一种采用雷达测速仪的公路限速实验方法

沈 超,周 君

(淮阴工学院 交通工程学院,江苏 淮安 223003)

国内目前对于高等级公路限速值唯一有明确规定的是公路工程设计有关规范和标准，限速以设计速度为依据的，尽管道路上设有限速标志，但是因超速引发的交通事故数仍然居高不下，据不完全统计，我国每年因道路安全事故伤亡人数约为10万人，其中大多与超速有关。公路规划设计部门依据设计要求、路段实际车流量、路面坡度以及道路摩擦系数等不同，需要对各种类型的公路采取不同的限速值。许金良等[1]考虑新建公路、运行速度、期望速度与限制速度的关系，提出新建高速公路限速方案的确定原则。程国柱等[2]提出一种高速公路作业区昼夜渐变限速标志间距计算方法。马明辉等[3]从通行效率的角度，改进宏观交通流模型METANET，根据交通流变化情况构建高速公路动态限速控制模型，得到合理的可变限速值。田林等[4]采用雷达测速枪采集高海拔地区不同海拔区间一级公路长直线路段汽车运行速度样本，得到不同海拔区间长直线路段85%位车速，建立85%位车速与海拔之间的关系模型，确定85%位车速为不同海拔区间的限速值。SHRESTHA[5]采用六阶段划分法给出高速公路不同区段限速设置的指导建议。Fitzpatrick 等[6]认为即使在设计车速低于运行车速的路段，85%位车速也是最为合适的车速限制值。近年来，我国高速公路规划设计部门采取了多种方式对路段限速值进行标定，其中最常用，也是较实用的一种方法便是采用85%位地点车速法，即依据该地点同类型车辆的车速频率累计分布曲线图，取85%位地点车速度，作为该路段的高速限速。本文一方面指导学生掌握一种雷达测速的公路限速实验方法，能够理论联系实际，学以致用，将85%位车速作为限速值不仅可以满足驾驶员的驾驶需要，还能保证行车安全。因为在地点车速累积频率分布曲线上，85%位车速接近曲线的转折点，转折点以上曲线坡度较缓，说明测得的地点车速中高速车辆的频率少，所以在交通管理中以85%位车速作为观测路段的最大限制车速，还可以为国内高等级公路的限速值提供更为科学安全的设定依据。

1 公路运输系统车辆运行速度

公路运输系统是一个包含了人、车、路、环境组成的系统，这四种因素彼此依存，共同组成一个运动的平衡系统。而车辆运行速度还会受到天气状况、道路实际运行状况等因素的影响。所以，限速值应当依据道路实际状况，并能够体现绝大多数出行者的出行需要[7-8]。

在地点车速频率分布曲线的基础上，累加纵坐标百分数，得到地点车速累积频率分布曲线图，曲线的横坐标为速度，纵坐标为累加的百分数，曲线上与纵坐标累加百分数相对应的车速称为百分位车速。其中，15%～85%位车速变化较平稳[9]。顾名思义，85%位车速即在该地点同类型车辆的车速频率累计分布曲线图中，累计车速排在85%位的车速值，因此在公路管理上将85%位车速确定为最高车速限制指标。因为在地点车速累积频率分布曲线上，85%位车速接近曲线的转折点，转折点以上曲线坡度较缓，说明测得的地点车速中高速车辆的频率少，所以在交通管理中以85%位车速作为观测路段的最大限制车速。另外国内外学者通过大量实验研究认为，将85%位车速作为高速公路最高限速是合理的，同时，还建议高速公路对大型车和小型车应分别限速，大型车包括大客车以及大卡车，小型车包括小汽车以及小型货车。

2 基于雷达测速仪的85%位车速采集

地点车速调查通常采用两种方法，即人工测量法和机械测量法。人工测量法简单易行，需要的仪器设备也相对简单，但存在误差大、精度低的缺点；机械测量法主要是利用机械装置来对过往车辆的行驶速度进行测算，具有精度高、误差低的优点，常见的机械测量法包括雷达测速法、道路检测器测量法以及摄像法。选取何种测量方法需要根据现有仪器设备、人员配置以及实验预算来确定。本文采用雷达测速仪采集地点车速。

