智慧公路车流主动管控系统设计与应用_万梅新.pdf

数据库系统设计Database System Design电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering218近年来，随着社会经济的不断发展，高速公路路网不断完善和人民生活水平的提高，高速公路交通量迅速增加，因各类事故、施工及重大节假日等因素导致长时间、大范围交通拥堵，成为制约高速公路车辆通行的瓶颈。通过视频、雷达等设施对全路段路况、事故、天气等信息的全方位监测。结合监控管理平台对高速公路运行状态进行研判分析和推送，对不同区域、节点、路段对应的通行的流量及重点营运车辆实施监管，从而达到对工程范围内路段实时信息在情报板上进行展示，实现对工程范围内路段进行全天候实时监测与管控。1 问题现状现阶段高速公路普遍存在问题主要包括：（1）节假日车流量大导致的大范围、长时间拥堵问题。（2）因事故或拥堵缺乏管控手段，导致拥堵进一步增加，路段的通行能力降低和公众出行满意度降低问题。（3）提升交通事件处置效率，减少交通拥堵问题。（4）加强超速车辆的连续监测、预警能力，从而进一步降低车辆运行的安全风险问题。2 应对措施为实现交通流的实时可控，降低各类交通事件，提升道路通行能力与安全性，应对措施主要包括：（1）加强易拥堵路段交通流量的实时监测和拥堵预测，加强高速分流路段交通事件的监测，在交警允许且沿途设置车流主动管控设施的情况下，临时开放应急车道，供车辆有序通行；（2）在重点管控路段设置感知设施，实现全路段、全天候事故、拥堵事件的实时监测；（3）实现路段交通事件全天候智能监测，提升交通事件发现效率；（4）利用沿线可变情报板，提示超速车辆减速慢行。通过车流主动管控系统的设计与实施，从而实现交通流全天候、多要素的动态监测和交通流的主动管控。3 系统概述车流主动管控包括路网运行状态，完成对基础设施数字化、设备设施感知数据、路网环境状态数据、路网运行状态数据、多义性路径识别数据、事件(信息报送)数据、共享数据等采集，然后由各相应功能模块对数据进行分析处理。整合全局高速公路网流量检测数据、多义性路径识别数据、货运车辆定位数据和互联网交通数据，进行多源信息融合处理，并联动道路视频监控，分析道路拥堵、货运车辆轨迹停止等全路网路况的实时分析，提高对路网和收费站交通状态掌握的及时准确性。对气象信息采集包括气象数据及气象预警信息，反应具体天气影响路段、影响时间、持续时间，并分析提供可能引发重大事件的灾害气象预防措施。为实现路网监测和管控，引导驾驶人员提前变换车道或绕行通行，避免临时变道引起的拥堵，形成各种交通情况下的车道管控策略。根据项目实际情况，在传统设计的基础上加强公路智慧化建设，调整和完善设计方案，分别布设智慧情报板、固定式摄像机、雷达设备及诱导设备，利用雷达、视频等感知设施采集拥堵、施工、分车道限速等信息，通过可变情报板提示前方路况。4 系统功能对重点车辆运行状态进行监测、分析处理，利用雷视拟合技术，分析道路沿线重点车辆行驶轨迹等信息，并对路况实时分析，达到对大货车、“两客一危”车辆，智慧公路车流主动管控系统设计与应用万梅新张敏阳（甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司 甘肃省兰州市 730030）摘要：本文通过车流主动系统的部署实施，利用雷达、视频等设施实现交通运行状态全天候、全覆盖感知，用于及时发现抛锚、火灾、异常停车、拥堵等交通事件，通过信息发布系统实时提示路况信息，尽最大可能的对车辆进行提前预告、警示过往车辆安全行驶，形成各种交通情况下的车道管控策略。