高速公路智慧擴(kuò)容建設(shè)體系與關(guān)鍵技術(shù)研究

摘 要：近年來(lái)，在役公路面臨的出行壓力持續(xù)增加，部分路段頻繁出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間、長(zhǎng)距離的交通擁堵，亟需提升路網(wǎng)通行能力和交通運(yùn)行效率。本文聚焦于高速公路智慧擴(kuò)容，首先闡述智慧擴(kuò)容的內(nèi)涵和建設(shè)現(xiàn)狀，然后構(gòu)建智慧擴(kuò)容的建設(shè)體系框架，最后重點(diǎn)研究智慧擴(kuò)容“點(diǎn)—線—面”層次的關(guān)鍵技術(shù)。研究為評(píng)估智慧擴(kuò)容項(xiàng)目的實(shí)施效果與效益提供了科學(xué)依據(jù)，有助于緩解路網(wǎng)交通擁堵、提高路網(wǎng)服務(wù)效能、促進(jìn)公路數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

關(guān)鍵詞：高速公路 智慧擴(kuò)容 建設(shè)體系 關(guān)鍵技術(shù)

隨著城市化進(jìn)程的加速和交通需求的不斷增長(zhǎng)，公路交通系統(tǒng)面臨著前所未有的壓力。傳統(tǒng)的公路擴(kuò)容方式，如增加車道數(shù)或拓寬路面，不僅受到土地資源和資金投入的限制，還可能導(dǎo)致環(huán)境破壞和社會(huì)成本的增加。

而智慧擴(kuò)容相較于傳統(tǒng)物理改擴(kuò)建方式，具有投資規(guī)模少、施工時(shí)間短、交通影響小的優(yōu)勢(shì)，能以較少資源消耗實(shí)現(xiàn)交通基礎(chǔ)設(shè)施承載能力大幅提升，是緩解交通壓力的首要策略。本文旨在深入探討公路智慧擴(kuò)容的內(nèi)涵、建設(shè)現(xiàn)狀、建設(shè)體系、關(guān)鍵技術(shù)以及評(píng)價(jià)體系，以期為公路交通的可持續(xù)發(fā)展提供理論支持和實(shí)踐指導(dǎo)。

1 智慧擴(kuò)容內(nèi)涵

“智慧擴(kuò)容”是指在不大規(guī)模增加場(chǎng)外設(shè)施的前提下，推動(dòng)大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、北斗導(dǎo)航等新技術(shù)與交通基礎(chǔ)設(shè)施深度融合，通過(guò)部署感知設(shè)備、通信網(wǎng)絡(luò)、交通誘導(dǎo)系統(tǒng)等，讓點(diǎn)、線、面一體聯(lián)動(dòng)[1]，從而提升公路的承載能力和通行效率，優(yōu)化提升公共服務(wù)能力、行業(yè)管理效能和產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新水平。

相較于傳統(tǒng)的高速公路管理模式，智慧擴(kuò)容策略在核心理念上達(dá)成了四大關(guān)鍵性的變遷[2]：一是“由事后應(yīng)對(duì)突發(fā)事件轉(zhuǎn)變?yōu)轭A(yù)先主動(dòng)調(diào)控交通擁堵”，二是“從路段的宏觀管理深入到車道的細(xì)致調(diào)控”，三是“從依賴低效的人工操作轉(zhuǎn)變?yōu)椴捎酶咝е悄艿墓芾硎侄巍保氖恰皬囊罁?jù)經(jīng)驗(yàn)判斷轉(zhuǎn)向以數(shù)據(jù)分析為導(dǎo)向的決策過(guò)程”。

2 智慧擴(kuò)容建設(shè)現(xiàn)狀分析

近年來(lái)，隨著汽車數(shù)量的急劇增加，公眾出行需求呈現(xiàn)出井噴態(tài)勢(shì)，導(dǎo)致眾多高速公路的部分路段面臨嚴(yán)重的交通流量壓力，接近承載極限。據(jù)此，全國(guó)各地均已開(kāi)展智慧公路相關(guān)建設(shè)。截至2023年12月，全國(guó)建設(shè)完成、在建和擬建的智慧公路超過(guò)100條，其中建設(shè)完成的智慧公路約70條，主要集中在華東、西南、華北三個(gè)區(qū)域。

2019年國(guó)慶期間，滬寧高速東橋與碩放樞紐通過(guò)動(dòng)態(tài)開(kāi)放應(yīng)急車道、出口匝道信號(hào)控制等工程試點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了路段平均日交通量提升21.17%，路段平均車速增長(zhǎng)14.5%，事故量減少29.6%，平均擁堵里程減少30.5%的應(yīng)用效果[3]，有效證明了公路智慧擴(kuò)容的有效性。

