高速公路限速控制研究

1 限速控制的重要性
在高速公路上行车比一般道路上要快得多 , 而 高速度对车辆和驾驶员心理都有很大的影响 , 且快 速行车的驾驶员心理状态对控制车辆能力比低速时
wk.baidu.com
收稿日期 : 2001 - 06 - 05 ) , 男 , 山西榆次人 , 系主任 , 副教授 。 作者简介 : 翟润平 ( 1963 年 —
4～6 个目标 。而高速行驶时 , 驾驶员在 15 ～ 20 秒
所以高速行驶时 , 按时间计算每小时的燃料消耗量 约为在一般道路上的 3 倍 ( 116 的 2 倍 ) 。所以有 必要进行速度限制 , 以达到速度与燃料消耗量之间 的平衡关系 。 破坏汽车的操纵性和稳定性 : 高速行驶 , 往往 破坏汽车的操纵性和稳定性 。我们知道 : 汽车转向 时产生离心力 , 离心力的大小与速度的平方成正比 例关系 , 也就是说速度增加 , 离心力以速度平方关 系成比例增加 。离心力增加 , 使汽车所受的横向力 加大 , 高速行驶的汽车所受的横向力大于车胎与地 面的摩擦力时 , 会使汽车偏离正常行驶路线而产生 侧滑 。实际中 , 事故形式多表现为掉沟 、翻车等事 故 。可见 , 高速行驶往往使汽车的操纵性和稳定性 遭到破坏 。 扩大了汽车的制动非安全区 : 汽车持续制动距 离是随车速成平方的关系增加而延长 。汽车高速行 驶 , 一旦遇情况采取制动但制动距离加长 , 使制动
值也会有不同的规定 。 高速公路的发展表明 : 对高速公路主线的速度 限制不宜采用单一的限速值 , 而是应根据高速公路 主线实际的道路 、交通 、气候等条件采用合理的安 全限速 , 这也就是所谓的可变速控制 。 可变速度控制是指在高速公路上设置可变限速 标志来限制行车速度 , 从而使主线上的交通流的速 度能随车流密度的改变而变化 , 而保证交通流的均 匀 、稳定 , 同时还能提高道路通行能力 。 可变速度控制的目标主要是速度指标 。交通流 状态控制变量速度是其他交通流状态变量 ( 例如交 通量 、密度 、车头时距 、占有率) 的函数 , 根据这 些变量的函数关系 , 加上道路 、交通 、气象等条件 对交通流运行安全和效率的约束条件 , 建立交通流 速度控制数学模型 。实际当中可依据交通流状态和 道路气候条件 , 通过修正数学模型参数 , 来获得不 同交通环境条件下的最佳速度控制目标值 。
以内得不到新鲜信息就会感到枯燥无味 , 判断能力 下降 , 以致不能正确判断行车速度 、行车距离 、道 路宽度等 , 容易发生事故 。 平衡感觉失调 : 当人站着快速原地转圈时会发
35
翟润平 周彤梅 安荷萍 : 高速公路限速控制研究 非安全区扩大 , 制动效果也变差 。而且 , 高速行驶 在一定时间内遇到的情况相对较多 , 这种突遇情况 往往措施不及而发生事故 。 公路事故成因其中最主要的一项就是高速 。驾 驶员缺少高速公路行车的基本知识 , 盲目快速和超 速行驶 , 遇到紧急情况采取措施不当而发生交通事 故的情况比较普遍 。因此 , 为了保障高速公路的交 通安全与畅通 , 在高速公路上采用限速控制是非常 重要的 。 如果取拥挤持续时间 T c = 15min ,则拥挤速度 为 v c = 44kmΠ h。 我国规定 ,车辆在城市高速公路上 行驶的时速不得低于 50kmΠ h ,如果低于此速度则会 影响交通流的畅行 ,属于违章行为 。
212 最高限速
