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高速公路上坡路段6轴铰接列车运行速度预测模型

张驰 胡瑞来 向德龙 张宏 张敏

张驰, 胡瑞来, 向德龙, 张宏, 张敏. 高速公路上坡路段6轴铰接列车运行速度预测模型[J]. 交通信息与安全, 2022, 40(4): 128-137. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.04.014
引用本文: 张驰, 胡瑞来, 向德龙, 张宏, 张敏. 高速公路上坡路段6轴铰接列车运行速度预测模型[J]. 交通信息与安全, 2022, 40(4): 128-137. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.04.014
ZHANG Chi, HU Ruilai, XIANG Delong, ZHANG Hong, ZHANG Min. A Prediction Model for Operation Speed of Six-axis Articulated Trains in Uphill Sections of Expressways[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2022, 40(4): 128-137. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.04.014
Citation: ZHANG Chi, HU Ruilai, XIANG Delong, ZHANG Hong, ZHANG Min. A Prediction Model for Operation Speed of Six-axis Articulated Trains in Uphill Sections of Expressways[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2022, 40(4): 128-137. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.04.014

高速公路上坡路段6轴铰接列车运行速度预测模型

doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.04.014
基金项目: 

国家重点研发计划项目 2020YFC1512005

四川省交通运输科技项目 2019-ZL-12

四川省交通运输科技项目 2022-ZL-04

详细信息
    通讯作者:

    张驰(1981—),博士,教授.研究方向:交通安全与道路数字化研究. E-mail: zhangchi@chd.edu.cn

  • 中图分类号: U491.2+55

A Prediction Model for Operation Speed of Six-axis Articulated Trains in Uphill Sections of Expressways

  • 摘要: 为确保车辆在上坡路段的行驶安全,针对高速公路6轴铰接列车在上坡路段运行速度预测误差大、安全运营管理难的问题,提出了面向上坡路段6轴铰接列车的运行速度预测模型。采用雷达测速仪和AxleLight路侧激光仪采集西南某山区高速公路5处连续上坡路段的6轴铰接列车的交通流数据,并对实际运行速度与现有规范预测模型进行对比分析。以纵坡坡度、纵坡长度、车辆比功率、初始运行速度4个参数为变量,构建上坡路段运行速度预测模型。提出了预测模型误差修正方法,并分析了模型的有效性。结果表明:现有规范运行速度模型对6轴铰接列车运行速度的预测平均误差率达到了25.37%,模型误差较为显著;上坡路段6轴铰接列车的运行速度与坡度、坡长呈负相关,与车辆比功率呈正相关;构建的多元线性回归模型拟合优度R2为0.978,且满足相关检验指标;模型预测速度与实际速度差在2~4 km/h之间、相对误差平均值为8.86%,其结果较规范模型降低了16.51%;考虑交通密度因素修正后,模型预测速度与实际速度差在1 km/h以内、相对误差平均值为1.08%,其结果较未经修正的预测模型降低了7.78%,较规范模型降低了24.29%。由此可见,该速度预测模型对长上坡路段6轴铰接列车运行速度预测的准确性提升明显。

     

  • 图  1  调研路段地形图

    Figure  1.  Research section topographic map

    图  2  实测仪器图

    Figure  2.  Research instrument diagram

    图  3  仪器安装位置图

    Figure  3.  Instrument installation location diagram

    图  4  调研路段观测断面示例

    Figure  4.  Example of cross section of survey section

    图  5  高速公路货车车辆比重变化图

    Figure  5.  Change in the proportion of trucks in highway

    表  1  调研路段数据表

    Table  1.   Research section data sheet

    起始桩号 终点桩号 平均坡度/% 坡长/km 备注
    K1669+700 K1670+700 4.944 1 单坡
    K1673+400 K1674+500 4.94 1.1 单坡
    K1663+802 K1664+752 4.76 0.95 单坡
    K1579+404 K1580+804 4.25 1.4 单坡
    K1591+664 K1592+964 4.6 1.3 单坡
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    表  2  K1669+700—K1670+700处坡底速度分布检验

