基于人工智能的公路施工區交通安全設施研究

張 宏，黃 星，劉時雨，崔 星

（1.長安大學，陜西西安 710018；2.長安大學教育部特殊地區公路工程重點實驗室，陜西西安 710064）

交通運輸

基于人工智能的公路施工區交通安全設施研究

張 宏1，黃 星2，劉時雨2，崔 星1

（1.長安大學，陜西西安 710018；2.長安大學教育部特殊地區公路工程重點實驗室，陜西西安 710064）

該文根據美國堪薩斯州立大學與堪薩斯交通運輸部（Kansas Department of Transportation，KDOT）的聯合交通調查報告，總結了美國用于短期施工區的五類新型交通安全設施，闡述了其先進的設計理念和技術，分析了各種設施的優點和不足，并針對國內公路施工區的交通安全設施與技術的現狀進行了分析和評價。

公路；施工區；交通安全設施

1 背 景

公路施工區是為公路養護和維修作業而設置的特殊交通管理區域，由于道路施工作業過程通常不中斷交通，車輛經常變換車道，并且駕駛人存在頻繁加減速等行為，因此公路施工區是交通事故易發區域，受到交通事故威脅的不僅是誘發交通事故的駕駛員，而且包括道路上的施工人員。根據美國死亡分析報告系統（Fatality Analysis Reporting System，FARS），2014年全年統計數據顯示，在高速公路上由于交通事故而導致的死亡人數共計32 675人，其中僅在施工作業區內出現事故而死亡的人數就高達669人，占總死亡人數的2.05％。

為了提高公路施工區的安全性和施工效率，堪薩斯交通運輸部（KDOT）在美國各州交通運輸機構的協助下完成了一項全國范圍內的關于公路施工區新型交通安全設施的使用調查，該項調查系統地分析了各州目前用于（以及曾經使用過的）公路施工區的安全控制設施的使用效率，對這些安全控制設施的改進提出了更高的要求。本文以美國交通安全設施的方法和指南與我國施工期交通設施進行分析比較，以期對我國公路施工區的交通安全設施的改善有一定借鑒作用。

2 美國公路施工區的新型交通安全設施

2.1便攜式震動帶

震動帶是通過嵌進路面的凹槽里或是鋪筑在路表面形成，可以產生震動和聲音從而提醒駕駛員注意路況。先進交通標線震動帶（Advanced Traffic Marking Rumble Strips，ATMs）是6.35 mm厚的自粘式可移除震動帶，可以用重型輥等簡易設備快速安裝。ATMs的測試配置見表1。

表1　先進交通標線震動帶的測試配置

試驗結論表明：

（1）6.35 mm厚的震動帶能給轎車提供足夠的聲響和震動感，但不能給貨車提供足夠的震動感。

（2）震動帶對貨車的減速效果優于客車，會使貨車車速降低11.6 km/h，客車車速降低至多3.2 km/h。試驗發現駕駛者為了避免碾過震動帶偶爾會繞過它。

2.2便攜式橡膠震動帶

便攜式橡膠震動帶（Portable Plastic Rumble Strips，PPRS）是一種可移動和可重復使用的臨時震動帶，其標準尺寸為3.35 m長，0.30 m寬，20.64 mm厚，重47.63 kg。PPRS可被快速安裝和拆卸，安裝過程不需任何緊固件或粘合劑。

2010年Schrock等人測試了震動帶條數不同與間距配置不同時PPRS產生的聲音和振動，試驗發現PPRS對小轎車的減速效果比對貨車更加明顯。在密蘇里州的現場測試發現PPRS可以使車速降低8～16 km/h。

先進交通標線震動帶（ATMs）除上述便攜式橡膠震動帶外，還有震動條、鋼型震動帶和利用回收技術生產的震動條（Recycled Technology，RTI），這些便攜式震動帶都對改善施工區交通安全的現狀起到一定的作用，在促使車輛減速方面有重大意義。

