高速公路與城市道路協(xié)同管控技術(shù)研究

摘要：隨著社會經(jīng)濟發(fā)展與人口城鎮(zhèn)化率提高，高速公路與連接城市的銜接更緊密，高速公路與城市道路的銜接段成為交通擁堵的頻發(fā)區(qū)。文章通過分析國內(nèi)高速公路與城市道路聯(lián)動管理現(xiàn)狀，總結(jié)二者聯(lián)動管理方面存在的問題，提出高速與城市道路協(xié)同管控總體思路，重點分析高速公路與城市道路協(xié)同管控技術(shù)并以蘇州高地聯(lián)動協(xié)同改造實踐為例闡述具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：高速公路；城市道路；聯(lián)動管理；協(xié)同管控

中圖分類號：U414中圖分類號 "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文獻(xiàn)標(biāo)志碼

0 引言

當(dāng)前國內(nèi)城市尤其是江蘇省內(nèi)城市的高速公路網(wǎng)絡(luò)以及城市道路路網(wǎng)建設(shè)已經(jīng)取得矚目成績，江蘇中南部地區(qū)的高速公路網(wǎng)密度相對更高，高速公路與連接城市的銜接更密，部分城際間的高速公路交通流已呈現(xiàn)出城市道路交通流特征。高速公路與城市道路銜接段的嚴(yán)重交通擁堵頻發(fā)，節(jié)假日高峰及特殊事件等日益增多，管控處置效率低下。這已成為高速公路治理服務(wù)和城市交通高質(zhì)量發(fā)展不可忽略的問題之一。因此，本文擬研究高速公路與城市道路高地聯(lián)動管控技術(shù)，通過數(shù)字化手段緩解交通擁堵，提高交通運行效率。這對于保障公眾出行、提升交通運行管理水平具有重要意義。

1 高速公路與城市道路聯(lián)動管理現(xiàn)狀

1.1 現(xiàn)狀分析

1.1.1 政策要求

《國家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》中明確提出要推動城市內(nèi)外交通有效銜接、加強城市周邊區(qū)域公路與城市道路高效對接，系統(tǒng)優(yōu)化進(jìn)出城道路網(wǎng)絡(luò)，推動規(guī)劃建設(shè)統(tǒng)籌和管理協(xié)同［1］。《“十四五”現(xiàn)代綜合交通運輸體系發(fā)展規(guī)劃》強調(diào)要加快解決制約人民美好出行、貨物高效流通的瓶頸，強化綜合交通網(wǎng)絡(luò)有機銜接。加強干線公路與城市道路有效銜接，推進(jìn)城鎮(zhèn)密集地區(qū)干線公路過境段、進(jìn)出城瓶頸路段升級改造［2］。江蘇省交通運輸廳印發(fā)的《江蘇省“十四五”公路發(fā)展規(guī)劃》中提出到2025年，實現(xiàn)路網(wǎng)暢達(dá)化，公路基礎(chǔ)設(shè)施基本實現(xiàn)現(xiàn)代化，加快建成安全、便捷、高效、綠色、經(jīng)濟的公路交通網(wǎng)絡(luò)體系，形成以高速公路和普通國省道公路為骨干、農(nóng)村公路為枝葉的順暢銜接城市道路。

1.1.2 理論研究

國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于城市道路與高速公路的銜接段概念、銜接區(qū)域路網(wǎng)特征、銜接區(qū)域的交通流特征等進(jìn)行了相關(guān)研究。高健智［3］提出高速公路與城市道路銜接系統(tǒng)構(gòu)成要素包括：高速公路銜接道路、銜接節(jié)點、城市出入主通道。

李雪如［4］提出高速公路上的連續(xù)車流轉(zhuǎn)換到城市道路上的間斷車流，必須有一個過渡過程，而這個過渡則需要通過連接區(qū)域來實現(xiàn)。高速公路與城市道路銜接區(qū)域路網(wǎng)功能如圖1所示。

王慧［5］認(rèn)為銜接段是城市出入口道路和高速公路的過渡段，位于城市道路與高速公路之間，是溝通城市交通和區(qū)域交通的紐帶，既有高速公路的部分功能又有城市道路的部分功能。同時，銜接段的交通流量存在方向不均勻性，這主要是和出入城高峰有關(guān)。

