智慧高速公路主動交通管控策略與模型設計研究

摘要 文章以智慧高速公路中的主動交通流控制策略以及模型設計作為主要研究目標，進行整理與歸納，結合數據進行了研究分析；闡述六種主動交通控制策略，對其在模型設計過程中所需要考慮的支撐環境、基礎設施、數據需求以及維護情況進行分析，對主線限速模型構建進行了研究；最后以某高速公路為實例，對三種主動性控制場景實證研究。

關鍵詞 主動交通管控；主動控制策略；主線可變限速模型

中圖分類號 D771.2 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）06-0186-03

0 引言

主動交通管控（Active Traffic Management，ATM）是以當前和預測交通條件為基礎，進行的周期性和非周期性的動態管控，用布設可變信息標志或可變信息情報板來發布實時交通管控信息或交通狀態信息，將靜態管理轉變為動態管理，從而達到對交通進行主動管控的目的，可以有效地緩解交通擁堵，避免交通事故，提升通行效率。歐美各國主動交通管控已有很長的歷史，英國已將其列為“智能高速公路”的重要經營戰略。但目前，在國內高速公路上，主動交通管控的應用還處在起步階段，其在智慧高速公路上的研究和應用還有待進一步深化[1]。

1 主動交通管控策略分析

1.1 匝道動態控制

高速公路進口匝道的動態控制，按照控制區域與復雜性的不同，可以將其劃分為動態協調控制、單點動態控制和靜態控制。動態協調控制與單點動態控制主要用于高流量的主干道、匝道或交織區域，通過控制匝道的開啟和關閉，來動態地分配車流量。

1.2 逆向可變車道控制

逆向可變車道是指將某一或幾個車道的行駛方向進行反向，達到實時的車流量與行駛方向相匹配的目的。逆轉車道通行方向的手段包括移動障礙或者更改道路標識。為了安全起見，目前逆向可變車道主要是在城區道路上使用，快速路上使用的逆向可變車道相對比較少見，未來還需要對逆向可變車道進行深入研究。

1.3 動態硬路肩

硬路肩的第一個功能就是當道路不能擴展時，為其提供足夠的空間，而硬路肩則可以用作附加的空間或者在特定條件下的通道。該技術能夠依據高峰時段擁堵程度、非高峰時段發生的交通事故等因素，將其動態打開，使其成為一條專用通道，從而提高道路的通行能力，有效緩解擁堵。這個方案通常與動態限速和車道動態分配相結合。

1.4 提前排隊檢測

提前排隊探測可以對駕駛員發出提示，通過設置在路邊的可變信息牌，或者與路邊的閃爍燈光相結合，借助高級算法，將排隊長度、預計通行時間、建議車速、路線調整等信息顯示在信息牌上，根據對下游交通狀況的實時反饋，自動進行更新。超前隊列探測能夠為司機提供及時的信息，大大降低司機的追尾風險，提高司機的行車安全和滿意度。這一情景可以應用于動態限速中。

1.5 動態限速

該技術能夠依據實時交通狀況、路況、氣象等因素，對限速進行動態調整，給出推薦車速或調整車速，能夠對整條道路或單一車道進行應用，減小車速差，實現“平滑”交通流量和車速協調提升，減少交通事故發生。因此，這一技術多用于經常發生交通堵塞或明顯受到氣象因素影響的道路上[2]。在我國，對于可動態調節的限速還沒有相關的法律法規來支撐，因此，在實踐中通常將其作為參考車速。

1.6 車道動態分配

在交通事故、交通堵塞等事件中，通常會出現一條或多條單獨的車道，在此基礎上，利用動態的車道指示牌給出停車警告，引導車輛進入鄰近的車道。車道動態配置是提高道路容量和緩解交通擁擠的重要手段，多與可變信息標識相結合，是一種與動態硬質路肩相結合的主動控制策略。

