一种雪天快速道路拥堵上游可变限速控制方法.pdf

本发明公开了一种雪天快速道路拥堵上游可变限速控制方法，在快速道路上等距设置多个交通流检测器，基于实时自动检测获取的快速道路各路段交通流数据，判断快速道路各路段拥堵情况，利用拥堵波的传播特性计算选择快速道路雪天时拥堵路段上游的最优限速值，通过路侧可变限速信息提示板实时显示当前限速值，实现了在雪天条件下动态控制快速道路行车速度。本发明对减少雪天拥堵路段上游出现拥堵时追尾事故的发生和提高快速道路不良天气下的行车安全具有重要意义。

权利要求书
1.  一种雪天快速道路拥堵上游可变限速控制方法，其特征为：包括顺序执行的以下步骤： 
（1）、在快速道路上等间距设置多个交通流检测器，交通流检测器每30秒检测一次各道路断面交通流流量、交通流密度、车辆速度及占有率数据并将数据传送至数据平台； 
（2）、每个交通流检测器的上游均配套一个路侧可变信息提示板，路侧可变信息提示板与配套的交通流检测器的间距Lb计算公式如下： 

其中， 
vu—快速道路上紧邻该交通流检测器上游的一个交通流检测器检测到的自由流车速的85%分位值，单位为km/h， 
vp—快速道路雪天能见度低时最低限速经验值，取20km/h， 
a'—车辆在结冰路面的制动减速度值，取0.8m/s2， 
Lw—雪天时最大能见度，单位为m； 
（3）、确定快速道路发生拥堵时拥堵波的传播速度参考值
（4）、数据平台判断快速道路是否发生拥堵，具体方法为： 
当满足Oa-Oc>0且va-vr<0时，则判断该路段出现拥堵；否则未出现拥堵； 
其中， 
Oa为快速道路各路段的实时占有率， 
va为快速道路各路段的实时速度的检测值，单位为km/h， 
Oc为快速道路各路段的交通流拥堵状态时占有率阈值， 
vr为快速道路各路段的车辆速度阈值； 
若出现拥堵状况则转入第（5）步，若未出现拥堵则启用正常天气状况下限速控制系统； 
（5）、从气象部门实时获取当前时刻气象信息； 
（6）、当判断出现拥堵现象，且气象信息显示当前拥堵路段存在降雪状况，数据平台触发快速道路雪天可变限速值控制系统，根据最优限速值控制算法计算当前时刻最优限速值； 
当前时刻最优限速值的计算方法如下： 
将120km/h、100km/h、80km/h、60km/h和50km/h作为供选择的限速值，按从大到小的顺序依次带入下列最优限速值判定条件中计算， 

其中， 
—当前选择带入最优限速值判定条件的一个供选择的限速值，单位为km/h， 
—驾驶员制动前的反应时间，单位为s， 
vcon—快速道路拥堵车辆的行驶速度，单位为km/h， 
a—当前路面状况的制动减速度，单位为m/s2， 
—拥堵波传播速度参考值，单位为km/h， 
L—从气象部门获取的当前能见度，单位为m， 
t—当前时刻， 
—交通流检测器检测到拥堵状态的时刻， 
选择首个满足最优限速值判定条件的供选择的限速值作为最优限速值。 
若气象信息显示当前拥堵路段没有降雪状况，则启用正常天气状况下限速控制系统； 
（7）、数据平台通过配套的路侧可变信息提示板发布当前时刻最优限速值。 

2.  根据权利要求1所述的下一种雪天快速道路拥堵上游可变限速控制方法，其特征在于：发生拥堵现象时拥堵波的传播速度的计算公式如下： 
vs=(qA–qB)/(kB-kA) 
其中， 
qA—自由流状态的交通流流量，单位为veh/s； 
kA—自由流状态的交通流密度，单位为veh/m； 
qB—拥堵状态的交通流流量，单位为veh/s； 
kB—拥堵状态的交通流密度，单位为veh/m； 
将6-12个月内记录的多组历史交通流数据带入上式计算，得到拥堵波传播速度的平均值作为拥堵波的传播速度参考值。 

