湖南省高速公路联网收费管理有限公司  

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一、引言

随着我国社会经济的不断发展和汽车保有量的持续增长，高速公路运输压力日渐增大，尤其是交通事故等突发事件引起的交通拥堵以及国家法定节假日公众高峰出行造成的交通拥堵，都使高速公路的通行能力和交通安全形势就变得更加严峻。如何快速准确地检测出高速公路的拥堵区域并有效应对，从而保障高速公路的畅通是亟待解决的课题之一。

当前，高速公路运营管理部门的拥堵检测方式通常采用人工上报与视频检测两种。但是人工上报时延较长，并容易出现漏报现象。而如果采用视频检测方式，视频摄像头只能覆盖高速公路少量路段，同时目前视频分析检测误差较大,因此也不能有效解决高速公路拥堵区域的识别问题。互联网企业基于大数据、手机信令等方式也可判断交通拥堵，但是不能掌握高速公路的实际流量，拥堵识别并不能保证完全正确。2018年，国务院常务会议提出推动取消高速公路省界收费站，这不仅使收费站的交通拥堵现象得以解决，也给高速公路路段的交通拥堵提供了新的解决思路。

为贯彻落实党中央、国务院关于“两年内基本取消全国高速公路省界收费站，实现不停车快捷收费，减少拥堵、便利群众”的决策部署，湖南高速公路集团公司全力完成了国家取消省界收费站的任务。截至2019年底，湖南高速已完成25个高速公路省界收费站的拆除和1144套ETC门架系统建设。本文将通过处理和分析ETC门架系统采集到的车辆通行数据，实现智能化交通信息感知，并对交通主动管控方法展开研究。

二、高速公路流量实时监测分析方法

（一）高速公路拥堵研究的理论基础

目前，国内外主要是通过道路饱和指数所代表的通行能力和服务水平分析与评价来进行判定，通行能力是指相应设计服务水平下，公路设施通过车辆的最大小时流量率。通行能力分析的目的是为了确定交通运行质量，因此，通行能力分析应与服务水平分析、评价同时进行。服务水平是指驾驶员感受公路交通流运行状况的质量指标，通常用平均行驶速度、行驶时间、驾驶自由度和交通延误等指标表征。本文采用路段通行能力（v/C）值来衡量拥挤程度，作为评价高速公路服务水平的主要指标。

（二）ETC门架系统交通流监测分析

ETC门架系统是一种架设在高速公路上方类似交通探头的设施，主要由高清车牌图像识别系统、RSU、车道控制器等设备设施组成，通过射频装置读取车载OBU的信息，实现对车辆行驶路径的精准记录。

1．ETC门架系统数据采集与处理

采集ETC门架系统的基础信息及车辆通行数据，包括ETC门架编号、通行标识ID、OBU内车牌号码、OBU内车型（可区分小客车、中型车、大型车、汽车列车四种车型）以及车辆通行时间等。不同车型按照车辆折算系数如表1所示，获取统计周期内（小时）通过特定龙门架位置的交通量，并结合门架编号即可以得到实际地理位置上每个ETC门架位置的实时交通量g。通过对统计周期内路段每一个ETC门架监测到的交通流量进行对比，取最大值作为该路段的交通量v。

表1 各汽车代表车型及车辆折算系数

汽车代表车型	车辆折算系数	说明
小客车	1.0	座位≤19座的客车和载质量≤2t的货车
中型车	1.5	座位＞19座的客车和2t＜载质量≤7t的货车
大型车	2.5	7t＜载质量≤20t的货车
汽车列车	4.0	载质量＞20t的货车

参照《公路工程技术标准JTG B01-2014》，最大小时交通量C采用交通饱和度为1时相应速度要求下最大服务交通量为准。从而可以计算出该路段实际通行能力v/C。

2．基于ETC门架系统数据的路段服务水平评价

高速公路路段服务水平分级如表2所示，将计算出的实际道路饱和指数v/C与表2数据进行对比，即可得出该路段服务水平等级。

表2 高速公路路段服务水平分级

三、系统总体架构

整个系统自下而上由源端层、基础支撑层、数据资源层、应用支撑层、应用系统层等5层机构，如下图所示：

1.        源端层

包括现有各类外场设备（监控视频、交通调查站、ETC门架系统），负责各种源数据（牌识数据、交易数据、治超数据、大件运输数据等）的采集或发布。

2.        基础支撑层

主要包括为应用和数据提供支撑的网络系统、通信系统、主机和存储系统、安全系统，及其配套的操作系统、数据库管理系统等支撑软件。

3.        数据资源层

基于综合管理系统整合的相关数据资源，并形成基于指标存储的完整的数据库体系结构，为业务应用提供支持。

4.        应用支撑层

应用支撑层为实现应用系统的基础性通用功能提供支撑，主要包括统一的GIS平台、数据交换共享平台、数据资源管理系统、企业服务总线，及统一权限管理、应用服务器中间件、数据服务平台等。

