基于車流預測的高速公路交通流動態(tài)控制方法研究

周方正

（廣州交投機電工程有限公司，廣東 廣州 510320）

0 引言

對高速公路交通流展開準確預測的目的是緩解其擁堵現(xiàn)象，基于車流預測所構建起來的車流量模型，將對各個時間段可能通過的車流量進行預測，隨之發(fā)布相關信息，提醒車主提前做好路線規(guī)劃。對于交通流產(chǎn)生影響的主要因素為天氣因素與車流量，天氣因素作為時序因素，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)其與交通流變化存在一致性，因此本文不多贅述，本文主要從車流預測的角度，對交通流動態(tài)控制策略展開探討。

1 車流預測概述及其發(fā)展

隨著城市的快速發(fā)展，交通擁堵問題日益突出，進而影響人們的出行體驗。依據(jù)交通狀況選擇最優(yōu)的出行路徑已經(jīng)成為人們重要的生活需求，通過對車流量展開準確的預測，可以對最優(yōu)出行路徑的規(guī)劃提供參考。隨著智能交通系統(tǒng)的廣泛應用，車流預測不僅能有效解決高速公路的事故處理及擁堵問題，還可以為人們出行提供所需的即時路況信息。當然，隨著智慧高速公路的不斷發(fā)展，對于車流預測也提出了新的要求。高速公路交通系統(tǒng)具有非線性、周期性的特征，因此以往所采用的傳統(tǒng)統(tǒng)計預測模型難以支撐實際的工作需求，而大數(shù)據(jù)應用于交通管理領域后，為高速公路流量預測模型的迭代優(yōu)化提供了基礎。

現(xiàn)階段，市場上的多款地圖APP 雖然都具備實時交通狀態(tài)查詢功能，但是并不能提供12h、24h 甚至是更長遠范圍內(nèi)的交通預測情況。對于未來的車流進行預測，可以為高速公路管理人員提前安排部署、合理引導車輛分離與疏散，有效緩解高速公路的擁堵現(xiàn)象，同時也將為人們出行提供參考。借助車流預測的技術手段實現(xiàn)交通流預測，在不同時期均取得了一定的成果，現(xiàn)階段有關研究已從單一參數(shù)模型向非參數(shù)模型與混合模型過渡[1]。

2 高速公路交通流動態(tài)控制策略的意義

2.1 降低交通事故發(fā)生概率

雖然有個別交通事故的發(fā)生存在偶發(fā)性，但是觀察我國所發(fā)生的交通事故，其與人、車、道路、環(huán)境等多種因素之間都存在著一定的關聯(lián)性。據(jù)相關調(diào)查顯示，發(fā)生在高速公路的交通事故中，有65%～75%的事故在事故發(fā)生前，臨近路段交通流之中，都能觀測到一些與正常情況存在差異的“異常狀態(tài)”，其特點為：在時間與空間上，交通流存在分布不均勻的問題。

基于以上分析，若是可以提前對各高速路段的“異常狀態(tài)”有所感知并進行分析，把握好交通事故發(fā)生前的征兆，并將前兆的出現(xiàn)規(guī)律以模型的方式刻畫出來，則可以實現(xiàn)高速公路交通事故風險的主動預警，避免交通事故的發(fā)生。

2.2 緩解高速公路交通壓力

隨著我國居民私家車的不斷增加，人們在節(jié)假日出游中，會優(yōu)先考慮自駕游這一出行方式，這勢必致使高速公路會在短時間內(nèi)出現(xiàn)車流量暴增的問題。高速公路建設的目的是提升人們的出行效率，但是在高峰期，反而會產(chǎn)生擁堵現(xiàn)象，車流量也遠超于高速公路設計時的飽和流量，行車速度也低于設計的最低速度，這嚴重影響人們的出行效率。若是在出行前，能對道路的交通流進行提前預測，可以有效緩解高速公路的交通壓力。在交通流動態(tài)控制中，可通過車流預測，幫助車主提前做好出行計劃與路線，從而節(jié)約其時間，也緩解高速公路所面臨的車流劇增壓力[2]。