    Table  2.   Distribution of velocity distribution at K1669+700—K1670+700

    样本M分组 实际频数mi 分布概率Ø1 分布概率Ø2 理论概率pi = Ø1-Ø2 理论频数npi Χ2
    [50.55] 7 0.031 0 0.009 0 0.022 0 5.477 3 0.423 3
    [55.60] 8 0.085 8 0.031 0 0.054 8 13.653 0 2.340 6
    [60.65] 35 0.192 8 0.085 8 0.107 0 26.649 8 2.616 4
    [65.70] 47 0.356 5 0.192 8 0.163 6 40.738 3 0.962 5
    [70.75] 56 0.552 3 0.356 5 0.195 9 48.772 8 1.070 9
    [75.80] 41 0.736 0 0.552 3 0.183 7 45.732 9 0.489 8
    [80.85] 26 0.870 9 0.736 0 0.134 9 33.585 5 1.713 2
    [85.90] 15 0.948 5 0.870 9 0.077 6 19.316 6 0.964 6
    [90.95] 8 0.983 4 0.948 5 0.034 9 8.700 3 0.056 4
    [95.100] 7 0.995 7 0.983 4 0.012 3 3.068 5 5.037 4
    [100.105] 1 0.999 1 0.995 7 0.003 4 0.847 3 0.027 5
    [105.110] 1 0.999 9 0.999 1 0.000 7 0.183 2 3.643 0
    总计 19.345 6
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    表  3  χ2检验结果汇总表

    Table  3.   Summary of χ2 test results

    起止桩号 观测位置 χ2检验结果
    K1669+700—K1670+700 坡底 χ2 = 19.345 6 < χ0.052(14-2-1) = 21.026
    坡中 χ2 = 20.387 4 < χ0.052(15-2-1) = 22.362
    坡顶 χ2 = 18.241 1 < χ0.052(17-2-1) = 24.996
    K1673+400—K1674+500 坡底 χ2 = 18.243 2 < χ0.052(16-2-1) = 23.685
    坡中 χ2 = 18.963 4 < χ0.052(14-2-1) = 21.026
    坡顶 χ2 = 17.035 8 < χ0.052(15-2-1) = 22.362
    K1663+802—K1664+752 坡底 χ2 = 20.065 4 < χ0.052(14-2-1) = 21.026
    坡中 χ2 = 19.906 1 < χ0.052(15-2-1) = 22.362
    坡顶 χ2 = 17.565 4 < χ0.052(13-2-1) = 19.675
    K1579+404—K1580+804 坡底 χ2 = 19.685 2 < χ0.052(14-2-1) = 21.026
    坡中 χ2 = 20.036 0 < χ0.052(15-2-1) = 22.362
    坡顶 χ2 = 19.946 5 < χ0.052(14-2-1) = 21.026
    K1591+664—K1592+964 坡底 χ2 = 18.792 4 < χ0.052(13-2-1) = 19.675
    坡中 χ2 = 19.565 8 < χ0.052(16-2-1) = 23.685
    坡顶 χ2 = 20.364 8 < χ0.052(14-2-1) = 21.026
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    表  4  纵坡运行速度折算模型

    Table  4.   Longitudinal slope running speed conversion model

    上坡坡度 运行速度调整值
    小型车 大型车
    3%坡度≤4% 每100 m降低5 km/h 每100 m降低10 km/h
    坡度 > 4% 每100 m降低8 km/h 每100 m降低20 km/h
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    表  5  运行速度误差对比

    Table  5.   Comparison of operating speed errors

    路段 运行速度(/km/h)
    小车 中型车 大型车 特大型车
    实测值 预测值 误差率/% 实测值 预测值 误差率/% 实测值 预测值 误差率/% 实测值 预测值 误差率/%
    1 91.7 85.49 6.77 69 60.32 12.58 53.2 74.02 39.14 50.7 59.92 18.19
    2 90.8 84 7.49 68.3 65.78 3.69 51.3 60.28 17.50 41 61.88 50.93
    3 98 102 4.08 64.7 59 8.81 58.5 66 12.82 66.7 61 8.55
    4 104 110 5.77 73.3 80 9.14 69.1 80 15.77 64.6 80 23.84
    平均误差率/% 6.03 8.55 21.31 25.37
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    表  6  共线性诊断分析

