基于GPS定位器的高速公路養(yǎng)護(hù)區(qū)安全容錯(cuò)能力研究

馬志怡 李昕瑩

摘要：在高速公路迅速發(fā)展的當(dāng)下，養(yǎng)護(hù)工作也不容忽視，由于長(zhǎng)期的車輛碾壓、惡劣天氣破壞，引發(fā)路面變形、龜裂、綠化帶受損等病害，如果不及時(shí)修復(fù)，久而久之不僅會(huì)影響車輛的正常行駛，甚至發(fā)生嚴(yán)重的交通事故。本文關(guān)注于高速公路養(yǎng)護(hù)區(qū)安全容錯(cuò)能力的提升，利用GPS的定位作用向駕駛?cè)藛T實(shí)時(shí)提供養(yǎng)護(hù)區(qū)的位置，從而對(duì)危險(xiǎn)預(yù)判并采取相應(yīng)的應(yīng)急措施。

關(guān)鍵詞：安全容錯(cuò)；GPS定位系統(tǒng)；車路協(xié)同

一、概述

高速公路飛速發(fā)展的今天，越來越多的人們選擇高速出行，不僅節(jié)省了時(shí)間，還提升了旅途的舒適性。但是隨著公路使用時(shí)間的增長(zhǎng)，公路病害會(huì)不斷出現(xiàn)，甚至引發(fā)交通事故，小問題如果不及時(shí)解決會(huì)對(duì)將來埋下禍患。所以對(duì)高速公路進(jìn)行定期養(yǎng)護(hù)尤為重要。

在高速公路養(yǎng)護(hù)作業(yè)中，養(yǎng)護(hù)人員身處一種不封閉的空間下進(jìn)行各種各樣的養(yǎng)護(hù)工作，即使有警示標(biāo)志牌等安全提示標(biāo)志，對(duì)于高速公路復(fù)雜的交通環(huán)境，現(xiàn)場(chǎng)的工作人員面臨著未知的高風(fēng)險(xiǎn)。與此同時(shí)，由于養(yǎng)護(hù)工作需要占用一定數(shù)量的車道，導(dǎo)致道路通行能力的降低、道路事故率的上升、汽車燃料的額外消耗以及交通擁擠和車輛延誤等，使道路服務(wù)水平降低，使用者的用戶費(fèi)用急劇增加[1]。因此，提升高速公路養(yǎng)護(hù)區(qū)安全容錯(cuò)能力刻不容緩。本文主要基于GPS的定位作用對(duì)高速公路養(yǎng)護(hù)區(qū)段進(jìn)行定位，并且實(shí)時(shí)發(fā)送給一定范圍內(nèi)的車主，提醒駕駛員及時(shí)減速、變道。

從施工人員角度來看，養(yǎng)護(hù)路段信息的實(shí)時(shí)更新使得他們?cè)诠ぷ鬟^程中不必過多擔(dān)心自己的安全問題，信息的有效傳遞為工作人員營(yíng)造良好的工作環(huán)境，從而減少了養(yǎng)護(hù)區(qū)內(nèi)交通事故、提升道路通行能力、改善道路交通環(huán)境[2]。從駕駛員角度來看，高速公路養(yǎng)護(hù)路段信息化讓充滿隨機(jī)性的道路狀況變得透明化，可預(yù)見化。讓駕駛員能夠提前預(yù)判，從而采取避讓或者減速小心謹(jǐn)慎駕駛等措施，規(guī)避不安全事故的發(fā)生。此外這種信息化的服務(wù)還使得出行者獲得了更好的駕駛體驗(yàn)。

與一般路段相比，高速公路的養(yǎng)護(hù)作業(yè)區(qū)往往是交通事故多發(fā)區(qū)域，交通事故不僅造成人員傷亡，車輛的損壞，還將對(duì)主路和輔路的多個(gè)車道造成很大影響，甚至影響整個(gè)交通系統(tǒng)的運(yùn)行[2]。從社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益角度來講，提升高速公路養(yǎng)護(hù)區(qū)的安全容錯(cuò)能力，能夠減小因?yàn)轲B(yǎng)護(hù)施工引起的交通事故帶來的經(jīng)濟(jì)損失，具有廣闊的前景和現(xiàn)實(shí)意義。

