[科普中国]-速度变化控制

平均速度变化控制理论概述

目前, 世界各国均非常重视交通安全问题, 如何降低交通事故率及其严重性已成为道路安全研究的核心问题, 相关的研究工作已在各国展开。交通事故的大量调查数据显示, 道路限速值的提高, 道路交通流平均速度随之增大, 交通事故数量亦增加, 而事故受伤人数和死亡人数则大幅度增加, 这表明了交通流平均速度与交通事故数量及伤亡人数有着必然的联系。

最佳平均速度的选择减少道路运输时间是道路运输发展的目标, 达到这个目标需要高速行驶, 这和安全运输相冲突;最佳平均速度的选择是寻找二者的平衡点, 消除其间的冲突。与最低的运输费用相对应的平均速度即为最佳平均速度。为了确定不同类型道路的最佳平均速度, 需要知道运输费用组成, 及运输费用同平均速度的关系, 换句话说, 最佳平均速度的选择主要是在不同速度下, 对运输时间、交通事故费用的评估。最佳速度的选择主要综合考虑以下3 个方面:(1)运输时间费用;(2)车辆的运营费用;(3)交通事故造成的损失费用。

运输费用=运输时间费用+车辆运营费用+交通事故造成的损失费用。如果考虑其它费用, 如道路车辆维修费用、噪音污染费用, 最佳速度将采用更低数值。找出速度与运输费用(运输时间的费用、车辆运营费用、交通事故造成损失的费用)的关系非常重要, 最佳速度即为曲线最低点相对应的速度值。最佳速度也可称为最佳经济速度。瑞典测算的本国公路的最佳速度定为:双向两车道为60～70km/h;双向四车道高速公路为90 ～100km/h 。

结合国外资料考虑我国交通流实际情况, 最佳速度应比瑞典制定的标准要低, 主要有3个原因:①我国车辆运输时间的费用比发达国家少得多, 因为运输时间费用是由一个国家的工资水平决定的, 我国工资水平低于发达国家, 这就导致了最佳速度低于发展中国家;②据统计, 当速度增加, 发展中国家车辆平均运营费用有一个陡峭的增长。因为发展中国家的重车(卡车、公共汽车)相对于小汽车快速增长;当平均速度增长, 运营费用就会更大幅度增加。③在确定最佳速度时, 我国和瑞典对交通事故费用算法不同。我国只算交通事故的车辆物损等直接经济损失, 而象瑞典等工业发达国家的道路交通事故经济损失还包括工资损失、医疗损失、保险管理等。从计算结果来看,我国单一的交通事故造成的损失小于瑞典等发达国家。另一方面, 我国每辆车公里交通事故率是高的,且事故的后果严重(每件事故的死亡人数和伤亡人数来评价事故的严重性)。世行专家对发展中国家交通状况进行调查、 研究得出结论:从经济的角度出发, 综合各方面对运输费用的影响, 推荐发展中国家公路的平均速度(不是限速)不应高于以下数值:双向两车道5～6m碎石路面为50km/h ;双向两车道5 ～7m 铺装路面为60km/h ;双向两车道7 ～9m 铺装路面为70km/h ;双向两车道9 ～12m 铺装路面为80km/h ;双向四车道高速公路为90km/h 。

各国对道路分类不同, 对上列数值不能生搬硬套。我国属于发展中国家, 交通流平均速度的制定可参考上列推荐数值, 结合不同类型道路可测算出符合我国具体情况的最佳平均速度。

控制平均速度变化的方法控制车辆平均速度对安全行车起着重要作用, 控限速值制定在交通流速度分布曲线的85 %以上的位置。在进行限速后, 大多数车辆加快行驶速度,少数车辆速度降低。结果速度分布范围变小, 但平均速度增大, 事故数量及其严重性增大。驾驶员超速的违规率小。

限速值的位置在速度分布曲线的85 %位置,进行限速后, 大多数慢行车辆速度加快, 少数快行车辆速度降低, 平均速度没有实质性的变化, 速度分布范围减小。事故数量没有变化, 事故后果不是很严重,制交通流的平均速度最常用的方法采用限速, 并结合交通法规条文制定行车速度及惩罚制度(通常为罚款及违章记分等)。限速值的确定是根据道路条件、交通流情况、 车辆类型来制定的。限速可以是全路段普通意义的限速, 也可以是局部危险路段的限速。

