新的交通流參數(shù)流速及其應(yīng)用

中圖分類號(hào) U411 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2025）08-0025-04

0 引言

現(xiàn)在汽車數(shù)量增長(zhǎng)迅速，年銷量3000萬(wàn)輛以上，而道路建設(shè)存在滯后的情況，因此勢(shì)必造成堵塞現(xiàn)象日趨嚴(yán)重。解決擁堵的方法有多種，該文提出改變并優(yōu)化規(guī)范人類駕駛行為的思路，建議并探討道路通行控制和管理方法，完善交通管理措施。

1基本圖交通流三要素

研究車流量應(yīng)先從基本圖交通流三要素開(kāi)始，三個(gè)參數(shù)的關(guān)系為

式中， q —交通流量或流量（Veh/h）； K —交通密度（Veh/km）； Vdash ——速度，分為地點(diǎn)速度和平均速度（ k m / h） ）。

諸多文獻(xiàn)資料對(duì)于三個(gè)參數(shù)的關(guān)系介紹了多種模型[。該文首先對(duì)三要素的物理含義進(jìn)行分析研究，對(duì)三者關(guān)系從數(shù)學(xué)和物理方面進(jìn)一步理順。通過(guò)道路某斷面的車輛數(shù)，取相距 的兩個(gè)斷面A與B，如圖1所示。

在A、B斷面各站一位觀察者，在N1車頭部到達(dá)b斷面開(kāi)始計(jì)時(shí)，在此刻B斷面起始記錄通過(guò)B斷面車輛數(shù)，當(dāng) 頭部達(dá)到斷面B為止，記錄時(shí)間間隔為 ，車輛數(shù)正好 個(gè)，那么在 時(shí)間內(nèi)通過(guò)了B斷面 個(gè)車輛、按流量定義：

式中， 1 輛車用 時(shí)間至 B 斷面的交通流量或流量（veh/h）； 輛車（veh）； 一第 輛車駛過(guò)AB路段時(shí)間（h）； i = 1 ， 2 ， ？ s ， n 自然數(shù)。對(duì)公式（2）進(jìn)行變化，有：

式中， —AB路段的距離。下同。

公式（3）為恒等式， 為 通過(guò)AB段的平均速度 ，AB路段的密度

根據(jù) 含義，該變量只與第 車自身平均速度有關(guān)，與 前的車輛速度無(wú)關(guān)，即與 速度無(wú)關(guān)。 是任意的， 與 乘積有關(guān)。

在 t = 0 時(shí)刻AB路段空間車輛的個(gè)數(shù)，與 t gt; 0 時(shí)的AB路段車輛數(shù)無(wú)關(guān)。

簡(jiǎn)而言之，只有知道第 在 時(shí)刻 的位置，知道 時(shí)間間隔， 才有唯一對(duì)應(yīng)關(guān)系，才有物理數(shù)學(xué)含義。否則公式 僅知道流量 、即知道 個(gè)數(shù)和 時(shí)間間隔， 有多種組合， 之間沒(méi)有一一對(duì)應(yīng)因果關(guān)系。

為第 車平均速度。由于速度是連續(xù)的，

。V為車輛即時(shí)速度或地點(diǎn)速度。從上面分析得知，V 不易測(cè)量。存在測(cè)量困難[7]， ， 易測(cè)量。

交通流是指車輛群體在道路上行駛形成交通狀態(tài)。一般衡量道路通行能力以交通流最大流量來(lái)定義[3][s]，而最大流量具有 K V 不同的組合[8]，慢速度也能達(dá)到較大流量，而慢速度顯然不是人類追求的道路交通能力。這是因?yàn)榱髁慷x q = N / t （在時(shí)間 t 內(nèi)通過(guò)的車輛數(shù)，Veh/h）與速度無(wú)關(guān)造成的。為了避免這一不嚴(yán)謹(jǐn)概念，該文提出流速概念。流速定義： D = V q （kVeh·km/h2，k：1000單位）流速 D 與速度流量有關(guān)?？梢杂昧魉賮?lái)代表道路通行能力。

2 流速交通流參數(shù)

