一種采用雷達(dá)測速儀的公路限速實(shí)驗(yàn)方法

沈 超,周 君

(淮陰工學(xué)院 交通工程學(xué)院,江蘇 淮安 223003)

國內(nèi)目前對于高等級(jí)公路限速值唯一有明確規(guī)定的是公路工程設(shè)計(jì)有關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，限速以設(shè)計(jì)速度為依據(jù)的，盡管道路上設(shè)有限速標(biāo)志，但是因超速引發(fā)的交通事故數(shù)仍然居高不下，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國每年因道路安全事故傷亡人數(shù)約為10萬人，其中大多與超速有關(guān)。公路規(guī)劃設(shè)計(jì)部門依據(jù)設(shè)計(jì)要求、路段實(shí)際車流量、路面坡度以及道路摩擦系數(shù)等不同，需要對各種類型的公路采取不同的限速值。許金良等[1]考慮新建公路、運(yùn)行速度、期望速度與限制速度的關(guān)系，提出新建高速公路限速方案的確定原則。程國柱等[2]提出一種高速公路作業(yè)區(qū)晝夜?jié)u變限速標(biāo)志間距計(jì)算方法。馬明輝等[3]從通行效率的角度，改進(jìn)宏觀交通流模型METANET，根據(jù)交通流變化情況構(gòu)建高速公路動(dòng)態(tài)限速控制模型，得到合理的可變限速值。田林等[4]采用雷達(dá)測速槍采集高海拔地區(qū)不同海拔區(qū)間一級(jí)公路長直線路段汽車運(yùn)行速度樣本，得到不同海拔區(qū)間長直線路段85%位車速，建立85%位車速與海拔之間的關(guān)系模型，確定85%位車速為不同海拔區(qū)間的限速值。SHRESTHA[5]采用六階段劃分法給出高速公路不同區(qū)段限速設(shè)置的指導(dǎo)建議。Fitzpatrick 等[6]認(rèn)為即使在設(shè)計(jì)車速低于運(yùn)行車速的路段，85%位車速也是最為合適的車速限制值。近年來，我國高速公路規(guī)劃設(shè)計(jì)部門采取了多種方式對路段限速值進(jìn)行標(biāo)定，其中最常用，也是較實(shí)用的一種方法便是采用85%位地點(diǎn)車速法，即依據(jù)該地點(diǎn)同類型車輛的車速頻率累計(jì)分布曲線圖，取85%位地點(diǎn)車速度，作為該路段的高速限速。本文一方面指導(dǎo)學(xué)生掌握一種雷達(dá)測速的公路限速實(shí)驗(yàn)方法，能夠理論聯(lián)系實(shí)際，學(xué)以致用，將85%位車速作為限速值不僅可以滿足駕駛員的駕駛需要，還能保證行車安全。因?yàn)樵诘攸c(diǎn)車速累積頻率分布曲線上，85%位車速接近曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)以上曲線坡度較緩，說明測得的地點(diǎn)車速中高速車輛的頻率少，所以在交通管理中以85%位車速作為觀測路段的最大限制車速，還可以為國內(nèi)高等級(jí)公路的限速值提供更為科學(xué)安全的設(shè)定依據(jù)。

1 公路運(yùn)輸系統(tǒng)車輛運(yùn)行速度

公路運(yùn)輸系統(tǒng)是一個(gè)包含了人、車、路、環(huán)境組成的系統(tǒng)，這四種因素彼此依存，共同組成一個(gè)運(yùn)動(dòng)的平衡系統(tǒng)。而車輛運(yùn)行速度還會(huì)受到天氣狀況、道路實(shí)際運(yùn)行狀況等因素的影響。所以，限速值應(yīng)當(dāng)依據(jù)道路實(shí)際狀況，并能夠體現(xiàn)絕大多數(shù)出行者的出行需要[7-8]。

