车路协同下高速公路突发交通事故的车流引导策略

0 引 言

高速公路由于全封闭、限速高的特点，整体交通流运行速度快，突发交通事故后，救援难度大，影响时间长，对事故路段的交通流影响显著，如处理不当，极易造成二次事故和交通堵塞甚至瘫痪。

另一方面，智能网联汽车和5G 技术的快速发展，车路协同环境下的智慧高速成为下一代公路系统技术形态演变的必然趋势。车路协同采用先进的无线通信和新一代移动互联网技术，全方位实现车车、车路动态实时信息交互，通过路侧设施对交通流状态进行全息感知和广播可实现“人—车—路—云”之间的信息交互与智能协同管控，从而对突发交通事故及其演化状态进行监测，并在车队中传播，对事故地点后方车辆进行合理的速度、换道协同车队引导，提高事故路段的通行能力，极大程度上减少事故对高速公路交通流的影响。

对处理突发事故的交通控制方法、模型的研究一直是交通安全领域的热点。RAMEZANI 等通过考虑最少换道次数建立交通事故处理优化模型，分析得出换道次数的减少，可以使拥堵后方的车流分布更加均匀。LI 等以车路协同为背景，构建了匝道处的车群换道协同控制策略，并通过VISSIM 进行仿真分析，得出多种换道策略能够有效减少匝道区域的拥堵，提高道路通行能力。HAYAT 等研究并建立了车路协同环境下匝道汇入车辆辅助驾驶系统。乌云毕力格基于NaSch 模型，搭建高速公路交织区元胞自动机模型，并通过MATLAB 进行数据分析，对高速公路匝道处的车流特征与突发交通事故之间的关系进行了研究。张卫华等考虑了交通事件类型、交通量、车辆速度等因素，建立了速度引导模型，通过仿真软件分析对不同条件下的最佳限速大小和限速区间长度进行了研究。

总体上看，国内外关于突发交通事故的研究尚大多局限于对交通流状态的影响，且多集中于节点和路段交通的整体诱导。对于如何利用智能化的车路协同手段，进行事故后方的车队或车辆进行个性化引导，降低事故影响方面的研究较少。加强车路协同的应用，可以更好地提高高速公路运营管理服务的水平，推进智慧高速的场景应用。

据此，本研究从多车道协同引导的角度出发，发挥车路协同的车路通信优势，对高速公路突发交通事故下的交通流影响及相应的协同引导策略，旨在更高效、更准确地降低交通事故的发生对道路通行能力的影响。

1 高速公路突发交通事故的影响分析

1.1 高速公路突发交通事故的特点

高速公路具有交通流量大、行车速度快、事故影响性大、救援形式单一等显著特征，相对于城市道路而言，这些特点在一定程度上增加了车辆在高速公路上行驶时的安全风险。由于高速公路一般车辆行驶速度较快，车辆的制动距离加大，一旦发生交通事故，往往由于驾驶员来不及反应而导致连环车祸甚至是二次交通事故，造成极为严重的人身与财产损失。另一方面，由于高速公路的封闭性，导致救援形式单一，救援时间相对较长，因此一旦发生事故，往往都会引发事故路段的交通堵塞，导致相关路段和上下匝道处的通行能力的急剧下降。

综上，可以看出高速公路交通事故具有以下特征：第一是突发偶然性，事故的发生往往是瞬间的，同时其时间、地点、程度都不可预测；第二是时间危机性，事故发生往往伴随着人员伤亡，如果不能及时救援与引导，会导致更加严重的衍生事故发生；第三是因素多样性，引发高速公路交通事故发生的因素多而复杂，不仅有环境因素还有人为因素等。同时，一个交通事故的发生往往会引起连锁反应，衍生其他事件发生。因此，对交通事故发生后的救援与车辆引导显得极为重要。

1.2 事故场景分类及控制区域划分

本文基于交通事故发生地点，将高速公路交通事故分为三种场景：事故发生在远离上下游匝道的主线路段、事故发生在进口匝道下游路段和事故发生在出口匝道下游路段，并根据1.1 节事故特点进行换道引导区域划分。

（1） 事故发生在远离上下游匝道的主线路段。如图1 所示，当事故发生在远离上下游匝道的路段时，基于对交通参与者的安全考虑，在事故地点设置事故保护区域S，通过路侧设备对事故地点后方路段交通流进行监测，当达到引导阈值时，开始对协同换道引导区域L 内的车辆进行引导，该区域的大小将根据实时交通量进行改变；对于距离事故点较远的车辆，可通过车载系统向驾驶员传递前方事故信息，但不进行驾驶引导，即自由驾驶区域F，相对于该区域，将车流协同引导区域和事故保护区域称为交通控制区域。

