基于GPS定位器的高速公路養護區安全容錯能力研究

馬志怡 李昕瑩

摘要：在高速公路迅速發展的當下，養護工作也不容忽視，由于長期的車輛碾壓、惡劣天氣破壞，引發路面變形、龜裂、綠化帶受損等病害，如果不及時修復，久而久之不僅會影響車輛的正常行駛，甚至發生嚴重的交通事故。本文關注于高速公路養護區安全容錯能力的提升，利用GPS的定位作用向駕駛人員實時提供養護區的位置，從而對危險預判并采取相應的應急措施。

關鍵詞：安全容錯；GPS定位系統；車路協同

一、概述

高速公路飛速發展的今天，越來越多的人們選擇高速出行，不僅節省了時間，還提升了旅途的舒適性。但是隨著公路使用時間的增長，公路病害會不斷出現，甚至引發交通事故，小問題如果不及時解決會對將來埋下禍患。所以對高速公路進行定期養護尤為重要。

在高速公路養護作業中，養護人員身處一種不封閉的空間下進行各種各樣的養護工作，即使有警示標志牌等安全提示標志，對于高速公路復雜的交通環境，現場的工作人員面臨著未知的高風險。與此同時，由于養護工作需要占用一定數量的車道，導致道路通行能力的降低、道路事故率的上升、汽車燃料的額外消耗以及交通擁擠和車輛延誤等，使道路服務水平降低，使用者的用戶費用急劇增加[1]。因此，提升高速公路養護區安全容錯能力刻不容緩。本文主要基于GPS的定位作用對高速公路養護區段進行定位，并且實時發送給一定范圍內的車主，提醒駕駛員及時減速、變道。

從施工人員角度來看，養護路段信息的實時更新使得他們在工作過程中不必過多擔心自己的安全問題，信息的有效傳遞為工作人員營造良好的工作環境，從而減少了養護區內交通事故、提升道路通行能力、改善道路交通環境[2]。從駕駛員角度來看，高速公路養護路段信息化讓充滿隨機性的道路狀況變得透明化，可預見化。讓駕駛員能夠提前預判，從而采取避讓或者減速小心謹慎駕駛等措施，規避不安全事故的發生。此外這種信息化的服務還使得出行者獲得了更好的駕駛體驗。

與一般路段相比，高速公路的養護作業區往往是交通事故多發區域，交通事故不僅造成人員傷亡，車輛的損壞，還將對主路和輔路的多個車道造成很大影響，甚至影響整個交通系統的運行[2]。從社會經濟效益角度來講，提升高速公路養護區的安全容錯能力，能夠減小因為養護施工引起的交通事故帶來的經濟損失，具有廣闊的前景和現實意義。

二、研究內容與方法

（一）高速公路養護區運行安全現狀

1.1 高速路養護區事故高發區段

高速公路養護作業區可分為有提前警告區、上游過渡區、緩沖區、工作區、下游過渡區，終止區等6個控制區[1]。如圖1所示。

國內外研究表明，養護作業區交通事故的分布不太均衡，因此，目前對最危險區域的定位尚未作出決定。Pigman和Agent，Garber和Zhao等的分析結果顯示養護作業區交通事故大多發生在工作區。Meng和Wenglg的研究表明養護作業區的交通事故主要發生在過渡區和工作區，而Nemeth和Migletz的分析表明40%的交通事故發生在緩沖區，只有17% 的交通事故發生在工作區。2015年，同濟大學賀文雅等人利用實測數據分析得到作業區的上游過渡區段更易發生交通事故。