二、研究?jī)?nèi)容與方法

（一）高速公路養(yǎng)護(hù)區(qū)運(yùn)行安全現(xiàn)狀

1.1 高速路養(yǎng)護(hù)區(qū)事故高發(fā)區(qū)段

高速公路養(yǎng)護(hù)作業(yè)區(qū)可分為有提前警告區(qū)、上游過渡區(qū)、緩沖區(qū)、工作區(qū)、下游過渡區(qū)，終止區(qū)等6個(gè)控制區(qū)[1]。如圖1所示。

國(guó)內(nèi)外研究表明，養(yǎng)護(hù)作業(yè)區(qū)交通事故的分布不太均衡，因此，目前對(duì)最危險(xiǎn)區(qū)域的定位尚未作出決定。Pigman和Agent，Garber和Zhao等的分析結(jié)果顯示養(yǎng)護(hù)作業(yè)區(qū)交通事故大多發(fā)生在工作區(qū)。Meng和Wenglg的研究表明養(yǎng)護(hù)作業(yè)區(qū)的交通事故主要發(fā)生在過渡區(qū)和工作區(qū)，而Nemeth和Migletz的分析表明40%的交通事故發(fā)生在緩沖區(qū)，只有17% 的交通事故發(fā)生在工作區(qū)。2015年，同濟(jì)大學(xué)賀文雅等人利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析得到作業(yè)區(qū)的上游過渡區(qū)段更易發(fā)生交通事故。

綜上，高速公路養(yǎng)護(hù)作業(yè)區(qū)事故主要發(fā)生在上游過渡區(qū)、緩沖區(qū)和作業(yè)區(qū)。其中上游過渡區(qū)和緩沖區(qū)是事故高發(fā)點(diǎn)。

研究進(jìn)一步表明，多數(shù)養(yǎng)護(hù)作業(yè)區(qū)事故發(fā)生在雙車道高速公路上，少數(shù)發(fā)生在多車道公路上[3]。

1.2 高速路養(yǎng)護(hù)區(qū)事故發(fā)生的原因

從1981年Har-groves到2007年江蘇大學(xué)于英等人研究分析高速公路養(yǎng)護(hù)作業(yè)區(qū)交通事故產(chǎn)生的原因，得出的結(jié)論如下：

高速公路養(yǎng)護(hù)作業(yè)區(qū)事故發(fā)生的原因主要有交通標(biāo)志不清晰、車速過高、駕駛員操作失誤、強(qiáng)行超車、環(huán)境因素、養(yǎng)護(hù)施工影響和其他因素等。其中各部分占比如下圖2所示[4]。

其中，駕駛員操作失誤還可具體劃分為駕駛員注意力不集中、酒后駕駛、車道行駛出錯(cuò)、無視交通信號(hào)、跟隨駕駛等。

從宏觀方面來看，我國(guó)高速公路養(yǎng)護(hù)作業(yè)區(qū)內(nèi)發(fā)生作業(yè)人員傷亡、交通事故的因素有[5]：

（1）制度缺失，主要表現(xiàn)在施工管理不規(guī)范，缺乏重視，沒有與其他制度形成體系；

（2）力量薄弱，養(yǎng)護(hù)的技術(shù)欠佳；

（3）設(shè)施及技術(shù)落后，造成養(yǎng)護(hù)不科學(xué)；

（4）資金不足，路況較差；

（5）缺乏智能化、信息化的管理方法。

綜上，人為方面的原因主要有經(jīng)驗(yàn)認(rèn)知不夠、能力不足、思想認(rèn)識(shí)不到位和態(tài)度不積極等；制度方面的原因主要是制度不合理、不完善等。

（二）高速公路智能化程度

2.1車路協(xié)同系統(tǒng)

