间距；

步骤三：根据实际车头间距S₀、安全间距S_n、制动停车后两车的安全间距S_a，计算路段追尾风险系数ε_i及追尾风险等级；

步骤四：判断ε_i是否满足控制启动阈值；

步骤五：计算安全车速；

步骤六：根据安全车速，计算最高限速值；

输出路段i＝1在第T＝T+1周期的最高限速值；

步骤七：根据最高限速值，发布限速信息；

步骤八：令i＝i+1，重复步骤二-八，直至输出所有路段在第T＝T+1周期的最高限速值；

步骤九：令T＝T+1，重复步骤二-九，直至输出所有路段在所有周期的最高限速值。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是：所述步骤二中计算安全间距；具体过程为：

步骤二一、考虑到车辆密度低的情况下，个别车队的车辆之间的车头间距过小对整个路段控制策略的影响，仅对路段车流处于跟驰状态时进行控制。

当高速公路路段i在T周期内单车道平均流量大于600辆/h时，执行步骤二二；

当高速公路路段i在T周期内单车道平均流量小于等于600辆/h时，保持路段初始最高限速值V₀；

步骤二二、计算车辆实际车头间距并判断车辆运动状态；具体过程为：

检测设备在t时刻检测到第n辆车和第n+1辆车的车头时距为h_t,t时刻第n辆车的速度为v_n(t)，t时刻第n辆车的加速度为a_n(t)，该车标记为前车n；t时刻第n+1辆车的速度为v_n+1(t)，t时刻第n+1辆车的加速度为a_n+1(t)，该车标记为后车n+1；

此时前车n和后车n+1的实际车头间距按下式计算：

S₀＝v_n(t)·h_t

式中：S₀为前车n和后车n+1的实际车头间距，单位为m；v_n(t)为t时刻第n辆车的速度，单位为m/s；h_t为t时刻检测到第n辆车和第n+1辆车的车头时距，单位为s；

①当v_n(t)＞v_n+1(t)时，前车n车速大于后车n+1车速，车辆实际车头间距满足安全间距需要，无需进行记录；

②当v_n(t)≤v_n+1(t)且a_n(t)≥0时，前车n车速小于等于后车n+1车速，且前车n处于匀速或加速状态，后车标记为风险车辆，记录两车速度及实际车头间距，两车间的安全间距需要考虑两车速度差，按照后车n+1车速v_n+1(t)减至前车n车速v_n(t)计算(这种情况下，步骤二五中的S_n计算公式中v取v_n(t))。

③当v_n(t)≤v_n+1(t)且a_n(t)＜0时，前车n车速小于等于后车n+1车速，且前车n处于减速状态，后车存在减速制动的可能性，后车标记为风险车辆，记录两车速度及实际车头间距，两车间安全距离不考虑两车速度差，按照后车n+1和前车n均减速至0计算(这种情况下，步骤二五中的S_n计算公式中v取0)。

步骤二三、追尾事故发生的主要因素有两个：车队中的某一辆车紧急制动，追尾车辆未保持安全间距；车队中某些车辆反应时间过长，导致后面的某一车辆采取制动也无效。因此，车队行驶中的前后两辆车之间的安全间距，要满足在前车紧急制动时，保证后车有充足的反应时间和制动时间。

安全间距指在同一条车道上，同向行驶前后车辆车头间的安全距离，即前车遇到危险情况减速时，后车随之减速，保证后车不与之相撞的车头间距；车辆按照安全间距行驶可以保证既不发生追尾事故，又不降低道路通行能力；

假设车辆初始速度为v，车辆制动减速过程中，在驾驶员反应时间t₁和制动力传递延迟时间t₂内，车辆作匀速运动；在制动减速度增加时间t₃内，车辆的制动减速度线性增长，由0增加到车辆最大减速度a_max；在持续制动时间t₄内，车辆以a_max作匀减速运动，t₄时间内车辆行驶的距离可根据运动学方程表示为v²/2a_max；

