面向高速公路大流量拥堵治理智慧扩容创新场景

　　一、总体介绍

　　马站枢纽立交位于G25长深高速K1502附近，是连接G25长深高速与G22青兰高速的重要交通枢纽。长深高速天津方向转青岛方向C匝道为单向单车道，节假日交通量大，易造成车辆拥堵。根据收费站门架过车数据，日常情况下马站枢纽立交南向东匝道的高峰小时交通量为726 pcu/h，与匝道通行能力对比，服务水平已达三级，已经开始出现缓行的情况。根据数据统计节假日长深高速主线日交通量当量达11.2万，马站枢纽立交南向东匝道的高峰小时交通量可达1516 辆/h，与匝道通行能力对比，服务水平已达四级甚至五级，处于十分拥堵的状态，给临沂发展有限公司正常运营和节假日保通保畅工作带来很多困难。

　　二、主要做法

　　针对路网大流量关键瓶颈节点，将应急车道由2.5米拓宽至4.5米，开发并实施一套应急车道智慧管控技术，实现对目标匝道的“实时感知-拥堵预测-策略分析-动态管控”。在目标匝道上下游配置雷达感知设备，实时监测治理路段车辆轨迹，融合路网交通流数据，基于机器学习算法推演未来交通运行态势，预测拥堵形成时间，通过主动管控策略分析，自动推送应急车道开放管控信息，经审核后实现应急车道远程管理，在拥堵形成前完成应急车道开放。

　　2.1软件技术路线

　　2.1.1基于融合感知的路网运行态势分析。

　　基于多元路网数据进行统计分析，获取在途车辆、车型构成等多维特征。基于所构建拥堵评价指标体系识别大流量路段，并重点监测和实时感知大流量节点交通运行状态。利用毫米波雷达实时感知大流量节点及其上下游分合流口车辆流量及速度。基于交通流向分析，确定大流量节点通行车辆的来源收费站及路径。通过实时监测来源路径断面交通运行态势，当其流量达到开放预警阈值时，进行交通拥堵预警。

图1交通溯源分析图

图2 主要来源收费站及交通量占比

图3 主要来源路径及其交通量变化

图4 雷达与门架匝道日交通流量对比

　　2.1.2基于短时预测的节点拥堵事件研判。基于毫米波雷达感知车辆轨迹数据，在管控平台的二维路网底图中进行轨迹重现。基于seq2seq算法进行15分钟级短时流量预测，进一步利用sumo交通流仿真推演未来15分钟断面交通流车速演变，实时推演断面运行态势。通过监测未来15分钟交通状态是否达到临界拥堵阈值研判拥堵事件的发生。

图5 雷达监测车辆轨迹分布图1

图6 雷达监测车辆轨迹分布图2

图7 雷达监测车道级流量分布

图8 基于seq2seq算法短时交通流量预测

　　2.1.3.基于动态均衡的主动管控策略制定。

　　确定节点拥堵事件判断阈值，进而确定应急车道开放/关闭。为在拥堵形成前开放应急车道，考虑在达到最大流量60%时即进行拥堵预警，提醒开放应急车道;考虑在达到最大流量75%时进行畅通提醒，即提醒开放应急车道。

图9 匝道流密速三相关系图

　　同时，监测推演预测上下游主线路段运行情况，协调上下游拥堵情况，动态开放应急车道，避免单方面大规模拥堵，当下游青兰主线研判为即将拥堵时，需适当关闭应急车道，确保其主线畅通。

　　2.1.4.基于远程控制的车道管控信息发布。

　　自主研发三面翻可变信息标志通讯控制模块，实时监测标志牌状态。当管理人员审核路段拥堵预警及应急车道开放提醒后，可控制可变信息标志的开启/关闭。并通过管控平台地图引擎，实时观测节点运行状态。

图10 地图引擎

　　2.2管控流程

图11 管控策略流程图

　　2.2.1开放预警

　　实时溯源信息确定马站枢纽立交南向东匝道主要交通来源，基于主要交通来源至马站枢纽立交之间的高速公路断面交通量进行是否进行开放预警提醒。基于溯源信息可知，马站枢纽立交南向东匝道主要来源路径为沂水-沂水北断面。当重点监测断面小时交通量(牌识)或15分钟交通量(ETC)达到开放预警阈值时，进行交通拥堵预警，提醒运营管理人员关注马站枢纽立交南向东匝道路段交通量变化。

　　2.2.2开放决策

　　基于雷达数据进行应急车道开放决策。当马站枢纽立交南向东匝道路段交通量逐渐增大，路段速度开始降低时，开放应急车道能够缓解可能的拥堵。此时若青兰高速公路主线并未处于拥堵状态，建议开放应急车道以临时增加通行流量，缓解或避免路段可能发生的拥堵。为避免偶发性大流量影响，当且仅当当前时间窗及上一时间窗的实际交通量和预测交通量高于交通量阈值，且当前时间窗及上一时间窗的路段实际速度和预测速度低于速度阈值时，应进行应急车道临时开放。