5.        应用系统层

应用系统是实现各级部门功能需求的软件，包括大数据分析平台和业务应用平台两大部分。

按照此系统架构建设内容主要包括：数据管理平台、数据分析平台和数据应用平台。

（一）数据管理平台

通过对路段基础和业务流水数据的采集、加工、治理、整合等流程，初步构建湖南省高速公路交通综合数据资源体系。

建设统一的数据交换共享系统，对跨部门、跨系统、全类型的数据接入和共享管理。根据业务实际需要，针对不同数据的特性、使用要求、网络链路情况，完成相关数据的接入，确保所涉及的来自不同系统、不同类型、不同技术条件的数据能够统一接入及整合，并按需提供给监测、分析平台进行使用，并保证数据在传输过程中的安全性、完整性、稳定性、高效性、及时性等。

（二）数据分析平台

利用大数据技术，建设数据映射到交通指标的相关模型，实现对车流量、平均车速、拥挤度、事件、治超、等大量历史数据的专题分析功能，呈现过去某一段时间内的历史通行情况，通过整体把握车辆通行规律，找出影响交通的关键要素，为高速交通管理者提供及时、可靠的信息支撑，并为后续建设路网预警预报功能做好准备。

（三）数据应用平台

以数据资源管理系统的加工整合后的数据为基础，以用户的实际业务需求为导向，多维图表的方式完成对车流量、平均车速、拥挤度、饱和度、两客一危等交通运行情况指标的实时监测功能，达到综合反应路段的实时通行状况的目的。

（四）数据可视化展示

按照每个ETC门架编号及位置信息，将ETC门架点位叠加到GIS地图上，依据每个ETC门架的实时饱和指数，可以得到该门架所代表路段的服务水平，用不同颜色对路段服务水平进行区分。当路段出现拥堵，服务水平达到三级以下时，系统通过数据分析将该路段颜色显示为红色并触发预警或报警行动，并将拥堵视频推送至大屏幕，使管理人员及时发现拥堵并作出科学决策，结合路网中相邻路段的服务能力，及时调整交通流管控措施。

图2 交通流量实时监测界面

四、交通主动管控对策

（一）高速重点出入口管控

高速公路重点出入口（如城市、景区主要出入口）周边路段极易发生交通拥堵。这种情况下，对该出入口上游ETC门架交通量进行计算并通过数据分析，对容易发生拥堵的出口和可能发生交通拥堵的时间段进行预判预警，借助该出口附近路网的情报板和指示牌发布交通诱导信息，将车辆进行分流到周边出口，从而缓解拥堵。

（二）拥堵路段交通诱导

   结合交通流数据分析，当高速公路某一路段发生拥堵时，系统根据历史数据和实时监测到的交通流量，提前预判路段拥堵时长。根据路网状态和数据分析结果，预设分流路径，并对各路径通行所需时长进行计算和对比，得到最优路径。然后通过路面情报板进行交通诱导，对路网车辆进行主动管控，从而达到缓解拥堵的目的。

（三） 应急车道动态管控

当路段交通流量较大，并且有通过出口匝道或者枢纽驶离高速公路的车辆比较多的时候，最右侧行车道内或出现车辆排队积压，同时，左侧车道车辆不断降速向内穿插，还将增大交通事故风险。所以，这种情况下，依托对交通流量数据的分析提前对存在上述风险的路段进行排查预警，当拥堵出现时，监控指挥中心可以下达借用应急车道的管控指令，并在可借用应急车道的起点和终点进行路面情报板信息提示，对用户进行交通诱导。当拥堵缓解后，监控指挥中心可撤销指令。

五、路段拥堵分析应用与评价

目前，路段流量实时监测分析研究成果已经在湖南高速主要干线公路实践应用，下面针对京港澳高速公路湖南长潭路段，对路段交通运行实际情况进行抽样测试，分析本文路段拥堵分析方法实际应用效果。

（一）测试方法

选取京港澳高速公路湖南长潭路段李家塘互通-昭山站门架的实时流量数据，此门架里程桩号为K1521+41,采集2021年2月22日13:00-14:15时间段内系统计算的饱和指数值，发现13:50时饱和指数最高值为0.94，对比同时段内系统上报的路况信息，监控员于14时20分上报一条路况信息，京港澳高速长潭段昭山收费站附近以北K1522至K1525处北往南因车流量大造成交通通行缓慢。

（二）测评结果

    通过测评，得出实时的指数计算可以先于监控信息上报提前半小时发现路况拥堵事件，满足路网运行监测及主动管控需求。

六、结束语

依托现有高速公路ETC门架系统数据，本文体系化地描述了高速公路运行状态并研究了交通主动管控对策。进一步推动全省高速公路运行监测工作不断向标准化、精细化、智能化方向发展，为交通管理部门掌握交通实时状况带来巨大帮助，对提高高速公路交通基础设施数据使用率、交通运输服务和运营管理的智慧化水平具有重大意义，为建立交通运行状态全息感知的高速公路智慧交通管控与主动安全防控关键技术体系打好基础。