车辆的最大减速度a_max根据车型、纵坡度、路面附着系数取值。考虑路面附着系数和道路纵坡度的情况，车辆最大减速度a_max计算式如下式所示：

式中：a_max为车辆最大减速度，单位为m/s²；g为重力加速度，单位为m/s²；

为车轮与路面的附着系数，一般情况下，干燥、潮湿、积水地面取值分别为0.8、0.7、0.6；i为道路纵坡度，上坡取+号，下坡取-号；

步骤二四、参阅图3，t时刻前车n的速度为v_n(t)，t时刻后车n+1的速度为v_n+1(t)，两车同向行驶在同一条车道上；假设v_n(t)≤v_n+1(t)，前车n遇见危险情况减速，由速度v_n(t)减至v，后车n+1为了确保不与之碰撞也需减速，在与前车n相撞之前车速由v_n+1(t)减至v，则可以保证不发生追尾事故。此时需要前后车之间的安全间距为S_n，制动停车后两车的安全间距变为S_a，出于安全考虑，S_a一般取值为8-10m；在此过程中，前车n的制动距离为L_n，后车n+1的制动距离为L_n+1；S_n、S_a、L_n、L_n+1有如下关系：

S_n+L_n-L_n+1＝S_a

式中：S_n为前后车之间的安全间距，单位为m；L_n、L_n+1分别为前车n、后车n+1的制动距离，单位为m；S_a为制动停车后两车的安全间距，单位为m；

由上文可知：

式中：v_n(t)、v_n+1(t)分别为t时刻前车n、后车n+1的速度，单位为m/s；t₁、t′₁分别为前车n、后车n+1的驾驶员反应时间，单位为s；t₂、t'₂分别为前车n、后车n+1的制动力传递延迟时间，单位为s；t₃、t'₃分别为前车n、后车n+1的制动减速度增加时间，单位为s；a_max,n、a_max,n+1分别为前车n、后车n+1的最大减速度，单位为m/s²；v为两车刚好不发生碰撞的速度，单位为m/s，根据车辆的运动状态取值为v_n(t)或0；

步骤二五、令

车队行驶中的前后两辆车之间的安全间距S_n如下式所示：

后车n+1有两种制动情况：一是与前车n同时发现前方危险情况或限速标志，采取制动措施；二是意识到前车n正在减速而采取制动措施，通常以尾灯亮起作为标志。第二种情况下对安全间距的要求更高，为保证行车安全，需要对安全间距模型进行修正。研究表明，反应迟滞时间τ＝1.0～2.2s，对于50％的驾驶员，τ约为1.5s，则安全间距计算模型如下：

式中：t_n、t_n+1分别为前车n和后车n+1的制动时间，单位为s；τ为后车的反应迟滞时间，单位为s；

当v_n(t)≤v_n+1(t)且a_n(t)≥0时，前车n车速小于等于后车n+1车速，且前车n处于匀速或加速状态，v取v_n(t)，计算前后车之间的安全间距S_n；

当v_n(t)≤v_n+1(t)且a_n(t)＜0时，前车n车速小于等于后车n+1车速，且前车n处于减速状态，后车存在减速制动的可能性，v取0，计算前后车之间的安全间距S_n。

其它步骤及参数与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式三或四不同的是，所述步骤二三中t₁是驾驶员感觉前方有危险到采取制动时的反应时间，会受到驾驶员驾驶风格、天气、车速等因素的影响，一般取0.8-1.3s；

对于液压制动系车辆，t₂不超过0.3s、t₃为0.15-0.2s；

所述液压制动系车辆包括载客量小于等于9人的小型客车、总质量小于等于6吨的轻型货车；

对于气压制动系车辆，t₂不超过0.6s、t₃为0.4-0.9s；

所述气压制动系车辆包括载客量大于9人的中大型客车、总质量大于6吨的载重货车。

其它步骤及参数与具体实施方式三或四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式三至五之一不同的是，所述步骤三中根据实际车头间距S₀、安全间距S_n、制动停车后两车的安全间距S_a，计算路段追尾风险系数ε_i及追尾风险等级；具体过程为：

步骤三一、基于车辆安全行驶的需要，实际车头间距S₀要大于等于前后车之间的安全间距S_n，即

S₀≥S_n

对于上式，当S₀≥S_n时，前车紧急刹车，跟随车辆随之紧急刹车则不会发生碰撞；而当S₀<S_n时，车辆间距不能保证安全，紧急情况时可能会发生追尾碰撞事件；由于个体车辆是否保持安全间距无法反映整个路段的追尾风险，引入追尾风险系数ε，根据路段i上第j辆风险车辆的追尾风险系数ε_i,j加权平均计算得到路段追尾风险系数ε_i；