綜上，高速公路養護作業區事故主要發生在上游過渡區、緩沖區和作業區。其中上游過渡區和緩沖區是事故高發點。

研究進一步表明，多數養護作業區事故發生在雙車道高速公路上，少數發生在多車道公路上[3]。

1.2 高速路養護區事故發生的原因

從1981年Har-groves到2007年江蘇大學于英等人研究分析高速公路養護作業區交通事故產生的原因，得出的結論如下：

高速公路養護作業區事故發生的原因主要有交通標志不清晰、車速過高、駕駛員操作失誤、強行超車、環境因素、養護施工影響和其他因素等。其中各部分占比如下圖2所示[4]。

其中，駕駛員操作失誤還可具體劃分為駕駛員注意力不集中、酒后駕駛、車道行駛出錯、無視交通信號、跟隨駕駛等。

從宏觀方面來看，我國高速公路養護作業區內發生作業人員傷亡、交通事故的因素有[5]：

（1）制度缺失，主要表現在施工管理不規范，缺乏重視，沒有與其他制度形成體系；

（2）力量薄弱，養護的技術欠佳；

（3）設施及技術落后，造成養護不科學；

（4）資金不足，路況較差；

（5）缺乏智能化、信息化的管理方法。

綜上，人為方面的原因主要有經驗認知不夠、能力不足、思想認識不到位和態度不積極等；制度方面的原因主要是制度不合理、不完善等。

（二）高速公路智能化程度

2.1車路協同系統

車路協同系統近年來備受關注，此系統利用信息處理、定位導航、通信、電子傳感、人工智能、計算機等眾多技術來獲取車輛和道路信息。V2X是實現車路協同的關鍵技術，它借助新一代信息通信技術將車與一切事物相連接，而C-V2X是指借助3G/4G/5G等蜂窩網技術，實現車與車、車與路、車與人、車與網絡的全方位網絡連接。在車路協同場景下，可提供給公眾的服務包括：在道路交叉口、合流區、彎道等事故多發地段，為行駛車輛提供視野盲區內的交通信息、車輛行駛信息等；將道路數據與交通標牌信息發送給車輛，對車輛進行及時提醒；及時通知道路行駛車輛，為緊急車輛讓行等。車路協同目前尚處于研發階段，應用場景仍不很明晰，隨著智慧化進程的快速發展，智能車路協同一定會為公眾提供更多良好的信息服務[6]。

2.2 GPS系統

羅沂選取了哈爾濱環城高速作為實驗地點，利用高精度的GPS設備獲取到駕駛行為軌跡和視頻數據，通過處理后得到駕駛行為表征參數，并對四種跟馳行為進行了詳細分析，最后運用隱馬爾可夫模型理論構建了駕駛行為識別模型，并對模型進行了測試與檢驗。最終使模型能準確識別出駛出換道行為和駛回換道行為[7]。

任乾華，張鐸將GPS的坐標信息和拍攝的視頻相結合，然后通過移動互聯網將車輛的地理位置和相應的交通狀況無線傳輸給監控中心，通過這樣的技術，就能實現高效、準確的處理高速公路發生的交通事故以及現場指揮，同時還能實時監控和出發預報針對駕駛員在高速公路行駛中出現的違規違法行為，這樣不僅可以有效的確保高速公路暢通以及過往車輛的安全，避免發生不必要的糾紛事件[8]。

（三）高速公路養護區安全容錯能力方法研究

3.1容錯的設計原則

安全容錯實際的基本的原則就是寬容性。這個理念最早是由美國工程師協會在二十世紀末提出的。寬容性的設計理念認為：駕駛員的過錯不應以犧牲生命為代價，應采用有效合理的措施預防交通事故的發生，即便發生了事故，也應采取一切辦法將事故造成的傷害降到最小。它的核心思想是以人為本，如果駕駛員在行車途中，犯了錯誤，他的過錯也不至于以犧牲掉自己的生命為代價，道路應為其提供糾錯的機會。此理念的特點是改變了以前駕駛員被動適應道路的狀況，以人為本，讓路更好的為人服務。

道路設計人員應從使用者的角度出發，對潛在的風險進行分析預判，盡可能的規避風險，在道路的寬容性設計上做出改變，從而提高道路交通安全。針對高速公路養護作業區，寬容設計可以從以下三個方面入手：

（1）設置主動預警提醒，正確指引車輛。在車輛駛入養護作業區以前，設置交通路況牌及時告知駕駛員前方道路信息，方便駕駛員及時做出駕駛決策，安全行駛直至通過養護作業區。

（2）發生小事故時避免車損。當車輛發生較小的交通事故時，要避免由于失誤發生二次事故而讓車輛遭受到嚴重破壞，如：誤撞路邊防護欄、誤撞尖銳路標、誤開進水溝等。因此，養護作業區內路標材料的選擇就顯得非常重要。

（3）發生大事故避免傷人。當發生大事故或特大事故時，應盡全力保障人員安全。在比較危險的地方，設置護欄，防撞設施等，避免由于駕駛人操作失誤而造成車毀人亡，最大限度保護車內及道路養護工作人員的生命安全[2]。

3.2容錯簡介及方法

容錯技術起源于計算機，最初的計算機由于其自身物理缺陷，內部軟件計算常常出錯，因此，計算機界的專家們就必須研究出各類的容錯方法以確保計算機系統的正常運行。Avienis首次給出容錯的定義：即使系統不夠完善，其內部程序仍然能夠正常運行。本文所提的“容錯”主要就是能夠讓高速公路養護作業區的交通及道路設施對駕駛人在行駛的過程中出現的“錯”具有包容性，但這里的“錯”并不是指的是駕駛人所有的錯誤，例如：超速行駛、飆車等。而是在駕駛過程中由于判斷失誤二出現的駕駛失誤。容錯的手段主要是通過交通標志，道路標線等來體現駕駛人改正行駛過程中的“錯”，使其按照理想駕駛路線正確駕駛。容錯能力研究是以公路交通設施的“排錯”技術為先決條件，通過對公路交通設施本身的“排錯”，使得公路交通設施具有容錯能力。交通安全容錯是一個系統的工程，它并不是簡單的通過某一個交通管理措施或者某一類安全措施來實現的，而是需要交通安全設施和交通安全教育聯合起來，相互促進、相輔相成，最終達到提高道路安全容錯能力的效果的。

