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山区高速公路综合管控关键技术与智能场景应用探究

论文

作者:胡汉桥1,陆由1,周荣贵2,刘文智3(1.湖北交投高速公路运营集团有限公司2.交通运输部公路科学研究所;3.北京万集科技股份有限公司)

摘要:本文以沪渝高速公路宜恩段最复杂的路段进行试点,分析山区高速公路的运营风险因素,建立长下坡、长大隧道、特大桥风险辨识模型,针对性地采取管理措施、工程措施、交通工程、智能信息化手段进行智能化综合管控平台探究,探索建立切合实际需求的智慧高速公路建设模型、应用场景、关键技术和运营推广模式。

在新基建政策下,各省纷纷推出智慧高速公路建设规划与示范工程,各种新概念层出不穷,各建设单位、运营商、集成商、设备厂家纷纷推出自成体系的智慧高速产品,但由于建设投入资本、市场规模、顶层设计、系统对接、业务逻辑与应用深度等原因,智慧高速概念多、投入大、成效低、公众热度小、复制性差,因此,短期内大规模推动智慧高速公路新建设困难较大。

背景

湖北高速公路路网基本成形,部分路段传统的三大机电系统应用效率发挥较低,规划新建高速公路的智慧高速工程难度更大。鉴于此,探索在现行营运的山区高速公路进行安全管控关键技术研究和智能场景设计,建立智能数字化平台,建立切合实际的智慧高速公路建设、应用与运营推广模式。
(一)现状
湖北沪渝高速鄂西段(包括宜昌至恩施段、恩施至利川段),2009年12月19日全线建成通车,鄂西高速公路线型高低起伏,全线纵坡多、桥隧多、弯道多、纵坡长;全线气候复杂多变,全年暴雨、大雾、冰雪等恶劣天气频繁;辖段通行车辆80%以上为长途过境车,且以13米以上的重型货车、半挂车为主,超宽车较多。以上因素共同作用下,该高速公路通行和安全管控压力非常大,全线安全管理成为运营管理的首要难题。最复杂的路段为榔坪停车区(K1262)至高家堰互通(K1218+475)之间,金龙隧道洞口至高家堰互通段长28km,海拔落差近900m,其平均纵坡为3%,最大纵坡为5%;同时长下坡路段有连续三座特大桥。因此,该路段兼具长下坡、隧道群、桥梁段的三大治理难点,进行智慧高速场景的研究更具备理论、实践价值和推广价值。
(二)目的
通过现场勘察、历史数据积累、环境调查、事故黑点分析,应用交通安全工程、信息化手段、新基建技术进行综合研究和部分试点,提高本路段道路感知能力、数据的融合能力、安全预警监测能力、“一路四方”联动效率,提升道路安全性能、通行能力和服务水平,建立智慧高速公路应用场景模型。
1、提升安全性能
针对该路段长下坡、隧道群、桥梁、急弯路段等多种条件下危险及事故多发原因分析,通过风险辨识和风险因素分析,有针对性地提出智能化解决方案,在“一路四方”协同联动的基础上,研究实施交通智能工程,全面提升示范路段安全性能。
2、提高通行效率
通过实施路段的安全提升工程,实现全路段双车道通行,提高通行效率,解决“高速公路不高速”的问题,缓解高峰时段和节假日拥堵程度,实现准全天候通行。
3、拓展智能效能
通过长下坡、隧道群、桥隧连续与综合信息四个智能场景的关键技术与场景研究,建立具备推广价值的智慧高速公路示范技术标准、综合平台数据功能对接指南、公众综合信息服务模型。

设计思路

基于现场踏勘和原施工设计实际,根据宜恩段的交通量、交通组成、路线设计指标、安全设施运行和交通事故等情况,结合目前采取的安全对策措施,辨识长下坡路段、隧道群、桥梁段存在的交通安全风险,从管理措施、工程措施、交通工程、智能信息化四个方面,研究长下坡路段安全提升与智慧高速应用技术理论,并实施智能化管控设备的综合应用,提升道路交通安全管控水平,为运营单位安全改善工作和智慧高速公路应用场景设计提供支撑。研究的关键技术路线如下。
(1)根据路段交通量、交通组成、路线设计指标、隧道设施运行和交通事故等情况,分析21km连续长下坡路段和隧道存在的交通安全风险,提出长下坡路段安全管控策略。
(2)基于隧道风险评估结果,面向隧道环境、运营状态全天候监控、运营安全风险预测预警和突发事件抵近处置需求,进行长大隧道设施数字化、图像化、IP化、国产化,完成综合平台升级改进,实现隧道重点路段运行状态预警预测和精准管控。
(3)对山区高速公路应急能力进行评估,结合长下坡路段、隧道、桥梁分布情况,评估隧道各类应急资源、应急预案、周边应急站点设置的合理性,建立数字化与智能化的管控模型,并对交通专项行动提供优化意见。
(4)进行运营单位养护管理法律责任风险分析与对策,根据交通安全风险评估结果,从管理制度、一路三方联动、交通事故相关诉讼等角度开展分析,辨识可能存在的责任风险,建立智能化预警机制与预案体系。
(5)研究示范路段各类信息采集、预警、数据分析、处置和车路协同的关键技术与新设备应用。

