“智能施工路段”的技术特定及应用效果

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编者按：随着城市的快速发展，道路交通建设越发紧迫，由于道路交通量大、施工影响范围广、交通资源紧张等因素，对精细化施工交通组织及管理提出了较大的技术挑战，道路施工期间的交通组织与管控成为了交通管理部门工作中的高频场景。本文详细介绍了美国一种智能施工路段交通管控方案，希望为国内施工道路交通管理提供一种思路及相关经验。

美国被誉为“车轮子上的国家”，私家车是公众出行最主要的方式。因此，施工路段的安全和效率问题一直是美国交通运输行业的焦点之一。

尤其是近两年来，受《基础设施投资和就业法案》（Infrastructure Investment and Jobs Act）的影响，高速和城市公路的施工路段数量、施工频率明显增多，随之而来的安全隐患和通行容量的降低让相关政府部门、科研及咨询机构的工作重点开始向智能交通的方向倾斜，以期找到高效、经济且普遍适用的施工路段交通管控方案。

2015年，美国联邦公路管理局（FHWA）提出了研发和部署 “智能施工路段” （Smart Work Zone - SWZ）的倡议，号召各类公路职权部门更好地设计、规划和管理施工路段的交通。该倡议主要包括以下两点基本方针：

1. 增强项目间的统筹规划，将施工路段对交通的影响降至最低；

2. 应用智能交通系统（ITS）实时、动态地管控车辆通行，提高安全系数。从FHWA的第二点策略不难看出，智能施工路段的主要目的就是依托于智能交通设备和技术，将道路施工给道路使用者（Road User）和施工人员带来的风险降至最低，在此基础之上最大程度地保证通行效率。

本文将以笔者所在的德克萨斯州，以及将SWZ和车联网(V2V) 、车路互联(V2I) 技术成功结合使用的亚利桑那州为例，浅析SWZ的技术特点及应用效果。

1、简介德州交通部的《智能施工路段设计准则》

德州交通部（TxDOT）作为最早研究和部署SWZ的政府职能部门之一，在该领域积攒了大量经验并制定了相对完善的规范。2018年底，TxDOT发布了《智能施工路段设计准则》 （Smart Work Zone Guidelines），用以指导智能交通设备在施工路段的规划和应用。

该准则将SWZ这一概念具体划分为六大ITS系统。这六种不同系统既可独立运作亦可协同使用，而且所有系统都具备生成原始数据的能力，这些数据可以被收集、传输、分析和归档，用以生成 “绩效评估指标” （Performance Measures）。这些指标可以实时呈现给用户，也可以报告的形式用于历史经验分析. 这六大智能施工路段的ITS系统分别为：

1.车队检测系统

2.车速监控系统

3.施工设备检测及预警系统

4.通行时间预告系统

5.事故检测及监控系统

6.超高车辆预警系统

需要指出的是，TxDOT在《智能施工路段设计准则》中将所有ITS系统名称前均加上了“临时”（“Temporary”）一词, 用以区分此类系统和固定、常规的ITS基础设施 （Permanent ITS）。

本文并不涉及Permanent ITS, 所以为描述方便删除了 “Temporary” 这一前缀。本文将摘取这六类ITS系统中应用较多的四类具体介绍。

I. 车队检测系统 (Queue Detection System - QDS)

车队检测系统（QDS）在上述六大ITS系统中应用最广, 对追尾事故的防控也最有效。其实，QDS所包含的内容和起到的作用远不止其名字那么简单。该系统能够持续监控临近施工路段以及施工区域内的交通流状况，侦测车速减缓或停止的状况，然后将这些信息实时提供给正在接近的驾驶员，帮助他们及时减速、合理换道。

图1 所示为QDS系统概念图，所涉及的ITS设备包括：便携式车速检测仪（通常安装于交通锥上）；可移动动态信息显示器（Portable Changeable Message System - PCMS）; 便携式减速带；以及监控摄像头（可选）。

通过线性部署多个传感器，该系统能够为施工路段上游约5至12公里处的车辆提供前方队列信息。该系统的特点在于其能够实时检测队列形成、前进的速度，并将相应的减速信息传递给上游车辆。如图1所示，基于前方队列形成状况，上游的PCMS分别显示了三种不同的警示信息：“前方施工”、“前方三英里缓行车队”、“前方两英里交通停滞”。

图1. 车队检测系统QDS

图片来源：美国道路与运输建设者协会（American Road & Transportation Builders Association）

QDS应用实例

德州交通部联合多家相关机构，于2013年起开始对其域内的35号州际公路（IH-35）长约150公里的路段进行拓宽。该路段是一条贯穿德州南北的交通大动脉，日夜交通流量巨大并且事故多发。由于该工程涉及大量的夜间施工，安全可靠的交通组织和施工安全保障成为了工程的重中之重。

因此，QDS以及其他多种SWZ系统被广泛应用于该工程。根据美国道路及交通工程承包商协会 (American Road & Transportation Builders Association - ARTBA) 的统计，QDS系统被应用于超200次夜间施工，与未采用该措施的相似施工路段比较，事故率降低了18%-45%，经济损失降低约140至180万美金。由此可看，QDS系统能够为夜间施工提供很好的安全保障。