3.  根据权利要求1所述的一种雪天快速道路拥堵上游可变限速控制方法，其特征在于：前后两个交通流检测器的间距为1Km。 

4.  根据权利要求1所述的一种雪天快速道路拥堵上游可变限速控制方法，其特征在于：步骤（5）中，当前时刻气象信息包括是否有降雪状况和当前拥堵路段的能见度L；若有降雪状况则还需获得路面状况，包括松软积雪、压实积雪和结冰路面三种情况。 

5.  根据权利要求4所述的一种雪天快速道路拥堵上游可变限速控制方法，其特征在于：不同的路面状况对应不同的制动减速度，路面状况与制动减速度a的对应如下： 
路面状况    制动减速度a 
松软积雪    2 
压实积雪    1.5 
结冰路面    0.8 。

说明书一种雪天快速道路拥堵上游可变限速控制方法
技术领域
本发明属于交通安全和智能交通技术领域，尤其是一种雪天条件下快速道路拥堵路段上游可变限速控制方法。
背景技术
随着我国快速道路通车里程数和机动车保有量迅速增长，道路交通安全领域的相关问题越来越受到重视。正常天气状况下，有一套限速控制系统。而下雪天气条件下情况复杂，正常天气状况下的限速控制系统不适用于下雪天条件的情况。下雪天气条件下由于路面摩擦系数的降低，使车轮与路面材料之间的相互嵌制受到严重影响，从而导致制动失控和转向不灵等问题。同时，雪天的能见度差、可视距离小，加上快速道路上普遍车速较快、流量较大，因此，下雪天气快速道路上极易发生追尾事故甚至连环撞车事故。
目前我国保障快速道路下雪天气下交通安全的主要手段是车速限制，如何科学、合理的确定快速道路各种情况下的限速值是解决问题的关键。如果限速值设置较高则不能较好降低追尾事故风险及严重程度，但限速值设置过低会极大增加出行时间及出行延误。随着当前智能交通系统（Intelligent Transportation System，简称ITS）和先进交通管理系统（Advanced Transportation Management System，简称ATMS）的应用，交通控制中心可以通过气象监测设备获得实时准确的天气条件数据，例如当前温度、能见度、降雪、路面状态、风力风向等，为准确计算下雪情况下合理限速值提供了重要基础数据。但以往针对下雪天气的限速值计算普遍通过分析车辆减速距离来得到，并没有考虑到快速道路上交通拥堵向上游传播的特性，导致限速值计算不合理，得到的限速值无法实现最优控制效果，追尾事故频发。
发明内容
要解决的技术问题：针对现有技术的不足，本发明提出一种雪天快速道路拥堵上游可变限速控制方法，解决现有技术中保障快速道路下雪天气下交通安全的主要手段未考虑快速道路上交通拥堵向上游传播的特性而导致限速值不合理、追尾事故频发的技术问题。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种雪天快速道路拥堵上游可变限速控制方法，包括顺序执行的以下步骤：
（1）、在快速道路上等间距设置多个交通流检测器，交通流检测器每30秒检测一次各道路断面交通流流量、交通流密度、车辆速度及占有率并将数据传送至数据平台；这些数据包括长期检测形成的历史交通流数据和实时控制过程中检测到的实时数据。
（2）、每个交通流检测器的上游均配套一个路侧可变信息提示板，路侧可变信息提示板与配套的交通流检测器的间距Lb计算公式如下：
Lb=(vu/3.6)2-(vp/3.6)22a′+Lw]]>
其中，
