一种预防隧道出入口附近追尾事故的可变限速控制方法

摘要

一种预防隧道出入口附近追尾事故的可变限速控制方法，在隧道出入口下游位置设置交通流检测器，时时自动获取实时交通流数据对交通流状态进行监测；在隧道出入口上游设置可变信息提示板；考虑了拥堵会向上游快速传播的特性，基于拥堵波传播特性计算追尾事故发生条件，考虑驾驶员进出隧道口时由于光线强烈变化导致的视觉适应时间等综合因素，计算出最优的限速值，通过可变信息提示板时时提醒进出车辆，克服了以往针对隧道出入口附近追尾事故无法进行主动式预防的缺陷，大幅降低了隧道出入口附近追尾事故的发生率，且控制方法简单易实现，具有广泛前景。

说明书

技术领域

本发明涉及智能交通技术领域，尤其是一种预防隧道出入口附近追尾事故的可变限 速控制方法。

背景技术

随着我国城市化进程的高速前进和城市规模的日益扩大，城市交通问题日益严峻， 为满足日益增长的城市交通需求，城内和城际间开始越来越多的修建长隧道。在长隧道 的出入口处常伴随着光线强度的急剧变化，司机的视线需要一段时间和距离来适应隧道 内较暗的光线或隧道外较强的光线，而在这段时间内，司机因无法看清隧道内的状况会 保持原速前进，一旦前方车辆发生拥堵减速行驶，当后方司机视线度过适应期发现并减 速时，后方车辆与前方拥堵车辆间距较正常情况下偏小，当间距不足以提供入/出隧道的 车辆完成减速行为时，极易导致严重的追尾事故。而由相关研究可知人眼在光线急剧变 化时需要暗适应或明适应的生理过程，所以长隧道出入口处视觉对光线骤变的适应期增 加了追尾事故的风险。

目前我国在隧道出入口处设置了适用于正常行驶状态下的隧道出入口静态限速值， 缺乏对隧道内拥堵等特殊交通状况检测，在隧道出入口限速值的确定过程中也缺乏对拥 堵波传播特性的考虑，这些技术缺陷缩短了进出隧道的车辆驾驶员发现拥堵后可供减速 的距离，从而增加了长隧道出入口路段追尾事故的发生概率和严重程度。如何综合考虑 各种因素，改进现行的隧道出入口出限速方法，减少事故的发生率，成为了隧道智能交 通管理方法研究的方向。

发明内容

发明目的：为了客服现有技术的不足，本发明提供一种综合了多种因素，基于拥堵 波传播特性设计的用于预防隧道出入口附近追尾事故的可变限速控制方法

技术方案：一种预防隧道出入口附近追尾事故的可变限速控制方法，该方法包括以 下步骤：

1）确定长隧道出入口下游发生拥堵时拥堵波的传布速度值，当长隧道出入口下游 发生拥堵时，会产生向上游传播的冲击波，该拥堵冲击波的传播速度可由相关数据计算 得到，是基于实际交通流数据进行多次计算得到的。计算公式如下：

