高速公路改擴建智慧交通組織設(shè)計研究

謝路鋒、周通

（1.江西省交通設(shè)計研究院有限責任公司，江西 南昌 330209；2.江西省交通投資集團南昌南管理中心，江西 南昌 331721）

0 引言

對高速公路改擴建工程進行交通組織設(shè)計，是為了保證改擴建期間交通運行安全有序，便于改擴建工程的順利實施，控制因工程建設(shè)在交通方面帶來的社會影響。與新建項目不同，高速公路改擴建項目需要統(tǒng)籌兼顧施工以及保障通行等各方面的需求，保通的需求有時會成為影響改擴建總體方案的重要因素[1-3]。本文通過智慧化手段對梨東高速公路改擴建交通組織進行動態(tài)設(shè)計研究，通過提取路段交通流特征，分析預(yù)測未來交通流變化及特點，提出應(yīng)對管控措施，并評估交通組織效果，從而提升施工期間的公路通行效率。

1 路段改擴建交通組織方案

根據(jù)施工組織計劃，梨東高速公路改擴建工程擬采用五階段交通組織方案。

第一階段完成兩側(cè)加寬（或單側(cè)拼寬），老路四車道通行，施工分為兩期，前期施工路基，后期施工路面。前期施工在護欄外，對交通影響很小，通行速度維持在100km/h。路面施工需將整個硬路肩銑刨，原有鋼護欄拆除，改為臨時護欄。由于縮小了車輛的側(cè)向余寬，對交通影響較大，通行速度需限制在60～80km/h。

第二階段完成老路改造，交通轉(zhuǎn)移至擴建路面兩側(cè)，施工區(qū)域位于路基中間，施工車輛及設(shè)備進出對正常交通存在干擾，且通行區(qū)域無正常硬路肩，故通行速度控制在60～80km/h。

第三、四階段分別完成半幅路面的施工，交通轉(zhuǎn)移至另外半幅，車輛在單幅路基上雙向通行，對向隔離成為安全重點，同時應(yīng)考慮臨時防眩光，通行速度60～80km/h。

第五階段施工已全部完成，剩余部分掃尾工作。

根據(jù)各階段交通組織方案可以發(fā)現(xiàn)，改擴建一、二階段，對交通流運行影響明顯，其中一階段風險主要集中在應(yīng)急車道占用；二階段表現(xiàn)為施工車輛、施工機械混行穿插等方面。在三、四階段影響逐步降低，主要是車道轉(zhuǎn)換節(jié)點擁堵蔓延風險，單幅雙向通行風險，以及互通、服務(wù)區(qū)進出區(qū)域分、合流風險等。

2 路段保暢保通需求分析

在不影響改擴建施工的前提下，梨東高速公路保暢、保通的需求主要包括以下幾點。

2.1 路網(wǎng)整體流量過飽和問題

需要對高速公路主線流量進行管控，動態(tài)調(diào)節(jié)上游駛?cè)肓髁浚徑庀掠温范谓煌〒矶卢F(xiàn)象，并基于路網(wǎng)流量規(guī)律和通行情況分析，提出精細化施工組織建議，避免流量高峰與關(guān)鍵施工點重合。

2.2 流量飽和路段交通擁堵問題

限速管控上游段，調(diào)節(jié)上游車輛的到達率，緩解下游擁堵現(xiàn)象；通過信息發(fā)布手段在上游互通/樞紐節(jié)點處提示車輛繞行；利用服務(wù)區(qū)停車位等通行能力存量，誘導車輛進入服務(wù)區(qū)等待；開啟交通事件監(jiān)測機制，提高交通事件的處理效率。

2.3 交通轉(zhuǎn)換節(jié)點通行能力不足問題

通過對上游車輛加強速度控制，使車流均勻分布于上游路段，降低車輛到達轉(zhuǎn)換節(jié)點的車流密度與速度；優(yōu)化轉(zhuǎn)換節(jié)點的交通渠化，實施分車道行駛，減少車輛混行，提高節(jié)點通行能力；加強轉(zhuǎn)換節(jié)點交通事故監(jiān)控，減少節(jié)點交通事故發(fā)生，提高整體通行效率。

2.4 交通事故、事件的交通擁堵及安全問題

展開應(yīng)急保障措施設(shè)計，增加突發(fā)事件的應(yīng)急處置能力，包括交通事件監(jiān)測措施、清障救援措施、一路三方協(xié)同管理制度及特殊事件的應(yīng)急處置措施。發(fā)生事故后對上游車流積極采取主動截流、分流措施。