車路協(xié)同系統(tǒng)近年來備受關(guān)注，此系統(tǒng)利用信息處理、定位導(dǎo)航、通信、電子傳感、人工智能、計(jì)算機(jī)等眾多技術(shù)來獲取車輛和道路信息。V2X是實(shí)現(xiàn)車路協(xié)同的關(guān)鍵技術(shù)，它借助新一代信息通信技術(shù)將車與一切事物相連接，而C-V2X是指借助3G/4G/5G等蜂窩網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)車與車、車與路、車與人、車與網(wǎng)絡(luò)的全方位網(wǎng)絡(luò)連接。在車路協(xié)同場(chǎng)景下，可提供給公眾的服務(wù)包括：在道路交叉口、合流區(qū)、彎道等事故多發(fā)地段，為行駛車輛提供視野盲區(qū)內(nèi)的交通信息、車輛行駛信息等；將道路數(shù)據(jù)與交通標(biāo)牌信息發(fā)送給車輛，對(duì)車輛進(jìn)行及時(shí)提醒；及時(shí)通知道路行駛車輛，為緊急車輛讓行等。車路協(xié)同目前尚處于研發(fā)階段，應(yīng)用場(chǎng)景仍不很明晰，隨著智慧化進(jìn)程的快速發(fā)展，智能車路協(xié)同一定會(huì)為公眾提供更多良好的信息服務(wù)[6]。

2.2 GPS系統(tǒng)

羅沂選取了哈爾濱環(huán)城高速作為實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)，利用高精度的GPS設(shè)備獲取到駕駛行為軌跡和視頻數(shù)據(jù)，通過處理后得到駕駛行為表征參數(shù)，并對(duì)四種跟馳行為進(jìn)行了詳細(xì)分析，最后運(yùn)用隱馬爾可夫模型理論構(gòu)建了駕駛行為識(shí)別模型，并對(duì)模型進(jìn)行了測(cè)試與檢驗(yàn)。最終使模型能準(zhǔn)確識(shí)別出駛出換道行為和駛回?fù)Q道行為[7]。

任乾華，張鐸將GPS的坐標(biāo)信息和拍攝的視頻相結(jié)合，然后通過移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)將車輛的地理位置和相應(yīng)的交通狀況無線傳輸給監(jiān)控中心，通過這樣的技術(shù)，就能實(shí)現(xiàn)高效、準(zhǔn)確的處理高速公路發(fā)生的交通事故以及現(xiàn)場(chǎng)指揮，同時(shí)還能實(shí)時(shí)監(jiān)控和出發(fā)預(yù)報(bào)針對(duì)駕駛員在高速公路行駛中出現(xiàn)的違規(guī)違法行為，這樣不僅可以有效的確保高速公路暢通以及過往車輛的安全，避免發(fā)生不必要的糾紛事件[8]。

（三）高速公路養(yǎng)護(hù)區(qū)安全容錯(cuò)能力方法研究

3.1容錯(cuò)的設(shè)計(jì)原則

安全容錯(cuò)實(shí)際的基本的原則就是寬容性。這個(gè)理念最早是由美國(guó)工程師協(xié)會(huì)在二十世紀(jì)末提出的。寬容性的設(shè)計(jì)理念認(rèn)為：駕駛員的過錯(cuò)不應(yīng)以犧牲生命為代價(jià)，應(yīng)采用有效合理的措施預(yù)防交通事故的發(fā)生，即便發(fā)生了事故，也應(yīng)采取一切辦法將事故造成的傷害降到最小。它的核心思想是以人為本，如果駕駛員在行車途中，犯了錯(cuò)誤，他的過錯(cuò)也不至于以犧牲掉自己的生命為代價(jià)，道路應(yīng)為其提供糾錯(cuò)的機(jī)會(huì)。此理念的特點(diǎn)是改變了以前駕駛員被動(dòng)適應(yīng)道路的狀況，以人為本，讓路更好的為人服務(wù)。

道路設(shè)計(jì)人員應(yīng)從使用者的角度出發(fā)，對(duì)潛在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析預(yù)判，盡可能的規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，在道路的寬容性設(shè)計(jì)上做出改變，從而提高道路交通安全。針對(duì)高速公路養(yǎng)護(hù)作業(yè)區(qū)，寬容設(shè)計(jì)可以從以下三個(gè)方面入手：

