CN114241756B - 一种高速公路施工期间硬路肩动态使用方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及交通管理与控制技术领域，具体涉及一种高速公路施工期硬路肩动态使用方法和系统。一种高速公路施工期硬路肩动态使用系统包括数据采集单元、微观交通仿真平台、交通拥堵识别单元以及硬路肩控制单元；通过采集的历史交通运行数据和道路基础信息，利用微观交通仿真平台进行建模，得到施工期间高速公路交通运行特征相关数据分析，预测施工期间交通拥堵路段，再采集实时交通运行数据，来确定施工期间交通拥堵路段硬路肩的开放方案，实现交通实时管控，从而缓解施工期间交通拥堵情况。本发明研究高速公路施工期间道路拥堵问题，缓解了施工期间高速公路拥堵情况。

Description

一种高速公路施工期间硬路肩动态使用方法和系统

技术领域

本发明涉及交通管理与控制技术领域，特别涉及一种高速公路施工期硬路肩动态使用方法和系统。

背景技术

高速公路改扩建施工期交通压力较大，交通流处于不稳定状态，流量密集路段出现频发性交通拥堵事件。从高速公路施工期交通管控的研究内容来看，目前国内研究主要集中在高速公路入口匝道控制和主线限速控制方面。

目前对入口匝道控制研究，从调节率计算方法来看有定时控制和感应控制两种。定时控制的调节率是根据过去己有的交通统计与测量数据经过计算而确定的,因此不能响应交通需求的随机变化。感应控制的调节率是根据匝道口上游、下游检测器所提供的实时交通数据动态地确定，因而能响应交通需求的随机变化。然而，对于频发性交通拥堵，单纯的入口匝道控制可能将该匝道汇入交通流量诱导至沿线其他入口，造成拥堵转移，在交通流量较大情况下，实施效果并不理想。

对主线限速控制的研究主要分为两类，一是参考《公路养护安全作业规程》(JTGH30-2015)确立的固定限速，二是可变限速控制。不论是哪种方式，其主要原理是通过车速限制，平滑瓶颈路段车速，提高行车安全性，但对于缓解交通拥堵效果甚微。

综上，入口匝道控制和主线控制的重点均在于调节交通流的空间分布，对于频发性交通拥堵缓解效果有限。在高速公路施工期间，受施工方案、交通组织和既有大流量交通影响，交通拥堵将进一步加剧，因此需要从充分挖掘既有道路设施资源潜力的角度出发，有效扩充高速公路施工期间的路段容量，提升通行能力。

利用路肩作为临时通行车道已成为国外高速公路交通管理控制的一种常用手段。20世纪80年代以来，英国、荷兰、法国、美国等国家的部分高速公路开始实施临时使用路肩措施治理拥堵问题，在采取保证高速公路通行安全措施条件下，临时使用路肩能够大大缓解交通拥堵。

但目前国内硬路肩使用的相关研究主要集中于对措施典型案例的综述与可行性分析上，通过分析我国当前的道路、交通及社会条件，总结该措施在我国应用的可行性，提出了拥堵点开放路肩的高速公路管理措施，并对其交通效益与存在的问题及应对方式进行分析。

目前为缓解高速公路施工期间拥堵而进行硬路肩动态使用的方法研究较少，国内硬路肩使用一般采取固定某个拥堵时间段来确定开放硬路肩，而对于高速公路施工期间，无法做到直观的了解施工期交通运行状态，无法通过预判可能产生拥堵的路段来采取措施，实现缓解施工期间交通拥堵情况。

发明内容

本发明目的在于研究高速公路施工期间道路拥堵问题，利用微观交通仿真平台建立硬路肩动态使用模型，确定硬路肩使用方案，实现缓解施工期间交通拥堵情况，提供了一种高速公路施工期间硬路肩动态使用方法和系统。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种高速公路施工期间硬路肩动态使用系统，包括数据采集单元、微观交通仿真平台、交通拥堵识别单元和硬路肩控制单元；数据采集单元用于采集历史交通运行数据和道路基础信息；微观交通仿真平台基于历史交通运行数据和道路基础信息进行建模得到交通运行特征，预测交通拥堵路段；交通拥堵识别单元布置在预测交通拥堵路段，用于采集实时交通运行数据，获取交通拥堵路况数据；硬路肩控制单元用于根据交通拥堵路况数据，执行硬路肩开放方案。

作为本发明的优选方案，一种高速公路施工期间硬路肩动态使用系统，数据采集单元包括：视频监测设备、磁频车辆检测器和波频车辆检测器，用于采集高速公路施工前历史交通运行数据。

