一种基于速度安全系数的公路限速值确定方法

摘要

一种基于速度安全系数的公路行驶车辆限速值确定方法，包括以下步骤：收集基础资料，即公路的平纵线形设计参数；分轴向、横向和纵向三个维度，计算公路的最高行驶速度；为每个维度选择合适的速度安全系数；将三个维度的最高行驶速度除以速度安全系数，得到三个维度的可选限制速度，取三个限速值的最小值作为限速集合的上限，得到初定限速值；通过驾驶员的期望车速优选限制速度。这种方法确定的限速值反映了行车条件的优劣，并且预留了安全空间，容易得到驾驶员的遵守。

说明书

技术领域

本发明涉及一种公路限速值确定方法，具体说是一种基于速度安全系数的公路限速值确定方法，可用于设定公路车辆行驶的限速值，达到提升行车安全的目的。属于公路交通管理和公路交通安全领域。

背景技术

公路车辆限速是提升公路交通安全性、保障公路畅通以及提高公路通行效率的重要措施。合理的限速值应能反映行车条件的优劣，并尽量符合驾驶员的期望，起到辅助驾驶员选择与行车条件相适应的车速的目的；过高的限速值会造成车辆速度离散程度较大，可能埋下事故隐患；过低的限速值会引起驾驶员的抵触心理，使限速的权威性和正确性遭到质疑，最终可能使限速处于形同虚设的地位。因此，限速值的合理确定至关重要，它关系着限速效果的好坏。但目前我国对限速值确定问题尚未有统一的认识和规范化的设计原则，国家标准中也未有此方面的明确规定，公路限速处于一种比较混乱的局面。

目前主要采用的限速方法主要有2种，分别是设计速度法和85％分位车速法。设计速度法在我国得到广泛应用，其思路是以公路设计速度为依据，结合特殊条件，凭经验将设计速度降低0-20km/h作为限制速度。例如，某一级公路，其设计速度为100km/h，在管理上通常将设计速度降低20km/h，以80km/h作为限制速度。85％分位车速法在美国、英国、加拿大、澳大利亚等国家应用较广泛，它通过定点单车自由流车速的实地观测并经统计分析，取车速累积图中第85分位车速作为限制速度，即85％车辆的速度在限制速度之下。

两种方法各有优缺点，并且有一定的适用条件。设计速度法简单易行，但考虑因素少，对主观经验要求较高，且存在所有路段按统一标准“一刀切”的问题，这样在条件好的路段，限速可能偏于保守；85％分位车速以统计学为基础，考虑了多数车辆的情况，但也存在2个问题，一是假定了驾驶员有能力和并且愿意选择合理的车速，事实上驾驶员对道路、交通条件的误判，选择了不合理的车速是造成交通事故的重要原因；二是这种方法以交通数据作为基础数据，对于缺乏基础数据的新建公路显得无能为力。

发明内容

技术问题：为克服现有方法对公路实际条件缺乏考虑的不足，本发明提供了一种有助于提高行车安全的基于速度安全系数的公路限速值确定方法。

技术方案：本发明提供的基于速度安全系数的公路限速值确定方法，包括以下步骤：

(1)收集基础资料

收集公路的基本参数，包括：平曲线半径R_h，竖曲线半径R_v，路面摩阻系数横向摩阻系数纵坡度i_v，路面横坡度i_h，视距S。

(2)计算最高行驶速度(km/h)

此步骤中，计算分三个维度：轴向、横向和竖向。轴向是指汽车行进的方向；横向是指水平方向，位于平曲线所在平面；竖向是指垂直方向，位于竖曲线所在平面。三个维度上的因素均对最高行驶速度构成限制，分别对其进行考虑，计算出最高行驶速度，即轴向最高行驶速度V_cs¹，横向最高行驶速度V_cs²和竖向最高行驶速度V_cs³。

1)轴向最高行驶速度V_cs¹

汽车行驶时，轴向应保证行车视距，在发生意外情况时，驾驶员可以及时发现并采取避让措施。轴向最高行驶速度V_cs¹的计算公式如下：

2)横向最高行驶速度V_cs²

汽车行驶时，横向应保证稳定性，在平曲线上行驶上，不发生横向滑移或者倾覆。横向最高行驶速度V_cs²的计算公式如下：

3)竖向最高行驶速度V_cs³

汽车行驶时，竖向应考虑驾驶员身体对离心加速度a_v的承受能力，另外离心加速度造成的超重或失重效果影响驾驶员操作的稳定性。根据试验，离心加速度限制在0.5m/s²～0.7m/s²比较合适，另有文献表明，当离心加速度大于0.63m/s²时，人体已感觉非常不舒服。因此取0.63m/s²作为离心加速度的上限(a_v^max)。竖向最高行驶速度V_cs³的计算公式如下：

$v_{\mathrm{cs}}^3=\sqrt{{13a}_v^{\max }{R}_v}=\sqrt{13\times 0.63R_v}=\sqrt{8.19R_v}---\left(3\right)$

