速度變化控制

雙閉環速度變化控制策略 ，通過建立外掛物模型的氣動力/力矩誤差控制環，動態產生最優速度變換尺度，在試驗過程中始終以外掛物模型運動速度為控制目標，實現了CTS試驗速度控制方式。在交通領域，速度變化控制是指對道路交通流平均速度的控制。 合理的速度控制可降低交通事故率, 提高運輸效率。在道路危險段採取必要的速度控制措施, 能夠幫助駕駛員排除一些不穩定因素的影響, 使其充分地預見到道路的線形條件和路側狀況, 從而對駕駛速度和行為做出正確的判斷。

基本介紹

• 中文名：速度變化控制
• 外文名：Speed change control
• 拼音： sù dù biàn huà kòng zhì
• 涉及行業：各行各業
• 所屬類別：科學方法
• 定義：對道路交通流平均速度的控制

平均速度變化控制理論

概述

世界各國均非常重視交通安全問題, 如何降低交通事故率及其嚴重性已成為道路安全研究的核心問題, 相關的研究工作已在各國展開。交通事故的大量調查數據顯示, 道路限速值的提高, 道路交通流平均速度隨之增大, 交通事故數量亦增加, 而事故受傷人數和死亡人數則大幅度增加, 這表明了交通流平均速度與交通事故數量及傷亡人數有著必然的聯繫。

最佳平均速度的選擇

減少道路運輸時間是道路運輸發展的目標, 達到這個目標需要高速行駛, 這和安全運輸相衝突;最佳平均速度的選擇是尋找二者的平衡點, 消除其間的衝突。與最低的運輸費用相對應的平均速度即為最佳平均速度。為了確定不同類型道路的最佳平均速度, 需要知道運輸費用組成, 及運輸費用同平均速度的關係, 換句話說, 最佳平均速度的選擇主要是在不同速度下, 對運輸時間、交通事故費用的評估。最佳速度的選擇主要綜合考慮以下3 個方面:(1)運輸時間費用;(2)車輛的運營費用;(3)交通事故造成的損失費用。

運輸費用=運輸時間費用+車輛運營費用+交通事故造成的損失費用。如果考慮其它費用, 如道路車輛維修費用、噪音污染費用, 最佳速度將採用更低數值。找出速度與運輸費用(運輸時間的費用、車輛運營費用、交通事故造成損失的費用)的關係非常重要, 最佳速度即為曲線最低點相對應的速度值。最佳速度也可稱為最佳經濟速度。瑞典測算的本國公路的最佳速度定為:雙向兩車道為60～70km/h;雙向四車道高速公路為90 ～100km/h 。

結合國外資料考慮我國交通流實際情況, 最佳速度應比瑞典制定的標準要低, 主要有3個原因:①我國車輛運輸時間的費用比已開發國家少得多, 因為運輸時間費用是由一個國家的工資水平決定的, 我國工資水平低於已開發國家, 這就導致了最佳速度低於開發中國家;②據統計, 當速度增加, 開發中國家車輛平均運營費用有一個陡峭的增長。因為開發中國家的重車(卡車、公共汽車)相對於小汽車快速增長;當平均速度增長, 運營費用就會更大幅度增加。③在確定最佳速度時, 我國和瑞典對交通事故費用算法不同。我國只算交通事故的車輛物損等直接經濟損失, 而象瑞典等工業已開發國家的道路交通事故經濟損失還包括工資損失、醫療損失、保險管理等。從計算結果來看,我國單一的交通事故造成的損失小於瑞典等已開發國家。另一方面, 我國每輛車公里交通事故率是高的,且事故的後果嚴重(每件事故的死亡人數和傷亡人數來評價事故的嚴重性)。世行專家對開發中國家交通狀況進行調查、 研究得出結論:從經濟的角度出發, 綜合各方面對運輸費用的影響, 推薦開發中國家公路的平均速度(不是限速)不應高於以下數值:雙向兩車道5～6m碎石路面為50km/h ;雙向兩車道5 ～7m 鋪裝路面為60km/h ;雙向兩車道7 ～9m 鋪裝路面為70km/h ;雙向兩車道9 ～12m 鋪裝路面為80km/h ;雙向四車道高速公路為90km/h 。

各國對道路分類不同, 對上列數值不能生搬硬套。我國屬於開發中國家, 交通流平均速度的制定可參考上列推薦數值, 結合不同類型道路可測算出符合我國具體情況的最佳平均速度。

