高速公路交通流态势感知体系研究

伴随着我国经济的高速发展，城市规模不断扩大，城市人口和机动车数量逐年上升，高速公路拥堵问题越来越严重，导致高速公路通行效率下降，而且恶劣的气象条件也影响了行车安全，加大了高速公路的管理难度。典型事件包括服务区节假日期间拥堵导致车流倒灌主线、收费站车道拥堵、道路施工导致行车缓慢、交通事故导致通行中断、特殊天气事故频发以及高速公路运维期间的安全管控等。面对以上问题，保安全、保畅通的管控仍缺乏有效的综合治理手段。笔者根据广韶高速交通流态势感知的试点应用情况，为感知高速公路实时交通路况，预知高速公路未来交通状况，提升安全管控能力,建立营运管理安全体系提供参考经验。

一、如何利用高速公路交通态势感知

(资料图)

高速公路交通流变化周而复始，在空间上体现在高速公路的空间结构规划和路网配置，包括服务区、桥梁、隧道、急弯、长下坡、软基路段等事故多发路段以及关键路段等空间要素。在时间上体现在特殊天气、节假日、上下班以及高速管理者的运维期间的交通管制。典型场景一：高速公路管理者运维期间会进行道路临时通行管制、封闭导致的通行空间压缩，产生拥堵，也极易产生交通安全事件。典型场景二：特殊天气下高速公路路况变差、视野受阻、通行效率降低，极易引发安全事故。典型场景三：高速公路发生交通事故，后方来车避让不及，容易引发二次事故，造成更大人员伤亡。典型场景四：节假日以及上下班期间交通流量的大幅度提升，导致关键路网拥堵，长时间拥堵会影响出行者的出行体验以及通行效率引发不良舆论事件，或有可能造成人员冲突、交通事故。高速公路交通态势属于典型的时空数据，交通流态势感知体系即基于实际数据反映的现实问题，利用统计方法，应用大数据、云计算、模拟实验预测法、视频分析等技术从交通拥堵强度、交通拥堵程度、持续时间和扩散范围等维度进行交通拥堵的时空分布特征和变化规律统计，对交通拥堵时空分布和时空演变特征进行分析，并以三维可视化方式对交通需求、运行状态及拥堵成因直观、动态展示，预测未来交通状态，对交通运行异常进行预见性判别并提前采取干预措施，实现车路系统、区域路网协同管理，全面提升以人为本的智慧交通决策水平。

二、高速公路态势感知的目标

高速公路交通流态势感知体系以交通安全和交通畅通为总体目标。一是从宏观视角出发为高速公路运营管理者提供真实、及时地查看高速公路交通状态的方法，刻画路网的交通特点，分析高速公路路段拥堵的规律依据，事故工况的特点，宏观反应高速公路交通流状态；二是为高速公路营运管理者和出行对象提供及时、可靠的交通趋势预测信息，捕捉路网交通流演变规律，加深出行对象对高速公路交通变化的感知，预判未来的通形状和拥堵情况，提高交通事件的应急反应能力和预警能力，避免加大拥堵，降低事故发生的概率；三是为高速公路运营管理者提供合理可靠的交通管理措施和诱导方案，为出行对象提供交通诱导，融合交通流态势预测，为上级决策者提供基于全局最优的统筹调度服务，从而解决路网负载失衡问题，改善交通拥堵问题,提高通行效率，实现交通资源的充分利用、最大限度保障交通运行安全。

三、探索建设高速公路交通态势感知

1.态势感知建议方案

交通流态势体系主要是针对高速路段的流量数据、路网基础数据、异常事件、机电设备运行数据、应急联动进行分析和模拟运行，实现对未来高速路段营运态势的感知预测，用场景化态势推演的方式实现拥堵预警、事前干预预防、事中精准管控和事后措施量化评估。系统主要分为数据采集、数据分析、处置预案、仿真建模以及效果评价。（1）数据采集包括高速公路管理者利用高清卡口、视频图像、信号灯、视频AR检测、环境监测、微波雷达以及ETC门架系统等高速公路机电系统设施设备采集到的车牌信息、气象环境、通行卡号、车型、时间等交通数据，交通运输行业提供的“两客一危”重点车辆管理数据、高速公路的里程、密度、坡度、服务区、隧道等路网基础数据以及视频AR检测、微波雷达探测的异常事件。（2）数据分析基于高速公路的里程、立交、桥梁、坡度、服务区、隧道等路网基础数据，结合异常事件、异常天气、养护施工计划、机电设施运维状况、交通保障需求等道路管控条件，对采集到的交通流数据、重点车辆管理数据以等海量交通数据进行处理和分析，并推演未来路段车流运行变化的演变规律、车流量、统计数据、演变曲线。（3）处置预案即高速公路管理者建立的事故应急处置机制，科学预警，快速反应，协同应对，最大程度地减少人员伤亡和财产损坏。根据当前高速公路状况，高速公路管理者研判最优的处置方案，尽最大努力保障人员安全、交通顺畅。（4）仿真建模即利用一定的模型让计算机自动产生与高速公路实际交通流具有相同分布特征的随机数，通过对随机数的排序、校验形成随机变量，经过数值计算及逻辑推演和检验来模拟车辆在高速公路行驶行为，再计算出高速公路服务水平的评价指标。（5）效果评价即对历史处置预案和历史事件处置措施进行效果评价，根据评价结果进一步完善处置预案，即实现系统的自我学习，以逐步升级保障路网高效运行。

