高速公路风险防控主动交通管理系统及应用

2021-06-23齐建宇李宇轩张俊杰李海舰

交通工程 2021年3期

齐建宇，马浩，李宇轩，张俊杰，李海舰

(1.招商新智科技有限公司, 北京 100070; 2.北京工业大学北京市交通工程重点实验室, 北京 100124)

世界卫生组织调查研究发现，道路交通伤害已经成为全世界第十大致死原因，且严重程度正在逐年加剧[1]. 据国家统计局统计数据显示，2019年我国民用汽车拥有量已经达到2.54亿辆，与2018年相比增加了2 155万辆. 随着汽车保有量的不断增加，我国的道路交通事故发生数量也在不断的增长. 2018年共发生了244 937起交通事故，相较于2017年上涨41 888起，平均每年有6.3万人死于交通事故，每小时有7人死于交通事故. 2019年我国的公路通车总里程达到501.25万km，高速公路里程突破14.96万km，但是在调查研究中发现，高速公路交通事故死亡人数占道路交通事故死亡总数的比例始终维持在10%左右，且该数字仍然在不断地增长[2].

目前，国内外学者已在控制道路交通风险方面做了一定的研究. 文献[3-7]从多角度出发，分别研究了道路景观、路面温度、不良气候条件以及障碍物等客观因素，研究这些因素对道路交通事故的影响程度以及关联性，并且利用发现的相关性设计出相应的改善措施. 驾驶员的行为是导致发生道路事故的主要因素之一，因此Puan等[8]以马来西亚高速公路的车辆作为研究对象，研究了驾驶员在各种操作速度下在高速公路上采用的安全跟随距离. Hong等[9]通过研究货车驾驶员交通违规情况，发现影响货车碰撞的因素，并开发出更准确的碰撞概率估计模型. Chin等[10]提出了一种新的算法，用于增强现有的高速公路自动事件检测算法在检测车道阻塞事件方面的准确性. 此外，Ko等[11]提出了一种基于实时交通状况的爬坡车道运行动态控制方法. 而Basso[12]以及Park等[13]也分别开发出了新的事故预测模型以及基于互联和CAV的速度协调技术，以减少道路交通事故. Park等[13]从交通状况，道路几何形状和天气状况等多因素，对交通事故的成因进行了相应的分析. 陶玲等[14]以武汉市为例，从广度、精度和深度3个方面分析了交通系统. 高美蓉[15]和顾家悦[16]等将交通管理系统进行了分层研究，一方面研究了交通管理系统的顶层设计. 另一方面进行了分层设计. 边金龙[17]、高广阔[18]等结合上海高速公路事故数据，对高速公路的三维可视化以及低能见度条件进行的分析诸光路地道进行了三维可视化监控系统建设，研究了三维可视化技术对于缓解交通事故的帮助. 周广振等[19]研究了连续长陡下坡路段的交通事故成因，并提出了连续长陡下坡路段的判定分级，根据不同分级合理确定交通设施配置规模. 此外，封春房[20]和董开帆[21]等构建了相应的高速公路智能交通管理系统的评价指标体系，促进了各地高速公路智能交通管理系统的发展.

目前，针对高速公路交通事故的研究已取得了较多的成果，但是在交通事故防治方面缺少主动交通管理系统的设计以及实际的布设方案，并没有与实际情况紧密结合. 基于此，本次研究以甬台温高速温瑞段作为研究对象，通过研究高速公路风险防控所需要的信息需求，合理构建主动管理系统的系统框架，从多角度完善主动交通管理系统，并结合甬台温高速温瑞段道路条件，设计系统的布设位置，为未来减少高速公路交通事故，保障车辆出行安全，提高高速公路车辆出行效率提供理论支持.

1 高速公路风险防控信息需求分析

为确保主动交通管理系统准确、实时、有效地运行，需要满足一系列的系统需求. 在本次研究过程中充分考虑了数据采集、数据传输、融合计算和信息发布4大系统需求，如图1所示. 通过满足数据采集需求来实现道路车辆数据采集，信通数据的传输则需要满足一定的数据传输需求，数据融合计算则用于判别及分类，最后判断结果需要进行信息发布需求来实现.

图1 系统需求

1.1 数据采集需求

数据采集是系统运营的基础，为保证系统的正常运行，确保系统预警的实时性和有效性，需要采集基础设施、气象环境、交通流以及交通状态等数据. 在基础设施方面需要采集收费站开放车道数、交通标志位置等数据；在气象环境方面则需要采集温度、相对湿度、风速、降水强度、能见度、紫外线指数以及时间戳等；在交通流数据方面需要采集5 min断面交通流量、速度、时间占有率、车型、排队长度、车牌、监测路段密度以及通行能力等交通状态方面需要采集交通拥堵、交通事故等数据.