瑞典和芬兰在发展中国家进行了限速对速度分布及平均速度的影响的研究。其基础是建立在对某条路段交通流分布的研究之上。驾驶员超速行为的比例较低。限速值位置在速度分布曲线的 85 %以下。限速后, 大部分车辆速度降低 , 慢速车辆提速。平均速度降低, 速度分布范围变小 , 事故的数量 、 严重性降低。超速行驶的车辆到达一定数量。限速值设置在速度分布曲线远低于85 %以下。限速后, 大部分车辆速度降低, 少数慢速行驶车辆提速。平均速度降低, 速度分布范围变小, 事故数量及严重性降低。超速违规车辆的比例很多。

以上事例的研究结论是, 限速应以道路实际车辆速度为基础依据, 限速值应设在速度分布曲线的85 %以下,但是在85 %以下具体哪一个位置,需要综合考虑道路事故数量的减少率、 道路车辆分类及其所占比例、 驾驶员违规的比例、 实施的可能性、 强制执行的费用。

限速手段交通法规对各类道路上行驶的各种车辆的行驶速度的限制都有明显的规定。要达到这个要求, 国内外的实际情况证明采用下列的措施是有效的。

(1)运用限速标志

在标志牌上标明最大行车速度, 用以提示司机降低速度。在韩国, 高速公路的限速标志标明最大值和最小值, 其目的是缩小交通流的分布范围, 保证车辆稳定、顺畅行驶。

(2)运用心理学原理降低车速

有如下典型的方法连续设置同类交通标志 在我国高速公路出口设置一组出口预告(出口预告、出口2km预告、出口1km 预告、500m 预告),用以提示司机距离目的地越来越近, 从而给司机一种步步逼近的心理效应, 自然地降低车速。在高速公路终点接地方路段(俗称断头路), 是事故多发段, 在设计中常常在路段连续设置标有120 、100 、80 、60 、40km/h 的限速标志,并且在限速标志处设置减速标线, 这种做法使驾驶员连续降低车速效果很好。路旁绿化 在危险的交叉口附近种植乔木。乔木的树梢连接在一起。这样驾驶员视觉上认为道路狭窄, 感觉道路受到森林地带的障碍, 从而自发降低车速。

路面标识、 标线 常用的路面交通标识是在行车道上施划有限制车速的数字, 它主要是法规上的作用。心理上作用不明显。在路面上施划减速标线(虚线或实线)的道路交通标示, 它对驾驶员产生要降低车速的明显的心理效果。就象人们在湖上划船, 低头见到湖面上的水波浪一样, 有一种觉得车速太快的感觉, 本能降低车速。或者形似障碍物的立体图案, 这种标示在日本常用, 能使驾驶员产生降低车速的明显的心理效果。彩色路面 在道路交叉口、 急弯处、 下坡处采用彩色路面, 用以提醒司机降低车速, 效果不错。采用塑料交通警察和雷达测速区标志 这两种方法都是对驾驶员有一种威慑作用, 当驾驶员看到这两种标志时, 都会有一种惧怕心理, 怕万一有交通警察或有固定的雷达测速, 于是本能地降低了车速。

(3)采用物理方法降低车速

铺设粗糙路面 限制车辆行驶的步行区, 将原来平整路面改为凹凸的粗糙路面, 限制车辆的速度。这种路面对行人步行没有不舒适的感觉, 但对车辆行驶速度确有显著的抑制作用。震动标线 在标线上等距离设置高出路面的突起, 车辆压过去的时候, 会发出震动的声响, 提醒驾驶员减速。在公路上及城市道路广泛使用, 证明效果明显。限速丘 路丘的设置在不损害车辆的情况下, 被证实能有效地将速度减少20 ～30km/h 。不同类型的使车道变窄的障碍物的应用也能使车辆减速。在居民区平交口处各个车道设置停车让行的标志标线通常在美国居民区使用, 有效地降低了车辆的速度。但这种限速丘对驾驶员来说, 只能用适当的速度行驶, 否则就造成一种不舒适感。

以上提及的标志、 心理因素、 物理因素的限速方法已被证明可有效地控制路段的平均速度。最佳平均速度不同于道路的设计速度, 设计速度是根据道路不同等级及地形测算的速度。目前, 道路的设计速度往往成为道路的限速值。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为限速值;限速是达到最佳平均速度的手段。值得一提的是传统的将道路设计速度作为道路限速值的常规设计方法是否恰当值得思考。1

