基于ETC系统数据的高速公路主动管控建设探讨

2021-01-29 09:37:08 来源：中国交通信息化作者：王健评论：人

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作者：王健（江苏沿江高速公路有限公司）

摘要：城市群的加速形成让城市间的高速公路出行需求日益增加，而大流量、交通事故等造成的交通拥堵问题也给高速公路管理带来了巨大的挑战。随着江苏省高速公路网ETC门架系统的建设完成，ETC门架系统可提供精度高、可靠性好的多元交通数据，如何利用这些数据识别或预测交通拥堵，辅助管理者采取有效措施缓解或消除交通拥堵具有重要的应用意义。本文研究利用ETC门架系统多元交通数据，获取龙门架位置区域的交通流量Q、区间平均车速

，货车出行流量Qh等信息，评估道路交通实时运行状态和货车通行状态，基于这些分析成果，建立主动交通管控平台系统，采取主线动态限速、主动匝道控制、货车限制等主动管控措施，一方面控制主线车流、匝道车流对拥堵路段的不利影响；另一方面管控货车出行行为，提高货车通行效率和出行安全。

作为江苏省规划建设的“五纵九横五联”高速公路网的重要组成部分，沪苏浙高速公路（G50江苏段）正面临着一些相应的管理困境，迫切需要科学有效的解决方案，比如其他相连高速公路管控分流引发的短时大流量，交通事故等突发事件引发的交通拥堵；大货车通行占比高带来的管理问题等。然而缓解或避免交通拥堵等问题，再次单纯地依靠增加道路交通设施并不能从根本上解决问题，并且传统的基建投资效益比持续下降，而通过信息化手段提升高速公路管理水平，降低交通拥堵危害越来越得到重视。比如主动交通管理ATM(Active Traffic Management)，通过各类先进的智能感知方法，主动获取交通状态数据，通过对多源数据的综合分析，预测交通运行状态，进而采取针对性的交通管控技术提高道路通行能力，避免或减轻交通拥堵。

一

前言

目前国家正加速推进“新基建”战略，各类信息化、大数据分析等技术蓬勃发展。2019年江苏省高速公路联网营运的各家公司全力完成了国家取消高速公路省界收费站任务。在取消省界收费站后，建立江苏省高速公路全网ETC门架系统，可实时准确获取通过龙门架的车辆相关信息。江苏高速公路网有23个路网成员单位，共计422个收费站，79个枢纽，18个省界收费站，覆盖里程近5000公里，合计4402个收费车道、1300多个门架，全网ETC门架系统的建设日趋完善。

基于ETC门架系统等新型智慧交通基础设施建设成果，如何应用信息化技术、大数据分析等新兴技术发挥交通大数据的价值，并结合交通工程学理论展开智能化应用，进而减轻交通拥堵对公众生命财产的危害具有十分重要的意义。本文拟通过利用ETC门架系统的多元实时数据展开高速公路主动交通管控建设研究，以期能够获得可落地实施的高速公路主动交通管控措施。

二

ETC门架系统数据及应用

主动交通管控的建设主要包括三个方面：智慧感知交通数据；数据分析与交通状态预测；针对性的交通管控措施。主动交通管控措施的有效性完全依赖于智慧感知系统提供的交通数据，作为智慧感知系统之一的ETC门架系统将是主动交通管控平台系统建设的基础。

（一）ETC门架系统简要组成

ETC门架系统主要由车道控制器、RSU（ETC路侧天线）、高清车牌图像识别系统等设备设施组成（详见图1）。目前ETC门架系统暂不包含车辆检测器、气象检测器、断面称重检测设备等。整个ETC门架系统实现自动快速获取车辆OBU信息、识别通行车辆前后车牌颜色和号码，最终完成高速公路行驶车辆的路径标识和分段计费。

