（道路与铁道工程专业论文）灾害天气下高速公路网信息系统研究.pdf

重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 翻敬 日期： 压j 年月加日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权重 庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本人 学位论文收录到 环境监测站点建设达到一定密度，是制作灾害天气预警和临近预报的有效 1 6第二章灾害天气下高速公路网信息系统总体设计 保障。例如资料显示，能见度从1 0 0 0 2 0 0 0 m 以上降至2 0 0 m 以下往往只 需要十几分钟，有时在相距十多公里的两个监测站点出现从1 0 0 0 m 以上 的能见度降至2 0 0 m 以下的能见度需要二个小时。因此，布设一定密度的 环境监测站，获取实时监测信息，对制作低能见度的预警和临近预报服务 是必不可少的。 详细分析具体的环境监测系统信息采集需求，合理确定环境监测站点的数 量，控制投资，使成本与投资效益比达到最大。 在气象学专业领域，一些天气预测模型中要求区域型气象监测站的布设间距 应达到每隔4 k m 布设一个，虽然如此高的布设密度会加强天气预测的准确度，但 是会大大提高投资成本。根据美国道路气象信息系统环境监测站设置指导手册， 推荐地形平坦、小气候特征不明显时区域型气象监测站点布设密度为3 0 - 5 0 k i n ， 当道路沿线地形变化多端、小气候特征明显，应根据实际气候特征加密环境监测 站点的布设。 2 ) 局部型气象环境监测站点选址 局部气象环境监测站点就是为了满足指定道路单元或特殊路段( 如桥梁路段) 的、特定的道路气象信息要求特别安装的传感器。灾害天气的发生和形成，通常 与局部地区的地形、自然条件有密切关系，如：据调研分析，高速公路沿线雾具 有明显区域分布特征分布特点，雾的形成与周边的环境、水系、山脉有密切的关 系。因此，对灾害天气特征突出的特殊路段进行局部气象监控是必不可少的。 设置局部气象环境监测站点的出发点是为高速公路运营和道路养护服务。通 过设置局部气象环境监测站点，还可以降低相关的外场设备组成结构投资，提高 外场设备的投资收益。例如在易结冰或下雪路段设置局部气象环境监测站点，同 时在道路沿线设置可交情报板，在路段有积雪或结冰前将气象信息发布给驾驶员， 并警示其注意行车安全，则相对于独立地只设立一个环境监测站或只设置一块儿 可变情报板，这种双重设置增加了驾驶员的行车安全。 特殊路段的道路气象信息要求包括：乱路面状况，如在冰点易造成道路表面光 滑、摩擦系数降低的路段，或易积雪路段；b 地势较低路段的路表积水状况；c 因 局部环境条件( 如存在大的水系、水源) 造成低能见度路段的能见度条件；d 疾风 情况，如存在飓风或在峡谷和山脊顶端存在由地形条件引起的横向风。因此，局 部气象监测站通常设置在小气候特征突出、灾害天气发生频繁的道路单元，如光 滑路段、低能见度路段、大风路段和易受水文条件影响的路段。设置局部气象环 境监测站点时，传感器类型并不是单一的，因为局部天气条件或由天气条件引起 的道路状况的变化也需要不同类型的检测装备和传感器。 下面根据特殊路段的类型分析设置局部气象环境监测站点的目的和所需的各 第二章灾害天气下高速公路网信息系统总体设计 1 7 种传感器： 乱易滑路段 所谓易滑路段，并不是因路段施工或路面材料构成而造成路面摩擦系数低的 路段，而是指受灾害天气影响，路面摩擦系数容易降低致使行车安全性降低的路 段。这种情况主要发生在由于当地气候和地形条件易受雨、冰、雪、霜影响的路 段，而这些路段往往位于地势低洼道路单元、桥梁路段、被山等障碍物遮蔽的荫 庇路段、以及冰、雪、霜冻多发路段。 在该类型路段设置局部气象环境监测站的目的是检测和监控道路的温度和路 面状况，因此，在易结冰位置需要安装可以监测路面或桥面温度、路表状况、道 面化学物质残留情况和冰点温度的传感器；道面检测器安装在易受降雪影响的多 车道路段；此外，还应安装露点传感器或湿度传感器以监测道路霜冻的形成，露 点传感器通常安装在路面最高点位置。 。 b 低能见度路段 低能见路段设置局部气象环境监测站的目的是检测能见度的降低、大气中湿 度的增加以及风速和风向。在经常处于低能见度的路段，还要考虑增设可变情报 板提高路段交通安全。 在该类型路段，参考国内外相关系统能见度仪布设经验，按1 - 3 k m 的间距加 密布设能见度仪。鉴于国外在跨江、海公路上，能见度仪的布设密度高达 0 1 5 1 o o k m ，建议在费用允许的条件下，在水系密集、河流众多或有利于雾形成 的特殊地形地貌路段( 如峡谷、山岭段) 适当加大能见度仪的布设密度。 同时，能见度仪、温度、湿度和风传感器应该安装在路侧或不受水系、大气 污染物干扰的位置，如在桥梁上或桥梁附近，或在狭小的道路穿过的区域。能见 度传感器应可以监测到离路面2 3 m 高的大气。由于盐类融冰、融雪剂以及过往车 辆的影响，如果能见度检测器安装得太靠近道路可能会降低它的性能，需要频繁 地维护。