高速公路主动交通管控技术具有非常广阔的应用前景

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编者按：10月13日，在中国公路勘察设计协会主办的“全国智慧公路建设技术及效能研讨会”上，招商局重庆交通科研设计院有限公司数字交通与智慧城市研究院/研究开发中心主任俞山川作了《城市化区域高速公路主动交通流量管控技术与实践》主题报告。

该报告首先指出城市化区域高速公路具有大断面高流量和互通立交密集的特征，提出了硬路肩动态开放和汇入匝道控制等主动交通流量管控方式，并以G20济青高速公路淄博段为例，介绍了硬路肩开放和匝道控制设置条件确立、交通流运行态势推演模型、动态管控策略等技术，最后分享了下一步提升方向和对高速公路流量-容量智慧匹配技术的未来展望。

一 技术背景

城市化区域高速公路有两个非常显著的特征，大断面高流量和互通立交密集。

首先，城市化区域高速公路通常具有大流量的特征，和大流量相适应的则是其具有双向八车道或十车道的大断面特征，而车辆在大断面的交通运行状态和传统的四车道有显著差异。

以枢纽互通分流区上游为例，车辆在大断面上的连续变道易产生交通事故，引发严重的交通拥堵；即使未发生事故，大流量场景下变道产生严重交织，也易引发严重的交通拥堵。

其次，我国大断面高速通常都是由双向四车道的高速公路原址改扩建形成，很少有一次性建成的双向八车道或双向十车道的高速公路。

而原址改扩建高速公路通常有互通密集的特征，容易形成严重交通交织区；为了减少交织，设计者们常采用将原两处互通“合二为一”形成复合式互通立交这一方式，但会导致主线汇入区域交通需求增大，易产生交通拥堵。

目前，我国逐步出现高速公路临时开放硬路肩、入口匝道信号控制等交通管控方式，比如宁沪高速、甬台温高速、虎门大桥等工程。但绝大多数采用定时控制或“流程驱动”的方式，缺乏对交通运行状态的预测性，交通管控效果和智能化水平有待提升。

因此，我们团队基于交通流的感知数据作为数据驱动，将高速公路硬路肩进行动态开放和入口匝道进行信号控制，让高速公路主线的流量和容量实现智慧匹配，形成了高速公路进行主动交通流量管控技术。

二 工程概况

我们在山东在G20济青高速公路进行了开放硬路肩和匝道控制的应用实践。G20济青高速公路是山东省第一条高速公路，第一条双向八车道高速公路，也是我国一次性扩建里程最长、投资最大的高速公路四车道改八车道工程。

G20济青高速连接了济南和青岛这一山东的经济命脉，并且途经淄博和潍坊这两个大城市，随着经济的发展，高速公路沿线的城市化区域逐渐扩展，交通量也逐步提升，并且出现了早晚潮汐高峰等城市道路的特征。

G20济青高速在最初改扩建时主要强调了土建相关内容，水平处于国际领先；相比而言，信息化和智能化水平有很大的进步空间，因此相关管理者最近几年也逐对这条路进行智慧化提升。

选择在淄博段进行智慧化提升，因为淄博段除淄博西枢纽互通外，还有个由服务区和收费站所形成的复合式互通：淄博互通。我们最初计划在淄博西枢纽互通进行匝道控制来体现技术示范的整体性，但考虑到安全性等问题，因此将匝道控制放在了淄博服务区的出口，将其作为匝道控制的场景，如下图所示。

相比于匝道控制，硬路肩的开放如何设置和管理则需要谨慎的考虑和论证。因为在当时的公众和高速公路管理人员的认知之中，应急车道是不能行驶的，一旦开放后发生交通事故，产生的舆情影响难以估量。

通过调研我们发现，国外高速公路通常是将两个互通之间的交织区来开放硬路肩，增大交织区的通行能力；而这种开放方式会使得大货车和其右侧小轿车之间产生非常严重的拥堵和交通冲突。

此外，国外的硬路肩宽度通常较宽，而我国的硬路肩通常只有3米左右，如果有大货车行驶在硬路肩上，会对硬路肩旁边的车道产生非常严重的干扰。

因此，我们团队确立了以安全为前提，效率提升为目标的硬路肩定向定车型开放方式，在枢纽互通分流区上游路段，对驶离主线的小型客车开放应急车道。并且分流区上游路段如果一旦发生交通事故，则关闭硬路肩，保障救援车辆的通行。

