基于柔性车道管控算法的高速公路通行诱导系统

胡超然

(中远海运科技股份有限公司， 上海 200135)

0 引 言

近年来，随着我国国民经济的快速发展，高速公路里程和机动车保有量不断增加。截至2020年末，全国收费公路里程达到了17.92万km，机动车保有量达到了2.81亿辆[1]。2019年全国开始实施取消省界站工程，有效提升了车辆跨省通行的效率，同时提升了公众的出行体验和出行满意度。随着高速公路里程和出行车辆逐年增加，高速公路的路况越来越复杂，导致交通事故频发。如何对高速公路路网进行有效的通行诱导，保证高速公路上车辆行驶的安全性，避免二次事故发生，最大程度地提升高速公路的通行效率，是高速公路运营管理工作中急需解决的问题[2]。

为提升现有高速公路在拥堵情况下的通行效率，解决在交通事故发生位置集中变道易引发二次事故的问题，以宁夏地区的高速公路通行诱导信息发布管理工作为例，针对其存在的问题，提出一种基于柔性车道管控算法的高速公路通行诱导系统。通过设计的时空注意力网络模型预测高速公路路网中的车流速度；基于柔性车道管控算法，采用特定的判断方法判断是否关闭事故车道和是否开启应急车道；通过道路沿线情报板发布通行诱导信息，有效缩短高速公路拥堵时间，降低造成二次事故的风险，缓解事故带来的通行压力。

1 宁夏高速公路通行诱导工作现状

截至2022年7月，宁夏地区高速公路通车里程已达2 078 km，全区共划分47个路段，其中，收费站98个，桥梁2 849座，服务区42个，隧道29座。目前各路段均已在各收费站站前、互通立交、服务区和隧道出入口等重要交通节点安装情报板设备，日常信息发布通过各片区的监控中心实现，由监控员通过信息发布软件对路段上监控内网的各类型情报板进行信息发布和控制。

宁夏高速公路的日常运营管理工作是由宁夏交投高速公路管理有限公司负责的，全区已接入的情报板超过300块，情报板位置分布合理。该公司编制了《可变情报板信息发布管理制度》，有较为明确的信息发布管理工作职责，目前已完成对全区情报板的统一接入和管理，具有良好的信息化基础。在日常监控管理工作中，信息发布主要通过人工手动实现，非路况类信息需经过审批之后才能发布，在处置突发事件过程中，无法以高效智能的方式对高速路网进行通行诱导。目前该区域的日常诱导信息发布工作主要存在以下几个问题：

1) 情报板利用率低。目前全区接入的情报板主要用来发布公告宣传、施工养护和安全行车提醒类信息，对于日常突发事件，一般只有达到启动应急处置预案等级时，监控员才会在情报板上发布相关诱导信息。

2) 人工发布效率低。当前在情报板上发布信息依然采用人工审批的方式，多环节的人工审核操作降低了通行诱导的时效性和准确性。

3) 对监控员业务水平的要求较高。由于事故点不确定，造成监控员在发布诱导交通的信息时无法对事故点和情报板设备的空间地理位置进行有效关联，从而影响信息发布的及时性。

2 系统设计

针对宁夏交投高速公路管理有限公司通行诱导工作现状，基于已建的软硬件资源和监控业务管理规范，以高速公路因发生交通事故或突发事件而导致拥堵时采取的通行诱导策略为切入点，研究基于柔性车道管控算法的高速公路通行诱导系统。

2.1 设计目标

该基于柔性车道管控算法的高速公路通行诱导系统的设计目标：当高速公路因发生交通事故或突发事件而导致拥堵时，根据事故等级选择不同的策略，若是重大及以上等级事故，则临时关闭事故车道；根据短时路况预测算法预测未来车流量，当预测的车流量超过可开放车道的通行能力时，选择开放原应急车道并预估开放的时间。将预测结果推送给在高速公路上布设的情报板，从而诱导司乘用户的行为，缩短拥堵时间，降低造成二次事故的风险，缓解事故带来的通行压力。

2.2 系统组成

该系统为路网运行监测系统的一部分，包含交通数据获取模块、深度学习模块、仿真评估模块和信息发布模块等。图1为宁夏高速公路路网监测与应急指挥调度系统架构。图2为宁夏高速公路路网监测实时交通流量预警分析效果图。

2.2.1 交通数据获取模块

交通数据获取模块的作用是获取实时和历时的交通数据，并对其进行预处理，包括删除异常数据和重复数据、填补缺失数据、去除噪声和数据标准化等[3]。

实时交通数据主要包括各收费站的出入口流量数据、道路车辆检测器实时采集的车流量和车速数据、电子不停车收费系统(Electronic Toll Collection, ETC)收费门架实时采集的过车数据和高德地图上的实时路况数据；历史交通数据主要是对实时交通数据进行存储、分析和汇总之后得到的数据。