安装前，对安装地点进行详细调查分析( 如水源位置，障碍物位置) ，可 以帮助更好地确定正确的传感器安装位置。 c 大风路段 大风和强风常发生在桥梁、狭谷等有水流、没有树木和建筑物遮挡的开阔场 地，或在山顶位置。该路段设置局部气象环境监测站点的目的是监视和探测大风 的开始和持续时间，以及影响行驶车辆的稳定性和驾驶员的操纵性能的风力、风 速。 因此，风力风速传感器的监测数据应能反映出大风对机动车运行的影响，传 感器可以安装在桥梁、大风带的开阔区域或大风经过的地方。在受横向风影响严 重的路段，l o m 以下地面风的测定可以通过离地高度3 5 米的传感器检测出来，这 18 第二章灾害天气下高速公路网信息系统总体设计 样就可以检测出影响车身高度较高的大型车辆稳定性的风。同时要注意避免风速 风向传感器的安装位置太靠近行驶车辆或将其安装在背风侧( 如桥梁、标志、植 物或建筑物的背风一侧) 。在因峡谷或溪谷引起的风道内，传感器要安装在风的入 口或出口位置，这样风切变就可以被检测出来。 d 易受水文条件影响的路段 桥梁、高架桥下或者其它一些靠近水系的低地势路段，在暴风雨、冰雪融化、 河流被冰堵塞时往往易受浸没，安装在这些路段的局部气象环境监测站点应能检 测出水文条件和洪水发生与否，检测数据还可以为灾害发生后的救援响应提供帮 助和支持。 测量水位的传感器有水位压力传感器、超声波水位计和浮子式液位表，通过 把它们安装在竖水管内来测量水位和监测洪水条件。浮子式液位表适用于通常比 较干燥、只有下雨时积水的地方；水位压力传感器适用于常年被水浸没的地方， 如河流、蓄水池等；超声波水位计适用于测量流速较快的江河、溪流水位。如果 将水位监测装置安装在桥梁一侧来监测可能发生的洪水，那么传感器应该安装在 下游水位低的位置。此外，水位传感器还可以安装在靠近道路最低点的位置或易 受洪水影响的道路单元。 2 4 2 信息处理子系统 信息处理子系统是介于信息采集子系统和信息发布子系统之间的中间环节， 是灾害天气高速公路网信息系统的神经中枢，它主要进行信息的接收、分析、判 断、预测、确认、生成决策、指令发布等。 通过计算机系统能实现对采集的气象、能见度和交通流等信息的自动高效处 理，能发出灾害天气预警信息，生成管理决策( 包括信息发布方案、绕行路径等) ， 将相关信息发布给道路使用者和相关部门。 2 4 3 信息发布子系统 信息发布子系统是高速公路上设置的用来向道路使用者提供道路交通信息和 诱导控制指令的设备，以及向管理、救助部门和社会提供求助指令或道路交通信 息的设施。 信息发布方式 根据不同的信息发布对象，采用的信息发布方式也各不相同。高速公路信息发 布方式主要包括可变信息标志、路侧广播、交通广播、互联网、移动电话等等。 以下详细介绍下几种最常用的高速公路信息发布方式。 1 ) 可变信息标志 第二章灾害天气下高速公路网信息系统总体设计 1 9 可变信息标志( c m s ) 是一种因交通、道路、气象等状况的变化而改变显示内 容的标志，可用作速度限制、车道控制、道路状况、交通状况、气象状况及其他 内容的显示，显示形式可以是文字、数字、符号或图形，既是一种信息发布手段， 又是一种交通控制策略【1 1 1 。 信息发布系统是通过在交通网中重要地点的可变信息标志，向驾驶员提供天气、 交通状况信息，诱导车辆采取合适的车速或推荐行驶路线，使驾驶员选择最佳路 线，达到路线畅通，安全行车。常用的可变信息标志有以下五类：门架式可变情 报板，路侧式可变式情报板，车载移动式可变情报板、可变限速标志以及交通诱 导屏。 乱门架式可交情报板 又称大型可变情报板，是高速公路信息系统中主要的大型显示终端，全点阵象 素显示，主要显示文字，可辅助显示交通图形，通常安装在道路上方。 主要适用于以下情况： 多车道道路( 同向二车道以上) 需要分别指示各车道去向时。 道路较宽、交通量较大、外侧车道大型车辆阻挡内侧车进小型车辆视线时。 互通式立交问隔距离较近标志设置密集之处。 受空间限制，柱式、悬臂式安装有困难时。 车道变换频繁，出口匝道为多车道者。 景观上有要求时。 b 路侧式可变情报板 安装在道路路侧，显示面积比门架式可变情报板小。根据情报板的支撑类型不 同，又可分为悬臂式可变情报板和立柱式可变情报板。 主要适用于以下情况： 设置于非主要分流点互通立交出口的小型可变情报板，提示驾驶员按照各 自的行车标准限速行驶或驶离高速公路； 设置于服务区的小型可变情报板可起泊车位显示牌的作用，实时显示剩余 车位，及时告知驾驶员相关情况，提前采取措施： 设置于特大桥附近的小型可变情报板可及时向道路使用者传递有关信急， 使驾驶员提前采取措施，避免事故的发生。 c 车载式可变情报板 车载移动式可变情报板的作用类似于路侧小型可变情报板，是交通信息发布系 统的有机补充，主要用于事发地点附近没有固定的信息发布设备，无法有效的向 驾驶员传递警示信息时。 主要适用于以下情况： 2 0 第二章灾害天气下高速公路网信息系统总体设计 高速公路上出现局部团雾等恶劣天气； 出现施工、危险品事故、难以短时排除的其他交通事故等紧急情况。 