流速定義 D = V q 為道路通行能力，用 D 字母表示，即：

D = V q

式中， D —車輛在 t 時(shí)刻以 V 速度通過(guò)觀測(cè)斷面或地點(diǎn)時(shí)的流速。用 i 表示則有：

式中， —地點(diǎn)速度（ k m h， ， 一地點(diǎn)流速 ）。測(cè)量方法為在某AB路段，在A斷面（或地點(diǎn)）開(kāi)始計(jì)時(shí) ，通過(guò)一段時(shí)間 ，記錄通過(guò)車輛數(shù) ，同時(shí)用測(cè)速儀記錄地點(diǎn)速度 目前在道路上有監(jiān)控記錄儀，增加一個(gè)軟件可以實(shí)現(xiàn)此功能。即記錄 和 時(shí)同時(shí)記錄 用 地點(diǎn)速度， 、 便于測(cè)量，避免 、 不易測(cè)量。

2.1 流速物理含義

交通狀態(tài)可分為兩部分：

首先定義飽和狀態(tài)：在一道路上車流量達(dá)到較大時(shí)，如 2 4 0 0 v e h / （ h ？ l n ） 或某一值為飽和狀態(tài)。其交通流特征：前車或超車或匝道進(jìn)入主道或逆過(guò)程等影響后車速度或改變后車交通流狀態(tài)。這時(shí)流量為飽和流量 ，在此狀態(tài)下任何速度對(duì)應(yīng)的最大密度滿足 ， 值為飽和密度。對(duì)應(yīng)的速度為飽和速度用 表示，也可用臨界密度或臨界速度表示[9]。

不具有疊加性，但可以計(jì)算平均值。其計(jì)算如下：=∑D。用D（流速平均值）能反映交通流速實(shí)際狀態(tài)。 D 是可數(shù)有限，不連續(xù)參數(shù)。（ n 為自然數(shù)）

2.2 流速計(jì)算公式

公式（5）""會(huì)""，""為平均車頭時(shí)距。""若當(dāng)""為第""輛車與"輛車的車頭時(shí)距 ，則

式中， 單位為 ， 單位為s/veh。

為平均車頭間距，若當(dāng) 為 與 車頭間距 （m/Veh），則：

公式（7）中 與 成正比，與 成反比。在道路行駛中，存在限制速度，速度有上限，車頭間距有最小值，則 有最大值。

堵塞速度一般 V lt; 2 0 k m / h ， ，在快速路、高速路上 2，用 流速來(lái)作為道路通行能力，避免了流量大，可能速度慢，來(lái)作為道路通行能力產(chǎn)生的矛盾。

3 流速迭代方程

根據(jù)作者多年對(duì)貴陽(yáng)中環(huán)東路漁安立交至未來(lái)方舟1 1 6 5 m 觀測(cè)統(tǒng)計(jì)得出流量 穩(wěn)定值。根據(jù)這一現(xiàn)象，假設(shè) ?？梢岳斫?i 車駛離， i+1 駛進(jìn)， i 與 i+1 是車輛空間前后關(guān)系。

流速迭代方程：在飽和狀態(tài)下一維路段上速度與車頭時(shí)距， ，得速度與車頭間距公式XiX， 推導(dǎo)得：

若 與 有夾角 a ，見(jiàn)圖2。

公式（9）是cosα二次方，說(shuō)明匝道與主路的夾角對(duì)流速敏感，影響更大。說(shuō)明前車超車的角度對(duì)后車的流速敏感。

4堵塞或堵塞后的消散判斷不等式

識(shí)別擁擠堵塞可用流速 D 來(lái)判斷，當(dāng) 、若 則減速迭代至擁堵。若 則擁堵。若逆過(guò)程則消散。擁堵或擁堵消散判斷不等式： ：（a） Δ D gt; 0 擁堵發(fā)生； （b） Δ D lt; 0 擁堵消散。

