高速公路智慧擴容建設體系與關鍵技術研究

摘 要：近年來，在役公路面臨的出行壓力持續增加，部分路段頻繁出現長時間、長距離的交通擁堵，亟需提升路網通行能力和交通運行效率。本文聚焦于高速公路智慧擴容，首先闡述智慧擴容的內涵和建設現狀，然后構建智慧擴容的建設體系框架，最后重點研究智慧擴容“點—線—面”層次的關鍵技術。研究為評估智慧擴容項目的實施效果與效益提供了科學依據，有助于緩解路網交通擁堵、提高路網服務效能、促進公路數字化轉型。

關鍵詞：高速公路 智慧擴容 建設體系 關鍵技術

隨著城市化進程的加速和交通需求的不斷增長，公路交通系統面臨著前所未有的壓力。傳統的公路擴容方式，如增加車道數或拓寬路面，不僅受到土地資源和資金投入的限制，還可能導致環境破壞和社會成本的增加。

而智慧擴容相較于傳統物理改擴建方式，具有投資規模少、施工時間短、交通影響小的優勢，能以較少資源消耗實現交通基礎設施承載能力大幅提升，是緩解交通壓力的首要策略。本文旨在深入探討公路智慧擴容的內涵、建設現狀、建設體系、關鍵技術以及評價體系，以期為公路交通的可持續發展提供理論支持和實踐指導。

1 智慧擴容內涵

“智慧擴容”是指在不大規模增加場外設施的前提下，推動大數據、物聯網、人工智能、北斗導航等新技術與交通基礎設施深度融合，通過部署感知設備、通信網絡、交通誘導系統等，讓點、線、面一體聯動[1]，從而提升公路的承載能力和通行效率，優化提升公共服務能力、行業管理效能和產業協同創新水平。

相較于傳統的高速公路管理模式，智慧擴容策略在核心理念上達成了四大關鍵性的變遷[2]：一是“由事后應對突發事件轉變為預先主動調控交通擁堵”，二是“從路段的宏觀管理深入到車道的細致調控”，三是“從依賴低效的人工操作轉變為采用高效智能的管理手段”，四是“從依據經驗判斷轉向以數據分析為導向的決策過程”。

2 智慧擴容建設現狀分析

近年來，隨著汽車數量的急劇增加，公眾出行需求呈現出井噴態勢，導致眾多高速公路的部分路段面臨嚴重的交通流量壓力，接近承載極限。據此，全國各地均已開展智慧公路相關建設。截至2023年12月，全國建設完成、在建和擬建的智慧公路超過100條，其中建設完成的智慧公路約70條，主要集中在華東、西南、華北三個區域。

2019年國慶期間，滬寧高速東橋與碩放樞紐通過動態開放應急車道、出口匝道信號控制等工程試點，實現了路段平均日交通量提升21.17%，路段平均車速增長14.5%，事故量減少29.6%，平均擁堵里程減少30.5%的應用效果[3]，有效證明了公路智慧擴容的有效性。

在需求與政策的雙重驅動下，另外以工程經驗為實踐佐證，推動交通繁忙的高速公路通道和區域網絡開展“智慧擴容”已成為未來一段時間公路信息化建設及交通強國“智慧高速”試點的新風口之一。

3 智慧擴容建設體系

智慧擴容的核心目的是提升通行能力和通過效率，其主要思路可總結為“點—線—面”的協同融合與協同管控。“點”指收費、服務區、隧道等關鍵節點、分合流口通行能力的提升；“線”主要是主線通行、分車道管控的工作；“網”即路網服務，布局“一張網”出行服務應用場景，實現對路網級交通流的主動誘導，協同調度路網資源。最終通過信息發布端完成交通流誘導，結合兩大評價體系，對高速公路智慧擴容建設成效進行評估。

4 智慧擴容關鍵技術

4.1 高速公路智慧擴容路網一體化關鍵技術研究

利用信息采集、接收、分析和發布系統，開展智慧擴容公路網一體化出行服務與保障技術研究，以此提升區域路網整體的交通承載能力和通行效率。

4.1.1 路網流量均衡

路網流量均衡策略分為兩大環節：首先是基于流量狀態轉移概率判定路網流量均衡策略的啟動時機，其次是路網級交通流主動誘導，均衡全路網交通流量，提升通行效率。針對兩大環節，本研究提出交通狀態預測策略和路網流量分配策略。

（1）高速公路交通狀態判定和預測

集成監測設備與檢測技術，全面采集高速公路主線及普通國省道連接段的實時交通狀態信息。利用數據分析技術，基于歷史交通流數據，精準訓練并預測高速公路交通運行狀態的轉移概率模型[4-5]。

