淺議高速公路可變限速控制技術研究現狀

段然

（國家林業局昆明勘察設計院，云南 昆明 650216）

淺議高速公路可變限速控制技術研究現狀

段然

（國家林業局昆明勘察設計院，云南 昆明 650216）

本文首先闡述了高速公路可變控制技術的概念以及控制方法，然后分析國內外可變限速研究現狀，找出該技術目前面臨技術難題，并就可變限速的發展方向進一步探討，以實現高速公路控制效能的提高。

高速公路；可變限速；控制技術；現狀

1 前言

可變限速控制是高速公路限速管理的發展趨勢，其原理是根據采集的交通流狀態參數、路況、以及天氣條件等數據，經過相關算法控制，確定該條件下的最佳限速值，隨后此限速值通過可變限速標志等顯示屏發布，從而可對交通流進行限速控制。為了更好實現可變限速控制，需要構建以下五個模塊：交通信息采集設備；氣象信息監測設備交通信息控制中心；可變限速標志；交通流狀態監控中心。在上述系統的基礎上，一般可變限速值的確定方法有兩種，一是靜態限速值法，一是動態限速值法。從實際運行情況看，動態限速值法能更好的服務于高速公路限速控制初衷。目前我國各高校、科研機構開展了大量研究，本文梳理國內外研究現狀以發現高速公路可變限速控制技術的核心點和確定發展方向。

2 高速公路可變限速研究動態

2.1 國內研究狀況

我國高速公路可變限速控制技術的研究較西方落后，主要是從控制策略、控制器、智能控制等方面進行研究，提出了相應的控制模型，設計了可變限速控制器，使得高速公路可變速控制在我國實際道路運行得到了應用。

深入挖掘限速控制的理論依據，以交通流理論為基礎，探討道路上不同交通流量、不同能見度、不同路面附著系數、不同道路線形等條件下的速度計算關系和修正系數，為限速控制的實際應用提供了理論依據。結合我國高速路和城市快速路的特點，提出可變限速控制策略，通過對交通擁擠機理的分析，建立VSL控制模型和算法。高速公路在不同條件下不宜采用單一限速值的思路，根據氣候、路況及車流量等條件自動進行可變限速的裝置，并通過建立限速數學模型，建立了限速專家系統。

根據高速公路可變限速控制的非線性時變系統，用智能人工算法建立交通流速度限制模型，對高速公路主線速度控制進行研究。將智能控制方法應用于高速公路的限速控制研究，使得控制器的設計過程不再依賴被控對象的數學模型。楊兆升基于強化學習與有限階段馬爾可夫決策的可變限速控制模型，通過與交通環境的交互學習進行模型的動態調整。采用有限階段向后遞歸迭代的算法對模型進行求解，運用Paramics仿真軟件對長吉高速公路全程進行仿真。基于高速公路瓶頸區域通行能力下降與通行效率之間的關聯度，劉攀提出阻止瓶頸區通行能力下降的可變限速控制策略。

2.2 國外研究狀況

可變限速的研究主要針對高速公路，可變限速模型建立時考慮的主要因素包括:道路的線形、道路的坡度、當前的路面情況、交通流狀態、氣象條件等。根據當前道路的特點結合可變限速模型確定道路的最佳限速值，通過對高速公路主線進行速度控制，從而達到預期目的。可變限速控制的核心內容是根據動態的因素確定動態的限速值。在現實中，由于數據采集的局限性以及影響各個道路可變限速的主要因素的差異性，決定了可變限速計算模型建立時應考慮影響可變限速的關鍵因素，而不是所有因素，下面對國外可變限速理論研究情況進行概況。

鑒于氣候變化和對燃料的需求不斷增加，Ghosal等以速度-油耗可變限速控制模型FC-VSL，并以車輛平均燃油消耗最低為目標函數對可變限速值進行求解。基于微觀交通仿真模型，R. Jiang， A. B. Lucky和E. Chung說明可變限速對速度密度函數、行程、油耗、排放等指標的影響。針對美國華盛頓特區環城公路施工區的可變限速控制系統，Fudala運用VISSIM仿真軟件分析了駕駛員遵從率(20%、50%)；可變限速值更新周期(5分鐘、10分鐘、20分鐘)、可變限速控制邏輯等對控制效果的影響。