控制平均速度變化的方法

控制車輛平均速度對安全行車起著重要作用, 控限速值制定在交通流速度分布曲線的85 %以上的位置。在進行限速後, 大多數車輛加快行駛速度,少數車輛速度降低。結果速度分布範圍變小, 但平均速度增大, 事故數量及其嚴重性增大。駕駛員超速的違規率小。

限速值的位置在速度分布曲線的85 %位置,進行限速後, 大多數慢行車輛速度加快, 少數快行車輛速度降低, 平均速度沒有實質性的變化, 速度分布範圍減小。事故數量沒有變化, 事故後果不是很嚴重,制交通流的平均速度最常用的方法採用限速, 並結合交通法規條文制定行車速度及懲罰制度(通常為罰款及違章記分等)。限速值的確定是根據道路條件、交通流情況、 車輛類型來制定的。限速可以是全路段普通意義的限速, 也可以是局部危險路段的限速。

瑞典和芬蘭在開發中國家進行了限速對速度分布及平均速度的影響的研究。其基礎是建立在對某條路段交通流分布的研究之上。駕駛員超速行為的比例較低。限速值位置在速度分布曲線的 85 %以下。限速後, 大部分車輛速度降低 , 慢速車輛提速。平均速度降低, 速度分布範圍變小 , 事故的數量 、 嚴重性降低。超速行駛的車輛到達一定數量。限速值設定在速度分布曲線遠低於85 %以下。限速後, 大部分車輛速度降低, 少數慢速行駛車輛提速。平均速度降低, 速度分布範圍變小, 事故數量及嚴重性降低。超速違規車輛的比例很多。

以上事例的研究結論是, 限速應以道路實際車輛速度為基礎依據, 限速值應設在速度分布曲線的85 %以下,但是在85 %以下具體哪一個位置,需要綜合考慮道路事故數量的減少率、 道路車輛分類及其所占比例、 駕駛員違規的比例、 實施的可能性、 強制執行的費用。

限速手段

交通法規對各類道路上行駛的各種車輛的行駛速度的限制都有明顯的規定。要達到這個要求, 國內外的實際情況證明採用下列的措施是有效的。

(1)運用限速標誌

在標誌牌上標明最大行車速度, 用以提示司機降低速度。在韓國, 高速公路的限速標誌標明最大值和最小值, 其目的是縮小交通流的分布範圍, 保證車輛穩定、順暢行駛。

(2)運用心理學原理降低車速

有如下典型的方法連續設定同類交通標誌 在我國高速公路出口設定一組出口預告(出口預告、出口2km預告、出口1km 預告、500m 預告),用以提示司機距離目的地越來越近, 從而給司機一種步步逼近的心理效應, 自然地降低車速。在高速公路終點接地方路段(俗稱斷頭路), 是事故多發段, 在設計中常常在路段連續設定標有120 、100 、80 、60 、40km/h 的限速標誌,並且在限速標誌處設定減速標線, 這種做法使駕駛員連續降低車速效果很好。路旁綠化 在危險的交叉口附近種植喬木。喬木的樹梢連線在一起。這樣駕駛員視覺上認為道路狹窄, 感覺道路受到森林地帶的障礙, 從而自發降低車速。

路面標識、 標線 常用的路面交通標識是在行車道上施劃有限制車速的數字, 它主要是法規上的作用。心理上作用不明顯。在路面上施劃減速標線(虛線或實線)的道路交通標示, 它對駕駛員產生要降低車速的明顯的心理效果。就象人們在湖上划船, 低頭見到湖面上的水波浪一樣, 有一種覺得車速太快的感覺, 本能降低車速。或者形似障礙物的立體圖案, 這種標示在日本常用, 能使駕駛員產生降低車速的明顯的心理效果。彩色路面 在道路交叉口、 急彎處、 下坡處採用彩色路面, 用以提醒司機降低車速, 效果不錯。採用塑膠交通警察和雷達測速區標誌 這兩種方法都是對駕駛員有一種威懾作用, 當駕駛員看到這兩種標誌時, 都會有一種懼怕心理, 怕萬一有交通警察或有固定的雷達測速, 於是本能地降低了車速。

(3)採用物理方法降低車速

鋪設粗糙路面 限制車輛行駛的步行區, 將原來平整路面改為凹凸的粗糙路面, 限制車輛的速度。這種路面對行人步行沒有不舒適的感覺, 但對車輛行駛速度確有顯著的抑制作用。震動標線 在標線上等距離設定高出路面的突起, 車輛壓過去的時候, 會發出震動的聲響, 提醒駕駛員減速。在公路上及城市道路廣泛使用, 證明效果明顯。限速丘 路丘的設定在不損害車輛的情況下, 被證實能有效地將速度減少20 ～30km/h 。不同類型的使車道變窄的障礙物的套用也能使車輛減速。在居民區平交口處各個車道設定停車讓行的標誌標線通常在美國居民區使用, 有效地降低了車輛的速度。但這種限速丘對駕駛員來說, 只能用適當的速度行駛, 否則就造成一種不舒適感。

