智慧公路車流主動管控系統設計與應用

萬梅新 張敏陽

（甘肅省交通規劃勘察設計院股份有限公司 甘肅省蘭州市 730030）

近年來，隨著社會經濟的不斷發展，高速公路路網不斷完善和人民生活水平的提高，高速公路交通量迅速增加，因各類事故、施工及重大節假日等因素導致長時間、大范圍交通擁堵，成為制約高速公路車輛通行的瓶頸。通過視頻、雷達等設施對全路段路況、事故、天氣等信息的全方位監測。結合監控管理平臺對高速公路運行狀態進行研判分析和推送，對不同區域、節點、路段對應的通行的流量及重點營運車輛實施監管，從而達到對工程范圍內路段實時信息在情報板上進行展示，實現對工程范圍內路段進行全天候實時監測與管控。

1 問題現狀

現階段高速公路普遍存在問題主要包括：

（1）節假日車流量大導致的大范圍、長時間擁堵問題。

（2）因事故或擁堵缺乏管控手段，導致擁堵進一步增加，路段的通行能力降低和公眾出行滿意度降低問題。

（3）提升交通事件處置效率，減少交通擁堵問題。

（4）加強超速車輛的連續監測、預警能力，從而進一步降低車輛運行的安全風險問題。

2 應對措施

為實現交通流的實時可控，降低各類交通事件，提升道路通行能力與安全性，應對措施主要包括：

（1）加強易擁堵路段交通流量的實時監測和擁堵預測，加強高速分流路段交通事件的監測，在交警允許且沿途設置車流主動管控設施的情況下，臨時開放應急車道，供車輛有序通行；

（2）在重點管控路段設置感知設施，實現全路段、全天候事故、擁堵事件的實時監測；

（3）實現路段交通事件全天候智能監測，提升交通事件發現效率；

（4）利用沿線可變情報板，提示超速車輛減速慢行。通過車流主動管控系統的設計與實施，從而實現交通流全天候、多要素的動態監測和交通流的主動管控。

3 系統概述

車流主動管控包括路網運行狀態，完成對基礎設施數字化、設備設施感知數據、路網環境狀態數據、路網運行狀態數據、多義性路徑識別數據、事件(信息報送)數據、共享數據等采集，然后由各相應功能模塊對數據進行分析處理。整合全局高速公路網流量檢測數據、多義性路徑識別數據、貨運車輛定位數據和互聯網交通數據，進行多源信息融合處理，并聯動道路視頻監控，分析道路擁堵、貨運車輛軌跡停止等全路網路況的實時分析，提高對路網和收費站交通狀態掌握的及時準確性。對氣象信息采集包括氣象數據及氣象預警信息，反應具體天氣影響路段、影響時間、持續時間，并分析提供可能引發重大事件的災害氣象預防措施。

為實現路網監測和管控，引導駕駛人員提前變換車道或繞行通行，避免臨時變道引起的擁堵，形成各種交通情況下的車道管控策略。根據項目實際情況，在傳統設計的基礎上加強公路智慧化建設，調整和完善設計方案，分別布設智慧情報板、固定式攝像機、雷達設備及誘導設備，利用雷達、視頻等感知設施采集擁堵、施工、分車道限速等信息，通過可變情報板提示前方路況。

4 系統功能

對重點車輛運行狀態進行監測、分析處理，利用雷視擬合技術，分析道路沿線重點車輛行駛軌跡等信息，并對路況實時分析，達到對大貨車、“兩客一危”車輛，“兩客一危”包括從事旅游的包車、三類以上班線客車和運輸危險化學品、煙花爆竹、民用爆炸物品專用車輛等重點營運車輛的運行監測。

為實現路段運行管控，引導駕駛人員提前繞行通行，避免臨時變道引起的擁堵，形成各種交通情況下的車道管控策略。依據環蘭智慧路網規劃和本項目實際情況，利用雷達、視頻等感知設施采集擁堵、施工、拋錨、排隊、異常停車、分車道限速等信息，通過可變情報板提示前方路況，達到對過往車輛運行狀態實時管控。

5 系統架構

根據系統現狀及管控需求，整體系統包括感知層、支撐層、應用層、展示層。邏輯架構如圖1所示。

圖1：邏輯架構圖

5.1 感知層

外場設施包括感知設施、管控與服務設施等。感知設施包括監控攝像機、毫米波雷達、車檢器等。管控與服務設施包括可變情報板等。上述設備通過通信網絡接入路段分中心。

5.2 支撐層

主要內容包括基礎設施、數據采集及數據管理等。基礎設施層主要包括中心系統各類硬件設備，包括通用性的服務器、存儲、網絡安全設施、視頻上云網關設備等。數據采集主要包括直接采集的結構化及非結構化數據，以及通過各種方式共享的數據。數據管理主要對采集的數據進行各類處理、數據治理監測等，根據應用計算需要存入關系型數據庫，及大數據平臺等。