由上述部分可知，提高高速公路養護作業區安全容錯能力對于安全行車有著重要的意義。安全容錯技術以冗余技術為基礎，可以利用冗余技術來實現。根據資源的不同，交通設施的冗余設計可以分為硬件冗余和軟件冗余。

（1）硬件冗余

高速公路硬件主要指的是高速公路上肉眼可見的設施、設備等。包括路基、路面、涵洞、路肩、綠化、中央分隔帶等。一般的公路設計時，有規定的最低指標。因此，公路建設者為了追求最大的利潤，就會選擇最低的成本，讓公路的設計符合規范即可，而不會提高設計的標準。于是，就會出現當高速公路上出現事故時，因為當時的設計沒有留有余地，就會是大事故。因此，高速公路上的硬件冗余設計是非常有必要的。

高速公路上的硬件冗余分為信息冗余和硬件重構。信息冗余是指在駕駛人容易出錯的區間路段設置功能相同的交通設施，來提高高速公路安全容錯能力。高速公路交通工程設施的信息冗余還可以分為靜態信息冗余和動態信息冗余。靜態信息冗余是把內容相同的交通設施以一定的距離連續設置，借助于交通信息重現來糾“錯”；動態信息冗余則是使用動態播放設備，來將信息實時傳遞給駕駛人，提高高速公路的安全容錯能力。

硬件重構是指將現有的交通道路設施及其資源進行重組，提高安全容錯。它包括交通資源重組和改造優化。交通資源重組是將設置不合理的交通資源進行排列組合，使交通資源發揮最大的作用。進一步減少駕駛人犯錯的概率，提高安全容錯能力；交通資源改造優化是對現有的交通資源進行改造升級，減少交通沖突和交通事故發生的次數。

（2）軟件冗余

高速公路的軟件是指高速公路的有關法律、法規、交通工程技術、管理制度、理念、措施及交通安全教育等。軟件冗余就是指運用公路管理和控制的手段來保障行車的安全，提高通行能力和安全容錯能力。包括完善管理制度、轉變管理理念、加強駕駛人的法規教育等。其中，公路管理控制的手段是提高安全容錯能力的重要途徑。它主要指的是借助于交通管理技術、法律法規和交通安全教育等方法對公路、車輛、駕駛人來進行管理。目的是提高道路交通設施對駕駛人的“包容性”，更好的保障行車安全[2]。

3.3安裝便攜式GPS對容錯能力的影響

隨著GPS定位系統的技術提升以及廣泛普及，利用其高精度定位、迅速準確接收信息的特點，運用到高速公路養護區域。通常，GPS信號接收機安裝在車上，通過測量出已知位置的衛星到用戶接收機之間的距離，然后綜合多顆衛星的數據就可知道接收機的具體位置。如果我們將GPS信號接收機安裝在施工道路的兩端，通過網絡傳輸位置信息給一定范圍內的車主，那么駕駛員就能夠在經過養護區之前得到精確的施工位置信息，提前做出預判，進行換道、減速。便攜式的GPS定位器可以即裝即取，重復利用。此方法不僅可以實時傳輸施工位置信息給駕駛員，更能為施工人員的安全做出保障，降低養護區的交通沖突風險，減少經濟損失。

三、結論

本文簡述了高速公路養護區安全容錯的方法以及設計原則，緊跟時代的發展，我們提出了用便攜式GPS定位器安裝在施工區域兩側的方法，利用GPS定位準確、全天候、自動測量的特點大大提升了高速公路養護區的安全，容錯能力大大提升。

參考文獻：

[1]王俊斌.高速公路養護維修施工作業區優化及交通影響研究[D].長安大學，2010.

[2]朱福春.山區高速公路交織區、養護作業區安全容錯能力提升技術[D].重慶交通大學，2015.

[3]孟云偉，閻宗嶺.山區高速公路安全容錯能力提升技術研究綜述[J].華東公路，2016（03）：91-95.

[4]肖騰.重慶高速公路養護安全管理研究[D].重慶交通大學，2016.

[5]徐景翠，喬華璽.高速公路養護施工作業區交通事故分析及安全對策[J].湖南交通科技，2016，42（03）：206-209.

[6]李智.高速公路車路協同應用場景研究[J].市政技術，2019，37（02）：17-21.

[7]羅沂.基于GPS數據的高速公路駕駛行為識別[D].哈爾濱工業大學，2017.

[8]任乾華，張鐸.基于GPS/GSM/GPRS的高速公路路況監控系統分析與設計[J].科學技術創新，2018（22）：16-17.