2 主動交通管控模型設計研究

2.1 支持環境

一個有效的主動交通管控系統需要具備支持環境，包括支持硬件、支撐軟件、人員和操作規程等。

2.2 基礎設施

主動交通管控的基礎設施除了機電設備外，還包括交通安全和土建設施等。機電設備主要包括感知設備、可變信息標志或門架情報板、車道控制器、通信設施、供電設施和輔助設備。交通安全設施包括靜態信息標識和道路交通標志。土建方面，則是對路面進行整平設計，對道路進行線形設計等。

2.3 數據需求

主動交通管控涉及信息傳遞與交通管理相結合，核心在于交通感知能力。交通感知能力是通過外場安裝的感知設備來實現，而外場感知設備為攝像機、雷達或雷視一體機。外場感知設備采集當前的交通狀態數據，為系統決策提供了數據支持，當系統發現交通事件時提醒操作人員進行人工處理。主動管控策略數據需求如表1所示。

2.4 主線可變限速模型構建

在解決道路交通擁擠的過程中，存在著兩個重要的優化目標，分別是最短的行車時間和最大的車流。

（1）為了盡量減少旅行時間，在使用這種方法的時候，最后的效果跟上游的流量有很大關系。如果上游車流量很小，那么車輛的速度就比較快，這個時候，它的效果還可以。反之，如果交通流量很大，那么車輛的速度就會變得很慢，從而會造成上游的擁堵。

（2）目標是使車流達到最大。該算法可以逐步減小總流量，增大流量密度，并在最大飽和流量下連續運行，增加最大服務質量。但總體車速降低，無法將其優點展現出來[3]。單一的控制指標無法達到最優，結合最短的行車時間和最大的交通流兩個指標，對其進行了綜合優化。首先，將對主干瓶頸區的流量進行描述，其中，主干瓶頸區的單元劃分如圖1所示。

將瓶頸區分為n個單元，上游路段分為m個單元，瓶頸區流量和密度的關系如公式1～2所示：

（1）

（2）

式中，ρbo，1（k）、ρbo，1（k?1）——依次為第k和k?1個單位時間段內瓶頸區第1個單元的交通流密度；ρup，m（k?1）、vup，m（k?1）——分別為第k?1個時間段內上游路段第m單元的交通流密度和速度；λup、λbo——分別為上游路段和瓶頸區的車道數；qbo，0（k）——第k個時間段瓶頸區從第0單元流入第1單元的交通流量；ρcr，bo——瓶頸區的臨界密度；ρjm，bo——瓶頸區的阻塞密度；qbo——瓶頸區通行能力；σ——瓶頸區通行能力驟降折減系數。

目標指標函數如下：

（1）行程時間計算公式如式3所示：

（3）

式中，STTT——行程時間指標函數；λbo——瓶頸區車道數；Δlbo——瓶頸區基本單元長度；T——單個時間段長度。

（2）通行交通流量計算公式式4所示：

（4）

式中，STTF——通行交通流量指標函數；vbo，i（k）——在第k個時間段內瓶頸區第i單元的交通流速度。

該文同時考慮行駛時間最小和流通流量最大兩因素，分析選擇綜合優化目標函數，如公式5所示：

（5）

式中，SSC——主線可變限速控制總目標函數；N——仿真時長與單個時段長度的比值；αTTT、αTTF——行程時間和交通流量對應的權重系數。

SSC以核心限速值為輸入，多次迭代計算獲取最佳的限速值，計算出最優核心限速值以后再研究分級限速控制策略。

圖2顯示了不同速度限制的道路布置情況。在限速區中，由分層變量控制得到的最終速度，將其定義為核速度，其計算不依賴于分層速度，而是基于核速度來確定分層速度。

3 某高速公路的主動交通管控應用實例

在交通流量持續增長的同時，由于交通擁擠而導致的事故頻發，給事故當事人的人身和財產帶來了巨大損失。華東區域的某條高速公路于2019年正式實施了智慧高速建設，率先在國內實施了主動交通控制，利用道路上的動態信息控制單元，對交通流進行控制，防止或減輕車輛堵塞情況，保障車輛的安全行駛，使道路通行能力得到最大化的提升。