q_A·Δt+k_A·l＝(v_B·Δt+l)·k_B    （1）

由公式（1）推导得出：

v_s＝l÷Δt＝(q_A-q_B)÷(k_A-k_B)   （2）

其中，

q_A为自由流状态的交通流流量，单位是veh/s；

k_A为自由流状态的交通流密度，单位是veh/m；

v_A为自由流状态的交通流速度，单位是m/s；

q_B为拥堵状态的交通流流量，单位是veh/s；

k_B为拥堵状态的交通流密度，单位是veh/m；

v_B为拥堵状态的交通流速度，单位是m/s；

l为A与B点间距离，单位是m；

Δt为拥堵状态从B点传播到A点时间，单位是s；

2）设置路侧可变信息提示板及交通流检测器：

2.1）在长隧道出入口上游位置设置路侧可变信息提示板，以实现对行驶而来的车辆 速度的提前控制路侧可变信息提示板与出入口距离的计算公式如下：

$L_{\mathrm{bt}}=\frac{{(v_u/3.6)}^2-{(v_p/3.6)}^2}{2a}---\left(3\right)$

其中，

v_u为长隧道出入口上游路段实测车流速度的85%分位值，单位是km/h；

v_p为长隧道出入口路段最低限速值，单位是km/h；

a为车辆减速时的加速度值，单位是m/s²；

2.2）在长隧道出入口下游设置交通流检测器，为使得控制中心能够尽早发现下游拥 堵状态从而调节限速值，保证驶来车辆的驾驶员能在安全距离内完成制动过程，所以出 入口下游交通流检测器的设置位置需满足一定要求。考虑到车辆在进出隧道的过程中， 环境的光线强度会产生急剧变化，驾驶员的视觉很难瞬间适应故需要一段适应时间，而 在这段适应时间内车辆是保持匀速行驶的初速度向前行驶的，在计算下游交通流检测器 设置位置与长隧道出入口之间的距离时，需要将这段适应时间内行驶的距离考虑在内。 下游交通流检测器的设置位置与长隧道出入口的距离的计算公式如下：

$L=\frac{v·{\mathrm{\Delta t}}_a}{3.6}+\frac{v·\Delta \bar{t}}{3.6}+\frac{{(v/3.6)}^2}{2a}+\frac{v_s}{3.6}·(\frac{v/3.6-0}{a}+\Delta \bar{t})---\left(4\right)$

其中，

v为车辆减速前的均速行驶速度，单位是km/h；

Δt_a为驾驶员的视觉适应时间，单位是s；

为驾驶员反应时间，单位是s；

a为车辆减速时的加速度值，是在天气晴朗无风雪的条件下的参考值，单位是m/s²；

v_s为拥堵波传播速度，单位是km/h；

3）成隧道出入口下游拥堵状态判定及实时可变限速控制：

3.1）长隧道出入口下游的交通流检测器每隔30秒检测一次数据，到一次各道路断 面速度、车辆数及占有率数据，当数据满足拥堵判定条件时触发可变限速控制系统，拥 堵判定条件如下：

当满足：O_a＞O_c且v_a＜v_r（5）条件时，判定入口下游处处于拥堵状态。

其中，

O_a为长隧道出入口下游实时交通流占有率检测值，该值为百分数；

O_c为长隧道出入口下游交通流拥堵状态占有率阈值，该值为百分数；

v_a为长隧道出入口下游实时交通流速度检测值，单位是km/h；

v_r为长隧道出入口下游交通流拥堵状态速度阈值，单位是km/h；

3.2）判定步骤3.1）中出入口下游处于拥堵状态时，控制中心将可选的限速值按降 序排列后依次带入最优限速值判定条件中计算，满足条件的最大限速值即为最优限速控 制值，最优限速值判定条件如下：

$(\bar{s}/3.6)·({\mathrm{\Delta t}}_a+\Delta \bar{t})+\frac{{(\bar{s}/3.6)}^2}{2a}+(v_s/3.6)·(\frac{(\bar{s}/3.6)}{a}+\Delta \bar{t})<L-(v_s/3.6)(t-\bar{t})---\left(6\right)$

其中，可选的限速值按降序排列为100km/h、80km/h、60km/h、40km/h、30km/h和20km/h； 为当前选择带入判定条件的可变限速值，单位是km/h；

Δt_a为驾驶员视觉适应时间，单位是s；

为长隧道出入口上游驾驶员制动前的反应时间，单位是s；

a为车辆减速时的加速度值，单位是m/s²；

v_s为拥堵波传播速度，单位是km/h；

L为长隧道出入口下游交通流检测器设置位置与出入口的距离，单位是km；

t为当前时刻；

为长隧道出入口下游交通流检测器检测到拥堵状态的时刻。

3.3）将步骤3.2）中判定所得最优限速值反馈给指挥控制中心，指挥控制中心通 过设于长隧道出入口上游的路侧可变信息提示板，向上游行驶来的车辆发布当前时刻隧 道出入口路段实时限速的速度值

