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我國(guó)高速公路運(yùn)行態(tài)勢(shì)分析方法探討
【摘要】通過(guò)分析我國(guó)高速公路管理現(xiàn)狀中存在的問(wèn)題，從運(yùn)行態(tài)勢(shì)分析的角度，探討針對(duì)不同組織形式、交叉類型的高速公路運(yùn)行狀態(tài)分析方法，預(yù)測(cè)未來(lái)一定周期內(nèi)高速公路的運(yùn)行態(tài)勢(shì)，綜合考慮氣象、照明等因素的影響，及時(shí)發(fā)現(xiàn)事故，并根據(jù)預(yù)先制定的應(yīng)急救援方案，實(shí)時(shí)做出調(diào)整，提升事故現(xiàn)場(chǎng)的救援能力，同時(shí)也為高速公路誘導(dǎo)出行提供決策依據(jù)。
【關(guān)鍵詞】運(yùn)行態(tài)勢(shì) 事故應(yīng)急救援方案 誘導(dǎo)出行 狀態(tài)分析方法
一、概述
近年來(lái)，我國(guó)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(yuǎn)不如發(fā)達(dá)國(guó)家，重特大交通事故更是居高不下。導(dǎo)致我國(guó)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(guó)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(shí)現(xiàn)多元化數(shù)據(jù)采集和信息的及時(shí)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(gè)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(jìn)展相對(duì)緩慢。因此，高速公路交通安全與暢通已經(jīng)成為我國(guó)一項(xiàng)重大社會(huì)和民生問(wèn)題。
二、我國(guó)高速公路管理現(xiàn)狀
我國(guó)高速公路管理普遍存在管理制度不明晰、管理人員職責(zé)不清、無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)事故現(xiàn)場(chǎng)及無(wú)應(yīng)急預(yù)案或預(yù)案過(guò)于形式化、無(wú)法針對(duì)事故做出及時(shí)有效措施等等一些問(wèn)題，究其根源為“建、管、用”不匹配，才會(huì)導(dǎo)致實(shí)際管理過(guò)程中出現(xiàn)的一系列問(wèn)題，歸納主要有以下五個(gè)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(diǎn)多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，隸屬多個(gè)公司管理，管理架構(gòu)復(fù)雜，管理上既需要對(duì)全部路網(wǎng)的整體運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)了解和把握，又需要能夠?qū)Σ煌\(yùn)營(yíng)單位的路段流量能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確掌握。
2.2貨運(yùn)交通發(fā)達(dá)，過(guò)境、重載交通比重大，車輛構(gòu)成復(fù)雜，社會(huì)影響大
在一些過(guò)境交通中，特別是經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快的地市，產(chǎn)業(yè)加速集聚和擴(kuò)張，公路貨運(yùn)量呈現(xiàn)急劇增長(zhǎng)的趨勢(shì)，高速公路承載的負(fù)荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了設(shè)計(jì)負(fù)荷，面臨加速損壞的風(fēng)險(xiǎn)。
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(xí)慣性會(huì)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(yùn)”、“黃金周”等節(jié)假日期間，全國(guó)各大高速免費(fèi)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(zhǎng)使得節(jié)假日期間高速公路交通供需矛盾嚴(yán)重激化。“人滿為患，車流成河”成為高速公路假日期間運(yùn)行狀況的真實(shí)寫照。
2.4事故發(fā)現(xiàn)和應(yīng)急處理能力不足，無(wú)應(yīng)急救援方案
在擁堵?tīng)顟B(tài)下，交通事故等各類突發(fā)事件的發(fā)生機(jī)率大大增加，給人民生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重威脅。此外，路網(wǎng)擁堵還會(huì)造成燃油消耗加大，加重環(huán)境污染等諸多負(fù)面影響，帶來(lái)嚴(yán)重的社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失，不利于社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(yùn)輸效率、環(huán)境污染和能源消耗等問(wèn)題已經(jīng)受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。對(duì)高速監(jiān)控力度不夠，造成對(duì)事故的感知程度不高，應(yīng)急處理能力亦遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上。