d 可变限速标志 可变限速标志是一种特殊的可变信息标志，主要用来发布高速公路限速值，同 时也可以发布简单的灾害天气提示信息和交通管制信息，如“减速慢行 ，“禁止 超车艿等。 e 交通诱导屏 交通诱导屏既可以显示文字，也可以通过不同颜色来显示实时道路交通状况， 是近年来出现的新型信息发布设备，如图2 2 所示。交通诱导屏使得复杂的信息更 容易理解，尤其是发生拥堵或事故时，交通诱导屏以不同颜色表示实时路况、并 能提供局部路网的服务水平和行程时间等信息，以便驾驶员迅速准确得获取信息 并选择合适的路线。 主要适用于以下情况： 交通量大、路网复杂的高速公路网； 出现交通拥堵或突发事件等。 图2 2交通诱导屏 f i g 2 2t r a f f i cg u i d i n gd i s p l a y 2 ) 路侧广播 路侧广播是由管理部门建立的专门的路边广播系统，利用专用的无线电发送装 置，把收集到的该路( 网) 及相连道路的交通状况、气象等情报编辑并合成( 或 人工直接广播) ，通过沿道路的定向天线将信息播放出去，驾驶员进入播放接收区 后，即可在相应的波段收到道路交通情报。 路侧广播在发布信息方面灵活、及时、有效，能提供的信息量大，不受能见度 的影响，对于交通量大且形成路网的高速公路更显其优越性。虽然路边广播系统 具有很好的引导交通作用，但造价和维护成本较高，还处于试验阶段。 3 ) 互联网 互联网是新兴的一种交通信息发布手段，通过动态网页显示路网的信息，为出 第二章灾害天气下高速公路网信息系统总体设计2 l 行者在出行前提供实时的出行信息，制定相应的出行计划。互联网虽然信息量大 且更新很快，但是要求有小型计算机终端和网络，对于路上的驾驶员帮助有限， 属于出行前的信息发布。 可变信息标志的布设选址 1 ) 布设选址的原则 与静态交通标志一样，可变信息标志的布设对其功能的发挥起着关键的作用。 选址布设的合理与否直接影响到其功能及效用的发挥。可变信息标志设置的位置、 设置的密度对于信息的可视性及提供的实时性有很大的影响，可变信息标志布设 选址时应遵循以下原则【刀： 扎基于对功能分析的原则 可变信息标志的布设应坚持功能分析的原则，减少盲目性。对所有实现的功能 应按重要程度进行排序。坚决摒弃无用的功能，以减少浪费。根据确定的功能进 行标志优化布设。例如，对于诱导交通为主的可变信息标志应该布设在优化可选 路径的分流控制点前端适当位置，以取得最佳效果；以发布灾害天气信息为主的 可变信息标志，应布设在重点气象路段：以限速为主的可变限速标志，应以提供 最大化服务对象为主，应设置在从匝道进入高速公路主线入口处的适当位置，使 所有进入高速的车辆及时接收到限速信息。 b 基于道路特点分析的原则 对于绕城高速公路、一般高速公路来说，可变信息标志的布设虽然有共同的地 方，但又有其侧重点。一般高速公路路线较长，路网不密集、交通流量较城市道 路小，可变信息标志布设数量相对城市道路较少，发布的信息以交通管理和天气 信息为主，可变信息多为文字式。绕城高速一般位于大城市郊区，与多条辐射状 高速公路和城市道路组成路网，其可变信息标志的布设数量要多于普通高速公路， 发布的信息也更为全面，有交通诱导、交通控制等信息。 c 与普通静态标志协调配合进行布设的原则 普通静态标志是公路主要的信息来源。可变信息标志的布设要考虑到其与静态 标志的配合和协调，保证可变信息标志功能的发挥。实际上可变信息标志与静态 标志在功能上有很好的互补性。在发布诱导信息时，两种标志并不发生冲突，普 通静态标志的功能并未失效。但在发布气象信息、交通管制信息时会与普通静态 标志的信息发生冲突，导致其部分失效，如何协调两者之间的冲突是可变信息标 志布设时应考虑的问题。 d 信息连续完整性 。 可变信息标志的布设要保证发布的可变信息的相对完整与时空的对应和连续 性。 2 2第二章灾害天气下高速公路网信息系统总体设计 2 ) 布设选址的步骤 可变信息标志的布设应遵循从总体到局部，从确定性的布设到非确定性的布设， 从远期的布设到近期的布设的步骤。 乱从总体到局部 从总体到局部是指标志布设时应遵循从路网路线节点的布设流程，先做好基 于路网的总体布局，然后再做好本项目路段的布局，最后在落实道路节点处的具 体布设。 b 从确定性的布设到非确定性 该思路是指根据众多的经验总结做好高速公路固定环境条件下的可变信息标 志布设，然后做好其他条件下标志的布设。固定环境条件下的可变信息标志布设 是指互通立交进出1 2 1 处、灾害天气多发路段以及事故多发路段、大桥隧道前等地 方的可变信息标志布设。其他条件下的标志布设是指在某些特定情况下根据具体 情况决定是否布设可变信息标志，如发生突发事件时，为了更好控制突发事件对 交通的影响，可以在路段中间布设临时性的可变信息标志等。 c 从远期到近期 从远期到近期是指根据高速公路远期交通流和路网规划，确定出远期的可变信 息标志布设方案，然后在远期的方案基础上确定近期的布设方案，进行实旌，并 对远期进行借口预留。在条件成熟时，再扩充新的可变信息标志。 