作为本发明的优选方案，一种高速公路施工期间硬路肩动态使用系统，交通拥堵识别单元被配置为：根据视频监测设备、车辆GPS和导航，采集实时交通运行数据。

作为本发明的优选方案，一种高速公路施工期间硬路肩动态使用系统，检测设备包括在出口匝道减速车道起点位置和入口匝道加速车道终点位置设置龙门架，所述龙门架上设置有限速标志，应急车道标志，可变信息板。

一种高速公路施工期间硬路肩动态使用方法，包括以下步骤：

步骤S1，利用数据采集单元收集历史交通运行数据和道路基础信息；

步骤S2，利用微观交通仿真平台，基于历史交通运行数据和道路基础信息得到交通运行特征，预测交通拥堵路段；

步骤S3，基于预测的所述交通拥堵路段，完善交通拥堵识别单元的布置，利用交通拥堵识别单元采集实时交通运行数据，获取交通拥堵路况数据；

步骤S4，根据所述交通拥堵路况数据，确定硬路肩开放方案。

作为本发明的优选方案，一种高速公路施工期间硬路肩动态使用方法，步骤S2具体包括以下步骤：

S201，向微观交通仿真平台导入道路基础信息，绘制路网；

S202，在微观交通仿真平台中，沿高速主线分别布置断面数据采集检测器、行程时间检测器和排队长度检测器；

S203，根据历史交通运行数据，对微观交通仿真平台中的参数进行标定；

S204，确定仿真参数，包括仿真起始时间、仿真时长；

S205，每30s输出交通运行特征相关数据，包括主线路段平均车速、车流延误、行程时间。

作为本发明的优选方案，一种高速公路施工期间硬路肩动态使用方法，实时交通运行数据包括交通拥堵发生时间和发生位置。

作为本发明的优选方案，一种高速公路施工期间硬路肩动态使用方法，识别交通拥堵包括基于平均车速V的交通拥堵检测和基于空间占有率O的交通拥堵检测。

作为本发明的优选方案，一种高速公路施工期间硬路肩动态使用方法，步骤S4具体包括以下步骤：

S401，当O≥O₁或者V≤V₁时，硬路肩开放启动条件；其中，O为空间占有率，O₁为空间占有率开启阈值，V为平均车速，V₁为空间占有率开启阈值；

S402，当硬路肩满足开放基础条件，并且拥堵点n₀至上游、下游或上下游第一个出口n₁的硬路肩未被占用，开放拥堵点n₀至上游、下游或上下游第一个出口n₁的硬路肩；

S403，根据O<O₁或者V>V₁判断拥堵缓解情况，不满足要求，则继续判断拥堵点n₀至上游、下游或上下游第二个出口n₂的硬路肩，以此迭代直到满足O<O₁或者V>V₁的要求则结束。

作为本发明的优选方案，一种高速公路施工期间硬路肩动态使用方法，所述硬路肩的开放基础条件为硬路肩的宽度满足2.5m，且路面结构满足车辆正常通行。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明通过微观交通仿真首先模拟施工期间道路交通运行情况，得到施工期间的交通运行特征，再预测施工期间的拥堵路段，采集此路段上实时信息，加强了高速公路施工期间交通拥堵路段的实时监控；其次，结合实时采集数据识别交通拥堵情况，从而确定硬路肩开放方案，实现了根据实时交通运行状态来确定高速公路施工期间的硬路肩开放路段和开放时间，从而缓解施工期间交通拥堵情况。

附图说明

图1是本发明硬路肩动态使用系统示意图。

图2是本发明硬路肩动态使用方法流程图。

图3是本发明基于微观交通仿真平台的交通拥堵预测流程图。

图4是本发明硬路肩动态使用开启逻辑图。

图标：1-数据采集单元；2-微观交通仿真平台；3-交通拥堵识别单元；4-硬路肩控制单元。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1所示，一种高速公路施工期间硬路肩动态使用系统，包括数据采集单元1、微观交通仿真平台2、交通拥堵识别单元3、硬路肩控制单元4；数据采集单元1用于采集历史交通运行数据和道路基础信息；微观交通仿真平台2根据历史交通运行数据以及道路基础信息进行建模，预测交通拥堵路段；交通拥堵识别单元3布置在预测交通拥堵路段，用于采集实时交通运行数据，获取交通拥堵路况数据，交通拥堵路况数包括拥堵发生的位置、发生的时间信息；所述硬路肩控制单元4用于根据交通拥堵路况数据，执行硬路肩开放方案。