有益效果：考虑拥堵波传播速度的问题，通过在隧道出入口上游路段设置可变信息 提示板，给予进出隧道的驾驶员对光线改变充分的视觉适应时间，根据实际情况可以实 时调整限速值，使限速值更加合理，考虑了实际交通流运行特征，控制方法简单易实现， 大幅减少隧道进出口处驾驶员视觉适应过程导致的追尾事故发生，运用前景广阔。

附图说明

图1长隧道入口处视线条件不良现象示意图

图2长隧道出口处视线条件不良现象示意图

图3拥堵排队状态向上游传播过程

图4长隧道出入口可变限速控制的控制流程

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。本方法基于拥堵波的传播速度设计了长 隧道出入口上游最优限速值控制方法，通过在长隧道出入口下游设置交通流检测器实时 自动检测交通流数据判断下游的交通流状况，当检测到拥堵状况时通过上游路侧可变信 息提示板告知驾驶员实时限速值，从而实现对长隧道出入口上游车辆速度的人为干预与 控制。长隧道出入口可变限速控制的控制流程可参考图4。

定义隧道入口上游为隧道口外即将进入隧道的一段路，隧道入口下游为刚进入隧道 内的一段路；

定义隧道出口上游为隧道口内即将驶出隧道的一段路，隧道出口下游为刚驶出隧道 外的一段路；

图中，隧道入口上游车辆1-1、隧道入口下游车辆1-2；隧道出口下游车辆2-1、隧 道出口下游车辆2-2；路侧可变信息提示板3、交通流检测器4；

图1中阴影部分表示由隧道外进入隧道后短暂的暗适应生理过程；图2中阴影部分 表示又隧道内驶出隧道外短暂的亮适应生理过程。

步骤一：依据拥堵波的传播特性确定长隧道出入口下游发生拥堵时拥堵波的传播速 度值。

交通瓶颈是实际道路中常见的交通现象，瓶颈区内通行能力通常低于正常路段，当 通行需求大于瓶颈区通行能力时，会在瓶颈起始位置产生排队现象，且排队拥堵会向上 游路段传播。交通瓶颈的产生可能有多种方式，例如车道变少、出口匝道、入口匝道、 施工区、交通事件及事故等。当长隧道出入口下游发生拥堵产生排队现象时，由拥堵波 的特性可知长隧道出入口下游的排队现象会随时间推移而向出入口上游传播，即产生向 上游传播的冲击波。拥堵排队状态向上游传播过程如图3所示，长隧道出入口下游拥堵 的传播速度v_s的计算公式如下所示：

q_A·Δt+k_A·l＝(v_B·Δt+l)·k_B    （1）

由公式（1）推导得出：

v_s＝l÷Δt＝(q_A-q_B)÷(k_A-k_B)   （2）

其中，

q_A为自由流状态的交通流流量，单位是veh/s；

k_A为自由流状态的交通流密度，单位是veh/m；

v_A为自由流状态的交通流速度，单位是m/s；

q_B为拥堵状态的交通流流量，单位是veh/s；

k_B为拥堵状态的交通流密度，单位是veh/m；

v_B为拥堵状态的交通流速度，单位是m/s；

l为A与B点间距离，单位是m；

Δt为拥堵状态从B点传播到A点时间，单位是s；

通过对多组实际交通流数据的采集和计算，得到长隧道出入口下游路段拥堵波传播 速度的参考值。

步骤二：确定路侧可变信息提示板设置位置及长隧道出入口下游交通流检测器设置 位置

具体步骤如下：

1）由于路侧可变信息提示板用于对长隧道出入口上游车辆进行信息提示和速度控 制，所以在隧道入口处必须保证上游行驶而来的车辆在发现隧道内拥堵状态以前就可以 看见路侧可变信息提示板的提示信息，在隧道出口处则必须保证隧道内行驶的车辆在发 现隧道出口外的拥堵状态前就可以看见路侧可变信息提示板的提示信息。为保证驾驶员 在长隧道出入口处可减速至限速值，路侧可变信息提示板需设置在长隧道出入口的上游 位置。路侧可变信息提示板与长隧道出入口的距离Lbt可参考下式计算（Lbt位置如图1、 图2所示）：