5 流速提示儀

5.1 流速提示儀原理

根據(jù)公式（7） 流速提示儀在汽車上提取速度信息，在用雷達(dá)或激光測(cè)量與前車的距離 S （ m） ， ，S為駕駛室至前車車尾距離。提示儀安裝在駕駛室前窗玻璃上，用公式（7） 進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算，當(dāng)?shù)陀谀持?，通過(guò)流速提示儀提醒駕駛員提高流速。先看速度儀表，流速低一般速度偏低，采用加速度提高速度，提高速度的同時(shí)車頭間距自然減少，同時(shí)加速度會(huì)提高流量，綜合作用流速得到快速提高。若流速偏高采用制動(dòng)降低，降速的同時(shí)車頭間距自然增大，流速快速下降?；虿捎猛耆詣?dòng)調(diào)節(jié)控制流速儀轉(zhuǎn)換駕駛動(dòng)力來(lái)控制。

過(guò)去大多數(shù)的交通流理論都是基于人工駕駛的普通車輛。隨著信息技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)、電子控制技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)等的發(fā)展，智能交通系統(tǒng)無(wú)人駕駛也得到了長(zhǎng)足發(fā)展。

通過(guò)理論分析論證，可以開(kāi)發(fā)一種軟件，采用智能流速提示儀，利用智能交通系統(tǒng)提供的信息，按 D 行駛控制車輛速度及與前車保持較?。ò踩┑能囶^間距（符合國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)），從而提高了道路的流速，優(yōu)化規(guī)范人類駕駛行為這可能會(huì)降低一點(diǎn)服務(wù)水平，但可以明顯提高道路通行能力，同樣把 D 模塊植入自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中提高道路通行能力是明顯的有益的。

5.2 流速提示儀功能

（1）當(dāng) 時(shí) 為最小值、 為最大值），綠燈亮，表示流速正常，當(dāng)在高速公路限制速度 1 2 0 k mh ，流速 （264kVeh·km/h2），當(dāng) 紅燈亮。提醒流速偏大，同時(shí)儀器發(fā)出警告聲音，若 低于 （如 ），儀器發(fā)出提示音，告訴流速偏小需提高。

（2）在高速路和快速路提示儀設(shè)置不同的 與 采用儀器紅綠燈和音頻功能提醒?？梢蕴岣吡魉?，在節(jié)假日能保證車在較高流速下行駛。提高了道路通行能力。也避免車輛間隔過(guò)大造成超車，使速度下降。

（3）現(xiàn)在道路有最高限制速度 ，沒(méi)有最小安全車頭間距 要求，易造成交通事故。單獨(dú)規(guī)定 X 存在困難，也不科學(xué)。因 X 與 V 有關(guān)， V 大 X 大， V 小 X 小， X 是 V 的函數(shù)。用流量 D （ 可以克服這一困擾。駕駛按流速 行駛可以在規(guī)定的速度 V 下保證車頭間距大于最小安全距離，提高了行駛安全性，減少了交通事故。

（4）在其他車道上，采用流速提示儀，避免車之間隔過(guò)大或過(guò)小。流速可與導(dǎo)航系統(tǒng)聯(lián)合，運(yùn)用在導(dǎo)航系統(tǒng)中顯示屏顯示流速數(shù)據(jù)，導(dǎo)航有速度參數(shù)再獲取測(cè)量 值時(shí)，并用 計(jì)算就能識(shí)別每輛車的流速，現(xiàn)在擁擠堵塞，導(dǎo)航一般籠統(tǒng)識(shí)別，用流速就可以定量區(qū)別擁擠或堵塞狀態(tài)。

（5）在夜間或雨雪霧天按流速提示儀規(guī)定的檔次保證安全性，且能保證一定的行駛速度。（6）在十字路口，采用流速控制儀設(shè)置 （如停車狀態(tài)可設(shè) ）控制調(diào)整停車距離，到達(dá)基本一致，可以縮短車頭間距，提高流速。（7）在交通密度較小的道路上流速提示儀可用于道路跟馳模式（行駛）。

若在使用中存在個(gè)別車輛沒(méi)有按流速提示儀交通系統(tǒng)操作行駛，或由于某些突發(fā)原因造成某車道車速度變慢，按迭代方程會(huì)影響后一輛車 流速下降。