在需求與政策的雙重驅(qū)動(dòng)下，另外以工程經(jīng)驗(yàn)為實(shí)踐佐證，推動(dòng)交通繁忙的高速公路通道和區(qū)域網(wǎng)絡(luò)開(kāi)展“智慧擴(kuò)容”已成為未來(lái)一段時(shí)間公路信息化建設(shè)及交通強(qiáng)國(guó)“智慧高速”試點(diǎn)的新風(fēng)口之一。

3 智慧擴(kuò)容建設(shè)體系

智慧擴(kuò)容的核心目的是提升通行能力和通過(guò)效率，其主要思路可總結(jié)為“點(diǎn)—線—面”的協(xié)同融合與協(xié)同管控。“點(diǎn)”指收費(fèi)、服務(wù)區(qū)、隧道等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)、分合流口通行能力的提升；“線”主要是主線通行、分車道管控的工作；“網(wǎng)”即路網(wǎng)服務(wù)，布局“一張網(wǎng)”出行服務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)對(duì)路網(wǎng)級(jí)交通流的主動(dòng)誘導(dǎo)，協(xié)同調(diào)度路網(wǎng)資源。最終通過(guò)信息發(fā)布端完成交通流誘導(dǎo)，結(jié)合兩大評(píng)價(jià)體系，對(duì)高速公路智慧擴(kuò)容建設(shè)成效進(jìn)行評(píng)估。

4 智慧擴(kuò)容關(guān)鍵技術(shù)

4.1 高速公路智慧擴(kuò)容路網(wǎng)一體化關(guān)鍵技術(shù)研究

利用信息采集、接收、分析和發(fā)布系統(tǒng)，開(kāi)展智慧擴(kuò)容公路網(wǎng)一體化出行服務(wù)與保障技術(shù)研究，以此提升區(qū)域路網(wǎng)整體的交通承載能力和通行效率。

4.1.1 路網(wǎng)流量均衡

路網(wǎng)流量均衡策略分為兩大環(huán)節(jié)：首先是基于流量狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率判定路網(wǎng)流量均衡策略的啟動(dòng)時(shí)機(jī)，其次是路網(wǎng)級(jí)交通流主動(dòng)誘導(dǎo)，均衡全路網(wǎng)交通流量，提升通行效率。針對(duì)兩大環(huán)節(jié)，本研究提出交通狀態(tài)預(yù)測(cè)策略和路網(wǎng)流量分配策略。

（1）高速公路交通狀態(tài)判定和預(yù)測(cè)

集成監(jiān)測(cè)設(shè)備與檢測(cè)技術(shù)，全面采集高速公路主線及普通國(guó)省道連接段的實(shí)時(shí)交通狀態(tài)信息。利用數(shù)據(jù)分析技術(shù)，基于歷史交通流數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)訓(xùn)練并預(yù)測(cè)高速公路交通運(yùn)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)移概率模型[4-5]。

（2）路網(wǎng)流量分配策略

結(jié)合同時(shí)段內(nèi)同方向高速公路與普通國(guó)省道的車流量、占有率等關(guān)鍵指標(biāo)的歷史數(shù)據(jù)，構(gòu)建路網(wǎng)均衡的量化判定標(biāo)準(zhǔn)[6]。在此基礎(chǔ)上，實(shí)時(shí)比對(duì)高速公路與普通國(guó)省道的交通狀態(tài)，動(dòng)態(tài)調(diào)整交通誘導(dǎo)策略，確保在必要時(shí)能夠迅速響應(yīng)，引導(dǎo)車輛合理駛離即將飽和的高速公路段，更鼓勵(lì)進(jìn)入適合引流的普通國(guó)省道，實(shí)現(xiàn)高速公路與普通國(guó)省道路網(wǎng)流量的高效、均衡分布。

4.1.2 高普協(xié)同管控策略

高普協(xié)同管控策略分為兩大環(huán)節(jié)：一是普通國(guó)省道至高速公路的接入管理，二是高速公路至普通國(guó)省道的分流調(diào)控。針對(duì)接入場(chǎng)景，本研究設(shè)計(jì)了上行節(jié)點(diǎn)放行優(yōu)化方案；針對(duì)分流場(chǎng)景，則提出了分流誘導(dǎo)與信號(hào)協(xié)同優(yōu)化的綜合策略。

（1）上行節(jié)點(diǎn)（匝道）放行策略

多層次匝道管控方案將匝道狀態(tài)分為3種，分別為匝道開(kāi)放、匝道調(diào)節(jié)、匝道關(guān)閉；分別對(duì)應(yīng)主線交通狀況為暢通、擁擠、堵塞3種狀態(tài)[7]。

