基于GPS定位器的高速公路养护区安全容错能力研究

马志怡 李昕莹

摘要：在高速公路迅速发展的当下，养护工作也不容忽视，由于长期的车辆碾压、恶劣天气破坏，引发路面变形、龟裂、绿化带受损等病害，如果不及时修复，久而久之不仅会影响车辆的正常行驶，甚至发生严重的交通事故。本文关注于高速公路养护区安全容错能力的提升，利用GPS的定位作用向驾驶人员实时提供养护区的位置，从而对危险预判并采取相应的应急措施。

关键词：安全容错；GPS定位系统；车路协同

一、概述

高速公路飞速发展的今天，越来越多的人们选择高速出行，不仅节省了时间，还提升了旅途的舒适性。但是随着公路使用时间的增长，公路病害会不断出现，甚至引发交通事故，小问题如果不及时解决会对将来埋下祸患。所以对高速公路进行定期养护尤为重要。

在高速公路养护作业中，养护人员身处一种不封闭的空间下进行各种各样的养护工作，即使有警示标志牌等安全提示标志，对于高速公路复杂的交通环境，现场的工作人员面臨着未知的高风险。与此同时，由于养护工作需要占用一定数量的车道，导致道路通行能力的降低、道路事故率的上升、汽车燃料的额外消耗以及交通拥挤和车辆延误等，使道路服务水平降低，使用者的用户费用急剧增加[1]。因此，提升高速公路养护区安全容错能力刻不容缓。本文主要基于GPS的定位作用对高速公路养护区段进行定位，并且实时发送给一定范围内的车主，提醒驾驶员及时减速、变道。

从施工人员角度来看，养护路段信息的实时更新使得他们在工作过程中不必过多担心自己的安全问题，信息的有效传递为工作人员营造良好的工作环境，从而减少了养护区内交通事故、提升道路通行能力、改善道路交通环境[2]。从驾驶员角度来看，高速公路养护路段信息化让充满随机性的道路状况变得透明化，可预见化。让驾驶员能够提前预判，从而采取避让或者减速小心谨慎驾驶等措施，规避不安全事故的发生。此外这种信息化的服务还使得出行者获得了更好的驾驶体验。

与一般路段相比，高速公路的养护作业区往往是交通事故多发区域，交通事故不仅造成人员伤亡，车辆的损坏，还将对主路和辅路的多个车道造成很大影响，甚至影响整个交通系统的运行[2]。从社会经济效益角度来讲，提升高速公路养护区的安全容错能力，能够减小因为养护施工引起的交通事故带来的经济损失，具有广阔的前景和现实意义。

二、研究内容与方法

（一）高速公路养护区运行安全现状

1.1 高速路养护区事故高发区段

高速公路养护作业区可分为有提前警告区、上游过渡区、缓冲区、工作区、下游过渡区，终止区等6个控制区[1]。如图1所示。

国内外研究表明，养护作业区交通事故的分布不太均衡，因此，目前对最危险区域的定位尚未作出决定。Pigman和Agent，Garber和Zhao等的分析结果显示养护作业区交通事故大多发生在工作区。Meng和Wenglg的研究表明养护作业区的交通事故主要发生在过渡区和工作区，而Nemeth和Migletz的分析表明40%的交通事故发生在缓冲区，只有17% 的交通事故发生在工作区。2015年，同济大学贺文雅等人利用实测数据分析得到作业区的上游过渡区段更易发生交通事故。