图1 交通事故发生在远离上下游匝道的主线路段

（2） 事故发生在进口匝道下游路段。如图2 所示，由于上游进口匝道的加入，匝道汇入的车辆会对主干道上的交通量造成一定的影响，因此需要在上游匝道处设置匝道控制区域IR，当事故后方路段交通量太大无法进行车流引导时，则需要对匝道进行控制。

图2 事故发生在进口匝道下游路段

（3） 事故发生在出口匝道下游路段。如图3 所示，当事故点上游存在出口匝道时，能够有效的增加协同引导的有效性，当交通事故导致主干道上车辆过多而无法通过引导进行疏散时，此时可以通过对出口匝道控制区OR 的车辆进行引导，控制后方车辆从出口匝道有序驶离高速公路，减少主干道的交通量，缓解事故路段的交通压力。

图3 事故发生在出口匝道下游路段

1.3 突发交通事故的信息获取与传播

交通事故信息获取作为事故应急处理的源头，对整个处理决策过程起关键作用。传统模式下，高速公路交通事故信息获取速度慢、信息更新不及时、事故位置不精准等，极易造成交通拥堵和二次交通事故，道路通行能力下降。

车路协同、智能网联汽车、云计算等技术的快速发展，为高速公路突发交通事故信息的获取和传播提供更精准的技术支持。基于智能高速公路的路侧设施和车载终端系统，可以实现事故信息的实时传播以及对后方车辆的动态协同引导。如图4 所示，基于车路协同技术可以实现高速公路突发交通事故的信息感知、数据分析、系统决策、引导反馈等过程。

图4 车路协同下交通事故处理流程图

2 车辆协调引导的边界阈值分析

车流协同引导可以提高路段的通行效率，但并不是所有的情况都要进行引导，当事故路段交通量小或者事故影响较小时，在不进行引导的情况下车辆仍可以保持较快的速度通过，此时路段通行能力较大，不需要进行引导。

交通事件往往都是突发的，当交通量较大时，突然出现的障碍物会导致路段交通流状态发生变化，例如车道占有率、车辆行驶速度、线密度等，为了确定交通事故对交通流造成的影响，本文建立了事故影响度函数σ，该函数由车道占有变化率μ、线密度变化率ρ 和平均速度变化率ν 三部分组成，考虑到事故点发生的位置不同，各变化率的影响也不同，所以引入权重系数ω。当监测到事故发生后，路侧单元设备开始对事故路段进行监测和数据采集，采集周期为T，将临近两周期的数据进行计算可以得到各状态的变化率，最终通过影响度函数σ 确定是否触发协同引导，σ 值越大，说明事故对路段交通流的影响就越大。

其中：n 代表事故路段车道数；l 代表事故路段监测车道长度；ω代表权重系数；m代表事故发生前后时间内的车辆数。

3 突发交通事故下基于车路协同的协同引导策略

3.1 事故发生在远离匝道时的引导策略

当突发交通事故发生在远离上下匝道的主线路段上时，事故路段及后方路段的交通量都来自于主干道，车辆的汇入和驶离对于协同引导的影响不明显。当事故影响度σ 超过设定的阈值时，开始对事故后方协同引导区域内（如图1） 的车辆进行协同引导。

（1） 协同车速分级引导策略。在事故发生初期，后方到达车辆较少，还未形成排队现象，此时可采用单车速度引导策略。基于车路通信，首先对车辆进行单车引导，根据当前车辆周围的行驶环境以及整条道路的交通流状况进行车速控制，在确保车辆安全的前提下，以整条道路的通行能力作为收益函数，确保系统收益最高，因此可能会出现单车的行驶速度降低、行驶时间延长的情况。

当事故后方车辆已经出现排队现象时，此时单车引导将会变得低效，基于车车实时通信进行车队速度引导，将已经开始排队或者即将开始排队的车辆控制在相同的速度下，实现多车辆同步行驶的策略，可以有效地减少车辆的停走行为，提高事故路段的通行能力并有效减少车辆燃油消耗和尾气排放。直至道路交通流恢复到事故发生前的状态时，停止速度控制引导。具体的引导策略如图5（a） 所示。