基于双闭环速度变化控制六自由度装置六自由度装置的结构形式

在六自由度装置结构设计时，一方面受风洞应用环境限制要求其迎风面积尽可能小以降低对气流的堵塞，另一方面还要求该装置具有足够的强度以能够经受超声速风洞冲击载荷的考验。在对六自由度装置强度、刚度及堵塞度等多个目标进行深入分析后，确定将该风洞的六自由度装置采用分体式结构形式进行设计。

两个线位移y轴、z轴为一部分，线位移x轴和3个角位移α、β和γ（按照右手准则确定方向）为一部分。其中x、和z这3个线位移装置的连接为串联式结构，均采用交流伺服电机、精密减速器和精密滚珠丝杠传动，加导轨导向，实现直线运动；z轴通过其滑块箱体与y轴滑板相连，x轴通过滑块与z轴滑块相连；三自由度装置头采用串、并联结构方式，、轴采用伺服电机、减速器和滚珠丝杠副，通过拉杆、球铰，拉动十字万向接头组合运动，并联实现外挂物俯仰、偏航运动；滚转机构γ轴旋转方向采用了精密低速大扭矩中空伺服电机直接驱动，实现了外挂物滚转，轴同轴γ 串联后再通过α、β基座同x轴串联置于x轴前端；在三自由度装置头前端通过弯尾杆（或直尾杆）与外挂物天平、模型连接。

速度变化控制策略CTS试验位置控制方式的基本原理是根据天平测量的气动力、力矩，外挂物的质量、惯性矩，母机飞行姿态、高度和速度等有关参数一起带入外挂物运动方程，解出外挂物的运动速度，然后通过积分得到外挂物相对母机的位置和姿态，并控制六自由度装置运动到该位置和姿态，再由天平进行气动载荷测量，并求取外挂物在下一时刻的位置和姿态，如此往复的测量与计算，逐点获得外挂物与母机分离的运动轨迹。与位置控制方式不同的是，速度控制方式在求解外挂物运动方程得到其运动速度后，直接控制六自由度装置按外挂物模型速度运动，通过外挂物模型的连续运动而得到分离轨迹。

速度变换尺度

在工程运用中，一方面六自由度装置受自身运动能力限制，其速度不可能完全达到求解外挂物运动方程而得到的运动速度；另一方面为了保证分离轨迹的精度，要求求解外挂物运动方程的时间步长尽可能地小，然而，受 CTS系统硬件设备动态响应特性限制，六自由度装置不可能在很短时间内达到给定速度。为此，必需要找出合适的变化尺度，才能在风洞试验中完成基于速度控制的轨迹测量。当时间步长足够小时，可认为外挂物各自由度的运动速度保持不变，分量可能会大于六自由度装置的最大运动速度，在较短的时间内，无法准确完成六自由度装置的速度修正。为此，采取了增加运动时间的方式来降低运动速度要求，同时解决动态响应特性限制，即当六自由度装置的运动速度降低为原来的λ分之一。

速度变化控制策略实现信号测量与运动控制系统

信号测量与运动控制系统需要实现外挂物模型气动力/力矩测量、轨迹生成、六自由度装置运动控制及运行状态监测等功能。采用速度控制时，天平信号测量、速度参数计算等均在外挂物模型运动过程中完成，对系统的实时性具有较高的要求。在设计过程中，选用了具有集中控制的多层分布式结构，并以高性能、可扩展和易维护为目标，尽可能使用标准化和成熟产品，以保证将来系统易于维护和更换。信号测量与运动控制系统组成如图2所示。图中：为总压；为静压；和动态响应能力，动态产生最优的速度变换双闭环控制策略尺度。内环利用运动控制器、驱动器、电机和编码为实现外挂物模型运动速度的精准控制，采 器组成传统的速度闭环控制方式，精确控制六自用了一种双闭环的速度控制策略，如图3所示。由度装置的运动速度，无需暂停进行信号测量和外环是由天平测量的气动载荷与载荷预估值 数据计算，确保了模型重心能连续保持在真实运组成，载荷估计值由式（4）～式（6）得到。外环建 动轨迹上，避免了外挂物模型与母机产生的“假碰立了轨迹精度误差模型，实现了求解外挂物运动 撞”，在确保试验精度的条件下，尽可能缩短试验方程的时间步长自适应，并结合CTS系统的运动 时间、降低成本。