1.1.3 應(yīng)用實踐

國內(nèi)已有不少城市進(jìn)行了高速公路及地方道路交通管理和信息發(fā)布方面的實踐探索。2020年“十一黃金周”期間，江蘇省泰州市交警支隊針對節(jié)假日高速公路網(wǎng)流量大、擁堵嚴(yán)重、通行效率低等問題，研發(fā)高速公路網(wǎng)主動管控平臺，聯(lián)動前端可變情報板信息發(fā)布情報板和導(dǎo)航誘導(dǎo)引擎，實現(xiàn)了以導(dǎo)航App出行大數(shù)據(jù)為驅(qū)動、以硬路肩（應(yīng)急車道）管控、高速公路樞紐及出入口管控、遠(yuǎn)距離誘導(dǎo)分流、導(dǎo)航調(diào)度等立體化管控為系統(tǒng)策略［6］。2021年針對浙江余杭收費站擁堵問題，杭州高速交警支隊主動對接余杭交警，建立老余杭“高地指揮”微信聯(lián)動群，實現(xiàn)信息共享。當(dāng)高速主線出現(xiàn)排隊時，及時采取控?zé)?、現(xiàn)場指揮等相應(yīng)舉措。廣東清遠(yuǎn)、山東日照、陜西安康、四川甘孜等地建立了高地交警聯(lián)動處置機制，加強信息互通，強化研判預(yù)警、實時調(diào)度指揮。

1.2 問題分析

目前高速公路與城市道路在網(wǎng)絡(luò)銜接上存在間距過近、通行能力不匹配、高速公路在城市范圍內(nèi)設(shè)置出入口偏少、城市出入口通道車流量大、建設(shè)及運營管理主體分離等問題［7］。由于土地、交通資源的限制，依靠物理網(wǎng)絡(luò)的升級改造所能帶來的交通容量提升有限。

在高速公路與城市道路聯(lián)動管理方面，行業(yè)部門已逐步顯現(xiàn)出主動尋求轉(zhuǎn)變的特征，從各自為政轉(zhuǎn)向聯(lián)動協(xié)同，探索形成了一定的聯(lián)動機制，但存在聯(lián)動方式有局限、無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動、缺乏統(tǒng)一的互聯(lián)互通平臺等問題。如何協(xié)調(diào)聯(lián)動管控高速公路與城市道路上2種異質(zhì)特征屬性交通流，已成為實現(xiàn)高地銜接段數(shù)字協(xié)同管控亟須解決的問題。

1.3 解決思路

在改造升級高速公路與城市道路銜接段時，一方面須建成涵蓋高速公路及城市道路的綜合智慧交通管理系統(tǒng)，實現(xiàn)交通狀態(tài)實時感知、交通擁堵預(yù)警、出入口控制、交通指揮誘導(dǎo)，從而保障高地銜接路網(wǎng)的交通通行能力，發(fā)揮整個路網(wǎng)系統(tǒng)的最大效率；另一方面要搭建高速公路與城市道路數(shù)據(jù)交互與共享平臺，實現(xiàn)多部門統(tǒng)一平臺的一體化數(shù)據(jù)采集、策略制定和業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)發(fā)布，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動實現(xiàn)對擁堵情況和交通事件的主動預(yù)測和策略的快速響應(yīng)。

2 高速公路與城市道路協(xié)同管控總體方案

高速公路與城市道路之間的協(xié)同管控以路網(wǎng)之間的交通流為控制對象，其對交通流的控制和誘導(dǎo)措施必須適應(yīng)路網(wǎng)間的通行能力，協(xié)同管控流程如圖2所示。

（1）城市交通管理中心根據(jù)高速公路網(wǎng)出入口的交通流量調(diào)整鄰接道路路口的交通信號系統(tǒng)的配時方案與誘導(dǎo)措施，適應(yīng)路網(wǎng)內(nèi)的交通流量分配，發(fā)揮高速路網(wǎng)快速疏導(dǎo)交通的作用。

（2）高速公路管理中心根據(jù)交通流分析結(jié)果以及趨勢預(yù)測，對即將達(dá)到交通飽和的路段，在上游入口處發(fā)布運行控制信息，提示駕駛員選擇其他路線或者是降低行駛速度，避免造成擁堵。