3.1 控制單元布設

某高速公路是一條雙向六車道的高速公路，在每個半幅可變信息標志門架上布置4個不同的信息牌，分別對應3個正線車道和1個應急車道。在此基礎上，以大型樞紐、互通、長隧道、彎道和長大上下坡為重點，采用不同的門架布置方式，在不同的道路上布置不同的門架型控制單元，以2 km為間隔。為了最大限度地利用該主動控制體系，每個段落內不少于3個主動控制單元。

第一組控制單元設在樞紐或互通分流點前方800 m左右，第二組控制單元位于后方2 km左右，第三組控制單元位于后方4 km左右。長隧洞首組控制單元布置在洞口500 m外，其余控制單元布置在洞口之后，控制單元之間的間隔為2 km左右。曲線段類似于上、下長坡段，在公路轉角處或上、下長坡段中點各布置1組控制單元，其他控制單元分別在前后布置，間隔為2 km左右。

3.2 各場景控制方式

3.2.1 速度和諧場景

在該高速公路上，如果出現了緩行或者是輕微的事故，就使用動態限速控制策略，根據在擁堵或者事故點之后，情報板的距離從遠到近，遵循限速遞減原則，對情報板的限速標志進行調整，這樣就可以避免駕駛員突然剎車，從而放慢車流的速度變化，使得車輛能夠盡可能地平穩地行駛，減少二次事故的危險，提升高速公路的安全性和通行能力[4]。

3.2.2 施工、事故場景

在該高速公路由于施工或者事故而造成道路封閉的情況下，可以采用一種將車道動態分配和動態限速控制相結合的方式，調整對應于施工地點或者事故點的門架的情報板，來發布對應的施工地點或者事故的圖標，同時，也能在工地或事故發生點后，通過公告牌，進行降速提示。

3.2.3 擁堵場景

在該高速公路出現擁堵或重大事故的情況下，采取“提前排隊”和“動態硬路肩”相結合的方式，在標準車道上出現“前方擁堵”的信息，并在應急車道上暫時打開，在應急車道上出現一條或多條提示信息，駕駛員可以通過該信息獲得前方高速公路的擁堵情況、事故處理情況、預計恢復時間、服務區停車、加油、餐飲等信息。

4 結語

當前，國家正在加快推進智慧高速公路的建設，以及基礎設施的數字化發展，為智慧高速公路的主動交通管控創造了有利的發展環境，為主動式交通管控策略與模型的設計研究提供了絕佳的機遇與實驗場所。采用了主動交通管控方式，在擁堵或事故發生之前的交通狀態下，從用戶的服務入手，積極地為其提供交通管控服務，以滿足用戶的出行信息需求，以及保障車輛安全行駛。

該文中重點闡述了六種主動交通控制策略以及四類模型設計要素。在協調車速的情況下，使用動態限速的方法；在施工或交通事故等情況下，采取結合動態速度限制的方法；在交通擁擠的情況下，使用先驗隊列與動態硬路肩相結合的方法。在目前的分析研究結果基礎上，還需要進一步深入地研究各種復雜路況下的主動交通管控策略和模型設計，并加以應用，以長遠滿足高速公路用戶與運營管理者的需求。

參考文獻

[1]中共中央， 國務院. 交通強國建設綱要[R]. 2019.

[2]交通運輸部. 數字交通“十四五”發展規劃[R] .

[3]尼古拉斯·勒福里奇， 趙繼宏， 安博·米拉德. 美國華盛頓州主動交通需求管理的一些新模式[J]. 上海公安高等?？茖W校學報， 2017（1）： 5-12.

[4]孫芙靈. 德國主動交通流管控系統調研（上）[J]. 中國交通信息化， 2021（3）： 86-89.