调试结果仿真试验结果

为了检验本文所述速度控制方法，在地面调试时，采用给定与风洞试验时量值相当的全尺寸外挂物合力/力矩的方式对其进行了仿真分析。一方面通过数值方法计算外挂物模型在该合力/力矩作用下的运动轨迹，该轨迹称之为理论轨迹；另一方面，采用本文给出的双闭环控制策略计算外挂物在该合力/力矩的作用下的分步运动速度，并控制六自由度装置运动，从电机编码器反馈值中获取分离轨迹；为了进一步与原有位置控制方式的试验结果进行比较，还采用位置控制方法控制六自由度装置运动，获取相应的分离轨迹。可以看出，速度控制方式获取的轨迹与理论轨迹规律一致，数据吻合非常好；其轨迹与理论轨迹的偏差值略小于位置控制方式的偏差值；且具有非常好的数据重复性。结果表明速度控制方法原理正确，外挂物模型运动平稳，所得轨迹规律合理；该套 CTS系统可以投入到风洞试验中进行验证。

风洞试验结果

可以看出，在某超声速风洞中采用位置控制方式或速度控制方式得到的分离轨迹与在1．2m风洞采用位置控制方式获得的试验结果规律一致，量值略有差异，速度控制方式获取轨迹的重复性较好。从所获得的分离轨迹数据来看，速度控制方式所获得的轨迹数据信息量更大，轨迹计算积分误差相对减小，分离轨迹预测更加合理准确。其中：在该超声速风洞获得轨迹的x、和z，y这3个方向的线位移与1．2m风洞试验结果吻合得较好；对于α、β这2个角位移，在该超声速风洞测得的结果与1．2m风洞存在较小偏差，这可能是由机构尺寸、天平量程及不确定度等原因综合所致；速度控制方式与位置控制方式的偏差可能是由速度控制时外挂物模型处于连续运动状态所致；对于γ角位移，在该超声速风洞测得的结果与1．2m风洞存在一定偏差，且速度控制方式与位置控制方式也存在一定的偏差，这主要是由于该导弹的滚转力矩测量值太小、天平滚转力矩的量程较大及该导弹转动惯量太小所致。由此可以看出，某超声速风洞 CTS系统与1．2m风洞CTS系统在试验数据上有很好的一致性，也说明，该 CTS系统运行稳定、可靠，试验数据合理，具备了投入顾客试验应用的能力。CTS系统在两种不同控制方式下完成一条轨迹所需的风洞运行时间对比。可以看出速度控制方式所用时间约为位置控制方式所有时间的一半。

结 论1）本文提出了外挂物轨迹分离试验的双闭环速度控制策略，根据六自由度装置的运动能力、动态响应参数、轨迹控制精度等，动态产生最优的速度变换尺度及求解外挂物运动方程的时间步长，实现了速度控制方式，在理论上确保外挂物模型始终在真实飞行轨迹上运动，避免了位置控制方式可能出现的“假碰撞”。

2）信号测量与运动控制系统采用具有集中控制的多层分布式结构，保证了系统的实时性，为实现速度控制方法提供了性能优异的硬件构架。

3）通过地面仿真和风洞试验，结果表明本文所述的速度控制方法获得的分离轨迹规律合理，数据重复性好，与CARDC1．2m风洞轨迹试验结果具有较好的一致性，可以投入顾客试验应用。

4）与较传统的位置控制试验方式相比，本文所述的速度控制方法所用风洞时间约为位置控制方式的一半，同时试验信息大幅增加，极大地提升了试验效率。速度控制方法使 CTS试验技术水平获得了较大提升，具有很好的应用前景，但在试验结果的精度、准度方面还需要进一步的研究与探索，以提高试验数据质量。2