具体的，数据采集单元1通过交通监测设备，包括视频监测设备、磁频车辆检测器和波频车辆检测器，采集高速公路施工前历史交通数据；交通拥堵识别单元3结合车辆GPS和导航，获取高速公路施工期间所述实时交通运行数据；交通拥堵识别单元3包括在出口匝道减速车道起点位置和入口匝道加速车道终点位置设置龙门架，龙门架上设置有限速标志，应急车道标志，可变信息板，龙门架设置间距为1km，其中，可变限速标志用于提示路段行车限速，可变车道指示标志用于提示当前车道状态以及引导车辆变道，以保证当应急车道开启时车辆可有序变道驶入或驶出应急车道，可变信息板用于提示本车道的行驶规则及管理指令等。

基于高速公路施工期间硬路肩动态使用系统，对施工期间交通拥堵存在的问题进行分析，提供硬路肩动态使用方法，进而有效缓解在施工期间高速公路的拥堵情况。

如图2所示，一种高速公路施工期间硬路肩动态使用方法，包括以下步骤：

步骤S1，利用数据采集单元1收集历史交通运行数据和道路基础信息；

具体的，道路基础信息包括车道数、车道宽度、路段长度、道路线形、硬路肩设置情况和视频监测设备、磁频车辆检测器、波频车辆检测器等位置信息；历史交通运行数据通过高速公路上已有的交通监测设备，具体包括但不限于视频监测设备、磁频车辆检测器、波频车辆检测器等，获得高速公路施工前的交通运行状态信息，其信息主要包括路段交通流量、路段平均车速、道路空间占有率、车辆构成、车辆转向比例等指标。

步骤S2，利用微观交通仿真平台2，基于历史交通运行数据和道路基础信息得到交通运行特征，预测交通拥堵路段；

由于数据采集单元采集的是高速公路施工前的历史交通运行数据，基于历史交通运行数据和道路基础信息，只能得到历史交通运行特征；而在高速公路施工期间，存在车道占用或者通行空间变化等情况，无法直接根据历史交通运行特征来预测施工期间的拥堵路段，因此，利用微观交通仿真平台进行建模，首先模拟施工期间道路交通运行情况，再根据施工期间的交通运行特征来预测施工期间的拥堵路段是最直观有效的手段。

具体的，利用微观交通仿真平台，根据交通流相关理论，以换道模型和跟驰模型为基础，以交通组织管理为核心算法，结合历史交通运行数据和道路基础信息，获得高速公路的交通运行特征。根据输出的交通运行特征相关数据，预判施工期间可能发生的交通拥堵路段信息。

利用微观交通仿真平台具体的方法为：

(1)绘制路网，向微观交通仿真平台中导入道路基础信息，即施工期车道数、车道宽度、硬路肩宽度、路段长度、道路线形数据；

(2)布置检测器，在微观交通仿真平台中，基于道路基础信息沿高速主线分别布置断面数据采集检测器、行程时间检测器和排队长度检测器。采集的数据包括速度、加速度、占有率、车辆数量、排队时间、行程时间等指标。

(3)交通参数标定：依据高速公路历史交通运行数据，对仿真平台参数进行标定，主要包括交通流量、车辆构成、转向比例、路段车速分布、施工路段限速设置等。

(4)定义仿真参数：包括仿真起始时间，仿真时长。

(5)输出数据，每30s输出主线路段平均车速、车流延误、行程时间等指标，用以反应高速公路施工期间车流的交通运行特征，预测拥堵可能发生的路段。

通过微观交通仿真平台，可以提前预测得到经常发生交通拥堵的路段的，加强这些路段在施工期间的交通实时监测，因此要保证这些路段上的检测设备满足交通实时监测的需求。

步骤S3，基于预测的交通拥堵路段，完善交通拥堵识别单元3的布置，利用交通拥堵识别单元3采集实时交通运行数据，获取交通拥堵路况数据；

基于步骤二获得预测拥堵路段，完善交通拥堵识别单元3的布置，包括视频检测设备，通过分析预测的拥堵路段检测设备的位置及类型，结合拥堵路段现有的所有设备，对标高速公路全量部署原则，高速公路主线按照平均每千米1个断面，每个断面布设1路设备覆盖道路上下行车道，同时出入口间路段每个断面布设1路设备，补充完善现有检测设备的布置，保证总体覆盖密度大于交通监测需求密度，保证满足实时交通运行数据信息的设备采集条件。