以上提及的標誌、 心理因素、 物理因素的限速方法已被證明可有效地控制路段的平均速度。最佳平均速度不同於道路的設計速度, 設計速度是根據道路不同等級及地形測算的速度。道路的設計速度往往成為道路的限速值。最佳平均速度是道路交通流理想的平均速度。最佳平均速度不能作為限速值;限速是達到最佳平均速度的手段。值得一提的是傳統的將道路設計速度作為道路限速值的常規設計方法是否恰當值得思考。

基於雙閉環速度變化控制

六自由度裝置

六自由度裝置的結構形式

在六自由度裝置結構設計時，一方面受風洞套用環境限制要求其迎風面積儘可能小以降低對氣流的堵塞，另一方面還要求該裝置具有足夠的強度以能夠經受超聲速風洞衝擊載荷的考驗。在對六自由度裝置強度、剛度及堵塞度等多個目標進行深入分析後，確定將該風洞的六自由度裝置採用分體式結構形式進行設計。

兩個線位移_y軸、z軸為一部分，線位移x軸和3個角位移_α、_β和_γ（按照右手準則確定方向）為一部分。其中x、和z這3個線位移裝置的連線為串聯式結構，均採用交流伺服電機、精密減速器和精密滾珠絲槓傳動，加導軌導向，實現直線運動；z軸通過其滑塊箱體與_y軸滑板相連，x軸通過滑塊與z軸滑塊相連；三自由度裝置頭採用串、並聯結構方式，、軸採用伺服電機、減速器和滾珠絲槓副，通過拉桿、球鉸，拉動十字萬向接頭組合運動，並聯實現外掛物俯仰、偏航運動；滾轉機構_γ軸旋轉方向採用了精密低速大扭矩中空伺服電機直接驅動，實現了外掛物滾轉，軸同軸γ 串聯後再通過_α、_β基座同x軸串聯置於x軸前端；在三自由度裝置頭前端通過彎尾桿（或直尾桿）與外掛物天平、模型連線。

速度變化控制策略

CTS試驗位置控制方式的基本原理是根據天平測量的氣動力、力矩，外掛物的質量、慣性矩，母機飛行姿態、高度和速度等有關參數一起帶入外掛物運動方程，解出外掛物的運動速度，然後通過積分得到外掛物相對母機的位置和姿態，並控制六自由度裝置運動到該位置和姿態，再由天平進行氣動載荷測量，並求取外掛物在下一時刻的位置和姿態，如此往復的測量與計算，逐點獲得外掛物與母機分離的運動軌跡。與位置控制方式不同的是，速度控制方式在求解外掛物運動方程得到其運動速度後，直接控制六自由度裝置按外掛物模型速度運動，通過外掛物模型的連續運動而得到分離軌跡。

速度變換尺度

在工程運用中，一方面六自由度裝置受自身運動能力限制，其速度不可能完全達到求解外掛物運動方程而得到的運動速度；另一方面為了保證分離軌跡的精度，要求求解外掛物運動方程的時間步長儘可能地小，然而，受 CTS系統硬體設備動態回響特性限制，六自由度裝置不可能在很短時間內達到給定速度。為此，必需要找出合適的變化尺度，才能在風洞試驗中完成基於速度控制的軌跡測量。當時間步長足夠小時，可認為外掛物各自由度的運動速度保持不變，分量可能會大於六自由度裝置的最大運動速度，在較短的時間內，無法準確完成六自由度裝置的速度修正。為此，採取了增加運動時間的方式來降低運動速度要求，同時解決動態回響特性限制，即當六自由度裝置的運動速度降低為原來的_λ分之一。