其中，匝道調(diào)節(jié)狀態(tài)時(shí)，擬采用拉鏈?zhǔn)浇惶娣判胁呗?，控制進(jìn)入主干匝道的車流量，進(jìn)而控制匯入主線車輛數(shù)，并且兼顧次級(jí)匝道的放行。在匝道調(diào)節(jié)狀態(tài)，由動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)算法決定放行相鄰匝道中的具體哪個(gè)匝道。

（2）分流誘導(dǎo)策略

基于收費(fèi)站與下匝道的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析判斷高普連接路段的擁堵?tīng)顩r。隨后，臨接路段布設(shè)的可變信息標(biāo)志將顯示“前方匝道擁堵”的警示信息，明確告知駕駛?cè)酥磷罱m宜駛出匝道的具體距離，有效引導(dǎo)欲離開(kāi)高速公路主線的車輛選擇臨近匝道進(jìn)行分流[8]。

（3）跨系統(tǒng)協(xié)同流量管理與信號(hào)優(yōu)化

深化對(duì)進(jìn)入普通國(guó)省道實(shí)時(shí)流量的監(jiān)測(cè)，不僅聯(lián)動(dòng)普通國(guó)省道主線信號(hào)設(shè)施，還應(yīng)考慮與周邊路網(wǎng)、交通管理中心的協(xié)同。綜合分析多源數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域、跨系統(tǒng)的交通信號(hào)智能配時(shí)[9]，確保車輛進(jìn)入普通國(guó)省道后的順暢行駛。另建立緊急情況下的快速響應(yīng)機(jī)制，如發(fā)生突發(fā)事件導(dǎo)致道路擁堵時(shí)，能夠迅速調(diào)整信號(hào)配時(shí)，減少擁堵時(shí)間。

4.2 高速公路智慧擴(kuò)容路段運(yùn)行增效管理及控制方法

針對(duì)高速路網(wǎng)，同時(shí)兼顧普通國(guó)省道，針對(duì)大流量、交通事故等事故發(fā)生時(shí)，可一鍵激活應(yīng)急預(yù)案，部署分配應(yīng)急任務(wù)，指導(dǎo)應(yīng)急處置工作，同時(shí)支持日常應(yīng)急演練。

4.2.1 匝道主動(dòng)管控策略

匝道主動(dòng)管控區(qū)段的主要數(shù)據(jù)采集設(shè)備由視頻攝像頭、毫米波雷達(dá)、電子警察抓拍等多部分組成，基于主線和匝道匯入流量數(shù)據(jù)的分析，確定管控閾值[10]，進(jìn)而制定匝道主動(dòng)管控策略，而后由車道信號(hào)燈、車載播報(bào)、LED提示屏等設(shè)施進(jìn)行管控信息發(fā)布。

定時(shí)限流管控：基于對(duì)歷史交通擁堵數(shù)據(jù)的深入分析，通過(guò)預(yù)測(cè)性的管理手段，在特定時(shí)段內(nèi)對(duì)匝道進(jìn)入的車輛數(shù)量進(jìn)行控制，從而緩解高峰時(shí)段的交通壓力。

感應(yīng)控制策略：該策略強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，利用匝道上的感應(yīng)設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)交通流量，并根據(jù)實(shí)際情況靈活調(diào)整放行區(qū)段和時(shí)間，實(shí)現(xiàn)匝道的間歇放行，以最大限度地平衡主線與匝道之間的交通流量。

完全封閉措施：在極端交通擁堵或特定路網(wǎng)調(diào)度需求下，考慮完全封閉匝道的策略。結(jié)合路網(wǎng)流量均衡調(diào)度預(yù)案，適時(shí)執(zhí)行匝道封閉，以全局視角優(yōu)化整個(gè)路網(wǎng)的流量分布，確保交通系統(tǒng)的整體高效運(yùn)行。

4.2.2 應(yīng)急車道主動(dòng)管控策略

應(yīng)急車道主動(dòng)管控策略利用毫米波雷達(dá)、電子警察抓拍等設(shè)備作為數(shù)據(jù)采集源，結(jié)合地圖服務(wù)、車載播報(bào)、應(yīng)急車道信號(hào)燈、 LED提示屏等進(jìn)行信息發(fā)布。

應(yīng)急車道主動(dòng)管控策略應(yīng)首先基于主線流量數(shù)據(jù)的深入分析，設(shè)定流量閾值[11-12]，并據(jù)此明確應(yīng)急車道開(kāi)放的對(duì)象類型、具體時(shí)段以及開(kāi)放區(qū)段，從而制定多情景下的應(yīng)急車道的主動(dòng)管控策略[13]。

