基于车流预测的高速公路交通流动态控制方法研究

周方正

（广州交投机电工程有限公司，广东 广州 510320）

0 引言

对高速公路交通流展开准确预测的目的是缓解其拥堵现象，基于车流预测所构建起来的车流量模型，将对各个时间段可能通过的车流量进行预测，随之发布相关信息，提醒车主提前做好路线规划。对于交通流产生影响的主要因素为天气因素与车流量，天气因素作为时序因素，经研究发现其与交通流变化存在一致性，因此本文不多赘述，本文主要从车流预测的角度，对交通流动态控制策略展开探讨。

1 车流预测概述及其发展

随着城市的快速发展，交通拥堵问题日益突出，进而影响人们的出行体验。依据交通状况选择最优的出行路径已经成为人们重要的生活需求，通过对车流量展开准确的预测，可以对最优出行路径的规划提供参考。随着智能交通系统的广泛应用，车流预测不仅能有效解决高速公路的事故处理及拥堵问题，还可以为人们出行提供所需的即时路况信息。当然，随着智慧高速公路的不断发展，对于车流预测也提出了新的要求。高速公路交通系统具有非线性、周期性的特征，因此以往所采用的传统统计预测模型难以支撑实际的工作需求，而大数据应用于交通管理领域后，为高速公路流量预测模型的迭代优化提供了基础。

现阶段，市场上的多款地图APP 虽然都具备实时交通状态查询功能，但是并不能提供12h、24h 甚至是更长远范围内的交通预测情况。对于未来的车流进行预测，可以为高速公路管理人员提前安排部署、合理引导车辆分离与疏散，有效缓解高速公路的拥堵现象，同时也将为人们出行提供参考。借助车流预测的技术手段实现交通流预测，在不同时期均取得了一定的成果，现阶段有关研究已从单一参数模型向非参数模型与混合模型过渡[1]。

2 高速公路交通流动态控制策略的意义

2.1 降低交通事故发生概率

虽然有个别交通事故的发生存在偶发性，但是观察我国所发生的交通事故，其与人、车、道路、环境等多种因素之间都存在着一定的关联性。据相关调查显示，发生在高速公路的交通事故中，有65%～75%的事故在事故发生前，临近路段交通流之中，都能观测到一些与正常情况存在差异的“异常状态”，其特点为：在时间与空间上，交通流存在分布不均匀的问题。

基于以上分析，若是可以提前对各高速路段的“异常状态”有所感知并进行分析，把握好交通事故发生前的征兆，并将前兆的出现规律以模型的方式刻画出来，则可以实现高速公路交通事故风险的主动预警，避免交通事故的发生。

2.2 缓解高速公路交通压力

随着我国居民私家车的不断增加，人们在节假日出游中，会优先考虑自驾游这一出行方式，这势必致使高速公路会在短时间内出现车流量暴增的问题。高速公路建设的目的是提升人们的出行效率，但是在高峰期，反而会产生拥堵现象，车流量也远超于高速公路设计时的饱和流量，行车速度也低于设计的最低速度，这严重影响人们的出行效率。若是在出行前，能对道路的交通流进行提前预测，可以有效缓解高速公路的交通压力。在交通流动态控制中，可通过车流预测，帮助车主提前做好出行计划与路线，从而节约其时间，也缓解高速公路所面临的车流剧增压力[2]。

3 基于车流预测的高速公路交通流动态控制策略

交通流动态控制策略属于交通事故的主动预防措施，特别是在车路协同环境下。由于近些年来，我国高速公路实施免费通行政策，出现大交通流已经成为常态，目前采用增加高速公路的方式，已经很难有效解决高速公路的拥堵问题，这也成为交管部门必须要面对的难题。通过对我国多条高速公路的过往节假日期间交通流状态展开分析，发现其呈现出三大典型特征：①流量远超日常；②交通拥堵问题突出且流量不均匀；③出城、返程高峰时间集中，且高峰开始时间呈现逐渐提前的趋势。

为应对高速公路的大交通流，发达国家均采用高速公路主动交通管控理论与方法对高速公路大交通流拥堵问题加以缓解。如美国采取动态开放路肩、动态管控新车道等方式，来提高道路通行能力。依据相关文献资料显示，欧洲各国采用了主动交通控制措施之后，在交通拥挤期间，平均车流量增加了3%～7%；降低了3%～30%的交通意外事故；一般以上的交通事故降低3%～30%；二次事故降低40%～50%。根据国内外经验及我国现状，提出高速公路交通流的动态控制方法，主要如下所示[3]：

3.1 应急车道动态管控

这种方法适合于车辆通行流量较大的路段之中，当某高速路段有大量的车辆经过前方枢纽或出口匝道时，需要确保短时间内有更多的车辆通过。一般在不采取措施的情况下，这一高速公路路段的最右边车道上会有大量的车辆排成长龙，而在左边的车道上，也会有更多的车在等待时机穿插。这一问题发生时，会干扰主线交通的正常运行，也会加大交通事故的发生。