1.2 数据传输需求

在数据计算过程中需要保证数据的准确性，因此在进行数据传输的过程中不仅要考虑地形环境等物质要求，还要考虑数据的传输效率以及数据的完整性. 基于此，本次研究将结合地形环境特点，采用有线通信设备以及无线通信设备相结合的数据传输方式. 在有线通信设备中主要有架空线缆、同轴线缆、光纤等；在无线通信设备中主要有无线电台、无线局域网、移动电话(手机)、移动信息系统(4G、5G)等设备，以确保数据的准确性.

1.3 融合计算需求

实现精确地车辆安全提示需要满足高水平的数据融合计算需求，在进行数据融合计算的过程中需要根据不同的系统选择不同的算法，在确保计算精度以及计算效率的基础上进行相应的算法融合. 基于此本次研究综合考虑的多种数据计算方法作为数据融合计算支撑，包括ALINEA算法、ZONE控制算法、分层递阶、神经网络控制、模糊控制等方法.

1.4 信息发布需求

道路信息经历了数据采集以及不断地计算和传输后，需要将结果通过一定的方式发布给各驾驶员以及交通管理部门，这就要求在进行系统设计的过程中满足系统的信息发布需求. 在此基础上，本研究将综合考虑声、光以及视觉等多方面因素，结合特定地形选择相应的信息发布方式，如LED显示、发光道钉、手机振动、语音播报等方式.

2 主动交通管理系统架构设计

为保证车辆在高速公路上的行驶安全，本文根据高速公路桥梁、匝道、收费站以及隧道等不同高速公路的路段情况，结合车辆类型等设置了多种主动交通管理系统，主要包括：智能路桩、可变限速系统、智能匝道控制系统、货车智能管控系统、收费站管控系统、货车限行系统、车道关闭系统以及动态诱导系统，图2为主动交通管理系统汇总图.

图2 主动交通管理系统汇总图

2.1 智能路桩

智慧路桩由智能终端、安装云台、安装立柱(或固定在波型护栏立柱)、接线盒等组成，可布设在道路全段，在高风险路段进行布设更有利于道路安全建设. 该系统集成了公路雾区引导、防撞预警、气象监测、警示及信息交互、图像采集、交通流监测、低空照明、电子锚点桩号等功能(图3)，采用多样化的通用物联网标准(LoRa、NB- IOT)以及LTE- V通信技术，与车载单元(OBU)的信息进行有效交互，适用于道路全段并且能在全时段对驾驶员进行提示，使驾驶者能第一时间了解交通信息和危险状况，实现路况的全面感知，从而缓解交通拥堵，提高运行安全事件自动检测的覆盖率与及时发现预警率，提升交通安全和出行效率，见图3.

图3 智慧路桩功能示意图

2.2 可变限速系统

可变限速系统可在全时段进行动态调整和协调，以获得最大适当车速，应对下游的拥堵、事故、天气或道路状况，实现最大化交通吞吐量并减少事故. 该系统可布设在道路全段，布设于固定瓶颈点将更有利于提高预警设备的效能，如图4所示为设计的可变限速系统的算法及判别流程. 本次设计综合考虑了道路基础信息、天气状况、拥堵状况以及异常交通流状况的影响，分别计算各因素的影响权重，最后基于推荐路线的速度限制向驾驶员提出预警以及推荐速度，见图4.

图4 可变限速系统判别算法及流程

2.3 智能匝道控制系统

智能匝道控制系统是一种能有效调节入口匝道处高速公路主线上游和下游的交通量，通过限制进入高速公路的交通流，以保证主线上自身的交通需求不超过其交通容量的主动交通管理系统. 该系统需布设于入口匝道处，当该匝道的流量满足系统启动条件时系统启动. 在系统运行的过程中可使用ALINEA算法来实现匝道控制的智能调控，当匝道控制由调节状态转变为关闭状态时，可变信息板提示车辆禁止进入匝道，但信号灯在第一个更新周期(5 min)内保持封闭前的调节率，将已进入到匝道的车辆排空. 如果一个更新周期过后仍未排空车辆，可派相关工作人员进行疏导排空. 若下一个更新周期匝道仍为关闭状态，信号灯则自动变为红灯，入口匝道控制算法如图5所示.