定時(shí)開(kāi)放管控：通過(guò)對(duì)歷史交通擁堵數(shù)據(jù)的分析，預(yù)設(shè)在特定時(shí)間段內(nèi)自動(dòng)開(kāi)放應(yīng)急車道的策略，以期在可預(yù)測(cè)的高峰期前有效緩解主線壓力。

感應(yīng)控制策略：進(jìn)一步利用實(shí)時(shí)交通數(shù)據(jù)，制定動(dòng)態(tài)調(diào)整、間歇臨時(shí)分段開(kāi)放[14]應(yīng)急車道的方案，確保在流量波動(dòng)時(shí)能夠迅速響應(yīng)，靈活調(diào)配道路資源。

完全封閉措施：在非高峰時(shí)段或特定緊急情況下，如歷史數(shù)據(jù)顯示的低流量工況，或根據(jù)實(shí)時(shí)的交通監(jiān)測(cè)結(jié)果，當(dāng)應(yīng)急車輛需要優(yōu)先使用應(yīng)急車道時(shí)，制定即時(shí)封閉應(yīng)急車道的策略。

4.3 高速公路智慧擴(kuò)容公路重要節(jié)點(diǎn)通行保暢關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)公路網(wǎng)絡(luò)中易于發(fā)生擁堵的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，包括但不限于收費(fèi)站、服務(wù)區(qū)、匝道以及長(zhǎng)大橋梁等，探討智能化升級(jí)與智慧化改造手段。通過(guò)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化升級(jí)，更有效地保障出行服務(wù)的流暢性，提升公路網(wǎng)絡(luò)的整體運(yùn)行效率，支撐公路網(wǎng)絡(luò)提質(zhì)增效目標(biāo)。

4.3.1 智慧收費(fèi)站點(diǎn)應(yīng)用

將傳統(tǒng)高速公路收費(fèi)流程與現(xiàn)代信息化技術(shù)，如機(jī)器視覺(jué)、大數(shù)據(jù)分析及物聯(lián)網(wǎng)等深度融合，構(gòu)建一個(gè)高度自動(dòng)化的智慧收費(fèi)體系，增強(qiáng)了工作人員的業(yè)務(wù)處理能力，顯著提升了收費(fèi)效率。

智慧收費(fèi)模式的核心在于其運(yùn)維管理系統(tǒng)的支撐，通過(guò)智能數(shù)據(jù)分析技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)捕捉并處理關(guān)鍵信息，同時(shí)提供即時(shí)報(bào)警服務(wù)，確保監(jiān)控中心能夠迅速響應(yīng)各類情況[15]。此外，結(jié)合直達(dá)救援服務(wù)等措施，智慧收費(fèi)模式有效強(qiáng)化了監(jiān)控中心的監(jiān)控、分析、預(yù)警、指揮及應(yīng)急處置能力，為智能交通系統(tǒng)的持續(xù)優(yōu)化與進(jìn)步奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，共同推動(dòng)“收費(fèi)管理+智慧暢行”新型出行模式的形成與發(fā)展。

4.3.2 智慧服務(wù)區(qū)應(yīng)用

在公路服務(wù)區(qū)智慧管控與便捷服務(wù)技術(shù)的研究中，通過(guò)融合大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、5G、VR、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，探索智慧停車、智慧充換電、預(yù)約服務(wù)等創(chuàng)新服務(wù)的應(yīng)用[16]。

智慧停車系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)顯示車位信息，引導(dǎo)車輛快速找到停車位，減少停車等待時(shí)間；智慧充換電設(shè)施則通過(guò)充電預(yù)約、充電站布局優(yōu)化、充電速度提升等措施，為電動(dòng)汽車用戶提供更為便捷、高效的充電服務(wù)。此外，應(yīng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警周邊路網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)、突發(fā)事件及惡劣天氣等信息，探索建立基于服務(wù)區(qū)的資源集中調(diào)度和應(yīng)急救援服務(wù)體系，進(jìn)一步提升公路服務(wù)區(qū)的應(yīng)急響應(yīng)能力和服務(wù)水平。

5 結(jié)語(yǔ)

公路智慧擴(kuò)容作為應(yīng)對(duì)交通擁堵、提升運(yùn)營(yíng)效率的關(guān)鍵策略，展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿εc現(xiàn)實(shí)意義。本文深入剖析了智慧擴(kuò)容的內(nèi)涵、現(xiàn)狀及其體系建設(shè)需求，強(qiáng)調(diào)了其在增強(qiáng)公路通行能力、優(yōu)化交通管理、保障安全等方面的重要作用。展望未來(lái)，結(jié)合車路云、自動(dòng)駕駛、智能管控平臺(tái)的發(fā)展和應(yīng)用，智慧高速公路將實(shí)現(xiàn)道路容量的顯著躍升，重塑出行體驗(yàn)與安全標(biāo)準(zhǔn)。

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