2.5“特殊情況”沒(méi)有進(jìn)行特殊處理措施或預(yù)案
沒(méi)有形成針對(duì)霧霾、冰雪等特殊氣候條件的預(yù)案，譬如說(shuō)京港澳高速全年多霧霾，尤其秋季，能見(jiàn)度對(duì)暢通通行影響極大。此外，雨雪天氣會(huì)產(chǎn)生路面結(jié)冰，能見(jiàn)度下降等問(wèn)題，容易發(fā)生側(cè)滑、追尾等事故。
三、高速公路運(yùn)行狀態(tài)判別方法
針對(duì)上述問(wèn)題，須提出一個(gè)合理的方法，不僅能夠有效地誘導(dǎo)駕駛員出行，還能夠?qū)Ω咚俟愤\(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)管，有效尋找事故黑點(diǎn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)事故現(xiàn)場(chǎng)，提升應(yīng)急救援能力。
近幾年，全國(guó)各地引入城市道路交通運(yùn)行指數(shù)概念，用感知數(shù)據(jù)分析整個(gè)城市交通運(yùn)行狀態(tài)，從而有效指導(dǎo)駕駛員出行。同理，交通運(yùn)行指數(shù)的概念同樣也適用于高速公路，對(duì)高速公路的交通單元(路段、交織區(qū)、匝道區(qū)等)的運(yùn)行態(tài)勢(shì)分別建立速度、密度、飽和度運(yùn)行指數(shù)TPI(traffic performance index)模型，道路交通運(yùn)行指數(shù)TPI是綜合反映道路網(wǎng)交通運(yùn)行狀況的指標(biāo)，是對(duì)交通擁堵在空間、時(shí)間、強(qiáng)度等方面特征的綜合化、簡(jiǎn)單化描述。
(1)高速公路路段運(yùn)行分析。路段的運(yùn)行狀態(tài)可用地點(diǎn)車速、密度、飽和度分別進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算的結(jié)果采納優(yōu)先級(jí)：速度>密度>飽和度，即當(dāng)有速度TPI時(shí)不采用其他計(jì)算值，如果沒(méi)有采用密度TPI計(jì)算值，如果速度、密度都沒(méi)有就采用飽和度TPI計(jì)算值。
(2)高速公路交織區(qū)運(yùn)行態(tài)勢(shì)分析。對(duì)于高速公路交織區(qū)的運(yùn)行態(tài)勢(shì)，以交織車速和非交織車速作為TPI計(jì)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(guò)非交織車道的平均速度算得，這要求每一車道都要有測(cè)速裝置，上表的閾值表針對(duì)設(shè)計(jì)速度為120km/h的高速公路，其他設(shè)計(jì)速度類型的原理類似。
(3)高速公路互通立交匝道與主線點(diǎn)運(yùn)行態(tài)勢(shì)分析。對(duì)于匝道與主線點(diǎn)的TPI采用飽和度進(jìn)行計(jì)算，計(jì)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(yàn)點(diǎn)交通量
(4)高速公路交通運(yùn)行態(tài)勢(shì)短時(shí)預(yù)測(cè)。基于運(yùn)行指數(shù)TPI的交通短時(shí)預(yù)測(cè)。交通短時(shí)預(yù)測(cè)是以交通單元TPI為基礎(chǔ)交通參數(shù)，通過(guò)預(yù)測(cè)算法預(yù)測(cè)下一周期或時(shí)刻的交通單元TPI。在此采用的是改進(jìn)的時(shí)間序列模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，主要是根據(jù)地點(diǎn)車速特殊性來(lái)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(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。
(5)高速公路交通事件檢測(cè)。交通事件主要?jiǎng)澐譃橐伤茡矶�、擁堵和事件三類。根�?jù)交警部門的實(shí)際需求，對(duì)于高速公路關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)(服務(wù)區(qū)、匝道交織區(qū))的情況一般檢測(cè)入口方向的疑似擁堵、擁堵和異常事件，對(duì)于路段的情況一般檢測(cè)事件。
對(duì)于關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)交通單元有持續(xù)2個(gè)以上(含兩個(gè))的檢測(cè)周期或者該路口以較高周期較高飽和度運(yùn)行，即TPI≥8時(shí)的可初步判定為疑似擁堵。
對(duì)于路段的事件：路段(排除處于節(jié)點(diǎn)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(gè)以上(含兩個(gè))的檢測(cè)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(shuō)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(shí)情況和歷史數(shù)據(jù)確定。
(6)霧霾、雨雪天氣交通運(yùn)行態(tài)勢(shì)分析。由于特殊天氣交通運(yùn)行指數(shù)較難以測(cè)得(例如在大霧天氣，視頻檢測(cè)器檢測(cè)精度很低)，根據(jù)能見(jiàn)度和路面濕滑度的檢測(cè)值，對(duì)交通狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，需對(duì)歷史的正常天氣TPI進(jìn)行折減處理。