（2）路網流量分配策略

結合同時段內同方向高速公路與普通國省道的車流量、占有率等關鍵指標的歷史數據，構建路網均衡的量化判定標準[6]。在此基礎上，實時比對高速公路與普通國省道的交通狀態，動態調整交通誘導策略，確保在必要時能夠迅速響應，引導車輛合理駛離即將飽和的高速公路段，更鼓勵進入適合引流的普通國省道，實現高速公路與普通國省道路網流量的高效、均衡分布。

4.1.2 高普協同管控策略

高普協同管控策略分為兩大環節：一是普通國省道至高速公路的接入管理，二是高速公路至普通國省道的分流調控。針對接入場景，本研究設計了上行節點放行優化方案；針對分流場景，則提出了分流誘導與信號協同優化的綜合策略。

（1）上行節點（匝道）放行策略

多層次匝道管控方案將匝道狀態分為3種，分別為匝道開放、匝道調節、匝道關閉；分別對應主線交通狀況為暢通、擁擠、堵塞3種狀態[7]。

其中，匝道調節狀態時，擬采用拉鏈式交替放行策略，控制進入主干匝道的車流量，進而控制匯入主線車輛數，并且兼顧次級匝道的放行。在匝道調節狀態，由動態調節算法決定放行相鄰匝道中的具體哪個匝道。

（2）分流誘導策略

基于收費站與下匝道的實時監測數據，分析判斷高普連接路段的擁堵狀況。隨后，臨接路段布設的可變信息標志將顯示“前方匝道擁堵”的警示信息，明確告知駕駛人至最近適宜駛出匝道的具體距離，有效引導欲離開高速公路主線的車輛選擇臨近匝道進行分流[8]。

（3）跨系統協同流量管理與信號優化

深化對進入普通國省道實時流量的監測，不僅聯動普通國省道主線信號設施，還應考慮與周邊路網、交通管理中心的協同。綜合分析多源數據，實現跨區域、跨系統的交通信號智能配時[9]，確保車輛進入普通國省道后的順暢行駛。另建立緊急情況下的快速響應機制，如發生突發事件導致道路擁堵時，能夠迅速調整信號配時，減少擁堵時間。

4.2 高速公路智慧擴容路段運行增效管理及控制方法

針對高速路網，同時兼顧普通國省道，針對大流量、交通事故等事故發生時，可一鍵激活應急預案，部署分配應急任務，指導應急處置工作，同時支持日常應急演練。

4.2.1 匝道主動管控策略

匝道主動管控區段的主要數據采集設備由視頻攝像頭、毫米波雷達、電子警察抓拍等多部分組成，基于主線和匝道匯入流量數據的分析，確定管控閾值[10]，進而制定匝道主動管控策略，而后由車道信號燈、車載播報、LED提示屏等設施進行管控信息發布。

定時限流管控：基于對歷史交通擁堵數據的深入分析，通過預測性的管理手段，在特定時段內對匝道進入的車輛數量進行控制，從而緩解高峰時段的交通壓力。

感應控制策略：該策略強調實時數據的動態響應，利用匝道上的感應設備實時監測交通流量，并根據實際情況靈活調整放行區段和時間，實現匝道的間歇放行，以最大限度地平衡主線與匝道之間的交通流量。

完全封閉措施：在極端交通擁堵或特定路網調度需求下，考慮完全封閉匝道的策略。結合路網流量均衡調度預案，適時執行匝道封閉，以全局視角優化整個路網的流量分布，確保交通系統的整體高效運行。

4.2.2 應急車道主動管控策略

應急車道主動管控策略利用毫米波雷達、電子警察抓拍等設備作為數據采集源，結合地圖服務、車載播報、應急車道信號燈、 LED提示屏等進行信息發布。

應急車道主動管控策略應首先基于主線流量數據的深入分析，設定流量閾值[11-12]，并據此明確應急車道開放的對象類型、具體時段以及開放區段，從而制定多情景下的應急車道的主動管控策略[13]。

定時開放管控：通過對歷史交通擁堵數據的分析，預設在特定時間段內自動開放應急車道的策略，以期在可預測的高峰期前有效緩解主線壓力。

感應控制策略：進一步利用實時交通數據，制定動態調整、間歇臨時分段開放[14]應急車道的方案，確保在流量波動時能夠迅速響應，靈活調配道路資源。

完全封閉措施：在非高峰時段或特定緊急情況下，如歷史數據顯示的低流量工況，或根據實時的交通監測結果，當應急車輛需要優先使用應急車道時，制定即時封閉應急車道的策略。

4.3 高速公路智慧擴容公路重要節點通行保暢關鍵技術

針對公路網絡中易于發生擁堵的關鍵節點，包括但不限于收費站、服務區、匝道以及長大橋梁等，探討智能化升級與智慧化改造手段。通過關鍵節點的優化升級，更有效地保障出行服務的流暢性，提升公路網絡的整體運行效率，支撐公路網絡提質增效目標。

