車路協(xié)同下高速公路突發(fā)交通事故的車流引導(dǎo)策略

0 引 言

高速公路由于全封閉、限速高的特點(diǎn)，整體交通流運(yùn)行速度快，突發(fā)交通事故后，救援難度大，影響時間長，對事故路段的交通流影響顯著，如處理不當(dāng)，極易造成二次事故和交通堵塞甚至癱瘓。

另一方面，智能網(wǎng)聯(lián)汽車和5G 技術(shù)的快速發(fā)展，車路協(xié)同環(huán)境下的智慧高速成為下一代公路系統(tǒng)技術(shù)形態(tài)演變的必然趨勢。車路協(xié)同采用先進(jìn)的無線通信和新一代移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，全方位實(shí)現(xiàn)車車、車路動態(tài)實(shí)時信息交互，通過路側(cè)設(shè)施對交通流狀態(tài)進(jìn)行全息感知和廣播可實(shí)現(xiàn)“人—車—路—云”之間的信息交互與智能協(xié)同管控，從而對突發(fā)交通事故及其演化狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，并在車隊(duì)中傳播，對事故地點(diǎn)后方車輛進(jìn)行合理的速度、換道協(xié)同車隊(duì)引導(dǎo)，提高事故路段的通行能力，極大程度上減少事故對高速公路交通流的影響。

對處理突發(fā)事故的交通控制方法、模型的研究一直是交通安全領(lǐng)域的熱點(diǎn)。RAMEZANI 等通過考慮最少換道次數(shù)建立交通事故處理優(yōu)化模型，分析得出換道次數(shù)的減少，可以使擁堵后方的車流分布更加均勻。LI 等以車路協(xié)同為背景，構(gòu)建了匝道處的車群換道協(xié)同控制策略，并通過VISSIM 進(jìn)行仿真分析，得出多種換道策略能夠有效減少匝道區(qū)域的擁堵，提高道路通行能力。HAYAT 等研究并建立了車路協(xié)同環(huán)境下匝道匯入車輛輔助駕駛系統(tǒng)。烏云畢力格基于NaSch 模型，搭建高速公路交織區(qū)元胞自動機(jī)模型，并通過MATLAB 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，對高速公路匝道處的車流特征與突發(fā)交通事故之間的關(guān)系進(jìn)行了研究。張衛(wèi)華等考慮了交通事件類型、交通量、車輛速度等因素，建立了速度引導(dǎo)模型，通過仿真軟件分析對不同條件下的最佳限速大小和限速區(qū)間長度進(jìn)行了研究。

總體上看，國內(nèi)外關(guān)于突發(fā)交通事故的研究尚大多局限于對交通流狀態(tài)的影響，且多集中于節(jié)點(diǎn)和路段交通的整體誘導(dǎo)。對于如何利用智能化的車路協(xié)同手段，進(jìn)行事故后方的車隊(duì)或車輛進(jìn)行個性化引導(dǎo)，降低事故影響方面的研究較少。加強(qiáng)車路協(xié)同的應(yīng)用，可以更好地提高高速公路運(yùn)營管理服務(wù)的水平，推進(jìn)智慧高速的場景應(yīng)用。

據(jù)此，本研究從多車道協(xié)同引導(dǎo)的角度出發(fā)，發(fā)揮車路協(xié)同的車路通信優(yōu)勢，對高速公路突發(fā)交通事故下的交通流影響及相應(yīng)的協(xié)同引導(dǎo)策略，旨在更高效、更準(zhǔn)確地降低交通事故的發(fā)生對道路通行能力的影響。

1 高速公路突發(fā)交通事故的影響分析

1.1 高速公路突發(fā)交通事故的特點(diǎn)

高速公路具有交通流量大、行車速度快、事故影響性大、救援形式單一等顯著特征，相對于城市道路而言，這些特點(diǎn)在一定程度上增加了車輛在高速公路上行駛時的安全風(fēng)險。由于高速公路一般車輛行駛速度較快，車輛的制動距離加大，一旦發(fā)生交通事故，往往由于駕駛員來不及反應(yīng)而導(dǎo)致連環(huán)車禍甚至是二次交通事故，造成極為嚴(yán)重的人身與財產(chǎn)損失。另一方面，由于高速公路的封閉性，導(dǎo)致救援形式單一，救援時間相對較長，因此一旦發(fā)生事故，往往都會引發(fā)事故路段的交通堵塞，導(dǎo)致相關(guān)路段和上下匝道處的通行能力的急劇下降。