在确定好位置之后，对应急车道硬路肩的开放长度来进行了确定和论证。通过对现场进行数据实测，将交通流的交织区位置做了确定，以交织区的位置为标准来确定硬路肩的最短开放长度。

并基于实测数据对VISSIM仿真模型进行了标定，将硬路肩的最短开放长度的计算拓展到双向六车道、双向八车道以及双向十车道等场景，对在不同车流量和驶离主线比例条件下硬路肩能够开放的最短长度进行了确定。

在对硬路肩的位置和长度进行确定后，进行了施工图的设计和外场设备的布设，将毫米波雷达、LED信息屏、车道指示器以及交通信号灯等设备进行现场设计和安装。

在将外场设施设置好后，对毫米波雷达数据进行了清洗和提质升级，并对交通流的运行态势进行推演。我们通过从2022年10月到现在，将近一年时间的现场实测数据，对硬路肩开放和匝道控制的策略启动阈值来进行了确定。对于畅通和严重拥堵这一工况来说，策略的启动和关闭相对简单；而当发生轻度拥堵时，硬路肩开放和匝道控制是否启动则需要进行交通流量预测来综合判断。

交通预测模型采用基于长短期记忆神经网络算法，通过现场实测数据的模型建模和验证，以及参数的调优，实测5min交通流量预测准确率可达94.3%。在进行了感知数据清洗、交通态势研判之后，便可以基于感知-推演-控制的流程来对硬路肩进行动态开放。

对于淄博互通来说，由于它是由服务区和收费站形成的复合式互通，相较一般的互通，主线和匝道之间的交通状态耦合性更强。因此和传统的匝道控制算法不同，我们需要确定不同交通状态之间的演变转化关系，采用一种双匝道步进式协同控制方法。与开放硬路肩方式相似，也是需要先从感知到推演、再到控制的整体流程。

最后，将这些技术集成封装，团队研发了示范工程的主动交通管控系统，该系统采用感知驱动-智能研判-生成策略-决策下发的流程和架构，在感知-研判-策略可以实现全自动，决策下发也能形成一键联动。

但系统仍然是“半自动”的状态，主要是由于最终形成的决策需要高速公路运管中心上报高速交警对策略进行审批和同意之后，才能将策略进行下发。

因此，淄博运管中心和淄博高速交警形成了联合的应急管理手册，有效减少了部门之间的沟通成本和响应时长，提升了决策下发的及时性。并且团队将相关的管控技术经验进行总结和提炼，形成了专著《八车道高速公路主动安全管理技术指南》。

从2022年国庆开始，示范工程的枢纽互通上游的硬路肩和服务区的匝道开始了相关技术的应用。特别是今年的五一长假，是新冠疫情结束后的第一个长假，再加上淄博烧烤当时全国爆火，淄博段的交通量是2022年的5倍，在这种情况下，淄博运管中心通过开放硬路肩将淄博西枢纽互通上游路段的通行能力提升约13%。

今年国庆长假之前，淄博交警对山东省公众发布了应急车道通行的普及新闻，普及后，示范路段通行能力提升了21.4%，效果非常显著。并且相关技术从淄博西枢纽的一个点最终推广应用到整个淄博段的三个点，得到了淄博运管中心和淄博高速交警的一致认可。

三 提升方向

后续，我们主要通过以下两方面进行进一步提升。一是对已有数据源进行深度挖掘，目前示范路段共安装了10个毫米波雷达，安装成本还是比较可观的，不利于后续技术的推广，我们希望能够将现有的全程监控进行更好的利用，对已有数据源进行深度挖掘。

二是互联网+广播融合。希望能够提升管控策略信息发布的及时性和有效性，后续将和手机地图导航、山东高速APP等进行合作，从而实现互联网+广播的融合。

四 推广前景

目前该技术除了在大断面高速公路可以运用，还可以用于高速公路改扩建工程中。高速公路在改扩建施工期中，主体工程的多次转序，行车线路切换、车流分合频繁，需要对高速公路的流量和容量进行智慧匹配。

在《国家公路网规划划（2013-2030）》中，未来约有3万公里繁忙路段需要扩容改造。因此，在这种情况下，高速公路主动交通管控技术具有非常广阔的应用前景。