在地點(diǎn)車速頻率分布曲線的基礎(chǔ)上，累加縱坐標(biāo)百分?jǐn)?shù)，得到地點(diǎn)車速累積頻率分布曲線圖，曲線的橫坐標(biāo)為速度，縱坐標(biāo)為累加的百分?jǐn)?shù)，曲線上與縱坐標(biāo)累加百分?jǐn)?shù)相對應(yīng)的車速稱為百分位車速。其中，15%～85%位車速變化較平穩(wěn)[9]。顧名思義，85%位車速即在該地點(diǎn)同類型車輛的車速頻率累計(jì)分布曲線圖中，累計(jì)車速排在85%位的車速值，因此在公路管理上將85%位車速確定為最高車速限制指標(biāo)。因?yàn)樵诘攸c(diǎn)車速累積頻率分布曲線上，85%位車速接近曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)以上曲線坡度較緩，說明測得的地點(diǎn)車速中高速車輛的頻率少，所以在交通管理中以85%位車速作為觀測路段的最大限制車速。另外國內(nèi)外學(xué)者通過大量實(shí)驗(yàn)研究認(rèn)為，將85%位車速作為高速公路最高限速是合理的，同時(shí)，還建議高速公路對大型車和小型車應(yīng)分別限速，大型車包括大客車以及大卡車，小型車包括小汽車以及小型貨車。

2 基于雷達(dá)測速儀的85%位車速采集

地點(diǎn)車速調(diào)查通常采用兩種方法，即人工測量法和機(jī)械測量法。人工測量法簡單易行，需要的儀器設(shè)備也相對簡單，但存在誤差大、精度低的缺點(diǎn)；機(jī)械測量法主要是利用機(jī)械裝置來對過往車輛的行駛速度進(jìn)行測算，具有精度高、誤差低的優(yōu)點(diǎn)，常見的機(jī)械測量法包括雷達(dá)測速法、道路檢測器測量法以及攝像法。選取何種測量方法需要根據(jù)現(xiàn)有儀器設(shè)備、人員配置以及實(shí)驗(yàn)預(yù)算來確定。本文采用雷達(dá)測速儀采集地點(diǎn)車速。

2.1 雷達(dá)測速儀的工作原理

雷達(dá)測速的基本原理是：采用反射波的多普勒效應(yīng)，當(dāng)車輛接近雷達(dá)測速儀時(shí)，雷達(dá)測速儀所發(fā)射的微波被車輛所反射，依據(jù)發(fā)射波與反射波的頻率差與車速成比例的關(guān)系，由于發(fā)射波與反射波傳播速度較快，測得的速度可被大致確立為地點(diǎn)車速。

由于雷達(dá)測速儀采用反射波的多普勒效應(yīng)，因此需要將測速儀與被測車輛保持在一定的距離范圍內(nèi)。其工作原理如圖1所示。

圖1 雷達(dá)測速儀工作原理示意圖

當(dāng)Φ=0°時(shí)，測速儀產(chǎn)生的誤差最小，因此在實(shí)際測量時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡可能保持測速槍發(fā)射的微波束與車輛運(yùn)行方向一致。當(dāng)Φ≠0°時(shí)，雷達(dá)測速儀測得的車速會(huì)略小于實(shí)際車速。同時(shí)，在操作雷達(dá)測速儀時(shí)，應(yīng)注意被測車輛所處的車流密度不應(yīng)過大，也要注意對向車流對測量精度的干擾。一般情況下，測量精度會(huì)隨著車輛速度的降低而降低，因而被測車輛的車速應(yīng)控制在一定的范圍之內(nèi)。

2.2 基于雷達(dá)測速儀的車速采集

2.2.1測速地點(diǎn)的選擇

雷達(dá)測速儀主要利用多普勒效應(yīng)原理，當(dāng)目標(biāo)向雷達(dá)天線靠近時(shí)，反射信號(hào)頻率將高于發(fā)射機(jī)頻率；反之，當(dāng)目標(biāo)遠(yuǎn)離天線而去時(shí)，反射信號(hào)頻率將低于發(fā)射機(jī)率，如此即可借由頻率的改變數(shù)值，計(jì)算出目標(biāo)車輛與雷達(dá)的相對速度。雷達(dá)測速儀操作簡單，數(shù)據(jù)采集方便，測速時(shí)只需將雷達(dá)測速儀架設(shè)在選定位置(或用雙手握穩(wěn))，將準(zhǔn)心對準(zhǔn)道路上相向而行的車輛，即可獲得實(shí)時(shí)地點(diǎn)速度。為了觀測正常行駛車輛的地點(diǎn)車速，減少觀測者測速行為對行駛車輛產(chǎn)生的影響，調(diào)查地點(diǎn)應(yīng)該選擇在路旁相對比較隱蔽處，盡量不要被駕駛員發(fā)現(xiàn)，使調(diào)查結(jié)果更加貼近實(shí)際。