电动机速度变化控制系统概述近年来，随着新颖的永磁同步电动机（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）非线性控制理论的发展，在矢量控制的基础上采用先进的复杂控制策略如自适应神经网络控制、模糊PID 控制、滑模变结构控制和自抗扰控制等构成内外环控制器，可实现调速系统的高性能控制，这些方法自身都各有优缺点。在这些非线性控制策略中，滑模变结构控制具有对系统参数变化适应性强、鲁棒性好等特点，在非线性系统分析与控制中的应用，具有十分可观的研究前景。由于开关的切换动作所造成的控制的不连续性，使得滑模变结构控制系统存在“抖振”问题，采用了串级复合滑模控制，通过在速度环增加积分环节来消除滑模控制的力矩抖动，从而能够有效地减弱抖振。采用了自适应滑模变结构控制，保证变结构控制器控制增益的合理性，对于系统的不匹配不确定性扰动具有自动调节的能力。采用了一种新型的滑模趋近率控制策略，能够解决时间延迟的问题使得进一步削弱抖振。但是此类控制方法在伺服电动机低速甚至超低速控制中，在负载转矩突变及控制系统参数变化的情况下仍然存在抖振的问题，使得伺服系统的位置准确度无法提高，因此需要采用更好的复合控制策略解决永磁同步电动机的速度环控制问题。

自抗扰控制器是一种不依赖被控对象数学模型的新型控制技术，能自动检测并补偿被控对象的内外扰动，控制对象的参数发生变化或者遇到不确定性扰动时能结合非线性反馈组合实现很好的控制效果，具有较强的适应性、鲁棒性和可操作性，然而自抗扰控制器中可调参数较多且不便于实际操作和整定。文献[10]提出了一种无需参数整定的自抗扰控制器，在这种结构下，无需参数整定，可以有效控制PMSM 的转速和转矩。但是此类控制方法在应用于交流伺服系统高速控制中，且受到转动惯量、负载转矩突变及摩擦力等系统扰动影响时，抗扰动能力稍差，且超调较大，其控制策略难以达到高稳态准确度要求。

因此，本文结合滑模变结构和自抗扰两种控制技术的优势，提出了一种PMSM 滑模自抗扰控制系统。将滑模控制引入到速度及电流自抗扰控制器（Active-Disturbance Rejection Controller, ADRC）的设计中，通过对控制器中非线性状态误差反馈的参数自整定改进，使控制器保持了原自抗扰控制器特点又使可调参数在切换时平滑过渡，减小了系统的误差，改善了系统控制性能，同时在保证系统动态性能的情况下，提高了系统鲁棒性和系统内部抗扰动的能力，并且在永磁同步电动机调速控制系统中保证系统的高低速控制性能，达到系统调速范围宽的目的。通过仿真及实验验证，改进后的系统与典型的自抗扰控制器（ADRC）相比，具有响应速度快、超调小、稳态准确度高和调速范围宽的优点，且对转动惯量、负载转矩突变及摩擦力等系统扰动影响具有很强的鲁棒性。

仿真及实验结果分析为验证滑模变结构自抗扰控制器的永磁同步电动机控制系统的性能，本文利用Matlab/Simulink 对控制系统实现了数字仿真，在与实验条件相同的条件下，以自主研发的变频调速控制系统为核心对一台自主研发的交流永磁同步电动机采用典型的自抗扰和滑模变结构自抗扰控制策略分别进行控制。交流永磁同步电动机参数如下：额定功率PN=11.3kW，额定转速n=6 000r/min，定子电阻R=0.506Ω，交轴、直轴分别为Ld=Lq=7.638 5mH，转动惯量为J =50.2kg·cm，极对数p=2，额定转矩Te=18N·m，转子磁通f0=0.812T，额定频率fN=200Hz。在实际中，需对控制器各部分的参数进行整定，经反复调试，速度电流环中，TD 中的参数确定后保持不变速度因子取r=10，变结构扩张状态观测器和变结构非线性状态误差反馈控制律中的参数取d1=0.05，d2=0.025，k=30，l=25；电流环中的参数取为：r=10，d1=0.03，d2=0.015，k =10，l =5。当转速n =20r/min时，在2s时刻，转矩从0.334N·m 上升至18N·m，由图可知，在低速时，滑模自抗扰控制系统与典型自抗扰控制系统相比，具有更好的启动特性和系统鲁棒性。

当转速n =6 000r/min时，在2s时刻，转矩从0.334N·m 上升至18N·m，从图中可以看出，高速时，滑模自抗扰系统的动静态性能、抗扰动能力和转速控制准确度均优于典型自抗扰控制系统，而且具有良好的自适应能力。