2.重点区域态势感知应用

重要区域管控是高速公路管理者的难题，如何能“全天候”、“全方位”、“高精度”、“低时延”的感知重点区域的状况，对解决高速拥堵，提升通行效率，保障道路安全有着极其重要的作用。（1）服务区车流感知。服务区车流倒灌到主线上的情况主要发生在节假日期间，通过对路面动态车辆通行数据、进出服务区车辆数据进行分析，结合服务区的容量和吞吐速度，提前预测倒灌的时间、拥堵长度和时间的变化关系，做好人员、物资的调配，以应对即将到来的车流高峰。（2）交通枢纽车流感知。相邻路段在遇到计划性施工事件、突发性事件、节假日等情况时，由于多条车道汇聚至少量车道，也会出现车流通行效率降低，最终导致车辆缓慢通行，直至完全堵塞的情况。通过获取枢纽附近相邻路段的ETC门架收费流水数据、交调数据、视频事件检测数据等，提前预判主线的通行能力，并采取有效的管控措施。（3）收费站车流感知。收费站对入口发卡、出口收费的拥堵处理都有一套完善的流程和解决方案，但实施过程需要一定时间和人力协调。如果通过部署在路面的ETC门架系统、微波雷达、视频检测采集到车流数据，结合以往车辆轨迹数据，就可以提前预测车流到达收费站的时间，提前通知收费站管理人员做好针对性的部署，将可能的拥堵“扼杀”在萌芽状态。（4）主线车道围蔽车流感知。遇到突发性事件、计划性施工事件等，都需要对主线上的行车道进行封路围蔽。然而对于围蔽的车道数量和围蔽时长，决策者往往只能通过过往经验来决定，这既不科学也是无奈之举。通过系统性的交通流态势感知，用模拟数据推演路段车流变化，则可以非常直观、有效地对围蔽的车道数量和围蔽时长进行量化，同时能满足道路施工交通建设组织方案、节假日交通保障预案等的评估需求和应急演练需要，做到精确科学管控，提升道路通行体验感。

3.具体应对措施

道路运输的目标是安全和有效率地运送货物、人员。在道路交通发展过程中，高速公路管理者总结出一套交通流理论和工程实践，用于分析和解决道路上车辆运行安全和效率问题。由于高速公路交通流态势感知是动态分析路面通行状态，配置合适的管理措施，因此不论道路设计、交通控制和营运管理，还是道路养护和施工，都离不开态势感知的分析、预测、反馈及改进。（1）针对高速公路交通事故。①将海量的交通事故数据分析结果提供给属地交警，督促交通管理部门实施相应的管控和干预措施。例如，对事故多发路段进行限速、增设交通安全警示标志，高速公路管理者也可在在事故多发路段通过广播、可变信息标志、导航对驾驶员进行提醒，并在路面敷设视觉标线、震荡标线来提醒驾驶员降低车速、注意安全，有效预防道路交通事故的发生。②高速公路管理者通过对海量车辆轨迹数据和历史发生的事故情况分析车辆加速、急减速、急转弯等行为，判断道路以及设施是否存在安全隐患，并进行针对性的改造优化，强化路面安全措施，确保路面状况运行良好。③高速公路管理者通过对历史处置事件进行分析，科学研判，优化各类应急处置预案，在节假日、计划性施工通行管制的时候，提前安排交警、路政、拯救等在事故多发路段进行驻点，快速处置交通事故，抢救受伤人员；疏导交通，保障道路通行顺畅。（2）针对高速公路交通拥堵。①通过对ETC门架车辆数据、收费站车辆数据以及服务区卡口数据等海量车流量数据进行分析，判断高速公路服务区设施、收费站出入口车道数量是否设置合理，并进行针对性改造优化。通过对高速公路路网内特殊天气、节假日的通行数据进行分析，统筹规划路网资源，提前适时开展区域联动，并调动交警和高速公路营运单位做好交通疏导管制，实现交通统筹调度。②基于对高速公路运维期间的交通流数据和拥堵情况进行分析，提出合理有效交通组织方案，在确保道路畅通安全的前提下提高运维效率，提升道路营运安全。

四、结论

基于在交通流态势感知在广韶高速的试点情况，得到的主要结论如下。（1）全天候实时感知交通流情况，协助高速公路管理者及时、准确地判断和处理异常事件，提升对风险隐患的防控能力，减少异常事件可能造成的拥堵和安全事故，以此推动高速公路事业的稳定健康发展。（2）通过不断优化，让态势感知系统在高速路面、收费站出入口的车流量预测结果与实际车流量趋势的数值吻合度达到一定程度，可以用于新建、改扩建高速公路的决策依据。（3）建设高速公路交通流态势感知系统，实时显示交通路况信息，有利于提高高速公路运营管理的数字化和信息化水平，提升高速公路营运管理形象。

作者：万星 单位：广东省路桥建设发展有限公司