图2. ITS设备在施工路段的部署

图片来源：美国道路与运输建设者协会（American Road & Transportation Builders Association）

图3. IH-35夜间施工场景

图片来源：I-35 Queue Detection Warning System – Andy Petter, P.E. TxDOT Short Course 2013-11-15

II. 车速监测系统（Speed Monitoring System - SMS）

超速是造成交通事故最主要的原因之一，在施工路段超速驾驶所造成的后果更加严重。因此，及时提醒驾驶人员当前车速是否安全，对于临近施工路段的车辆来讲尤为重要。

然而施工路段的安全时速通常比正常路段要低，驾驶人员即便按照正常路段的限速行驶也会有安全隐患。

不仅如此，不同情况下施工路段的安全限速并不固定，如遇到恶劣天气或者大型施工车辆频繁出入的话，便需要执行不同的安全限速。通过部署车速检测设备（雷达、摄像头等）和动态限速显示器，车速监控系统能够及时地将车辆实时速度以及施工路段临时限速展示给驾驶人员，以告知其是否需要立即减速。图4展示的是SMS的设备部署和工作原理。

图4. 车速监控系统SMS

图片来源：TxDOT 《智能施工路段设计准则》

需要指出的是， SMS系统虽然能够及时向驾驶员传递速度信息，但实际应用却表明仅仅向驾驶员传达限速信息并不足以有效降低安全风险。因为“友情速度提示”这一手段并不能有效促成驾驶员主动减速。

鉴于此，很多交管部门还会在SMS的基础之上加装一套名为“自动测速执法系统 （Automated Speed Enforcement - ASE）”的设备，类似于国内的测速摄像头，记录超速车辆信息并上传给相关执法部门。马里兰州和纽约州是在施工路段安装此类设备最多的两个州，事实证明，在SWZ的基础上加装ASE设备最多能将超速行为降低80%左右，极大提升施工路段的安全性。

图5：施工路段的ASE系统

图片来源：Automated Work Zone Speed Enforcement Program – 纽约市交通部（NYSDOT）

III. 通行时间和延误监测系统 （Travel Time & Delay Monitoring System – TTDS）

施工路段造成的交通延误很多情况下是由于驾驶员错误估计延误时间，并作出过激的超速或变道行为所造成的。智能施工路段中的通行时长及延误检测系统能够较为精确的将延误量化并及时传递给上游车辆，以此减轻驾驶人员的焦虑、最大程度避免危险驾驶行为的出现。

TTDS系统主要包括三大组件：1. 传感器，用以检测车辆、车速以及队列情况；2. 部署在现场的计算设备（远程操作）；3. 动态信息显示器。

其中，传感器的基本类型包括：雷达传感器、带车辆分析功能的摄像头和蓝牙识别设备等。检测设备将车辆的速度以及其他相关信息传输给现场计算机，经过分析和计算后，计算机再将信息传输至上游的动态信息显示器。所有现场信号的传输均以无线电的方式进行，各类型设备均安装有无线电信号解调器。

图6. 车速监控系统SMS

图片来源：TxDOT 《智能施工路段设计准则》

值得注意的是，交通大数据的普及和商业化应用使得车速检测和通行时长预估变得更为方便和准确。近年来一些施工路段的交通组织方案开始借助于实时的GPS数据反馈来辅助分析施工路段的造成的延误，同时预估到达下游主要目的地通行时长。在数据源充足的情况下，此类方案能够作出覆盖面积更大的交通预测。

TTDS虽然是临时的智能交通方案，但是其终端数据可以和固定ITS设备共享。例如，由施工路段采集、分析后的延误和通行时长预估可以通过光纤传输至更远处的动态信息显示器（一般安装于固定门架上），使得受众更加广泛。

图7. TTDS与固定ITS设备共享信息

图片来源：弗吉尼亚交通部(VDOT)：CHANGEABLE MESSAGE SIGN (CMS) Policy

IV. 事故检测及监控系统 (Incident Detection and Surveillance System - IDSS)

事故检测及监控系统IDSS旨在辅助解决施工路段内部以及邻近区域交通事故的处理。IDSS能够及时的向事故救援方的第一响应方 （First Responder）传递具体事故信息，例如涉事车辆的数量、大小、行进方向、燃油泄露情况等， 以方便救援人员迅速制定详细救援计划。

IDSS系统主要由具备数据传输功能的摄像头、若干车辆传感器（每一英里安放一个）以及一个集成式控制单元组成。监控摄像头通常安装于专属的拖车或者施工路段的应急车辆上，并与交通控制中心（Traffic Management Center – TMC）的监控设备通过移动互联网络实时相连。

一旦事故发生，监控摄像头和上游的传感器会在第一时间将事故信息、道路占用情况以及车速变化发送给TMC，而后由TMC将上述信息发送给第一响应方（道路救援、执法机构等）。集成式控制单元用于监测所有设备的运行状况，记录并修正系统错误信息，并保证在断电情况下所有侦测设备能够以备用电池运行。