變慢的 會(huì)向上游擴(kuò)散、速度變慢，但由于流速提示儀會(huì)自動(dòng)按前車 速度提示調(diào)整距離使之流速趨向穩(wěn)定，同時(shí)趨向恢復(fù)原流速 流速提示儀具有這種功能，使之達(dá)到交通流新的平衡。當(dāng)突發(fā)原因解除后，流速提示儀會(huì)自動(dòng)提示調(diào)高流速 ，按原來(lái)的設(shè)計(jì)流速 調(diào)整車頭尾距離，使之又達(dá)到新的交通流平衡，初始流速狀態(tài)。若提示儀升級(jí)為智能流速控制儀，智能流速控制儀具有自我調(diào)整功能。

流速提示儀根據(jù)交通實(shí)際環(huán)境也可暫時(shí)關(guān)閉其功能。

6確定道路實(shí)際通行能力

道路雷達(dá)監(jiān)控對(duì)每輛車測(cè)速的同時(shí)記錄時(shí)刻 ，按公式（5）D= 設(shè)計(jì)程序自動(dòng)進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)，找出流速數(shù)學(xué)均值μ，μ=D=∑D 用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算分布函數(shù)的方差 。 ， μ 、 數(shù)值是這條道路觀測(cè)的實(shí)際通行能力。同時(shí)優(yōu)化調(diào)整確定 值。流速指標(biāo)在道路速度標(biāo)牌上注明道路通行能力 （流速）最低值和最高值。用 ）就縮小了分布方差 ，優(yōu)化規(guī)范了人類駕駛行為，提高了道路實(shí)際通行能力。同樣按國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中設(shè)計(jì)指標(biāo)速度 V 與通行能力 q 計(jì)算 和 ，按 駕駛，可以提高道路通行能力，減少堵塞，達(dá)到道路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)要求。

7提高高速路快速路流速其他方法

（1）節(jié)假日時(shí)常堵塞的路段要研制進(jìn)行分流，堵塞都是密度 Δ K 增加車頭間距 Δ X 減少造成的，增加都是匝道車進(jìn)入主道造成的。（2）在快速路禁止停車，因后面車在減速過(guò)程中流速降低，使""造成擁擠或堵塞。（3）易堵塞的高速路（由匝道進(jìn)入的車輛較多）如有大貨車緩慢行駛要規(guī)定執(zhí)行最低流速行駛，減少降速的可能性。（4）有些可用隔離墩或?qū)嵕€隔離，減少匝道與主道的角度。

8 結(jié)論

（1）用新交通流參數(shù)流速表達(dá)式避免流量與速度無(wú)直接對(duì)應(yīng)關(guān)系的交通流參數(shù)的弊端。當(dāng)飽和狀態(tài)時(shí)，流速與速度存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。避免""、 K 不易測(cè)量的困難。流速是道路通行能力指標(biāo)。

（2）交通擁堵或消散判斷不等式""。Δ D gt; 0 擁堵， Δ D lt; 0 消散。

（3）在飽和狀態(tài)下，流速迭代方程

（4）在高速路、快速路上及其他道路采用流速提示儀或 D 模塊植入駕駛系統(tǒng)中，人工或自動(dòng)按流速 D 在"之間行駛可提高道路通行能力""）。提高行駛安全性減少交通事故""）。滿足人們出行高速駕駛需求，為社會(huì)帶來(lái)了很高的效益。

利用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代信息技術(shù)，構(gòu)建智能交通管理系統(tǒng)。通過(guò)高清監(jiān)控?cái)z像頭、車輛識(shí)別技術(shù)、GPS定位等手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛行駛軌跡、速度、流量、流速的精確提取與匯總計(jì)算。

優(yōu)化規(guī)范人類駕駛行為，提高道路通行能力，是一項(xiàng)系統(tǒng)工程和方向。需要政府、社會(huì)、企業(yè)和公眾等多方面的共同努力。通過(guò)完善法律法規(guī)、科學(xué)技術(shù)，加強(qiáng)教育宣傳以及推動(dòng)社會(huì)共治等措施的綜合施策，建立一個(gè)更加安全、有序，高效的道路交通環(huán)境為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供有力支撐。

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