2.1 雷达测速仪的工作原理

雷达测速的基本原理是：采用反射波的多普勒效应，当车辆接近雷达测速仪时，雷达测速仪所发射的微波被车辆所反射，依据发射波与反射波的频率差与车速成比例的关系，由于发射波与反射波传播速度较快，测得的速度可被大致确立为地点车速。

由于雷达测速仪采用反射波的多普勒效应，因此需要将测速仪与被测车辆保持在一定的距离范围内。其工作原理如图1所示。

图1 雷达测速仪工作原理示意图

当Φ=0°时，测速仪产生的误差最小，因此在实际测量时，应当尽可能保持测速枪发射的微波束与车辆运行方向一致。当Φ≠0°时，雷达测速仪测得的车速会略小于实际车速。同时，在操作雷达测速仪时，应注意被测车辆所处的车流密度不应过大，也要注意对向车流对测量精度的干扰。一般情况下，测量精度会随着车辆速度的降低而降低，因而被测车辆的车速应控制在一定的范围之内。

2.2 基于雷达测速仪的车速采集

2.2.1测速地点的选择

雷达测速仪主要利用多普勒效应原理，当目标向雷达天线靠近时，反射信号频率将高于发射机频率；反之，当目标远离天线而去时，反射信号频率将低于发射机率，如此即可借由频率的改变数值，计算出目标车辆与雷达的相对速度。雷达测速仪操作简单，数据采集方便，测速时只需将雷达测速仪架设在选定位置(或用双手握稳)，将准心对准道路上相向而行的车辆，即可获得实时地点速度。为了观测正常行驶车辆的地点车速，减少观测者测速行为对行驶车辆产生的影响，调查地点应该选择在路旁相对比较隐蔽处，尽量不要被驾驶员发现，使调查结果更加贴近实际。

2.2.2确定样本数据的大小

2.3 85%位车速的获取

2.3.1小型车的85%位车速获取

通常情况下，小型车辆包括自行车、摩托车、轻型客车或货车，高速公路上自行车和摩托车是禁止通行的。因此，本文所涉及的小型车辆仅针对轻型客车以及轻型货车。论文将实测的100个小型车地点车速按从小到大排列，按10 km/h为一组间隔进行分组，各组内车辆出现次数为频数，各组内车数与车辆总数之比为频率，位于同组的速度值为该组中值速度，将各组车速中值与相应频率汇成曲线，将该图纵坐标改成累积频率，该曲线即为小型车地点车速累积频率分布曲线，在曲线上找到纵坐标为85%位的数据点，然后将该数据点投影到横坐标上，横坐标对应的速度值即为小型车的85%位车速。

2.3.2大型车的85%位车速获取

常见的大型车辆包括多轴卡车、大型客车、公共汽车、铰接式货车、大型工程车辆等，由于大型车辆本身重较大，发生紧急制动时会产生较大的惯性，因此，对大型车辆限速值的确定更具有实际意义。同样论文对实测的100个大型车地点车速进行频率统计分布，得到大型车地点车速的累积频率分布曲线，在曲线上找到纵坐标为85%位的数据点，然后将该数据点投影到横坐标上，横坐标对应的速度值即为大型车的85%位车速。

3 G205公路限速实例分析

3.1 限速位置的确定

在我国，高速公路限速值在不同情况下通常取值也不同，高速公路采取的最高限速值为120 km/h[10]，也有地段采取100 km/h，在某些下坡路段或是高速公路隧道内，限速值甚至可以是80 km/h，在分流匝道处，限速值一般为40 km/h或是30 km/h。限速位置的确定还需要综合考虑实际道路状况，在路况较差路段通常限速值较低，在相邻路段处，限速值变化一般不会太大。《公路项目安全性评价规范》(JIGB05-2015)中指出：公路相邻路段运行速度差△V85<10 km/h时，运行速度协调性好，△V85为10～20 km/h时，运行速度协调性较好，△V85>20 km/h时，运行速度协调性不良。当相邻路段运行速度差值△V85>20 km/h时，应在两者之间设置相应的限速区段。因此，本实验需要选取路况良好、视野开阔点进行测量，所测区段的运行车速与相邻路段的运行车速差大于20 km/h，即该区段所得限速值同样适用于相邻路段。

