专利名称：：基于安全性的限速值确定方法
技术领域：
：本发明是基于安全因素的约束条件下得到的一个限速值确定方法，可以求得特定效益取向下的最佳限速值，属于交通安全领域。
背景技术：
：限速是公路交通管理控制中一项重要的管理手段，随着近几年公路建设的发展，公路交通条件的改善，驾驶员驾驶素质普遍的提高和机动车辆性能的增强，依据设计速度或经验来进行公路限速已经不能满足广大公路使用者的需求，因此，有必要对这一问题进行研究，找到合理科学的公路限速值设计方法，以适应公路交通管理需求。我国哈尔滨工业大学的程国柱博士基于运筹学的最优化理论，以汽车行驶广义费用最小为目标函数，以车辆行驶的安全性、燃油经济性、舒适性为约束条件，建立数学模型，如公式⑴<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>式中G—人均国内生产总值，元/人/年；E——平均载运系数，人/车；Q——交通量，量/日；L——高速公路长度，km/h；ν——运行车速，km/h；Vi——驾驶员理想车速，km/h；Pg——耗油费用。但是该模型在考虑安全性约束条件时，仅仅利用了美国严重事故研究所(NCSS)的数据，没有很好的考虑我国道路交通事故的特点，利用该方法得到的限速值与实际不符。因此，很有必要根据我国的实际情况制定一套适合我国国情的、合理可行的限速方法，以提高交通运行效率，保障行车安全，促进社会和谐发展。
发明内容车速限制应保证效率、安全，而效率与安全是相互矛盾的，在自由流条件下，车速越高，则运行效率越高，但安全性却会下降。因此，如何设置限速值，既能提高效率，又能保证安全，是本发明研究的重要内容。鉴于大车和小车本身结构和性能存在着一定的差异，并考虑车辆行驶特点，在进行限速时，有必要将大车、小车分割开来，以使限速值更加合理。步骤一公路车速限制应保证事故死亡率小于可接受的容忍值，基于这一原则，制定限制速度关于安全性的约束条件模型见式(2)。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>式中Dee。metey—线形变量，比如坡度、曲率等；CO—事故率，采用预测事故率作为其指标；Ccritical——公路期望事故水平的事故率。Vpsl——限制速度步骤二确定限制速度和85%位车速关系模型图1中累计频率为85%时的相应的横坐标值，即在观测到的车辆总数中，有85%的车辆的地点车速小于或等于该值。通过采集高速公路和一级公路车速、限制速度、纵坡、平曲线半径数据，利用Stata9.0软件进行统计分析，采用向后剔除的回归分析法先建立全模型，根据输出结果中相关指标(|Z|值最小)的判定，每次剔除一个最不符合进入模型的变量，直到回归方程中不再含有不符合判据的自变量为止。因此，依次去掉不符合的自变量重新进行回归，最终得到大、小车85%位车速与限速的线性关系模型，见式(3)和式(4)。小车V85car=B1LnCsl-B2(3)大车V85truck=B3LnTsl-B4(4)式中V85。ar—小车85%速度，km/h；Csl—小车限制速度，km/h；LnCsl-Ln(小车限制速度)；V85truck——大车85%速度，km/h；Tsl——大车限制速度，km/h；LnTsl——Ln(大车限制速度)。ai、a2、a3、a4——待定系数，通过数据统计分析软件获得。步骤三利用采集数据85%位车速、纵坡、曲率，用统计分析软件STATA9.0采用逐步概率模型回归方法，分别建立以大车和小车因素自变量的两个交通事故预测模型。模型如(5)、(6)所示。小车E(Crashy)=Expo氺EXP(a5+a6V85_car+a7Inverser)(5)大车E(Crashy)=Expo氺EXP(a8+a9V85_truck_a10Grade)(6)参数代表意义L——路段长度Hourflow——小车和大车单向的平均小时绝对交通量之和，veh/h。EXPO——交通风险暴露指数，即L和Hourflow的乘积Inverser-曲率Grade——纵坡坡度E(Crashy)——平均每年发生的事故数a5、a6、a7、a8、a9、a10——待定系数，通过数据统计分析软件获得将式(3)代入到式(5)，可以得到基于小车限制速度的交通事故预测模型，见式(7)。将式(4)代入到式(6)，可以得到基于大车限制速度的交通事故预测模型，见式(8)。小车Crashy=Expo氺EXP(B1Aa1B6LnCsl^a7Inverser)(7)大车Crashy=Expo氺EXP(a12+a3a9LnTsl+a10Grade)(8)参数代表意义an,a12——待定系数，通过统计分析软件获得步骤四交通安全服务水平量化本着实际应用的原则，选取事故率作为安全服务水平的量化指标，事故率是高等级公路路段每年每公里的事故数。事故率的高低是道路安全水平的直接体现，可以定量地反映道路运营安全水平。根据高等级公路事故服从泊松分布的特性，采用广义线性回归得到高等级公路的事故均值度量方程，见式(9)。把事故均值度量方程的预测值认为是期望的公路安全水平Ccritical=L*EXP(a13+a14Hourflow+a15Hourflow2+a16Hourflow3)(9)式中a13、a14、a15、a16——待定系数，通过数据统计分析软件获得。