　　2.2.3关闭预警

　　应急车道开放后，应持续关注马站枢纽立交南向东匝道路段交通量变化。当重点监测断面小时交通量(牌识)或15分钟交通量(ETC)逐渐下降达到关闭预警阈值时，进行交通畅通提醒，提醒运营管理人员关注马站枢纽立交南向东匝道路段交通量变化，必要时关闭应急车道。

　　2.2.4关闭决策

　　应急车道开放后，当出现以下两种情况时，应关闭应急车道：

　　(1)当青兰高速公路主线处于拥堵状态，平均速度低于速度阈值时，应关闭应急车道以避免来自长深的大量车流对本已拥堵的路段造成的冲击。

　　(2)当马站枢纽立交南向东匝道路段交通量逐渐减少、路段速度开始提高，单车道匝道已满足通行要求时，应关闭应急车道以避免潜在的安全风险。

　　2.3系统平台

　　基于上述技术方案及管控流程，开发了“马站枢纽应急车道智慧管控平台”，集成上述功能算法，开展运行参数实时展示，实时溯源在线查看，预警事件弹窗提醒，信息标志远程管控。

图12平台主页面

图13 应急车道开放页面

图14 业务流程

　　2.4 硬件提升方案

　　2.4.1 感知设备

　　感知设备方面，在匝道上下游分合流口位置设置借助现有基础安装长距毫米波雷达，用于感知分合流处匝道和主线交通流情况，雷达支持双向10车道目标轨迹跟踪监测，最远探测距离超500m;可提供统计数据包括：车速、车流量、车头时距、车型分类、道路占有率、车辆排队信息等。

图15 TRB长距毫米波雷达

图16 现场雷达安装图

　　2.4.2发布设备

　　针对项目实际需求，研发了一款安全高效、成本较低的应急车道可变信息标志控制装置，其机械结构如下图所示。该标志由轴线在同一平面的多个正三棱柱组成，内置驱动机构带动版面旋转相同角度以实现标志显示内容的转换。

图17 三面翻可变信息板结构

　　为了保证管控效果，准确预告并指示驾驶员应急车道开放信息，提高应急车道使用率，在上述结构基础上，设计了三级预告开放版面以及指示开放/关闭版面。

图18 预告版面

图19 指示版面

图20 标志安装现场

图21 硬件设备布设方案

　　2.4.3应急车道开放位置研究

　　为确保匝道应急车道开放有效性，需同步开放主线上下游部分应急车道，确保匝道及其上下游的交通流协调性。同时需考虑避免驾驶人信息过载，充分利旧减少其信息接收密度。本项目基于交通流仿真技术结合《公路路线设计规范》(JTG D20-2017)对匝道上下游主线应急车道开放位置进行对比论证。

图22 基于交通仿真的不同应急车道开放位置下态势推演

　　根据交通仿真结果，在长深主线匝道分流口前300m开放应急车道以及在青兰主线匝道合流口后400m处关闭应急车道为最优开放方案。所以，本项目在匝道合流口拟于长深高速分流口上游路段K1503+200、K1503+672和K1504+072进行三级预告应急车道开放标志，在K1502+996处设置允许应急车道开放标志，在青兰高速K188+452及K187+900处设置应急车道关闭预告及关闭标志。且上述点位目前均存在已有杆件基础，充分利旧，减少了新建基础成本。

　　2.5智慧化低成本扩容与匝道扩建方案对比

　　2.5.1 匝道扩建方案

　　将马站互通立交C匝道全部改为双车道，在G25长深高速减速车道改为双车道直接式，在G22青兰高速加速车道改为双车道直接式，本方案路线改造全场2371m，设置挡土墙1.2km，局部路段需新增占地600平方米，总投资约为3680万元。

图23 扩建方案设计图纸

　　2.5.2智慧化低成本扩容方案

　　对匝道范围内硬路肩进行局部加宽，由2.5m调整为4.5m，车道数仍为单向单车道，配套应急车道智慧管控系统，动态开放应急车道，允许车辆节假日通过匝道硬路肩临时通行。本方案路线改造全长370m，无新增占地，总投资约为400万元。相对比而言，智慧化低成本扩容节约资金3000余万元。

图24 智慧化低成本扩容图纸

　　三、取得成效

　　自主研发低成本自主式监测管控设备，集成雷视一体机、低成本信息发布、边缘计算以及光伏供电、无线传输等模块，实现 “自主感知-预测推演-拥堵研判-信息发布”功能。通过雷视一体机实现节点交通运行状态和事件感知，边缘计算模块集成预测推演以及策略研判算法研究成果，实现自主式研判决策，并采用翻转式可变信息标志进行低成本、自主式、远程可控信息发布。2024年国庆假期沂水北-马站断面日均交通量为5.10万辆/天，与2023 年(4.08万辆/天)相比，增长了25.0% ，出行需 求增长明显。应用该方案后，上报拥堵次数减少70%，拥堵时长减少45.7%，交通事故减少44%，事故持续时长减少42.9%。基于速度-流量图，日常情况下，流量最大值为2005 辆/小时，国庆假期流量最大值达到3622 辆/小时，增长达 80.65%。2025年五一、端午、国庆节期间均为出现拥堵现象。