行駛車輛擁堵測算法的研究及應(yīng)用

韓君如

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行駛車輛擁堵測算法的研究及應(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)展及車輛增加，交通擁堵現(xiàn)象越來越嚴(yán)重。特別是上下班期間通勤時(shí)間會延長，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。通過研究車輛擁堵測算法來預(yù)知車輛擁堵信息，結(jié)合雷達(dá)測速技術(shù)及ITS（Intelligent Transportation Systems, ITS）信息技術(shù)，把車輛擁堵信息及時(shí)發(fā)布，讓可回避擁堵車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)測速技術(shù)；車輛擁堵測算法；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

交通擁堵就是車輛過多擁擠造成車輛難以行進(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，車輛增速加快，交通堵塞現(xiàn)象越來越嚴(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)境污染給國家造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。車輛管理質(zhì)量的提升與車輛需求增加的矛盾已成為社會關(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，為滿足不同方向的車輛通行，必須采取分時(shí)通斷的管理方式，這就使同車道在交叉路口的承載運(yùn)輸能力下降。因此，怎樣測算擁堵路段的最大承載量是解決問題的前提條件，對進(jìn)入擁堵路段的車輛行駛狀態(tài)的檢測推斷車輛是否開始擁堵，這是預(yù)知擁堵的關(guān)鍵，把車輛擁堵信息及時(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)讓可回避擁堵車輛提前預(yù)知路段擁堵信息而主動避開擁堵路段。采取的方案共分為三部分：首先實(shí)時(shí)測算出路段通行的最大承載量；第二把最大承載量轉(zhuǎn)化為擁堵信號發(fā)布出來；第三可回避車輛及時(shí)獲得擁堵信息主動變更行駛路線。國際上流行一種車輛行駛“三秒法則”，其本質(zhì)都是出于安全，但是測算效果比較認(rèn)可?！叭敕▌t”最初由北美流行的“二秒法則”發(fā)展而來，它是根據(jù)人的反應(yīng)速度（時(shí)間）+踩制動踏板開始到制動起作用的時(shí)間+車輛制動開始到停止的時(shí)間，得出的安全間隔距離。試驗(yàn)證明，車速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，開車時(shí)一定要保持3秒的安全行車距離。

3 擁堵路段車輛行駛狀態(tài)的測算方法

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)都是車輛由少到多的積聚，是一個(gè)漸變過程，而對于進(jìn)入擁堵路段的車輛來說就是運(yùn)動狀態(tài)的變化，都有一個(gè)加速啟動和減速停車的過程。對于多車道的路段只需測算直行車道，分流車輛總是占少數(shù)，不影響通行擁堵的判斷，路段承載量也是指直行車道的縱向車輛數(shù)，即綠燈期間紅燈截留車輛以及正在進(jìn)入的車輛均能夠正常通過的車輛數(shù)，當(dāng)承載量達(dá)到最大承載量時(shí)車輛開始擁堵。通過最大承載量推算出擁堵路段的距離，進(jìn)一步確定造成擁堵狀態(tài)的最后一輛車的檢測位置，即安裝測速裝置的地方。反之，測速裝置對經(jīng)過該地點(diǎn)的車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，判斷車輛是否處于制動減速狀態(tài)，推算路段進(jìn)入擁堵狀態(tài)。

下面典型實(shí)例來說明最大承載量的測算及行駛車輛狀態(tài)的檢測：

車速40km／h路段，如果從40km／h（v=11)速度在3秒(t=3)內(nèi)停下來，減速度a=3.67m/s2(v=at)，安全停車距離是16.5米(v2=2as)。如果前車是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3.67m/s2就說明開始停車了。小車停車占距5米，大車占距8米，每車平均7米距離計(jì)算。

假設(shè)紅燈截留時(shí)間為60秒，車輛行駛安全間距是3秒，每車身占7米，自身通過時(shí)間0.63秒，每車通過時(shí)間是3+0.63=3.63秒，計(jì)算出截留輛車是16，排隊(duì)長度7*16=112米，第17輛車壓住112米之線就是紅燈熄滅的時(shí)刻，因此112米可以作為車輛擁擠（開始擁擠向堵塞過渡）的閥值，該地點(diǎn)就是安裝車輛擁堵的測速裝置。如果第17輛車開始減速，經(jīng)過112米逐漸減速，到達(dá)路口停止線時(shí)，紅燈又亮了，等于說這輛車遭遇兩次紅燈，即從第一次紅燈滅之前開始減速，經(jīng)過一個(gè)綠燈時(shí)間的減速，剛好到達(dá)停止線時(shí)第二次紅燈開始亮了。就可斷定，從這輛車開始道路進(jìn)入擁擠狀態(tài)。

進(jìn)入112米的車輛減速持續(xù)到停止線的減速度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)車輛，壓112米線，擁擠開始。

習(xí)慣上車輛經(jīng)過兩次的紅燈亮就可認(rèn)定為車輛擁堵，如果前面交叉路口紅燈截止車輛排了112米，后來車輛繼續(xù)減速排隊(duì)到兩個(gè)112米位置，即224米，該地點(diǎn)就是安裝車輛堵塞的測速裝置，224米就是車輛堵塞的閥值，只要在224米線的車輛減速度大于0.54m/s2時(shí)第二周期的紅燈開始亮。

結(jié)論：壓224米線，減速度大于0.54m/s2時(shí)車輛，車輛開始堵塞(v2=2as)，下表1（Tab1)描述的截留車輛從第一輛車開始依次停車的過程。

4 測算方案可行性

4.1 雷達(dá)測速技術(shù)

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

4.2 車輛擁堵測算法具有較大的冗余性和適應(yīng)性

由于車輛的復(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)字來作出車輛擁堵的邏輯判斷，事實(shí)上也沒有必要力求十分準(zhǔn)確，因?yàn)檐囕v擁堵本身就是一個(gè)不確定概念，沒有十分明確的數(shù)字界定。前面進(jìn)行測算的依據(jù)也是一個(gè)定性的概念，但是理論的推導(dǎo)是確切的，從而說明這種方法是可行的，具有較大的冗余性，因?yàn)閷η疤釛l件的要求較寬。雷達(dá)測速很準(zhǔn)確但是范圍可達(dá)一兩百米，對安裝位置的要求不需要十準(zhǔn)確?？梢猿浞职l(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，總之這種測算方法是一種簡便有效的測算方法，具有較強(qiáng)的操作性和實(shí)踐性。

5 解決車輛擁堵具有較大的現(xiàn)實(shí)意義

有數(shù)據(jù)分析每車輛在市區(qū)行駛因堵車所消耗油量不少每天1升，截止2017年我國機(jī)動車量突破3億輛，北京突破5百萬輛。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年代對倫敦進(jìn)行的一次檢測報(bào)告證明大氣中74%的氮氧化物來自汽車尾氣排放。系統(tǒng)的深入分析和數(shù)據(jù)存儲為交通規(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,《中國市場》.(2014)42-0100-02.

[2] 李明.雷達(dá)目標(biāo)識別技術(shù)研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢分析[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