高速公路改擴建智慧交通組織設計研究

謝路鋒、周通

（1.江西省交通設計研究院有限責任公司，江西 南昌 330209；2.江西省交通投資集團南昌南管理中心，江西 南昌 331721）

0 引言

對高速公路改擴建工程進行交通組織設計，是為了保證改擴建期間交通運行安全有序，便于改擴建工程的順利實施，控制因工程建設在交通方面帶來的社會影響。與新建項目不同，高速公路改擴建項目需要統籌兼顧施工以及保障通行等各方面的需求，保通的需求有時會成為影響改擴建總體方案的重要因素[1-3]。本文通過智慧化手段對梨東高速公路改擴建交通組織進行動態設計研究，通過提取路段交通流特征，分析預測未來交通流變化及特點，提出應對管控措施，并評估交通組織效果，從而提升施工期間的公路通行效率。

1 路段改擴建交通組織方案

根據施工組織計劃，梨東高速公路改擴建工程擬采用五階段交通組織方案。

第一階段完成兩側加寬（或單側拼寬），老路四車道通行，施工分為兩期，前期施工路基，后期施工路面。前期施工在護欄外，對交通影響很小，通行速度維持在100km/h。路面施工需將整個硬路肩銑刨，原有鋼護欄拆除，改為臨時護欄。由于縮小了車輛的側向余寬，對交通影響較大，通行速度需限制在60～80km/h。

第二階段完成老路改造，交通轉移至擴建路面兩側，施工區域位于路基中間，施工車輛及設備進出對正常交通存在干擾，且通行區域無正常硬路肩，故通行速度控制在60～80km/h。

第三、四階段分別完成半幅路面的施工，交通轉移至另外半幅，車輛在單幅路基上雙向通行，對向隔離成為安全重點，同時應考慮臨時防眩光，通行速度60～80km/h。

第五階段施工已全部完成，剩余部分掃尾工作。

根據各階段交通組織方案可以發現，改擴建一、二階段，對交通流運行影響明顯，其中一階段風險主要集中在應急車道占用；二階段表現為施工車輛、施工機械混行穿插等方面。在三、四階段影響逐步降低，主要是車道轉換節點擁堵蔓延風險，單幅雙向通行風險，以及互通、服務區進出區域分、合流風險等。

2 路段保暢保通需求分析

在不影響改擴建施工的前提下，梨東高速公路保暢、保通的需求主要包括以下幾點。

2.1 路網整體流量過飽和問題

需要對高速公路主線流量進行管控，動態調節上游駛入流量，緩解下游路段交通擁堵現象，并基于路網流量規律和通行情況分析，提出精細化施工組織建議，避免流量高峰與關鍵施工點重合。

2.2 流量飽和路段交通擁堵問題

限速管控上游段，調節上游車輛的到達率，緩解下游擁堵現象；通過信息發布手段在上游互通/樞紐節點處提示車輛繞行；利用服務區停車位等通行能力存量，誘導車輛進入服務區等待；開啟交通事件監測機制，提高交通事件的處理效率。

2.3 交通轉換節點通行能力不足問題

通過對上游車輛加強速度控制，使車流均勻分布于上游路段，降低車輛到達轉換節點的車流密度與速度；優化轉換節點的交通渠化，實施分車道行駛，減少車輛混行，提高節點通行能力；加強轉換節點交通事故監控，減少節點交通事故發生，提高整體通行效率。

2.4 交通事故、事件的交通擁堵及安全問題

展開應急保障措施設計，增加突發事件的應急處置能力，包括交通事件監測措施、清障救援措施、一路三方協同管理制度及特殊事件的應急處置措施。發生事故后對上游車流積極采取主動截流、分流措施。

3 智慧交通組織設計研究

與傳統交通組織強調規范性、普適性不同，智慧交通組織重視基于大數據的特征性分析，結合路段交通運行歷史特征，提出不同路段個性化改擴建交通組織設計方案；重視信息化水平提升，在規范交通組織的基礎上，采用動態可控的主動管控方式；重視決策的科學性，以智慧化全息感知為基礎，引入機器學習下的智能管控與決策體系，提升管控與決策水平，其總體架構見圖1。

圖1 智慧交通組織設計總體架構

3.1 基于大數據挖掘的交通流特征分析與對策

通過大數據技術，對歷史交通量、車型、交通事故事件等多項數據進行特征分析，從時間、空間、轉換節點等多元維度分析路段交通流特征，確定改擴建期初期智慧化監控的重點路段與時段。

3.1.1 交通流時間、空間特點

通過分析歷史交通量數據可以發現，改擴建路段節假日交通量激增，節假日前以南昌方向返鄉客流為主，節后以上海方向交通流為主。節假日與非節假日的日均貨車流量基本變化不大，主要是小客車數量變化巨大，造成客貨比值相差甚遠。

鷹潭樞紐后貨車流量急劇減少，表明在鷹潭樞紐南北方向分（合）流了大部分貨車。空間上，項目起點至弋陽交通量持續高位運行，其中上饒西至楊梅嶺段交通量最大。

3.1.2 交通事故、事件特點

交通事故、事件主要集中在上海方向，其中弋陽至楊梅嶺、楊梅嶺至上饒經開區段擁堵次數、交通事故數、重大交通事件占比突出。隨著省界收費站的撤銷，梨園省界處的交通擁堵及事故已明顯降低。