速度變化控制策略實現

信號測量與運動控制系統

信號測量與運動控制系統需要實現外掛物模型氣動力/力矩測量、軌跡生成、六自由度裝置運動控制及運行狀態監測等功能。採用速度控制時，天平信號測量、速度參數計算等均在外掛物模型運動過程中完成，對系統的實時性具有較高的要求。在設計過程中，選用了具有集中控制的多層分散式結構，並以高性能、可擴展和易維護為目標，儘可能使用標準化和成熟產品，以保證將來系統易於維護和更換。信號測量與運動控制系統組成如圖2所示。圖中：為總壓；為靜壓；和動態回響能力，動態產生最優的速度變換雙閉環控制策略尺度。內環利用運動控制器、驅動器、電機和編碼為實現外掛物模型運動速度的精準控制，采 器組成傳統的速度閉環控制方式，精確控制六自用了一種雙閉環的速度控制策略，如圖3所示。由度裝置的運動速度，無需暫停進行信號測量和外環是由天平測量的氣動載荷與載荷預估值 數據計算，確保了模型重心能連續保持在真實運組成，載荷估計值由式（4）_～式（6）得到。外環建 動軌跡上，避免了外掛物模型與母機產生的“假碰立了軌跡精度誤差模型，實現了求解外掛物運動 撞”，在確保試驗精度的條件下，儘可能縮短試驗方程的時間步長自適應，並結合CTS系統的運動 時間、降低成本。

調試結果

仿真試驗結果

為了檢驗本文所述速度控制方法，在地面調試時，採用給定與風洞試驗時量值相當的全尺寸外掛物合力/力矩的方式對其進行了仿真分析。一方面通過數值方法計算外掛物模型在該合力/力矩作用下的運動軌跡，該軌跡稱之為理論軌跡；另一方面，採用本文給出的雙閉環控制策略計算外掛物在該合力/力矩的作用下的分步運動速度，並控制六自由度裝置運動，從電機編碼器反饋值中獲取分離軌跡；為了進一步與原有位置控制方式的試驗結果進行比較，還採用位置控制方法控制六自由度裝置運動，獲取相應的分離軌跡。可以看出，速度控制方式獲取的軌跡與理論軌跡規律一致，數據吻合非常好；其軌跡與理論軌跡的偏差值略小於位置控制方式的偏差值；且具有非常好的數據重複性。結果表明速度控制方法原理正確，外掛物模型運動平穩，所得軌跡規律合理；該套 CTS系統可以投入到風洞試驗中進行驗證。

風洞試驗結果

可以看出，在某超聲速風洞中採用位置控制方式或速度控制方式得到的分離軌跡與在1．2m風洞採用位置控制方式獲得的試驗結果規律一致，量值略有差異，速度控制方式獲取軌跡的重複性較好。從所獲得的分離軌跡數據來看，速度控制方式所獲得的軌跡數據信息量更大，軌跡計算積分誤差相對減小，分離軌跡預測更加合理準確。其中：在該超聲速風洞獲得軌跡的x、和z，y這3個方向的線位移與1．2m風洞試驗結果吻合得較好；對於_α、_β這2個角位移，在該超聲速風洞測得的結果與1．2m風洞存在較小偏差，這可能是由機構尺寸、天平量程及不確定度等原因綜合所致；速度控制方式與位置控制方式的偏差可能是由速度控制時外掛物模型處於連續運動狀態所致；對於_γ角位移，在該超聲速風洞測得的結果與1．2m風洞存在一定偏差，且速度控制方式與位置控制方式也存在一定的偏差，這主要是由於該飛彈的滾轉力矩測量值太小、天平滾轉力矩的量程較大及該飛彈轉動慣量太小所致。由此可以看出，某超聲速風洞 CTS系統與1．2m風洞CTS系統在試驗數據上有很好的一致性，也說明，該 CTS系統運行穩定、可靠，試驗數據合理，具備了投入顧客試驗套用的能力。CTS系統在兩種不同控制方式下完成一條軌跡所需的風洞運行時間對比。可以看出速度控制方式所用時間約為位置控制方式所有時間的一半。

結 論

1）本文提出了外掛物軌跡分離試驗的雙閉環速度控制策略，根據六自由度裝置的運動能力、動態回響參數、軌跡控制精度等，動態產生最優的速度變換尺度及求解外掛物運動方程的時間步長，實現了速度控制方式，在理論上確保外掛物模型始終在真實飛行軌跡上運動，避免了位置控制方式可能出現的“假碰撞”。

2）信號測量與運動控制系統採用具有集中控制的多層分散式結構，保證了系統的實時性，為實現速度控制方法提供了性能優異的硬體構架。

3）通過地面仿真和風洞試驗，結果表明本文所述的速度控制方法獲得的分離軌跡規律合理，數據重複性好，與CARDC1．2m風洞軌跡試驗結果具有較好的一致性，可以投入顧客試驗套用。

4）與較傳統的位置控制試驗方式相比，本文所述的速度控制方法所用風洞時間約為位置控制方式的一半，同時試驗信息大幅增加，極大地提升了試驗效率。速度控制方法使 CTS試驗技術水平獲得了較大提升，具有很好的套用前景，但在試驗結果的精度、準度方面還需要進一步的研究與探索，以提高試驗數據質量。