Chris等提出了基于車速分布、車輛換道次數等參數的交通事故風險實時分析模型，建立了可變限速控制對交通安全影響的評價模型，仿真驗證表明，可變限速值的變化周期以5-10分鐘為宜，可變限速控制可使交通事故風險降低5%-17%。 Park在佛羅里達州選擇了104個低事故率且交通流分布均勻的調查地點，收集限速值影響因素數據包括道路線形、交通流特性以及周圍境信息，建立限速值與影響因素的關系模型，能夠比將 85%位車速作為限速值的方法更有效并實現消除了駕駛員調整車速時人為主觀因素影響。在Park研究基礎上Agent研究認為對不同車型應進行分車型限速。Paker則提出駕駛員不參照85%限速值，而是按照交通情況確定行駛速度。

Smulders以交通流密度作為依據，實施可變限速控制策略的方法。到 1994年，Smulders與Vanden—起，在荷蘭高速公路實施可變限速控制以來的交通情況，做了系統的闡述，指出可變限速控制在平順交通流，減少交通事故方面有顯著的作用。

總體來說，對于高速公路限速控制研究，國外的研究多通過對現場實測數據的分析，注重效率與安全的平衡，對限制值的影響因素進行系統研究，主要包括：85%位車速、設計速度、道路線形與交通流特性、交通事故數據等，在此基礎上給出合理的限速值，最后通過仿真手段或者實際應用的手段驗證限速控制效果。國內的研究多以基于設計速度、運行速度及停車視距模型，研究不同線形條件的限速值不同交通流量條件下的限速值以及不同天氣下的限速值，對限速控制效果評價方面的研究較少。

3 高速公路可變限速控制技術發展方向

高速公路可變車速控制方法，無論是在科學研究還是技術上都取得了實質性成就，而就目前國內外高速公路可變車速控制技術現狀來看，其發展趨勢主要朝著以下幾個方向發展：

1）控制模型、算法智能化：高速公路可變限速是非線性系統，由于交通流的復雜性，建立實用性較強、控制效果較好的高速公路可變限速控制模型及算法需要下一步著重解決。對于其高速公路運行狀況的運行模型，將智能控制方法應用于可變限速控制研究，使得控制器的設計過程不再依賴被控對象的數學模型。

2）研究環境系統化：高速公路可變速控制系統涉及道路、交通、事故及環境等各種影響因素,將高速公路可變車速作為一個系統進行考慮，對于模擬真實的道路環境，具有重大意義。

3）仿真軟件二次開發：高速公路可變速控制技術的實施，需要配合連續化、智能化的可變速度標志，其實施下來耗費大量的人力、物力，而限速一旦設定對駕駛員行車行為的影響存在潛在危險和不確定，故而需要通過先驗性的交通仿真軟件對其進行仿真，以提高高速公路的可變車速控制技術的有效性。實例評價中由于仿真軟件功能受限未能完全將動態限速策略反應到仿真環境中，下一步應對現有的仿真軟件進行針對性二次開發，實現動態限速控制的仿真。

4 小結

縱觀國內外研究及應用現狀，可變限速控制技術在高速公路控制領域應用越來越廣泛，其重要性也普遍受到人們的重視。隨著機動車輛的保有量持續增加，人們出行密度也在增加，高速公路負荷也是與日俱增，交通安全問題成為了高速公路管理重點，尤其是在高速路交通事件下的交通管理更是交通管理部門的敏感神經。因此，基于現有研究成果及應用系統，開發新的可變車速控制技術以及相應的系統適應高密度、高負荷、高車速等性能控制技術成為一種必然趨勢。

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1007-6344（2015）08-0023-01