3.1.3 交通組織時空優化基本策略確定

根據歷史數據分析，提出改擴建初期交通組織時空優化基本策略，后期根據多源感知層外場設備獲取的數據，給予動態調整。

（1）合理規劃施工時間及工序，建議分段施工，避開節假日交通瓶頸路段施工。節假日前避開南昌方向上饒西樞紐—弋陽樞紐路段，節假日后避開上海方向上饒西互通—弋陽樞紐路段。

（2）在外側護欄移位及新增移動護欄、硬路肩銑刨及油面攤鋪、支線上饒橋拆除等關鍵施工工序階段，提前做好上下游聯動管控準備。

（3）優化主線交通轉換區段，提前誘導車輛完成變道，分散交通沖突點分布。

（4）優化調整車道速度，實施重點路段客貨分道行駛，做好上游互通、樞紐節點車輛分、合流控制。

3.2 基于多源感知的主動交通管控

3.2.1 多源感知外場設備布置

改擴建期間，優先選擇關鍵互通、樞紐互通、收費站、服務區、事故多發、團霧易發位置、關鍵施工節點（特大橋）等，布設視頻設備、雷達設備、抓拍設備，用于交通參數感知與交通事件感知，獲取車速、車型、斷面流量、時空占有率、擁堵、拋灑物、異常停車、行人闖入、占用應急車道等關鍵信息。

點位的選擇除應考慮數據采集需求外，還需不影響改擴建工程主體施工。設備桿件安裝時，應優先布置在能永久設置的位置上；其次是利用現有ETC 門架或其他原有桿件；最后是在中分帶內設置臨時基礎及桿件。

由于改擴建期間不具備大規模敷設電纜、光纜的條件，擬采用“光伏+鋰電池+無線傳輸”的方案，將交通感知數據上傳至智能中樞進行實時計算，支撐態勢、預測、突發事件管控。

3.2.2 主動交通管控策略

通過收費站入口情報板、移動式情報板、號角廣播，結合多源感知數據、改擴建施工安排及關鍵分、合流點位置，對行駛在或即將進入改擴建高速公路的車輛進行主動交通管控，包括逐級限速提醒、客貨分離行駛、分流、限流等，并通過聯動互聯網地圖平臺，提醒手機終端用戶提前規劃，規避擁堵路線。

針對施工期可能出現的不同工況，需匹配不同工況下的交通管控方案，如表1 所示。

表1 總體工況劃分表

3.3 智能管控與決策平臺

3.3.1 基于路網模型的交通態勢感知與預測

通過融合天氣、交通參數、施工影響等全要素的路網模型，實現路段服務水平評估與交通預測（見圖2）。

圖2 交通流預測模型圖

（1）態勢感知

采用紅黃綠全景圖宏觀呈現高速公路全線運行狀態，通過圖層方式呈現各類靜態、動態數據，并提供車流量、車型、平均車速、通行指數等數據；能夠提供事件事故信息提示，并進行關聯動作。

（2）態勢預測

基于當前交通運行狀態和路網模型，預測一定時間內的態勢變化狀態，包括10 分鐘、30 分鐘、60 分鐘、120 分鐘的短時預測。

3.3.2 公路通行影響仿真

（1）施工計劃仿真

通過仿真指導施工安排，評估多指標、同時段、不同工序對交通通行的影響，并根據實時公路通行能力給出交通影響評估，從而有效指導施工安排。

（2）管控措施仿真

根據實時公路通行能力，輸入限速、限流、分車型管控等措施對公路交通運行的影響，并給出影響評估報告，有效演練管控措施。

（3）交通組織優化效果評價

根據管控措施實施前后的交通參數數據變化，對管控措施進行效果評價，優化系統算法。

3.3.3 自動策略觸發與決策體系

（1）交通突發事件監測能力

依托多源感知能力，將獲取的各項交通異常參數數據、交通事故事件數據、惡劣天氣數據等推送給監控中心值班人員，并自動推薦管控策略，提示值班人員確認執行處置流程。

（2）主動管控能力

針對各類異常交通場景設計主動管控預案，聯動交通管控措施，并實時向互聯網導航平臺同步數據。同時，將“事件確認—策略確認—管控執行—聯動清障—管控退出”等進行全流程記錄，自動生成管控后評估報告，并對知識庫進行數據積累與更新。

（3）決策融合會商

通過融合通信平臺，實現監控指揮中心大屏幕、各方視頻會議系統、辦公終端、電話、清障救援人員記錄儀、監控視頻等多源終端的融合通信，實現多部門的融合通信指揮。

4 結語

在高速公路改擴建工程中，采用智慧化手段對交通組織設計進行優化，能夠有效提升施工期公路通行能力與行車安全，及時發現突發事件并提供科學處置決策。同時，還能夠進一步優化施工組織計劃，合理安排工期與工序，從而保證改擴建工程的施工質量及進度要求。