vu—快速道路上快速道路上紧邻该交通流检测器上游的一个交通流检测器检测到的自由流车速的85%分位值，单位为km/h，由检测形成的历史交通流数据得到，
vp—快速道路雪天能见度低时最低限速经验值，取20km/h，
a'—车辆在结冰路面的制动减速度值，取0.8m/s2，
Lw—雪天时最大能见度，单位为m；
保证上游行驶而来的车辆的驾驶员看到路侧可变信息提示板上的限速值时候，能够在他到达配套的交通流检测器位置时成功从行驶速度减速到限速值，路侧可变信息提示板与交通流检测器的距离必须大于雪天时最大能见度值；
（3）、确定快速道路发生拥堵时拥堵波的传播速度值
（4）、数据平台判断快速道路是否发生拥堵，具体方法为：
当满足Oa-Oc>0且va-vr<0时，则判断该路段出现拥堵；否则未出现拥堵；
其中，
Oa为快速道路各路段实时交通流占有率
va为快速道路各路段实时速度的检测值，单位为km/h，
Oc为快速道路各路段交通流拥堵状态占有率阈值，
vr为快速道路各路段速度阈值；
若出现拥堵状况则转入第（5）步，若未出现拥堵则启用正常天气状况下限速控制系统；
（5）、从气象部门实时获取当前时刻气象信息；
（6）、当判断出现拥堵现象，且气象信息显示当前拥堵路段存在降雪状况，数据平台触发快速道路雪天可变限速值控制系统，根据最优限速值控制算法计算当前时刻最优限速值；当前时刻最优限速值的计算方法如下：
将120km/h、100km/h、80km/h、60km/h和50km/h作为供选择的限速值，按从大到小的顺序依次带入下列最优限速值判定条件中计算，
(s&OverBar;/3.6)&CenterDot;Δt&OverBar;+(s&OverBar;/3.6)2-(vcon/3.6)22a+(v&OverBar;s/3.6)&CenterDot;(((s&OverBar;-vcon)/3.6)a+Δt&OverBar;)<L-(v&OverBar;s/3.6)(t-t&OverBar;)]]>
其中，
—当前选择带入最优限速值判定条件的一个供选择的限速值，单位为km/h，
Δt—驾驶员制动前的反应时间，单位为s，
vcon—快速道路拥堵车辆的行驶速度，单位为km/h，
a—当前路面状况的制动减速度，单位为m/s2，
—拥堵波传播速度参考值，单位为km/h，
L—从气象部门获取的当前能见度，单位为m，
t—当前时刻，
—交通流检测器检测到拥堵状态的时刻，
选择首个满足最优限速值判定条件的供选择的限速值作为最优限速值。若气象信息显示当前拥堵路段没有降雪状况，则启用正常天气状况下限速控制系统；
（7）、数据平台通过对应桩号的路侧可变信息提示板发布当前时刻最优限速值。
进一步的，在本发明中，发生拥堵现象时拥堵波的传播速度的计算公式如下：
vs=(qA–qB)/(kB-kA)
其中，
qA—自由流状态的交通流流量，单位为veh/s；
kA—自由流状态的交通流密度，单位为veh/m；
qB—拥堵状态的交通流流量，单位为veh/s；
kB—拥堵状态的交通流密度，单位为veh/m；
将6-12个月内记录的多组历史交通流数据带入上式计算，得到拥堵波传播速度的平均值作为拥堵波的传播速度参考值。
进一步的，在本发明中，步骤（5）中，当前时刻气象信息包括是否有降雪状况和当前拥堵路段的能见度L；若有降雪状况则还需获得路面状况，包括松软积雪、压实积雪和结冰路面三种情况。
进一步的，在本发明中，不同的路面状况对应不同的制动减速度，路面状况与制动减速度a的对应如下：
路面状况    制动减速度a