2.2.2確定樣本數(shù)據(jù)的大小

2.3 85%位車速的獲取

2.3.1小型車的85%位車速獲取

通常情況下，小型車輛包括自行車、摩托車、輕型客車或貨車，高速公路上自行車和摩托車是禁止通行的。因此，本文所涉及的小型車輛僅針對輕型客車以及輕型貨車。論文將實(shí)測的100個(gè)小型車地點(diǎn)車速按從小到大排列，按10 km/h為一組間隔進(jìn)行分組，各組內(nèi)車輛出現(xiàn)次數(shù)為頻數(shù)，各組內(nèi)車數(shù)與車輛總數(shù)之比為頻率，位于同組的速度值為該組中值速度，將各組車速中值與相應(yīng)頻率匯成曲線，將該圖縱坐標(biāo)改成累積頻率，該曲線即為小型車地點(diǎn)車速累積頻率分布曲線，在曲線上找到縱坐標(biāo)為85%位的數(shù)據(jù)點(diǎn)，然后將該數(shù)據(jù)點(diǎn)投影到橫坐標(biāo)上，橫坐標(biāo)對應(yīng)的速度值即為小型車的85%位車速。

2.3.2大型車的85%位車速獲取

常見的大型車輛包括多軸卡車、大型客車、公共汽車、鉸接式貨車、大型工程車輛等，由于大型車輛本身重較大，發(fā)生緊急制動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的慣性，因此，對大型車輛限速值的確定更具有實(shí)際意義。同樣論文對實(shí)測的100個(gè)大型車地點(diǎn)車速進(jìn)行頻率統(tǒng)計(jì)分布，得到大型車地點(diǎn)車速的累積頻率分布曲線，在曲線上找到縱坐標(biāo)為85%位的數(shù)據(jù)點(diǎn)，然后將該數(shù)據(jù)點(diǎn)投影到橫坐標(biāo)上，橫坐標(biāo)對應(yīng)的速度值即為大型車的85%位車速。

3 G205公路限速實(shí)例分析

3.1 限速位置的確定

在我國，高速公路限速值在不同情況下通常取值也不同，高速公路采取的最高限速值為120 km/h[10]，也有地段采取100 km/h，在某些下坡路段或是高速公路隧道內(nèi)，限速值甚至可以是80 km/h，在分流匝道處，限速值一般為40 km/h或是30 km/h。限速位置的確定還需要綜合考慮實(shí)際道路狀況，在路況較差路段通常限速值較低，在相鄰路段處，限速值變化一般不會(huì)太大。《公路項(xiàng)目安全性評(píng)價(jià)規(guī)范》(JIGB05-2015)中指出：公路相鄰路段運(yùn)行速度差△V85<10 km/h時(shí)，運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性好，△V85為10～20 km/h時(shí)，運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性較好，△V85>20 km/h時(shí)，運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性不良。當(dāng)相鄰路段運(yùn)行速度差值△V85>20 km/h時(shí)，應(yīng)在兩者之間設(shè)置相應(yīng)的限速區(qū)段。因此，本實(shí)驗(yàn)需要選取路況良好、視野開闊點(diǎn)進(jìn)行測量，所測區(qū)段的運(yùn)行車速與相鄰路段的運(yùn)行車速差大于20 km/h，即該區(qū)段所得限速值同樣適用于相鄰路段。

G205洪澤-盱眙路段交通事故頻發(fā)，在采取了限速80 km/h的措施后，對過往車輛進(jìn)行測速，有效遏制了事故多發(fā)勢頭。為了驗(yàn)證此限速值是否符合實(shí)際情況、滿足大多數(shù)駕駛員的行車要求，論文挑選了道路狀況較好的K117+00，K105+00兩處地方進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)查，經(jīng)比對K117+00，K105+00兩處地方的運(yùn)行車速要明顯高于其相鄰路段，將這兩處地方的85%位車速作為限速依據(jù)是比較合理的。