（1）設(shè)置主動(dòng)預(yù)警提醒，正確指引車輛。在車輛駛?cè)腽B(yǎng)護(hù)作業(yè)區(qū)以前，設(shè)置交通路況牌及時(shí)告知駕駛員前方道路信息，方便駕駛員及時(shí)做出駕駛決策，安全行駛直至通過養(yǎng)護(hù)作業(yè)區(qū)。

（2）發(fā)生小事故時(shí)避免車損。當(dāng)車輛發(fā)生較小的交通事故時(shí)，要避免由于失誤發(fā)生二次事故而讓車輛遭受到嚴(yán)重破壞，如：誤撞路邊防護(hù)欄、誤撞尖銳路標(biāo)、誤開進(jìn)水溝等。因此，養(yǎng)護(hù)作業(yè)區(qū)內(nèi)路標(biāo)材料的選擇就顯得非常重要。

（3）發(fā)生大事故避免傷人。當(dāng)發(fā)生大事故或特大事故時(shí)，應(yīng)盡全力保障人員安全。在比較危險(xiǎn)的地方，設(shè)置護(hù)欄，防撞設(shè)施等，避免由于駕駛?cè)瞬僮魇д`而造成車毀人亡，最大限度保護(hù)車內(nèi)及道路養(yǎng)護(hù)工作人員的生命安全[2]。

3.2容錯(cuò)簡(jiǎn)介及方法

容錯(cuò)技術(shù)起源于計(jì)算機(jī)，最初的計(jì)算機(jī)由于其自身物理缺陷，內(nèi)部軟件計(jì)算常常出錯(cuò)，因此，計(jì)算機(jī)界的專家們就必須研究出各類的容錯(cuò)方法以確保計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。Avienis首次給出容錯(cuò)的定義：即使系統(tǒng)不夠完善，其內(nèi)部程序仍然能夠正常運(yùn)行。本文所提的“容錯(cuò)”主要就是能夠讓高速公路養(yǎng)護(hù)作業(yè)區(qū)的交通及道路設(shè)施對(duì)駕駛?cè)嗽谛旭偟倪^程中出現(xiàn)的“錯(cuò)”具有包容性，但這里的“錯(cuò)”并不是指的是駕駛?cè)怂械腻e(cuò)誤，例如：超速行駛、飆車等。而是在駕駛過程中由于判斷失誤二出現(xiàn)的駕駛失誤。容錯(cuò)的手段主要是通過交通標(biāo)志，道路標(biāo)線等來體現(xiàn)駕駛?cè)烁恼旭傔^程中的“錯(cuò)”，使其按照理想駕駛路線正確駕駛。容錯(cuò)能力研究是以公路交通設(shè)施的“排錯(cuò)”技術(shù)為先決條件，通過對(duì)公路交通設(shè)施本身的“排錯(cuò)”，使得公路交通設(shè)施具有容錯(cuò)能力。交通安全容錯(cuò)是一個(gè)系統(tǒng)的工程，它并不是簡(jiǎn)單的通過某一個(gè)交通管理措施或者某一類安全措施來實(shí)現(xiàn)的，而是需要交通安全設(shè)施和交通安全教育聯(lián)合起來，相互促進(jìn)、相輔相成，最終達(dá)到提高道路安全容錯(cuò)能力的效果的。

由上述部分可知，提高高速公路養(yǎng)護(hù)作業(yè)區(qū)安全容錯(cuò)能力對(duì)于安全行車有著重要的意義。安全容錯(cuò)技術(shù)以冗余技術(shù)為基礎(chǔ)，可以利用冗余技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)資源的不同，交通設(shè)施的冗余設(shè)計(jì)可以分為硬件冗余和軟件冗余。

（1）硬件冗余

高速公路硬件主要指的是高速公路上肉眼可見的設(shè)施、設(shè)備等。包括路基、路面、涵洞、路肩、綠化、中央分隔帶等。一般的公路設(shè)計(jì)時(shí)，有規(guī)定的最低指標(biāo)。因此，公路建設(shè)者為了追求最大的利潤(rùn)，就會(huì)選擇最低的成本，讓公路的設(shè)計(jì)符合規(guī)范即可，而不會(huì)提高設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。于是，就會(huì)出現(xiàn)當(dāng)高速公路上出現(xiàn)事故時(shí)，因?yàn)楫?dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)沒有留有余地，就會(huì)是大事故。因此，高速公路上的硬件冗余設(shè)計(jì)是非常有必要的。