松软积雪    2
压实积雪    1.5
结冰路面    0.8
有益效果：
本发明在快速道路上等距设置多个交通流检测器，基于实时自动检测获取的快速道路各路段交通流数据，判断快速道路各路段拥堵情况，基于拥堵波传播速度设计可变限 速控制算法，通过路侧可变限速信息提示板实时显示当前限速值，实现了在雪天条件下动态控制快速道路行车速度，从而减少因能见度差和制动性能下降导致追尾事故的发生。
本发明有效实现了对驾驶员在雪天条件下行驶于快速道路的可变速度控制，利于驾驶员在能见度低的情况下提前减速，保留足够制动距离预防追尾事故的发生。
附图说明
图1交通流数据采集及可变限速控制系统示意图；
图2雪天条件下快速道路可变限速控制流程图；
图1中：交通流检测器1、路侧可变信息提示板2、数据平台3、车辆4、气象部门5。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
一种雪天快速道路拥堵上游可变限速控制方法，包括顺序执行的以下步骤：
（1）、在快速道路上等间距设置多个交通流检测器，交通流检测器每30秒检测一次各道路断面交通流流量、交通流密度、车辆速度及占有率并将数据传送至数据平台；这些数据包括长期检测形成的历史交通流数据和实时控制过程中检测到的实时数据。
（2）、每个交通流检测器的上游均配套一个路侧可变信息提示板，路侧可变信息提示板与配套的交通流检测器的间距Lb计算公式如下：
Lb=(vu/3.6)2-(vp/3.6)22a′+Lw]]>
其中，
vu—快速道路上快速道路上紧邻该交通流检测器上游的一个交通流检测器检测到的自由流车速的85%分位值，单位为km/h，由长期检测形成的历史交通流数据得到，
vp—快速道路雪天能见度低时最低限速经验值，取20km/h，
a'—车辆在结冰路面的制动减速度值，取0.8m/s2，
Lw—雪天时最大能见度，单位为m；
保证上游行驶而来的车辆的驾驶员看到路侧可变信息提示板上的限速值时候，能够在他到达配套的交通流检测器位置时成功从行驶速度减速到限速值，路侧可变信息提示板与交通流检测器的距离必须大于雪天时最大能见度值；
（3）、确定快速道路发生拥堵时拥堵波的传播速度参考值首先利用下式计算每次发生拥堵现象时拥堵波的传播速度：
vs=(qA–qB)/(kB-kA)
其中，
qA—自由流状态的交通流流量，单位为veh/s；
kA—自由流状态的交通流密度，单位为veh/m；
qB—拥堵状态的交通流流量，单位为veh/s；
kB—拥堵状态的交通流密度，单位为veh/m；
将6-12个月内记录的多组历史交通流数据带入上式计算，得到拥堵波传播速度的平均值作为拥堵波的传播速度参考值。
（4）、数据平台3判断快速道路是否发生拥堵，具体方法为：
当满足Oa-Oc>0且va-vr<0时，则判断该路段出现拥堵；否则未出现拥堵；
其中，
Oa为快速道路各路段实时交通流占有率
va为快速道路各路段实时速度的检测值，单位为km/h，
Oc为快速道路各路段交通流拥堵状态占有率阈值，
vr为快速道路各路段速度阈值；
若出现拥堵状况则转入第（5）步，若未出现拥堵则启用正常天气状况下限速控制系统；
（5）、从气象部门5实时获取当前时刻气象信息；包括是否有降雪状况和当前拥堵路段的能见度L；若有降雪状况则还需获得路面状况，包括松软积雪、压实积雪和结冰路面三种情况。不同的路面状况对应不同的制动减速度，路面状况与制动减速度a的对应如表1所示，
表1

