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(shè)計作為主要研究目標(biāo)，進(jìn)行整理與歸納，結(jié)合數(shù)據(jù)進(jìn)行了研究分析；闡述六種主動交通控制策略，對其在模型設(shè)計過程中所需要考慮的支撐環(huán)境、基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)需求以及維護(hù)情況進(jìn)行分析，對主線限速模型構(gòu)建進(jìn)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(guān)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(xiàn)標(biāo)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(dāng)前和預(yù)測交通條件為基礎(chǔ)，進(jìn)行的周期性和非周期性的動態(tài)管控，用布設(shè)可變信息標(biāo)志或可變信息情報板來發(fā)布實時交通管控信息或交通狀態(tài)信息，將靜態(tài)管理轉(zhuǎn)變?yōu)閯討B(tài)管理，從而達(dá)到對交通進(jìn)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(jīng)營戰(zhàn)略。但目前，在國內(nèi)高速公路上，主動交通管控的應(yīng)用還處在起步階段，其在智慧高速公路上的研究和應(yīng)用還有待進(jìn)一步深化[1]。

1 主動交通管控策略分析

1.1 匝道動態(tài)控制

高速公路進(jìn)口匝道的動態(tài)控制，按照控制區(qū)域與復(fù)雜性的不同，可以將其劃分為動態(tài)協(xié)調(diào)控制、單點動態(tài)控制和靜態(tài)控制。動態(tài)協(xié)調(diào)控制與單點動態(tài)控制主要用于高流量的主干道、匝道或交織區(qū)域，通過控制匝道的開啟和關(guān)閉，來動態(tài)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(jìn)行反向，達(dá)到實時的車流量與行駛方向相匹配的目的。逆轉(zhuǎn)車道通行方向的手段包括移動障礙或者更改道路標(biāo)識。為了安全起見，目前逆向可變車道主要是在城區(qū)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(jìn)行深入研究。

1.3 動態(tài)硬路肩

硬路肩的第一個功能就是當(dāng)?shù)缆凡荒軘U(kuò)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(shù)能夠依據(jù)高峰時段擁堵程度、非高峰時段發(fā)生的交通事故等因素，將其動態(tài)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(tài)限速和車道動態(tài)分配相結(jié)合。

1.4 提前排隊檢測

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

1.5 動態(tài)限速

該技術(shù)能夠依據(jù)實時交通狀況、路況、氣象等因素，對限速進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，給出推薦車速或調(diào)整車速，能夠?qū)φ麠l道路或單一車道進(jìn)行應(yīng)用，減小車速差，實現(xiàn)“平滑”交通流量和車速協(xié)調(diào)提升，減少交通事故發(fā)生。因此，這一技術(shù)多用于經(jīng)常發(fā)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(tài)調(diào)節(jié)的限速還沒有相關(guān)的法律法規(guī)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(tài)分配

在交通事故、交通堵塞等事件中，通常會出現(xiàn)一條或多條單獨的車道，在此基礎(chǔ)上，利用動態(tài)的車道指示牌給出停車警告，引導(dǎo)車輛進(jìn)入鄰近的車道。車道動態(tài)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(biāo)識相結(jié)合，是一種與動態(tài)硬質(zhì)路肩相結(jié)合的主動控制策略。

2 主動交通管控模型設(shè)計研究

2.1 支持環(huán)境

一個有效的主動交通管控系統(tǒng)需要具備支持環(huán)境，包括支持硬件、支撐軟件、人員和操作規(guī)程等。

2.2 基礎(chǔ)設(shè)施

主動交通管控的基礎(chǔ)設(shè)施除了機(jī)電設(shè)備外，還包括交通安全和土建設(shè)施等。機(jī)電設(shè)備主要包括感知設(shè)備、可變信息標(biāo)志或門架情報板、車道控制器、通信設(shè)施、供電設(shè)施和輔助設(shè)備。交通安全設(shè)施包括靜態(tài)信息標(biāo)識和道路交通標(biāo)志。土建方面，則是對路面進(jìn)行整平設(shè)計，對道路進(jìn)行線形設(shè)計等。

2.3 數(shù)據(jù)需求

主動交通管控涉及信息傳遞與交通管理相結(jié)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(shè)備來實現(xiàn)，而外場感知設(shè)備為攝像機(jī)、雷達(dá)或雷視一體機(jī)。外場感知設(shè)備采集當(dāng)前的交通狀態(tài)數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)決策提供了數(shù)據(jù)支持，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)交通事件時提醒操作人員進(jìn)行人工處理。主動管控策略數(shù)據(jù)需求如表1所示。

