我國高速公路運行態(tài)勢分析方法探討

宋志洪 尹少東 郭瑞 徐鋁

【摘 要】通過分析我國高速公路管理現(xiàn)狀中存在的問題，從運行態(tài)勢分析的角度，探討針對不同組織形式、交叉類型的高速公路運行狀態(tài)分析方法，預測未來一定周期內(nèi)高速公路的運行態(tài)勢，綜合考慮氣象、照明等因素的影響，及時發(fā)現(xiàn)事故，并根據(jù)預先制定的應(yīng)急救援方案，實時做出調(diào)整，提升事故現(xiàn)場的救援能力，同時也為高速公路誘導出行提供決策依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】運行態(tài)勢 狀態(tài)分析方法 事故應(yīng)急救援方案 誘導出行

1 概述

近年來，我國高速公路建設(shè)速度較快，但總體通行能力和管理水平還遠不如發(fā)達國家，重特大交通事故更是居高不下。導致我國高速公路交通安全隱患頻發(fā)和處置突發(fā)事件效率不高的主要原因是，我國高速公路交通管理部門缺乏與其他部門的信息共享，不能實現(xiàn)多元化數(shù)據(jù)采集和信息的及時有效分析與應(yīng)用。處理應(yīng)急事件也常常單兵作戰(zhàn)，跨部門協(xié)作困難。2008年初，由于連遭低溫冰雪天氣，引發(fā)21個省市自治區(qū)大量車輛在高速公路上滯留。2011年5月至10月京藏高速呼和浩特至包頭方向大面積堵車，造成近5000車次堵車，給附近村莊造成損失，事故發(fā)生近百起，疏散進展相對緩慢。因此，高速公路交通安全與暢通已經(jīng)成為我國一項重大社會和民生問題。

2 我國高速公路管理現(xiàn)狀

我國高速公路管理普遍存在管理制度不明晰、管理人員職責不清、無法及時發(fā)現(xiàn)事故現(xiàn)場及無應(yīng)急預案或預案過于形式化、無法針對事故做出及時有效措施等等一些問題，究其根源為“建、管、用”不匹配，才會導致實際管理過程中出現(xiàn)的一系列問題，歸納主要有以下五個方面：

2.1路網(wǎng)種類多，涉及部門廣，管理分散

高速公路網(wǎng)節(jié)點多、結(jié)構(gòu)復雜，隸屬多個公司管理，管理架構(gòu)復雜，管理上既需要對全部路網(wǎng)的整體運行狀況進行實時了解和把握，又需要能夠?qū)Σ煌\營單位的路段流量能夠?qū)崟r準確掌握。

2.2貨運交通發(fā)達，過境、重載交通比重大，車輛構(gòu)成復雜，社會影響大

在一些過境交通中，特別是經(jīng)濟發(fā)展較快的地市，產(chǎn)業(yè)加速集聚和擴張，公路貨運量呈現(xiàn)急劇增長的趨勢，高速公路承載的負荷遠遠超出了設(shè)計負荷，面臨加速損壞的風險。

2.3交通流分布不均，路網(wǎng)通行能力不匹配

交通流分布不均衡，主干線擁擠不堪，次干線流量稀少。在出行中，大多數(shù)駕駛員習慣性會選擇走主干線，致使高速公路交通流分布不均衡，主干線擁擠不堪，次線流量稀少。

此外，“春運”、“黃金周”等節(jié)假日期間，全國各大高速免費通行，交通流量激增，大規(guī)模集中出行，以及車流高峰期的延長使得節(jié)假日期間高速公路交通供需矛盾嚴重激化。“人滿為患，車流成河”成為高速公路假日期間運行狀況的真實寫照。

2.4事故發(fā)現(xiàn)和應(yīng)急處理能力不足，無應(yīng)急救援方案

在擁堵狀態(tài)下，交通事故等各類突發(fā)事件的發(fā)生機率大大增加，給人民生命財產(chǎn)帶來嚴重威脅。此外，路網(wǎng)擁堵還會造成燃油消耗加大，加重環(huán)境污染等諸多負面影響，帶來嚴重的社會經(jīng)濟損失，不利于社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。高速公路交通擁擠和交通事故及其引發(fā)的交通安全、運輸效率、環(huán)境污染和能源消耗等問題已經(jīng)受到社會各界的廣泛關(guān)注。對高速監(jiān)控力度不夠，造成對事故的感知程度不高，應(yīng)急處理能力亦遠遠跟不上。

2.5“特殊情況”沒有進行特殊處理措施或預案

沒有形成針對霧霾、冰雪等特殊氣候條件的預案，譬如說京港澳高速全年多霧霾，尤其秋季，能見度對暢通通行影響極大。此外，雨雪天氣會產(chǎn)生路面結(jié)冰，能見度下降等問題，容易發(fā)生側(cè)滑、追尾等事故。