风险辨识与安全评估

经调查,沪渝高速公路鄂西段事故95%发生在下坡路段,下坡路段的事故90%涉及大货车,车辆超速超载行驶事故的比例占到六成,因疲劳驾驶、车辆刹车及发动机故障等造成的事故比例较高,涉及大货车的交通事故大都与长下坡刹车失灵有关,占事故总数的39.2%。
(一)长下坡风险辨识
长下坡安全风险因素主要包括交通条件(交通量、交通组成和车速)、线形指标(坡度、坡长、平曲线、竖曲线)、路面条件(路面平整度、路面抗滑性能)、环境因素(天气因素、时段因素)等影响车辆在长下坡路段行驶时交通安全风险可能性和严重程度的因素。所研究路段的主要风险为因长下坡货车易出现制动过热、爆胎等交通事故,应采取预警、管控与交通工程进行处置。
(二)隧道群风险辨识
隧道群安全风险因素主要包括隧道群视觉适应、交通条件(包括交通量、交通组成和车速)、线形指标、隧道选址、路面平整度、路面抗滑性能等影响车辆在隧道路段行驶时交通安全风险可能性和严重程度的因素。
采用指标体系法建立风险评估模型,评估试点路段隧道群总体运营风险等级为四级,隧道群道路事故发生可能性非常大。隧道洞口明暗变化、洞内照明不足、能见度低、路面摩擦系数降低、隧道曲线、安全设施不完备、超宽车辆是隧道交通事故的主要原因,因此,应对隧道群进行处治,消除事故隐患,确保隧道内行车安全。
(三)桥隧段连续风险辨识
恩宜向长陡下坡段包括3座大桥,其中渔泉溪大桥连接朱家岩隧道,渔泉溪隧道、魏家洲大桥、扁担垭隧道依次相连,具有桥隧连接的特点。该路段日均流量2021年达52165pcu,货车占比43%~50%,而货车中跨省长途货车占货车总流量的76%,40t以上的重载货车占比为35.9~41.9%。
桥隧安全风险因素主要包括驾驶员、车辆性能、交通量、交通组成、道路环境状况、气候因素等影响车辆在桥梁段的交通安全风险可能性和严重程度的因素。其主要风险为所处路段长下坡地段,多与隧道相连,车辆在桥梁段行驶时车速高、车流大、车辆间距小,而下坡因刹车鼓热衰退而刹车失灵,或行驶中车辆出现故障而不能及时停靠,导致车辆追尾或撞击护栏;或因桥隧连接段环境变化剧烈,驾驶员反应不及时,引发交通事故。
(四)综合处置
通过查阅长下坡路段和隧道运营管理单位相关规章制度、应急预案、应急联动协议及突发事件应急处置中反映出的应急组织情况进行评估,并通过构建本长下坡路段和隧道段典型突发事件与场景,基于现有的应急资源布局和应急响应能力,通过事件仿真与计算模拟等手段,以及既有突发事件应急处置中反映出的实际响应救援能力开展评估。

关键技术与场景应用设计

(一)长下坡路段场景设计
连续长下坡路段交通安全事故主要有几个特征:坡度越大,坡长越长,事故数越多;事故多发生在连续长下坡下半段(坡中、坡底段);事故形态多为碰撞和翻车;事故多发生在凌晨1点到7点;载重货车比例越高,事故数越多;交通量越大,事故数越多;由天气引发的交通事故比例较高。因此,试验路段要求事故与管理需求,对连续长下坡路段安全通行能力提升路段进行分类,坡前上游路段进行货车车况检查、轮胎温度检查;坡顶起始路段设立速度管理标志、区间测速(开始)和电子警察(限速、车道管理);坡中路段设立速度管理标志和电子警察(限速、车道管理);坡底路段设立速度管理标志、区间测速(结束)和电子警察(限速、车道管理)。

应用的主要关键技术:其主要原理为通过增设各类感知设备,精确检测车辆的异常状态,并通过平台算法给予快速的信息诱导和“预警”信息一路三方联动,加强交通管制与物理措施,减少异常车辆的几率。
设备主要有:预警可变情报板、货车状态检查管理系统、车端信息服务、气象检测器、雾灯(示廓灯)避险车道监控系统、超速抓拍系统(点速)、交通流感知、货车自动安全预警系统、智能护栏系统、交通事件检测系统、超速抓拍系统(区间测速)、压电减速系统、应急预警管控系统等。