$L_{\mathrm{bt}}=\frac{{(v_u/3.6)}^2-{(v_p/3.6)}^2}{2a}---\left(3\right)$

其中，

v_u为长隧道出入口上游路段实测车流速度的85%分位值，单位是km/h；

v_p为长隧道出入口路段最低限速值，单位是km/h；

a为车辆减速时的加速度值，单位是m/s²；

2）交通流检测器的设置目的是为了实时检测长隧道出入口下游的交通流状况，基 于检测到的交通流数据可以判断出入口下游是否出现拥堵，若出现拥堵则触发可变限速 控制系统调节限速值采取控制措施。

从长隧道出入口下游交通流检测器发现拥堵现象到出入口上游驶来的车辆从视觉 适应到发现拥堵并最终停止需要一段距离和时间，而在这段时间中出入口下游的拥堵状 态将以拥堵波速度v_s向上游传播，所以计算分析长隧道出入口下游交通流检测器的设置 位置，其目的是保证出入口上游驶来的车辆在与下游传来的拥堵波相遇前能够完成制动 过程，从而避免追尾事故的发生。由上述分析可知，长隧道出入口下游交通流检测器的 设置位置与出入口间的距离L的计算公式如下：

L＝L_a+L_r+L_b+L_s    （4）

其中，

L_a为驾驶员视觉适应时间内，车辆以减速前初速度近似匀速行驶的距离，单位是m；

L_r为驾驶员反应时间内，车辆以减速前初速度近似匀速行驶的距离，单位是m；

L_b为车辆制动距离，单位是m；

L_s为从驾驶员获知限速信息到车辆完成制动过程中拥堵波的传播距离，单位是m。

对公式（4）进行改写得到：

$L=\frac{v·{\mathrm{\Delta t}}_a}{3.6}+\frac{v·\Delta \bar{t}}{3.6}+\frac{{(v/3.6)}^2}{2a}+\frac{v_s}{3.6}·(\frac{v/3.6-0}{a}+\Delta \bar{t})---\left(5\right)$

其中，

v为车辆减速前的均速行驶速度，单位是km/h；

Δt_a为驾驶员的视觉适应时间，单位是s；

为驾驶员反应时间，单位是s；

a为车辆减速时的加速度值，单位是m/s²；

v_s为拥堵波传播速度，单位是km/h；

步骤三：长隧道出入口下游交通流拥堵状态判断。

具体步骤如下：

1）在距离长隧道出入口L处设置完成交通流检测器后，每30秒检测到一次各道路 断面速度、车辆数及占有率数据并将数据传送至数据平台。

2）将实时获取的交通流数据与预设的阈值进行比较，当满足拥堵判定条件时，则 触发可变限速控制系统开始计算最优限速值进行动态速度控制。拥堵判定条件具体如 下：

当满足：O_a＞O_c且v_a＜v_r（6）条件时，判定入口下游处处于拥堵状态。

其中，

O_a为长隧道出入口下游实时交通流占有率检测值，该值为百分数；

O_c为长隧道出入口下游交通流拥堵状态占有率阈值，该值为百分数；

v_a为长隧道出入口下游实时交通流速度检测值，单位是km/h；

v_r为长隧道出入口下游交通流拥堵状态速度阈值，单位是km/h；

关于拥堵状态判定条件中阈值的选取，可以事先选取多组交通流数据进行试算与判 断，也可以根据长隧道出入口路段实际交通流状况确定O_c值与v_c值。

步骤四：长隧道出入口路段实时可变限速值计算及发布

1）当长隧道出入口下游检测器检测到的交通流数据满足拥堵判定条件时，触发长 隧道出入口路段最优限速值控制算法。具体算法如下：

供选择的限速值有100km/h,80km/h,60km/h，40km/h，30km/h和20km/h，将上述可 供选择的限速值按降序顺序依次带入最优限速值判定条件中计算，选择首个满足最优限 速值判定条件的限速值作为最优限速值。最优限速值判定条件具体如下：