综上，高速公路养护作业区事故主要发生在上游过渡区、缓冲区和作业区。其中上游过渡区和缓冲区是事故高发点。

研究进一步表明，多数养护作业区事故发生在双车道高速公路上，少数发生在多车道公路上[3]。

1.2 高速路养护区事故发生的原因

从1981年Har-groves到2007年江苏大学于英等人研究分析高速公路养护作业区交通事故产生的原因，得出的结论如下：

高速公路养护作业区事故发生的原因主要有交通标志不清晰、车速过高、驾驶员操作失误、强行超车、环境因素、养护施工影响和其他因素等。其中各部分占比如下图2所示[4]。

其中，驾驶员操作失误还可具体划分为驾驶员注意力不集中、酒后驾驶、车道行驶出错、无视交通信号、跟随驾驶等。

从宏观方面来看，我国高速公路养护作业区内发生作业人员伤亡、交通事故的因素有[5]：

（1）制度缺失，主要表现在施工管理不规范，缺乏重视，没有与其他制度形成体系；

（2）力量薄弱，养护的技术欠佳；

（3）设施及技术落后，造成养护不科学；

（4）资金不足，路况较差；

（5）缺乏智能化、信息化的管理方法。

综上，人为方面的原因主要有经验认知不够、能力不足、思想认识不到位和态度不积极等；制度方面的原因主要是制度不合理、不完善等。

（二）高速公路智能化程度

2.1车路协同系统

车路协同系统近年来备受关注，此系统利用信息处理、定位导航、通信、电子传感、人工智能、计算机等众多技术来获取车辆和道路信息。V2X是实现车路协同的关键技术，它借助新一代信息通信技术将车与一切事物相连接，而C-V2X是指借助3G/4G/5G等蜂窝网技术，实现车与车、车与路、车与人、车与网络的全方位网络连接。在车路协同场景下，可提供给公众的服务包括：在道路交叉口、合流区、弯道等事故多发地段，为行驶车辆提供视野盲区内的交通信息、车辆行驶信息等；将道路数据与交通标牌信息发送给车辆，对车辆进行及时提醒；及时通知道路行驶车辆，为紧急车辆让行等。车路协同目前尚处于研发阶段，应用场景仍不很明晰，随着智慧化进程的快速发展，智能车路协同一定会为公众提供更多良好的信息服务[6]。

2.2 GPS系统

罗沂选取了哈尔滨环城高速作为实验地点，利用高精度的GPS设备获取到驾驶行为轨迹和视频数据，通过处理后得到驾驶行为表征参数，并对四种跟驰行为进行了详细分析，最后运用隐马尔可夫模型理论构建了驾驶行为识别模型，并对模型进行了测试与检验。最终使模型能准确识别出驶出换道行为和驶回换道行为[7]。

任乾华，张铎将GPS的坐标信息和拍摄的视频相结合，然后通过移动互联网将车辆的地理位置和相应的交通状况无线传输给监控中心，通过这样的技术，就能实现高效、准确的处理高速公路发生的交通事故以及现场指挥，同时还能实时监控和出发预报针对驾驶员在高速公路行驶中出现的违规违法行为，这样不仅可以有效的确保高速公路畅通以及过往车辆的安全，避免发生不必要的纠纷事件[8]。

（三）高速公路养护区安全容错能力方法研究

3.1容错的设计原则

安全容错实际的基本的原则就是宽容性。这个理念最早是由美国工程师协会在二十世纪末提出的。宽容性的设计理念认为：驾驶员的过错不应以牺牲生命为代价，应采用有效合理的措施预防交通事故的发生，即便发生了事故，也应采取一切办法将事故造成的伤害降到最小。它的核心思想是以人为本，如果驾驶员在行车途中，犯了错误，他的过错也不至于以牺牲掉自己的生命为代价，道路应为其提供纠错的机会。此理念的特点是改变了以前驾驶员被动适应道路的状况，以人为本，让路更好的为人服务。

道路设计人员应从使用者的角度出发，对潜在的风险进行分析预判，尽可能的规避风险，在道路的宽容性设计上做出改变，从而提高道路交通安全。针对高速公路养护作业区，宽容设计可以从以下三个方面入手：

（1）设置主动预警提醒，正确指引车辆。在车辆驶入养护作业区以前，设置交通路况牌及时告知驾驶员前方道路信息，方便驾驶员及时做出驾驶决策，安全行驶直至通过养护作业区。

（2）发生小事故时避免车损。当车辆发生较小的交通事故时，要避免由于失误发生二次事故而让车辆遭受到严重破坏，如：误撞路边防护栏、误撞尖锐路标、误开进水沟等。因此，养护作业区内路标材料的选择就显得非常重要。

（3）发生大事故避免伤人。当发生大事故或特大事故时，应尽全力保障人员安全。在比较危险的地方，设置护栏，防撞设施等，避免由于驾驶人操作失误而造成车毁人亡，最大限度保护车内及道路养护工作人员的生命安全[2]。

3.2容错简介及方法

容错技术起源于计算机，最初的计算机由于其自身物理缺陷，内部软件计算常常出错，因此，计算机界的专家们就必须研究出各类的容错方法以确保计算机系统的正常运行。Avienis首次给出容错的定义：即使系统不够完善，其内部程序仍然能够正常运行。本文所提的“容错”主要就是能够让高速公路养护作业区的交通及道路设施对驾驶人在行驶的过程中出现的“错”具有包容性，但这里的“错”并不是指的是驾驶人所有的错误，例如：超速行驶、飙车等。而是在驾驶过程中由于判断失误二出现的驾驶失误。容错的手段主要是通过交通标志，道路标线等来体现驾驶人改正行駛过程中的“错”，使其按照理想驾驶路线正确驾驶。容错能力研究是以公路交通设施的“排错”技术为先决条件，通过对公路交通设施本身的“排错”，使得公路交通设施具有容错能力。交通安全容错是一个系统的工程，它并不是简单的通过某一个交通管理措施或者某一类安全措施来实现的，而是需要交通安全设施和交通安全教育联合起来，相互促进、相辅相成，最终达到提高道路安全容错能力的效果的。