二)隧道群场景设计
高速公路隧道群交通安全智能场景设计,需要对隧道群交通安全运行环境的综合优化,以减少交通事故发生的可能性,减轻事故的严重程度,需要从主体结构、交通工程设施、隧道进出口及周边环境、机电系统、应急救援体系等方面,对隧道群进行安全综合场景应用设计。从隧道运营安全能力提升角度分析,主要包括进一步完善隧道设施设置和机电系统改进,搭建智能管控平台和设备,实现隧道重点路段运行状态和安全风险的精准管控。

应用的主要关键技术:主要通过长大隧道设施数字化、图像化、设备的IP化、控制设备国产化,实现安全设施升级,增加人、车、路、环境的检测设施,丰富隧道环境、道路的感知能力,并通过数字化平台建立隧道综合管控平台,对接区域、省级平台和安全管理平台,加强“一路三方”信息联动,提高隧道通行的预警能力与处置能力。
应用的主要设备:超限检测设备、视频分析系统、智能照明管理系统、智能护栏系统、智能巡检机器人、隧道设施数字化图像化、车端信息服务平台、隧道综合管控系统等。

(三)桥隧连续应用场景设计
结合交通运输部关于桥梁专项升级的各项要求,针对本路段桥梁与隧道连续的特征,增设桥梁结构监测、桥面状态、道路环境、气象检测等监测设备,进一步完善道路运行采集体系,并通过AI算法预警预测道路运行风险,改善桥隧连续段的抗滑能力和自动处置能力,增设道路与预警信息标志,提高与驾驶员信息互动能力与养护人员事件处置能力。

应用的关键技术:通过前端的感知丰富连续桥隧段的道路、环境与车辆的实时状态,并通过视频分析、结构数据和气象分析提高运行预测、预警与预判能力。
布设的主要设备:综合环境检测系统、自动除冰设备、雾灯诱导系统、桥梁健康检测设备等,主要完成多源数据采集与综合预警平台的建立。
(四)综合管控平台升级
在充分利旧的前提下,将试点区域(包括影响区、上下游、长下坡、隧道群、桥隧连接段)视为一个整体,对综合信息系统进行统一规划、建设、管理。加强与相邻路段的互联互通,实现信息的实时共享,特别通过影响区实现截流、分流和信息的提前预告;实现与上级管理部门的互联互通,实时上传交通状态、交通事件、交通事故信息,接收上级部门的调度指挥;实现与交通管理部门的互联互通,尤其是在超速抓拍、超车抓拍、违停抓拍等方面,与公安交管共建共管,通过交警执法提高系统的效果;在应急救援方面,通过与公安交管、路政和地方政府的协同指挥调度,提高应急救援的效率。
(五)智慧高速试点与技术应用
通过研究宜恩高速公路长阳段的长下坡、隧道群和桥梁段的风险因素、安全评估等级,并根据其影响因素,制定智能场景应用策略,增设信息采集、传感设备、控制设备、显示设备,完善路端、车辆信息交互,逐步通过交通工程、信息化工程建立长下坡、隧道群、桥梁段的智能化管控模型,实现交通事件发现及处理的全流程管控,重点路段车辆全域跟踪,实现道路安全驾驶,改善交通环境,减少交通事故,从而达到山区智慧高速建设的雏形,可以通过测试与应用逐步向智慧高速路网进行平滑过渡。

结束语

智慧高速是系统工程,不仅要从工程、管理、交通和信息化的角度思考与推动,更要思考“粗放式”向“数字化”至“智慧化”进程的关键因素,不是简单的设备堆砌,要明确战略定位,加强数字技术与人的相互作用、相互促进;不能独立以工程建设的角度考虑智慧高速的建设,要结合国企改革、国企责任与社会责任的宏观要求,通过新基建与数据价值赋予企业的“数据智慧”与人的“理性智慧”;建立智慧平台,实现企业智能化的互联互通;落地智慧流程,推动各方动态互动,实现各种场景应用;培养智慧员工,自我驱动,推动智慧高速、智能交通的智慧进程。
参考文献
[1] 周江华,史玖琦.智慧的企业,还是企业的智慧[J].清华管理评论,2021(07):97-103.
[2] 刘旭,谷岩.浅谈车路协同在高速公路运营服务中的应用[J].中国交通信息化,2021(09):39-40.
[3] 盛刚.高速公路紧急事件应急救援关键技术研究[D].西安:长安大学,2016.

(原文刊载于2022年第5期《中国交通信息化》)


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