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我國高速公路運行態勢分析方法探討
【摘要】通過分析我國高速公路管理現狀中存在的問題，從運行態勢分析的角度，探討針對不同組織形式、交叉類型的高速公路運行狀態分析方法，預測未來一定周期內高速公路的運行態勢，綜合考慮氣象、照明等因素的影響，及時發現事故，并根據預先制定的應急救援方案，實時做出調整，提升事故現場的救援能力，同時也為高速公路誘導出行提供決策依據。
【關鍵詞】運行態勢 事故應急救援方案 誘導出行 狀態分析方法
一、概述
近年來，我國高速公路建設速度較快，但總體通行能力和管理水平還遠不如發達國家，重特大交通事故更是居高不下。導致我國高速公路交通安全隱患頻發和處置突發事件效率不高的主要原因是，我國高速公路交通管理部門缺乏與其他部門的信息共享，不能實現多元化數據采集和信息的及時有效分析與應用。處理應急事件也常常單兵作戰，跨部門協作困難。2008年初，由于連遭低溫冰雪天氣，引發21個省市自治區大量車輛在高速公路上滯留。2011年5月至10月京藏高速呼和浩特至包頭方向大面積堵車，造成近5000車次堵車，給附近村莊造成損失，事故發生近百起，疏散進展相對緩慢。因此，高速公路交通安全與暢通已經成為我國一項重大社會和民生問題。
二、我國高速公路管理現狀
我國高速公路管理普遍存在管理制度不明晰、管理人員職責不清、無法及時發現事故現場及無應急預案或預案過于形式化、無法針對事故做出及時有效措施等等一些問題，究其根源為“建、管、用”不匹配，才會導致實際管理過程中出現的一系列問題，歸納主要有以下五個方面：
2.1路網種類多，涉及部門廣，管理分散
高速公路網節點多、結構復雜，隸屬多個公司管理，管理架構復雜，管理上既需要對全部路網的整體運行狀況進行實時了解和把握，又需要能夠對不同運營單位的路段流量能夠實時準確掌握。
2.2貨運交通發達，過境、重載交通比重大，車輛構成復雜，社會影響大
在一些過境交通中，特別是經濟發展較快的地市，產業加速集聚和擴張，公路貨運量呈現急劇增長的趨勢，高速公路承載的負荷遠遠超出了設計負荷，面臨加速損壞的風險。
2.3交通流分布不均，路網通行能力不匹配
交通流分布不均衡，主干線擁擠不堪，次干線流量稀少。在出行中，大多數駕駛員習慣性會選擇走主干線，致使高速公路交通流分布不均衡，主干線擁擠不堪，次線流量稀少。
此外，“春運”、“黃金周”等節假日期間，全國各大高速免費通行，交通流量激增，大規模集中出行，以及車流高峰期的延長使得節假日期間高速公路交通供需矛盾嚴重激化。“人滿為患，車流成河”成為高速公路假日期間運行狀況的真實寫照。
2.4事故發現和應急處理能力不足，無應急救援方案
在擁堵狀態下，交通事故等各類突發事件的發生機率大大增加，給人民生命財產帶來嚴重威脅。此外，路網擁堵還會造成燃油消耗加大，加重環境污染等諸多負面影響，帶來嚴重的社會經濟損失，不利于社會經濟的可持續發展。高速公路交通擁擠和交通事故及其引發的交通安全、運輸效率、環境污染和能源消耗等問題已經受到社會各界的廣泛關注。對高速監控力度不夠，造成對事故的感知程度不高，應急處理能力亦遠遠跟不上。
2.5“特殊情況”沒有進行特殊處理措施或預案
沒有形成針對霧霾、冰雪等特殊氣候條件的預案，譬如說京港澳高速全年多霧霾，尤其秋季，能見度對暢通通行影響極大。此外，雨雪天氣會產生路面結冰，能見度下降等問題，容易發生側滑、追尾等事故。