把式(7)、式⑶、式(9)代入式⑵得到基于大、小车的安全性约束条件模型小车Expo*EXP(an+a^gLnCsl+aylnverser)^L*EXP(a13+a14Hourf1ow+a15Hourf1ow2+a16Hourflow3)(10)大车Expo*EXP(a12+a3a9LnTsl+a10Grade)^L*EXP(a13+a14Hourf1ow+a15Hourf1ow2+a16Hourflow3)(ll)参数代表意义同上根据国产汽车的主要技术参数可知，小车平均最高车速为160km/h，大车平均最高车速为85km/h。另外，中华人民共和国道路交通安全法实施条例(国务院令第405号)第六十七条规定，高速公路限速标志标明的最高时速不得超过120km/h。小车<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>大车<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>式中VPSL——限制速度，km/h；Vnesign~路段设计速度，km/h。步骤五运行效率是以运行车速(85%位车速)和设计速度为基准，构建高等级公路的时间费用函数，以时间费用最小作为运行效率的目标函数。驾驶员根据道路和交通条件，总希望以高速换取高运输效率，车速越高，在道路上所花费的时间越短，时间费用亦越少。由85%位车速达不到设计速度致使在途中时间增加而少创造的价值作为运行效率的时间费用，时间价值的计算以人均国内生产总值为据。运行效率的时间费用函数如式(14)所示，时间费用越小越好。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>式中Ct—高等级公路旅客在途时间费用，元；G——人均国内生产总值，元/人/年；E——平均载运系数，人/车；Q——小车或大车的交通量，辆/日；L——路段长度，km；V85——85%位速度，km/h;Vnesign~路段设计速度，km/h。将式(3)、(4)代入(14)得大、小车限制速度模型小车<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>式中Vpsl。ar——小车限制速度，km/h；Vnesign~路段设计速度，km/h；G——人均国内生产总值，元/人/年；Ecar——小车平均载运系数，人/车；Qcar——小车平均日交通量，辆/日；L——路段长度，km；EXPO——交通风险暴露指数，即L和Hourflow乘积；Inverser-平曲线曲率，l/m;Ccritical——公路期望事故水平的事故率；Hourflow——小车和大车单向的平均小时绝对交通量之和，veh/h。大车<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>Expo*EXP(a,2+a2a9LnTsl+an)Grade)<L*EXP(ai3+auHourflow+ai5Mourflow2+al6Hourflow3)式中Vpsl_truck——小车限制速度，km/h；Vnesign~路段设计速度，km/h；G——人均国内生产总值，元/人/年；Etruck——大车平均载运系数，人/车；Qtruck——大车平均日交通量，辆/日；L——路段长度，km;Hourflow——小车和大车单向的平均小时绝对交通量之和，veh/h。EXPO——交通风险暴露指数，即L和Hourflow乘积；Grade——纵坡坡度；Ccritical——公路期望事故水平的事故率；注大、小车限制速度模型不适用高速和一级公路隧道、桥区、收费站和事故多发段等一些特殊路段。本发明只针对高等级公路(包括高速公路和一级公路)的大、小车进行其限制速度研究。车型按轴距划分，其中小车的轴距彡3.8m，大车的轴距>3.Sm。本发明根据我国的实际情况制定一套适合我国国情的、合理可行的限速方法，以提高交通运行效率，保障行车安全。图1速度累计频率分布曲线具体实施例方式小车第一步采集数据选取广东清连高速公路K22230-K2229段为研究对象，大约1公里，往连州方向。该段设计速度为100km/h，平曲线半径为1000米，纵坡坡度3%，单向平均小时交通量1000辆/h,小车年平均日交通量为18000辆/h，大车年平均日交通量为6000辆/h。第二步计算该路段期望公路安全水平E(Crashy)=EXP(0.332-0.002Hourflow+1.040XIO^5Hourflow2-4.220XICT9Hourflow3)=exp(0.332-0.002*1000+1.04*1(Γ5*10002-4·22*1(Γ9*10003)=54第三步计算交通风险暴露指数EXPO=Hourflow^L=1000第四步计算临界限速值ΕΧΡ0*Εχρ[-18.032+2.735Ln(VPSLcar)+280.495Inverse]彡Ccritical解得临界限速值Vpsl-car=160km/hVPSLcar^Vnesign第五步根据约束条件Vpa_(120最后得出该路段限速值为100km/h<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>第六步计算人均国内生产总值G和小车平均载运系数Ε。