電動機速度變化控制系統

概述

近年來，隨著新穎的永磁同步電動機（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）非線性控制理論的發展，在矢量控制的基礎上採用先進的複雜控制策略如自適應神經網路控制、模糊PID 控制、滑模變結構控制和自抗擾控制等構成內外環控制器，可實現調速系統的高性能控制，這些方法自身都各有優缺點。在這些非線性控制策略中，滑模變結構控制具有對系統參數變化適應性強、魯棒性好等特點，在非線性系統分析與控制中的套用，具有十分可觀的研究前景。由於開關的切換動作所造成的控制的不連續性，使得滑模變結構控制系統存在“抖振”問題，採用了串級複合滑模控制，通過在速度環增加積分環節來消除滑模控制的力矩抖動，從而能夠有效地減弱抖振。採用了自適應滑模變結構控制，保證變結構控制器控制增益的合理性，對於系統的不匹配不確定性擾動具有自動調節的能力。採用了一種新型的滑模趨近率控制策略，能夠解決時間延遲的問題使得進一步削弱抖振。但是此類控制方法在伺服電動機低速甚至超低速控制中，在負載轉矩突變及控制系統參數變化的情況下仍然存在抖振的問題，使得伺服系統的位置準確度無法提高，因此需要採用更好的複合控制策略解決永磁同步電動機的速度環控制問題。

自抗擾控制器是一種不依賴被控對象數學模型的新型控制技術，能自動檢測並補償被控對象的內外擾動，控制對象的參數發生變化或者遇到不確定性擾動時能結合非線性反饋組合實現很好的控制效果，具有較強的適應性、魯棒性和可操作性，然而自抗擾控制器中可調參數較多且不便於實際操作和整定。文獻[10]提出了一種無需參數整定的自抗擾控制器，在這種結構下，無需參數整定，可以有效控制PMSM 的轉速和轉矩。但是此類控制方法在套用於交流伺服系統高速控制中，且受到轉動慣量、負載轉矩突變及摩擦力等系統擾動影響時，抗擾動能力稍差，且超調較大，其控制策略難以達到高穩態準確度要求。

因此，本文結合滑模變結構和自抗擾兩種控制技術的優勢，提出了一種PMSM 滑模自抗擾控制系統。將滑模控制引入到速度及電流自抗擾控制器（Active-Disturbance Rejection Controller, ADRC）的設計中，通過對控制器中非線性狀態誤差反饋的參數自整定改進，使控制器保持了原自抗擾控制器特點又使可調參數在切換時平滑過渡，減小了系統的誤差，改善了系統控制性能，同時在保證系統動態性能的情況下，提高了系統魯棒性和系統內部抗擾動的能力，並且在永磁同步電動機調速控制系統中保證系統的高低速控制性能，達到系統調速範圍寬的目的。通過仿真及實驗驗證，改進後的系統與典型的自抗擾控制器（ADRC）相比，具有回響速度快、超調小、穩態準確度高和調速範圍寬的優點，且對轉動慣量、負載轉矩突變及摩擦力等系統擾動影響具有很強的魯棒性。

仿真及實驗結果分析

為驗證滑模變結構自抗擾控制器的永磁同步電動機控制系統的性能，本文利用Matlab/Simulink 對控制系統實現了數字仿真，在與實驗條件相同的條件下，以自主研發的變頻調速控制系統為核心對一台自主研發的交流永磁同步電動機採用典型的自抗擾和滑模變結構自抗擾控制策略分別進行控制。交流永磁同步電動機參數如下：額定功率P_N=11.3kW，額定轉速n=6 000r/min，定子電阻R=0.506Ω，交軸、直軸分別為L_d=L_q=7.638 5mH，轉動慣量為J =50.2kg·cm，極對數p=2，額定轉矩T_e=18N·m，轉子磁通f₀=0.812T，額定頻率f_N=200Hz。在實際中，需對控制器各部分的參數進行整定，經反覆調試，速度電流環中，TD 中的參數確定後保持不變速度因子取r=10，變結構擴張狀態觀測器和變結構非線性狀態誤差反饋控制律中的參數取d₁=0.05，d₂=0.025，k=30，l=25；電流環中的參數取為：r=10，d₁=0.03，d₂=0.015，k =10，l =5。當轉速n =20r/min時，在2s時刻，轉矩從0.334N·m 上升至18N·m，由圖可知，在低速時，滑模自抗擾控制系統與典型自抗擾控制系統相比，具有更好的啟動特性和系統魯棒性。