3 ) 布设选址建议方案 在路网信息发布系统中，理想化的可变信息标志布设方案是在每个互通立交、 服务区、特殊路段( 事故多发路段、灾害天气多发路段) 均设置可变情报板。考 虑到造价及管理上的上的一系列问题，至少应该在以下位置布设相应的可变信息 标志。 乱全线主要分流点互通立交的出口、连接不同高速公的互通立交入口前1 5 k i n 处 对于驾驶员来说，在互通立交前方设置可变信息标志尤为重要，因为在灾害天 气下特别是雾天，普通标志的视认性变差，可变信息标志由于亮度高，可以弥补 普通标志视认性的不足，避免驾驶员错过目的互通出口；同时可变信息标志可以 提供前方路段的灾害天气信息和交通管制信息，以便于驾驶员提前确定是否需要 驶离高速。 “高接高的互通立交入1 ：3 前的可变情报板可向需要进入相邻高速公路的驾驶 员提供信息，以便于其提前采取措施。一旦出现灾害天气或者交通事故需要实施 交通管制时，高速公路管理部门可以通过可变情报板发布相应的交通管制指令， 配合现场人员及时实施相应的交通管制措施。 b 灾害天气多发路段( 如常发性雾区、易结冰路段等) 前方2 - - 一4 k m 处 第二章灾害天气下高速公路网信息系统总体设计2 3 这样设置一方面是使驾驶员有足够的心理准备，并根据灾害天气情况调整行驶 状态；另一方面，如果标志设置距离过长，则容易使驾驶员认为可变信息标志发 布的信息不真实或者是过期信息而不予理会，就会使可变信息标志不能发挥其应 有的效用。 c 灾害天气多发路段的服务区、停车场、互通立交前方1 5 k i n 处 在灾害天气发生时，通过服务区( 停车区、停车场) 前方可变信息标志的提示， 驾驶员可以选择是否进入服务区休息，等待灾害天气消失再通行。由于大型货车 制动性能相对较差，发生事故时的碰撞能量较大，因此，可以通过可变信息标志 建议大型货车进入服务区休息或检修。当服务区内停车位满员时，可通过可变信 息标志及时提示，以免车辆在不知情的情况下贸然驶入，出现进退两难的局面。 此时，驾驶员往往会违章倒车或停在路边排队等候，容易导致后方驶来的车辆发 生追尾事故。 2 5 灾害天气下高速公路网信息系统管理体系 路网信息系统的管理体系与高速公路的管理方式有密切的联系，一般采用由 下至上、逐层管理方式。就省域路网的管理体系而言，应视各省的具体情况而定。 图2 3 给出了三级管理的参考模式：路网信息总中心，区域信息中心，路段信息中 心。其中，区域信息中心可以是地理范畴的区域中心，也可以是高速公路管理公 司设定的管理结构。 图2 3灾害天气下高速公路网信息系统管理体系 该管理体系具有纵向联系、横向阻隔的特点。上下相邻层面的单位具有交互 2 4 第二章灾害天气下高速公路网信息系统总体设计 的权限，同一层面的单位不能直接交互，只能进行间接交互，即通过上一层面的 单位来协调。 路段信息中心直接管理路段沿线外场设备，不仅要负责路段灾害天气的实时监 控，还是路段信息发布方案的制定和实施者，以及联网信息发布方案的实施者。 区域信息中心是路网信息系统的重要部分，它虽然不直接管理路段沿线外场设 备，但汇总了区域范围内各路段的实时信息( 气象、交通管理、道路状况等) ，能 根据路网内的实时情况( 气象、交通等) 为各路段信息中心制定联网信息发布决 策，指导各路段进行跨路段的联网信息发布信息。 信息总中心是路网信息系统的最高层，将起到全面监视整个路网的实时状况， 协调指导跨区域的联网信息发布的作用，并负责通过公共信息发布途径向社会发 布高速公路网的实时天气、交通、道路等状况。 2 6 灾害天气下高速公路网信息系统业务流程 刁o 结合路网信息系统管理体系，可制定出路网信息系统的业务流程，如图2 4 所 ：- l 灾害天气实时监控，变 i 生成、实施信息发布方案 车道掂 ； 气象、交通、道路等监控数据， 以及周边路段联网信息发布建议 r 区域信息中心 分析区域路网内的交通、气象情况， 制定跨路段联网信息发布方案 周边路段信息中心 竺登竺翌竺 息发布设备 ： 可变限速标志，i ，路侧广播等 ； j ； 一 信息总中心 一j 制定跨区域联网信息发布方案， l 叫 利用公共信息途径发布信息 l ； 公共信息途径 ；互联网、广播电台、电视、移动电话； 图2 4高速公路网灾害天气信息系统业务流程图 f i g 2 4b u s i n e s sp r o c e s so ff n a w i s 事件路段信息中心灾害天气实时监测，制定实施路段管理决策并接受 区域信息中心的指令 第二章灾害天气下高速公路网信息系统总体设计 2 5 事件路段信息中心在接到灾害天气、突发事件报警后，应迅速调取事件路段 的视频监控资料、交通检测数据( 交通量、车道占有率、车速等) 、能见度、气象 数据等等，通过专家决策系统制定相应的管理对策并发布相关信息，同时通过专 网将监控数据实时传送或直接将监控信号切换给区域信息中心，将制定的管理对 策也上报至区域信息中心。应注意，事件路段信息中心应不断地将事件区域和周 边区域的最新情况传送给信息发布总中心，直到紧急情况排除。 