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我国高速公路运行态势分析方法探讨
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【摘要】通过分析我国高速公路管理现状中存在的问题，从运行态势分析的角度，探讨针对不同组织形式、交叉类型的高速公路运行状态分析方法，预测未来一定周期内高速公路的运行态势，综合考虑气象、照明等因素的影响，及时发现事故，并根据预先制定的应急救援方案，实时做出调整，提升事故现场的救援能力，同时也为高速公路诱导出行提供决策依据。
【关键词】运行态势 事故应急救援方案 诱导出行 状态分析方法
一、概述
近年来，我国高速公路建设速度较快，但总体通行能力和管理水平还远不如发达国家，重特大交通事故更是居高不下。导致我国高速公路交通安全隐患频发和处置突发事件效率不高的主要原因是，我国高速公路交通管理部门缺乏与其他部门的信息共享，不能实现多元化数据采集和信息的及时有效分析与应用。处理应急事件也常常单兵作战，跨部门协作困难。2008年初，由于连遭低温冰雪天气，引发21个省市自治区大量车辆在高速公路上滞留。2011年5月至10月京藏高速呼和浩特至包头方向大面积堵车，造成近5000车次堵车，给附近村庄造成损失，事故发生近百起，疏散进展相对缓慢。因此，高速公路交通安全与畅通已经成为我国一项重大社会和民生问题。
二、我国高速公路管理现状
我国高速公路管理普遍存在管理制度不明晰、管理人员职责不清、无法及时发现事故现场及无应急预案或预案过于形式化、无法针对事故做出及时有效措施等等一些问题，究其根源为“建、管、用”不匹配，才会导致实际管理过程中出现的一系列问题，归纳主要有以下五个方面：
2.1路网种类多，涉及部门广，管理分散
高速公路网节点多、结构复杂，隶属多个公司管理，管理架构复杂，管理上既需要对全部路网的整体运行状况进行实时了解和把握，又需要能够对不同运营单位的路段流量能够实时准确掌握。
2.2货运交通发达，过境、重载交通比重大，车辆构成复杂，社会影响大
在一些过境交通中，特别是经济发展较快的地市，产业加速集聚和扩张，公路货运量呈现急剧增长的趋势，高速公路承载的负荷远远超出了设计负荷，面临加速损坏的风险。
2.3交通流分布不均，路网通行能力不匹配
交通流分布不均衡，主干线拥挤不堪，次干线流量稀少。在出行中，大多数驾驶员习惯性会选择走主干线，致使高速公路交通流分布不均衡，主干线拥挤不堪，次线流量稀少。
此外，“春运”、“黄金周”等节假日期间，全国各大高速免费通行，交通流量激增，大规模集中出行，以及车流高峰期的延长使得节假日期间高速公路交通供需矛盾严重激化。“人满为患，车流成河”成为高速公路假日期间运行状况的真实写照。
2.4事故发现和应急处理能力不足，无应急救援方案
在拥堵状态下，交通事故等各类突发事件的发生机率大大增加，给人民生命财产带来严重威胁。此外，路网拥堵还会造成燃油消耗加大，加重环境污染等诸多负面影响，带来严重的社会经济损失，不利于社会经济的可持续发展。高速公路交通拥挤和交通事故及其引发的交通安全、运输效率、环境污染和能源消耗等问题已经受到社会各界的广泛关注。对高速监控力度不够，造成对事故的感知程度不高，应急处理能力亦远远跟不上。
2.5“特殊情况”没有进行特殊处理措施或预案
没有形成针对雾霾、冰雪等特殊气候条件的预案，譬如说京港澳高速全年多雾霾，尤其秋季，能见度对畅通通行影响极大。此外，雨雪天气会产生路面结冰，能见度下降等问题，容易发生侧滑、追尾等事故。
三、高速公路运行状态判别方法
针对上述问题，须提出一个合理的方法，不仅能够有效地诱导驾驶员出行，还能够对高速公路运行状态进行监管，有效寻找事故黑点，及时发现事故现场，提升应急救援能力。
近几年，全国各地引入城市道路交通运行指数概念，用感知数据分析整个城市交通运行状态，从而有效指导驾驶员出行。同理，交通运行指数的概念同样也适用于高速公路，对高速公路的交通单元(路段、交织区、匝道区等)的运行态势分别建立速度、密度、饱和度运行指数TPI(traffic performance index)模型，道路交通运行指数TPI是综合反映道路网交通运行状况的指标，是对交通拥堵在空间、时间、强度等方面特征的综合化、简单化描述。
(1)高速公路路段运行分析。路段的运行状态可用地点车速、密度、饱和度分别进行计算，计算的结果采纳优先级：速度>密度>饱和度，即当有速度TPI时不采用其他计算值，如果没有采用密度TPI计算值，如果速度、密度都没有就采用饱和度TPI计算值。
(2)高速公路交织区运行态势分析。对于高速公路交织区的运行态势，以交织车速和非交织车速作为TPI计算参数。交织速度为交织车道的平均速度，非交织速度可通过非交织车道的平均速度算得，这要求每一车道都要有测速装置，上表的阈值表针对设计速度为120km/h的高速公路，其他设计速度类型的原理类似。
(3)高速公路互通立交匝道与主线点运行态势分析。对于匝道与主线点的TPI采用饱和度进行计算，计算以驶入匝道构造类型为例(其他构造类型类似)。如图1所示，V1为主线最右侧交通量，Vo为分离交通量，Vi为汇入交通量，Vm为汇入后主线总的交通量。
图1 在前接驶出匝道的驶入匝道处检验点交通量
