飽和交通量下高速公路改擴建數(shù)字化運營管控技術及應用

戴振宇

（上海城建城市運營（集團）有限公司，上海 200023）

0 引言

隨著我國社會經濟的發(fā)展，交通出行需求急劇增長，早期修建的高速公路已難以適應當前大流量、大物流及大交織的交通需求，尤其是連接城市出入口的高速路段，交通擁堵嚴重，亟須對現(xiàn)有高速公路進行拓寬以提升道路通行能力，滿足高速增長的貨物運輸及居民出行需求[1]。截至2020 年底，我國公路養(yǎng)護里程已達514.4 萬公里，占公路總里程的99%[2]。當前，我國高速公路改擴建已經成為態(tài)化。主干高速公路改擴建期間處于“邊運營邊施工”的狀態(tài)，部分車道通行條件受限，往往“通而不暢”，擴建期間的運營管控重在減少交通擁堵和安全事故[3]。尤其是飽和交通量條件下開展高速公路改擴建施工，既要考慮安全運營，又要兼顧施工進度[4]，不僅使交通運行管理面臨嚴峻挑戰(zhàn)，也對基礎設施運營提出了更高要求。目前，高速公路改擴建運營管理中常用的管控手段是交通管制、車道封閉等，并輔以設置交通警示標志、專人值守引導等人工手段，或直接采用斷流式施工方式[5]。但這些方式在交通主干線上或飽和交通量下難以使用，且往往對異常狀況的發(fā)現(xiàn)滯后，應急處置效率較低。由于傳統(tǒng)運營管控技術難以滿足飽和交通量下精細化的運營管理需求，亟需運用新的技術手段提升改擴建過程中的運營管控能力。近年來，交通新基建加速布局。2021 年，交通運輸部印發(fā)《數(shù)字交通“十四五”發(fā)展規(guī)劃》，提出“十四五”期間重點加快交通基礎設施數(shù)字化，推動公路感知網絡建設，完善道路交通監(jiān)控設備，構建集監(jiān)測、調度、管控、應急、服務一體的數(shù)字化綜合管控平臺，加強既有交通基礎設施提質升級，提高設施利用效率和服務水平。交通基礎設施數(shù)字化等新一代信息技術給飽和交通量等復雜交通場景下高速公路改擴建一體化運營中易擁堵、交通事故頻發(fā)及應急處置困難等問題的解決帶來了新的方法和技術路徑。

國內的專家學者開展了很多高速公路改擴建過程中數(shù)字化技術應用方面的研究，如：趙仲華[6]研發(fā)了高速公路建養(yǎng)一體化管理信息系統(tǒng)，以可用性為目標對高速公路的建設和養(yǎng)護歷史數(shù)據(jù)進行全面分析，為高速公路建設與運營管理決策提供工具支持；張磊[7]提出了建管養(yǎng)一體化數(shù)字高速的理念，為開展高速公路改擴建數(shù)字化運營奠定了基礎；隨著國內高速公路交通需求的不斷增長，郭宏亮等[8]針對高度城市化地區(qū)，以飽和交通量下的高速公路為研究對象，構建具有區(qū)域特征的高速公路交通流量需求預測模型，進而提出了飽和流量下的高速公路改擴建交通運行管理策略；隨著科學技術的進一步發(fā)展，信息化等先進技術逐漸被應用到高速公路改擴建工程交通運行管理中，伍朝輝等[9-11]提出利用BIM技術集成在役道路設施檢測數(shù)據(jù)，應用于大中修、改擴建等養(yǎng)護工程中，可實現(xiàn)交通保通仿真分析、施工組織模擬分析等。

國外關于高速公路數(shù)字化運營技術方面的研究開展得較早，美國、日本、歐盟等發(fā)達國家和地區(qū)均建有較為完善的高速公路運營管理系統(tǒng)，對高速公路改擴建運營管理的研究主要集中在分析改擴建期間交通事故特征、優(yōu)化交通組織圍封方案、減少交通事故風險等方面[12]。如Shladover[13]利用短程通信技術實現(xiàn)高速公路路況感知，基于感知數(shù)據(jù)提供相應的管理與服務，提升車輛在高速公路行駛的安全性；Soriano等[14]發(fā)起了一項名為“EasyWay”的智慧交通項目，目的是引導歐洲國家部署統(tǒng)一標準的智慧交通系統(tǒng)與服務；Moehrle等[15]提出了一種基于案例與情景的突發(fā)事件應急處置方法，在決策時間很短、存在許多選項或事件未被完全預料到時，基于類似歷史事件和場景的數(shù)據(jù)分析，確定合適的管理方案，提升突發(fā)事件應急處置的科學性。