在电动机启动时，滑模自抗扰控制系统的电磁转矩脉动明显小于典型自抗扰控制系统的电磁转矩脉动，且稳态时，几乎没有转矩脉动。在2s 时，滑模变结构自抗扰控制系统电磁转矩响应迅速且能很好地跟踪给定值，从而降低了系统损耗，减少了系统所受到的电磁干扰和负载转矩扰动，有利于提高系统控制性能。在PMSM 速度控制系统中，根据实际的应用情况，对ADRC 和VS-ADRC 两种控制策略在同一特定情况下，例如给定转速及转动惯量发生变化，给定波形按方波、正弦波进行运行，可以体现出VS-ADRC 更好的的实用价值。

当系统转动惯量由1.48×10kg·m变为7.4×10kg·m时，从图8 中可以明显地看出VS-ADRC控制策略的优越性，系统在给定转速200r/min 的情况下，空载起动电动机。采用VS-ADRC 控制时，超调量相比ADRC 要小很多，由此可知VS-ADRC 抗扰动能力要远远强于ADRC，真正体现了VS-ADRC不受外部扰动的变化，且能更好地实时补偿扰动的能力，有更优良的系统鲁棒性。当系统转动惯量由1.48×10kg·m变为7.4×10kg·m时，速度给定为-200～+200r/min 的正弦波，周期为4s。ADRC 的速度波形出现振荡，偏差较大；相比之下，VS-ADRC有着优良的跟随性能，在快速性和稳定性中的优势同样，以方波为例，当系统转动惯量由1.48×10kg·m变为7.4 ×10kg·m时，速度给定为-200～+200r/min 的方波，周期为4s。ADRC 控制器速度波形出现较大超调，调整时间变长，并有振荡出现；相比之下，VS-ADRC速度波形转速超调明显减小，速度响应速度变快，跟随性能提高。3

道路速度变化控制概述道路交通安全状况日益恶化的趋势, 使人们认识到速度管理的重要性。在美国大约有1/3 的交通事故与速度相关,包括超速行驶和高速行驶。2000 年,在与速度相关的事故中有12 000 多人死亡,700 000 多人受伤。据统计,在我国一次死亡3 人以上的交通事故中,有超过1/5 的事故是由超速行驶引起的。2004 年,深汕高速公路汕头路段共发生交通事故77 起,其中约有75 %的交通事故是因车辆超速而造成的。许多学者的研究结果也表明, 车速与事故、交通安全间存在着密切的关系。目前, 道路控速设施在美国、日本及欧洲等经济发达国家已是一项比较成熟的技术, 应用非常广泛。

1速度与安全的关系1.1 车速与事故数的关系

在实际道路交通流中, 车辆的运行车速与设计车速往往并不一致, 在尽可能的条件下, 驾驶员总是倾向于保持一个较高的车速行驶, 产生行车速度超过限定值和路段实际所容许值的现象比较常见。很早就有研究表明事故数与速度不是简单的线性关系。1964 年,Solomo n 在600 km 公路上观测10 000 个驾驶员的车速与事故的情况, 发现车速与事故数之间是一个“ U” 形曲线;车速接近平均车速时, 事故率最低;随着车速与平均车速差的增大, 无论是大于平均车速还是小于平均车速, 事故数都呈增加趋势。根据H aue r 在1971 年的研究发现,如果驾驶员比以平均车速高很多或低很多的车速行驶, 就很有可能遇到更多的事故。1997 年,澳大利亚的K loeden 在使用事故再现技术研究车速与事故率的关系中发现, 随着车速高于限速差值的不断增加, 发生事故的可能性增大, 当车速高于限速5 km/ h时, 发生事故的可能性会提高2倍。因此, 车速差会导致事故, 道路上车速越离散, 事故率越高。为了减少事故数, 应该不只是简单地降低速度, 更要降低速度差。

1.2 车速与事故严重度的关系

车速与事故严重度的关系是基于物理学的, 运动的车辆的能量是其质量与速度平方的乘积的关系。研究表明, 车速超过96 km/h 后事故严重度随速度增加而快速增加,车速超过112 km/h 后致命伤亡的可能性迅速增加。Bo wie 和W alt 研究发现:事故中伤亡的可能性取决于事故中速度的变化率, 变化率小于16 km/ h时, 严重伤亡的可能性小于5%;当变化率超过48 km/h 时,严重伤亡的可能性超过50%。

