高速公路抛洒物研究综述

朱香敏, 娄二龙, 吴晓佩, 李海舰

(1.山东高速股份有限公司, 济南 250101; 2.北京工业大学 北京市交通工程重点实验室, 北京 100124)

0 引言

高速公路抛洒物是诱发交通事故和拥堵的重要原因之一,由于司乘人员抛洒、车辆掉落运载物品等行为而导致的交通事故屡见不鲜,抛洒物事件已经对道路交通安全产生了严重威胁. 如何有效地防控抛洒物事件已经成为高速公路管理者亟待解决的问题. 高速公路抛洒物主要是由抛洒物、遗撒物、其他障碍物组成[1]. 抛洒物侧重于驾驶人或乘客的主动行为产生;遗撒物侧重于车辆运载物品的被动掉落;其他障碍物侧重于外力干扰产生. 本文使用抛洒物作为抛洒物、遗撒物和其他障碍物的综合名称. 当驾驶人遇到大面积、大体积的抛洒物时一般会选择绕道,此时车速减缓,换道和急刹车易引起车车碰撞或车辆侧翻事故;而小面积、小体积的抛洒物不易被驾驶员发现,导致车辆无法及时避让,从而引发车物碰撞事故. 总结以往的研究可发现,高速公路抛洒物事故的类型主要有3种[2]：

1)追尾事故:当驾驶人突然发现前方抛洒物无法及时换道时,只能通过减速来避免撞上抛洒物. 如果这种减速行为属于大幅减速,就可能会引起后车追尾.

2)碰撞抛洒物事故:由于驾驶人视距有限或在夜晚无法识别某类抛洒物时,驾驶人面对突然出现的抛洒物,如果来不及换道或减速,就会直接撞上抛洒物.

3)车辆部件或运载物品掉落运动砸落在其他车辆上的事故:这类事故属于突发的意外事故,例如前方大货车掉落有弹性的物品(轮胎),这类物品会相对长久的处于运动状态,直接砸落在后方车辆上.

目前对于抛洒物事故致因研究较少,大部分涉及抛洒物检测算法方面,例如常用的背景差法[3]、帧差法[8]、深度学习法[13]等. 此外,高速公路管理人员根据日常管理经验提出了抛洒物的管控对策,蒋来[17]从多部门协同共治、执法全面、厢式化运输、培训管理人员、制定奖罚制度5个方面提出了治理抛洒物事件的建议对策. 现有研究对高速公路抛洒物的检测算法及防控措施进行了广泛讨论,抛洒物的产生势必会影响到交通流的正常运行,但是对其从产生到被清理的过程是如何影响交通流状态[2]的研究却十分有限. 为了有效地防控抛洒物事件,本文对抛洒物的分类、法规、检测算法系统和管控对策4个方面内容进行总结,为管理人员提供防控建议,并为抛洒物理论研究方向奠定研究基础.

1 抛洒物分类

高速公路上的抛洒物主要包括人为抛洒物、车辆遗撒物和其他事件产生的障碍物等. 本文对高速公路抛洒物给出以下定义:人为抛洒物是指行驶在高速公路上的车辆中的驾驶人或乘客向车窗外丢弃的各种废弃物,多见于小汽车,例如:饮料瓶、水果皮、打火机、塑料袋及废纸屑等;车辆遗撒物是指行驶在高速公路上的车辆由于外界干扰(不良天气、车辆事故)或自身故障而掉落的车载物品或车辆部件,多见于大货车,例如:蔬菜、木材、纸箱、铁皮、篷布、家具等;其他障碍物主要有养护或绿化等工作遗留的工具(例如:交通锥)和沥青混凝土等材料残渣,驾驶人在应急车道更换并遗留的轮胎,高速公路附属设施损坏产生物体,不良天气环境下吹落的绿化枝条,车辆碾压动物产生的动物尸体等. 高速公路抛洒物的分类如图1所示.

2 抛洒物管控相关法规

目前在《中华人民共和国道路交通安全法》《中华人民共和国道路运输条例》《中华人民共和国道路交通安全法实施条例》《公路安全保护条例》及《道路货物运输及站场管理规定》5个文件中规定了驾驶人在出行过程中避免产生抛洒物事件的管理要求和产生抛洒物事件后的处置办法及处罚措施,另外对于公安机关和道路管理机构也给出了相关建议,具体内容如图2所示.