綜上所述，國內外研究人員從多個方面開展了高速公路改擴建數(shù)字化運營管控的研究與實踐，但仍存在以下3 個方面的不足：①缺少對飽和交通量下高速公路改擴建數(shù)字化運營管控系統(tǒng)架構的梳理；②改擴建期間突發(fā)事件頻發(fā)且多樣，原有感知外場設備功能受限，通用識別算法不適用，事故識別率有待提升；③飽和交通量下突發(fā)事件的處置時間長，嚴重影響道路通行效率，缺少支持事故快速處置的智能化工具與技術。為解決以上問題，本文將在分析運營管控目標與需求的基礎上，圍繞飽和交通量下高速公路改擴建數(shù)字化運營管控技術開展研究，采用面向過程的結構化分析方法，構建適用于飽和交通量下高速公路改擴建數(shù)字化運營管控的系統(tǒng)架構，并基于系統(tǒng)架構，給出各個模塊的業(yè)務流程圖，以期填補當前復雜交通場景下高速公路改擴建數(shù)字化運營管控系統(tǒng)技術的空白。最后將以G15（嘉瀏段）高速公路改擴建工程為例，通過實踐對該系統(tǒng)架構及管控效果進行驗證。

1 飽和交通量下高速公路改擴建數(shù)字化運營管控目標與需求分析

高速公路改擴建運營服務的核心是“以人為本”，解決飽和交通量等環(huán)境條件約束下的道路通行能力問題，并提供快速、高效、準時、舒適的出行服務。因此，高速公路改擴建運營服務的目標是保障交通暢通和道路通行安全。為了達到該目標，需要解決流量飽和、事故頻發(fā)及施工養(yǎng)護作業(yè)受限三者間相互影響所帶來的問題。可以運用數(shù)字化技術與手段，精準聚焦飽和流量下高速公路改擴建期間的運營管控需求：一是最大程度減小改擴建施工對通行效率的影響，確保交通流穩(wěn)定；二是對改擴建期間交通運行狀況的監(jiān)控和交通事件的精準識別，提前發(fā)布預警信息引導車輛安全有序通過，對事故及時響應與處置，提升道路通行效率。為實現(xiàn)以上功能，需增強對管控路段的交通運行感知能力，提高交通流監(jiān)控與突發(fā)事件識別的水平，完善交通事故應急預案和路況信息動態(tài)發(fā)布措施，降低改擴建期間交通組織圍封和突發(fā)性交通事件對道路通行效率的影響，保障交通暢通與安全。

飽和交通量下高速公路改擴建數(shù)字化運營管控目標與需求見表1。

表1 高速公路改擴建數(shù)字化運營管控目標與需求

2 高速公路改擴建數(shù)字化運營管控系統(tǒng)構建

2.1 構建方法

高速公路改擴建數(shù)字化運營管控系統(tǒng)的構建需要兼顧穩(wěn)定性與開放性，以適應新基建時代不同階段基礎設施數(shù)字化升級的要求及不斷演進的技術形態(tài)[16]。從整體結構看，高速公路改擴建數(shù)字化運營管控系統(tǒng)本質上是由經典智能交通系統(tǒng)中各子系統(tǒng)自下而上的采集、傳輸、處理及應用等構成，各子系統(tǒng)相互融合實現(xiàn)最優(yōu)管控效果。因此，高速公路改擴建數(shù)字化運營管控系統(tǒng)的構建可借鑒智能交通系統(tǒng)體系中面向過程的結構化分析方法。面向過程的結構化分析方法主要是以系統(tǒng)內部數(shù)據(jù)為中心，依循各子系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳輸與轉換的關系，自上而下對系統(tǒng)功能進行拆解和設計，直至構建成可滿足實際需求的物理模型[16]。面向過程的結構化分析方法符合人的思維、行為習慣，易于實現(xiàn)，因此本研究采用面向過程的結構化分析方法進行高速公路改擴建數(shù)字化運營管控系統(tǒng)的構建。