3 基于車流預測的高速公路交通流動態(tài)控制策略

交通流動態(tài)控制策略屬于交通事故的主動預防措施，特別是在車路協(xié)同環(huán)境下。由于近些年來，我國高速公路實施免費通行政策，出現(xiàn)大交通流已經(jīng)成為常態(tài)，目前采用增加高速公路的方式，已經(jīng)很難有效解決高速公路的擁堵問題，這也成為交管部門必須要面對的難題。通過對我國多條高速公路的過往節(jié)假日期間交通流狀態(tài)展開分析，發(fā)現(xiàn)其呈現(xiàn)出三大典型特征：①流量遠超日常；②交通擁堵問題突出且流量不均勻；③出城、返程高峰時間集中，且高峰開始時間呈現(xiàn)逐漸提前的趨勢。

為應對高速公路的大交通流，發(fā)達國家均采用高速公路主動交通管控理論與方法對高速公路大交通流擁堵問題加以緩解。如美國采取動態(tài)開放路肩、動態(tài)管控新車道等方式，來提高道路通行能力。依據(jù)相關文獻資料顯示，歐洲各國采用了主動交通控制措施之后，在交通擁擠期間，平均車流量增加了3%～7%；降低了3%～30%的交通意外事故；一般以上的交通事故降低3%～30%；二次事故降低40%～50%。根據(jù)國內(nèi)外經(jīng)驗及我國現(xiàn)狀，提出高速公路交通流的動態(tài)控制方法，主要如下所示[3]：

3.1 應急車道動態(tài)管控

這種方法適合于車輛通行流量較大的路段之中，當某高速路段有大量的車輛經(jīng)過前方樞紐或出口匝道時，需要確保短時間內(nèi)有更多的車輛通過。一般在不采取措施的情況下，這一高速公路路段的最右邊車道上會有大量的車輛排成長龍，而在左邊的車道上，也會有更多的車在等待時機穿插。這一問題發(fā)生時，會干擾主線交通的正常運行，也會加大交通事故的發(fā)生。

針對以上情況，可采取以下控制方式：依據(jù)歷史和實時交通數(shù)據(jù)，進行預先的路段車流量預測和排查；當出現(xiàn)車流量較大的情況時，在此路段，通過設置道路信息板或設置警示標志來標示緊急通道的起始和結束。交通管制中心在交通堵塞時，可通過發(fā)布借用應急車道的命令，同時，道路信息板及提示牌在應急車道開放的起點與終點分別做出提示，標語分別為：“前方行駛的車輛可以借用緊急通道”“停止應急車道借用，請立即駛回原車道”。在指揮中心下達了緊急通道的命令后，需第一時間同步信息至地圖APP，由運營公司向該路段使用者發(fā)出提示、引導信息，指引車輛通行。在交通阻塞得到緩解后，指揮調(diào)度中心撤銷管控誘導指令，并同步至地圖運營者。

3.2 合流點車道管控

這種方法可用于在匯合點發(fā)生交通沖突，從而導致主線發(fā)生擁堵的情況之下。所采用的控制方法為：依據(jù)歷史與實時流量數(shù)據(jù)，對擁堵點斷進行流量監(jiān)測，通過對周圍地區(qū)的交通情況進行分析，確定了合流點的主要和次要方向，從而達到最大程度地平衡車流和緩解交通堵塞的目的。在次要道路上預先設置錐桶、水馬以實現(xiàn)壓縮車道的效果，降低匯合點的車流量，同時考慮到匯合點的坡度、線形等特點，同步利用借用應急車道的措施，適當延長合流點的距離，降低交通沖突的發(fā)生概率[4]。

3.3 出入口管控

這種方法適用于景區(qū)、城市的主要出入口等周圍道路上容易發(fā)生長距離交通堵塞的高速路段?？刂品绞綖椋焊鶕?jù)道路交通流量和其他社會資料，預先預測交通擁堵的出口和可能出現(xiàn)的交通堵塞時段。利用出口周圍道路的電子信息板和指示牌，根據(jù)車輛的流向，引導交通流到周圍的出口。在預測的擁堵路段，利用地圖APP 的導航數(shù)據(jù)，對前往該處的道路進行道路規(guī)劃，并將其推薦給相應的道路，并與道路信息板、指示牌同步配合，將使用者引導到附近的出口，分散交通流量，緩解交通擁堵。