當轉速n =6 000r/min時，在2s時刻，轉矩從0.334N·m 上升至18N·m，從圖中可以看出，高速時，滑模自抗擾系統的動靜態性能、抗擾動能力和轉速控制準確度均優於典型自抗擾控制系統，而且具有良好的自適應能力。

在電動機啟動時，滑模自抗擾控制系統的電磁轉矩脈動明顯小於典型自抗擾控制系統的電磁轉矩脈動，且穩態時，幾乎沒有轉矩脈動。在2s 時，滑模變結構自抗擾控制系統電磁轉矩回響迅速且能很好地跟蹤給定值，從而降低了系統損耗，減少了系統所受到的電磁干擾和負載轉矩擾動，有利於提高系統控制性能。在PMSM 速度控制系統中，根據實際的套用情況，對ADRC 和VS-ADRC 兩種控制策略在同一特定情況下，例如給定轉速及轉動慣量發生變化，給定波形按方波、正弦波進行運行，可以體現出VS-ADRC 更好的的實用價值。

當系統轉動慣量由1.48×10kg·m變為7.4×10kg·m時，從圖8 中可以明顯地看出VS-ADRC控制策略的優越性，系統在給定轉速200r/min 的情況下，空載起動電動機。採用VS-ADRC 控制時，超調量相比ADRC 要小很多，由此可知VS-ADRC 抗擾動能力要遠遠強於ADRC，真正體現了VS-ADRC不受外部擾動的變化，且能更好地實時補償擾動的能力，有更優良的系統魯棒性。當系統轉動慣量由1.48×10kg·m變為7.4×10kg·m時，速度給定為-200～+200r/min 的正弦波，周期為4s。ADRC 的速度波形出現振盪，偏差較大；相比之下，VS-ADRC有著優良的跟隨性能，在快速性和穩定性中的優勢同樣，以方波為例，當系統轉動慣量由1.48×10kg·m變為7.4 ×10kg·m時，速度給定為-200～+200r/min 的方波，周期為4s。ADRC 控制器速度波形出現較大超調，調整時間變長，並有振盪出現；相比之下，VS-ADRC速度波形轉速超調明顯減小，速度回響速度變快，跟隨性能提高。

道路速度變化控制

概述

道路交通安全狀況日益惡化的趨勢, 使人們認識到速度管理的重要性。在美國大約有1/3 的交通事故與速度相關,包括超速行駛和高速行駛。2000 年,在與速度相關的事故中有12 000 多人死亡,700 000 多人受傷。據統計,在我國一次死亡3 人以上的交通事故中,有超過1/5 的事故是由超速行駛引起的。2004 年,深汕高速公路汕頭路段共發生交通事故77 起,其中約有75 %的交通事故是因車輛超速而造成的。許多學者的研究結果也表明, 車速與事故、交通安全間存在著密切的關係。道路控速設施在美國、日本及歐洲等經濟已開發國家已是一項比較成熟的技術, 套用非常廣泛。

1速度與安全的關係

1.1 車速與事故數的關係

在實際道路交通流中, 車輛的運行車速與設計車速往往並不一致, 在儘可能的條件下, 駕駛員總是傾向於保持一個較高的車速行駛, 產生行車速度超過限定值和路段實際所容許值的現象比較常見。很早就有研究表明事故數與速度不是簡單的線性關係。1964 年,Solomo n 在600 km 公路上觀測10 000 個駕駛員的車速與事故的情況, 發現車速與事故數之間是一個“ U” 形曲線;車速接近平均車速時, 事故率最低;隨著車速與平均車速差的增大, 無論是大於平均車速還是小於平均車速, 事故數都呈增加趨勢。根據H aue r 在1971 年的研究發現,如果駕駛員比以平均車速高很多或低很多的車速行駛, 就很有可能遇到更多的事故。1997 年,澳大利亞的K loeden 在使用事故再現技術研究車速與事故率的關係中發現, 隨著車速高於限速差值的不斷增加, 發生事故的可能性增大, 當車速高於限速5 km/ h時, 發生事故的可能性會提高2倍。因此, 車速差會導致事故, 道路上車速越離散, 事故率越高。為了減少事故數, 應該不只是簡單地降低速度, 更要降低速度差。

1.2 車速與事故嚴重度的關係

車速與事故嚴重度的關係是基於物理學的, 運動的車輛的能量是其質量與速度平方的乘積的關係。研究表明, 車速超過96 km/h 後事故嚴重度隨速度增加而快速增加,車速超過112 km/h 後致命傷亡的可能性迅速增加。Bo wie 和W alt 研究發現:事故中傷亡的可能性取決於事故中速度的變化率, 變化率小於16 km/ h時, 嚴重傷亡的可能性小於5%;當變化率超過48 km/h 時,嚴重傷亡的可能性超過50%。

