基于山區隧道的可變限速系統開發與仿真

董魯祺　陳堅

摘 要：為了降低山區公路隧道段交通事故率，設計了一種可變限速控制系統。結合天氣狀況、道路信息和交通流狀態，建立了一種安全速度計算模型。以雙碑公路為例，對可變限速過程進行了仿真驗證，結果表明：在不同時段，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。

關鍵詞：可變限速控制 交通安全 神經網絡 速度不均勻性

中圖分類號：U492.8 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）08（a）-0079-02

2016年全國公路隧道新增1602處。公路隧道因其內外環境的巨大差異，更容易成為交通事故的多發地帶。在山區隧道段，公路限速值往往不能根據天氣狀況以及道路情況確定，這樣既浪費了車輛的行駛能力，同時又容易產生車輛排隊現象。基于此，提出了針對山區隧道的可變限速系統。

1 系統設計

1.1 系統組成

整個系統由三部分組成：負責采集能見度數據的傳感器構成數據采集裝置；進行速度計算的處理器構成速度計算裝置；負責發布安全速度的可變信息板構成信息發布裝置。

1.2 工作流程

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

2 模型建立

2.1 速度均勻性指標

車輛行駛速度是駕駛人員根據實際道路條件、交通條件、良好氣候條件等能保持的安全速度。當駕駛員遇到突發狀況，會在第一時間啟動汽車制動系統使車輛減速行駛，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 速度計算模型

美國國家公路與運輸協會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、限速控制。因此，我們選擇了4個指標作為輸入參數：摩擦系數、能見度、縱坡坡度和車流密度。輸出參數為相應狀態下的最佳限速值。利用上述指標建立神經網絡模型后，對樣本數據進行仿真，可獲得在不同車流密度、不同路面條件下的最佳速度目標值。建立的兩層神經網絡隱含層函數及輸出層函數公式如下：

3 實例分析

3.1 模型檢驗

山區公路地形復雜、起伏不定，但由于無信號控制，交通流呈現出連續性，同時由于交通流參數本身的檢測特點，無法獲得實時的車流密度信息，因此我們選擇用前一個周期的安全速度預測后一個周期的速度建議值[2]。

為了建立更加準確的速度計算模型，我們在雙碑隧道的入口處，進行了連續10個周期（共50min）的調研，獲得各周期內的交通流信息，之后通過神經網絡模型進行仿真，結果如下。

其中，絕對誤差、相對誤差，其中。

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

3.2 仿真驗證

在Vissim仿真軟件中，對雙碑隧道前后公路（共計20km長）進行模擬，以2km為單位將道路劃分為10個路段，各路段編號依次為1，2，3，…，10。設定各路段固定限速值為60km/h，通過計算得出高峰時段安全速度值為58.44km/h，取安全限速值為50km/h，平峰時段安全速度值為72.32km/h，取安全速度值為70km/h，仿真時長為3600s，仿真實驗中，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 結語

在車路協同技術的支持下，通過無線信號將安全速度的計算結果反饋給駕駛員，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、人員傷亡和財產損失。

參考文獻

[1] 戴憂華，郭忠印，馬艷，等.高速公路隧道運行環境安全評價指標[J].同濟大學學報：自然科學版，2010，38（8）：1171-1176.

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

[3] 陳超，呂植勇，付姍姍，等.國內外車路協同系統發展現狀綜述[J].交通信息與安全，2011，1（29）：102-105.endprint