綜上，可以看出高速公路交通事故具有以下特征：第一是突發(fā)偶然性，事故的發(fā)生往往是瞬間的，同時其時間、地點(diǎn)、程度都不可預(yù)測；第二是時間危機(jī)性，事故發(fā)生往往伴隨著人員傷亡，如果不能及時救援與引導(dǎo)，會導(dǎo)致更加嚴(yán)重的衍生事故發(fā)生；第三是因素多樣性，引發(fā)高速公路交通事故發(fā)生的因素多而復(fù)雜，不僅有環(huán)境因素還有人為因素等。同時，一個交通事故的發(fā)生往往會引起連鎖反應(yīng)，衍生其他事件發(fā)生。因此，對交通事故發(fā)生后的救援與車輛引導(dǎo)顯得極為重要。

1.2 事故場景分類及控制區(qū)域劃分

本文基于交通事故發(fā)生地點(diǎn)，將高速公路交通事故分為三種場景：事故發(fā)生在遠(yuǎn)離上下游匝道的主線路段、事故發(fā)生在進(jìn)口匝道下游路段和事故發(fā)生在出口匝道下游路段，并根據(jù)1.1 節(jié)事故特點(diǎn)進(jìn)行換道引導(dǎo)區(qū)域劃分。

（1） 事故發(fā)生在遠(yuǎn)離上下游匝道的主線路段。如圖1 所示，當(dāng)事故發(fā)生在遠(yuǎn)離上下游匝道的路段時，基于對交通參與者的安全考慮，在事故地點(diǎn)設(shè)置事故保護(hù)區(qū)域S，通過路側(cè)設(shè)備對事故地點(diǎn)后方路段交通流進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)達(dá)到引導(dǎo)閾值時，開始對協(xié)同換道引導(dǎo)區(qū)域L 內(nèi)的車輛進(jìn)行引導(dǎo)，該區(qū)域的大小將根據(jù)實(shí)時交通量進(jìn)行改變；對于距離事故點(diǎn)較遠(yuǎn)的車輛，可通過車載系統(tǒng)向駕駛員傳遞前方事故信息，但不進(jìn)行駕駛引導(dǎo)，即自由駕駛區(qū)域F，相對于該區(qū)域，將車流協(xié)同引導(dǎo)區(qū)域和事故保護(hù)區(qū)域稱為交通控制區(qū)域。

圖1 交通事故發(fā)生在遠(yuǎn)離上下游匝道的主線路段

（2） 事故發(fā)生在進(jìn)口匝道下游路段。如圖2 所示，由于上游進(jìn)口匝道的加入，匝道匯入的車輛會對主干道上的交通量造成一定的影響，因此需要在上游匝道處設(shè)置匝道控制區(qū)域IR，當(dāng)事故后方路段交通量太大無法進(jìn)行車流引導(dǎo)時，則需要對匝道進(jìn)行控制。

圖2 事故發(fā)生在進(jìn)口匝道下游路段

（3） 事故發(fā)生在出口匝道下游路段。如圖3 所示，當(dāng)事故點(diǎn)上游存在出口匝道時，能夠有效的增加協(xié)同引導(dǎo)的有效性，當(dāng)交通事故導(dǎo)致主干道上車輛過多而無法通過引導(dǎo)進(jìn)行疏散時，此時可以通過對出口匝道控制區(qū)OR 的車輛進(jìn)行引導(dǎo)，控制后方車輛從出口匝道有序駛離高速公路，減少主干道的交通量，緩解事故路段的交通壓力。

圖3 事故發(fā)生在出口匝道下游路段

1.3 突發(fā)交通事故的信息獲取與傳播

交通事故信息獲取作為事故應(yīng)急處理的源頭，對整個處理決策過程起關(guān)鍵作用。傳統(tǒng)模式下，高速公路交通事故信息獲取速度慢、信息更新不及時、事故位置不精準(zhǔn)等，極易造成交通擁堵和二次交通事故，道路通行能力下降。

車路協(xié)同、智能網(wǎng)聯(lián)汽車、云計算等技術(shù)的快速發(fā)展，為高速公路突發(fā)交通事故信息的獲取和傳播提供更精準(zhǔn)的技術(shù)支持。基于智能高速公路的路側(cè)設(shè)施和車載終端系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)事故信息的實(shí)時傳播以及對后方車輛的動態(tài)協(xié)同引導(dǎo)。如圖4 所示，基于車路協(xié)同技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高速公路突發(fā)交通事故的信息感知、數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)決策、引導(dǎo)反饋等過程。

圖4 車路協(xié)同下交通事故處理流程圖

2 車輛協(xié)調(diào)引導(dǎo)的邊界閾值分析

車流協(xié)同引導(dǎo)可以提高路段的通行效率，但并不是所有的情況都要進(jìn)行引導(dǎo)，當(dāng)事故路段交通量小或者事故影響較小時，在不進(jìn)行引導(dǎo)的情況下車輛仍可以保持較快的速度通過，此時路段通行能力較大，不需要進(jìn)行引導(dǎo)。