(3)选择速度安全系数

速度安全系数的意义是将车辆行驶速度限制在最高行驶速度的一定比例之下，达到预留安全空间，提高安全性的目的。经发明者的研究发现，三个维度上要求的安全系数并不一致，分别为：

1)轴向安全系数n_v¹

根据发明者的研究，轴向安全系数取值为1.3-1.9，其具有的实际意义为：当发生意外状况时，驾驶员即使比正常反应慢1秒，仍能成功避险。轴向安全系数的具体取值需要进行试算确定，试算流程为：

首先，假定限制速度V_sl为120km/h，计算限制速度要求的停车视距Ss

然后，计算富余的安全距离Δx和允许的反应延迟时间Δt

Δx＝S-S_s                     (5)

$\mathrm{\Delta t}=\frac{\mathrm{\Delta x}}{V_{\mathrm{sl}}}---\left(6\right)$

接着，对允许的反应延迟时间Δt进行检验，如果Δt小于1秒，则将限速值降低10km/h，并重新计算Δt，直到Δt大于等于1秒，结束试算。轴向最高行驶速度与此时的限制速度的比值，即为满足要求的轴向安全系数。

2)横向安全系数n_v²

根据发明者的研究，横向安全系数应取值3.0。

横向稳定性的本质是横向力系数μ与道路横向摩阻系数的关系：当μ大于时，车辆将发生横向滑移，车辆运行不稳定；当μ小于时，车辆运行稳定；μ占的比例越小，车辆的运行相对越稳定。定义P为μ与的比值，P与横向安全系数的关系为：

$p={\left(\frac{1}{n_v^2}\right)}^2---\left(7\right)$

横向安全系数取值3.0时，横向力系数占用了约11％的道路横向附着系数，车辆处于安全的运行状态。

3)竖向安全系数n_v³

根据发明者的研究，竖向安全系数应取值1.5。

竖向安全系数的本质是减小竖向离心加速度，车辆行驶时产生的竖向离心加速度a_v与竖向离心力的上限值0.63的关系为：

$a_v=\frac{0.63}{{\left(n_v^3\right)}^2}---\left(8\right)$

竖向安全系数取值1.5时，竖向离心力为0.28m/s²，驾驶员处于较舒适的状态。

(4)初定限速集合

步骤2中得到三个维度上的最高行驶速度，步骤3中给出了三个维度上的速度安全系数取值标准，将三个维度上的最高行驶速度分别除以对应的速度安全系数，得到可选的限速值。为方便管理和执行，限速值应该是10的整数倍。因此，将三个维度上的可选限速值分别向下取10的整数倍数值，然后将三个值中的最小值，即作为限速集合的上限，其中min为取小函数，INT为取整函数，将公路的最低设计速度20km/h作为限速集合的下限。上限值、下限值以及两者中间的所有10的整数倍数值，组成初定的限速集合{v_j|j＝1～m}，式中v_j为初定的限速集合中的元素，m为元素的个数。

(5)期望车速优选

在保障交通安全的前提下，公路限速应尽量符合驾驶员的期望。驾驶员的期望车速指的是在交通量较小时，驾驶员期望能达到的行驶速度，期望车速可以通过问卷调查得到。本步骤通过调查驾驶员的期望车速，从限速集合中优选出一个最接近期望车速的限速值。期望车速用v_i表示，期望车速为v_i的驾驶员所占的比例用f_i表示。优选公式为：

$\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{f}_i|v_i-v_j|---\left(9\right)$

式中v_i为驾驶员的期望车速，f_i为期望车速为v_i的驾驶员所占的比例，n为期望车速的个数。

将步骤4得到的初定的限速集合的所有元素代入式(9)计算，经计算，如果出现了唯一的最小值，则最小值对应的初定限速集合中的元素即为优选限速值；如果出现了2个最小值，则最小值对应2个初定限速集合中的元素，取其中的较大者为优选限速值，所述优选限速值为限制速度。

有益效果：

本发明借鉴了传统安全系数的思想，将公路允许的最高行驶速度与限制速度的比值定义为速度安全系数。在设置限速值时，首先根据公路的实际条件计算公路允许的最高行驶速度，然后选择合适的安全系数，将车辆的速度限制在最高行驶速度的一定比例之下；在满足速度安全系数的基础上，通过期望车速优选，使限速值尽量符合驾驶员的期望。这种方法确定的限速值能反映行车条件的优劣，并且预留了安全空间，更容易被驾驶员接受，从而可以达到使交通流稳定运行，提升交通安全的目的。

1.由于综合考虑了公路的实际条件，这种方法确定的限速值能反映行车条件的优劣。在行车条件好路段实行较高限速标准，提高运输效率；在行车条件较差的路段实行较低的限速标准，保证交通安全。这样能避免出现行车条件很好，却依照设计速度执行过低限速标准的情况，或者行车条件很差，却执行过高限速标准的情况，因此更合理

2.由于引入了速度安全系数的概念，可以清楚地描述预留的安全空间。通过对速度安全系数取值的限制，使限速值能保证期望的安全空间。这样，当驾驶员发生较小的操作失误时，可以有时间和空间及时调整过来，避免严重事故的发生，因此安全性得到了提升。

