基于山區(qū)隧道的可變限速系統(tǒng)開發(fā)與仿真

董魯祺　陳堅(jiān)

摘 要：為了降低山區(qū)公路隧道段交通事故率，設(shè)計(jì)了一種可變限速控制系統(tǒng)。結(jié)合天氣狀況、道路信息和交通流狀態(tài)，建立了一種安全速度計(jì)算模型。以雙碑公路為例，對(duì)可變限速過程進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明：在不同時(shí)段，該策略使車輛行駛的速度均勻性分別提升了1.48%和2.06%，有效提升了隧道行車的安全性，從而降低了事故率。

關(guān)鍵詞：可變限速控制 交通安全 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 速度不均勻性

中圖分類號(hào)：U492.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）08（a）-0079-02

2016年全國(guó)公路隧道新增1602處。公路隧道因其內(nèi)外環(huán)境的巨大差異，更容易成為交通事故的多發(fā)地帶。在山區(qū)隧道段，公路限速值往往不能根據(jù)天氣狀況以及道路情況確定，這樣既浪費(fèi)了車輛的行駛能力，同時(shí)又容易產(chǎn)生車輛排隊(duì)現(xiàn)象。基于此，提出了針對(duì)山區(qū)隧道的可變限速系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

整個(gè)系統(tǒng)由三部分組成：負(fù)責(zé)采集能見度數(shù)據(jù)的傳感器構(gòu)成數(shù)據(jù)采集裝置；進(jìn)行速度計(jì)算的處理器構(gòu)成速度計(jì)算裝置；負(fù)責(zé)發(fā)布安全速度的可變信息板構(gòu)成信息發(fā)布裝置。

1.2 工作流程

可變限速系統(tǒng)按照周期對(duì)高速公路上的車輛行駛進(jìn)行控制，初始周期為5min。當(dāng)車流密度小于某一臨界密度時(shí)，車輛行駛速度主要受駕駛員主觀因素的影響，此時(shí)啟動(dòng)可變限速控制系統(tǒng)。系統(tǒng)工作流程見圖1。

2 模型建立

2.1 速度均勻性指標(biāo)

車輛行駛速度是駕駛?cè)藛T根據(jù)實(shí)際道路條件、交通條件、良好氣候條件等能保持的安全速度。當(dāng)駕駛員遇到突發(fā)狀況，會(huì)在第一時(shí)間啟動(dòng)汽車制動(dòng)系統(tǒng)使車輛減速行駛，因此汽車行駛過程中的速度差值可以在一定程度上反映車輛行駛的安全性，差值越小，車輛行駛就越安全[1]。因此對(duì)速度均勻性的定義為：車輛行駛過程中最大速度與最小速度的差值，有：

2.2 速度計(jì)算模型

美國(guó)國(guó)家公路與運(yùn)輸協(xié)會(huì)將影響車輛行駛速度的因素分為以下四類：道路條件、不利天氣、交通流狀態(tài)、限速控制。因此，我們選擇了4個(gè)指標(biāo)作為輸入?yún)?shù)：摩擦系數(shù)、能見度、縱坡坡度和車流密度。輸出參數(shù)為相應(yīng)狀態(tài)下的最佳限速值。利用上述指標(biāo)建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型后，對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，可獲得在不同車流密度、不同路面條件下的最佳速度目標(biāo)值。建立的兩層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含層函數(shù)及輸出層函數(shù)公式如下：

3 實(shí)例分析

3.1 模型檢驗(yàn)

山區(qū)公路地形復(fù)雜、起伏不定，但由于無(wú)信號(hào)控制，交通流呈現(xiàn)出連續(xù)性，同時(shí)由于交通流參數(shù)本身的檢測(cè)特點(diǎn)，無(wú)法獲得實(shí)時(shí)的車流密度信息，因此我們選擇用前一個(gè)周期的安全速度預(yù)測(cè)后一個(gè)周期的速度建議值[2]。

為了建立更加準(zhǔn)確的速度計(jì)算模型，我們?cè)陔p碑隧道的入口處，進(jìn)行了連續(xù)10個(gè)周期（共50min）的調(diào)研，獲得各周期內(nèi)的交通流信息，之后通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行仿真，結(jié)果如下。

其中，絕對(duì)誤差、相對(duì)誤差，其中。

由表1中信息可知，相對(duì)誤差的平均值為17.47%，由此可見在T=5min時(shí)，模型的有效性較好。

3.2 仿真驗(yàn)證

在Vissim仿真軟件中，對(duì)雙碑隧道前后公路（共計(jì)20km長(zhǎng)）進(jìn)行模擬，以2km為單位將道路劃分為10個(gè)路段，各路段編號(hào)依次為1，2，3，…，10。設(shè)定各路段固定限速值為60km/h，通過計(jì)算得出高峰時(shí)段安全速度值為58.44km/h，取安全限速值為50km/h，平峰時(shí)段安全速度值為72.32km/h，取安全速度值為70km/h，仿真時(shí)長(zhǎng)為3600s，仿真實(shí)驗(yàn)中，車輛行駛速度差如表2所示。

由表2可知：采取可變限速策略的公路，在高峰和平峰時(shí)段，其速度均勻性比固定限速，分別提高了1.48%和2.06%，可變限速策略可以降低行駛速度的變化幅度，提高速度的均勻性和車輛行駛的安全性。

4 結(jié)語(yǔ)

在車路協(xié)同技術(shù)的支持下，通過無(wú)線信號(hào)將安全速度的計(jì)算結(jié)果反饋給駕駛員，使駕駛員能夠更加全面地掌握道路信息，從而提高車輛行駛的安全性，降低事故率、人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

參考文獻(xiàn)

[1] 戴憂華，郭忠印，馬艷，等.高速公路隧道運(yùn)行環(huán)境安全評(píng)價(jià)指標(biāo)[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，38（8）：1171-1176.

[2] 楊慶芳.高速公路瓶頸區(qū)域可變限速階梯控制方法[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，50（2）：354-360.

[3] 陳超，呂植勇，付姍姍，等.國(guó)內(nèi)外車路協(xié)同系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀綜述[J].交通信息與安全，2011，1（29）：102-105.endprint