图2 公路抛洒物事件相关法律规定

管理要求中首先对驾驶人出行前提出了一些约束条件,例如:严禁超载,不得遗撒运载物品,不得向道路上抛洒物品;车辆运载物品易掉落、飘散的,应当采取封闭式运输(例如:厢式密闭)等有效防护措施方可在公路上行驶. 其次规定了驾驶人出行中如何处理自身车辆遗撒的物品:若发现自身车辆发生物品遗撒时,驾驶人应当及时采取措施处理;无法处理的,应当在抛洒物来车方向适当距离外设置警示标志,并迅速报告公路管理机构或者公安机关交通管理部门. 最后规定了驾驶人发现抛洒物时(非自身车辆掉落),也应当及时报告公路管理机构或者公安机关交通管理部门.

《公路安全保护条例》中对公安机关和道路管理机构在治理抛洒物事件时的责任进行了划分:公安机关交通管理部门应当责令改正车辆运载物品掉落、遗撒、飘散等违法行为;公路管理机构、公路经营企业应当及时清除掉落、遗撒、飘散在公路上的抛洒物.

处罚措施主要是针对对交通流运行造成重大影响或引起交通事故造成人身财产安全的抛洒物事件规定驾驶人相关责任及处罚标准,《公路安全保护条例》中规定驾驶人驾驶的车辆发生抛洒行为后,未采取措施处理造成他人人身财产损害的应当依法予以赔偿. 具体处罚措施包括:

1)道路货物运输经营者没有采取必要措施防止货物脱落,处1 000元以上3 000元以下的罚款,情节严重的,由原许可机关吊销道路运输经营许可证或者吊销其相应的经营范围;2)车辆运载物品触地拖行、掉落、遗撒或者飘散,造成公路路面损坏、污染的,由公路管理机构责令改正,处5 000元以下的罚款.

目前的法规中并未对驾驶人的抛洒行为进行扣分处罚,后续完善此类法规时应当考虑此内容,对驾驶人行成有力的法律约束. 此外各地方高速公路管理部门应当通过各种渠道加大对抛洒物相关法规内容的宣传力度,使司乘人员了解抛洒行为的危害及处罚要求.

3 抛洒物检测算法及系统

高速公路抛洒物的检测方法主要分为2类:人工巡查和自动检测[19]. 人工巡查有2种方式:①清障人员定期到高速公路上现场巡查,靠肉眼发现抛洒物;②在高速公路管控中心查看实时监控视频发现抛洒物. 人工巡查的效率较低,并且第1种人工巡查方式具有一定的危险性;另外随着高速公路不断扩建,道路上的监控摄像头越来越多,第2种人工巡查方式的难度也在不断加大. 人工巡查的方式已经不能满足抛洒物检测的需求,所以自动检测方法应运而生.

自动检测方法包含2种[20]：直接检测和间接检测. 间接检测方法主要是判断检测器获取的交通流参数是否异常. 例如车辆在高速公路上遇到抛洒物时,大多数驾驶员都会选择避让,这就导致在此抛洒物附近的交通流参数(例如:车速、密度)发生变化,当发现此类事件时,高速公路监控系统就会发出提醒[22]. 间接检测算法包括模式识别(California算法[23])、统计分析(Bayesian算法[24])、交通流模型[25](Mu1t1ple Model和Catastrophe Theory算法)、人工智能算法(神经网络[26])等. 间接检测的分析结果主要是异常交通事件(事故、拥堵等),其工作效率低,并且不利于视频监控,对抛洒物的检测存在漏报、错报的现象. 在当前抛洒物的检测研究方面,间接检测算法已经逐渐弱化,实际工程应用及理论研究中更倾向于利用视频设备对直接检测算法展开研究.

直接检测方法是通过高速公路上的摄像头直接对抛洒物进行检测,这个过程就是检测设备“看到”了道路上的抛洒物,然后反馈给检测系统. 检测过程中需要用到图像识别、处理、反馈等技术,并且要在高速公路上布设更多的摄像机设备. 下面主要对直接检测方法中的主要算法包含的不同检测原理、优缺点进行对比分析,具体内容如表1所示.

表1 抛洒物直接检测算法

部分学者在背景差法和帧差法的基础上,改进了适用于检测抛洒物的算法[27]. 汪贵平等[30]设定五帧差分原则并与能设定自由阈值的背景差法相结合,改进了图像中阴影和光线的影响问题,实现了对高速公路抛洒物的检测. 李清瑶等[31]提出了1种适用于检测车辆抛洒物的算法,利用累计差的方法设定图像帧间连续进行差分,提高了对抛洒物的检测效率,最后与均值背景法相结合消除了抛洒物图像缺失的问题. 直接检测算法在近年来得到了快速发展,其具有检测速度快,检测精度、效率高等优点. 但是需要在高速公路上设置更多的视频检测设备,这样才能保证全方位地检测抛洒物. 此外,视频检测器容易受到不良天气的影响,后续的研究应提高检测算法的精确度和适应性.

