淺議高速公路可變限速控制技術(shù)研究現(xiàn)狀

段然

（國(guó)家林業(yè)局昆明勘察設(shè)計(jì)院，云南 昆明 650216）

淺議高速公路可變限速控制技術(shù)研究現(xiàn)狀

段然

（國(guó)家林業(yè)局昆明勘察設(shè)計(jì)院，云南 昆明 650216）

本文首先闡述了高速公路可變控制技術(shù)的概念以及控制方法，然后分析國(guó)內(nèi)外可變限速研究現(xiàn)狀，找出該技術(shù)目前面臨技術(shù)難題，并就可變限速的發(fā)展方向進(jìn)一步探討，以實(shí)現(xiàn)高速公路控制效能的提高。

高速公路；可變限速；控制技術(shù)；現(xiàn)狀

1 前言

可變限速控制是高速公路限速管理的發(fā)展趨勢(shì)，其原理是根據(jù)采集的交通流狀態(tài)參數(shù)、路況、以及天氣條件等數(shù)據(jù)，經(jīng)過相關(guān)算法控制，確定該條件下的最佳限速值，隨后此限速值通過可變限速標(biāo)志等顯示屏發(fā)布，從而可對(duì)交通流進(jìn)行限速控制。為了更好實(shí)現(xiàn)可變限速控制，需要構(gòu)建以下五個(gè)模塊：交通信息采集設(shè)備；氣象信息監(jiān)測(cè)設(shè)備交通信息控制中心；可變限速標(biāo)志；交通流狀態(tài)監(jiān)控中心。在上述系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，一般可變限速值的確定方法有兩種，一是靜態(tài)限速值法，一是動(dòng)態(tài)限速值法。從實(shí)際運(yùn)行情況看，動(dòng)態(tài)限速值法能更好的服務(wù)于高速公路限速控制初衷。目前我國(guó)各高校、科研機(jī)構(gòu)開展了大量研究，本文梳理國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀以發(fā)現(xiàn)高速公路可變限速控制技術(shù)的核心點(diǎn)和確定發(fā)展方向。

2 高速公路可變限速研究動(dòng)態(tài)

2.1 國(guó)內(nèi)研究狀況

我國(guó)高速公路可變限速控制技術(shù)的研究較西方落后，主要是從控制策略、控制器、智能控制等方面進(jìn)行研究，提出了相應(yīng)的控制模型，設(shè)計(jì)了可變限速控制器，使得高速公路可變速控制在我國(guó)實(shí)際道路運(yùn)行得到了應(yīng)用。

深入挖掘限速控制的理論依據(jù)，以交通流理論為基礎(chǔ)，探討道路上不同交通流量、不同能見度、不同路面附著系數(shù)、不同道路線形等條件下的速度計(jì)算關(guān)系和修正系數(shù)，為限速控制的實(shí)際應(yīng)用提供了理論依據(jù)。結(jié)合我國(guó)高速路和城市快速路的特點(diǎn)，提出可變限速控制策略，通過對(duì)交通擁擠機(jī)理的分析，建立VSL控制模型和算法。高速公路在不同條件下不宜采用單一限速值的思路，根據(jù)氣候、路況及車流量等條件自動(dòng)進(jìn)行可變限速的裝置，并通過建立限速數(shù)學(xué)模型，建立了限速專家系統(tǒng)。

根據(jù)高速公路可變限速控制的非線性時(shí)變系統(tǒng)，用智能人工算法建立交通流速度限制模型，對(duì)高速公路主線速度控制進(jìn)行研究。將智能控制方法應(yīng)用于高速公路的限速控制研究，使得控制器的設(shè)計(jì)過程不再依賴被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。楊兆升基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)與有限階段馬爾可夫決策的可變限速控制模型，通過與交通環(huán)境的交互學(xué)習(xí)進(jìn)行模型的動(dòng)態(tài)調(diào)整。采用有限階段向后遞歸迭代的算法對(duì)模型進(jìn)行求解，運(yùn)用Paramics仿真軟件對(duì)長(zhǎng)吉高速公路全程進(jìn)行仿真?；诟咚俟菲款i區(qū)域通行能力下降與通行效率之間的關(guān)聯(lián)度，劉攀提出阻止瓶頸區(qū)通行能力下降的可變限速控制策略。

2.2 國(guó)外研究狀況

可變限速的研究主要針對(duì)高速公路，可變限速模型建立時(shí)考慮的主要因素包括:道路的線形、道路的坡度、當(dāng)前的路面情況、交通流狀態(tài)、氣象條件等。根據(jù)當(dāng)前道路的特點(diǎn)結(jié)合可變限速模型確定道路的最佳限速值，通過對(duì)高速公路主線進(jìn)行速度控制，從而達(dá)到預(yù)期目的?？勺兿匏倏刂频暮诵膬?nèi)容是根據(jù)動(dòng)態(tài)的因素確定動(dòng)態(tài)的限速值。在現(xiàn)實(shí)中，由于數(shù)據(jù)采集的局限性以及影響各個(gè)道路可變限速的主要因素的差異性，決定了可變限速計(jì)算模型建立時(shí)應(yīng)考慮影響可變限速的關(guān)鍵因素，而不是所有因素，下面對(duì)國(guó)外可變限速理論研究情況進(jìn)行概況。