本发明采用的追尾风险系数ε定义来自Berkeley模型，是对当前车辆行驶状态下车辆追尾风险程度的一个定量评估。追尾风险系数ε是判断车辆现阶段安全状况的主要依据，实时检测跟随车辆的追尾风险系数ε。紧急停车需要的制动距离S_br的计算中，跟随车辆的减速度取最大减速度a_max,n+1，小型客车的最大减速度一般取值为7-8m/s²。考虑到跟随车辆以最大减速度紧急制动的情况下，存在跟随车辆的后车反应不及时发生追尾碰撞的潜在风险，因此预警间距S_w的计算中，跟随车辆的减速度取舒适减速度a_com,n+1，小型客车的舒适减速度一般取值为3-4m/s²。

式中：S_br为紧急停车需要的制动距离，即车队中相邻车辆安全间距，单位为m；S_w为预警车头间距，即跟随车辆以舒适减速度减速避撞的间距，单位为m；

通常，较小的ε值表示更严重的交通冲突，在危及车辆安全的情况下，需要及时降低路段最高限速值，提示驾驶员采取减速措施，避免汽车追尾碰撞的发生。本发明设定ε≥1为安全区间，此区间下车辆状态目前处于安全状态；0＜ε＜1为潜在危险区间，此区间下汽车行驶状态处于有可能发生碰撞的状态；ε≤0为危险区间，此区间下跟随车辆与前车的实际车头间距已经小于紧急制动车距，发生碰撞的概率非常大。

步骤三二、根据风险车辆j与前车的实际车头间距、需要与前车保持的安全车头间距以及预警车头间距，计算风险车辆j的追尾风险系数ε_i,j，用于表征车辆的追尾风险。

假设路段i的风险车辆总数为Z_i，统计风险车辆的追尾风险系数ε_i,j分别在三个区间内的车辆数及各个区间车辆数在风险车辆总数中所占比例，其中Z_i＝Z_i,1+Z_i,2+Z_i,3；过程为：

风险车辆的追尾风险系数ε_i,j≥1时，系数区间为安全区间，车辆数为Z_i,1，车辆数在风险车辆总数中所占比例为Z_i,1/Z_i，该区间内风险车辆追尾风险系数的平均值为ε_i,1；

风险车辆的追尾风险系数0＜ε_i,j＜1时，系数区间为潜在危险区间，车辆数为Z_i,2，车辆数在风险车辆总数中所占比例为Z_i,2/Z_i，该区间内风险车辆追尾风险系数的平均值为ε_i,2；

风险车辆的追尾风险系数ε_i,j≤0时，系数区间为危险区间，车辆数为Z_i,3，车辆数在风险车辆总数中所占比例为Z_i,3/Z_i，该区间内风险车辆追尾风险系数的平均值为ε_i,3；

表1车辆追尾风险系数ε_i,j分布统计表

车辆追尾风险系数	系数区间	车辆数	车辆数所占比例	平均值
					ε<sub>i,j</sub>≥1	安全区间	Z<sub>i,1</sub>	Z<sub>i,1</sub>/Z<sub>i</sub>	ε<sub>i,1</sub>
0＜ε<sub>i,j</sub>＜1	潜在危险区间	Z<sub>i,2</sub>	Z<sub>i,2</sub>/Z<sub>i</sub>	ε<sub>i,2</sub>
					ε<sub>i,j</sub>≤0	危险区间	Z<sub>i,3</sub>	Z<sub>i,3</sub>/Z<sub>i</sub>	ε<sub>i,3</sub>

步骤三三、根据风险车辆的追尾风险系数ε_i,j的分布，计算路段追尾风险系数ε_i，如下式所示：

式中：ε_i为路段i的追尾风险系数；Z_i为路段i的风险车辆总数；ε_i,1、ε_i,2、ε_i,3分别为风险车辆的追尾风险系数ε_i,j在ε_i,j≥1、0＜ε_i,j＜1、ε_i,j≤0区间内的平均值；Z_i,1、Z_i,2、Z_i,3分别为风险车辆的追尾风险系数ε_i,j在ε_i,j≥1、0＜ε_i,j＜1、ε_i,j≤0区间内的车辆数；

路段i的追尾风险系数ε_i≥1时，追尾风险等级为Ⅰ级，路段追尾风险为低风险；

路段i的追尾风险系数0＜ε_i＜1时，追尾风险等级为Ⅱ级，路段追尾风险为中风险；

路段i的追尾风险系数ε_i≤0时，追尾风险等级为Ⅲ级，路段追尾风险为高风险。

当路段i的追尾风险等级为Ⅰ级时，车队中行驶的车辆基本保持安全间距行驶，处于低追尾风险状态，无需进行可变限速控制；当路段i的追尾风险等级为Ⅱ级时，车队中行驶的车辆存在潜在的追尾碰撞风险，处于中等追尾风险路段，无需进行可变限速控制，可变信息显示屏发布“车流增加，请保持车距”的预警信息；当路段i的追尾风险等级为Ⅲ级时，车队中有车辆紧急制动时，跟随车辆的反应和制动时间有限，处于高追尾风险路段，控制模块开启对路段可变限速控制，更新路段最高限速值。