针对以上情况，可采取以下控制方式：依据历史和实时交通数据，进行预先的路段车流量预测和排查；当出现车流量较大的情况时，在此路段，通过设置道路信息板或设置警示标志来标示紧急通道的起始和结束。交通管制中心在交通堵塞时，可通过发布借用应急车道的命令，同时，道路信息板及提示牌在应急车道开放的起点与终点分别做出提示，标语分别为：“前方行驶的车辆可以借用紧急通道”“停止应急车道借用，请立即驶回原车道”。在指挥中心下达了紧急通道的命令后，需第一时间同步信息至地图APP，由运营公司向该路段使用者发出提示、引导信息，指引车辆通行。在交通阻塞得到缓解后，指挥调度中心撤销管控诱导指令，并同步至地图运营者。

3.2 合流点车道管控

这种方法可用于在汇合点发生交通冲突，从而导致主线发生拥堵的情况之下。所采用的控制方法为：依据历史与实时流量数据，对拥堵点断进行流量监测，通过对周围地区的交通情况进行分析，确定了合流点的主要和次要方向，从而达到最大程度地平衡车流和缓解交通堵塞的目的。在次要道路上预先设置锥桶、水马以实现压缩车道的效果，降低汇合点的车流量，同时考虑到汇合点的坡度、线形等特点，同步利用借用应急车道的措施，适当延长合流点的距离，降低交通冲突的发生概率[4]。

3.3 出入口管控

这种方法适用于景区、城市的主要出入口等周围道路上容易发生长距离交通堵塞的高速路段。控制方式为：根据道路交通流量和其他社会资料，预先预测交通拥堵的出口和可能出现的交通堵塞时段。利用出口周围道路的电子信息板和指示牌，根据车辆的流向，引导交通流到周围的出口。在预测的拥堵路段，利用地图APP 的导航数据，对前往该处的道路进行道路规划，并将其推荐给相应的道路，并与道路信息板、指示牌同步配合，将使用者引导到附近的出口，分散交通流量，缓解交通拥堵。

3.4 区域路网诱导分流

该方法适用于区域高速路网堵塞情况集中于某一路段的情况之下。所使用的控制方式为：基于历史资料、实时监控交通流量等相关数据，对道路拥堵路段、时间进行提前预测。运用OD方法对交通阻塞路段的车辆进行分析，得到交通阻塞路段的始发地点和终点。根据路网的形式，结合OD 分析的结果，预先设定分流路线，利用路网运营状况实时监测、比对各路段的行车时间，确定最佳行驶路线，并利用道路信息板诱导、强制分流等方法，实现路网交通流平衡、缓解拥堵的目的，如图1 所示[5]。

图1 区域路网诱导分流示意图

4 基于车流预测的高速公路交通流动态控制的发展

随着大数据、云计算等技术的不断发展，各项新技术也逐步应用在高速公路交通流管理之中，智能交通控制系统的不断发展，也为高速公路的交通流动态控制提供了更多的数据支撑，基于车流预测实现交通流的动态控制，将朝着智能化与动静结合的方向不断发展。

4.1 智能化发展

目前的交通控制系统对自动控制理论与检测、通信与视频技术加以利用，自动控制理论的不断发展也推动交通控制系统向更为智能化的方向发展。原有的交通控制系统更多的是采用定时控制的方式，而新技术的应用，将有效提升其智能化水平。具体而言，在进行交通流动态控制中，既包含了数学模型与计算机仿真模型，同样也需要人的参与，从而获取更好的控制效果，即智能化交通控制方式。

目前，已经有诸多学者对于智能交通流控制展开了相关研究，虽然目前仍处于探索阶段，但是已有的研究结论结果表明，解决现阶段交通问题的最有效途径，就是智能控制，这也推动了智能控制理论的发展。在智能交通系统中，基于神经元网络的可变结构智能控制是其主要应用领域。在可变结构智能控制中，它分为三个层面，即控制、协调和组织三个层面。控制层的作用是识别道路的交通模式，并实时地选取数学模型，然后进行性能指数的优化、计算等，从而确定匝道控制的规则，而协调阶段则是利用在线学习的方法，确定各个匝道控制器的协同矢量，并把协调矢量和预测信息传送到控制层，同时又从其他两个阶段接收到信息。

4.2 动静结合

在高速公路的交通流控制上，仅靠静态控制难以达到预期的控制效果，而且在突发事件中难以适应。动态控制虽有较好的适应性，但其所需的设备数量和复杂程度也较高。因此，今后的交通管制将会采用静态和动态预测相结合的方法。我国现有的高速公路设计承载能力一般都超过了车辆的承载能力，而道路自身又有很大的调整功能。在控制匝道时，对静态、动态控制策略进行改进，不断提高系统的性能和适应性。按照目前的发展趋势，动静结合的控制方式在今后的高速公路交通流控制上将会有很好的应用前景。

5 结语

本文主要对基于车流预测的高速公路交通流动态控制方法展开了分析，首先，从车流预测的概况及其发展入手，对车流预测进行了分析；其次，对高速公路实施交通流动态控制策略的意义进行解释，主要是为了降低交通事故发生概率与缓解高速公路的交通压力；再次，对高速公路交通流动态控制方法进行总结，基于车流预测数据，可通过应急车道的动态管控、合流点车道管控、出入口管控以及区域路网诱导分流等方式来实现交通流的动态控制；最后，对其未来发展做了阐述，在新的交通形势下，通过有效的交通流动态控制策略，将最大限度上满足人们的交通需求，对于交管部门的管理工作也具有积极意义。