（3）在城市道路網(wǎng)負(fù)荷較大時，高速公路網(wǎng)須要保證交通流最大化以疏導(dǎo)交通流，發(fā)揮城市快速通道的作用；其他情況下，以路網(wǎng)中通過車輛的收費金額最大化為控制目標(biāo)，可以相應(yīng)地調(diào)整短途車輛進(jìn)入，優(yōu)先遠(yuǎn)程車輛的通行，以保證投資公司的收益。

（4）在發(fā)生交通事故、天氣突變等異常情況的路段，釆取緊急措施限制通行車輛的行駛速度或者是進(jìn)入特殊的路段，以確保行車安全。同時，及時發(fā)布異常信息，提示出行者規(guī)避交通緊張路段。

3 高速公路與城市道路協(xié)同管控技術(shù)

基于實時數(shù)據(jù)感知及交通態(tài)勢研判，并運用交通仿真決策手段，依靠多元化交通誘導(dǎo)渠道實現(xiàn)高速公路與城市道路一體聯(lián)動決策管控，實現(xiàn)交通態(tài)勢一建仿真、管控策略一鍵下發(fā)、情報板一體聯(lián)動。

3.1 交通數(shù)據(jù)感知

可利用現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施采集交通運行數(shù)據(jù)，必要情況下對交通運行監(jiān)測點位進(jìn)行補盲。路網(wǎng)路段交通要素和監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過可視化方式進(jìn)行展示。

3.1.1 利用ETC 門架設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測

高速公路路網(wǎng)現(xiàn)有設(shè)備包括ETC門架、服務(wù)區(qū)卡口、收費站卡口等。ETC門架可依托智能抓拍機采集過往車流量、車牌號、車牌顏色、車道、時間等數(shù)據(jù)，可依托RSU設(shè)備采集車流量、車牌號、車牌顏色、車型、車道、時間等數(shù)據(jù)。二者信息可以進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和相互驗證。收費站卡口利用智能抓拍機采集進(jìn)出收費站的車流量、車牌號、車牌顏色、車型等數(shù)據(jù)。

3.1.2 新建智能設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測

高速公路側(cè)根據(jù)路網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)情況，補充部署雷達(dá)/視頻設(shè)備，實現(xiàn)車流量、車型、密 度、速度、時間占有率、空間占有率等交通運行狀態(tài)參數(shù)檢測及異常停車、慢速檢測、逆行檢測、倒車檢測、非機動車闖入檢測、行人闖入檢測、交通事故、交通擁堵等交通事件檢測。城市道路側(cè)增設(shè)感知設(shè)備，全面感知高速公路互通及周邊路口交通運行情況以及車輛路徑流向。

3.1.3 數(shù)據(jù)適配接入

采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接入標(biāo)準(zhǔn)，接入交通誘導(dǎo)設(shè)備運行狀態(tài)及發(fā)布數(shù)據(jù)、高速周邊點位視頻、流量檢測設(shè)備的運行狀態(tài)及檢測數(shù)據(jù)、雷達(dá)運行狀態(tài)及檢測數(shù)據(jù)、路口交通信號機配時方案數(shù)據(jù)及信號機狀態(tài)數(shù)據(jù)、高速路況數(shù)據(jù)、交警業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

3.2 智慧交通研判

基于ETC門架和雷視設(shè)備，對交通運行、擁堵路況、特殊節(jié)假日交通運行進(jìn)行分析研判。

3.2.1 交通運行統(tǒng)計及預(yù)測

利用高速出入口及周邊重點道路的名稱、方向、時間條件、過車數(shù)量、車輛類型等數(shù)據(jù)要素，對高速公路出入口及周邊重點路段的流量進(jìn)行多個維度的統(tǒng)計，同時支持道路擁堵指數(shù)分析及未來時段交通預(yù)測。針對特定節(jié)假日交通運行情況，可做專題分析。

3.2.2 道路擁堵分級分析研判

依據(jù)車流量和平均車速數(shù)值分布（相對于最大小時通行車流量和最高限速值），可將道路擁堵分級為暢通、緩慢、擁擠、堵塞、停滯5級，供管理部門決策是否啟動大流量擁堵應(yīng)急方案。