图5 入口匝道控制算法

2.4 货车智能管控系统

货车比例过高是造成高速公路服务水平降低，导致交通拥堵和交通事故的频发的重要原因之一. 为减少货车对高速公路交通系统运行的不利影响，本次研究设计了相应的货车管控系统. 该系统的作用对象为货车以及货车驾驶员，可进行全时段的货车管控，并且在高速公路的任意路段都可布设. 该系统拥有3层构架：第1层是感知层，根据摄像头、微波雷达、激光和地感线圈等感知设备，实时监控路网状况，利用三维点云数据作为基础数据进行车辆检测以及货车驾驶行为识别；第2层为数据融合与分析层，根据感知的情况和历史数据，通过软件算法快速识别违章驾驶行为，做到同步取证以及管控干预；第3层是制度层面，通过不断优化的算法，提升管控效果，同时建立完整的事后追溯机制.

2.5 收费站管控系统

收费站是高速公路交通流的瓶颈，其通行能力的大小直接影响到高速公路交通流的运行状况. 为保证收费站瓶颈路段的车辆正常通行，设计了相应的收费站管控系统，该系统可设置在收费站进行交通管控. 当收费站的流量满足系统启动要求后系统开始运行，系统运行时通过交通流检测器、收费数据等进行交通流波动程度确定，在波动程度确定的基础上确定开放的通道数以及车道调整周期，以此来保证收费站广场车辆的高效通行.

2.6 货车限行系统

随着社会经济的飞速发展，由运输需求自发形成的客货混行交通也在随之发生变化，交通流的混合程度不断增大，道路运输压力持续增长，这些不合理现象对交通安全、通行效率等方面的影响也在日益增加. 为了缓解高峰期间高速公路交通拥堵现象，提出了高峰期间高速公路货车限时错峰出行管理系统. 该系统适用于全路段并且能在全时段进行货车交通控制. 通过输入相应的日期参数，针对不同路段的具体需求设置相应的货车限行时间段，并通过不同的发布方式进行信息发布.

2.7 车道关闭系统

车道关闭系统是指在路段上设置车道开放、关闭标志，对车道的使用加以控制. 当车道前方由于事故或施工等特殊场景而受阻时，系统首先检测道路状态信息包括施工状况以及事故信息，接着判定道路控制信号灯的设置状况，最后根据具体道路条件进行车道关闭预警.

2.8 动态诱导系统

高速公路存在瓶颈点或某段发生交通事故，会导致该点的通行能力下降，并且出现车辆排队现象. 为缓解道路自然灾害时引起的道路交通影响，根据高速公路的道路特点，提出了高速公路动态诱导系统. 当道路发生重大交通事故、大规模施工、山体滑坡等大型自然灾害或下游全路段需要封闭若干小时及以上，系统启动. 通过视频监控设备、微波检测器等信息采集设备实时采集道路交通信息，根据道路信息进行交通状态的确定，最后根据不同的交通状态发布诱导策略.

本次研究共提出了8类主动交通管理系统，为保证系统运行功能的有效性，提高系统性能，本文基于系统功能，对系统的作用对象以及使用条件进行了整理. 不同的系统需要. 不同的数据基础发布的预警信息也存在一定的差异，实施难度以及管控效果也存在不同，表1所示为各个系统的使用条件、实施难度以及管控效果汇总表.

表1 系统使用条件、实施难度以及管控效果汇总表

续表1

3 主动交通管理系统应用方案

本次研究以甬台温高速温瑞段作为措施实施路段，为保证系统功能的有效性，研究采用甬台温高速温瑞段道路交通数据进行系统设计，确定了各个系统在实际情况下的布设位置，图6为甬台温高速公路温瑞段示意图，全长约25 km.

图6 甬台温高速公路温瑞段示意图

3.1 智能路桩

在温瑞段高速公路中，主要利用智能路桩的雾区引导、违规停车预警和信息交互与发布功能，可在温瑞段高风险路段(如图7中的①)进行部署. 该系统可在动态可变限速板或动态限速上游200 m内每25 m间隔连续部署，还可在隧道入口上游500 m范围，每隔25 m进行部署. 在南白象互通、塘下互通、瑞安互通、飞云互通和万全互通的分流区上游1 km处每间隔50 m部署智慧路桩，主要实现道路引流、事件检测，提醒驾驶员分流车道线形、道路边界及合理换道.

图7 甬台温高速温瑞段主动交通管理系统应用方案

3.2 可变限速系统

温瑞段含有桥梁、隧道、合流区、分流区、“三改二”等多种交通固定瓶颈点，可优先在此类区域应用可变限速系统(如图7中的②)，也可通过划分相同交通特性的路段，通过获取路段信息对该路段进行限速. 本研究以单一稳定的交通流环境作为路段单元，以固定瓶颈点区域作为单独瓶颈点，把温瑞段划分为7个路段和5个瓶颈点. 在布设时满足每个基本路段和每个瓶颈点各有1套交通流检测设备，且每个基本路段的上游有1个可变信息板或可变限速版提供针对该路段的限速信息，综合利用现有的微波检测器和可变信息板设备，实现限速信息的采集和发布.