若所选择的可变限速值满足不等式

$(\bar{s}/3.6)·({\mathrm{\Delta t}}_a+\Delta \bar{t})+\frac{{(\bar{s}/3.6)}^2}{2a}+(v_s/3.6)·(\frac{(\bar{s}/3.6)}{a}+\Delta \bar{t})<L-(v_s/3.6)(t-\bar{t})---\left(7\right)$

其中，

为当前选择带入判定条件的可变限速值，单位是km/h；

Δt_a为驾驶员视觉适应时间，单位是s；

为长隧道出入口上游驾驶员制动前的反应时间，单位是s；

a为车辆减速时的加速度值，单位是m/s²；

v_s为拥堵波传播速度，单位是km/h；

L为长隧道出入口下游交通流检测器设置位置与出入口的距离，单位是km；

t为当前时刻；

为长隧道出入口下游交通流检测器检测到拥堵状态的时刻。

则此时的可变限速值即为长隧道出入口路段当前时刻实时的最优控制限速值。

2）向控制中心报告基于拥堵波传播速度设计的最优限速值控制算法运行所得的当 前时刻实时最优限速值，通过设于长隧道出入口路段上游的路侧可变信息提示板发布当 前时刻实时最优限速值。

下面结合附图与具体实施实例对本技术方案说明如下：

1）车辆从隧道入口进入隧道过程中可变限速控制的案例如下：

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，驾驶 员进入隧道时视觉适应时间Δt_a在本算例中假定为3s，晴天条件下车辆减速时的加速度 a一般取值6m/s²，长隧道入口路段最低限速值v_p一般取20km/h，依据拥堵波的传播特 性可知拥堵波的传播速度v_s的参考值为15km/h，长隧道内交通流拥堵状态占有率阈值 O_c的参考值为20%，长隧道内交通流拥堵状态速度阈值v_r的参考值为40km/h。

若某包含一条长隧道的路段现有数据显示该长隧道入口上游路段实测车流速度的 85%分位值v_u均为110km/h，则可带入公式计算路侧可变信息提示板与长隧道出入口的 距离L_b，计算过程如下：

$L_b=\frac{{(v_u/3.6)}^2-{(v_p/3.6)}^2}{2a}=\frac{{(110/3.6)}^2-{(20/3.6)}^2}{2\times 6}=75.24$

即，在长隧道入口上游75.24m处设置路侧可变信息提示板。

其次，假设车辆减速前匀速行驶的自由流速度v为120km/h，带入公式（5）计算长 隧道内交通流检测器的设置位置与隧道入口间的距离L，计算过程如下：

$\left(\begin{array}{c}L=\frac{v·{\mathrm{\Delta t}}_a}{3.6}+\frac{v·\Delta \bar{t}}{3.6}+\frac{{(v/3.6)}^2}{2a}+\frac{v_s}{3.6}·(\frac{v/3.6-0}{a}+\Delta \bar{t})\\ =\frac{120\times 3}{3.6}+\frac{120\times 2}{3.6}+\frac{{(120/3.6)}^2}{2\times 6}+\frac{15}{3.6}·(\frac{120/3.6-0}{6}+2)\\ =290.76\end{array}\right)$