由于收费站之间的距离较长，外场道路车检器数据采集误差较大等，该系统主要采用ETC收费门架实时采集的过车数据和高德地图上的实时路况数据作为交通预测分析的数据来源，并将收费站出入口流量数据、外场道路车检器采集的车流量和车速数据作为参考。

2.2.2 深度学习模块

深度学习模块包含以下2部分：

1) 根据事故的等级，当事故是重大及以上等级事故时，关闭事故车道。

图1 宁夏高速公路路网监测与应急指挥调度系统架构

图2 宁夏高速公路路网监测实时交通流量预警分析效果图

2) 根据现有的路网结构，针对当前事故发生路段，采用时空图卷积网络(Spatial Temporal Graph Convolution Networks，ST-GCN)预测未来的车流量信息。若预测的车流量大于等于路段可开放车道的通行能力(JTG B01—2014 《公路工程技术标准》要求高速公路设计服务水平不低于三级，因此选取各级限速下的最大服务交通量的最低值1 500辆)，则开放应急车道，并计算开放的时间；若预测的车流量小于路段可开放车道的通行能力，则无需开放应急车道。图3为ST-GCN流程图。

图3 ST-GCN流程图

2.2.3 仿真评估模块

仿真评估模块利用仿真技术，基于柔性车道管控算法，采用VISSIM软件对路网车流量进行对比分析评估。采用仿真技术对比开放应急车道与不开放应急车道2种状态下路网的车辆通行效率，验证柔性车道管控算法的有效性，并将其作为是否发布开放应急车道信息的依据。

2.2.4 信息发布模块

信息发布模块的作用是通过道路沿线的情报板发布主线道路上涉及车道的开关信息(是否关闭事故车道和是否开放应急车道)。该模块能实现对各类厂家情报板接口协议的集成封装，对外提供标准化信息发布接口，其余业务模块在信息发布过程中无需关注设备厂家协议。

3 系统实现及应用

3.1 ST-GCN模型搭建

ST-GCN模型由图卷积网络(Graph Convolutional Network，GCN)、长短期记忆(LongShort-Term Memory，LSTM)网络单元和注意力机制(Attention)等3部分组成[4]。首先，将实时和历史时间序列数据作为输入，并采用GCN捕捉高速公路网络的拓扑结构，获得空间关联特征。其次，将得到的具有空间特征的时间序列输入到LSTM网络模型中，通过单元间的信息传递得到动态变化，获取时间特征。最后，通过全连接层和注意力机制计算输入数据对当前预测结果的影响，得到最终的预测结果。具体计算过程为

(1)

ut=σ(Wu[f(A,Xt),ht-1]+bu)

(2)

rt=σ(Wr[f(A,Xt),ht-1]+br)

(3)

ct=tanh(Wc[f(A,Xt),(rt·ht-1)]+bc)

(4)

ht=ut·ht-1+(1-ut)·ct

(5)

在柔性车道管控算法中，该模型主要用于预测车流量。

3.2 策略选择模型搭建

策略选择模型分为以下2部分：

1) 根据事故等级，当事故是重大及以上等级事故时，选择临时关闭事故车道。

2) 对预测的车流量与当前可开放车道的通行能力进行对比。若预测的车流量大于等于可开放车道的通行能力，则开放应急车道；若预测的车流量小于可开放车道的通行能力，则无需开放应急车道。

3.3 仿真评估

在同一个高速路路网内，针对是否实施柔性车道管控算法，在VISSIM软件中进行车流仿真模拟，设置以下2个场景：

1) 不采取任何控制措施。

2) 采用柔性车道管控算法对路段进行流量控制；在路段上设置检测器，比较对应路网的主线交通通行量和主线拥堵时间。

3.4 算法结果应用

根据上述2种情况下的高速公路通行效率和拥堵时长，输出有关是否关闭事故车道和是否开启应急车道的方案，通过在高速公路沿线布设的情报板发布算法输出的结果，即路网中当前事故车道和应急车道的开放或关闭情况，从而诱导司乘用户的行为，提升高速公路通行效率[5]。图4为应急车道开放诱导提示效果图。

图4 应急车道开放诱导提示效果图

4 结 语

本文针对高速公路在交通事故或突发事件应急处置过程中的通行诱导，以宁夏高速公路为例，结合其运营管理工作的实际情况和需求，提出了一种基于柔性车道管控算法的高速公路通行诱导系统。该系统通过针对事件点的短时路况预测算法预测未来车流量，动态开放应急车道，并将预测结果实时通过事件点上游的情报板发布，简化了监控员在日常应急事件处置工作中对通行诱导信息进行发布的操作流程，提升了通行诱导的时效性和准确性，缩短了车辆拥堵时间，提升了司乘人员的出行满意度。

为尽早发现高速公路交通事故或突发事件，下一步将研究利用视频云联网工程建设视频智能分析事件上报系统，将视频智能分析系统检测分析的各类事件实时动态接入高速公路通行诱导系统，实现各类事件的自动化接入和快速预警响应。