3.4 區(qū)域路網(wǎng)誘導分流

該方法適用于區(qū)域高速路網(wǎng)堵塞情況集中于某一路段的情況之下。所使用的控制方式為：基于歷史資料、實時監(jiān)控交通流量等相關數(shù)據(jù)，對道路擁堵路段、時間進行提前預測。運用OD方法對交通阻塞路段的車輛進行分析，得到交通阻塞路段的始發(fā)地點和終點。根據(jù)路網(wǎng)的形式，結合OD 分析的結果，預先設定分流路線，利用路網(wǎng)運營狀況實時監(jiān)測、比對各路段的行車時間，確定最佳行駛路線，并利用道路信息板誘導、強制分流等方法，實現(xiàn)路網(wǎng)交通流平衡、緩解擁堵的目的，如圖1 所示[5]。

圖1 區(qū)域路網(wǎng)誘導分流示意圖

4 基于車流預測的高速公路交通流動態(tài)控制的發(fā)展

隨著大數(shù)據(jù)、云計算等技術的不斷發(fā)展，各項新技術也逐步應用在高速公路交通流管理之中，智能交通控制系統(tǒng)的不斷發(fā)展，也為高速公路的交通流動態(tài)控制提供了更多的數(shù)據(jù)支撐，基于車流預測實現(xiàn)交通流的動態(tài)控制，將朝著智能化與動靜結合的方向不斷發(fā)展。

4.1 智能化發(fā)展

目前的交通控制系統(tǒng)對自動控制理論與檢測、通信與視頻技術加以利用，自動控制理論的不斷發(fā)展也推動交通控制系統(tǒng)向更為智能化的方向發(fā)展。原有的交通控制系統(tǒng)更多的是采用定時控制的方式，而新技術的應用，將有效提升其智能化水平。具體而言，在進行交通流動態(tài)控制中，既包含了數(shù)學模型與計算機仿真模型，同樣也需要人的參與，從而獲取更好的控制效果，即智能化交通控制方式。

目前，已經(jīng)有諸多學者對于智能交通流控制展開了相關研究，雖然目前仍處于探索階段，但是已有的研究結論結果表明，解決現(xiàn)階段交通問題的最有效途徑，就是智能控制，這也推動了智能控制理論的發(fā)展。在智能交通系統(tǒng)中，基于神經(jīng)元網(wǎng)絡的可變結構智能控制是其主要應用領域。在可變結構智能控制中，它分為三個層面，即控制、協(xié)調(diào)和組織三個層面?？刂茖拥淖饔檬亲R別道路的交通模式，并實時地選取數(shù)學模型，然后進行性能指數(shù)的優(yōu)化、計算等，從而確定匝道控制的規(guī)則，而協(xié)調(diào)階段則是利用在線學習的方法，確定各個匝道控制器的協(xié)同矢量，并把協(xié)調(diào)矢量和預測信息傳送到控制層，同時又從其他兩個階段接收到信息。

4.2 動靜結合

在高速公路的交通流控制上，僅靠靜態(tài)控制難以達到預期的控制效果，而且在突發(fā)事件中難以適應。動態(tài)控制雖有較好的適應性，但其所需的設備數(shù)量和復雜程度也較高。因此，今后的交通管制將會采用靜態(tài)和動態(tài)預測相結合的方法。我國現(xiàn)有的高速公路設計承載能力一般都超過了車輛的承載能力，而道路自身又有很大的調(diào)整功能。在控制匝道時，對靜態(tài)、動態(tài)控制策略進行改進，不斷提高系統(tǒng)的性能和適應性。按照目前的發(fā)展趨勢，動靜結合的控制方式在今后的高速公路交通流控制上將會有很好的應用前景。

5 結語

本文主要對基于車流預測的高速公路交通流動態(tài)控制方法展開了分析，首先，從車流預測的概況及其發(fā)展入手，對車流預測進行了分析；其次，對高速公路實施交通流動態(tài)控制策略的意義進行解釋，主要是為了降低交通事故發(fā)生概率與緩解高速公路的交通壓力；再次，對高速公路交通流動態(tài)控制方法進行總結，基于車流預測數(shù)據(jù)，可通過應急車道的動態(tài)管控、合流點車道管控、出入口管控以及區(qū)域路網(wǎng)誘導分流等方式來實現(xiàn)交通流的動態(tài)控制；最后，對其未來發(fā)展做了闡述，在新的交通形勢下，通過有效的交通流動態(tài)控制策略，將最大限度上滿足人們的交通需求，對于交管部門的管理工作也具有積極意義。