将路段的追尾风险等级划分为3个等级，对应的控制策略如表2所示：

表2路段追尾风险等级对应的控制策略

追尾风险等级	路段追尾风险系数	路段追尾风险	控制策略
				Ⅰ级	ε<sub>i</sub>≥1	低风险	无需控制
Ⅱ级	0＜ε<sub>i</sub>＜1	中风险	预警信息发布
				Ⅲ级	ε<sub>i</sub>≤0	高风险	可变限速控制

其它步骤及参数与具体实施方式三至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式三至六之一不同的是：所述步骤四中判断ε_i是否满足控制启动阈值；具体过程为：

面向追尾风险防控的可变限速控制启动阈值设置为路段追尾风险系数ε_i≤0，即路段追尾风险等级处于Ⅲ级。

判断路段i的追尾风险系数ε_i是否满足面向追尾风险防控的可变限速控制启动阈值ε_i≤0，若满足阈值，则执行步骤五；否则继续判断追尾风险系数ε_i是否满足条件ε_i＜1，若满足条件，则保持路段初始最高限速值V₀，并输出“车流增加，请保持车距”的预警信息；否则保持路段初始最高限速值V₀。

其它步骤及参数与具体实施方式三至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式三至七之一不同的是：所述步骤五中计算安全车速；具体过程为：

根据车流密度与车头间距的关系，计算路段i行驶的车辆在当前交通状态下可以保持安全间距的安全车速V_a(i)。

(1)路段i的后车车辆以速度V行驶时，需要与前车保持的最小安全间距记为S_n(V)：

S_n(V)＝x_n(t)-x_n+1(t)＝S_a+l_n+1+d_n+1-d_n

式中：S_n(V)为后车以速度V行驶时，车辆间的最小安全间距，单位为m；x_n(t)、x_n+1(t)分别为t时刻前车n、后车n+1的位置；S_a为制动停车后两车的安全间距，单位为m；l_n+1为后车在反应迟滞时间τ内行驶的距离，单位为m；d_n、d_n+1为第n、n+1辆车的制动距离，单位为m；

高速公路车流为连续的稳定车流，实施可变限速控制后，车流运行平稳，任意相邻车辆保持相似形状的时空轨迹，前车速度发生变化时，后车在一定的延迟时间后改变速度。后车反应时间内速度不变，即l_n+1＝Vτ；两车的制动距离近似相等，即d_n+1＝d_n，则有

S_n(V)＝Vτ+S_a

式中：V为后车的行驶速度，单位为m/s；τ为后车的反应迟滞时间，单位为s，取值为1.0-2.2s；

(2)由车头间距与密度之间的确定性倒数关系，可得

式中：k为路段i平均单车道交通密度，单位为veh/km；k_j为单车道交通阻塞密度，单位为veh/km，根据S_a的取值确定，k_j一般取值为100-124veh/km；

面向追尾风险防控的安全车速V_a(i)和路段i平均单车道交通密度k的关系式为

(3)将上式中安全车速V_a(i)的单位由m/s转换为km/h，得到高速公路路段i平均单车道交通密度为k时，车辆保持安全车头间距行驶的安全车速V_a(i)为

式中：V_a(i)为车辆保持安全车头间距行驶的安全车速，单位为km/h。

其它步骤及参数与具体实施方式三至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式三至八之一不同的是：所述步骤六中根据安全车速，计算最高限速值；具体过程为：

计算当前道路条件下车辆可以保持安全行驶的最高速度V_b(i)，取V_a(i)与V_b(i)的最小值为路段i的最高安全行车速度V_max(i)，并选取满足高速公路最高限速值取值范围的数值输出为路段i在第T+1周期的最高限速值V_SL(i)。

(1)路段i的平曲线半径为R时，为了有效避免车辆的侧滑现象，车辆保持安全行驶的最高速度V_b(i)需要满足

式中：V_b(i)为平曲线约束下车辆保持安全行驶的最高速度，单位为km/h；R为平曲线半径，单位为m；i_h为横向超高坡度；

为横向附着系数；

(2)路段i的最高安全行车速度V_max(i)取交通状态下的车辆保持安全车头间距行驶的安全车速V_a(i)和道路条件下的车辆保持安全行驶的最高速度V_b(i)中的最小值，如下式所示：