1.3 限速与交通安全改善的关系

美国Pa rke r 等人的研究表明:降低限速值与事故减少之间的关系不明确。但对于高速公路, 其限速值的降低有利于减少严重伤亡的事故。瑞典N ilsso n的观测数据表明,限速值由110 km/h 降到90 km/h 后,死亡事故减少了21 %。瑞士的Finchet al 的观测数据表明,限速值由130 km/h 降到120km/h 后,死亡事故减少了12%。

2道路速度变化限制的标准及依据所提及的速度控制措施主要是指正常道路交通条件下的速度限制、管理问题, 不涉及突发性事件、不良气候下的临时限速等。车速管理能够帮助驾驶员排除一些不稳定因素的影响,使其充分地预见到道路的线形条件和路侧状况, 从而使其对驾驶速度和行为做出正确的决定。对限速的方法和标准, 不少国家更注重平衡运输效率与交通安全之间的关系, 限速值在一定程度上反映了管理者的决策和执法水平。 据我国有关部门测试, 时速在100～120 km是车辆性能、速度、安全等因素最佳结合点, 既省油、环保, 又安全、快速。正因如此, 世界高速公路限速120 km/h 最为普遍。

1)依据道路交通安全法律法规对行车速度的有关规定给出速度限制值。法律法规的限速有2 种方式:一是以道路条件来限速, 如我国《道路交通安全法》规定机动车在道路上行驶不得超过限速标志、标线标明的速度。 在没有限速标志、标线的道路上, 机动车不得超过下列最高行驶速度:没有道路中心线的道路, 城市道路为每小时30 km, 公路为每小时40 km ;同方向只有1 条机动车道的道路,城市道路为每小时50 km,公路为每小时70 km ,高速公路最高行驶速度120 km ,最低行驶速度60 km 。二是以车型限速:如规定机动车通过急弯、陡坡等, 最高行驶速度不超过每小时30 km, 但拖拉机、电瓶车、轮式专用机械车不得超过每小时15 km :高速公路上行驶的小型载客汽车最高车速不得超过每小时120 km ,其他机动车不得超过每小时100 km 等。但实际上,我国道路超速行驶现象比较普遍, 由于受技术等条件限制大部分交通违法行为得不到处罚和纠正, 严重影响了法律法规的严肃性。同时也反映出来, 由于道路、车辆技术条件的改善, 采用统一的限速标准并不完全合理。

2)采用道路规划设计的计算时速作为最高速度限值。这也是当前管理部门普遍采用的做法。 此种做法的不足是车辆在按等值车速设计的道路沿线行驶时, 驾驶员会根据实际道路交通条件选择车速, 且往往高于设计车速, 会带来一定的安全隐患。

3)依据道路与交通特定条件而得出的安全允许行车速度作为最高速度限值。目前, 大家已认识到采用运行车速而不是设计车速进行安全评价和管理的重要性。因此, 在一些道路上把限速设置在接近85 %的车速是很理想的。第一,能够让执法部门把他们的执法力度放在最危险的速度地区;第二, 根据速度与事故之间的研究关系, 对于特定的道路类型,速度范围的上界事故发生较少。 但当道路通过村庄、居民小区等行人、非机动车密集的繁华路段, 应根据具体的安全管理目标来限制道路行车速度, 以充分保障行人、非机动车等的交通安全。

3常用速度变化控制措施的对比分析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为非强制和强制控速措施, 目前常用的非强制性控速措施:强化路面监控, 加强路面管理, 如使用雷达测速仪;设置用于交通管理的道路交通标志, 如限速标志、急弯路标志等;在路面上施划减速标线。

2)目前常用的强制性控速措施:在路面上喷涂热塑振动警示减速标线;道钉减速带;水泥台减速带;路面凹形槽减速带;驼峰式减速带。

3.2 非强制控速措施的优缺点

1)设置的原则是非强制性的,目的只是对车辆起警示、警告作用, 用以规范那些即将有安全隐患的车辆, 对以正常速度行驶的车辆干扰会比较小。

2)非强制控速措施实施起来都很方便,不需要大面积的施工, 也不会破坏路面, 节约了很多道路维修养护资金。

3)缺点是控速效果有限。例如,如果车辆驾驶员不遵守交通法规, 交通安全意识差, 心存侥幸心理, 那么这些措施的效果将大打折扣。 根据笔者在内蒙古某省道所作的驾驶员对减速设施减速效果的问卷调查, 26.7%的驾驶员选择减速标志, 73.3%选择减速带, 没有人选择减速标线。