3.2 限速數(shù)據(jù)調(diào)查

本文選取G205洪澤—盱眙路段K117+00，K105+00兩處地方作為地點(diǎn)車速采集點(diǎn)，K117+00，K105+00路況良好，雙向4車道，交通流穩(wěn)定，其流量大小為3000輛/h，用雷達(dá)測速儀測得兩處地方的大、小型車的地點(diǎn)車速。

3.3 限速結(jié)果分析

論文將實(shí)測的100輛車的地點(diǎn)車速按從小到大排列，按5 km/h為一組間隔進(jìn)行分組，組內(nèi)車輛出現(xiàn)次數(shù)為頻數(shù)，各組內(nèi)車數(shù)與車輛總數(shù)之比為頻率(見表1～表4)，將各組相應(yīng)頻率依次累加并匯成曲線，將縱坐標(biāo)改成累積頻率，該曲線即為地點(diǎn)車速累積頻率分布曲線，在曲線上找到縱坐標(biāo)為85%位的數(shù)據(jù)點(diǎn)，然后將該數(shù)據(jù)點(diǎn)投影到橫坐標(biāo)上，橫坐標(biāo)對應(yīng)的速度值即為85%位車速。依次繪制K117+00，K105+00兩處地方大、小型車的累計(jì)頻率曲線，并找出各自的85%位車速，如圖2～圖5所示。

表1 K117+00處 小車速度統(tǒng)計(jì)表

圖2 K117+00處小型車85%位車速分布圖

表2 K117+00處大車速度統(tǒng)計(jì)表

圖3 K117+00處大型車85%位車速分布圖

表3 K105+00處小車速度統(tǒng)計(jì)表

圖4 K105+00處小型車85%位車速分布圖

表4 K105+00處大車速度統(tǒng)計(jì)表

圖5 K105+00處大型車85%位車速分布圖

從上面的速度累計(jì)頻率分布曲線來看，K117+00處小型車的85%位車速為84 km/h，大型車的85%位車速為74 km/h；K105+00處小型車的85%位車速為83 km/h，大型車的85%位車速為75 km/h。所以，在K117+00和K105+00兩處地方，小型車的85%位車速均在85 km/h以內(nèi)，大型車的85%位車速均在75 km/h以內(nèi)，將85%位車速作為限速值，不僅可以滿足駕駛員的駕駛需求，還能夠保證行車安全。但是在《交通工程手冊》中，限速值一般是10 km/h的整數(shù)倍，另外由于此次調(diào)查選擇的時(shí)間是非高峰時(shí)間，交通量為3000輛/h，道路交通流處于自由流狀態(tài)，所測的速度較高于高峰時(shí)間的行駛速度，所以K117+00、K105+00兩處的限速值要小于85%位車速，小型車的85%位車速接近80 km/h，大型車的85%位車速接近70 km/h，即取小型車的限速值為80 km/h，大型車的限速值為70 km/h。

4 結(jié)語

本文對高速公路限速值的設(shè)置依據(jù)進(jìn)行了探討，并給出了利用雷達(dá)測速儀進(jìn)行實(shí)際操作的實(shí)驗(yàn)步驟和要點(diǎn)。以G205洪澤—盱眙K117+00、K105+00路段為例，用雷達(dá)測速儀測得大、小型車的地點(diǎn)車速，繪制相應(yīng)的頻率累積分布曲線，從曲線上得到小型車的85%位車速均在85 km/h以內(nèi)，大型車的85%位車速均在75 km/h以內(nèi)，由于限速值一般是10 km/h的整數(shù)倍，調(diào)查所選的時(shí)間

處為非高峰時(shí)段，道路交通流于自由流狀態(tài)，導(dǎo)致85%位車速偏高，為保證行車安全，取小型車的限速值為80 km/h，大型車的限速值為70 km/h。研究結(jié)論有助于為高速公路管理部門制定合理限速方案提供參考。