3 智慧交通組織設(shè)計研究

與傳統(tǒng)交通組織強調(diào)規(guī)范性、普適性不同，智慧交通組織重視基于大數(shù)據(jù)的特征性分析，結(jié)合路段交通運行歷史特征，提出不同路段個性化改擴建交通組織設(shè)計方案；重視信息化水平提升，在規(guī)范交通組織的基礎(chǔ)上，采用動態(tài)可控的主動管控方式；重視決策的科學性，以智慧化全息感知為基礎(chǔ)，引入機器學習下的智能管控與決策體系，提升管控與決策水平，其總體架構(gòu)見圖1。

圖1 智慧交通組織設(shè)計總體架構(gòu)

3.1 基于大數(shù)據(jù)挖掘的交通流特征分析與對策

通過大數(shù)據(jù)技術(shù)，對歷史交通量、車型、交通事故事件等多項數(shù)據(jù)進行特征分析，從時間、空間、轉(zhuǎn)換節(jié)點等多元維度分析路段交通流特征，確定改擴建期初期智慧化監(jiān)控的重點路段與時段。

3.1.1 交通流時間、空間特點

通過分析歷史交通量數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，改擴建路段節(jié)假日交通量激增，節(jié)假日前以南昌方向返鄉(xiāng)客流為主，節(jié)后以上海方向交通流為主。節(jié)假日與非節(jié)假日的日均貨車流量基本變化不大，主要是小客車數(shù)量變化巨大，造成客貨比值相差甚遠。

鷹潭樞紐后貨車流量急劇減少，表明在鷹潭樞紐南北方向分（合）流了大部分貨車。空間上，項目起點至弋陽交通量持續(xù)高位運行，其中上饒西至楊梅嶺段交通量最大。

3.1.2 交通事故、事件特點

交通事故、事件主要集中在上海方向，其中弋陽至楊梅嶺、楊梅嶺至上饒經(jīng)開區(qū)段擁堵次數(shù)、交通事故數(shù)、重大交通事件占比突出。隨著省界收費站的撤銷，梨園省界處的交通擁堵及事故已明顯降低。

3.1.3 交通組織時空優(yōu)化基本策略確定

根據(jù)歷史數(shù)據(jù)分析，提出改擴建初期交通組織時空優(yōu)化基本策略，后期根據(jù)多源感知層外場設(shè)備獲取的數(shù)據(jù)，給予動態(tài)調(diào)整。

（1）合理規(guī)劃施工時間及工序，建議分段施工，避開節(jié)假日交通瓶頸路段施工。節(jié)假日前避開南昌方向上饒西樞紐—弋陽樞紐路段，節(jié)假日后避開上海方向上饒西互通—弋陽樞紐路段。

（2）在外側(cè)護欄移位及新增移動護欄、硬路肩銑刨及油面攤鋪、支線上饒橋拆除等關(guān)鍵施工工序階段，提前做好上下游聯(lián)動管控準備。

（3）優(yōu)化主線交通轉(zhuǎn)換區(qū)段，提前誘導車輛完成變道，分散交通沖突點分布。

（4）優(yōu)化調(diào)整車道速度，實施重點路段客貨分道行駛，做好上游互通、樞紐節(jié)點車輛分、合流控制。

3.2 基于多源感知的主動交通管控

3.2.1 多源感知外場設(shè)備布置

改擴建期間，優(yōu)先選擇關(guān)鍵互通、樞紐互通、收費站、服務(wù)區(qū)、事故多發(fā)、團霧易發(fā)位置、關(guān)鍵施工節(jié)點（特大橋）等，布設(shè)視頻設(shè)備、雷達設(shè)備、抓拍設(shè)備，用于交通參數(shù)感知與交通事件感知，獲取車速、車型、斷面流量、時空占有率、擁堵、拋灑物、異常停車、行人闖入、占用應(yīng)急車道等關(guān)鍵信息。

點位的選擇除應(yīng)考慮數(shù)據(jù)采集需求外，還需不影響改擴建工程主體施工。設(shè)備桿件安裝時，應(yīng)優(yōu)先布置在能永久設(shè)置的位置上；其次是利用現(xiàn)有ETC 門架或其他原有桿件；最后是在中分帶內(nèi)設(shè)置臨時基礎(chǔ)及桿件。