3 高速公路運行狀態(tài)判別方法

針對上述問題，須提出一個合理的方法，不僅能夠有效地誘導駕駛員出行，還能夠?qū)Ω咚俟愤\行狀態(tài)進行監(jiān)管，有效尋找事故黑點，及時發(fā)現(xiàn)事故現(xiàn)場，提升應(yīng)急救援能力。

近幾年，全國各地引入城市道路交通運行指數(shù)概念，用感知數(shù)據(jù)分析整個城市交通運行狀態(tài)，從而有效指導駕駛員出行。同理，交通運行指數(shù)的概念同樣也適用于高速公路，對高速公路的交通單元（路段、交織區(qū)、匝道區(qū)等）的運行態(tài)勢分別建立速度、密度、飽和度運行指數(shù)TPI（traffic performance index）模型，道路交通運行指數(shù)TPI是綜合反映道路網(wǎng)交通運行狀況的指標，是對交通擁堵在空間、時間、強度等方面特征的綜合化、簡單化描述。

（1）高速公路路段運行分析。路段的運行狀態(tài)可用地點車速、密度、飽和度分別進行計算，計算的結(jié)果采納優(yōu)先級：速度>密度>飽和度，即當有速度TPI時不采用其他計算值，如果沒有采用密度TPI計算值，如果速度、密度都沒有就采用飽和度TPI計算值。

（2）高速公路交織區(qū)運行態(tài)勢分析。對于高速公路交織區(qū)的運行態(tài)勢，以交織車速和非交織車速作為TPI計算參數(shù)。交織速度為交織車道的平均速度，非交織速度可通過非交織車道的平均速度算得，這要求每一車道都要有測速裝置，上表的閾值表針對設(shè)計速度為120km/h的高速公路，其他設(shè)計速度類型的原理類似。

（3）高速公路互通立交匝道與主線點運行態(tài)勢分析。對于匝道與主線點的TPI采用飽和度進行計算，計算以駛?cè)朐训罉?gòu)造類型為例（其他構(gòu)造類型類似）。如圖1所示，V1為主線最右側(cè)交通量，Vo為分離交通量，Vi為匯入交通量，Vm為匯入后主線總的交通量。

圖1 在前接駛出匝道的駛?cè)朐训捞帣z驗點交通量

（4）高速公路交通運行態(tài)勢短時預測。基于運行指數(shù)TPI的交通短時預測。交通短時預測是以交通單元TPI為基礎(chǔ)交通參數(shù)，通過預測算法預測下一周期或時刻的交通單元TPI。在此采用的是改進的時間序列模型進行預測，主要是根據(jù)地點車速特殊性來制定模型的，包括5分鐘、10分鐘、15分鐘和30分鐘的近期交通預測數(shù)據(jù)。

（5）高速公路交通事件檢測。交通事件主要劃分為疑似擁堵、擁堵和事件三類。根據(jù)交警部門的實際需求，對于高速公路關(guān)鍵節(jié)點（服務(wù)區(qū)、匝道交織區(qū)）的情況一般檢測入口方向的疑似擁堵、擁堵和異常事件，對于路段的情況一般檢測事件。

對于關(guān)鍵節(jié)點交通單元有持續(xù)2個以上（含兩個）的檢測周期或者該路口以較高周期較高飽和度運行，即TPI≥8時的可初步判定為疑似擁堵。

對于路段的事件：路段（排除處于節(jié)點緩沖區(qū)內(nèi)的路段）平均車速小于其擁擠速度閾值，且持續(xù)2個以上（含兩個）的檢測周期的可判斷為疑似事件。

另外，若該某一交通單元（路段、服務(wù)區(qū)、交織區(qū)、匝道結(jié)合處）的速度和流量曲線急劇下降，且密度曲線急劇升高說明該路段發(fā)生了交通事件。例如有些特殊情況出現(xiàn)，具體閾值根據(jù)現(xiàn)實情況和歷史數(shù)據(jù)確定。

（6）霧霾、雨雪天氣交通運行態(tài)勢分析。由于特殊天氣交通運行指數(shù)較難以測得（例如在大霧天氣，視頻檢測器檢測精度很低），根據(jù)能見度和路面濕滑度的檢測值，對交通狀態(tài)進行評估，需對歷史的正常天氣TPI進行折減處理。

高速公路運行狀態(tài)的信息化管理，不僅能夠起到誘導高速出行的效果，還能夠第一時間發(fā)現(xiàn)事故現(xiàn)場，指導救援行動，也為節(jié)假日高峰出行提供引導管理決策依據(jù)。