    Table  6.   Collinear diagnostic analysis

    模型 维数 特征值 条件索引 方差比例
    (常量) V1 L P i
    1 1 4.851 1 0 0 0 0 0
    2 0.136 5.972 0 0.03 0.01 0 0
    3 0.008 25.314 0.01 0.18 0.01 0.86 0
    4 0.005 31.053 0.01 0.76 0.04 0.02 0.21
    5 0.001 94.957 0.98 0.04 0.93 0.12 0.79
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    表  7  回归系数分析

    Table  7.   Analysis of regression coefficients

    模型参数 非标准化系数 标准系数 T检验 Sig. B的95% 置信区间 相关性 共线性统计量
    B 标准误差 下限 上限 零阶相关 偏相关 部分相关 容差 VIF
    C 75.814 4.293 17.659 0 67.318 84.31
    V1 -0.029 0.019 -0.057 -1.567 0.12 -0.066 0.008 -0.676 -0.138 -0.021 0.131 7.627
    L -11.411 1.897 -0.296 -6.015 0 -15.166 -7.657 0.788 -0.472 -0.079 0.071 14.047
    P 8.297 0.195 0.868 42.463 0 7.91 8.684 -0.132 0.967 0.558 0.414 2.416
    i -18.9 0.603 -1.628 -31.322 0 -20.094 -17.706 -0.791 -0.941 -0.412 0.064 15.629
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    表  8  新建模型与实测数据对比分析

    Table  8.   Comparative analysis of new model and measured data

    路段特点 样本值 坡底速度/(km/h) 坡顶速度实测值/(km/h) 预测值/(km/h) 相对误差/% 相对误差平均值/% 相对误差总平均值/%
    i=4.25, L=1.4 64 78 46 50.02 8.74 8.50 8.86
    80 46 49.89 8.45
    78 48 51.99 8.31
    i=4.6, L=1.3 78 79 42 46.21 10.02 9.23
    76 43 47.22 9.81
    81 48 51.76 7.83
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    表  9  各路段平均车速值

    Table  9.   Average speed of each section

    路段特点 时间平均车速/(km/h) 时间平均车速标准差 区间平均车速/(km/h)
    i=4.25, L=1.4 63.77 6.76 63.05
    i=4.6, L=1.3 61.86 5.98 61.28
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    表  10  通行能力计算表

    Table  10.   Capacity calculation table

    交通流参数 计算结果
    ff 1.0
    fp 1.0
    PT/% 28.94
    ET 5.0
    fHV 0.4635
    C1(/ pcu/h) 2000
    C2(/ pcu/h) 927
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    表  11  各路段交通密度

    Table  11.   Traffic density of each section

    路段特点 实际交通量/(pcu/h) 区间平均车速/(km/h) 交通密度K/veh/km) 最佳密度Km /veh/km)
    i=4.25, L=1.4 64 63.05 1.02 14.70
    i=4.6, L=1.3 78 61.28 1.27 15.13
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    表  12  修正模型相对误差

    Table  12.   Correcting the relative error of the model

    路段特点 样本值 坡底速度/(km/h) 坡顶速度实测值(/ km/h) 预测值/(km/h) 修正后模型预测值(/ km/h) 修正后相对误差/% 相对误差平均值/% 相对误差总平均值/%
    i=4.25, L=1.4 64 78 46 50.02 46.67 1.45 1.19 1.08
    80 46 49.89 46.55 1.19
    78 48 51.99 48.50 1.05
    i=4.6, L=1.3 78 79 42 46.21 42.49 1.17 0.98
    76 43 47.22 43.12 0.97
    81 48 51.76 47.59 0.85
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  • 收稿日期:  2022-06-20
  • 网络出版日期:  2022-09-17

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