交通事件往往都是突發(fā)的，當(dāng)交通量較大時，突然出現(xiàn)的障礙物會導(dǎo)致路段交通流狀態(tài)發(fā)生變化，例如車道占有率、車輛行駛速度、線密度等，為了確定交通事故對交通流造成的影響，本文建立了事故影響度函數(shù)σ，該函數(shù)由車道占有變化率μ、線密度變化率ρ 和平均速度變化率ν 三部分組成，考慮到事故點(diǎn)發(fā)生的位置不同，各變化率的影響也不同，所以引入權(quán)重系數(shù)ω。當(dāng)監(jiān)測到事故發(fā)生后，路側(cè)單元設(shè)備開始對事故路段進(jìn)行監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集，采集周期為T，將臨近兩周期的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算可以得到各狀態(tài)的變化率，最終通過影響度函數(shù)σ 確定是否觸發(fā)協(xié)同引導(dǎo)，σ 值越大，說明事故對路段交通流的影響就越大。

其中：n 代表事故路段車道數(shù)；l 代表事故路段監(jiān)測車道長度；ω代表權(quán)重系數(shù)；m代表事故發(fā)生前后時間內(nèi)的車輛數(shù)。

3 突發(fā)交通事故下基于車路協(xié)同的協(xié)同引導(dǎo)策略

3.1 事故發(fā)生在遠(yuǎn)離匝道時的引導(dǎo)策略

當(dāng)突發(fā)交通事故發(fā)生在遠(yuǎn)離上下匝道的主線路段上時，事故路段及后方路段的交通量都來自于主干道，車輛的匯入和駛離對于協(xié)同引導(dǎo)的影響不明顯。當(dāng)事故影響度σ 超過設(shè)定的閾值時，開始對事故后方協(xié)同引導(dǎo)區(qū)域內(nèi)（如圖1） 的車輛進(jìn)行協(xié)同引導(dǎo)。

（1） 協(xié)同車速分級引導(dǎo)策略。在事故發(fā)生初期，后方到達(dá)車輛較少，還未形成排隊(duì)現(xiàn)象，此時可采用單車速度引導(dǎo)策略?；谲嚶吠ㄐ?，首先對車輛進(jìn)行單車引導(dǎo)，根據(jù)當(dāng)前車輛周圍的行駛環(huán)境以及整條道路的交通流狀況進(jìn)行車速控制，在確保車輛安全的前提下，以整條道路的通行能力作為收益函數(shù)，確保系統(tǒng)收益最高，因此可能會出現(xiàn)單車的行駛速度降低、行駛時間延長的情況。

當(dāng)事故后方車輛已經(jīng)出現(xiàn)排隊(duì)現(xiàn)象時，此時單車引導(dǎo)將會變得低效，基于車車實(shí)時通信進(jìn)行車隊(duì)速度引導(dǎo)，將已經(jīng)開始排隊(duì)或者即將開始排隊(duì)的車輛控制在相同的速度下，實(shí)現(xiàn)多車輛同步行駛的策略，可以有效地減少車輛的停走行為，提高事故路段的通行能力并有效減少車輛燃油消耗和尾氣排放。直至道路交通流恢復(fù)到事故發(fā)生前的狀態(tài)時，停止速度控制引導(dǎo)。具體的引導(dǎo)策略如圖5（a） 所示。

（2） 協(xié)同換道引導(dǎo)策略。車路協(xié)同環(huán)境下，車輛可以通過車載系統(tǒng)和路側(cè)單元進(jìn)行互聯(lián)，大大地提高了車輛與車輛、車輛與道路的協(xié)同效率，基于這些技術(shù)，將換道行為從微觀層面拓展到宏觀層面，將博弈理論從車與車之間拓展到交通參與者與交通管理者之間。當(dāng)事故影響度超過閾值時，對事故后方車輛進(jìn)行換道引導(dǎo)。以駕駛員駕駛車輛的速度和駕駛員的舒適度為駕駛員收益函數(shù)，以車輛平均延誤和平均速度為系統(tǒng)收益函數(shù)，進(jìn)行博弈期望函數(shù)計算，通過換道引導(dǎo)，有效改善事故路段交通流狀況，降低事故對道路通行能力的影響。具體的引導(dǎo)策略如圖5（b） 所示。

（3） 車速和換道集成引導(dǎo)策略。針對于場景一（如圖1） 中發(fā)生的交通事故，有時僅靠速度引導(dǎo)或者換道引導(dǎo)中的一種策略往往不能夠有效地疏散交通擁堵。同時，在正常的駕駛中，駕駛者通常會同時采取控制速度和換道兩種方式，因此，在突發(fā)交通事故的情況下，運(yùn)用雙層規(guī)劃模型進(jìn)行車速引導(dǎo)和換道引導(dǎo)集成策略。