在长隧道内距入口290.76m处设置交通流检测器。

再次，假设某日上午9时30分0秒，从隧道内交通流检测器实时获取的交通流数 据O_a=23.8和v_a=37时，拥堵判定如下：

23.8>20且37<40，

故长隧道内发生交通拥堵，触发可变限速控制系统。

可变限速系统被触发后，在9时30分30秒选择限速值100km/h带入公式（7）计 算：

$(\bar{s}/3.6)·({\mathrm{\Delta t}}_a+\Delta \bar{t})+\frac{{(\bar{s}/3.6)}^2}{2a}+(v_s/3.6)·(\frac{(\bar{s}/3.6)}{a}+\Delta \bar{t})<L-(v_s/3.6)(t-\bar{t})$

计算结果为230.81>165.76，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带入公式（7）计算，计算结果为176.02<165.76, 故80km/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60km/h带入公式（7）计算，计算结果为126.39<165.76, 故60km/h符合最优限速值判定条件。

最后，控制中心可通过设于隧道入口上游的路侧可变信息提示板发布“前方隧道内 限速值为60km/h息。

2）车辆从隧道出口离开隧道过程中可变限速控制的案例如下：

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，驾驶 员离开隧道时视觉适应时间Δt_a在本算例中假定为3s，晴天条件下车辆减速时的加速度 a一般取值6m/s²，长隧道出口下游快速道路路段最低限速值v_p一般取20km/h，依据拥 堵波的传播特性可知拥堵波的传播速度v_s的参考值为15km/h，长隧道出口下游快速道 路路段交通流拥堵状态占有率阈值O_c的参考值为20%，长隧道出口下游快速道路路段 交通流拥堵状态速度阈值v_r的参考值为90km/h。

若某包含一条长隧道的路段现有数据显示该长隧道内实测车流速度的85%分位值 v_u均为80km/h，则可带入公式计算设于隧道内的路侧可变信息提示板与长隧道出口的距 离L_b，计算过程如下：

$L_b=\frac{{(v_u/3.6)}^2-{(v_p/3.6)}^2}{2a}=\frac{{(80/3.6)}^2-{(20/3.6)}^2}{2\times 6}=38.59$

在长隧道出口上游38.59m处设置路侧可变信息提示板。

其次，假设车辆减速前匀速行驶的自由流速度v为100km/h，带入公式（5）计算长 隧道出口下游快速道路路段交通流检测器的设置位置与隧道出口间的距离L，计算过程 如下：

$\left(\begin{array}{c}L=\frac{v·{\mathrm{\Delta t}}_a}{3.6}+\frac{v·\Delta \bar{t}}{3.6}+\frac{{(v/3.6)}^2}{2a}+\frac{v_s}{3.6}·(\frac{v/3.6-0}{a}+\Delta \bar{t})\\ =\frac{100\times 3}{3.6}+\frac{100\times 2}{3.6}+\frac{{(100/3.6)}^2}{2\times 6}+\frac{15}{3.6}·(\frac{100/3.6-0}{6}+2)\\ =230.82\end{array}\right)$

在长隧道出口下游230.82m处设置交通流检测器。

再次，假设某日上午9时30分0秒，从隧道出口下游快速道路路段交通流检测器 实时获取的交通流数据O_a=23.8和v_a=79时，拥堵判定如下：

23.8>20且79<90，

故隧道出口前方快速道路路段交通拥堵，触发可变限速控制系统。

可变限速系统被触发后，在9时30分30秒选择限速值100km/h带入公式（7）计 算：

$(\bar{s}/3.6)·({\mathrm{\Delta t}}_a+\Delta \bar{t})+\frac{{(\bar{s}/3.6)}^2}{2a}+(v_s/3.6)·(\frac{(\bar{s}/3.6)}{a}+\Delta \bar{t})<L-(v_s/3.6)(t-\bar{t})$

计算结果为230.81>105.82，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带入公式（7）计算，计算结果为176.02>105.82, 故80km/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60km/h带入公式（7）计算，计算结果为126.39>105.82, 故60km/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40km/h带入公式（7）计算，计算结果为81.90<105.82, 故40km/h符合最优限速值判定条件。

最后，控制中心可通过设于隧道内的路侧可变信息提示板发布“前方快速道路拥堵， 限速40km/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。