暢通：車流量不大，平均車速較高，車輛快速高效行駛。

緩慢：車流量開始增大，平均車速降低，全部或部分車道緩慢通行。

擁擠：車流量開始明顯增大，平均車速明顯降低，全部車道擁擠通行。

擁堵：車流量非常大，平均車速明顯降低，出現(xiàn)車輛排隊現(xiàn)象。

停滯：因超大流量導(dǎo)致全部車道堵死，車輛出現(xiàn)停滯現(xiàn)象。

3.2.3 交通事件預(yù)警

基于實時交通流、路況事件、地理信息等有效數(shù)據(jù)，劃分預(yù)警等級，從“平均車速、斷面流量、擁堵趨勢”等多個維度對高速公路擁堵實行智能精準(zhǔn)預(yù)警，實現(xiàn)超前感知、快速響應(yīng)。

3.3 交通仿真決策

針對大流量、道路施工、事故救援、惡劣天氣等場景下的交通擁堵，須進(jìn)行實時交通評估與預(yù)測，通過可視化交通仿真手段輔助管控決策。

根據(jù)主動管控業(yè)務(wù)場景和管控策略，設(shè)計并開發(fā)相應(yīng)的算法模型，包括：可變限速算法模型、應(yīng)急車道算法模型、樞紐分流算法模型、高地聯(lián)動算法模型、道路安全預(yù)警算法模型等。在高速公路主動管控業(yè)務(wù)實踐中，支持管理單位根據(jù)分析研判結(jié)果，人工決策采取何種主動管控策略，同時也支持基于主動管控策略算法模型智能決策需采用的主動管控策略并自動推送給管理人員審核實行。

3.4 高速公路側(cè)主動管控及路徑誘導(dǎo)

3.4.1 速度協(xié)調(diào)

在高速公路主動管控目標(biāo)路段，依托 ETC 門架上的智能抓拍攝像機構(gòu)建一個測速區(qū)間，可對車輛進(jìn)行區(qū)間測速。同時，構(gòu)建可變限速算法模型，根據(jù)不同的天氣、流量、事故等交通運行參數(shù)，確定合適的可變限速值，并利用可變情報板發(fā)布可變限速信息。通過對車輛速度的按需限制，降低路段事故率，降低下游擁堵路段流量壓力，提升路段整體通行能力，實現(xiàn)車流量均衡最大化。

3.4.2 主線大流量車道管控

高速公路主線控制方式的控制對象是高速公路路段上的交通流，通過對高速公路主線的交通進(jìn)行調(diào)節(jié)、誘導(dǎo)和警告，達(dá)到優(yōu)化交通流狀態(tài)的目的。

車道管控主要是利用應(yīng)急車道開放技術(shù)和可變車道控制技術(shù)，實現(xiàn)車道級的交通管控。正常情況下，應(yīng)急車道不開放；一旦此段發(fā)生交通事故時，應(yīng)急車道可作為臨時開放車道用以過渡，緩解由于交通事故占據(jù)行車道帶來的交通擁堵，以此達(dá)到暢通的目的。應(yīng)急車道開放有大流量分流、養(yǎng)護(hù)占道管控、交通事故占道疏導(dǎo)3個典型場景。但在下列情況下不宜開啟應(yīng)急車道：路段發(fā)生惡劣天氣、事故災(zāi)難、公共衛(wèi)生事件、社會安全事件等特殊情況。

3.4.3 匝道控制

匝道控制可根據(jù)主線及匝道的交通流量或突發(fā)情況，進(jìn)行匝道關(guān)閉/調(diào)節(jié)功能，其中突發(fā)情況包括突發(fā)交通事故、路面積雪濕滑、道路施工等。

3.4.4 路徑誘導(dǎo)

在管控區(qū)域上游，利用現(xiàn)有誘導(dǎo)屏發(fā)布路徑和分流信息。

3.5 城市道路側(cè)交通控制及信息服務(wù)

3.5.1 城市道路信號協(xié)調(diào)控制

主要利用城市側(cè)信號燈等控制手段，調(diào)節(jié)進(jìn)入高速公路主線的交通量。同時，可融合導(dǎo)航行程時間算法，通過交通控制調(diào)節(jié)車輛進(jìn)入擁堵路段的行程時間，平衡路網(wǎng)交通分布、提升路網(wǎng)利用率。

