張睿 張文弢 焦鵬飛 李杰 王研州

摘 要：設(shè)計一種可控制變化的智能車道線，將車道線的位置變?yōu)橐粔K可顯示區(qū)域，針對不同的交通環(huán)境，通過系統(tǒng)控制完成對車道線顯示形態(tài)的轉(zhuǎn)換，從而更好的緩解交通壓力，規(guī)劃行車軌跡，提高行駛的安全性。

關(guān)鍵詞：交通工程;可行性研究;智慧交通;潮汐車道;道路安全

0 引言

隨著城市經(jīng)濟的不斷發(fā)展，機動車保有量的不斷增加，交通壓力日益增大，擁堵與事故頻發(fā)。早、晚高峰時期車流量急劇增加，道路雙向通行能力的不均衡，呈現(xiàn)出交通流時間、空間分布不均的交通狀態(tài)。本文通過研究“智能車道線”的可行性，旨在提高道路的空間資源、克服傳統(tǒng)車道線的不足與弊端、緩解交通壓力。

1 傳統(tǒng)車道線存在的問題

傳統(tǒng)車道標線的缺陷有：易磨損，并且在磨損度較大的路段，可辨別性較差;在能見度較低的氣候條件下不易識別;面對潮汐車流，變更車道標線所需要的時間較長，效率較低。

針對此類問題，我們提出智能車道線這一研究方向，同時也針對交通流導流預防二次交事故提出了相關(guān)措施。

2 智能車道線的優(yōu)勢

智能車道線采用模塊化組合拼接的形式，對不同的路況設(shè)計搭載不同功能的模塊。通過系統(tǒng)設(shè)定或者人工控制實現(xiàn)車道線顯示模式的轉(zhuǎn)換，從而規(guī)劃合理的行車運行軌跡，緩解交通壓力，及時應對突發(fā)狀況，使得道路更加通暢。

2.1 主要功能及原理

2.1.1 潮汐車道

智能車道線可根據(jù)早晚交通流量的不同情況，自動變換車道兩旁的車道線的顯示方式，實現(xiàn)車道行駛方向的變更，以拓寬車流量大的方向的車道數(shù)量。

為考究智能車道線作為潮汐車道的可行性，建立數(shù)學模型進行分析。針對周期性某時段路段通行能力不均衡所導致的單向擁堵問題，分析了潮汐車道的設(shè)置條件與方向分布系數(shù)。在此基礎(chǔ)上，從路網(wǎng)系統(tǒng)的角度出發(fā)，建立潮汐車道設(shè)置方案的雙層規(guī)劃模型，上層模型用于路網(wǎng)車道分配，以系統(tǒng)總延誤及潮汐車道交通流優(yōu)化比的和最優(yōu)為目標，下層模型為路徑選擇行為符合Wardrop用戶平衡準則的用戶均衡分配模型?；谶z傳算法和Frank-Wolfe算法進行算例分析，并將優(yōu)化前、后的方向分布系數(shù)與路段飽和度進行對比，結(jié)果表明：該模型可合理緩解潮汐交通現(xiàn)象，降低路網(wǎng)系統(tǒng)總延誤。

（1）模型假設(shè)：

1）道路無中央隔離帶。

2）路段的雙向車道總數(shù)不變。

3）車道數(shù)至少為三車道，其中主干道至少為五車道。

4）交通量約束指重交通流方向與輕交通流之比即方向分布系數(shù)要大于臨界方向分布系數(shù)，臨界方向分布系數(shù)一般在之間。

（2）上層目標函數(shù)。在城市交通網(wǎng)絡中，定義，其中為網(wǎng)絡節(jié)點集;為路段集。記路段的車道數(shù)為，即：，，其中，

，路段的通行能力為。若潮汐車道設(shè)置合理，潮汐車道交通流優(yōu)化比大于1，反之則小于1。由于潮汐車道交通流優(yōu)化比與車輛總延誤單位量綱的差異性，引入匹配系數(shù)，在目標函數(shù)中，取潮汐車道交通流優(yōu)化比的倒數(shù)，即路網(wǎng)車輛總延誤與潮汐車道交通流優(yōu)化比倒數(shù)的和最小為上層目標函數(shù)：

（3）下層目標函數(shù)。在假設(shè)出行者的路徑選擇遵循Wardrop用戶平衡準則的前提下，根據(jù)用戶平衡配流模型對出行者的出行選擇行為進行分析。即在任意時段內(nèi)，交通網(wǎng)絡內(nèi)部流量達到均衡時，被選擇的路徑走行時間相等，相比未被選擇的路徑走行時間短。采用如下用戶平衡配流模型對任意時段下的道路進行交通量分配：

2.1.2 提高紅路燈可視性與通行效率

在車輛駛?cè)爰t綠燈等待區(qū)時，若前方出現(xiàn)大型車輛，后方小車的視線就會被遮擋，使駕駛員無法觀測到路口信號燈變化，綠燈通行末期，此現(xiàn)象可能會導致誤闖紅燈的情況;視線受阻也會對某些駕駛員心理和行為產(chǎn)生影響，且個體之間存在較大差異，包括綠燈通行末期搶秒沖行或是提前放棄通行。