可变速度控制是指在高速公路上设置可变限速 标志来限制行车速度 , 从而使主线上的交通流的速 度能随车流密度的改变而改变 , 而保证交通流的均 匀 、稳定 , 同时还能提高道路通行能力 。 可变速度控制的基本原理是依据道路 、交通 、 气候等条件对高速公路主线交通流安全高效运行的 限制要求和路段交通流的流量 、速度 、密度的关 系 , 确定能够允许的最大交通流量下的最佳速度和 最佳密度 , 并据此采用可变限速标志等方法对高速 公路主线交通流进行速度控制 。 可变速度控制的目标主要是速度指标 。事实 上 , 由交通流理论可知 : 交通流的速度是其他交通 流状态变量 ( 例如交通量 、密度 、车头时距 、占有 率) 的函数 。根据这些变量的函数关系 , 加上道 路 、交通 、气象等条件对交通流运行安全和效率的 约束条件 , 可建立交通流速度控制的数学模型 。实 际控制时 , 可依据交通流状态和道路气候条件 , 通 过修正数学模型参数 , 来获得不同交通环境条件下 的最佳速度控制目标值 。 现考虑两个高速公路基本路段串联的情况 , 如 图 1 所示 :
( 公安大学交通管理工程系 , 北京 , 100038)
摘 要 高速公路限速控制是高速公路交通中一个非常重要的措施和手段 。本文在 对限速控制的重要性进行概要阐述的基础上 , 对限速控制的理论依据进行了较为深 入的探讨 , 以交通流理论为基础 , 探讨了道路上不同交通流量 , 不同能见度 , 不同 路面附着系数 , 不同道路线形等条件下的速度计算关系和修正系数 , 为限速控制的 实际应用提供了理论依据 。 关键词 高速公路 限速控制 畅行速度 阻塞密度 限速值 + 中图分类号 U49115 4
0 引言
提高交通安全 , 保证交通畅通是交通管理始终 的目标 , 也是一项庞大复杂的系统工程问题 。汽车 的问世带来了交通安全问题 , 同时汽车的发展 , 也 促进了道路交通的发展 , 也促进了交通管理科学的 发展 。汽车的保有量越来越多 , 汽车的速度越来越 快 , 交通安全与畅通问题也越来越突出 。 众所周知 , 汽车撞车时的能量与汽车当时的速 度的平方成正比 , 汽车驾驶人的判断准确性也随汽 车速度的增高而降低 , 汽车速度越高 , 安全性越 差 , 高速制动汽车容易失控 , 高速转向极易侧翻 , 凡此种种 , 都说明了汽车速度与安全的重要关系 。 因此 , 世界各国的交通法规 , 都要对汽车的行驶速 度加以限制 , 限制车速也是最有效的安全措施之 一。 什么是合理的限速 , 怎么样进行合理的限速控 制 , 一直是各国关注的研究问题 。在特定的国家 中 , 道路限速对交通安全的影响是一定的 , 但是根 据各个国家的实际国情不同 , 对限速的规定和措施 也就不同 。即使是同一国家 , 在不同阶段 、不同时 期 、不同地区以及不同经济条件下 , 对公路的限速
34
翟润平 周彤梅 安荷萍 : 高速公路限速控制研究 差 。一般来说 , 高速行驶对交通安全是不利的 , 因 此 , 不论从车辆因素考虑 , 还是从驾驶员因素考 虑 , 还是从交通安全与畅通方面考虑都需要对道路 上的车速予以限制 。
111 速度对驾驶员生理状态的影响
生心里难受 、站不稳等现象 , 这种现象是由于掌握 人体平衡感觉的内耳三半规管失控引起的 。 在高速公路上 , 直线行驶时交通事故多发 , 主 要的原因就是因为三半规管不稳定 , 在高速下失 控 , 使驾驶员产生错觉而引起的 。因此 , 在高速路 上行驶要合理降低速度 , 应在有充分余地的车速下 驾驶 。 由于驾驶员在高速行驶下的心理变化 , 而这种 变化对交通安全和畅通是不利的 , 因此 , 即使在道 路条件很好的高速公路上也应采取速度限制 。
公 安 大 学 学 报 ( 自然科学版) 2001 年第 6 期 No 16 2001 Journal of Chinese People’ s Public Security University
总第 26 期 Sum26
高速公路限速控制研究
翟润平 周彤梅 安荷萍
2 倍 , 在同一时间内行驶的路程就是平时的 2 倍 。