4 基礎(chǔ)信息獲取

為保證高速公路交通參數(shù)檢測的準確性，需要在高速公路出入口或匝道布設(shè)一定數(shù)量的檢測器，根據(jù)現(xiàn)有的國內(nèi)市場檢測器的應(yīng)用情況，結(jié)合高速公路自身特征，可選檢測器主要有地磁車輛檢測器、微波檢測器，用于獲取高速公路的車輛存在檢測、流量、占有率、速度等參數(shù)。數(shù)據(jù)獲取如下：

（1）流量。流量數(shù)據(jù)可通過視頻、微波、地磁、線圈、卡口等檢測器獲得，流量的采集要求分車道、分車輛類型進行。有的檢測器能識別車輛類型，有的不能，在安裝檢測器的時候要考慮到這一點，并區(qū)別對待，對檢測到的流量標準換算成pcu單位。

標準流量：

車輛換算系數(shù)（f）見下表1所示。

表1 車輛換算系數(shù)表

車輛類型 摩托車 三輪車 小客車 中型車 大型車 鉸接車（拖掛）

換算系數(shù) 0.4 0.6 1.0 1.5 2.0 3.0

（2）地點車速。視頻、微波能夠直接檢測到地點車速，地磁和線圈通過兩個組合使用也可以檢測到地點車速，在檢測的時候以中間車道為準，剔除左右側(cè)的快速車道和慢車道的速度數(shù)據(jù)。

（3）路段車流量密度。目前的檢測器無法直接獲得路段上的車流密度，可通過出入量法用流量進行換算，換算公式如下：

K（t）—t時刻的路段AB上的密度；

LAB—路段AB的長度；

E（t）—t時刻的路段AB上的現(xiàn)有車輛數(shù)；

E（t0）—t0時刻的路段AB上的現(xiàn)有車輛數(shù)；

QA（t）—t時刻的路段A駛?cè)肼范蜛B的車輛數(shù)；

QB（t）—t時刻的路段B駛出路段AB的車輛數(shù)；

（4）排隊長度。排隊長度可用專門的視頻和微波檢測器檢測獲得，也可在必要位置順序安裝地磁或線圈檢測排隊長度。

（5）能見度。以中科院合肥物質(zhì)科學研究院安光所一項科研成果HW-N1型前向散射式能見度儀為檢測設(shè)備，構(gòu)建能見度檢測系統(tǒng)，閥值如下：

對相應(yīng)的高速公路路段實行一級至三級管制：低于50米，不能保障車輛安全通行時，啟動一級管制，實行全線或局部路段封閉的管制措施；50米至100米，不能保障車輛安全通行時，實行二級管制，限速40公里/小時；100米至200米，實行三級管制，限速60公里/小時。

（6）路面濕滑度。先進的基于機器視覺濕滑度視頻檢測器可以對道路濕滑度進行檢測；也可通過氣象部門或人工檢測等手段檢測得到。

表2 高速公路路面濕滑指數(shù)分類表

摩擦系數(shù)范圍 路面抗滑性能 路面濕滑狀況描述 路面濕滑指數(shù)

F≥0.5 正常 干燥清潔路面 1級

0.35≤F<0.5 稍差 潮濕；降雨天氣，積水 2級

0.2≤F<0.35 較差 松散雪；斑駁冰；霜 3級

F<0.2 很差 嚴寒季節(jié)；壓實雪或冰層 4級

（7）其他信息。氣象部門信息，采集高速公路所屬區(qū)域的當前和未來氣象信息，包括霧霾、下雪、大雨等影響高速公路通行能力因素。

交通事件信息，主要通過各種渠道采集交通事件信息，包括路面檢測器檢測的交通擁堵、人工報告信息、交通運輸事件、城市管理事件、接處警交通事件、手機app采集事件等。

交通管制信息，主要是通過采集各部門的交通管制信息，包括道路施工、養(yǎng)護、管制、重大活動路線、特勤路線、重要地點的交通標志標線（流量禁限、禁左、禁止掉頭等）等道路管制信息。

交通稽查信息，主要采集一些違法犯罪車輛信息，便于在高速區(qū)域內(nèi)圍追堵截，以及及時疏散區(qū)域內(nèi)的其他社會車輛。

5 結(jié)語

本文主要針對我國高速公路管理不規(guī)范的現(xiàn)狀，分析高速公路管理常見的一些問題，從交通運行狀態(tài)信息化管理的角度，探討不同類型高速公路運行狀態(tài)分析、交通預測及事故發(fā)現(xiàn)與應(yīng)急救援等方法，并提出實現(xiàn)這些功能所需要的基礎(chǔ)信息獲取渠道，在一定程度上為高速公路管理決策提供依據(jù)，也對我國高速公路規(guī)范化管理提出了新的需求。

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