三、高速公路運行狀態判別方法
針對上述問題，須提出一個合理的方法，不僅能夠有效地誘導駕駛員出行，還能夠對高速公路運行狀態進行監管，有效尋找事故黑點，及時發現事故現場，提升應急救援能力。
近幾年，全國各地引入城市道路交通運行指數概念，用感知數據分析整個城市交通運行狀態，從而有效指導駕駛員出行。同理，交通運行指數的概念同樣也適用于高速公路，對高速公路的交通單元(路段、交織區、匝道區等)的運行態勢分別建立速度、密度、飽和度運行指數TPI(traffic performance index)模型，道路交通運行指數TPI是綜合反映道路網交通運行狀況的指標，是對交通擁堵在空間、時間、強度等方面特征的綜合化、簡單化描述。
(1)高速公路路段運行分析。路段的運行狀態可用地點車速、密度、飽和度分別進行計算，計算的結果采納優先級：速度>密度>飽和度，即當有速度TPI時不采用其他計算值，如果沒有采用密度TPI計算值，如果速度、密度都沒有就采用飽和度TPI計算值。
(2)高速公路交織區運行態勢分析。對于高速公路交織區的運行態勢，以交織車速和非交織車速作為TPI計算參數。交織速度為交織車道的平均速度，非交織速度可通過非交織車道的平均速度算得，這要求每一車道都要有測速裝置，上表的閾值表針對設計速度為120km/h的高速公路，其他設計速度類型的原理類似。
(3)高速公路互通立交匝道與主線點運行態勢分析。對于匝道與主線點的TPI采用飽和度進行計算，計算以駛入匝道構造類型為例(其他構造類型類似)。如圖1所示，V1為主線最右側交通量，Vo為分離交通量，Vi為匯入交通量，Vm為匯入后主線總的交通量。
圖1 在前接駛出匝道的駛入匝道處檢驗點交通量
(4)高速公路交通運行態勢短時預測。基于運行指數TPI的交通短時預測。交通短時預測是以交通單元TPI為基礎交通參數，通過預測算法預測下一周期或時刻的交通單元TPI。在此采用的是改進的時間序列模型進行預測，主要是根據地點車速特殊性來制定模型的，包括5分鐘、10分鐘、15分鐘和30分鐘的近期交通預測數據。
(5)高速公路交通事件檢測。交通事件主要劃分為疑似擁堵、擁堵和事件三類。根據交警部門的實際需求，對于高速公路關鍵節點(服務區、匝道交織區)的情況一般檢測入口方向的疑似擁堵、擁堵和異常事件，對于路段的情況一般檢測事件。
對于關鍵節點交通單元有持續2個以上(含兩個)的檢測周期或者該路口以較高周期較高飽和度運行，即TPI≥8時的可初步判定為疑似擁堵。
對于路段的事件：路段(排除處于節點緩沖區內的路段)平均車速小于其擁擠速度閾值，且持續2個以上(含兩個)的檢測周期的可判斷為疑似事件。
另外，若該某一交通單元(路段、服務區、交織區、匝道結合處)的速度和流量曲線急劇下降，且密度曲線急劇升高說明該路段發生了交通事件。例如有些特殊情況出現，具體閾值根據現實情況和歷史數據確定。
(6)霧霾、雨雪天氣交通運行態勢分析。由于特殊天氣交通運行指數較難以測得(例如在大霧天氣，視頻檢測器檢測精度很低)，根據能見度和路面濕滑度的檢測值，對交通狀態進行評估，需對歷史的正常天氣TPI進行折減處理。
高速公路運行狀態的信息化管理，不僅能夠起到誘導高速出行的效果，還能夠第一時間發現事故現場，指導救援行動，也為節假日高峰出行提供引導管理決策依據。
四、基礎信息獲取
為保證高速公路交通參數檢測的準確性，需要在高速公路出入口或匝道布設一定數量的檢測器，根據現有的國內市場檢測器的應用情況，結合高速公路自身特征，可選檢測器主要有地磁車輛檢測器、微波檢測器，用于獲取高速公路的車輛存在檢測、流量、占有率、速度等參數。數據獲取如下：