速受到驾驶员动态视力的限制 。 视野变窄 : 两眼注视某一目标 , 注视点两侧可 以看到的范围叫视野 。视野分为静视野和动视野 。 若将头部固定 , 眼球自由转动 , 同时看到的范围为 动视野 。将头部与眼球固定 , 同时能看到的范围为 静视野 。动视野比静视野大 。 随着车速的增加 , 驾驶员的注意点前移 、视野 变窄 , 只注意于景象的中心而置两侧于不顾的现象 叫隧洞视 , 隧洞视的发生对交通安全不利 。此外 , 在汽车行驶的过程中 , 靠近路边的景物相对于驾驶 员眼睛的角度若大于 72° Π s 时 , 景物在视网膜上就 不能清晰地成像 , 感到模糊不清 。所以 , 车速越高 越看不清路边近处的景物 。当速度再增加时 , 驾驶 员对于空间的视认能力也明显减退 。 判断能力减退 : 高速行驶时 , 驾驶员在单一环 境中行车 , 注意力衰退得很快 , 而且反应变得迟 钝 , 并对车速的速度判断比实际车速要低 , 意识水 平也渐渐降低 。 注意是驾驶员的一项基本指标 , 而且驾驶员还 应有分配注意力的能力 , 以便同时接受几个目标 , 同时完成几个工序 。经验确定 , 同一视线可以容纳
33 % , 视认距离减少 36 % 。因此 , 汽车的最高车
轮胎变形 : 汽车在行驶过程中 , 轮胎伴随着旋 转 , 将产生压缩及膨胀 , 即轮胎随着每一次接触地 面都会产生扭曲 , 在低速行驶时 , 轮胎这种扭曲会 很快地恢复 。但是 , 高速行驶时轮胎旋转加快 , 这 种扭曲就不能恢复 , 轮胎在离开地面时出现波形 , 这种现象叫做轮胎变形 。 而且发生这种现象时轮胎内部的空气压力低 , 温度异常高 , 将产生分离现象 ( 橡胶层与覆盖层分 离) , 或者外轮胎飞散等现象 , 特别容易发生交通 事故 。 燃料消耗量增多 : 在高速道路上燃料比平时要 多得多 。以 100kmΠ h 的速度行驶时 , 燃料消耗大约 是以 50kmΠ h 的速度行驶时所消耗的燃料的 116 倍 。 以时间为单位来计算 , 由于高速行驶速度是平时的
112 速度对车辆的影响
研究表明 : 快速行车的驾驶员心理状态对控制 车辆能力和交通安全都有极重要的影响 。事实上 , 在高速环境下行车 , 人体的生理状态也会有所改 变 , 具体体现在 : 眼睛的动态视力降低 : 眼睛分辨两物点间的最 小距离的能力称为视力 。视力分为静视力 、动视力 和夜间视力 。在开车时 , 驾驶员边运动边看运动的 物体 , 这时的视力称为动态视力 。动态视力随着速 度的增加而降低 。汽车以 60kmΠ h 的速度行驶 , 驾 驶员能看清车前 240 米的标志 , 而用 80kmΠ h 的速 度行驶 , 则在接近 160 米处才能看清 , 车速提高了
2 限速控制的理论依据
对高速公路实施限速控制 , 不仅限制高速公路 的最高安全行驶速度 , 而且对驶入高速公路的车辆 规定最低行驶时速 , 如果低于最低限速则会影响交 通流的畅行 , 属于违章行为 。
211 最低限速
行车速度高是高速公路的一大特点 , 高速公路 宽阔平坦的路面 、直缓的线形创造了一个高速环 境 。但由于车辆性能存在差异 , 因此 , 还必须对进 入高速公路的车辆进行甄别 , 把那些技术状况差 、 速度提不起来的车辆排除在外 , 否则 , 允许什么车 辆都进入高速公路的 “高速” , 修筑高速公路也就 失去了意义 。如果公路上很多车辆以较低的速度行 驶 , 整个车流的速度也就降低 , 所以必须对进入高 速公路车辆的速度进行最低值限制 , 尽量缩小车辆 间的速度差值 。同时 , 车辆速度差距缩小 , 车辆超 车变道的情况减少 , 追尾碰撞的可能性也减少 , 从 而使车流在较高的速度下保持安全畅通 。一些驾驶 员误以为在高速公路上开慢车比开快车安全 , 其实 不然 , 在高速公路上采用慢速行车严重阻碍全线车 辆的正常流动 , 极为危险 , 致使自己处于被动危险 的境地 。 此外 , 对高速公路实施最低速度限制也要考虑 高速公路的交通拥挤问题 。日本对城市高速公路的 交通拥挤定义为 : 在高速公路上以时速 40kmΠ h以 下低速行驶或反复停车 、启动的车队连续 1km 以 上并持续 15min 以上的状态为交通拥挤 。美国芝加 哥将交通拥挤定义为 30 %或更大的 5min 车道占有 率 。根据著名的 Bloch’ s 定理 , 交通拥挤的定义为 :