图1 ETC门架系统组成

（二）ETC门架系统数据

本文主要利用RSU系统和高清车牌图像识别系统中相关原始数据进行研究分析和应用。两个子系统可获取的交通类数据见下表。

（三）基于ETC门架数据的拥堵评估预测

通过研究表1的数据内容可发现，利用“passId”、“transTime”、“OBUVehiclePlate”、“etcTypeCount”等多个数据可获取统计周期内（5分钟或10分钟一个周期）通过特定龙门架位置的交通流量，结合“gantryId”数据内容即可知道实际地理位置上每个龙门架位置附近的实时交通流量Q。ETC门架系统布设示意如图2所示。

图2 ETC门架系统布设示意图

备注：数字2标识卫上行和下行方向各一个门架

再由“vehicleSpeed”数据内容获取统计周期内的每个车辆的行驶速度，并计算该统计周期内的区间平均车速：

其中，

为区间平均车速；vi为第i辆车行驶速度；n为统计周期内通过龙门架车辆总数。

根据沪苏浙高速公路的道路要素参数和设计通行能力，由公式

建立如图3所示的交通流量-速度关系曲线图（图例数据非真实数据，仅示意用）。

根据实时交通流量Q和计算出的区间平均车速

，计算

图3 流量-速度关系曲线图（示例）

评估龙门架位置区域的实时拥堵状态，为后续的指挥调度或主动交通管理提供决策依据。

同时另一方面，亦可根据区间平均车速

建立此龙门架位置区域的速度演变趋势图。当区间平均车速

连续两个周期低于70km/h，可通过相关管控平台软件进行拥堵预警，并提醒管理者及时介入管理，主动预防可能出现的交通拥堵。

（四）货车通行状态评估

在沪苏浙高速公路日常通行流量中，各类型货车出行流量占总流量比例较大。因货车流量大而可能引发的交通拥堵、交通事故、抛洒物等问题也是管理者所关心的重点问题。如何准确识别高速公路上货车的实时流量，进而采取措施对货车通行进行引导和管控十分必要。通过研究上表的数据内容可发现，可利用当前ETC门架系统的建设成果，如“OBUVehicleType”“etcTypeCount”等数据，准确识别通过龙门架区域的不同车型流量，包括货一到货六车型。结合沪苏浙高速公路各个龙门架实际位置，可实时掌握进入沪苏浙高速公路主线的货车流量Qh和需特殊关注的大型特种货车，为后续交通主动管控平台建设提供管控依据。

三

主动管控措施

目前在国内外高速公路管理中应用的主动交通管控措施主要有：主动匝道控制、精细化车道管理、合乘车道（HOV Lane）、排队预警、货车限制、交通事件管理等措施，而这些管控措施的实施需要有配套的智慧感知系统、数据分析系统来实时分析评估和预测道路交通运行状态。结合沪苏浙高速公路现状和管理需要，基于ETC门架系统数据可展开高速公路交通主动管控平台研究和建设。在准确评估和预测道路交通运行状态的基础上，通过信息化管理平台采取监控预警和主动管控来缓解或消除交通拥堵、提高货车通行效率等。整个主动管控平台系统应包括以下几个部分。

（1）智慧感知系统：目前主要依赖于ETC门架系统，后续可基于“新基建”发展需要，补充其他类型的智慧感知系统，比如微波雷达系统，补充布设在ETC门架间距较大的位置。

（2）数据采集系统：采集各类型智慧感知系统的数据，包括并不限于ETC门架系统、微波雷达系统、高清视频监控系统等。

（3）数据处理分析系统：通过对ETC门架系统多元原始数据的处理和分析，评估高速公路交通运行状态，预测交通拥堵，关注货车大流量等问题。

（4）主动管控应用系统：基于数据分析和预测成果，采取科学化管控措施，进行主动交通管控，缓解或消除交通拥堵等。

结合沪苏浙高速公路ETC门架系统等智慧感知系统，可通过主动管控平台展开主线动态限速、主动匝道控制以及货车限制等多元主动交通管控。

（一）主线动态限速管理

高速公路主线动态限速管理是面对交通拥堵或车流缓慢行驶时，通过对上游主线车流的动态限速管控，一方面控制整体车流平稳降低车速，避免车辆大规模紧急制动引发大规模追尾等交通事故；另一方面，降低整体车流的行驶速度，控制车流在交通拥堵处的汇聚，避免二次拥堵的发生。