2.2 系統(tǒng)架構

要實現(xiàn)飽和交通量下高速公路改擴建數(shù)字化運營管控，需要構建高速公路改擴建數(shù)字化運營管控系統(tǒng)架構，提升飽和交通量下交通運行數(shù)字化管控與服務水平。高速公路改擴建數(shù)字化運營管控技術主要通過實時獲取改擴建施工路段的交通運行狀況與快速精準識別交通事件等相關參數(shù)數(shù)據(jù)，借助路側信息發(fā)布設施來實現(xiàn)速度、匝道及路徑誘導等交通控制策略。因此，采用面向過程的結構化分析方法自上而下構建飽和交通量下高速公路改擴建數(shù)字化運營管控系統(tǒng)架構。如圖1所示，系統(tǒng)架構主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與傳輸及信息發(fā)布3個層次。

由圖1 可知，數(shù)據(jù)采集基于路側感知設備和外部系統(tǒng)采集車流、事件及氣象等數(shù)據(jù)，提高高速公路改擴建期間的交通運行狀況的感知控制能力。相比傳統(tǒng)的人工視頻監(jiān)測和巡檢，數(shù)字化運營管控系統(tǒng)能夠實時監(jiān)測交通運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)并主動報警異常事件，輔助提升突發(fā)事件的應急響應能力。數(shù)據(jù)處理層主要對實時的交通運行狀況數(shù)據(jù)進行融合、分析并建模，實現(xiàn)交通運行態(tài)勢預測、交通事件精準識別及快速應急處置等，為管理決策提供支撐。傳統(tǒng)的事后依靠人工和經驗識別并處置存在作業(yè)效率低的問題，而通過大數(shù)據(jù)智能分析，可實現(xiàn)事前預防、科學快速決策。信息發(fā)布層主要通過改擴建期間高速公路沿線感知通信控制網，發(fā)布速度協(xié)調、擁堵預警及合流控制等管控措施信息，確保交通運行高效、安全。與傳統(tǒng)的投入大量人力、物力的被動疏導管控方式相比，既提高了管理效率，又減少了施工作業(yè)人員的安全風險。

3 子系統(tǒng)業(yè)務流程構建與功能分析

基于已構建的高速公路改擴建數(shù)字化運營管控系統(tǒng)架構，采用面向過程的結構化分析方法，繼續(xù)對交通運行服務控制、交通事件識別與應急處置保障、動態(tài)信息發(fā)布等各子系統(tǒng)的數(shù)字化技術實現(xiàn)路徑及功能進行分析。

3.1 交通運行服務控制業(yè)務流程及系統(tǒng)功能

精細化的交通運行服務控制系統(tǒng)的功能主要是通過全息感知、高精度定位及通信等技術實現(xiàn)。精準掌握交通實時運行情況，通過人工智能算法實現(xiàn)對交通流態(tài)勢的預判、事件持續(xù)時間和影響范圍的評估，通過動態(tài)信息發(fā)布系統(tǒng)，生成交通流管控方案，并由交管部門認定，實現(xiàn)車道和車速的實時管控，避免飽和交通量下高速公路改擴建期間發(fā)生交通事故，緩解交通擁堵，提高道路通行效率及運行安全。通過以上分析可知，交通運行服務管控系統(tǒng)的業(yè)務流程是基于路側實時數(shù)據(jù)和計劃數(shù)據(jù)的采集，通過數(shù)據(jù)處理分析進而生成交通運行控制策略。交通運行服務控制系統(tǒng)業(yè)務流程如圖2所示。

該系統(tǒng)主要具備以下功能：

（1）交通流量監(jiān)測與預測分析。通過數(shù)據(jù)信息處理和整合，精準掌握飽和交通量下高速公路改擴建期間的實時交通運行情況與交通運行態(tài)勢，分析高速公路改擴建期間道路剩余通行能力，實現(xiàn)運行態(tài)勢分析與預判、交通事件影響分析及管控效果評估等功能，進而采取速度協(xié)調、排隊預告等控制策略，為管理決策提供支撐，緩解交通擁堵，提升道路通行能力。

（2）交通運行狀態(tài)特征分析。綜合交通流、天氣等數(shù)據(jù)，分析不同時間維度、不同空間維度的高速公路改擴建期間交通流特征與服務能力，優(yōu)化改擴建施工計劃，減少對交通運行的影響。