关键词：主动管控；感知设施；信息发布数据库系统设计Database System Design电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering219“两客一危”包括从事旅游的包车、三类以上班线客车和运输危险化学品、烟花爆竹、民用爆炸物品专用车辆等重点营运车辆的运行监测。为实现路段运行管控，引导驾驶人员提前绕行通行，避免临时变道引起的拥堵，形成各种交通情况下的车道管控策略。依据环兰智慧路网规划和本项目实际情况，利用雷达、视频等感知设施采集拥堵、施工、抛锚、排队、异常停车、分车道限速等信息，通过可变情报板提示前方路况，达到对过往车辆运行状态实时管控。5 系统架构根据系统现状及管控需求，整体系统包括感知层、支撑层、应用层、展示层。逻辑架构如图 1 所示。5.1 感知层外场设施包括感知设施、管控与服务设施等。感知设施包括监控摄像机、毫米波雷达、车检器等。管控与服务设施包括可变情报板等。上述设备通过通信网络接入路段分中心。5.2 支撑层主要内容包括基础设施、数据采集及数据管理等。基础设施层主要包括中心系统各类硬件设备，包括通用性的服务器、存储、网络安全设施、视频上云网关设备等。数据采集主要包括直接采集的结构化及非结构化数据，以及通过各种方式共享的数据。数据管理主要对采集的数据进行各类处理、数据治理监测等，根据应用计算需要存入关系型数据库，及大数据平台等。5.3 应用层在 GIS、人工智能算法的支撑下，开展服务类、管控类、决策类、应急类及设施全生命周期管理等应用。5.4 展示层系统在路段分中心大屏，及承担相应功能的坐席上进行展示。6 应用功能结合智慧公路发展趋势考虑建设路段运行监测、交通态势预测、安全风险评估、车道管控策略分析及控制、应急处置指挥、信息发布、应用展示、数据接口等业务应用功能，项目充分运用以上功能模块，从而实现交通流全天候、多要素的动态监测和交通流的主动管控。6.1 路段运行监测路段运行监测利用视频智能分析技术、雷达感知技术及多源数据融合技术，实现高速公路各类交通事件的智能识别，交通状态的处理、交通流量的动态采集。将摄像机采集的视频数据与毫米波雷达等多源数据进行融合，提升目标的识别与追踪精度，实现道路场景中车辆的检测识别和跟踪。根据毫米波雷达和视频实时采集的车辆运动信息进行充分融合，实现多目标车辆关键信息的提取和轨迹跟踪估计。达到对雷达信息进行预处理，提取出动态目标，并对目标车辆的速度、距离等信息进行预处理，实现多目标车辆的跟踪估计。路段运行监测主要功能包括：（1）交通事件智能识别：通过后台视频智能分析，以及雷达数据的融合处理，实现交通事件的综合智能识别。（2）交通状态处理：利用视频智能分析技术和雷达测速技术，实现重点路段交通状态的精准处理。（3）通流量动态采集：利用毫米波雷达，实现分段的交通流量的动态采集，为交通态势识别、安全风险评估提供数据支撑。（4）特种车辆跟踪：通过毫米波雷达和监控摄像机感知发现特种车辆，毫米波雷达实时对摄像机发送特种车辆的定位信息，系统对实时位置定位并在预估监控摄像机驱动速率情况下进行驱动时刻计算，从而驱动监控摄像机进行转动，通过转动云台和及时切换下游摄像图 1：逻辑架构图数据库系统设计Database System Design电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering220机，实现重点营运车辆的管控及连续跟踪。6.2 交通态势预测建设交通态势识别，当路段发生交通事件时，利用上游雷达等采集的交通流量数据结合交通事件处置的时间估算，对路段交通发展态势进行预测，为后续动态交通管控措施的实施提供依据。