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我國高速公路運行態(tài)勢分析方法探討
【摘要】通過(guò)分析我國高速公路管理現狀中存在的問(wèn)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(lèi)型的高速公路運行狀態(tài)分析方法，預測未來(lái)一定周期內高速公路的運行態(tài)勢，綜合考慮氣象、照明等因素的影響，及時(shí)發(fā)現事故，并根據預先制定的應急救援方案，實(shí)時(shí)做出調整，提升事故現場(chǎng)的救援能力，同時(shí)也為高速公路誘導出行提供決策依據。
【關(guān)鍵詞】運行態(tài)勢 事故應急救援方案 誘導出行 狀態(tài)分析方法
一、概述
近年來(lái)，我國高速公路建設速度較快，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(mén)缺乏與其他部門(mén)的信息共享，不能實(shí)現多元化數據采集和信息的及時(shí)有效分析與應用。處理應急事件也常常單兵作戰，跨部門(mén)協(xié)作困難。2008年初，由于連遭低溫冰雪天氣，引發(fā)21個(gè)省市自治區大量車(chē)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(chē)，造成近5000車(chē)次堵車(chē)，給附近村莊造成損失，事故發(fā)生近百起，疏散進(jìn)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(huì )和民生問(wèn)題。
二、我國高速公路管理現狀
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(wú)法及時(shí)發(fā)現事故現場(chǎng)及無(wú)應急預案或預案過(guò)于形式化、無(wú)法針對事故做出及時(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 )導致實(shí)際管理過(guò)程中出現的一系列問(wèn)題，歸納主要有以下五個(gè)方面：
2.1路網(wǎng)種類(lèi)多，涉及部門(mén)廣，管理分散
高速公路網(wǎng)節點(diǎn)多、結構復雜，隸屬多個(gè)公司管理，管理架構復雜，管理上既需要對全部路網(wǎng)的整體運行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)了解和把握，又需要能夠對不同運營(yíng)單位的路段流量能夠實(shí)時(shí)準確掌握。
2.2貨運交通發(fā)達，過(guò)境、重載交通比重大，車(chē)輛構成復雜，社會(huì )影響大
在一些過(guò)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，公路貨運量呈現急劇增長(cháng)的趨勢，高速公路承載的負荷遠遠超出了設計負荷，面臨加速損壞的風(fēng)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(xiàn)擁擠不堪，次干線(xiàn)流量稀少。在出行中，大多數駕駛員習慣性會(huì )選擇走主干線(xiàn)，致使高速公路交通流分布不均衡，主干線(xiàn)擁擠不堪，次線(xiàn)流量稀少。
此外，“春運”、“黃金周”等節假日期間，全國各大高速免費通行，交通流量激增，大規模集中出行，以及車(chē)流高峰期的延長(cháng)使得節假日期間高速公路交通供需矛盾?chē)乐丶せ?ldquo;人滿(mǎn)為患，車(chē)流成河”成為高速公路假日期間運行狀況的真實(shí)寫(xiě)照。
2.4事故發(fā)現和應急處理能力不足，無(wú)應急救援方案
在擁堵?tīng)顟B(tài)下，交通事故等各類(lèi)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(lái)嚴重威脅。此外，路網(wǎng)擁堵還會(huì )造成燃油消耗加大，加重環(huán)境污染等諸多負面影響，帶來(lái)嚴重的社會(huì )經(jīng)濟損失，不利于社會(huì )經(jīng)濟的可持續發(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(wèn)題已經(jīng)受到社會(huì )各界的廣泛關(guān)注。對高速監控力度不夠，造成對事故的感知程度不高，應急處理能力亦遠遠跟不上。
2.5“特殊情況”沒(méi)有進(jìn)行特殊處理措施或預案