1.人均国内生产总值指标G。2008年中国人均⑶P为3267美元，预测2010年人均GDP为3811美元，本实例中取GDP为3500美元，预留了增长空间，美元兑人民币汇率取16.83，时间费用函数中的G=3500X6.83=23905，单位是元/人/年。2.平均载运系数Ε。根据凤祥鸣等人关于对公路交通量与运输量换算方法的研究，我国客车中，小型客车所占比例将越来越大，到2010年和2020年分别将达到84%和90%，其主要原因是小轿车将逐步进入家庭。为此客车平均座位将呈减小趋势，据预测，2010年和2020年将分别为10.24人/车和8.77人/车。对于客车实载率，将呈提高的趋势，但其提高幅度是有限的，据估计实载率2020年将为80%。这里取平均载运系数E=7.016人/车。第七步计算运行效率的时间费用<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>=1653.4元当该路段限制速度为100km/h时，运行效率时间费用最小为1653.4元对于大车，计算方法同上，当路段限制速度为85km/h时，运行效率时间费用最小为yfλ权利要求基于安全性的限速值确定方法，其特征在于按以下步骤进行步骤一公路车速限制应保证事故死亡率小于可接受的容忍值，基于这一原则，制定限制速度关于安全性的约束条件模型见式(2)；C(VPSL，DGeometry)≤Ccritical(2)式中DGeometry——线形变量，比如坡度、曲率等；C()——事故率，采用预测事故率作为其指标；Ccritical——公路期望事故水平的事故率；Vpsl——限制速度步骤二确定限制速度和85％位车速关系模型85％位车速即在观测到的车辆总数中，有85％的车辆的地点车速小于或等于该值；通过采集高速公路和一级公路车速、限制速度、纵坡、平曲线半径数据，利用Stata9.0软件进行统计分析，采用向后剔除的回归分析法得到大、小车85％位车速与限速的线性关系模型，见式(3)和式(4)；小车V85_car＝a1LnCsl-a2(3)大车V85_truck＝a3LnTsl-a4(4)式中V85_car——小车85％速度，km/h；Csl——小车限制速度，km/h；LnCsl——Ln(小车限制速度)；V85_truck——大车85％速度，km/h；Tsl——大车限制速度，km/h；LnTsl——Ln(大车限制速度)；a1、a2、a3、a4——待定系数，通过数据统计分析软件获得；步骤三利用采集数据85％位车速、纵坡、曲率，用统计分析软件Stata9.0采用逐步概率模型回归方法，分别建立以大车和小车因素自变量的两个交通事故预测模型，模型如(5)、(6)所示；小车E(Crashy)＝Expo*EXP(a5+a6V85_car+a7Inverser)(5)大车E(Crashy)＝Expo*EXP(a8+a9V85_truck-a10Grade)(6)参数代表意义L——路段长度Hourflow——小车和大车单向的平均小时绝对交通量之和，veh/h；EXPO——交通风险暴露指数，即L和Hourflow的乘积Inverser——曲率Grade——纵坡坡度E(Crashy)——平均每年发生的事故数a5、a6、a7、a8、a9、a10——待定系数，通过数据统计分析软件获得；将式(3)代入到式(5)，得到基于小车限制速度的交通事故预测模型，见式(7)；将式(4)代入到式(6)，得到基于大车限制速度的交通事故预测模型，见式(8)；小车Crashy＝Expo*EXP(a11+a1a6LnCsl+a7Inverser)(7)大车Crashy＝Expo*EXP(a12+a3a9LnTsl+a10Grade)(8)参数代表意义a11、a12——待定系数，通过统计分析软件获得，其余参数意义同上；步骤四交通安全服务水平量化本着实际应用的原则，选取事故率作为安全服务水平的量化指标，事故率是高等级公路路段每年每公里的事故数；事故率的高低是道路安全水平的直接体现，可以定量地反映道路运营安全水平；根据高等级公路事故服从泊松分布的特性，采用广义线性回归得到高等级公路的事故均值度量方程，见式(9)；把事故均值度量方程的预测值认为是期望的公路安全水平Ccritical＝L*EXP(a13+a14Hourflow+a15Hourflow2+a16Hourflow3)(9)式中a13、a14、a15、a16——待定系数，通过数据统计分析软件获得；把式(7)、式(8)、式(9)代入式(2)得到基于大、小车的安全性约束条件模型小车Expo*EXP(a11+a1a6LnCsl+a7Inverser)≤L*EXP(a13+a14Hourflow+a15Hourflow2+a16Hourflow3)(10)大车Expo*EXP(a12+a3a9LnTsl+a10Grade)≤L*EXP(a13+a14Hourflow+a15+Hourflow2+a16Hourflow3)(11)参数代表意义同上；根据国产汽车的主要技术参数可知，小车平均最高车