3.3 智能匝道控制系统

台温高速温瑞段南白象枢纽福向入口匝道距离较长，匝道处排队不易对收费站交通运行造成干扰，适合在此布设入口匝道控制系统(如图7中的③). 通过匝道下游检测器实时获取道路占有率信息，随后占有率信息进入至匝道控制器并基于改进ALINEA算法进行计算，并将计算得到的匝道状态信息及信号配时信息实时发送至匝道入口处的可变信息板和匝道出口处的可变信息板，对匝道即将进入主线车辆进行实时调控.

3.4 货车智能管控系统

甬台温高速公路温瑞路段的货车智能管控系统拥有3层结构，在感知层采用数字视频监控和激光雷达检测2种方式，利用数字视频监控准确获取车辆的具体信息，包括车型、车牌、驾驶行为等. 由于激光雷达检测受外界影响较小，因此利用激光雷达检测获取三维点云数据进行车辆识别. 在数据分析的过程中，结合数字视频监控系统和激光雷达检测系统所得数据进行分析. 甬台温高速公路温瑞路段的货车智能管控系统(如图7中的④)的检测设备需与可变信息板对应，设置在可变信息板的上游位置收集货车信息，并将存在安全隐患的信息传输至下处的可变信息板上，对驾驶员发出诱导信息.

3.5 收费站管控系统

收费站管控系统(如图7中的⑤)需要实时采集收费站下游主线交通流数据，来判断当前时刻交通流运行状态. 目前在甬台温高速温瑞段高速中已有部分的检测器，因此为确保系统的准确性，在已有检测器的基础上，增加部分检测器，新增检测器推荐设置在主线合流点后1 km处. 此外，在三都岭隧道等特殊路段，由于行驶情况特殊，影响拥堵情况判断，可考虑提前设置检测器；在各收费站入口广场也可部署用于检测广场上的车辆排队情况的检测器，并利用信号灯进行预警.

3.6 货车限行系统

货车限行系统是通过全方位、多维度的持续宣传，提高货车限时出行措施的知晓率，同时依靠收费站禁止对应货车类型进入高速公路并告知限行信息的主动交通管理系统. 甬台温高速温瑞段货车限行系统设备布设示意图(如图7中的⑥)所示，共需5块可变信息板，分别部署在温州南收费站、塘下收费站、瑞安收费站、飞云收费站和万全收费站进站口，用以提示即将上高速车辆货车限行信息；需要货车限行标志24个，主要布设于主线道路的2个方向，单方向平均间隔2 km布设1个.

3.7 车道关闭系统

车道关闭系统(如图7中的⑦)主要依靠事故检测器以及事故报警信息事故数据采集，但是由于事故检测器的布设成本较高，因此，参考甬台温高速公路事故数据，决定在三都岭隧道路段及其附近区域安装事故检测器来实时检测事故发生情况. 高速公路管理中心在接到车道关闭信息后，寻找事故发生地上游最近的可变情报板，显示关闭车道位置、车道关闭起点与该情报板之间距离等信息.

3.8 动态诱导系统

动态诱导系统(如图7中的⑧)是指可根据交通事故的信息以及上游交通流的情况，制订出合适的交通诱导方案的智能化系统. 为确保甬台温高速的动态诱导系统能正常运行，共需在甬台温高速温瑞段增设7块可变信息板(其中6块可与可变限速系统共用). 在福向，3块可变信息板分别部署在塘下互通、瑞安互通和飞云互通出口匝道上游1 km附近，用以提示出口匝道上游车辆及时驶离高速；在台向，4块可变信息板分别部署在万全互通、飞云互通、瑞安互通和塘下互通出口匝道上游1 km附近，用以提示出口匝道上游车辆及时驶离高速.

4 结论与展望

4.1 结论

本文基于国内外现有研究成果，运用甬台温高速温瑞路段的道路基础数据以及事故数据，进行了高速公路主动交通管理系统设计. 提出了8类主动交通管理系统分别为智能路桩、可变限速系统、智能匝道控制系统、货车智能管控系统、收费站管控系统、货车限行系统、车道关闭系统以及动态诱导系统. 根据不同的路段需求以及系统需求，对各个系统进行了系统设计和功能设计，给出了各系统的应用条件和适用情况. 最后结合甬台温高速公路温瑞段的实际基础设施、道路状况以及事故情况，给出了不同的系统在甬台温高速温瑞段的布设位置，以保证系统功能的完善. 论文研究成果能直接应用于高速公路基础设施和安全运营管理，为控制高速公路风险提供理论依据.