4.3.1 智慧收費站點應用

將傳統高速公路收費流程與現代信息化技術，如機器視覺、大數據分析及物聯網等深度融合，構建一個高度自動化的智慧收費體系，增強了工作人員的業務處理能力，顯著提升了收費效率。

智慧收費模式的核心在于其運維管理系統的支撐，通過智能數據分析技術，能夠實時捕捉并處理關鍵信息，同時提供即時報警服務，確保監控中心能夠迅速響應各類情況[15]。此外，結合直達救援服務等措施，智慧收費模式有效強化了監控中心的監控、分析、預警、指揮及應急處置能力，為智能交通系統的持續優化與進步奠定了堅實基礎，共同推動“收費管理+智慧暢行”新型出行模式的形成與發展。

4.3.2 智慧服務區應用

在公路服務區智慧管控與便捷服務技術的研究中，通過融合大數據、云計算、人工智能、5G、VR、物聯網等技術，探索智慧停車、智慧充換電、預約服務等創新服務的應用[16]。

智慧停車系統能夠實時顯示車位信息，引導車輛快速找到停車位，減少停車等待時間；智慧充換電設施則通過充電預約、充電站布局優化、充電速度提升等措施，為電動汽車用戶提供更為便捷、高效的充電服務。此外，應實現實時監測預警周邊路網運行狀態、突發事件及惡劣天氣等信息，探索建立基于服務區的資源集中調度和應急救援服務體系，進一步提升公路服務區的應急響應能力和服務水平。

5 結語

公路智慧擴容作為應對交通擁堵、提升運營效率的關鍵策略，展現出巨大的發展潛力與現實意義。本文深入剖析了智慧擴容的內涵、現狀及其體系建設需求，強調了其在增強公路通行能力、優化交通管理、保障安全等方面的重要作用。展望未來，結合車路云、自動駕駛、智能管控平臺的發展和應用，智慧高速公路將實現道路容量的顯著躍升，重塑出行體驗與安全標準。

參考文獻：

[1]財政部，交通運輸部.支持引導公路水路交通基礎設施數字化轉型升級[J].中國設備工程，2024（10）：1.

[2]楊陽，石英杰.滬寧高速公路智慧擴容內涵及實現路徑[J].公路，2021，66（08）：271-274.

[3]楊陽，劉強，石英杰.高速公路飽和路段動態應急車道開放決策模型研究[J].公路工程，2022，47（03）：172-176.

[4]劉春生.基于門架數據的高速公路交通狀態評估與預測研究[D].濟南：山東建筑大學，2024.

[5]李冬雪.基于機器學習的道路交通狀態判別與預測研究[D].貴州：貴州大學，2024.

[6]桑美英.高速公路路網分配模型構建技術及流量分析[J].中國交通信息化，2019（02）：101-104.

[7]謝智英，羅石貴.基于多級交通協同管控策略的智慧高速公路典型場景仿真與評價研究[J].公路，2024，69（09）：186-196.

[8]張曉田.高速公路網絡交通誘導分流方法研究[D].南京：東南大學，2018.

[9]宋靜靜.主干線交通信號協調控制優化研究[J].科技創新與應用，2024，14（31）：153-156.

[10]張萬銘.智能網聯環境下高速公路合流瓶頸路段協同管控方法研究[D].南京：東南大學，2023.

[11]JENIOR P， SCHROEDER B J， DOWLING R G， et al. Decision support framework and parameters for dynamic part-time shoulder use： considerations for opening freeway shoulders for travel as a traffic management strategy[R]. United States：Federal Highway Administration，2019.

[12]王艷紅，劉銅，趙玉璽，等.基于VISSIM的高速公路虛擬應急車道建模研究[J].科技和產業，2024，24（04）：165-171.

[13]崔妍，劉東.北京市朝陽路可變車道交通組織研究[J].道路交通與安全，2006（09）：21-24.

[14]Aron M， Cohen S， Seidowsky R. Two French Hard-Shoulder Running operations： Some comments on effectiveness and safety[C]//13th International IEEE Conference on Intelligent Transportation Systems. IEEE， 2010： 230-236.

[15]孫婧.高速公路收費的進階之路——智慧收費站建設探討[J].中國交通信息化，2024（06）：18-24.

[16]郝穎.高速公路服務區智慧化建設研究[J].智慧中國，2024（06）：72-73.