速为160km/h，大车平均最高车速为85km/h；另外，中华人民共和国道路交通安全法实施条例第六十七条规定，高速公路限速标志标明的最高时速不得超过120km/h；小车<mrow><mfencedopen='{'close=''><mtable><mtr><mtd><msub><mi>V</mi><mrow><mi>PSL</mi><mo>_</mo><mi>car</mi></mrow></msub><mo>≤</mo><msub><mi>V</mi><mi>Design</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>V</mi><mrow><mi>PSL</mi><mo>_</mo><mi>car</mi></mrow></msub><mo>≤</mo><mn>160</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>V</mi><mrow><mi>PSL</mi><mo>_</mo><mi>car</mi></mrow></msub><mo>≤</mo><mn>120</mn></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>12</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>大车<mrow><mfencedopen='{'close=''><mtable><mtr><mtd><msub><mi>V</mi><mrow><mi>PSL</mi><mo>_</mo><mi>truck</mi></mrow></msub><mo>≤</mo><msub><mi>V</mi><mi>Design</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>V</mi><mrow><mi>PSL</mi><mo>_</mo><mi>truck</mi></mrow></msub><mo>≤</mo><mn>85</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>V</mi><mrow><mi>PSL</mi><mo>_</mo><mi>truck</mi></mrow></msub><mo>≤</mo><mn>120</mn></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>13</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>式中VPSL——限制速度，km/h；VDesign——路段设计速度，km/h；步骤五以85％位车速和设计速度为基准，构建高等级公路的时间费用函数，以时间费用最小作为构建运行效率的目标函数；由85％位车速达不到设计速度致使在途中时间增加而少创造的价值作为运行效率的时间费用，时间价值的计算以人均国内生产总值为据；运行效率的时间费用函数如式(14)所示，时间费用越小越好；<mrow><mi>min</mi><mrow><mo>(</mo><msub><mi>C</mi><mi>t</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>min</mi><mo>[</mo><mfrac><mi>G</mi><mrow><mn>365</mn><mo>×</mo><mn>8</mn></mrow></mfrac><mi>E</mi><mo>·</mo><mi>Q</mi><mo>·</mo><mrow><mo>(</mo><mfrac><mi>L</mi><msub><mi>V</mi><mn>85</mn></msub></mfrac><mo>-</mo><mfrac><mi>L</mi><msub><mi>V</mi><mi>Design</mi></msub></mfrac><mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>14</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>式中Ct——高等级公路旅客在途时间费用，元；G——人均国内生产总值，元/人/年；E——平均载运系数，人/车；Q——小车或大车的交通量，辆/日；L——路段长度，km；V85——85％位速度，km/h；VDesign——路段设计速度，km/h；将式(3)、(4)代入(14)得大、小车限制速度模型小车<mrow><mi>Min</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>G</mi><mrow><mn>365</mn><mo>×</mo><mn>8</mn></mrow></mfrac><msub><mi>E</mi><mi>car</mi></msub><msub><mi>Q</mi><mi>car</