1.3 限速與交通安全改善的關係

美國Pa rke r 等人的研究表明:降低限速值與事故減少之間的關係不明確。但對於高速公路, 其限速值的降低有利於減少嚴重傷亡的事故。瑞典N ilsso n的觀測數據表明,限速值由110 km/h 降到90 km/h 後,死亡事故減少了21 %。瑞士的Finchet al 的觀測數據表明,限速值由130 km/h 降到120km/h 後,死亡事故減少了12%。

2道路速度變化限制的標準及依據

所提及的速度控制措施主要是指正常道路交通條件下的速度限制、管理問題, 不涉及突發性事件、不良氣候下的臨時限速等。車速管理能夠幫助駕駛員排除一些不穩定因素的影響,使其充分地預見到道路的線形條件和路側狀況, 從而使其對駕駛速度和行為做出正確的決定。對限速的方法和標準, 不少國家更注重平衡運輸效率與交通安全之間的關係, 限速值在一定程度上反映了管理者的決策和執法水平。 據我國有關部門測試, 時速在100～120 km是車輛性能、速度、安全等因素最佳結合點, 既省油、環保, 又安全、快速。正因如此, 世界高速公路限速120 km/h 最為普遍。

1)依據道路交通安全法律法規對行車速度的有關規定給出速度限制值。法律法規的限速有2 種方式:一是以道路條件來限速, 如我國《道路交通安全法》規定機動車在道路上行駛不得超過限速標誌、標線標明的速度。 在沒有限速標誌、標線的道路上, 機動車不得超過下列最高行駛速度:沒有道路中心線的道路, 城市道路為每小時30 km, 公路為每小時40 km ;同方向只有1 條機動車道的道路,城市道路為每小時50 km,公路為每小時70 km ,高速公路最高行駛速度120 km ,最低行駛速度60 km 。二是以車型限速:如規定機動車通過急彎、陡坡等, 最高行駛速度不超過每小時30 km, 但拖拉機、電瓶車、輪式專用機械車不得超過每小時15 km :高速公路上行駛的小型載客汽車最高車速不得超過每小時120 km ,其他機動車不得超過每小時100 km 等。但實際上,我國道路超速行駛現象比較普遍, 由於受技術等條件限制大部分交通違法行為得不到處罰和糾正, 嚴重影響了法律法規的嚴肅性。同時也反映出來, 由於道路、車輛技術條件的改善, 採用統一的限速標準並不完全合理。

2)採用道路規劃設計的計算時速作為最高速度限值。這也是當前管理部門普遍採用的做法。 此種做法的不足是車輛在按等值車速設計的道路沿線行駛時, 駕駛員會根據實際道路交通條件選擇車速, 且往往高於設計車速, 會帶來一定的安全隱患。

3)依據道路與交通特定條件而得出的安全允許行車速度作為最高速度限值。大家已認識到採用運行車速而不是設計車速進行安全評價和管理的重要性。因此, 在一些道路上把限速設定在接近85 %的車速是很理想的。第一,能夠讓執法部門把他們的執法力度放在最危險的速度地區;第二, 根據速度與事故之間的研究關係, 對於特定的道路類型,速度範圍的上界事故發生較少。 但當道路通過村莊、居民小區等行人、非機動車密集的繁華路段, 應根據具體的安全管理目標來限制道路行車速度, 以充分保障行人、非機動車等的交通安全。

3常用速度變化控制措施的對比分析

3.1 控速措施的一般形式

1)控速措施按其警示力度大小可分為非強制和強制控速措施, 常用的非強制性控速措施:強化路面監控, 加強路面管理, 如使用雷達測速儀;設定用於交通管理的道路交通標誌, 如限速標誌、急彎路標誌等;在路面上施劃減速標線。

2)目前常用的強制性控速措施:在路面上噴塗熱塑振動警示減速標線;道釘減速帶;水泥台減速帶;路面凹形槽減速帶;駝峰式減速帶。

3.2 非強制控速措施的優缺點

1)設定的原則是非強制性的,目的只是對車輛起警示、警告作用, 用以規範那些即將有安全隱患的車輛, 對以正常速度行駛的車輛干擾會比較小。

2)非強制控速措施實施起來都很方便,不需要大面積的施工, 也不會破壞路面, 節約了很多道路維修養護資金。

3)缺點是控速效果有限。例如,如果車輛駕駛員不遵守交通法規, 交通安全意識差, 心存僥倖心理, 那么這些措施的效果將大打折扣。 根據筆者在內蒙古某省道所作的駕駛員對減速設施減速效果的問卷調查, 26.7%的駕駛員選擇減速標誌, 73.3%選擇減速帶, 沒有人選擇減速標線。