3.由于将驾驶员的期望车速纳入到确定限速值的流程中，这种方法确定的限速值在满足安全要求的前提下，可以尽可能接近驾驶员的期望车速。这样，驾驶员对限速值的满意度高，更愿意遵守。

附图说明

图1为基于速度安全系数的公路限速值确定方法基本流程图。

图2为最高行驶速度和速度安全系数的三维方向示意图。

图3为轴向安全系数试算流程图。

具体实施方式

本发明提供的一种基于速度安全系数的公路限速值确定方法是这么实现的：

(1)收集公路基础资料，所述的公路基础资料包括：平曲线半径R_h(m)，竖曲线半径R_v(m)，路面摩阻系数(无单位)，横向摩阻系数(无单位)，纵坡度i_v(无单位，上坡为正，下坡为负)，路面横坡度i_h(无单位，有利于车辆在平曲线上行驶时为正，否则为负)，视距S(m)；

(2)分别计算轴向最高行驶速度V_cs¹、横向最高行驶速度V_cs²和竖向最高行驶速度V_cs³，所述的轴向最高行驶速度V_cs¹的计算方法为：

所述的横向最高行驶速度V_cs²的计算方法为：

所述的竖向最高行驶速度V_cs³的计算方法为：

$V_{\mathrm{cs}}^3=\sqrt{{13a}_v^{\max }{R}_v}=\sqrt{13\times 0.63R_v}=\sqrt{8.19R_v}$

(3)将横向安全系数n_v²设定为3.0，将竖向安全系数n_v³设定为1.5，并试算轴向安全系数n_v¹，所述的轴向安全系数n_v¹的试算方法为：

假定限制速度V_sl为120km/h，计算限制速度要求的停车视距S_s

然后，计算富余的安全距离Δx和允许的反应延迟时间Δt

Δx＝S-S_s

$\mathrm{\Delta t}=\frac{\mathrm{\Delta x}}{V_{\mathrm{sl}}}$

接着，对允许的反应延迟时间Δt进行检验，如果Δt大于等于1秒，结束试算；如果Δt小于1秒，则将限速值降低10km/h，并重新计算Δt，直到Δt大于等于1秒，结束试算，轴向最高行驶速度与此时的限制速度的比值，即为满足要求的轴向安全系数；

(4)将作为限速集合的上限，其中min为取小函数，INT为取整函数，将公路的最低设计速度20km/h作为限速集合的下限，上限值、下限值以及两者中间的所有10的整数倍数值，组成初定的限速集合{v_j|j＝1～m}，式中v_j为初定的限速集合中的元素，m为元素的个数；

(5)使用期望车速优选方法，从初定的限速集合中优选出一个最接近期望车速的值作为公路限速值，所述的期望车速优选方法是：

$\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{f}_i|v_i-v_j|$

式中v_i为驾驶员的期望车速，f_i为期望车速为v_i的驾驶员所占的比例，n为期望车速的个数。驾驶员的期望车速指的是在交通量较小时，驾驶员期望能达到的行驶速度，期望车速可以通过问卷调查得到。将初定限速集合中的所有元素代入上式计算，经计算，如果出现了唯一的最小值，则最小值对应的初定限速集合中的元素即为优选限速值；如果出现了2个最小值，则最小值对应2个初定限速集合中的元素，取其中的较大者为优选限速值，所述优选限速值为限制速度。

结合图1，对本发明做进一步说明，示例如下：

(1)收集公路基础资料

某公路的基本特征参数为：平曲线半径R_h：1278m，竖曲线半径R_v：10500m，路面摩阻系数0.4，横向摩阻系数0.4，纵坡度i_v：1.99％，路面横坡度i_h：0.03，视距S：200m。

(2)计算最高行驶速度

轴向最高行驶速度V_cs¹：113.6km/h

横向最高行驶速度V_cs²：264.2km/h

竖向最高行驶速度V_cs³：293.2km/h

(3)选择安全系数。

横向安全系数系数n_v²取值3.0，竖向安全系数n_v³取值1.5，轴向安全系数n_v¹需试算，步骤如图3所示。

1)假定限速值为120km/h，则Δt＝-0.15＜1，不合格；

2)将限速值降为110km/h，则Δt＝0.09＜1，不合格；

3)将限速值降为100km/h，则Δt＝0.37＜1，不合格；

4)将限速值降为90km/h，则Δt＝0.68＜1，不合格；

5)将限速值降为80km/h，则Δt＝1.06＞1，合格，结束试算。

轴向安全系数取值为113.6/80＝1.42。

(4)初定限速集合。

轴向限制速度：113.6/1.42＝80km/h

横向限制速度：264.2/3.0＝88km/h

竖向限制速度：293.2/1.5＝195km/h

将这三个值分别向下取10的整数倍数值，并取最小值80km/h为限速集合的上限。因此，初定限速集合为：{20，30……70，80}

(5)期望车速优选

根据调查，期望车速为70km/h的驾驶员占20％，期望车速为80km/h的驾驶员占50％，期望车速为90km/h的驾驶员占30％。经过优选公式的选择，取限速值为80km/h。