沒(méi)有形成針對霧霾、冰雪等特殊氣候條件的預案，譬如說(shuō)京港澳高速全年多霧霾，尤其秋季，能見(jiàn)度對暢通通行影響極大。此外，雨雪天氣會(huì )產(chǎn)生路面結冰，能見(jiàn)度下降等問(wèn)題，容易發(fā)生側滑、追尾等事故。
三、高速公路運行狀態(tài)判別方法
針對上述問(wèn)題，須提出一個(gè)合理的方法，不僅能夠有效地誘導駕駛員出行，還能夠對高速公路運行狀態(tài)進(jìn)行監管，有效尋找事故黑點(diǎn)，及時(shí)發(fā)現事故現場(chǎng)，提升應急救援能力。
近幾年，全國各地引入城市道路交通運行指數概念，用感知數據分析整個(gè)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、匝道區等)的運行態(tài)勢分別建立速度、密度、飽和度運行指數TPI(traffic performance index)模型，道路交通運行指數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(shí)間、強度等方面特征的綜合化、簡(jiǎn)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(diǎn)車(chē)速、密度、飽和度分別進(jìn)行計算，計算的結果采納優(yōu)先級：速度>密度>飽和度，即當有速度TPI時(shí)不采用其他計算值，如果沒(méi)有采用密度TPI計算值，如果速度、密度都沒(méi)有就采用飽和度TPI計算值。
(2)高速公路交織區運行態(tài)勢分析。對于高速公路交織區的運行態(tài)勢，以交織車(chē)速和非交織車(chē)速作為T(mén)PI計算參數。交織速度為交織車(chē)道的平均速度，非交織速度可通過(guò)非交織車(chē)道的平均速度算得，這要求每一車(chē)道都要有測速裝置，上表的閾值表針對設計速度為120km/h的高速公路，其他設計速度類(lèi)型的原理類(lèi)似。
(3)高速公路互通立交匝道與主線(xiàn)點(diǎn)運行態(tài)勢分析。對于匝道與主線(xiàn)點(diǎn)的TPI采用飽和度進(jìn)行計算，計算以駛入匝道構造類(lèi)型為例(其他構造類(lèi)型類(lèi)似)。如圖1所示，V1為主線(xiàn)最右側交通量，Vo為分離交通量，Vi為匯入交通量，Vm為匯入后主線(xiàn)總的交通量。
圖1 在前接駛出匝道的駛入匝道處檢驗點(diǎn)交通量
(4)高速公路交通運行態(tài)勢短時(shí)預測�；谶\行指數TPI的交通短時(shí)預測。交通短時(shí)預測是以交通單元TPI為基礎交通參數，通過(guò)預測算法預測下一周期或時(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)行預測，主要是根據地點(diǎn)車(chē)速特殊性來(lái)制定模型的，包括5分鐘、10分鐘、15分鐘和30分鐘的近期交通預測數據。
(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(lèi)。根據交警部門(mén)的實(shí)際需求，對于高速公路關(guān)鍵節點(diǎn)(服務(wù)區、匝道交織區)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)鍵節點(diǎn)交通單元有持續2個(gè)以上(含兩個(gè))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(shí)的可初步判定為疑似擁堵。
對于路段的事件：路段(排除處于節點(diǎn)緩沖區內的路段)平均車(chē)速小于其擁擠速度閾值，且持續2個(gè)以上(含兩個(gè))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、交織區、匝道結合處)的速度和流量曲線(xiàn)急劇下降，且密度曲線(xiàn)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，具體閾值根據現實(shí)情況和歷史數據確定。
(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)，根據能見(jiàn)度和路面濕滑度的檢測值，對交通狀態(tài)進(jìn)行評估，需對歷史的正常天氣TPI進(jìn)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(shí)間發(fā)現事故現場(chǎng)，指導救援行動(dòng)，也為節假日高峰出行提供引導管理決策依據。