3.2 交通事件識別與應急處置保障業(yè)務流程及系統(tǒng)功能

構建高速公路交通應急管理體系，對于突發(fā)事件的科學管理與緊急救援具有重要的作用。該體系主要包括安全預警、應急管理及緊急救援3方面內容?；诼穫热⒏兄⑦吘売嬎?、時空數(shù)據(jù)分析等關鍵技術，構建交通運行風險預測模型，實現(xiàn)對飽和交通量下高速公路改擴建期間交通安全隱患的分析、預測和預警。運用高速公路事件智能識別技術輔助傳統(tǒng)人工識別，提高交通突發(fā)事件的識別效率，通過制定、匯總不同級別交通事件形成交通突發(fā)事件應急處置策略數(shù)據(jù)庫，構建標準化的交通應急處置保障流程體系。通過以上分析可知，交通事件識別與應急處置保障系統(tǒng)分為突發(fā)事件快速識別體系、外部數(shù)據(jù)輸入及應急處置保障體系3 部分（如圖3 所示），從而實現(xiàn)突發(fā)事件的感知自動識別、預案生成與管理、資源調度與優(yōu)化配置。

交通事件識別與應急處置保障功能主要將事件識別系統(tǒng)與應急策略數(shù)據(jù)庫搭載到同一數(shù)字化運管平臺上，通過系統(tǒng)平臺發(fā)出事件識別預警，提供解決策略，調用配套資源，以縮短發(fā)現(xiàn)事件時的反應時間，減少對運營人員主觀經驗的依賴，提高應急救援效率，同時也規(guī)范各類事件的應急救援流程，提高救援工作的穩(wěn)定性。

3.3 動態(tài)信息發(fā)布業(yè)務流程及系統(tǒng)功能

動態(tài)信息發(fā)布系統(tǒng)的主要功能是基于交通運行服務控制和交通事件識別與應急處置保障技術，通過高速公路改擴建期間沿線布設的可變信息標志和移動終端等方式實現(xiàn)：一是通過路側的A 板或F 板實現(xiàn)交通運行速度協(xié)調、擁堵預告及合流預警控制等管控功能；二是通過事件信息管理系統(tǒng)和互聯(lián)網等渠道發(fā)布預警信息，提升飽和交通量下高速公路改擴建期間信息發(fā)布的覆蓋面和及時性，滿足出行者大眾化、普適性的服務需求，為公眾提供出行前、出行中及出行后等不同階段的信息服務，提高道路通行效率，確保交通運行安全。該系統(tǒng)的業(yè)務流程如圖4所示。

4 G15（嘉瀏段）高速公路改擴建工程案例

G15（嘉瀏段）高速公路是上海市與外省市交通的重要通道，全長12.57km，設計車速為100km/h，隨著長三角一體化發(fā)展戰(zhàn)略的實施，其交通量持續(xù)增長。為了適應不斷增長的交通需求，提高道路服務水平，對該段高速公路實施“六拓八”改擴建。通過對G15（嘉瀏段）高速日常運營、改擴建現(xiàn)場及相關資料的調研可知，改擴建期間日均交通流量為10萬輛次，車道通行條件受限，飽和流量下易造成交通擁堵、斷流及安全事故。交通突發(fā)事件頻發(fā)、事件識別效率低、飽和流量下突發(fā)事件處置效率低是該路段改擴建期間運營管控所面臨的突出問題。將前文提出的高速公路改擴建數(shù)字化運營管控技術方案應用于G15（嘉瀏段），以“雙升雙降”（提升通行效率、提升應急施救效率，降低事故率、降低養(yǎng)護占道影響）為目標，構建了由路側端信息感知采集、數(shù)據(jù)傳輸與處理、信息發(fā)布管理等系統(tǒng)組成的高速公路改擴建數(shù)字化運營管理體系。該體系主要包括交通運營管控（車道和車速的實時管控）、交通數(shù)據(jù)分析（交通流狀態(tài)的實時分析）及施工日志板塊（改擴建路段施工進度）。G15（嘉瀏段）改擴建數(shù)字化運營管控系統(tǒng)界面如圖5所示。

通過在改擴建路段布署監(jiān)控感知設施、無線通信網絡、高精定位系統(tǒng)及定制高精地圖系統(tǒng)等，提升G15（嘉瀏段）改擴建期間交通運行狀況的感知與管控能力。按照“路端感知監(jiān)控→數(shù)據(jù)處理分析→管控策略實施發(fā)布”的邏輯框架，構建系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)了對飽和交通量下高速公路改擴建期間交通運行的實時管控、突發(fā)事件的快速識別與及時響應處置功能。G15（嘉瀏段）高速公路改擴建數(shù)字化運營管控技術方案，實現(xiàn)了以下3個方面的創(chuàng)新服務。