鑒于氣候變化和對(duì)燃料的需求不斷增加，Ghosal等以速度-油耗可變限速控制模型FC-VSL，并以車輛平均燃油消耗最低為目標(biāo)函數(shù)對(duì)可變限速值進(jìn)行求解?；谖⒂^交通仿真模型，R. Jiang， A. B. Lucky和E. Chung說(shuō)明可變限速對(duì)速度密度函數(shù)、行程、油耗、排放等指標(biāo)的影響。針對(duì)美國(guó)華盛頓特區(qū)環(huán)城公路施工區(qū)的可變限速控制系統(tǒng)，F(xiàn)udala運(yùn)用VISSIM仿真軟件分析了駕駛員遵從率(20%、50%)；可變限速值更新周期(5分鐘、10分鐘、20分鐘)、可變限速控制邏輯等對(duì)控制效果的影響。

Chris等提出了基于車速分布、車輛換道次數(shù)等參數(shù)的交通事故風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)分析模型，建立了可變限速控制對(duì)交通安全影響的評(píng)價(jià)模型，仿真驗(yàn)證表明，可變限速值的變化周期以5-10分鐘為宜，可變限速控制可使交通事故風(fēng)險(xiǎn)降低5%-17%。 Park在佛羅里達(dá)州選擇了104個(gè)低事故率且交通流分布均勻的調(diào)查地點(diǎn)，收集限速值影響因素?cái)?shù)據(jù)包括道路線形、交通流特性以及周圍境信息，建立限速值與影響因素的關(guān)系模型，能夠比將 85%位車速作為限速值的方法更有效并實(shí)現(xiàn)消除了駕駛員調(diào)整車速時(shí)人為主觀因素影響。在Park研究基礎(chǔ)上Agent研究認(rèn)為對(duì)不同車型應(yīng)進(jìn)行分車型限速。Paker則提出駕駛員不參照85%限速值，而是按照交通情況確定行駛速度。

Smulders以交通流密度作為依據(jù)，實(shí)施可變限速控制策略的方法。到 1994年，Smulders與Vanden—起，在荷蘭高速公路實(shí)施可變限速控制以來(lái)的交通情況，做了系統(tǒng)的闡述，指出可變限速控制在平順交通流，減少交通事故方面有顯著的作用。

總體來(lái)說(shuō)，對(duì)于高速公路限速控制研究，國(guó)外的研究多通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，注重效率與安全的平衡，對(duì)限制值的影響因素進(jìn)行系統(tǒng)研究，主要包括：85%位車速、設(shè)計(jì)速度、道路線形與交通流特性、交通事故數(shù)據(jù)等，在此基礎(chǔ)上給出合理的限速值，最后通過仿真手段或者實(shí)際應(yīng)用的手段驗(yàn)證限速控制效果。國(guó)內(nèi)的研究多以基于設(shè)計(jì)速度、運(yùn)行速度及停車視距模型，研究不同線形條件的限速值不同交通流量條件下的限速值以及不同天氣下的限速值，對(duì)限速控制效果評(píng)價(jià)方面的研究較少。

3 高速公路可變限速控制技術(shù)發(fā)展方向

高速公路可變車速控制方法，無(wú)論是在科學(xué)研究還是技術(shù)上都取得了實(shí)質(zhì)性成就，而就目前國(guó)內(nèi)外高速公路可變車速控制技術(shù)現(xiàn)狀來(lái)看，其發(fā)展趨勢(shì)主要朝著以下幾個(gè)方向發(fā)展：

1）控制模型、算法智能化：高速公路可變限速是非線性系統(tǒng)，由于交通流的復(fù)雜性，建立實(shí)用性較強(qiáng)、控制效果較好的高速公路可變限速控制模型及算法需要下一步著重解決。對(duì)于其高速公路運(yùn)行狀況的運(yùn)行模型，將智能控制方法應(yīng)用于可變限速控制研究，使得控制器的設(shè)計(jì)過程不再依賴被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。

2）研究環(huán)境系統(tǒng)化：高速公路可變速控制系統(tǒng)涉及道路、交通、事故及環(huán)境等各種影響因素,將高速公路可變車速作為一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行考慮，對(duì)于模擬真實(shí)的道路環(huán)境，具有重大意義。

3）仿真軟件二次開發(fā)：高速公路可變速控制技術(shù)的實(shí)施，需要配合連續(xù)化、智能化的可變速度標(biāo)志，其實(shí)施下來(lái)耗費(fèi)大量的人力、物力，而限速一旦設(shè)定對(duì)駕駛員行車行為的影響存在潛在危險(xiǎn)和不確定，故而需要通過先驗(yàn)性的交通仿真軟件對(duì)其進(jìn)行仿真，以提高高速公路的可變車速控制技術(shù)的有效性。實(shí)例評(píng)價(jià)中由于仿真軟件功能受限未能完全將動(dòng)態(tài)限速策略反應(yīng)到仿真環(huán)境中，下一步應(yīng)對(duì)現(xiàn)有的仿真軟件進(jìn)行針對(duì)性二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)限速控制的仿真。

4 小結(jié)

縱觀國(guó)內(nèi)外研究及應(yīng)用現(xiàn)狀，可變限速控制技術(shù)在高速公路控制領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其重要性也普遍受到人們的重視。隨著機(jī)動(dòng)車輛的保有量持續(xù)增加，人們出行密度也在增加，高速公路負(fù)荷也是與日俱增，交通安全問題成為了高速公路管理重點(diǎn)，尤其是在高速路交通事件下的交通管理更是交通管理部門的敏感神經(jīng)。因此，基于現(xiàn)有研究成果及應(yīng)用系統(tǒng)，開發(fā)新的可變車速控制技術(shù)以及相應(yīng)的系統(tǒng)適應(yīng)高密度、高負(fù)荷、高車速等性能控制技術(shù)成為一種必然趨勢(shì)。

1余凱.不利條件下高速公路動(dòng)態(tài)限速方法研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2010.

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