由上述部分可知，提高高速公路养护作业区安全容错能力对于安全行车有着重要的意义。安全容错技术以冗余技术为基础，可以利用冗余技术来实现。根据资源的不同，交通设施的冗余设计可以分为硬件冗余和软件冗余。

（1）硬件冗余

高速公路硬件主要指的是高速公路上肉眼可见的设施、设备等。包括路基、路面、涵洞、路肩、绿化、中央分隔带等。一般的公路设计时，有规定的最低指标。因此，公路建设者为了追求最大的利润，就会选择最低的成本，让公路的设计符合规范即可，而不会提高设计的标准。于是，就会出现当高速公路上出现事故时，因为当时的设计没有留有余地，就会是大事故。因此，高速公路上的硬件冗余设计是非常有必要的。

高速公路上的硬件冗余分为信息冗余和硬件重构。信息冗余是指在驾驶人容易出错的区间路段设置功能相同的交通设施，来提高高速公路安全容错能力。高速公路交通工程设施的信息冗余还可以分为静态信息冗余和动态信息冗余。静态信息冗余是把内容相同的交通设施以一定的距离连续设置，借助于交通信息重现来纠“错”；动态信息冗余则是使用动态播放设备，来将信息实时传递给驾驶人，提高高速公路的安全容错能力。

硬件重构是指将现有的交通道路设施及其资源进行重组，提高安全容错。它包括交通资源重组和改造优化。交通资源重组是将设置不合理的交通资源进行排列组合，使交通资源发挥最大的作用。进一步减少驾驶人犯错的概率，提高安全容错能力；交通资源改造优化是对现有的交通资源进行改造升级，减少交通冲突和交通事故发生的次数。

（2）软件冗余

高速公路的软件是指高速公路的有关法律、法规、交通工程技术、管理制度、理念、措施及交通安全教育等。软件冗余就是指运用公路管理和控制的手段来保障行车的安全，提高通行能力和安全容错能力。包括完善管理制度、转变管理理念、加强驾驶人的法规教育等。其中，公路管理控制的手段是提高安全容错能力的重要途径。它主要指的是借助于交通管理技术、法律法规和交通安全教育等方法对公路、车辆、驾驶人来进行管理。目的是提高道路交通设施对驾驶人的“包容性”，更好的保障行车安全[2]。

3.3安装便携式GPS对容错能力的影响

随着GPS定位系统的技术提升以及广泛普及，利用其高精度定位、迅速准确接收信息的特点，运用到高速公路养护区域。通常，GPS信号接收机安装在车上，通过测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。如果我们将GPS信号接收机安装在施工道路的两端，通过网络传输位置信息给一定范围内的车主，那么驾驶员就能够在经过养护区之前得到精确的施工位置信息，提前做出预判，进行换道、减速。便携式的GPS定位器可以即装即取，重复利用。此方法不仅可以实时传输施工位置信息给驾驶员，更能为施工人员的安全做出保障，降低养护区的交通冲突风险，减少经济损失。

三、结论

本文简述了高速公路养护区安全容错的方法以及设计原则，紧跟时代的发展，我们提出了用便携式GPS定位器安装在施工区域两侧的方法，利用GPS定位准确、全天候、自动测量的特点大大提升了高速公路养护区的安全，容错能力大大提升。

参考文献：

[1]王俊斌.高速公路养护维修施工作业区优化及交通影响研究[D].长安大学，2010.

[2]朱福春.山区高速公路交织区、养护作业区安全容错能力提升技术[D].重庆交通大学，2015.

[3]孟云伟，阎宗岭.山区高速公路安全容错能力提升技术研究综述[J].华东公路，2016（03）：91-95.

[4]肖腾.重庆高速公路养护安全管理研究[D].重庆交通大学，2016.

[5]徐景翠，乔华玺.高速公路养护施工作业区交通事故分析及安全对策[J].湖南交通科技，2016，42（03）：206-209.

[6]李智.高速公路车路协同应用场景研究[J].市政技术，2019，37（02）：17-21.

[7]罗沂.基于GPS数据的高速公路驾驶行为识别[D].哈尔滨工业大学，2017.

[8]任乾华，张铎.基于GPS/GSM/GPRS的高速公路路况监控系统分析与设计[J].科学技术创新，2018（22）：16-17.