同時，給予下高速進(jìn)入城市道路的車輛適宜的通行時間，防止下高速車輛堵在路口，造成下高速匝道排隊。

3.5.2 高速公路入口信息服務(wù)

在與高速公路相連接的城市道路的第一個路口新建誘導(dǎo)屏，發(fā)布高速公路路況，引導(dǎo)車輛出行。

4 蘇州高地聯(lián)動協(xié)同改造實踐

蘇州TOCC致力于推動智慧交通管控舉措在重點場景下落地，選取蘇州城區(qū)收費站（城市側(cè)）、蘇嘉杭吳江至吳江南段（高速側(cè)）進(jìn)行高速公路與城市道路協(xié)同管控。具體改造位置如圖3所示。

利用現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施（ETC 門架、視頻監(jiān)控點位等）獲取交通流量等數(shù)據(jù)，同時補充雷視一體機、可變情報板、車道指示器、提示警示牌等設(shè)備，實現(xiàn)交通參數(shù)動態(tài)采集、交通事件智能檢測、誘導(dǎo)信息及時發(fā)布和通行警示提醒。以蘇州城區(qū)收費站改造為例，入口誘導(dǎo)屏布設(shè)位置如圖4所示。

城市道路側(cè)，城區(qū)收費站廣場嚴(yán)重?fù)矶聲r，在上游實施紅波信號控制，把向收費站的流量截留在上游路口，減輕堵點壓力；同時對獨墅湖大道路口東進(jìn)口實施右轉(zhuǎn)控制，當(dāng)西進(jìn)口左轉(zhuǎn)放行進(jìn)入收費站時，東進(jìn)口右轉(zhuǎn)紅燈控制；當(dāng)東西直行時，東進(jìn)口右轉(zhuǎn)放行，避免2股車流交匯搶道發(fā)生碰擦導(dǎo)致?lián)矶隆＞唧w信號控制方案如圖5所示。

高速公路側(cè)，依托ETC門架上的智能抓拍攝像機構(gòu)建一個測速區(qū)間，實現(xiàn)速度管控。同時在平望樞紐上行門架和尹山樞紐上行門架，新增分車道可變信息屏，實行可變限速控制，逐級平滑降低車流速度，提高交通安全，并提供誘導(dǎo)信息服務(wù)。另外，蘇州TOCC聯(lián)合交警、路政等相關(guān)方共同制定應(yīng)急車道管理制度，明確應(yīng)急車道的開啟與關(guān)閉條件。

5 結(jié)語

數(shù)字化轉(zhuǎn)型新形勢下，如何提高高速公路與城市道路銜接段的通行能力，實現(xiàn)高速公路與城市交通的無縫銜接，是一項重要研究課題。本文提出了高速公路與城市道路協(xié)同管理模型，探討了高地聯(lián)動場景下交通數(shù)據(jù)感知、交通仿真決策、高速公路主動管控、城市道路路徑誘導(dǎo)等協(xié)同管控技術(shù)，為銜接段的數(shù)字協(xié)同管控提供了技術(shù)基礎(chǔ)，具有現(xiàn)實意義和應(yīng)用推廣價值。

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（編輯 沈 強編輯）

Research on collaborative control technology of expressway and urban road

LIU" Linghui1， LI" Nan2

（1.JSTI Group Co.， Ltd.， Nanjing 210000， China; 2.Jiangsu Expressway Network Operation amp; Management

Co.， Ltd.， Nanjing 210000， China）

Abstract：" With the development of social economy and the increase of population urbanization rate， the connection between expressway and connecting cities has become closer， and the connection section between expressway and urban roads has become a frequent area of traffic congestion. The article analyzes the current situation of linkage management between domestic expressway and urban roads， summarizes the problems in their linkage management， proposes the overall idea of collaborative control between expressway and urban roads， analyzes collaborative control technologies for expressway and urban roads emphatically， and takes Suzhou high-land collaborative transformation practice as an example to elaborate on specific applications.

Key words： expressway; urban roads; linkage management; collaborative control