高速公路運(yùn)行狀態(tài)的信息化管理，不僅能夠起到誘導(dǎo)高速出行的效果，還能夠第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)事故現(xiàn)場(chǎng)，指導(dǎo)救援行動(dòng)，也為節(jié)假日高峰出行提供引導(dǎo)管理決策依據(jù)。
四、基礎(chǔ)信息獲取
為保證高速公路交通參數(shù)檢測(cè)的準(zhǔn)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(cè)器，根據(jù)現(xiàn)有的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)檢測(cè)器的應(yīng)用情況，結(jié)合高速公路自身特征，可選檢測(cè)器主要有地磁車輛檢測(cè)器、微波檢測(cè)器，用于獲取高速公路的車輛存在檢測(cè)、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(guò)視頻、微波、地磁、線圈、卡口等檢測(cè)器獲得，流量的采集要求分車道、分車輛類型進(jìn)行。有的檢測(cè)器能識(shí)別車輛類型，有的不能，在安裝檢測(cè)器的時(shí)候要考慮到這一點(diǎn)，并區(qū)別對(duì)待，對(duì)檢測(cè)到的流量標(biāo)準(zhǔn)換算成pcu單位。
標(biāo)準(zhǔn)流量：
車輛換算系數(shù)(f)見(jiàn)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(diǎn)車速。視頻、微波能夠直接檢測(cè)到地點(diǎn)車速，地磁和線圈通過(guò)兩個(gè)組合使用也可以檢測(cè)到地點(diǎn)車速，在檢測(cè)的時(shí)候以中間車道為準(zhǔn)，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(cè)器無(wú)法直接獲得路段上的車流密度，可通過(guò)出入量法用流量進(jìn)行換算，換算公式如下：
K(t)―t時(shí)刻的路段AB上的密度;
LAB―路段AB的長(zhǎng)度;
E(t)―t時(shí)刻的路段AB上的現(xiàn)有車輛數(shù);
E(t0)―t0時(shí)刻的路段AB上的現(xiàn)有車輛數(shù);
QA(t)―t時(shí)刻的路段A駛?cè)肼范蜛B的車輛數(shù);
QB(t)―t時(shí)刻的路段B駛出路段AB的車輛數(shù);
(4)排隊(duì)長(zhǎng)度。排隊(duì)長(zhǎng)度可用專門的視頻和微波檢測(cè)器檢測(cè)獲得，也可在必要位置順序安裝地磁或線圈檢測(cè)排隊(duì)長(zhǎng)度。
(5)能見(jiàn)度。以中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安光所一項(xiàng)科研成果HW-N1型前向散射式能見(jiàn)度儀為檢測(cè)設(shè)備，構(gòu)建能見(jiàn)度檢測(cè)系統(tǒng)，閥值如下：
對(duì)相應(yīng)的高速公路路段實(shí)行一級(jí)至三級(jí)管制：低于50米，不能保障車輛安全通行時(shí)，啟動(dòng)一級(jí)管制，實(shí)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(shí)，實(shí)行二級(jí)管制，限速40公里/小時(shí);100米至200米，實(shí)行三級(jí)管制，限速60公里/小時(shí)。
(6)路面濕滑度。先進(jìn)的基于機(jī)器視覺(jué)濕滑度視頻檢測(cè)器可以對(duì)道路濕滑度進(jìn)行檢測(cè);也可通過(guò)氣象部門或人工檢測(cè)等手段檢測(cè)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(jí)
0.35≤F<0.5 稍差 潮濕;降雨天氣，積水 2級(jí)
0.2≤F<0.35 較差 松散雪;斑駁冰;霜 3級(jí)
F<0.2 很差 嚴(yán)寒季節(jié);壓實(shí)雪或冰層 4級(jí)
(7)其他信息。氣象部門信息，采集高速公路所屬區(qū)域的當(dāng)前和未來(lái)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(guò)各種渠道采集交通事件信息，包括路面檢測(cè)器檢測(cè)的交通擁堵、人工報(bào)告信息、交通運(yùn)輸事件、城市管理事件、接處警交通事件、手機(jī)app采集事件等。
交通管制信息，主要是通過(guò)采集各部門的交通管制信息，包括道路施工、養(yǎng)護(hù)、管制、重大活動(dòng)路線、特勤路線、重要地點(diǎn)的交通標(biāo)志標(biāo)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(shí)疏散區(qū)域內(nèi)的其他社會(huì)車輛。
五、結(jié)語(yǔ)
本文主要針對(duì)我國(guó)高速公路管理不規(guī)范的現(xiàn)狀，分析高速公路管理常見(jiàn)的一些問(wèn)題，從交通運(yùn)行狀態(tài)信息化管理的角度，探討不同類型高速公路運(yùn)行狀態(tài)分析、交通預(yù)測(cè)及事故發(fā)現(xiàn)與應(yīng)急救援等方法，并提出實(shí)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(duì)我國(guó)高速公路規(guī)范化管理提出了新的需求。
參考文獻(xiàn)：
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