主线动态限速管理需利用高速公路情报板系统进行信息的动态发布，布设密度需满足一定的要求。根据现有情报板系统情况，适当增设小型单色情报板系统（可大幅度降低成本），保证平均5公里左右有一套情报板可用于信息发布。当主动管控平台系统基于ETC门架系统等识别或预测出交通拥堵发生位置，主动管控平台系统依据交通拥堵发生位置，进人工审核后快速通过情报板系统以80→60→40km/h等阶梯下降速度引导上游车流有序降低车速，完成上游主线车流速度的平稳降低。

（二）主动匝道控制管理

主动匝道控制管理主要是在车辆汇入主线车流的匝道处建立放行管控系统（如图4所示）来控制车流的汇入。目前主要以在匝道汇入主线处建立红绿灯作为放行管控系统，以红绿灯交替放行形式控制在匝道处等候车辆的汇入。当主动管控平台系统识别或预测出交通拥堵，启动交通拥堵处的上游收费站匝道控制系统，并通过设置红绿灯交替放行时间参数控制车辆汇入量（包括短时间的长红设置），减轻对下游交通拥堵的冲击。

图4 主动匝道控制管理

（三）货车限制管理

高速公路上货车因载重量大、危险货物不明等因素，一旦发生交通事故必将带来巨大的人员和财产损失，非常有必要对货车进行有效限制和管控。在主动交通管控中，货车限制旨在采取有力措施限制或引导货车的出行，保障道路交通安全畅通运行。货车限制管理在与智能诱导的联动中，因地制宜采取车道限制、车速（可变）限制、超载限制等措施保障道路畅通。

主动交通管控平台可基于ETC门架系统的智慧感知数据精准识别出通过龙门架的货车交通量Qh和需特殊关注的大型特种货车，当货车交通流量超过预定阈值，可结合主线动态限速管理中的情报板系统等智能诱导系统，开启货车专用车道管理、货车专用车道车速限制等管控手段，提高货车通行效率，保障道路通行安全。

四

结论

通过对ETC门架系统相关数据内容的详细研究可发现，ETC门架系统能够获取高精度地交通流量、区间平均车速等信息，可评估高速公路实时交通运行状态，识别龙门架位置附近的交通拥堵或者预测未来交通拥堵。本文研究建立高速公路主动管控平台系统，针对识别或预测出的交通拥堵，及时向高速公路管理者告警，并因地制宜地采取主线动态限速、主动匝道控制措施进行管控，通过对主线车流、收费站匝道车流的主动管控来减轻对拥堵路段的不利影响。另一方面，可基于ETC门架系统中货车出行数据展开多元的货车限制管理，通过货车专用车道、货车限速等管控措施有效地提高货车通行安全。

然而受限于ETC龙门架的布设密度，目前只能准确地评估龙门架位置的交通实时运行状态。对于高速公路交通主动管控平台建设而言，后续可结合“新基建”发展战略，有针对性地补充其他智慧感知系统，消除管控的盲区，进一步提高高速公路全路段的交通拥堵识别或预测准确度。同时未来ETC门架系统建设不断优化升级，或可根据对车辆类型的进一步细分，比如两客一危车辆等，展开对两客一危车辆的动态跟踪和车载危化品的快速识别，辅助高速公路的安全营运管理。

参考文献

[1] 高速公路ETC门架系统技术要求（交办公路函[2019]856号）

[2] 王炜,过秀成.交通工程学[M].东南大学出版社,2008年

[3] 余凯.不利条件下高速公路动态限速方法研究[D].武汉：武汉理工大学，2010.

（原文刊载于2021年第12期《中国交通信息化》）

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责任编辑：黑萝莉

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