智能車道線通過同步紅綠燈信號，將原本容易被遮擋的上方視線，轉(zhuǎn)移至地面，提升信號燈的可視性，縮小駕駛員在通行末期的行為差異化，也能一定程度上提高通行效率。

2.1.3 提高道路對復雜環(huán)境的應對能力

某車在行駛過程中發(fā)生交通事故或車輛發(fā)生故障，當駕駛員已經(jīng)失去行動能力無法樹立警示標志時，后方車輛易對駕駛員造成二次傷害。

管控部門通過高速路監(jiān)控攝像頭確認事故位置后，通過系統(tǒng)控制對應車道線顯示模式轉(zhuǎn)變?yōu)槭疽馕ｋU的紅色，并將靠近相對安全的一側(cè)的車道線的一半顯示為綠色，以此來警示后車減速并提醒向一側(cè)變更車道，避免事故路段發(fā)生二次事故或?qū)е陆煌ǖ膿矶?，保證駕駛員的安全，提升道路安全性。

在城市內(nèi)，救護車、消防車等特種車輛在執(zhí)行任務時，通過智能車道線規(guī)劃路線，并將特殊車輛符號顯示在車道線上提前告知車輛避讓，保證任務車輛快速通行。

2.1.4 配合車輛實現(xiàn)自動駕駛

當前的自動駕駛技術(shù)是基于圖像識別的，當路面狀況不佳或車流過于復雜時，車輛容易發(fā)生誤判或誤操作?！爸悄苘嚨谰€”配合“車聯(lián)網(wǎng)”，通過運算，為路面上所有車輛規(guī)劃好路徑，并通過智能車道線反饋電子信號，由車輛接收并進行相應的操作，從而實現(xiàn)整齊有序規(guī)劃的車流。

3 智能車道線的弊端

智能車道線投入使用后將長期暴露于室外，其材料對防水，抗壓，電源都有較高的要求，尤其是常有重型車輛駛過的路段，若沒有合適的選材，將會使養(yǎng)護成本加劇。且智能車道線需要在道路上預留相應的槽位和管線，施工成本較高。

4 市場評估

4.1 市場現(xiàn)狀

大數(shù)據(jù)時代已經(jīng)到來，構(gòu)建智慧城市是未來現(xiàn)代化城市的發(fā)展方向。融合了大數(shù)據(jù)技術(shù)的智能交通系統(tǒng)將會是智慧城市的重要組成部分，也是未來智能交通事業(yè)的前進方向。

4.2 目標市場

通過智能車道線對路面資源的合理分配，減少人力物力的支出;減少道路時空資源的浪費;完成潮汐車道的快速變線;實現(xiàn)對交通事故的預警;提醒后方來車注意安全;防止二次事故發(fā)生;智能車道線規(guī)劃緊急路線供消防車、救護車行駛，以便能過快速實現(xiàn)營救，減少人員傷亡;與車路協(xié)同技術(shù)相結(jié)合，減少駕駛員因操作失誤導致的交通事故。智能車道線主要的投放市場是城市快速路、主干路、道路交叉口、高速公路等事故多發(fā)區(qū)，車路協(xié)同技術(shù)將運用于車載裝置以及車載系統(tǒng)的更新?lián)Q代。

5 風險評估

5.1 技術(shù)風險

將電子元件設(shè)置在道路路面內(nèi)，需考慮受力情況、防水性、溫度穩(wěn)定性對其工作穩(wěn)定性和使用壽命的問題。其次，如今知識更迭速度快以及現(xiàn)代技術(shù)日新月異，新技術(shù)的快速產(chǎn)生有可能會將本產(chǎn)品替代。這就致使本產(chǎn)品會被提前淘汰而造成損失。

5.2 市場風險

市面上未有與本產(chǎn)品智能車道線相似的產(chǎn)品，但考慮到市場的接受能力，本產(chǎn)品可能會被拒絕?？紤]市場的接受能力的不確定性以及實際的適用性。這樣使得本產(chǎn)品會在前期宣傳推廣的資金因投入時間周期過長而無法收回。

6 結(jié)論

本文針對當前道路時空資源分配不均，道路應變能力差、傳統(tǒng)車道線存在不足等問題，提出了一種“智能車道線”的新型車道線建設(shè)策略，并建立相關(guān)數(shù)學模型進行驗證，驗證其總體可行。

參考文獻：

[1]韓寶睿，丁莉莎，李穎，等.前車遮擋造成的后車誤闖紅燈機理及信號燈設(shè)置研究[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2020，39（1）：23-27.

[2]錢紅波，韓皓.機動車綠燈倒計時對交叉口交通安全的影響研究[J].中國安全科學學報，2010，20（3）：9-13.

[3]戴昕.城市主干線潮汐車道交通流特性及設(shè)置方法研究[D].長安大學，2018.

[4]曹俊業(yè).基于潮汐流特性的變向車道協(xié)同優(yōu)化控制方法[D].青島理工大學，2016.

[5]賈洪飛，丁心茹，楊麗麗.城市潮汐車道優(yōu)化設(shè)計的雙層規(guī)劃模型[J].吉林大學學報（工學版），2020，50（2）：535-542.