V_max(i)＝min{V_a(i),V_b(i)}

式中：V_max(i)为路段i的最高安全行车速度，单位为km/h；

(3)为了便于驾驶员读取和判断，以10km/h为一个梯度值确定限速值。同时依据《道路交通安全法实施条例》规定，驾驶员在高速公路上的运行车速应该不高于120km/h，同时也不低于60km/h。实际应用中，高速公路最高限速值的取值范围如下式所示：

V_SL＝{60,70,80,90,100,110,120}

式中：V_SL为高速公路最高限速值，单位为km/h；

路段i的最高限速值V_SL(i)选取小于并最接近最高安全行车速度V_max(i)，且为10的整数倍的数值，即满足下式的数值：

最高安全行车速度V_max(i)大于120km/h时，最高限速值V_SL(i)取120km/h；最高安全行车速度V_max(i)小于60km/h时，最高限速值V_SL(i)取60km/h。

其它步骤及参数与具体实施方式三至八之一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式三至九之一不同的是：所述步骤七中根据最高限速值，发布限速信息；具体过程为：

输出路段i在第T+1周期的最高限速值V_SL(i)，并发布可变信息显示屏显示的最高限速值和预警信息。

(1)信息发布模块根据控制模块输出的路段i的最高限速值，自动更新可变限速节点P_i的最高限速值和预警信息；

可变限速节点P_i处设置龙门架式可变限速信息显示屏，通过可变限速信息显示屏告知驾驶人最新的最高限速值和预警信息；

(2)为确保可变限速控制实施的有效性，在可变限速信息显示屏背面设置车牌识别与抓拍设备，与可变限速信息显示屏同步开启，根据可变限速的变化实现对超速车辆的自动抓拍，生成违章记录；

(3)为确保驾驶员及时获得限速值，在可变限速节点P_i前方200m处增加悬臂式动态预告信息板，与可变限速信息显示屏同步开启，告知驾驶员前方路段限速值和限速原因提醒驾驶员提前做好减速准备；

(4)结合车载广播、手机导航应用等配套设施，通过多种方式将当前路段当前时段的最高限速值及时发布给高速公路的驾驶员。

其它步骤及参数与具体实施方式三至九之一相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：

图6所示为一条单向三车道(双向六车道)的高速公路，主线初始最高限速值V₀为120km/h，现在以一个控制周期为例进行说明。

步骤一：将高速公路划分为3个控制路段，按照行车方向给路段编号为i＝1,2,3，路段长度均为5km，各路段都布设雷视一体化检测设备和龙门架式可变信息显示屏；

控制周期设置为10min，第T＝1周期，路段i＝1的最高限速值为V₀；

步骤二：控制路段i＝1在第T＝1周期内单车道平均流量为1440辆/h，由于其大于600辆/h，根据雷视一体化检测设备输出的数据计算同一车道相邻两车的实际车头间距，并标记风险车辆。驾驶员反应时间t₁取1.0s，制动力传递延迟时间t₂取0.2s，制动减速度增加时间t₃取0.2s，车辆最大减速度a_max取7.5m/s²，制动停车后两车的安全间距变为S_a取9m，反应迟滞时间τ取1.5s，根据以上参数计算同一车道相邻两车的安全间距。

步骤三：车辆舒适减速度a_max取3.5m/s²，计算路段i＝1在第T＝1周期内每辆风险车辆的追尾风险系数ε_1,j并统计其分布，计算路段追尾风险系数ε₁。

步骤四：路段i＝1的追尾风险系数ε₁＜0，满足可变限速控制的启动阈值。

步骤五：控制路段i＝1在第T＝1周期内平均单车道密度k为19veh/km，单车道交通阻塞密度k_j取值为110veh/km，计算车辆保持安全车头间距行驶的安全车速V_a(1)为

步骤六：路段i＝1的最小平曲线半径R为2500m，横向超高坡度i_h取6％，横向附着系数

取0.06，车辆保持安全行驶的最高速度V_b(1)为

路段i＝1的最高安全行车速度V_max(1)为

V_max(1)＝min{V_a(1),V_b(1)}＝104.5km/h

路段i＝1的最高限速值V_SL(1)为

V_SL(1)＝100km/h

步骤七：输出路段i＝1在第T＝2周期的最高限速值V_SL(1)，并发布可变限速节点P₁可变限速标志显示的最高限速值为100km/h，同时开启预告信息板和车牌识别与抓拍设备。