区域信息中心分析数据，制定区域内跨路段管理决策并接受路网中心 的指令 区域信息中心接收到事件路段信息中心传送的相关数据、信号、管制方案后， 依据事先制定的各种预案结合具体管制方案分析相关数据，及时制定出区域内跨 路段的管理决策( 信息发布方案、交通管制措施等) 。另外，区域信息中心及时将 事件情况上报给路网信息总中心，接受路网总中心的指令并下发至路段信息中心。 路网信息总中心一制定跨区域管理决策，利用公网对外发布事件信息 路网信息总中心在接收到区域信息中心上报的事件情况后，制定跨区域管理 决策并向相应的区域信息中心下发指令，同时迅速通过互联网、交通广播、电视、 移动电话等公用途径发布路网突发事件信息以及交通管制信息，引导出行者使用 省时、安全的路线。 2 6 第三章灾害天气下高速公路网交通管理策略 第三章灾害天气下高速公路网交通管理策略 3 1 灾害天气下高速公路管理路网模型构建 在一定区域的路网中，公路数量繁杂众多，其中包括高速公路、国道、省道 以及其他公路。作为路网信息系统管理对象的路网，应拥有一定数量的路线作为 发生灾害天气、突发事件时车辆的备选路径；但不能毫无区分的囊括一个区域的 所有的道路，会导致庞大的数据库，不利于管理者制定高效的实时动态对策 8 1 。因 此，路网信息系统的成功建立和有效运用的前提是确定一个合理的管理路网。 3 1 1 路网构建的基本原则 高速公路控制结点进行交通控制的可行性原则 当高速公路发生灾害天气而引起行车环境恶劣时，能够在路网结点处发布信息， 实施限流、分流、封闭等交通组织行为，达到路网级的控制效果。因此，确定高 速公路控制结点时，以能够进行交通控制为基本原则。 与主线高速公路具有相关性原则 建立的管理路网目的是在主线高速公路遭遇灾害天气而变得行车环境恶劣时， 可以合理的利用周边的道路进行交通疏导。因此，周边的道路应当跟主线高速公 路具有良好的相关性，这种关联一方面要求高速公路与纳入路网的其他道路相互 连通，另一方面要求道路等级、通行能力等指标不能与主线高速公路相差太大， 道路间距也不能相差太远，否则难以实现对主线高速公路辅助的作用。 高速公路交通流可疏散性原则 当高速公路出现灾害天气时，高速公路上有的交通量能够通过诱导到并行道 路上得到及时疏散，即高速公路相应的并行道路的通行能力之和至少要等于所连 接两个o d 间的交通需求。 经济性原则 根据可疏散性原则，并行的相关道路越多越好，但是路网管理范围不宜过大， 一方面花费的成本会随管理路网的扩大而增加，另一方面距离高速公路较远的辅 助线，用户需要绕行较大的距离，费用较高，不符合经济性。 3 1 2 路网畅通可靠度分析 一个系统或单元，在规定的使用期限和预定的工作条件下，能正常工作的概 率，称为该系统或单元的可靠度。相应的，在某些情况下对某一系统或系统单元 在给定的使用期限和预定的工作条件下，完成其预定功能的概率进行估算，称为 第三章灾害天气下高速公路网交通管理策略 2 7 可靠度分析唧。 确定高速公路管理路网时，需要对路网内道路进行可靠度分析，最大程度的 保障交通诱导分流的可行性、合理性。道路交通系统涉及的可靠度指标有连通可 靠度、运行时间可靠度、容量可靠度、畅通可靠度等等。其中，畅通可靠度是指 在规定的时间和条件下，路网交通运行达到畅通状态的可能性。畅通可靠度较为 充分地考虑了路网实际通行能力和交通需求的随机性，能有效反映路网的运行状 态。因此，可选取畅通可靠度作为灾害天气下管理路网可靠性分析的评价指标。 道路畅通可靠度的定义 畅通是车辆在道路上运行时达到的某种状态。包括两层含义：首先是“通 ， 即道路两点之间是连通的；其次是“畅 ，即车辆在道路两点之间的运行状态满足 人们的某种需求。通常对于道路交通运行状态进行评价的常用指标有：饱和度、 平均车速、延误、车道占有率、用户满意度、服务水平等。针对对高速公路周边 绕行路网的基本路段，通常选取车速来衡量道路交通运行状态。 参照服务水平的分级，可以将道路交通运行状态按畅通程度划分为五级，分 别为：非常畅通状态、标准畅通状态、基本畅通状态、不甚畅通状态、不畅通状 态。如表3 1 所示1 9 j 。 表3 1道路交通运行状态划分 t a b 3 1r o a dt i r t 五cs t a t ec l a s s i f i c a t i o n 交通运行 状态 交通特征 交通量很小，车流为自由流，使用者不受或基本不受交通流中其他车辆的影 非常畅通 响，驾驶自由度大，可自由选择所期望的速度，舒适便利程度极高。 交通量有所增加，车辆在交通流中开始易受其他车辆的影响，选择速度的自由度 标准畅通 相对来说还不受影响，舒适和便利程度有明显下降 交通量继续增加，车辆间的相互影响变大，选择速度受到其他车辆的影响，驾驶 基本畅通 员需相当留心其他车辆，舒适和便利程度有明显下降。 道路流量接近或达到道路容量，如果交通量稍有增加，或交通流内部有小的扰动 不甚畅通 就将产生大的运行问题，甚至产生交通中断，驾驶自由度低，舒适和便利程度也 非常低。 不畅通车辆经常排队，跟着前面的车辆停停走走，极不稳定。 畅通可靠度计算参数及模型 1 ) 道路单元功能函数 道路运营状态的影响因素总的来说有两个综合量，即畅通通行能力k c 与需求 流量矿4 】。 