5.3 應用層

在 GIS、人工智能算法的支撐下，開展服務類、管控類、決策類、應急類及設施全生命周期管理等應用。

5.4 展示層

系統在路段分中心大屏，及承擔相應功能的坐席上進行展示。

6 應用功能

結合智慧公路發展趨勢考慮建設路段運行監測、交通態勢預測、安全風險評估、車道管控策略分析及控制、應急處置指揮、信息發布、應用展示、數據接口等業務應用功能，項目充分運用以上功能模塊，從而實現交通流全天候、多要素的動態監測和交通流的主動管控。

6.1 路段運行監測

路段運行監測利用視頻智能分析技術、雷達感知技術及多源數據融合技術，實現高速公路各類交通事件的智能識別，交通狀態的處理、交通流量的動態采集。將攝像機采集的視頻數據與毫米波雷達等多源數據進行融合，提升目標的識別與追蹤精度，實現道路場景中車輛的檢測識別和跟蹤。根據毫米波雷達和視頻實時采集的車輛運動信息進行充分融合，實現多目標車輛關鍵信息的提取和軌跡跟蹤估計。達到對雷達信息進行預處理，提取出動態目標，并對目標車輛的速度、距離等信息進行預處理，實現多目標車輛的跟蹤估計。

路段運行監測主要功能包括：

（1）交通事件智能識別：通過后臺視頻智能分析，以及雷達數據的融合處理，實現交通事件的綜合智能識別。

（2）交通狀態處理：利用視頻智能分析技術和雷達測速技術，實現重點路段交通狀態的精準處理。

（3）通流量動態采集：利用毫米波雷達，實現分段的交通流量的動態采集，為交通態勢識別、安全風險評估提供數據支撐。

（4）特種車輛跟蹤：通過毫米波雷達和監控攝像機感知發現特種車輛，毫米波雷達實時對攝像機發送特種車輛的定位信息，系統對實時位置定位并在預估監控攝像機驅動速率情況下進行驅動時刻計算，從而驅動監控攝像機進行轉動，通過轉動云臺和及時切換下游攝像機，實現重點營運車輛的管控及連續跟蹤。

6.2 交通態勢預測

建設交通態勢識別，當路段發生交通事件時，利用上游雷達等采集的交通流量數據結合交通事件處置的時間估算，對路段交通發展態勢進行預測，為后續動態交通管控措施的實施提供依據。

針對短時間交通環境路網運行態勢預測問題，基于交通流歷史數據，建立時間序列模型，通過對歷史數據進行線性擬合、參數估計，通過分析交通流三要素(流量、速度、占有率)之間的關系，總結交通狀態之間的轉變關系進行實時在線處理，實現對高速公路交通流量和占有率，行車速度水平的短時預測。

6.3 安全風險評估

建設安全風險評估，根據各類歷史交通事件，建立重點路段坡段安全風險評估模型，當發生交通事件時，利用安全風險評估模型輸出安全風險警示，為應急指揮人員的指揮調度提供撐。

根據重點路段的歷史交通事件，安全風險主要針對單一車輛的危險駕駛行為的風險評估。車輛存在的多種危險駕駛行為主要包括：駕駛軌跡異常、急加速行為、急減速行為、超速行為、危險變道以及不按規定路線行駛行為。基于車輛運行動態信息，針對重點路段，確實具有實際安全風險的，典型危險場景下車輛運動狀態，建立危險場景指標體系，提出基于車輛行駛安全性的危險運動狀態判別方法。根據歷史數據和車輛運動特征，利用視頻+毫米波雷達感知的交通事件，對提取的車輛運動軌跡進行分析。

6.4 車道管控策略分析及控制

實現為處置人員管控方案的選擇提供支撐，當選定管控方案后，能自動生成可變情報板發布內容、車道控制指令、車道速度限制指令，實現管控信息的快速發布。車道管控和車道速度限制模型均應包括：交通事故、道路施工、路面狀況異常、大流量、惡劣天氣等管控模型。

根據車道管控和車速限制的實施記錄，結合運行監測的道路車道級交通運行狀況，包括車道流量分布、各車道擁堵排隊長度、各車道擁堵排隊時間、管控信息遵守率、事故率等指標，進行車道管控和車速限制措施成效的后評估，并進一步修正管控策略。

6.5 應急處置指揮

運用運行監測及時獲取的事件信息，通過指揮者和事件處理的參與者的信息實時交互，實現可視化的指揮調度，輔助管理人員和現場作業人員，高效完成指揮調度、協同處置及相關管理工作，包括事件接報、預案管理、指揮調度、執行監督、信息發布與報告等功能。

（1）事件接報：突發事件系統智能識別后自動彈出告警，突發事件信息快速填報、預案/預警類型及關聯要素關聯判斷，對預警信息管理；對應急事件進行核實確認，并確認應急事件的事件類型、事件預警等級、事件影響區域等于事件相關的信息。