步骤八：令i＝i+1,重复步骤二-七，计算路段i＝2、i＝3的在第T＝2周期的最高限速值。

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.面向追尾风险防控的高速公路可变限速控制方法，其特征在于：所述方法具体过程为：

步骤一：交通信息检测与处理；具体过程为：

(1)对高速公路进行控制路段划分，按照行车方向给路段编号为i＝1,2,3，…，分段间隔为1-5km，每个路段均需要布设信息检测模块；

每个控制路段起点上游设置可变限速节点，按照行车方向编号为P_i，和路段编号保持一致，每个节点均需要布设信息发布模块；

各个所述信息检测模块和信息发布模块均通过无线传输设备与控制模块连接；

(2)控制周期序号为T＝1,2,3，…，控制周期设置为5min、10min或15min；获取路段初始最高限速值V₀；第T＝1周期，路段i＝1的最高限速值为V₀；

步骤二：计算安全间距；

步骤三：根据实际车头间距S₀、安全间距S_n、制动停车后两车的安全间距S_a，计算路段追尾风险系数ε_i及追尾风险等级；

步骤四：判断ε_i是否满足控制启动阈值；

步骤五：计算安全车速；

步骤六：根据安全车速，计算最高限速值；

输出路段i＝1在第T＝T+1周期的最高限速值；

步骤七：根据最高限速值，发布限速信息；

步骤八：令i＝i+1，重复步骤二-八，直至输出所有路段在第T＝T+1周期的最高限速值；

步骤九：令T＝T+1，重复步骤二-九，直至输出所有路段在所有周期的最高限速值；

所述步骤二中计算安全间距；具体过程为：

步骤二一、当高速公路路段i在T周期内单车道平均流量大于600辆/h时，执行步骤二二；

当高速公路路段i在T周期内单车道平均流量小于等于600辆/h时，保持路段初始最高限速值V₀；

步骤二二、计算车辆实际车头间距并判断车辆运动状态；具体过程为：

检测设备在t时刻检测到第n辆车和第n+1辆车的车头时距为h_t,t时刻第n辆车的速度为v_n(t)，t时刻第n辆车的加速度为a_n(t)，该车标记为前车n；t时刻第n+1辆车的速度为v_n+1(t)，t时刻第n+1辆车的加速度为a_n+1(t)，该车标记为后车n+1；

此时前车n和后车n+1的实际车头间距按下式计算：

S₀＝v_n(t)·h_t

式中：S₀为前车n和后车n+1的实际车头间距，单位为m；v_n(t)为t时刻第n辆车的速度，单位为m/s；h_t为t时刻检测到第n辆车和第n+1辆车的车头时距，单位为s；

①当v_n(t)＞v_n+1(t)时，前车n车速大于后车n+1车速，车辆实际车头间距满足安全间距需要，无需进行记录；

②当v_n(t)≤v_n+1(t)且a_n(t)≥0时，前车n车速小于等于后车n+1车速，且前车n处于匀速或加速状态，后车标记为风险车辆，记录两车速度及实际车头间距；

③当v_n(t)≤v_n+1(t)且a_n(t)＜0时，前车n车速小于等于后车n+1车速，且前车n处于减速状态，后车标记为风险车辆，记录两车速度及实际车头间距；

步骤二三、假设车辆初始速度为v，车辆制动减速过程中，在驾驶员反应时间t₁和制动力传递延迟时间t₂内，车辆作匀速运动；在制动减速度增加时间t₃内，车辆的制动减速度线性增长，由0增加到车辆最大减速度a_max；在持续制动时间t₄内，车辆以a_max作匀减速运动，t₄时间内车辆行驶的距离可根据运动学方程表示为v²/2a_max；

考虑路面附着系数和道路纵坡度的情况，车辆最大减速度a_max计算式如下式所示：

式中：a_max为车辆最大减速度，单位为m/s²；g为重力加速度，单位为m/s²；

为车轮与路面的附着系数；i为道路纵坡度，上坡取+号，下坡取-号；

步骤二四、S_n、S_a、L_n、L_n+1有如下关系：

S_n+L_n-L_n+1＝S_a

式中：S_n为前后车之间的安全间距，单位为m；L_n、L_n+1分别为前车n、后车n+1的制动距离，单位为m；S_a为制动停车后两车的安全间距，单位为m；

可知：

式中：v_n(t)、v_n+1(t)分别为t时刻前车n、后车n+1的速度，单位为m/s；t₁、t′₁分别为前车n、后车n+1的驾驶员反应时间，单位为s；t₂、t'₂分别为前车n、后车n+1的制动力传递延迟时间，单位为s；t₃、t'₃分别为前车n、后车n+1的制动减速度增加时间，单位为s；a_max,n、a_max,n+1分别为前车n、后车n+1的最大减速度，单位为m/s²；v为两车刚好不发生碰撞的速度，单位为m/s，根据车辆的运动状态取值为v_n(t)或0；