令z = g ( c ，y ) = k c - v ( 3 1 ) 2 8 第三章灾害天气下高速公路网交通管理策略 将实际通行能力利用折减系数k 进行折减所得的值可视为满足道路实现不同 的预定道路功能而须达到的相应通行能力。 z 0路段畅通 z 0 9 l 7 4 v ( 3 2 ) 式中：ij 二一车辆运行速度( k i n h ) ；i 卜- 交通量为零时的运行速度( k m h ) 。 4 ) 畅通可靠度及阻塞概率模型 根据式3 1 ，若已知道路功能函数z 的概率密度分布函数f z ( z ) ，则道路的畅通 可靠度p r 可按下式计算1 4 1 ： 咫= 尸 z o ) 5 1 ：厶( z ) 彪 ( 3 3 ) 若将道路处于阻塞状态的概率称为阻塞概率，以p b 表示，则 p b = p z 一爿 限9 ) 令：丝，】，：z - 9 z ，则： o zo z p r = p 】， 一) = l p y 一夕) = 矿( 一) ( 3 1 1 ) 式中：卜标准正态分布；( - ) 标准正态分布函数。 由公式3 1 1 得到的道路失效概率p b 值可根据b 值并通过标准正态分布表查出， 而b 的计算公式为 肛等2 掺专 1 2 ) o l 遗6 7 七gr ? 当b 变小时，阻塞概率p b 会增大；反之，当b 增大时，阻塞概率p b 会变小。 3 1 3 管理区段的划分 经过调研发现，很多高速公路往往由多个的交通警察部门分路段管理，以重 庆绕城高速公路为例，就由四个高速执法大队进行分路段执法管理。因此，可以 根据交通执法部门的管辖区段为界将高速公路划分为几个管理区段，然后再进行 管理单元划分。管理区段划分示意图如图3 2 所示。 ：单元 j 区段 图3 2管理区段划分示意图 f i g 3 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f m a n a g e m e n ts e c t i o l ld i v i d i n g 3 1 4 管理单元的划分 管理单元是路网管理中一切管理工作的基本实施单位，是决策分析的对象。 第三章灾害天气下高速公路网交通管理策略3 l 管理单元的划分在很大程度上决定了路网信息系统的决策分析结果的正确与否以 及其在实际工作中的实用程度。实际上，管理单元划分并非越细越好，划分合适 与否取决于该方法是否有助于灾害天气下的管理目标的实现。 划分原则 根据灾害天气下高速公路网交通管理的目标，提出了路网管理单元划分应遵 循以下三条原则： 1 ) 管理单元标识的唯一性和符合信息发布管理的常规性 管理单元标识的唯一性使系统能够在运行过程中迅速、唯一地确定其“身份”； 符合日常信息发布管理工作习惯的标识，能使用户更方便、准确地定位其对应的 现场路段。 2 ) 保证系统得到的信息发布决策的实用合理性 该系统的目标是从整个路网的角度出发，优化路网的信息发布，以确保灾害 天气情况下高速公路网运营的高效性和安全性。因此，划分的管理单元应该能让 系统管理者能迅速根据路网中所发生事件的类型和程度，准确方便地作出在相应 的某个或某几个路段的信息发布决策，从而最大程度地发挥发布信息的效益。 3 ) 单元内信息发布设备布设的可行性 信息发布设备是信息发布系统工作的基础，管理单元内的划分应确保信息发 布设备布设的可实施性。 划分结点 根据灾害天气下高速公路运营管理的需求，可以将互通立交、重点路段( 灾害 天气、事故多发路段等) 的端点为作为关键的路网节点，即管理单元的划分结点。 1 ) 互通立交 互通立交包含了交汇线的相交部分路段，以及沟通各相交线的匝道，其又可 分为枢纽立交和一般立交。枢纽立交系两条以上干线或功能类似的高速公路之间 实现交通转换的互通式立体交叉；此种立交往往占地广，规模宏伟，各流向交通 量均较大，为高速公路网的关键节点。一般立交指高速公路、一级公路与其他公 路相交，或其他公路相交的互通式立体交叉，其中高速公路与其他公路相交的立 交也可称为服务型互通式立体交叉；此种立交规模较枢纽立交为小，交通量亦不 会巨大，往往作为高速公路交通流的集散点。 将立交分为枢纽立交和一般立交两类，将使得路网的构建更具有层次性，对 于路网的快速搜索、定位功能有较大提高。 2 ) 重点路段 重点路段是指灾害天气发生频率较高且比较严重，容易造成事故的路段，以 及其他事故多发路段，如长大下坡路段等。在这些重点路段的端点处，往往需要 3 2 第三章灾害天气下高速公路网交通管理策略 布置一定数量的可变信息标志，向驾驶员发布有关天气、交通状况、交通管制措 施等方面的信息。因此，以重点路段的端点作为本路网模型的节点具有重要意义。 3 1 5 灾害天气下高速公路管理路网层次模型 根据前面提到的路网信息系统业务流程，以及路网管理区段、管理单元的划分 特点，并考虑到计算机语言易于实现的原则，可以将灾害天气下高速公路管理路 网模型分为下述三个层次：宏观管理层次，单元分析层次，设施关联层次。 宏观管理层次 此层次模型主要是对灾害天气事件发生单元、决策实施单元的快速搜寻提供支 持，即主要关注路网追踪问题的解决。