（2）預案管理：系統可對預案進行增加、刪減、修改。根據確認的事件類型、等級及相關條件信息，自動匹配應急預案啟動的知識內容，輔助指揮調度人員進行高效的有條理的信息上下交互和處置指揮，同時可在執行過程中根據實際情況動態的調整執行內容，事后還可根據實際實施的效果或者事件處置的經驗教訓不斷的修改和完善預案，形成相關實際案例，豐富應急處置知識庫，為今后做出積累。

（3）指揮調度：對事件處置過程進行指揮調度管理。系統能對整個事件處理過程進行全程監控，保證參與事件處理的各方均能按照規定完成各自任務。救援實施過程中要求能夠跟蹤事故現場動態，系統能對整個事件處理過程進行全程監控，保證參與事件處理的各方均能按照規定完成各自任務。路段分中心在方案執行過程中持續不斷的進行指揮、監督、管理活動，協調各職能部門及救援資源直至圓滿完成救援任務。

（4）查詢統計和展示：實現應急指揮相關信息的查詢、匯總、報表、統計、分析，事件應急指揮過程通過PC 端坐席、大屏端進行展示。

6.6 信息發布

利用路段運行監測模塊生成的交通事件信息、交通狀態信息，以及交通態勢預測模塊產生的預測信息，通過路側的可變情報板，發布文字信息。利用指向性網絡音響，發布語音信息。

6.7 應用展示

為了更好的展示動態管控的效果，需要構建建設范圍內感知和發布區域的二維展示示意圖，在示意圖基礎上，通過數字孿生方式對路側感知設施、管控設施、標志標線等靜態設施，以及車輛實時運行數據、交通事件、LED 車道控制信息、可變情報板服務信息等信息進行還原和展示。

6.8 數據接口

具備向省中心傳輸感知數據、事件數據、態勢預測數據、車道管控和車速控制數據、信息服務數據等數據信息能力，并在省中心平臺中進行展示。

7 硬件設施

根據項目實際情況，結合預測交通量、運維成本，且考慮到公路未來交通量增大，為進一步提高監測預警能力，最大限度的提高該項目公路服務水平。盡最大可能的對車輛進行提前預告、警示過往車輛安全行駛。項目利用可變情報板實現分車道限速，結合雷達、視頻等感知設施采集的擁堵、施工等信息，提示前方路況，引導駕駛人員提前變換車道或繞行通行，避免臨時變道引起的擁堵，形成各種交通情況下的車道管控策略。同時，在交警部門同意的情況下，在旅游旺季交通量大的情況下，動態開啟應急車道，避免交通擁堵。

7.1 智慧情報板

智慧情報板可向司機提供路況和路網信息，調節、疏導交通流，是減少事故發生的有效手段。實施動態車道管控可變情報板的近期主要目標是車道控制和車速控制，可通過車道臨時開關閉提高運行安全和效率。車道功能和車速限制可根據實時需求按需變化，甚至可以根據交通事件占道情況，按需控制行車道的開放和關閉，以及應急車道的臨時通行。根據項目的特點和根據周圍路網情況，對重點路段即互通立交區的路況信息及時發布，結合安全設施標志牌的布設，合理布設智慧門架情報板，實現動態信息與靜態信息合理結合。通過在各互通立交區布設安裝智慧門架情報板車道設備，動態提示駕駛員當前車道的管控措施和車道的速度限制。

7.2 視頻監控設備

項目按照2 公里1 對的標準標準設置云臺攝像機，為適應智慧高速公路業務的發展的要求，需要構建一套全天候、智能化的感知體系，通過加密道路沿線監控設施，提升視頻的智能化程度，實現高速公路交通事件的智能識別，全面提升交通事件的感知能力和發現效率。項目按照每2 公里1 對設置了云臺攝像機，實現視頻全覆蓋，云臺攝像機雖然有較多優點，但其圖像畫面是不固定的且受距離影響，無法及時發現拋錨、排隊、異常停車、擁堵等交通事件，需要對事故常發以及擁堵常發的重點區域設置固定式槍機來實現全覆蓋實時監測。

7.3 毫米波雷達

毫米波雷達可以獲取車輛車型、流量、交通事件等信息，并可以將近距離車輛運動軌跡數字化，實現全天候檢測，檢測性能不受外界光照條件影響，且能精確識別多目標的行駛速度，車型及流量。在道路全線設置毫米波雷達設備，為主線及匝道出入口區域提供全天候、高精度的感知，另外單臺雷達的覆蓋半徑約為500m，設置在路側可覆蓋雙向車道。

8 結束語

通過車流主動管控系統的實施，提升感知設施的監測水平，實現工程范圍內路段的全天候、多要素的事件主動發現、主動干預，車道功能的動態管控，交通流量和速度的動態調節，交通流的逐級分流，積極主動預防和避免交通擁堵的發生；通過感知設施的布設實現危化品車輛、特種車輛的全程跟蹤和重點管控；實現交通事故、道路施工、路面狀態異常、大流量、超速失控等事件狀況下的通道級、車道級的多層次主動管控應用，有效減少二次交通事故；實現交通信息發布內容的擴展，提高道路通行能力和安全性，提升公眾服務滿意度。