步骤二五、令

安全间距计算模型如下：

式中：t_n、t_n+1分别为前车n和后车n+1的制动时间，单位为s；τ为后车的反应迟滞时间，单位为s；

当v_n(t)≤v_n+1(t)且a_n(t)≥0时，前车n车速小于等于后车n+1车速，且前车n处于匀速或加速状态，v取v_n(t)，计算前后车之间的安全间距S_n；

当v_n(t)≤v_n+1(t)且a_n(t)＜0时，前车n车速小于等于后车n+1车速，且前车n处于减速状态，v取0，计算前后车之间的安全间距S_n。

2.根据权利要求1所述面向追尾风险防控的高速公路可变限速控制方法，其特征在于：所述步骤二三中t₁取0.8-1.3s；

对于液压制动系车辆，t₂不超过0.3s、t₃为0.15-0.2s；

所述液压制动系车辆包括载客量小于等于9人的小型客车、总质量小于等于6吨的轻型货车；

对于气压制动系车辆，t₂不超过0.6s、t₃为0.4-0.9s；

所述气压制动系车辆包括载客量大于9人的中大型客车、总质量大于6吨的载重货车。

3.根据权利要求2所述面向追尾风险防控的高速公路可变限速控制方法，其特征在于：所述步骤三中根据实际车头间距S₀、安全间距S_n、制动停车后两车的安全间距S_a，计算路段追尾风险系数ε_i及追尾风险等级；具体过程为：

步骤三一、基于车辆安全行驶的需要，实际车头间距S₀要大于等于前后车之间的安全间距S_n，即

S₀≥S_n

式中：S_br为紧急停车需要的制动距离，即车队中相邻车辆安全间距，单位为m；S_w为预警车头间距，即跟随车辆以舒适减速度减速避撞的间距，单位为m；

步骤三二、假设路段i的风险车辆总数为Z_i，统计风险车辆的追尾风险系数ε_i,j分别在三个区间内的车辆数及各个区间车辆数在风险车辆总数中所占比例，其中Z_i＝Z_i,1+Z_i,2+Z_i,3；过程为：

风险车辆的追尾风险系数ε_i,j≥1时，系数区间为安全区间，车辆数为Z_i,1，车辆数在风险车辆总数中所占比例为Z_i,1/Z_i，该区间内风险车辆追尾风险系数的平均值为ε_i,1；

风险车辆的追尾风险系数0＜ε_i,j＜1时，系数区间为潜在危险区间，车辆数为Z_i,2，车辆数在风险车辆总数中所占比例为Z_i,2/Z_i，该区间内风险车辆追尾风险系数的平均值为ε_i,2；

风险车辆的追尾风险系数ε_i,j≤0时，系数区间为危险区间，车辆数为Z_i,3，车辆数在风险车辆总数中所占比例为Z_i,3/Z_i，该区间内风险车辆追尾风险系数的平均值为ε_i,3；

步骤三三、根据风险车辆的追尾风险系数ε_i,j的分布，计算路段追尾风险系数ε_i，如下式所示：

式中：ε_i为路段i的追尾风险系数；Z_i为路段i的风险车辆总数；ε_i,1、ε_i,2、ε_i,3分别为风险车辆的追尾风险系数ε_i,j在ε_i,j≥1、0＜ε_i,j＜1、ε_i,j≤0区间内的平均值；Z_i,1、Z_i,2、Z_i,3分别为风险车辆的追尾风险系数ε_i,j在ε_i,j≥1、0＜ε_i,j＜1、ε_i,j≤0区间内的车辆数；