针对短时间交通环境路网运行态势预测问题，基于交通流历史数据，建立时间序列模型，通过对历史数据进行线性拟合、参数估计，通过分析交通流三要素(流量、速度、占有率)之间的关系，总结交通状态之间的转变关系进行实时在线处理，实现对高速公路交通流量和占有率，行车速度水平的短时预测。6.3 安全风险评估建设安全风险评估，根据各类历史交通事件，建立重点路段坡段安全风险评估模型，当发生交通事件时，利用安全风险评估模型输出安全风险警示，为应急指挥人员的指挥调度提供撑。根据重点路段的历史交通事件，安全风险主要针对单一车辆的危险驾驶行为的风险评估。车辆存在的多种危险驾驶行为主要包括：驾驶轨迹异常、急加速行为、急减速行为、超速行为、危险变道以及不按规定路线行驶行为。基于车辆运行动态信息，针对重点路段，确实具有实际安全风险的，典型危险场景下车辆运动状态，建立危险场景指标体系，提出基于车辆行驶安全性的危险运动状态判别方法。根据历史数据和车辆运动特征，利用视频+毫米波雷达感知的交通事件，对提取的车辆运动轨迹进行分析。6.4 车道管控策略分析及控制实现为处置人员管控方案的选择提供支撑，当选定管控方案后，能自动生成可变情报板发布内容、车道控制指令、车道速度限制指令，实现管控信息的快速发布。车道管控和车道速度限制模型均应包括：交通事故、道路施工、路面状况异常、大流量、恶劣天气等管控模型。根据车道管控和车速限制的实施记录，结合运行监测的道路车道级交通运行状况，包括车道流量分布、各车道拥堵排队长度、各车道拥堵排队时间、管控信息遵守率、事故率等指标，进行车道管控和车速限制措施成效的后评估，并进一步修正管控策略。6.5 应急处置指挥运用运行监测及时获取的事件信息，通过指挥者和事件处理的参与者的信息实时交互，实现可视化的指挥调度，辅助管理人员和现场作业人员，高效完成指挥调度、协同处置及相关管理工作，包括事件接报、预案管理、指挥调度、执行监督、信息发布与报告等功能。（1）事件接报：突发事件系统智能识别后自动弹出告警，突发事件信息快速填报、预案/预警类型及关联要素关联判断，对预警信息管理；对应急事件进行核实确认，并确认应急事件的事件类型、事件预警等级、事件影响区域等于事件相关的信息。（2）预案管理：系统可对预案进行增加、删减、修改。根据确认的事件类型、等级及相关条件信息，自动匹配应急预案启动的知识内容，辅助指挥调度人员进行高效的有条理的信息上下交互和处置指挥，同时可在执行过程中根据实际情况动态的调整执行内容，事后还可根据实际实施的效果或者事件处置的经验教训不断的修改和完善预案，形成相关实际案例，丰富应急处置知识库，为今后做出积累。（3）指挥调度：对事件处置过程进行指挥调度管理。系统能对整个事件处理过程进行全程监控，保证参与事件处理的各方均能按照规定完成各自任务。救援实施过程中要求能够跟踪事故现场动态，系统能对整个事件处理过程进行全程监控，保证参与事件处理的各方均能按照规定完成各自任务。路段分中心在方案执行过程中持续不断的进行指挥、监督、管理活动，协调各职能部门及救援资源直至圆满完成救援任务。（4）查询统计和展示：实现应急指挥相关信息的查询、汇总、报表、统计、分析，事件应急指挥过程通过 PC 端坐席、大屏端进行展示。6.6 信息发布利用路段运行监测模块生成的交通事件信息、交通状态信息，以及交通态势预测模块产生的预测信息，通过路侧的可变情报板，发布文字信息。利用指向性网络音响，发布语音信息。6.7 应用展示为了更好的展示动态管控的效果，需要构建建设范围内感知和发布区域的二维展示示意图，在示意图基础上，通过数字孪生方式对路侧感知设施、管控设施、标数据库系统设计Database System Design电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering221志标线等静态设施，以及车辆实时运行数据、交通事件、LED 车道控制信息、可变情报板服务信息等信息进行还原和展示。