（1）精細化的交通運行控制服務?；谌⒏兄獢?shù)據(jù)的采集、路側邊緣計算分析與系統(tǒng)平臺協(xié)同管控，精準掌握G15（嘉瀏段）高速改擴建路段的實時交通運行情況與交通運行態(tài)勢，通過動態(tài)信息發(fā)布系統(tǒng)，實現(xiàn)了車速平滑協(xié)調和交通運行風險預警功能，解決了飽和交通量下高速公路改擴建期間易發(fā)生交通擁堵的問題，提高了改擴建期間道路通行流量、平均通行速度及交通運行安全。

（2）精準化的交通突發(fā)事件識別及應急處置保障服務。發(fā)生交通突發(fā)事件時，引入交通事件的智能識別技術輔助傳統(tǒng)人工手段，提高了突發(fā)事件發(fā)現(xiàn)的及時性和精確性?；诂F(xiàn)場交通運行演變態(tài)勢，實時判定事故影響程度與影響范圍，運用支持事件快速處置的智能化工具與手段精準化提供應急處置服務，同時提供相關交通預告與誘導服務，形成標準應急保障體系，解決了飽和交通量下高速公路改擴建期間突發(fā)事件識別率及應急處置效率低的問題，減小了突發(fā)事件對交通運行的影響。

（3）改擴建期間施工路段的安全預警服務。在G15（嘉瀏段）高速改擴建施工路段、合流區(qū)、分流區(qū)及匝道等易發(fā)生交通事故的區(qū)域布署攝像頭、雷達等路側感知設備，基于路側邊緣計算分析與系統(tǒng)平臺協(xié)同管控，實現(xiàn)了飽和交通量下高速公路改擴建期間的交通安全隱患預測和預警，通過動態(tài)信息發(fā)布機制，提供即時道路交通狀態(tài)與預警信息服務，一定程度上解決了飽和交通量下高速公路改擴建期間突發(fā)事件頻發(fā)且多樣的問題，提高了交通運行安全。

從G15（嘉瀏段）高速公路監(jiān)控中心中控室獲取相關數(shù)據(jù)，對改擴建數(shù)字化運營管控期間的交通運行狀況、突發(fā)事件識別及應急處置情況進行分析，結果表明：改擴建數(shù)字化運營管控期間的道路交通流量較為穩(wěn)定，未對周邊路網產生破壞性影響；與2019年改擴建初期基于人工視頻監(jiān)控的運營管控方式相比，交通突發(fā)事件的平均識別效率由87.6%提升至91.6%，總體提升了14%。突發(fā)事件的平均處置時長由30min 降低到了21.75min，處置效率提升了27.5%。應急施救到位平均時間由13.8min 降低到10min，應急到位效率提升了27.5%，行業(yè)規(guī)定的到位標準為15min?？梢钥闯?，改擴建期間，G15（嘉瀏段）高速公路的通行效能、綜合應急及安全保障能力等方面均有顯著提升。實踐證明，本文所構建的高速公路改擴建數(shù)字化運營管控系統(tǒng)架構合理，各子系統(tǒng)業(yè)務流程及功能有效。

5 結語

針對目前高速公路改擴建運營管控中存在的事故識別率低、智能化處置手段不足等問題，本文對飽和交通量下高速公路改擴建數(shù)字化運營管控技術進行了研究。在分析飽和交通量下高速公路改擴建數(shù)字化運營管控需求與目標的基礎上，采用面向過程的結構化分析方法，提出了高速公路改擴建數(shù)字化運營管控系統(tǒng)架構，重點介紹了交通運行服務控制、交通事件識別與應急處置、動態(tài)信息發(fā)布等系統(tǒng)功能，并以其在G15（嘉瀏段）高速公路改擴建工程中的應用為例，驗證了該系統(tǒng)架構的有效性。實踐表明：應用基于本文提出的數(shù)字化運營管控系統(tǒng)架構及技術路徑所構建的系統(tǒng)可提升飽和交通量下高速公路改擴建期間的運營管理水平，緩解交通擁堵，提升高速公路改擴建期間的道路通行能力和服務水平。但本研究對路側感知設備的布置優(yōu)化、交通事件識別算法優(yōu)化等方面的研究還不夠深入，這將是下一步重點研究的方向。