路段i的追尾风险系数ε_i≥1时，追尾风险等级为Ⅰ级，路段追尾风险为低风险；

路段i的追尾风险系数0＜ε_i＜1时，追尾风险等级为Ⅱ级，路段追尾风险为中风险；

路段i的追尾风险系数ε_i≤0时，追尾风险等级为Ⅲ级，路段追尾风险为高风险。

4.根据权利要求3所述面向追尾风险防控的高速公路可变限速控制方法，其特征在于：所述步骤四中判断ε_i是否满足控制启动阈值；具体过程为：

判断路段i的追尾风险系数ε_i是否满足面向追尾风险防控的可变限速控制启动阈值ε_i≤0，若满足阈值，则执行步骤五；否则继续判断追尾风险系数ε_i是否满足条件ε_i＜1，若满足条件，则保持路段初始最高限速值V₀，并输出“车流增加，请保持车距”的预警信息；否则保持路段初始最高限速值V₀。

5.根据权利要求4所述面向追尾风险防控的高速公路可变限速控制方法，其特征在于：所述步骤五中计算安全车速；具体过程为：

(1)路段i的后车车辆以速度V行驶时，需要与前车保持的最小安全间距记为S_n(V)：

S_n(V)＝x_n(t)-x_n+1(t)＝S_a+l_n+1+d_n+1-d_n

式中：S_n(V)为后车以速度V行驶时，车辆间的最小安全间距，单位为m；x_n(t)、x_n+1(t)分别为t时刻前车n、后车n+1的位置；S_a为制动停车后两车的安全间距，单位为m；l_n+1为后车在反应迟滞时间τ内行驶的距离，单位为m；d_n、d_n+1为第n、n+1辆车的制动距离，单位为m；

后车反应时间内速度不变，即l_n+1＝Vτ；两车的制动距离相等，即d_n+1＝d_n，则有

S_n(V)＝Vτ+S_a

式中：V为后车的行驶速度，单位为m/s；τ为后车的反应迟滞时间，单位为s；

(2)由车头间距与密度之间的确定性倒数关系，可得

式中：k为路段i平均单车道交通密度，单位为veh/km；k_j为单车道交通阻塞密度，单位为veh/km；

面向追尾风险防控的安全车速V_a(i)和路段i平均单车道交通密度k的关系式为

(3)将上式中安全车速V_a(i)的单位由m/s转换为km/h，得到高速公路路段i平均单车道交通密度为k时，车辆保持安全车头间距行驶的安全车速V_a(i)为

式中：V_a(i)为车辆保持安全车头间距行驶的安全车速，单位为km/h。

6.根据权利要求5所述面向追尾风险防控的高速公路可变限速控制方法，其特征在于：所述步骤六中根据安全车速，计算最高限速值；具体过程为：

(1)路段i的平曲线半径为R时，车辆保持安全行驶的最高速度V_b(i)需要满足

式中：V_b(i)为平曲线约束下车辆保持安全行驶的最高速度，单位为km/h；R为平曲线半径，单位为m；i_h为横向超高坡度；

为横向附着系数；

(2)路段i的最高安全行车速度V_max(i)取车辆保持安全车头间距行驶的安全车速V_a(i)和车辆保持安全行驶的最高速度V_b(i)中的最小值，如下式所示：

V_max(i)＝min{V_a(i),V_b(i)}

式中：V_max(i)为路段i的最高安全行车速度，单位为km/h；

(3)高速公路最高限速值的取值范围如下式所示：

V_SL＝{60,70,80,90,100,110,120}

式中：V_SL为高速公路最高限速值，单位为km/h；

路段i的最高限速值V_SL(i)选取小于并最接近最高安全行车速度V_max(i)，且为10的整数倍的数值，即满足下式的数值：

最高安全行车速度V_max(i)大于120km/h时，最高限速值V_SL(i)取120km/h；最高安全行车速度V_max(i)小于60km/h时，最高限速值V_SL(i)取60km/h。

7.根据权利要求6所述面向追尾风险防控的高速公路可变限速控制方法，其特征在于：所述步骤七中根据最高限速值，发布限速信息；具体过程为：

(1)信息发布模块根据路段i的最高限速值，自动更新可变限速节点P_i的最高限速值和预警信息；

可变限速节点P_i处设置龙门架式可变限速信息显示屏，通过可变限速信息显示屏告知驾驶人最新的最高限速值和预警信息；

(2)在可变限速信息显示屏背面设置车牌识别与抓拍设备，与可变限速信息显示屏同步开启，根据可变限速的变化实现对超速车辆的自动抓拍，生成违章记录；

(3)在可变限速节点P_i前方200m处增加悬臂式动态预告信息板，与可变限速信息显示屏同步开启，告知驾驶员前方路段限速值和限速原因提醒驾驶员提前做好减速准备；

(4)结合车载广播、手机导航设施，将当前路段当前时段的最高限速值及时发布给高速公路的驾驶员。

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