6.8 数据接口具备向省中心传输感知数据、事件数据、态势预测数据、车道管控和车速控制数据、信息服务数据等数据信息能力，并在省中心平台中进行展示。7 硬件设施根据项目实际情况，结合预测交通量、运维成本，且考虑到公路未来交通量增大，为进一步提高监测预警能力，最大限度的提高该项目公路服务水平。尽最大可能的对车辆进行提前预告、警示过往车辆安全行驶。项目利用可变情报板实现分车道限速，结合雷达、视频等感知设施采集的拥堵、施工等信息，提示前方路况，引导驾驶人员提前变换车道或绕行通行，避免临时变道引起的拥堵，形成各种交通情况下的车道管控策略。同时，在交警部门同意的情况下，在旅游旺季交通量大的情况下，动态开启应急车道，避免交通拥堵。7.1 智慧情报板智慧情报板可向司机提供路况和路网信息，调节、疏导交通流，是减少事故发生的有效手段。实施动态车道管控可变情报板的近期主要目标是车道控制和车速控制，可通过车道临时开关闭提高运行安全和效率。车道功能和车速限制可根据实时需求按需变化，甚至可以根据交通事件占道情况，按需控制行车道的开放和关闭，以及应急车道的临时通行。根据项目的特点和根据周围路网情况，对重点路段即互通立交区的路况信息及时发布，结合安全设施标志牌的布设，合理布设智慧门架情报板，实现动态信息与静态信息合理结合。通过在各互通立交区布设安装智慧门架情报板车道设备，动态提示驾驶员当前车道的管控措施和车道的速度限制。7.2 视频监控设备项目按照 2 公里 1 对的标准标准设置云台摄像机，为适应智慧高速公路业务的发展的要求，需要构建一套全天候、智能化的感知体系，通过加密道路沿线监控设施，提升视频的智能化程度，实现高速公路交通事件的智能识别，全面提升交通事件的感知能力和发现效率。项目按照每 2 公里 1 对设置了云台摄像机，实现视频全覆盖，云台摄像机虽然有较多优点，但其图像画面是不固定的且受距离影响，无法及时发现抛锚、排队、异常停车、拥堵等交通事件，需要对事故常发以及拥堵常发的重点区域设置固定式枪机来实现全覆盖实时监测。7.3 毫米波雷达毫米波雷达可以获取车辆车型、流量、交通事件等信息，并可以将近距离车辆运动轨迹数字化，实现全天候检测，检测性能不受外界光照条件影响，且能精确识别多目标的行驶速度，车型及流量。在道路全线设置毫米波雷达设备，为主线及匝道出入口区域提供全天候、高精度的感知，另外单台雷达的覆盖半径约为 500m，设置在路侧可覆盖双向车道。8 结束语通过车流主动管控系统的实施，提升感知设施的监测水平，实现工程范围内路段的全天候、多要素的事件主动发现、主动干预，车道功能的动态管控，交通流量和速度的动态调节，交通流的逐级分流，积极主动预防和避免交通拥堵的发生；通过感知设施的布设实现危化品车辆、特种车辆的全程跟踪和重点管控；实现交通事故、道路施工、路面状态异常、大流量、超速失控等事件状况下的通道级、车道级的多层次主动管控应用，有效减少二次交通事故；实现交通信息发布内容的扩展，提高道路通行能力和安全性，提升公众服务满意度。参考文献1 甘肃省交通运输厅印发甘肃省环兰智慧路网规划R.2021,11.2 甘肃省交通运输厅印发甘肃省智慧公路体系框架R.2022,03.3 甘肃省交通运输厅印发甘肃省智慧高速公路建设技术指南R.2022,03.作者简介万梅新（1984-），女，甘肃省靖远县人。大学本科学历，工程师。研究方向为智慧公路设计与研究。张敏阳（1977-），陕西省渭南市人。大学本科学历，正高级工程师。研究方向为智慧公路设计与研究。