2.3預警系統

（1）入侵式警報設備

入侵式警報設備是在傳統的施工區障礙物上安裝一件或多件傳感器，當有失控車輛觸發傳感器時，就會有警報響起提醒工人有車輛入侵他們保護的區域，同時也可以提醒思想不集中或者犯困的駕駛人，使得車輛及時采取制動或者避開施工區。最初的入侵式警報設備由公路戰略研究計劃（The Strategic Highway Research，SHRP）研發，分別是微波設備、紅外設備和氣動導管系統。

試驗指出該設備也有弊端：①警報聲容易被施工區其他聲音掩蓋；③警報失效的概率較大；③系統容易被施工區施工設備和車輛產生的聲音干擾，產生錯誤預警；④在設備和車輛之間需要無線數據線路。基于以上弊端對系統進行改進，發明了作業區聲吶沖擊波入侵報警系統和安全線入侵報警系統。

（2）無線報警系統

無線報警系統在國外施工區中應用較多，且預警效果較好，能對施工區安全問題起到一定的改善作用，主要包括CB向導警報系統和無線公路狀況系統（Highway Advisory Radio System，HAR）。

CB向導警報系統可通過CB無線信道將封閉行車線、限速信息、提醒駕駛員減速或變換車道等交通信息直接發送給貨車司機。研究表明CB向導警報系統可以影響貨車車速和車道選擇。

HAR是交通部門向司機提供重要路況的實時信息的廣播系統，能夠有效地減少車輛擁堵。研究表明HAR對彎道等特殊的施工區交通管理有積極作用。

2.4便攜式信息標牌與駕駛交互設備

（1）便攜式可變信息標志

PCMS是可以顯示各種文字、數字或符號的可移動的交通控制裝置。PCMSs可以安裝在拖車或貨車上，以滿足快速部署它們的要求。

試驗表明PCMS能夠有效地降低快速行駛車輛的速度，對貨車平均速度的降低并不明顯，僅為2.3 km/h，與雷達結合使用時更加有效；合適的PCMS的信息語句能夠有效地降低高速公路施工區所有類別車輛的車速；相較未安裝PCMSs，在開啟和關閉PCMSs的情況下，車速降低分別為7.6 km/h和5.3 km/h。

（2）便攜式速度監控器和車輛控制標志

PSMD配備雷達對迎面而來的車輛進行測速并利用可變速度顯示板顯示車速，以此來降低車輛的行駛速度和超速駕駛行為。

沒有交警協助的PSMDs是比較劃算的減速設備，研究表明PSMDs使車速平均降低6.4 km/h，進入施工區的客車車速減少了20％～25％。

車輛控制標志（VASs）與PCMS相似，用來顯示道路狀況信息，可用在道路轉彎處和交叉口顯示限速信息，提醒駕駛員減速慢行。

（3）雷達系統

RAS是安裝在施工車輛、標牌上，或放在路段其他位置取代交警進行測速的裝置，可以促使使用雷達探測器的駕駛員減速至限速以下安全行駛，并且降低超速行駛比率。

在密歇根州，2010年Streff等人對施工區安裝RAS的有效性進行了廣泛調研，調研發現雷達對高速行駛貨車的減速效果良好，同時發現約5％的汽車和16％以上的貨車使用雷達探測器。

2.5保護裝置

（1）車載減速器

TMA是能夠承受撞擊并且用于消散碰撞產生的能量的緩沖設備，被廣泛地用于短期施工、長期施工和移動施工區域，能夠降低事故成本。

試驗表明：橙色TMA標牌上使用熒光黃綠色作為背景色標志的效果顯著，黃綠色增加了橙色標志和橙色貨車之間的對比度，50％以上的駕駛員在到達工作區之前能識別貨車背后的橙色標志。

（2）移動路障

移動路障是由多個拖車組成，與標準拖車一起用在維修、施工和安全場所，為施工人員提供方便和保障工作環境的安全的設施。移動路障可以將來往車輛與維修和施工人員在空間和視覺上隔離。該系統的缺點是它要占用2.4 m寬的車道，并且不允許大型設備直接進入工作區。