3.3 强制控速措施的优缺点

1)控速效果明显,且较为持久。英国的Webster 分析结果为:道路设了减速带后, 85%车速降低了16 km/ h, 事故数减少了71 %,周围道路事故数减少了8%。

2)在具体实施时需要在路面上做大面积的施工,这样不仅会造成对路面的破坏, 加大道路维修养护工作量;而且在施工过程中, 还干扰了车辆的正常通行。

3)在北方地区,由于冬季除雪要求,强制减速措施的设置会影响除雪, 且对重型车辆在爬坡时也是一大障碍, 强制减速措施在冬季宜撤掉。

4)由于车辆行驶在减速带上会造成很大的震动,对车辆的车体结构易造成损坏, 会严重影响人的舒适性。根据笔者在内蒙古某省道所作的驾驶员对减速带接受程度的问卷调查结果, 10%的驾驶员表示非常反感, 33.3%的驾驶员表示反感, 56.7%的驾驶员认为可以接受。

3.4 常见控速设施使用效果的调查分析

在作者所做的设施减速效果问卷调查中, 26.7%的驾驶员选择减速标志, 73.3%的驾驶员选择减速带, 没有人选择减速标线, 从而说明在驾驶员看来, 减速带更具有减速效果。但与此同时, 60%的驾驶员欢迎(认可)使用减速标志, 33.3%的驾驶员对减速带表示反感。大多数的驾驶员(70%)认为减速设施的设置总体上还是具有较好的安全作用。综合以上分析, 从减速效果看, 减速带减速效果最为明显, 然后依次为减速标志、减速标线和立体减速标线, 在选用时最好依据所要达到的减速效果来选择, 使减速设施能达到最好的使用效果。 从驾驶员的心理接受程度即受欢迎程度看, 依次为减速标志、减速标线、减速带和立体减速标线, 说明减速带虽然减速效果好, 但是其很难得到人们的喜爱。从减速设施对车辆的影响看, 减速带对车辆的损害是最大的,其余的因为没有震动, 所以不构成对车辆的损害。

4控速措施的一般设计方法1)选择恰当的控速措施形式。应遵循安全性、经济性、舒适性等原则, 根据所要改善路段的道路等级、拟控制的目标车速、车流结构、实际平均车速、事故特征、道路线形、路面材料等具体条件, 确定采用何种控速措施。

2)确定合适的设置位置。控速措施的控速效果能否发挥到最好, 与设置位置的选取有直接关系。在确定控速措施的设置位置时, 除了应根据车辆速度的变化和制动要求外,还应综合考虑该路段的交通流特点、潜在不安全因素、事故特征和道路线形等条件。 具体可分为直接控速和连续性控速2 种。直接控速是指在危险点(段)前设置控速措施,当车辆通过减速设施后, 速度可直接达到危险点(段)要求的安全车速。一般在单个急弯、路面出现坑洼点(段)时使用这种控速方法。 连续性控速是指在汽车速度还不是很高但刚要加速的路段进行控速, 使车速连续平稳的变化而不是骤升、骤降。 这种控速方法一般将减速设施设置在连续两个危险点(段)的中间适当位置, 或者是单个危险点(断)的中间部位。

3)控速设施的设计。要充分体现“以人为本”的思想,综合考虑驾驶员的接受意愿及控速的舒适性等具体确定控速设施的各项技术参数。 控速的初始速度和目标速度应根据需要控速路段的具体情况来选取, 一般是对该路段进行车速调查后, 选取85%位车速。通过路段试验测试, 确定并设计控速设施的材料特性、形状尺寸(高度、宽度)、连接方式及安装施工工艺等。

4)其他道路交通安全设施的配套使用。为了确保控速设施使用的安全性、增强其安全保障效果, 需要对其附近的标志、标线、护栏等进行协调设计。 如强制力度较大的强制控速设施正常发挥作用的前提是车辆驾驶员能提前及时发现它的存在, 并能预见到其冲击力度, 需要设置标志进行安全警告和提示。

5)设计方案的综合评价与修改。根据控速目标、道路交通条件、设施安全性等, 结合实地踏勘、试验测试、问卷调查等结果, 分析、检查设计方案的合理性, 选择最优的设计方案。4