2.4 主線可變限速模型構(gòu)建

在解決道路交通擁擠的過程中，存在著兩個重要的優(yōu)化目標(biāo)，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(guān)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(biāo)是使車流達(dá)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(xù)運行，增加最大服務(wù)質(zhì)量。但總體車速降低，無法將其優(yōu)點展現(xiàn)出來[3]。單一的控制指標(biāo)無法達(dá)到最優(yōu)，結(jié)合最短的行車時間和最大的交通流兩個指標(biāo)，對其進(jìn)行了綜合優(yōu)化。首先，將對主干瓶頸區(qū)的流量進(jìn)行描述，其中，主干瓶頸區(qū)的單元劃分如圖1所示。

將瓶頸區(qū)分為n個單元，上游路段分為m個單元，瓶頸區(qū)流量和密度的關(guān)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(nèi)瓶頸區(qū)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(nèi)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(qū)的車道數(shù)；qbo，0（k）——第k個時間段瓶頸區(qū)從第0單元流入第1單元的交通流量；ρcr，bo——瓶頸區(qū)的臨界密度；ρjm，bo——瓶頸區(qū)的阻塞密度；qbo——瓶頸區(qū)通行能力；σ——瓶頸區(qū)通行能力驟降折減系數(shù)。

目標(biāo)指標(biāo)函數(shù)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(biāo)函數(shù)；λbo——瓶頸區(qū)車道數(shù)；Δlbo——瓶頸區(qū)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(biāo)函數(shù)；vbo，i（k）——在第k個時間段內(nèi)瓶頸區(qū)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(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，如公式5所示：

（5）

式中，SSC——主線可變限速控制總目標(biāo)函數(shù)；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(yīng)的權(quán)重系數(shù)。

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(yōu)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(qū)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(yīng)用實例

在交通流量持續(xù)增長的同時，由于交通擁擠而導(dǎo)致的事故頻發(fā)，給事故當(dāng)事人的人身和財產(chǎn)帶來了巨大損失。華東區(qū)域的某條高速公路于2019年正式實施了智慧高速建設(shè)，率先在國內(nèi)實施了主動交通控制，利用道路上的動態(tài)信息控制單元，對交通流進(jìn)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(shè)

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(biāo)志門架上布置4個不同的信息牌，分別對應(yīng)3個正線車道和1個應(yīng)急車道。在此基礎(chǔ)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(nèi)不少于3個主動控制單元。

第一組控制單元設(shè)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(zhuǎn)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(xiàn)了緩行或者是輕微的事故，就使用動態(tài)限速控制策略，根據(jù)在擁堵或者事故點之后，情報板的距離從遠(yuǎn)到近，遵循限速遞減原則，對情報板的限速標(biāo)志進(jìn)行調(diào)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(wěn)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(tài)分配和動態(tài)限速控制相結(jié)合的方式，調(diào)整對應(yīng)于施工地點或者事故點的門架的情報板，來發(fā)布對應(yīng)的施工地點或者事故的圖標(biāo)，同時，也能在工地或事故發(fā)生點后，通過公告牌，進(jìn)行降速提示。

3.2.3 擁堵場景

在該高速公路出現(xiàn)擁堵或重大事故的情況下，采取“提前排隊”和“動態(tài)硬路肩”相結(jié)合的方式，在標(biāo)準(zhǔn)車道上出現(xiàn)“前方擁堵”的信息，并在應(yīng)急車道上暫時打開，在應(yīng)急車道上出現(xiàn)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(yù)計恢復(fù)時間、服務(wù)區(qū)停車、加油、餐飲等信息。

4 結(jié)語

當(dāng)前，國家正在加快推進(jìn)智慧高速公路的建設(shè)，以及基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)字化發(fā)展，為智慧高速公路的主動交通管控創(chuàng)造了有利的發(fā)展環(huán)境，為主動式交通管控策略與模型的設(shè)計研究提供了絕佳的機(jī)遇與實驗場所。采用了主動交通管控方式，在擁堵或事故發(fā)生之前的交通狀態(tài)下，從用戶的服務(wù)入手，積極地為其提供交通管控服務(wù)，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(shè)計要素。在協(xié)調(diào)車速的情況下，使用動態(tài)限速的方法；在施工或交通事故等情況下，采取結(jié)合動態(tài)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(tài)硬路肩相結(jié)合的方法。在目前的分析研究結(jié)果基礎(chǔ)上，還需要進(jìn)一步深入地研究各種復(fù)雜路況下的主動交通管控策略和模型設(shè)計，并加以應(yīng)用，以長遠(yuǎn)滿足高速公路用戶與運營管理者的需求。

參考文獻(xiàn)

[1]中共中央， 國務(wù)院. 交通強(qiáng)國建設(shè)綱要[R]. 2019.

[2]交通運輸部. 數(shù)字交通“十四五”發(fā)展規(guī)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(xué)校學(xué)報， 2017（1）： 5-12.

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