（6）、当判断出现拥堵现象，且气象信息显示当前拥堵路段存在降雪状况，数据平台3触发快速道路雪天可变限速值控制系统，根据最优限速值控制算法计算当前时刻最优限速值，计算方法如下：
将120km/h、100km/h、80km/h、60km/h和50km/h作为供选择的限速值，按从大到小的顺序依次带入下列最优限速值判定条件中计算，
(s&OverBar;/3.6)&CenterDot;Δt&OverBar;+(s&OverBar;/3.6)2-(vcon/3.6)22a+(v&OverBar;s/3.6)&CenterDot;(((s&OverBar;-vcon)/3.6)a+Δt&OverBar;)<L-(v&OverBar;s/3.6)(t-t&OverBar;)]]>
其中，
—当前选择带入最优限速值判定条件的一个供选择的限速值，单位为km/h，
—驾驶员制动前的反应时间，一般为2s，
vcon—快速道路拥堵车辆的行驶速度，单位为km/h，
a—当前路面状况的制动减速度，单位为m/s2，
—拥堵波传播速度参考值，单位为km/h，
L—从气象部门获取的当前能见度，单位为m，
t—当前时刻，
—交通流检测器检测到拥堵状态的时刻，
选择首个满足最优限速值判定条件的供选择的限速值作为最优限速值。
若气象信息显示当前拥堵路段没有降雪状况，则启用正常天气状况下限速控制系统；
（7）、数据平台3通过对应桩号的路侧可变信息提示板2发布当前时刻最优限速值。
下面结合附图与具体实施实例对本技术方案说明如下：
首先，给出本发明中各公式变量的参考值：驾驶员反应时间一般取值2s，快速道路能见度低时最低限速值vp取50km/h，依据拥堵波的传播特性可知拥堵波的传播速度参考值为15km/h，快速道路交通流拥堵状态占有率阈值Oc的参考值为20%，快速道路交通流拥堵状态速度阈值vr的参考值为80km/h，雪天时最大能见度Lw为400m。
某日上午9时30分0秒，从快速道路的某一交通流检测器实时获取的交通流数据Oa=23.8%和va=72km/h。快速道路现有数据显示快速道路上紧邻该交通流检测上游的一个交通流检测器检测到的历史交通流数据显示上游自由流车速的85%分位值vu为100km/h，当前时刻气象数据为：正在降雪，路面状况为松软积雪，对应制动减速度a为2，当前拥堵路段能见度为200m，即L值为200m。
首先，计算路侧可变信息提示板与路段交通流检测器间距Lb，计算过程如下：
Lb=(vu/3.6)2-(vp/3.6)22a′+Lw=(100/3.6)2-(50/3.6)22×0.8+400=761.69]]>
兼顾安装方便和安全，在快速道路路段每个交通流检测器上游765m处设置与之配合的路侧可变信息提示板。
其次，进行拥堵判定，由于23.8-20>0且72-80<0，故快速道路上该交通流检测器处交通拥堵，又因为当前时刻气象数据显示正在降雪，故触发雪天快速道路拥堵路段上游 可变限速控制系统。
再次，雪天快速道路拥堵路段上游可变限速系统被触发后，在9时30分30秒选择限速值120km/h带入下式左右两侧分别计算，该式中vcon即为va=72km/h：
(s&OverBar;/3.6)&CenterDot;Δt&OverBar;+(s&OverBar;/3.6)2-(vcon/3.6)22a+(v&OverBar;s/3.6)&CenterDot;(((s&OverBar;-vcon)/3.6)a+Δt&OverBar;)<L-(v&OverBar;s/3.6)(t-t&OverBar;)]]>计算结果不等式左边为217.28，不等式右边为75，因217.28>75，故不符合上述不等式，故120km/h不符合最优限速值判定条件；
在9时30分30秒选择限速值100km/h带入该不等式计算，计算结果不等式左边为109.72，不等式右边为75，因109.72>75，故不符合上述不等式，故100km/h不符合最优限速值判定条件；
在9时30分30秒选择限速值80km/h带入该式计算，计算结果为不等式左边为17.6，不等式右边为75，因17.6<75，故符合上述不等式，故80km/h符合最优限速值判定条件；
最后，数据平台通过与该交通流检测器配合的路侧可变信息提示板发布信息“当前限速80km/h”。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。