2.6集成智能交通系統

隨著智能交通的發展，集成智能交通系統也應用于道路施工區，可以主動限速并對駕駛員主動地反饋信息，對施工區安全問題的改善起到一定作用，主要包括自適應排隊預警系統和便攜式智能交通管理系統。

自適應排隊預警系統可以提供與當前交通流狀況相適應的分布式速度信號。系統的核心裝置是一個小圓筒——里面安裝有低成本的速度傳感器，配合簡單的顯示器以及與主控制器相連的通信設備。調查結果顯示系統比靜態路標更有效，能夠減少交通事故，突發性撞車和由于變換車道追尾的事故數量能減少5％～7％。

便攜式智能交通管理系統是包括PCMS、車輛檢測系統、電腦控制中心和其它通信系統的集成系統。根據檢測到的交通數據，系統自動確定需在PCMSs上顯示的消息，也可以通過高速公路無線廣播和互聯網播送信息。

3 我國公路施工區的交通安全設施與技術的現狀

（1）對施工區行車道、超車道、合流車道的車頭時距分布，各控制區的地點車速的頻率分布、空間分布、車道占有率以及車輛匯入特征等都有系統分析，但是缺乏效果顯著的減速設施及限速裝置，沒有解決公路施工區車輛容易超速和追尾的問題。

（2）對施工作業段長度的合理性以及標志設置位置、重復設置次數和重復設置間隔等關鍵技術參數進行了專業的計算，但是這種用限速標志的方法進行被動限速，作用單一局限，安裝時間長，對公路短期施工區并不適用，對車輛的限速效果也不佳，缺乏主動限速技術和對駕駛員主動的反饋信息，如車輛是否超過限速值，駕駛員往往會因為疏忽大意而產生安全隱患等。

（3）公路施工區雖然有被動的提醒標志和錐形、桶形障礙物，但是這些提醒標志安裝的位置不合適，使得警示效果不理想；錐形、桶形障礙物并沒有限速減速的作用，作用單一，安全控制效果不是很明顯。

（4）部分公路施工區曾使用預警設備，但是它們設置不專業，設備準確性不高，不能起到很好的檢測作用，并且設備安裝較為繁雜，簡易性、可攜帶性差。我國公路施工期缺乏安裝簡易、可移動和重復使用、減速限速效果良好的主動安全設施。

4 結 論

（1）引進的設施在減速限速方面效果顯著，彌補了國內公路短期施工區僅有被動的提醒標志和錐形、桶形障礙物的不足，可以有效地解決公路施工區車輛容易超速和追尾的問題。

（2）引進的設施安裝簡易，可移動和重復使用，適用于公路短期施工區，為現有的被動提醒標志和錐形、桶形障礙物等設施提供了良好的改進思路。

（3）引進的設施均屬于主動安全技術，通過主動限速技術和對駕駛員主動的反饋信息，如車輛是否超過限速值，促使駕駛員減速慢行，減少公路施工區交通事故的發生，打破了國內公路施工區缺乏主動安全技術的被動局面。

在路網不斷完善的同時，公路施工區的交通安全問題不容忽視，國內應借鑒美國公路施工區的新型交通安全設施，不斷完善我國公路施工區的交通安全控制系統。

［1］ 尹艷峰.高速公路施工作業區交通管理與安全保障技術研究［D］.重慶交通大學，2014.

［2］ 彭建華，蘇東亮.美國國家公路施工區安全計劃（NHWZSP）介紹及啟示［J］.中外公路，2007，（6）：183-185.

［3］ 王忠仁.美國施工區交通管理的關鍵技術和策略［J］.重慶交通大學學報（自然科學版），2012，（3）：425-431，464.

U4

C

1008-3383（2016）09-0162-02

2016-04-01

張宏（1996-），女，山西呂梁中陽人，在讀本科生，研究方向：交通工程。