图8. 事故检测及监控系统IDSS

图片来源：TxDOT 《智能施工路段设计准则》

V. SWZ的优缺点小结

工程实践表明，上述应用于施工路段的智能交通设备和策略展示出了令人满意的效果。根据密苏里大学2013年针对多个智能施工路段的研究报告（University of Missouri – Columbia: Effectiveness of Work Zone Intelligent Transportation Systems），通行时间和延误监测系统（TTDS）、车速监测系统（SMS）车队动态监测系统（QDS）在实际应用中取得了很好的效果。

在70号州际公路密苏里段的施工中，约有66.3%的车辆会在接收信息后会主动减速并合理变道或者绕行，临近施工路段的车速差也显著降低，大大减少了急刹急停现象。

在针对30号州际公路在阿肯色州域内施工的调查问卷中， 有约82%的受访者表示智能交通系统在施工路段的应用能够使他们更及时地对前方减速情况做出反应。合理规划出行路线、节省出行时间是SWZ最受欢迎的两大优势。

虽然SWZ在降低交通事故风险，节省时间方面优势明显，从道路使用者的反馈中依然可以看出许多需要改进的地方。例如：动态信息显示器上所显示的预估延误时间与实际不符；建议绕行路线的通行时长和不绕行的延误没有区别；各利益相关方（Stakeholders）之间需要更及时的沟通来保证信息传递的准确性和及时性。

2、智能施工路段与车联网、车路互联技术的结合

随着通信技术的不断发展以及交通大数据的累积和普及，车联网（V2V）、车路互联（V2I）等技术手段在近些年在世界范围内均取得了长足发展并得到了广泛应用。

在美国，各级交管部门都非常重视依靠高效能、高性价比的技术手段来提升交通安全和效率，因此，智能施工路段与车联网的结合应用也出现在了许多实际工程中。

在诸多案例中，亚利桑那州的马里科帕县交通部 (MCDOT) 成功地将V2V、V2I技术融入到了城市主干道拓宽的施工项目中去。MC-85是横穿菲尼克斯大都会圈（Phoenix Metro）的城市主干道，同时，因其联通机场（Sky Harbor International Airport）和85号州际高速，MC-85也是一条主要的货物运输动脉。

自2019年初，MCDOT开始了针对MC-85的一些列拓宽和维修施工，该工程耗时长达18个月，分不同批次进行。

为了将施工造成的出行影响和安全隐患降至最低，MCDOT在施工过程中大规模采用了SWZ，并创新性地将V2V、V2I技术与其结合，并研发了服务于物流车队的信息共享平台，极大提高了通行效率，降低了事故发生率。

具体来讲，在工程初期，MCDOT联合其他十余家相关机构，打造了一个区域性的、完善的交通信息共享和储存平台（Regional Archive Data System - RADS）。

RADS能够储存并及时更新各级交管部门辖区内的施工进度、限行计划等信息。MCDOT将RADS 内存储的信息，依据美国交通部制定的 “施工区域数据传输 – Work Zone Data Exchange (WZDX)” 规范，持续上传至一个开放性的应用程序编程接口（Application Programming Interface - API）平台 – Jamlogic，并将信息提供给有需求的道路使用者（最主要的是使用者是一些大型的物流公司）。

该平台能够整合SWZ的传感器提供的道路信息和交管部门提供的施工信息，通过部署在路边的信号传输设备（该项目以 “专用短程通信 – DSRC” 的方式进行数据传输， 并未依托移动互联网），及时将前方交通状况和绕行建议传递到车载设备（On Board Unit）上。

值得一提的是，该系统可以依据施工的具体情况，将提示信息按严重程度分为三类：提示、预警和警告。

图9. Jamlogic API在MC-85施工项目中的应用示例

图片来源：MCDOT - MC-85 SWZ: Lane Closure Management

图10. 车载系统（On Board Unit）显示施工路段信息

图片来源：FHWA - Utilizing Work Zone Event Data in Connected and Smarter Work Zone Applications – Maricopa County, Arizona

在MC-85所有施工项目结束时，MCDOT对SWZ和车联网的使用进行了详细评估，并总结出了下述优势：

1.在高峰时段减少了定向通勤时间

2.提高了车速的合规性，施工区域内车速明显降低

3.在SWZ部署期间没有发生任何致命事故或施工人员安全问题

4.没有发生因SWZ设备引发的事故

5.SWZ设备没有对驾驶员造成干扰

3、小结

综上所述，智能施工路段和车联网、车路互联的结合能够非常有效的降低事故发生率并节省通行时间，尤其是能够为货运车队合理规划出行路线和时段，最大程度地避免和私家车争夺路权，以及“Truck Wall”这样现象的出现。

传统的施工路段交通组织过分依靠人力（旗手协调员、警察等），而且车速、通行时间、绕行、换道等信息大部分只能在固定的媒介，如交通部网站、新闻媒体以及固定ITS设备上显示。

智能交通设备和技术的应用大大提升了施工路段交通信息的流通性和及时性，在高速公路及城市主干道的长期施工项目中能够发挥巨大作用。