上層的決策者為換道成本最優(yōu)，關(guān)鍵參數(shù)為安全換道速度和換道次數(shù)；下層的決策者為速度收益最優(yōu)，關(guān)鍵參數(shù)為安全跟馳距離和車輛行駛速度。上下兩層相互反饋，最終達(dá)到換道次數(shù)少，行駛速度快的目的。具體的引導(dǎo)策略如圖5（c） 所示。

圖5 事故發(fā)生在遠(yuǎn)離匝道時的引導(dǎo)策略

3.2 事故發(fā)生在進(jìn)口匝道下游時的引導(dǎo)策略

如圖2，由于事故上游路段進(jìn)口匝道的加入，會對主干道上的交通量造成影響，因此，在設(shè)置事故保護(hù)區(qū)和車流協(xié)同引導(dǎo)區(qū)的同時，還要對進(jìn)口匝道進(jìn)行分析和控制。當(dāng)主干道上交通量較少時，可根據(jù)3.1 節(jié)中的引導(dǎo)策略進(jìn)行車輛控制，一旦主干道交通量增大或者有大量車輛從進(jìn)口匝道匯入時，需要對進(jìn)口匝道上的車輛進(jìn)行協(xié)同引導(dǎo)。

首先，當(dāng)主干道上車輛增加但車頭間距較大時，采用主干道右側(cè)車道車輛與匝道匯入車輛車速協(xié)同控制策略，避免車輛匯入時的沖突，減少停車次數(shù)，提高道路利用率；當(dāng)主干道上交通量較大時，會降低進(jìn)口匝道匯入車輛的優(yōu)先級，保證主干道上車輛優(yōu)先通過；當(dāng)主干道上車輛已經(jīng)形成擁堵時，暫時關(guān)閉進(jìn)口匝道，并引導(dǎo)即將進(jìn)入匝道的車輛繞行至其他路段，減輕事故路段的交通壓力。具體的引導(dǎo)策略如圖6 所示。

3.3 事故發(fā)生在出口匝道下游的時引導(dǎo)策略

如圖3，由于事故上游路段出口匝道的加入，可以為事故處理提供更加靈活的引導(dǎo)策略。當(dāng)事故路段主干路上交通量較少時，可根據(jù)3.1 節(jié)中引導(dǎo)策略進(jìn)行車輛控制，出口匝道處車輛可自由駕駛。當(dāng)主干道交通量增大至車輛形成排隊(duì)現(xiàn)象時，可以通過主干道與出口匝道間的車輛協(xié)同控制來減少車輛沖突，提升交織區(qū)的通行能力。

圖6 事故發(fā)生在進(jìn)口匝道下游時的引導(dǎo)策略

當(dāng)事故后方車輛出現(xiàn)排隊(duì)現(xiàn)象時，為了盡量減少匝道交織區(qū)直行車輛與右轉(zhuǎn)車輛的沖突，要對車輛進(jìn)行協(xié)同控制，通過車載終端獲取事故后方車輛的駕駛意圖，對于要駛出主干道的車輛進(jìn)行提前換道策略，使其保持在最右側(cè)車道行駛，保證其在進(jìn)入出口匝道時不會與直行車輛有沖突。

當(dāng)主干道上交通量過大或者即將在出口匝道駛離高速公路的車輛較多時，通過協(xié)同換道引導(dǎo)策略將右轉(zhuǎn)車輛保持在同一條車道上，通過車速引導(dǎo)使其形成一個右轉(zhuǎn)車隊(duì)，使右轉(zhuǎn)車輛以車隊(duì)的形式駛離主干道，最大程度減少沖突。

當(dāng)主干道上已經(jīng)形成排隊(duì)現(xiàn)象同時大量右轉(zhuǎn)車輛在最左側(cè)車道時，關(guān)閉該出口匝道并引導(dǎo)車輛至下一個出口匝道駛離高速公路，提高路段的整體通行能力。具體的引導(dǎo)策略如圖7 所示。

圖7 事故發(fā)生在出口匝道下游時的引導(dǎo)策略

4 結(jié)束語

高速公路突發(fā)交通事故帶來的交通擁堵問題，日益成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，對其進(jìn)行精準(zhǔn)高效處理，有助于減少交通事故帶來的人身財產(chǎn)損失和對交通流的擾動影響。本研究基于車路協(xié)同技術(shù)，結(jié)合高速公路突發(fā)交通事故的特點(diǎn)，分析了突發(fā)交通事故對交通流的影響，并針對事故發(fā)生地點(diǎn)的不同，分三種場景提出了協(xié)同車速分級引導(dǎo)、協(xié)同換道引導(dǎo)、車速與換道集成引導(dǎo)以及進(jìn)出口匝道綜合引導(dǎo)策略，旨在克服高速公路交通事故處理方式的局限性，提升高速公路運(yùn)行的效率。