（2） 协同换道引导策略。车路协同环境下，车辆可以通过车载系统和路侧单元进行互联，大大地提高了车辆与车辆、车辆与道路的协同效率，基于这些技术，将换道行为从微观层面拓展到宏观层面，将博弈理论从车与车之间拓展到交通参与者与交通管理者之间。当事故影响度超过阈值时，对事故后方车辆进行换道引导。以驾驶员驾驶车辆的速度和驾驶员的舒适度为驾驶员收益函数，以车辆平均延误和平均速度为系统收益函数，进行博弈期望函数计算，通过换道引导，有效改善事故路段交通流状况，降低事故对道路通行能力的影响。具体的引导策略如图5（b） 所示。

（3） 车速和换道集成引导策略。针对于场景一（如图1） 中发生的交通事故，有时仅靠速度引导或者换道引导中的一种策略往往不能够有效地疏散交通拥堵。同时，在正常的驾驶中，驾驶者通常会同时采取控制速度和换道两种方式，因此，在突发交通事故的情况下，运用双层规划模型进行车速引导和换道引导集成策略。

上层的决策者为换道成本最优，关键参数为安全换道速度和换道次数；下层的决策者为速度收益最优，关键参数为安全跟驰距离和车辆行驶速度。上下两层相互反馈，最终达到换道次数少，行驶速度快的目的。具体的引导策略如图5（c） 所示。

图5 事故发生在远离匝道时的引导策略

3.2 事故发生在进口匝道下游时的引导策略

如图2，由于事故上游路段进口匝道的加入，会对主干道上的交通量造成影响，因此，在设置事故保护区和车流协同引导区的同时，还要对进口匝道进行分析和控制。当主干道上交通量较少时，可根据3.1 节中的引导策略进行车辆控制，一旦主干道交通量增大或者有大量车辆从进口匝道汇入时，需要对进口匝道上的车辆进行协同引导。

首先，当主干道上车辆增加但车头间距较大时，采用主干道右侧车道车辆与匝道汇入车辆车速协同控制策略，避免车辆汇入时的冲突，减少停车次数，提高道路利用率；当主干道上交通量较大时，会降低进口匝道汇入车辆的优先级，保证主干道上车辆优先通过；当主干道上车辆已经形成拥堵时，暂时关闭进口匝道，并引导即将进入匝道的车辆绕行至其他路段，减轻事故路段的交通压力。具体的引导策略如图6 所示。

3.3 事故发生在出口匝道下游的时引导策略

如图3，由于事故上游路段出口匝道的加入，可以为事故处理提供更加灵活的引导策略。当事故路段主干路上交通量较少时，可根据3.1 节中引导策略进行车辆控制，出口匝道处车辆可自由驾驶。当主干道交通量增大至车辆形成排队现象时，可以通过主干道与出口匝道间的车辆协同控制来减少车辆冲突，提升交织区的通行能力。

图6 事故发生在进口匝道下游时的引导策略

当事故后方车辆出现排队现象时，为了尽量减少匝道交织区直行车辆与右转车辆的冲突，要对车辆进行协同控制，通过车载终端获取事故后方车辆的驾驶意图，对于要驶出主干道的车辆进行提前换道策略，使其保持在最右侧车道行驶，保证其在进入出口匝道时不会与直行车辆有冲突。

当主干道上交通量过大或者即将在出口匝道驶离高速公路的车辆较多时，通过协同换道引导策略将右转车辆保持在同一条车道上，通过车速引导使其形成一个右转车队，使右转车辆以车队的形式驶离主干道，最大程度减少冲突。

当主干道上已经形成排队现象同时大量右转车辆在最左侧车道时，关闭该出口匝道并引导车辆至下一个出口匝道驶离高速公路，提高路段的整体通行能力。具体的引导策略如图7 所示。

图7 事故发生在出口匝道下游时的引导策略

4 结束语

高速公路突发交通事故带来的交通拥堵问题，日益成为人们关注的焦点，对其进行精准高效处理，有助于减少交通事故带来的人身财产损失和对交通流的扰动影响。本研究基于车路协同技术，结合高速公路突发交通事故的特点，分析了突发交通事故对交通流的影响，并针对事故发生地点的不同，分三种场景提出了协同车速分级引导、协同换道引导、车速与换道集成引导以及进出口匝道综合引导策略，旨在克服高速公路交通事故处理方式的局限性，提升高速公路运行的效率。