在实际工程应用中,抛洒物的检测往往包含在交通事件检测系统当中. 国外的检测系统发展较早,并且检测效果较好,例如美国Sensing Systems, Inc公司研发的Aotuscope RackVision系统[32]、比利时的VIP视频检测系统[33]等. 我国的交通事件检测技术发展起步较晚,但是发展速度较快,北京宇航时代科技发展有限公司在2006年研制的“时代一号”检测系统已经实现了对抛洒物的有效检测[34]. 近年来,各地方的高速公路相关公司在开发的交通事件检测系统中也陆续添加了检测抛洒物的模块,具体内容如表2所示.

表2 不同高速公路抛洒物检测系统

4 抛洒物管控对策

对高速公路管理者而言,有效地管控抛洒物事件是一项非常艰巨的工作,同时这项工作对提升高速公路交通安全至关重要. 部分一线工作人员结合日常高速公路管理运营经验,对抛洒物事件的管控问题提出了相关对策. 吴兴波等[39]针对如何应对特大型桥梁上的抛洒物提出了建立完善信息传递机制、事件处置机制及考核机制的对策,本着“早发现、早处置”的原则,确保检测、反馈抛洒物的渠道多样且通畅;强化各部门之间的联动,做好指挥调度及清理救援工作;最后要在管理部门内部制定考核制度,调动工作人员积极能动性. 丁建立等[40]提出建立由交警、路政、业主等单位协调互助的治理小组,建立黑名单库自动拦截曾发生过严重抛洒物事件或高危的车辆;同时制定抛洒物上报反馈奖励方案,激发管理人员和群众的积极性,并做好抛洒物的相关宣传工作.

根据山东高速抛洒物管理经验,作者从宣传、联动、提升、制度及处罚5个方面总结提出管控抛洒物的方案:

1)为了从源头防止抛洒物产生,在收费站入口前需要工作人员检查货车捆扎货物是否牢固,存在捆扎风险的车辆禁止驶入高速公路;收费站入口及高速公路上添加“货物捆扎要记牢、抛洒行为不可要”“严禁抛洒、人人有责”类标志标语,对司乘人员起到宣传和警示的作用.

2)高速公路的管理运营需要多家单位联合互动,业主可规定相关工作人员进行日常巡查,及时清理小型抛洒物,对于大型抛洒物或由抛洒物引起的交通事故事件可由交警到现场协助清理和执法处罚.

3)高速公路上车流量较多且车速较快,清障人员在现场清理各车道上的抛洒物时存在较大安全风险,其被来往车辆撞击的事件也时有发生,所以业主方可采购智能巡检清理设备,并且定期对清障人员进行安全工作技能培训,提高清障救援队伍工作水平,同时保障清障人员人身安全.

4)业主可制定内部管理制度,定期奖励清理抛洒物数量较多的员工,调动工作人员积极性,此外还可发布群众上报抛洒物的奖励措施,拓展抛洒物信息收集渠道.

5)交通管理部门结合相关法规,制定不同等级抛洒物事件的处罚措施,包括扣分、罚款等内容. 各部门管理人员应充分履行好相关责任,积极主动地投入到抛洒物事件治理工作当中,从多方面、多角度地实现对高速公路抛洒物事件宣传到位、预警有效、清理及时、上报积极、处罚合理及记录完备的目的.

基于以上研究现状,本文结合抛洒物类别、属性、特性及对车辆的影响模式等内容总结出高速公路典型抛洒物的分类信息表(见表3).

表3 高速公路典型抛洒物分类信息

5 总结与展望

有效完善抛洒物防控工作对于提升高速公路交通安全至关重要,对抛洒物有效认知是开展抛洒物防控工作必不可少的前提. 本文主要对抛洒物进行分类,梳理了相关法规中对司乘人员及管理人员的相关要求,总结对比了目前检测抛洒物常用的算法原理、工程应用中的检测系统,最后结合当前管理人员治理抛洒物对策并根据日常管理经验提出了抛洒物管控建议.

在未来抛洒物事件的管理层面,高速公路管理部门应当建立高速公路抛洒物数据库,可主要记录抛洒物类型、事故原因、事故程度、清理时间等内容,为后续抛洒物事件的理论研究提供数据支撑;此外还需及时制定相关法规及清理救援方案. 在理论研究层面,由于现实高速场景中提取车辆躲避或撞击抛洒物时的数据比较困难,所以可利用驾驶模拟实验获取相关细粒度数据,研究抛洒物对驾驶员的干扰原理及驾驶员躲避或撞击抛洒物时的驾驶行为、生心理变化等;另外可构建基于车路协同技术的抛洒物预警管理策略,研究不同预警方式的差异性和有效性.