本层次并不关心数据采集和决策的具体内 容，故不需要将各类信息采集、发布设备纳入。另外，本层次针对的是宏观对策 的发布单元，而不是具体对策执行部位，因而只包含了必要的管理单元对象，如 路段、互通立交、服务区，而不需要对上下行车道、匝道等细部结构进行区分。 单元分析层次 此层次主要是对上一层次各宏观管理单元接收的对策进行再分发，将各细节 发布至相应的细部位置，如路段的上行或下行车道、中央分隔带开口处等。 设施关联层次 本层次模型是在第二层次数据模型之上，将信息发布设备按照其所处的车道、 桩号，以节点要素的形式布置于各个边线要素和节点要素上，即构成第三层次模 型信息发布设备与路线之间的关联层次模型的数据基础。 灾害天气下，高速公路管理部门可以根据这三个层次的路网模型制定出管理 决策，流程如图3 3 所示。 灾害天气实时监控数据 l ， 、 宏观管理层次 确定需要进行信息发布的单元 i一 ， 1 单元分析层次确定信息发布方案的实施位置 i- 设施关联层次匹配各信息发布设备的发布内容 1j 管理人员调整、确认、发布信息 图3 3基于路网层次模型的决策流程 f i g 3 3d e c i s i o nf l o wt h a tb a s e do nf r e e w a yn e t w o r k h i e r a r c h i c a lm o d e l 第三章灾害天气下高速公路网交通管理策略 3 3 当路段发生灾害天气时，信息中心根据采集的事件数据，通过宏观管理模型 确定事件所处的管理单元、车道，并追踪分析出符合信息发布条件的节点；然后， 通过单元分析层次确定向某个管理单元各构成部位发布的对策；最后由设施关联 层次模型根据路线包含的设备属性要素( 位置、设施类型等) ，将信息发布内容匹 配到相对应的信息发布设备。 3 2 灾害天气下路网交通分流策略 3 2 1 交通分流的基本原则 灾害天气下，高速公路局部路段或全线的行车环境恶化、道路通行能力下降， 无法满足较大的车流量，很容易造成道路堵塞甚至重大交通事故。因此，进行交 通分流的目的是保证灾害天气等级较低、影响范围小时，高速公路处于一定服务 水平，以最大程度地保障高速公路的运营安全和效率；当灾害天气等级较高、影 响范围广、高速公路临时性关闭时，将高速公路交通流分流到周边路网，保障路 网交通的继续运行。 对于事件高速公路来说，灾害天气下进行交通分流，应遵循以下几个原则： 1 ) 灾害天气等级低、影响范围小时，应保持高速公路处于一定的服务水平， 车辆能以一定的速度、安全通过灾害天气区域。 2 ) 确定交通分流量时，要求交通分流量合理，减少高速公路运营损失，避免 过度增加周边路网的交通负荷。 3 ) 实行多级分流原则，从灾害天气的事件发生区域、临近区域、较近区域以 及较远区域的交通源头实现逐级分流。 对于事件高速公路周边的分流路网来说，应遵循以下几个原则： 1 ) 高速公路交通量分配到周边路网后，不能导致分流道路交通拥堵。 2 ) 从整个路网布局考虑，尽量将高速公路交通流量分散地进行分流。 3 ) 针对灾害天气下高速公路出现的i 临时性封闭，应预先确定合理绕行路线， 绕行路线不宜过长且道路条件不宜过差。 3 2 2 最优绕行路径 在管理路网中，最优绕行路径的确定主要受到两个因素的影响，即所使用的 最短路径算法和所选择的道路权重。最短路径算法是最优路径选择的搜索工具，决 定了如何在庞大的路网数据库中找到最优( 或者最满意) 的可行路径。道路权重则是 最优路径选择的搜索指标，它的标定决定了通用最短路径算法搜索的依据。 最短路径算法 3 4 第三章灾害天气下高速公路网交通管理策略 常用的最短路径算法有d i j k s t r a 算法，f l o y d 算法、启发式算法、彳 算法以及 蚁群算法等。其中，d i j k s t r a 算法是目前公认最好的算法，是目前多数系统解决最 优路径问题所采用的理论基础。 d i j k s t r a 算法的基本思想是用逐点增长的方法构造一棵路径树，从而得到从该 树的根节点( 即起点) 到其他所有节点的最优路径。其基本原理是：首先，从起点出 发，遍历所有直接连通节点，将其中权重最大的节点作为中间节点：然后，扩展 出该中间节点的所有后续节点，并遍历该中间节点的所有直接连通节点，并修改 其他节点在加入该中间节点后距离起点的距离；再次，选择出权重最大的节点， 将其加为中间节点，并修改其他的中间节点；最后，循环执行第二、三步，直至 找到终点。由此可以得到按权重递增次序排列的从起点出发经过各中间节点到达 终点的最优路径序列。 