高速公路上的硬件冗余分為信息冗余和硬件重構(gòu)。信息冗余是指在駕駛?cè)巳菀壮鲥e(cuò)的區(qū)間路段設(shè)置功能相同的交通設(shè)施，來提高高速公路安全容錯(cuò)能力。高速公路交通工程設(shè)施的信息冗余還可以分為靜態(tài)信息冗余和動(dòng)態(tài)信息冗余。靜態(tài)信息冗余是把內(nèi)容相同的交通設(shè)施以一定的距離連續(xù)設(shè)置，借助于交通信息重現(xiàn)來糾“錯(cuò)”；動(dòng)態(tài)信息冗余則是使用動(dòng)態(tài)播放設(shè)備，來將信息實(shí)時(shí)傳遞給駕駛?cè)?，提高高速公路的安全容錯(cuò)能力。

硬件重構(gòu)是指將現(xiàn)有的交通道路設(shè)施及其資源進(jìn)行重組，提高安全容錯(cuò)。它包括交通資源重組和改造優(yōu)化。交通資源重組是將設(shè)置不合理的交通資源進(jìn)行排列組合，使交通資源發(fā)揮最大的作用。進(jìn)一步減少駕駛?cè)朔稿e(cuò)的概率，提高安全容錯(cuò)能力；交通資源改造優(yōu)化是對(duì)現(xiàn)有的交通資源進(jìn)行改造升級(jí)，減少交通沖突和交通事故發(fā)生的次數(shù)。

（2）軟件冗余

高速公路的軟件是指高速公路的有關(guān)法律、法規(guī)、交通工程技術(shù)、管理制度、理念、措施及交通安全教育等。軟件冗余就是指運(yùn)用公路管理和控制的手段來保障行車的安全，提高通行能力和安全容錯(cuò)能力。包括完善管理制度、轉(zhuǎn)變管理理念、加強(qiáng)駕駛?cè)说姆ㄒ?guī)教育等。其中，公路管理控制的手段是提高安全容錯(cuò)能力的重要途徑。它主要指的是借助于交通管理技術(shù)、法律法規(guī)和交通安全教育等方法對(duì)公路、車輛、駕駛?cè)藖磉M(jìn)行管理。目的是提高道路交通設(shè)施對(duì)駕駛?cè)说摹鞍菪浴保玫谋Ｕ闲熊嚢踩玔2]。

3.3安裝便攜式GPS對(duì)容錯(cuò)能力的影響

隨著GPS定位系統(tǒng)的技術(shù)提升以及廣泛普及，利用其高精度定位、迅速準(zhǔn)確接收信息的特點(diǎn)，運(yùn)用到高速公路養(yǎng)護(hù)區(qū)域。通常，GPS信號(hào)接收機(jī)安裝在車上，通過測(cè)量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機(jī)之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可知道接收機(jī)的具體位置。如果我們將GPS信號(hào)接收機(jī)安裝在施工道路的兩端，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸位置信息給一定范圍內(nèi)的車主，那么駕駛員就能夠在經(jīng)過養(yǎng)護(hù)區(qū)之前得到精確的施工位置信息，提前做出預(yù)判，進(jìn)行換道、減速。便攜式的GPS定位器可以即裝即取，重復(fù)利用。此方法不僅可以實(shí)時(shí)傳輸施工位置信息給駕駛員，更能為施工人員的安全做出保障，降低養(yǎng)護(hù)區(qū)的交通沖突風(fēng)險(xiǎn)，減少經(jīng)濟(jì)損失。

三、結(jié)論

本文簡(jiǎn)述了高速公路養(yǎng)護(hù)區(qū)安全容錯(cuò)的方法以及設(shè)計(jì)原則，緊跟時(shí)代的發(fā)展，我們提出了用便攜式GPS定位器安裝在施工區(qū)域兩側(cè)的方法，利用GPS定位準(zhǔn)確、全天候、自動(dòng)測(cè)量的特點(diǎn)大大提升了高速公路養(yǎng)護(hù)區(qū)的安全，容錯(cuò)能力大大提升。

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