G205洪泽-盱眙路段交通事故频发，在采取了限速80 km/h的措施后，对过往车辆进行测速，有效遏制了事故多发势头。为了验证此限速值是否符合实际情况、满足大多数驾驶员的行车要求，论文挑选了道路状况较好的K117+00，K105+00两处地方进行数据调查，经比对K117+00，K105+00两处地方的运行车速要明显高于其相邻路段，将这两处地方的85%位车速作为限速依据是比较合理的。

3.2 限速数据调查

本文选取G205洪泽—盱眙路段K117+00，K105+00两处地方作为地点车速采集点，K117+00，K105+00路况良好，双向4车道，交通流稳定，其流量大小为3000辆/h，用雷达测速仪测得两处地方的大、小型车的地点车速。

3.3 限速结果分析

论文将实测的100辆车的地点车速按从小到大排列，按5 km/h为一组间隔进行分组，组内车辆出现次数为频数，各组内车数与车辆总数之比为频率(见表1～表4)，将各组相应频率依次累加并汇成曲线，将纵坐标改成累积频率，该曲线即为地点车速累积频率分布曲线，在曲线上找到纵坐标为85%位的数据点，然后将该数据点投影到横坐标上，横坐标对应的速度值即为85%位车速。依次绘制K117+00，K105+00两处地方大、小型车的累计频率曲线，并找出各自的85%位车速，如图2～图5所示。

表1 K117+00处 小车速度统计表

图2 K117+00处小型车85%位车速分布图

表2 K117+00处大车速度统计表

图3 K117+00处大型车85%位车速分布图

表3 K105+00处小车速度统计表

图4 K105+00处小型车85%位车速分布图

表4 K105+00处大车速度统计表

图5 K105+00处大型车85%位车速分布图

从上面的速度累计频率分布曲线来看，K117+00处小型车的85%位车速为84 km/h，大型车的85%位车速为74 km/h；K105+00处小型车的85%位车速为83 km/h，大型车的85%位车速为75 km/h。所以，在K117+00和K105+00两处地方，小型车的85%位车速均在85 km/h以内，大型车的85%位车速均在75 km/h以内，将85%位车速作为限速值，不仅可以满足驾驶员的驾驶需求，还能够保证行车安全。但是在《交通工程手册》中，限速值一般是10 km/h的整数倍，另外由于此次调查选择的时间是非高峰时间，交通量为3000辆/h，道路交通流处于自由流状态，所测的速度较高于高峰时间的行驶速度，所以K117+00、K105+00两处的限速值要小于85%位车速，小型车的85%位车速接近80 km/h，大型车的85%位车速接近70 km/h，即取小型车的限速值为80 km/h，大型车的限速值为70 km/h。

4 结语

本文对高速公路限速值的设置依据进行了探讨，并给出了利用雷达测速仪进行实际操作的实验步骤和要点。以G205洪泽—盱眙K117+00、K105+00路段为例，用雷达测速仪测得大、小型车的地点车速，绘制相应的频率累积分布曲线，从曲线上得到小型车的85%位车速均在85 km/h以内，大型车的85%位车速均在75 km/h以内，由于限速值一般是10 km/h的整数倍，调查所选的时间

处为非高峰时段，道路交通流于自由流状态，导致85%位车速偏高，为保证行车安全，取小型车的限速值为80 km/h，大型车的限速值为70 km/h。研究结论有助于为高速公路管理部门制定合理限速方案提供参考。