四、基礎信息獲取
為保證高速公路交通參數檢測的準確性，需要在高速公路出入口或匝道布設一定數量的檢測器，根據現有的國內市場(chǎng)檢測器的應用情況，結合高速公路自身特征，可選檢測器主要有地磁車(chē)輛檢測器、微波檢測器，用于獲取高速公路的車(chē)輛存在檢測、流量、占有率、速度等參數。數據獲取如下：
(1)流量。流量數據可通過(guò)視頻、微波、地磁、線(xiàn)圈、卡口等檢測器獲得，流量的采集要求分車(chē)道、分車(chē)輛類(lèi)型進(jìn)行。有的檢測器能識別車(chē)輛類(lèi)型，有的不能，在安裝檢測器的時(shí)候要考慮到這一點(diǎn)，并區別對待，對檢測到的流量標準換算成pcu單位。
標準流量：
車(chē)輛換算系數(f)見(jiàn)下表1所示。
表1 車(chē)輛換算系數表
車(chē)輛類(lèi)型 摩托車(chē) 三輪車(chē) 小客車(chē) 中型車(chē) 大型車(chē) 鉸接車(chē)(拖掛)
換算系數 0.4 0.6 1.0 1.5 2.0 3.0
(2)地點(diǎn)車(chē)速。視頻、微波能夠直接檢測到地點(diǎn)車(chē)速，地磁和線(xiàn)圈通過(guò)兩個(gè)組合使用也可以檢測到地點(diǎn)車(chē)速，在檢測的時(shí)候以中間車(chē)道為準，剔除左右側的快速車(chē)道和慢車(chē)道的速度數據。
(3)路段車(chē)流量密度。目前的檢測器無(wú)法直接獲得路段上的車(chē)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(cháng)度;
E(t)―t時(shí)刻的路段AB上的現有車(chē)輛數;
E(t0)―t0時(shí)刻的路段AB上的現有車(chē)輛數;
QA(t)―t時(shí)刻的路段A駛入路段AB的車(chē)輛數;
QB(t)―t時(shí)刻的路段B駛出路段AB的車(chē)輛數;
(4)排隊長(cháng)度。排隊長(cháng)度可用專(zhuān)門(mén)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(xiàn)圈檢測排隊長(cháng)度。
(5)能見(jiàn)度。以中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安光所一項科研成果HW-N1型前向散射式能見(jiàn)度儀為檢測設備，構建能見(jiàn)度檢測系統，閥值如下：
對相應的高速公路路段實(shí)行一級至三級管制：低于50米，不能保障車(chē)輛安全通行時(shí)，啟動(dòng)一級管制，實(shí)行全線(xiàn)或局部路段封閉的管制措施;50米至100米，不能保障車(chē)輛安全通行時(shí)，實(shí)行二級管制，限速40公里/小時(shí);100米至200米，實(shí)行三級管制，限速60公里/小時(shí)。
(6)路面濕滑度。先進(jìn)的基于機器視覺(jué)濕滑度視頻檢測器可以對道路濕滑度進(jìn)行檢測;也可通過(guò)氣象部門(mén)或人工檢測等手段檢測得到。
表2 高速公路路面濕滑指數分類(lèi)表
摩擦系數范圍 路面抗滑性能 路面濕滑狀況描述 路面濕滑指數
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;壓實(shí)雪或冰層 4級
(7)其他信息。氣象部門(mén)信息，采集高速公路所屬區域的當前和未來(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(guò)采集各部門(mén)的交通管制信息，包括道路施工、養護、管制、重大活動(dòng)路線(xiàn)、特勤路線(xiàn)、重要地點(diǎn)的交通標志標線(xiàn)(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(chē)輛信息，便于在高速區域內圍追堵截，以及及時(shí)疏散區域內的其他社會(huì )車(chē)輛。
五、結語(yǔ)
本文主要針對我國高速公路管理不規范的現狀，分析高速公路管理常見(jiàn)的一些問(wèn)題，從交通運行狀態(tài)信息化管理的角度，探討不同類(lèi)型高速公路運行狀態(tài)分析、交通預測及事故發(fā)現與應急救援等方法，并提出實(shí)現這些功能所需要的基礎信息獲取渠道，在一定程度上為高速公路管理決策提供依據，也對我國高速公路規范化管理提出了新的需求。
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