同时也包括在预测的拥堵路段布置附属设施，在出口匝道减速车道起点位置和入口匝道加速车道终点位置设置龙门架，即限速标志，应急车道标志，可变信息板等，作为车道管控的起点或终点。当硬路肩开启时，起点前200m设置启用应急车道标志，从第一个龙门架起逐步开启应急车道，引导车辆使用应急车道通行；当硬路肩关闭时，从第一个龙门架起逐步关闭应急车道，在距离终点前500m处设置提前告知车辆将驶离应急车道路段的相关标志。

通过完善现有视频监测设备，并且结合车辆GPS、导航等多源数据采集施工期交通拥堵实时信息，每30秒报告一次，得到实时交通运行数据，具体包括拥堵发生的位置、发生的时间信息。其中，交通拥堵发生时刻记为t₀，交通拥堵检测位置为n₀，交通拥堵检测到的路段平均车速记为

道路空间占有率记为O。交通拥堵识别方法分为两种，基于区间平均车速的交通拥堵检测和基于路段空间占有率的交通拥堵检测，具体方法如下：

(1)基于区间平均车速的交通拥堵检测

式中，l为检测路段的长度；t_i为第i辆车行驶距离为l所用的时间。

当V＞V₁，该路段运行畅通；当V₂≤V≤V₁，该路段交通拥堵；当V＜V₂，该路段严重拥堵；其中，V₁和V₂是通过历史交通运行数据确定的参数。

(2)基于车道空间占有率的交通拥堵检测

式中，O为路段空间占有率；l为观测路段总长度；l_i为第i辆车的长度；n为该路段的车辆数。

当O＜O₁，该路段交通畅通；当O₁≤O≤O₂，该路段交通拥堵；当O＞O₂，该路段严重拥堵；结合国内外高快速路检测数据，本发明O₁取值为15％，O₂取值为55％。

步骤S4，根据所述交通拥堵识别信息，确定硬路肩开放方案；

第一步，硬路肩开放启动条件：

当拥堵路段O≥O₁或V≤V₁时，达到硬路肩开启阈值。

第二步，判断硬路肩使用条件：

根据道路基础信息判断硬路肩宽度、硬度要求是否达到开放基础条件，即硬路肩的设计宽度满足2.5m要求，且路面结构满足车辆正常通行；判断硬路肩开放路段是否被占用，即硬路肩开放路段是否有车辆停放，硬路肩开放路段是否有交通事故。若满足硬路肩开放基础条件，并且硬路肩开放路段没有被占用，则开放此路段硬路肩。

第三步，确定硬路肩开放区段：

硬路肩开放有三种情况，任意选择拥堵路段上游开放、拥堵路段下游开放或拥堵路段上下游同时开放。在拥堵点上游采取临时路肩开放能够使上游车辆尽快驶离高速公路，减少拥堵路段的输入流量；在拥堵点下游采取临时路肩开放，能够提高下游路段的通行能力，加快交通拥堵的疏散；也可考虑同时开放拥堵点上下游路段硬路肩。

具体的，当开放拥堵点上游硬路肩时，根据O<O₁或者V>V₁判断拥堵缓解情况，即判断拥堵点n₀至上游第一个出口n₁硬路肩的开放是否缓解交通拥堵；若不满足O<O₁或者V>V₁要求，则继续判断拥堵点n₀至上游第二个出口n₂的硬路肩是否被占用，没有被占用开放此段硬路肩，直到拥堵点满足O<O₁或者V>V₁的要求，则停止继续开放上游的硬路肩。

同理可得，当开放拥堵点下游硬路肩时，根据O<O₁或者V>V₁判断拥堵缓解情况，即判断拥堵点n₀至下游第一个出口n₁硬路肩的开放是否缓解交通拥堵；若不满足O<O₁或者V>V₁要求，则继续判断拥堵点n₀至下游第二个出口n₂的硬路肩是否被占用，没有被占用开放此段硬路肩，直到拥堵点满足O<O₁或者V>V₁的要求，则停止继续开放下游的硬路肩。

当同时开放拥堵点上下游硬路肩时，根据O<O₁或者V>V₁判断拥堵缓解情况，即判断拥堵点n₀至上下游第一个出口n₁硬路肩的开放是否缓解交通拥堵；若不满足O<O₁或者V>V₁要求，则继续判断拥堵点n₀至上下游第二个出口n₂的硬路肩是否被占用，没有被占用开放此段硬路肩，直到拥堵点满足O<O₁或者V>V₁的要求，则停止继续开放上下游的硬路肩。