d i j k s t r a 算法的具体步骤为【1 0 】：首先，给起始点0 一个标号l ( o ) = o ，而对1 ，0 ， 则有z ( ，) = - i - o o ，在算法进行中，这些标号不断被修改；第i 步结束时，对已选定的 顶点u s ，有： l ( u ) = d ( o ，) ( 3 1 3 ) 而对其余顶点v s ，有 d ( o ，1 ，) ，( 1 ，) = m 陋 d ( d ，) + 以l n ，) ( 3 1 4 ) i i i 砧i 1 因此，d i j k s t r a 算法的步骤可以归纳为： 1 ) 令，( o ) = o ，对1 ，v 一0 ，( v ) = 佃，s o - o ) ，i = o ，v 为结点集； 2 ) 对每一个，- ( 约) ，蚝( 约) 为在& 中的邻域，户i e j r a i n l ( v ) ，“) + w ( 吩叫 代替z ( v ) 。如果，( v ) 取到，“) + 氓v ) ，则在v 旁边记下“) 。计算吨 ，( 1 ，) ) ，并 把达到最小值的这一个顶点记为u t + 。置& ，= su 蚱+ ， ： 3 ) 若f = p ( g ) 一2 ，则停止计算。否则用f + 1 代替f ，并转入第二步。p ( g ) 为 图g 的结点数。 当算法结束时，从到的距离由最终的标号给出可根据各个顶点旁边的追回出 从顶点到的最短路。 高速公路网与城市道路网有明显的区别，具体表现在： 1 ) 高速公路网的出人口分布具有规律性，站间距离比较匀称，车辆在途中不 能换向行驶；城市道路交叉口之间的距离差异较大，车辆停转的位置比较随意， 可换方向的位置比较多； 2 ) 高速公路各个出人口通过高速公路连接成链状，城市道路交叉口网状特征 更明显； 3 ) 高速公路网通过互通立交将各条高速公路及周边干道连接起来，形成有限 第三章灾害天气下高速公路网交通管理策略 3 5 的节点；城市道路中的交叉口和节点多，节点密度大。 此时，在解决高速公路网的最短路径求解问题中，如果采用一般的d i j k s t r a 算 法，难以体现其单条高速公路链状的特点，必然存在大量的计算冗余。通过链表 将各个收费站连接起来，可以简化高速公路网的拓扑结构。当起点和终点在同一 条高速公路上时，只需在链内搜索，只有起点和终点分布在不同道路上或虽在一 条道路上但因故交通异常中断的情况下，才需要在网内搜索最短路径。这些处理， 都降低了搜索最短路径的复杂度。以绕城高速公路区域路网为例，简化拓扑结构 如图3 6 所示。 ，+ 1 、 、x ，、 、 。j r ，- 二、- r ，一。、r 。、 、 7 内环 、 、- ” 嚣二竺i l 器嚣i 图3 4绕城高速公路区域分流路网节点链接图 f i g 3 4r e g i o n a lf r e e w a yn e t w o r kn o d eo f c h o n g q i n gr i n gf r e e w a y 道路权重 常用的道路权重有平均行程时间、距离以及行程费用等。在灾害天气下，驾驶 员往往希望在最短的时间内回到高速公路或达到目的地，因此，可以选取平均行 程时间最为道路权重。平均行程时间的计算公式如式3 1 5 所示： 一 r t = 兰 ( 3 1 5 ) y 式中：s 一一道路长度( k m ) ；驴一一平均车速( k m h ) 最优绕行路径预案库 高速公路管理部门可事先编制路网最优绕行路径预案库，以便灾害天气发生 时，能够迅速生成最优绕行路径方案。以重庆绕城高速公路青木关互通至曾家互 通为例，路网最优绕行路径预案库的格式和内容如表3 - 3 所示。 3 6 第三章灾害天气下高速公路网交通管理策略 表3 3最优绕行路径预案库的参考格式和内容 t a b 3 3f o r m a ta n dc o n t e n to f o p t i m a l b y p a s s i n gp a t hp r e p a r e d n e s ss c a l e 曾家互通县道3 0 k 陈家桥镇 往青木关互通方向 国道3 1 9 一。木关互通 绕行路线 青木关互通国道3 1 9 一陈家桥往曾家互通方向 镇县道3 0 7 l 一曾家互通 绕行距离约2 8 8 公里 预计行程时间约6 4 分钟 3 3 灾害天气下路网交通控制方法 常用的高速公路交通控制方法有入口匝道控制、出口匝道控制、通道控制以 及主线控制等。 3 3 1 入口匝道控制 入口匝道控制是使用最广、效果也最为良好的高速公路交通控制方式之一。 入口匝道控制的基本目标是控制高速公路的交通需求。它以高速公路主线交通流 为控制对象，以匝道入口流量为系统的输入控制量，通过计算匝道上游交通需求 与下游道路容量差额来寻求最佳入口匝道流量控制，从而使高速公路本身的交通 需求不超过它的容量，使高速公路交通流处于最佳状态。 灾害天气下，一些期望使用高速公路的车辆，在允许它们进入高速公路之前 将要求它们在入口匝道、收费站等待。如果不想在入口处等待，可以选择不走高 速公路，或者从另外一个入口进入，或者另选一个时间进入。这种在运行中至少 有一部分选用其他路线、时间或者运输形式的交通称为可转移交通。因此，入口 匝道控制期望的目标是通过把高速公路上的延误因素转移到入口匝道，从而在高 速公路上维持一个既不间断也不拥挤的交通流，也就是把延误的车辆转移到其他 可替换的道路上，或者转移到需求较低的其他时间，或者采用其他运输方式1 1 1 1 。 实施条件 由于入口匝道的控制所获得的高速公路的运行效益是以通道内其他替换道路 上