(4)高速公路交通运行态势短时预测。基于运行指数TPI的交通短时预测。交通短时预测是以交通单元TPI为基础交通参数，通过预测算法预测下一周期或时刻的交通单元TPI。在此采用的是改进的时间序列模型进行预测，主要是根据地点车速特殊性来制定模型的，包括5分钟、10分钟、15分钟和30分钟的近期交通预测数据。
(5)高速公路交通事件检测。交通事件主要划分为疑似拥堵、拥堵和事件三类。根据交警部门的实际需求，对于高速公路关键节点(服务区、匝道交织区)的情况一般检测入口方向的疑似拥堵、拥堵和异常事件，对于路段的情况一般检测事件。
对于关键节点交通单元有持续2个以上(含两个)的检测周期或者该路口以较高周期较高饱和度运行，即TPI≥8时的可初步判定为疑似拥堵。
对于路段的事件：路段(排除处于节点缓冲区内的路段)平均车速小于其拥挤速度阈值，且持续2个以上(含两个)的检测周期的可判断为疑似事件。
另外，若该某一交通单元(路段、服务区、交织区、匝道结合处)的速度和流量曲线急剧下降，且密度曲线急剧升高说明该路段发生了交通事件。例如有些特殊情况出现，具体阈值根据现实情况和历史数据确定。
(6)雾霾、雨雪天气交通运行态势分析。由于特殊天气交通运行指数较难以测得(例如在大雾天气，视频检测器检测精度很低)，根据能见度和路面湿滑度的检测值，对交通状态进行评估，需对历史的正常天气TPI进行折减处理。
高速公路运行状态的信息化管理，不仅能够起到诱导高速出行的效果，还能够第一时间发现事故现场，指导救援行动，也为节假日高峰出行提供引导管理决策依据。
四、基础信息获取
为保证高速公路交通参数检测的准确性，需要在高速公路出入口或匝道布设一定数量的检测器，根据现有的国内市场检测器的应用情况，结合高速公路自身特征，可选检测器主要有地磁车辆检测器、微波检测器，用于获取高速公路的车辆存在检测、流量、占有率、速度等参数。数据获取如下：
(1)流量。流量数据可通过视频、微波、地磁、线圈、卡口等检测器获得，流量的采集要求分车道、分车辆类型进行。有的检测器能识别车辆类型，有的不能，在安装检测器的时候要考虑到这一点，并区别对待，对检测到的流量标准换算成pcu单位。
标准流量：
车辆换算系数(f)见下表1所示。
表1 车辆换算系数表
车辆类型 摩托车 三轮车 小客车 中型车 大型车 铰接车(拖挂)
换算系数 0.4 0.6 1.0 1.5 2.0 3.0
(2)地点车速。视频、微波能够直接检测到地点车速，地磁和线圈通过两个组合使用也可以检测到地点车速，在检测的时候以中间车道为准，剔除左右侧的快速车道和慢车道的速度数据。
(3)路段车流量密度。目前的检测器无法直接获得路段上的车流密度，可通过出入量法用流量进行换算，换算公式如下：
K(t)―t时刻的路段AB上的密度;
LAB―路段AB的长度;
E(t)―t时刻的路段AB上的现有车辆数;
E(t0)―t0时刻的路段AB上的现有车辆数;
QA(t)―t时刻的路段A驶入路段AB的车辆数;
QB(t)―t时刻的路段B驶出路段AB的车辆数;
(4)排队长度。排队长度可用专门的视频和微波检测器检测获得，也可在必要位置顺序安装地磁或线圈检测排队长度。
(5)能见度。以中科院合肥物质科学研究院安光所一项科研成果HW-N1型前向散射式能见度仪为检测设备，构建能见度检测系统，阀值如下：
对相应的高速公路路段实行一级至三级管制：低于50米，不能保障车辆安全通行时，启动一级管制，实行全线或局部路段封闭的管制措施;50米至100米，不能保障车辆安全通行时，实行二级管制，限速40公里/小时;100米至200米，实行三级管制，限速60公里/小时。
(6)路面湿滑度。先进的基于机器视觉湿滑度视频检测器可以对道路湿滑度进行检测;也可通过气象部门或人工检测等手段检测得到。
表2 高速公路路面湿滑指数分类表
摩擦系数范围 路面抗滑性能 路面湿滑状况描述 路面湿滑指数
F≥0.5 正常 干燥清洁路面 1级
0.35≤F<0.5 稍差 潮湿;降雨天气，积水 2级
0.2≤F<0.35 较差 松散雪;斑驳冰;霜 3级
F<0.2 很差 严寒季节;压实雪或冰层 4级
(7)其他信息。气象部门信息，采集高速公路所属区域的当前和未来气象信息，包括雾霾、下雪、大雨等影响高速公路通行能力因素。
交通事件信息，主要通过各种渠道采集交通事件信息，包括路面检测器检测的交通拥堵、人工报告信息、交通运输事件、城市管理事件、接处警交通事件、手机app采集事件等。
交通管制信息，主要是通过采集各部门的交通管制信息，包括道路施工、养护、管制、重大活动路线、特勤路线、重要地点的交通标志标线(流量禁限、禁左、禁止掉头等)等道路管制信息。
交通稽查信息，主要采集一些违法犯罪车辆信息，便于在高速区域内围追堵截，以及及时疏散区域内的其他社会车辆。
五、结语
本文主要针对我国高速公路管理不规范的现状，分析高速公路管理常见的一些问题，从交通运行状态信息化管理的角度，探讨不同类型高速公路运行状态分析、交通预测及事故发现与应急救援等方法，并提出实现这些功能所需要的基础信息获取渠道，在一定程度上为高速公路管理决策提供依据，也对我国高速公路规范化管理提出了新的需求。
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