由于改擴建期間不具備大規(guī)模敷設(shè)電纜、光纜的條件，擬采用“光伏+鋰電池+無線傳輸”的方案，將交通感知數(shù)據(jù)上傳至智能中樞進行實時計算，支撐態(tài)勢、預(yù)測、突發(fā)事件管控。

3.2.2 主動交通管控策略

通過收費站入口情報板、移動式情報板、號角廣播，結(jié)合多源感知數(shù)據(jù)、改擴建施工安排及關(guān)鍵分、合流點位置，對行駛在或即將進入改擴建高速公路的車輛進行主動交通管控，包括逐級限速提醒、客貨分離行駛、分流、限流等，并通過聯(lián)動互聯(lián)網(wǎng)地圖平臺，提醒手機終端用戶提前規(guī)劃，規(guī)避擁堵路線。

針對施工期可能出現(xiàn)的不同工況，需匹配不同工況下的交通管控方案，如表1 所示。

表1 總體工況劃分表

3.3 智能管控與決策平臺

3.3.1 基于路網(wǎng)模型的交通態(tài)勢感知與預(yù)測

通過融合天氣、交通參數(shù)、施工影響等全要素的路網(wǎng)模型，實現(xiàn)路段服務(wù)水平評估與交通預(yù)測（見圖2）。

圖2 交通流預(yù)測模型圖

（1）態(tài)勢感知

采用紅黃綠全景圖宏觀呈現(xiàn)高速公路全線運行狀態(tài)，通過圖層方式呈現(xiàn)各類靜態(tài)、動態(tài)數(shù)據(jù)，并提供車流量、車型、平均車速、通行指數(shù)等數(shù)據(jù)；能夠提供事件事故信息提示，并進行關(guān)聯(lián)動作。

（2）態(tài)勢預(yù)測

基于當前交通運行狀態(tài)和路網(wǎng)模型，預(yù)測一定時間內(nèi)的態(tài)勢變化狀態(tài)，包括10 分鐘、30 分鐘、60 分鐘、120 分鐘的短時預(yù)測。

3.3.2 公路通行影響仿真

（1）施工計劃仿真

通過仿真指導施工安排，評估多指標、同時段、不同工序?qū)煌ㄍㄐ械挠绊懀⒏鶕?jù)實時公路通行能力給出交通影響評估，從而有效指導施工安排。

（2）管控措施仿真

根據(jù)實時公路通行能力，輸入限速、限流、分車型管控等措施對公路交通運行的影響，并給出影響評估報告，有效演練管控措施。

（3）交通組織優(yōu)化效果評價

根據(jù)管控措施實施前后的交通參數(shù)數(shù)據(jù)變化，對管控措施進行效果評價，優(yōu)化系統(tǒng)算法。

3.3.3 自動策略觸發(fā)與決策體系

（1）交通突發(fā)事件監(jiān)測能力

依托多源感知能力，將獲取的各項交通異常參數(shù)數(shù)據(jù)、交通事故事件數(shù)據(jù)、惡劣天氣數(shù)據(jù)等推送給監(jiān)控中心值班人員，并自動推薦管控策略，提示值班人員確認執(zhí)行處置流程。

（2）主動管控能力

針對各類異常交通場景設(shè)計主動管控預(yù)案，聯(lián)動交通管控措施，并實時向互聯(lián)網(wǎng)導航平臺同步數(shù)據(jù)。同時，將“事件確認—策略確認—管控執(zhí)行—聯(lián)動清障—管控退出”等進行全流程記錄，自動生成管控后評估報告，并對知識庫進行數(shù)據(jù)積累與更新。

（3）決策融合會商

通過融合通信平臺，實現(xiàn)監(jiān)控指揮中心大屏幕、各方視頻會議系統(tǒng)、辦公終端、電話、清障救援人員記錄儀、監(jiān)控視頻等多源終端的融合通信，實現(xiàn)多部門的融合通信指揮。

4 結(jié)語

在高速公路改擴建工程中，采用智慧化手段對交通組織設(shè)計進行優(yōu)化，能夠有效提升施工期公路通行能力與行車安全，及時發(fā)現(xiàn)突發(fā)事件并提供科學處置決策。同時，還能夠進一步優(yōu)化施工組織計劃，合理安排工期與工序，從而保證改擴建工程的施工質(zhì)量及進度要求。