(1)流量。流量數據可通過視頻、微波、地磁、線圈、卡口等檢測器獲得，流量的采集要求分車道、分車輛類型進行。有的檢測器能識別車輛類型，有的不能，在安裝檢測器的時候要考慮到這一點，并區別對待，對檢測到的流量標準換算成pcu單位。
標準流量：
車輛換算系數(f)見下表1所示。
表1 車輛換算系數表
車輛類型 摩托車 三輪車 小客車 中型車 大型車 鉸接車(拖掛)
換算系數 0.4 0.6 1.0 1.5 2.0 3.0
(2)地點車速。視頻、微波能夠直接檢測到地點車速，地磁和線圈通過兩個組合使用也可以檢測到地點車速，在檢測的時候以中間車道為準，剔除左右側的快速車道和慢車道的速度數據。
(3)路段車流量密度。目前的檢測器無法直接獲得路段上的車流密度，可通過出入量法用流量進行換算，換算公式如下：
K(t)―t時刻的路段AB上的密度;
LAB―路段AB的長度;
E(t)―t時刻的路段AB上的現有車輛數;
E(t0)―t0時刻的路段AB上的現有車輛數;
QA(t)―t時刻的路段A駛入路段AB的車輛數;
QB(t)―t時刻的路段B駛出路段AB的車輛數;
(4)排隊長度。排隊長度可用專門的視頻和微波檢測器檢測獲得，也可在必要位置順序安裝地磁或線圈檢測排隊長度。
(5)能見度。以中科院合肥物質科學研究院安光所一項科研成果HW-N1型前向散射式能見度儀為檢測設備，構建能見度檢測系統，閥值如下：
對相應的高速公路路段實行一級至三級管制：低于50米，不能保障車輛安全通行時，啟動一級管制，實行全線或局部路段封閉的管制措施;50米至100米，不能保障車輛安全通行時，實行二級管制，限速40公里/小時;100米至200米，實行三級管制，限速60公里/小時。
(6)路面濕滑度。先進的基于機器視覺濕滑度視頻檢測器可以對道路濕滑度進行檢測;也可通過氣象部門或人工檢測等手段檢測得到。
表2 高速公路路面濕滑指數分類表
摩擦系數范圍 路面抗滑性能 路面濕滑狀況描述 路面濕滑指數
F≥0.5 正常 干燥清潔路面 1級
0.35≤F<0.5 稍差 潮濕;降雨天氣，積水 2級
0.2≤F<0.35 較差 松散雪;斑駁冰;霜 3級
F<0.2 很差 嚴寒季節;壓實雪或冰層 4級
(7)其他信息。氣象部門信息，采集高速公路所屬區域的當前和未來氣象信息，包括霧霾、下雪、大雨等影響高速公路通行能力因素。
交通事件信息，主要通過各種渠道采集交通事件信息，包括路面檢測器檢測的交通擁堵、人工報告信息、交通運輸事件、城市管理事件、接處警交通事件、手機app采集事件等。
交通管制信息，主要是通過采集各部門的交通管制信息，包括道路施工、養護、管制、重大活動路線、特勤路線、重要地點的交通標志標線(流量禁限、禁左、禁止掉頭等)等道路管制信息。
交通稽查信息，主要采集一些違法犯罪車輛信息，便于在高速區域內圍追堵截，以及及時疏散區域內的其他社會車輛。
五、結語
本文主要針對我國高速公路管理不規范的現狀，分析高速公路管理常見的一些問題，從交通運行狀態信息化管理的角度，探討不同類型高速公路運行狀態分析、交通預測及事故發現與應急救援等方法，并提出實現這些功能所需要的基礎信息獲取渠道，在一定程度上為高速公路管理決策提供依據，也對我國高速公路規范化管理提出了新的需求。
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