综上所述，本发明提供交通拥堵路段硬路肩使用系统，基于微观交通仿真平台预测交通拥堵情况，完善检测设备的布置，通过检测设备采集实时交通运行数据，识别交通拥堵路段从而确定硬路肩的开放方案，针对实际情况进行分析，实现了缓解施工期间高速公路的拥堵问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高速公路施工期间硬路肩动态使用系统，其特征在于，包括数据采集单元(1)、微观交通仿真平台(2)、交通拥堵识别单元(3)和硬路肩控制单元(4) ；所述数据采集单元(1)用于采集历史交通运行数据和道路基础信息；所述微观交通仿真平台(2)用于以换道模型和跟驰模型为基础，以交通组织管理为核心算法，根据所述历史交通运行数据和道路基础信息进行建模，得到交通运行特征，预测交通拥堵路段；基于预测的所述交通拥堵路段，完善所述交通拥堵识别单元(3)的布置，所述交通拥堵识别单元(3)布置在所述预测交通拥堵路段，用于采集实时交通运行数据，获取交通拥堵路况数据；所述硬路肩控制单元(4)用于根据所述交通拥堵路况数据，执行硬路肩开放方案。

2.根据权利要求1所述的一种高速公路施工期间硬路肩动态使用系统，其特征在于，所述数据采集单元(1)包括：视频监测设备、磁频车辆检测器和波频车辆检测器，用于采集高速公路施工前所述历史交通运行数据。

3.根据权利要求1所述的一种高速公路施工期间硬路肩动态使用系统，其特征在于，所述交通拥堵识别单元(3)被配置为：根据视频监测设备、车辆GPS和导航，采集所述实时交通运行数据。

4.根据权利要求1所述的一种高速公路施工期间硬路肩动态使用系统，其特征在于，基于所述预测交通拥堵路段布置的所述交通拥堵识别单元(3)还包括：在出口匝道减速车道起点位置和入口匝道加速车道终点位置设置龙门架，所述龙门架上设置有限速标志，应急车道标志，可变信息板。

5.一种高速公路施工期间硬路肩动态使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，利用数据采集单元(1)获取历史交通运行数据和道路基础信息；

步骤S2，利用微观交通仿真平台(2)，以换道模型和跟驰模型为基础，以交通组织管理为核心算法，基于历史交通运行数据和道路基础信息得到交通运行特征，预测交通拥堵路段；

步骤S3，基于预测的所述交通拥堵路段，完善所述交通拥堵识别单元(3)的布置，利用所述交通拥堵识别单元(3)采集实时交通运行数据，获取交通拥堵路况数据；

步骤S4，根据所述交通拥堵路况数据，确定硬路肩开放方案。

6.根据权利要求5所述的一种高速公路施工期间硬路肩动态使用方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括以下步骤：

S201，向微观交通仿真平台(2)导入道路基础信息，绘制路网；

S202，在微观交通仿真平台(2)中，沿高速主线分别布置断面数据采集检测器、行程时间检测器和排队长度检测器；

S203，根据历史交通运行数据，对微观交通仿真平台(2)中的参数进行标定；

S204，确定仿真参数，包括仿真起始时间、仿真时长；

S205，每30s输出交通运行特征相关数据，包括主线路段平均车速、车流延误、行程时间。

7.根据权利要求6所述的一种高速公路施工期间硬路肩动态使用方法，其特征在于，所述实时交通运行数据包括交通拥堵发生时间和发生位置。

8.根据权利要求7所述的一种高速公路施工期间硬路肩动态使用方法，其特征在于，交通拥堵识别方法包括基于平均车速V的交通拥堵检测和基于空间占有率O的交通拥堵检测。

9.根据权利要求7所述的一种高速公路施工期间硬路肩动态使用方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括以下步骤：

S401，当O≥O₁或者V≤V₁时，硬路肩开放启动条件；其中，O为空间占有率，O₁为空间占有率开启阈值，V为平均车速，V₁为空间占有率开启阈值；

S402，当拥堵点n₀至上游、下游或上下游第一个出口n₁的硬路肩满足硬路肩的开放基础条件，并且拥堵点n₀至上游、下游或上下游第一个出口n₁的硬路肩未被占用，开放拥堵点n₀至上游、下游或上下游第一个出口n₁的硬路肩；

S403，根据O<O₁或者V>V₁判断拥堵缓解情况，不满足要求，则继续判断拥堵点n₀至上游、下游或上下游第二个出口n₂的硬路肩，以此迭代直到满足O<O₁或者V>V₁的要求则结束。

10.根据权利要求9所述的一种高速公路施工期间硬路肩动态使用方法，其特征在于，所述硬路肩的开放基础条件为硬路肩的宽度满足2.5m，且路面结构满足车辆正常通行。

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