3.3 強制控速措施的優缺點

1)控速效果明顯,且較為持久。英國的Webster 分析結果為:道路設了減速帶後, 85%車速降低了16 km/ h, 事故數減少了71 %,周圍道路事故數減少了8%。

2)在具體實施時需要在路面上做大面積的施工,這樣不僅會造成對路面的破壞, 加大道路維修養護工作量;而且在施工過程中, 還干擾了車輛的正常通行。

3)在北方地區,由於冬季除雪要求,強制減速措施的設定會影響除雪, 且對重型車輛在爬坡時也是一大障礙, 強制減速措施在冬季宜撤掉。

4)由於車輛行駛在減速帶上會造成很大的震動,對車輛的車體結構易造成損壞, 會嚴重影響人的舒適性。根據筆者在內蒙古某省道所作的駕駛員對減速帶接受程度的問卷調查結果, 10%的駕駛員表示非常反感, 33.3%的駕駛員表示反感, 56.7%的駕駛員認為可以接受。

3.4 常見控速設施使用效果的調查分析

在作者所做的設施減速效果問卷調查中, 26.7%的駕駛員選擇減速標誌, 73.3%的駕駛員選擇減速帶, 沒有人選擇減速標線, 從而說明在駕駛員看來, 減速帶更具有減速效果。但與此同時, 60%的駕駛員歡迎(認可)使用減速標誌, 33.3%的駕駛員對減速帶表示反感。大多數的駕駛員(70%)認為減速設施的設定總體上還是具有較好的安全作用。綜合以上分析, 從減速效果看, 減速帶減速效果最為明顯, 然後依次為減速標誌、減速標線和立體減速標線, 在選用時最好依據所要達到的減速效果來選擇, 使減速設施能達到最好的使用效果。 從駕駛員的心理接受程度即受歡迎程度看, 依次為減速標誌、減速標線、減速帶和立體減速標線, 說明減速帶雖然減速效果好, 但是其很難得到人們的喜愛。從減速設施對車輛的影響看, 減速帶對車輛的損害是最大的,其餘的因為沒有震動, 所以不構成對車輛的損害。

4控速措施的一般設計方法

1)選擇恰當的控速措施形式。應遵循安全性、經濟性、舒適性等原則, 根據所要改善路段的道路等級、擬控制的目標車速、車流結構、實際平均車速、事故特徵、道路線形、路面材料等具體條件, 確定採用何種控速措施。

2)確定合適的設定位置。控速措施的控速效果能否發揮到最好, 與設定位置的選取有直接關係。在確定控速措施的設定位置時, 除了應根據車輛速度的變化和制動要求外,還應綜合考慮該路段的交通流特點、潛在不安全因素、事故特徵和道路線形等條件。 具體可分為直接控速和連續性控速2 種。直接控速是指在危險點(段)前設定控速措施,當車輛通過減速設施後, 速度可直接達到危險點(段)要求的安全車速。一般在單個急彎、路面出現坑窪點(段)時使用這種控速方法。 連續性控速是指在汽車速度還不是很高但剛要加速的路段進行控速, 使車速連續平穩的變化而不是驟升、驟降。 這種控速方法一般將減速設施設定在連續兩個危險點(段)的中間適當位置, 或者是單個危險點(斷)的中間部位。

3)控速設施的設計。要充分體現“以人為本”的思想,綜合考慮駕駛員的接受意願及控速的舒適性等具體確定控速設施的各項技術參數。 控速的初始速度和目標速度應根據需要控速路段的具體情況來選取, 一般是對該路段進行車速調查後, 選取85%位車速。通過路段試驗測試, 確定並設計控速設施的材料特性、形狀尺寸(高度、寬度)、連線方式及安裝施工工藝等。

4)其他道路交通安全設施的配套使用。為了確保控速設施使用的安全性、增強其安全保障效果, 需要對其附近的標誌、標線、護欄等進行協調設計。 如強制力度較大的強制控速設施正常發揮作用的前提是車輛駕駛員能提前及時發現它的存在, 並能預見到其衝擊力度, 需要設定標誌進行安全警告和提示。

5)設計方案的綜合評價與修改。根據控速目標、道路交通條件、設施安全性等, 結合實地踏勘、試驗測試、問卷調查等結果, 分析、檢查設計方案的合理性, 選擇最優的設計方案。