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mfrac><mi>L</mi><mrow><msub><mi>a</mi><mn>1</mn></msub><mi>Ln</mi><mrow><mo>(</mo><msub><mi>V</mi><mrow><mi>PSL</mi><mo>_</mo><mi>car</mi></mrow></msub><mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><msub><mi>a</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><mo>-</mo><mfrac><mi>L</mi><msub><mi>V</mi><mi>Design</mi></msub></mfrac><mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>21</mn><mo>)</mo></mrow></mrow><mfencedopen='{'close=''><mtable><mtr><mtd><msub><mi>V</mi><mrow><mi>PSL</mi><mo>_</mo><mi>car</mi></mrow></msub><mo>≤</mo><msub><mi>V</mi><mi>Design</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>V</mi><mrow><mi>PSL</mi><mo>_</mo><mi>car</mi></mrow></msub><mo>≤</mo><mn>120</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>Expo</mi><mo>*</mo><mi>EXP</mi><mrow><mo>(</mo><msub><mi>a</mi><mn>11</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>a</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>a</mi><mn>6</mn></msub><mi>LnCsl</mi><mo>+</mo><msub><mi>a</mi><mn>7</mn></msub><mi>Inverser</mi><mo>)</mo></mrow><mo>≤</mo><mi>L</mi><mo>*</mo><mi>EXP</mi><mrow><mo>(</mo><msub><mi>a</mi><mn>13</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>a</mi><mn>14</mn></msub><mi>Hourflow</mi><mo>+</mo><msub><mi>a</mi><mn>15</mn></msub><msup><mi>Hourflow</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msub><mi>a</mi><mn>16</mn></msub><msup><mi>Hourflow</mi><mn>3</mn></msup><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr></mtable></mfenced>式中Vpsl_car——小车限制速度，km/h；VDesign——路段设计速度，km/h；G——人均国内生产总值，元/人/年；Ecar——小车平均载运系数，人/车；Qcar——小车平均日交通量，辆/日；L——路段长度，km；EXPO——交通风险暴露指数，即L和Hourflow乘积；Inverser——平曲线曲率，1/m；Ccritical——公路期望事故水平的事故率；Hourflow——小车和大车单向的平均小时绝对交通量之和，veh/h；大车<mrow><mi>Min</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>G</mi><mrow><mn>365</mn><mo>×</mo><mn>8</mn></mrow></mfrac><msub><mi>E</mi><mi>truck</mi></msub><msub><mi>Q</mi><mi>truck</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mfrac><mi>L</mi><mrow><msub><mi>a</mi><mn>3</mn></msub><mi>Ln</mi><mrow><mo>(</mo><msub><mi>V</mi><mrow><mi>PSL</mi><mo>_</m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