山区高速公路运行环境复杂路段行车安全预警系统

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第39卷，第5期公路工程Vo1．39，No．52014年10月HighwayEngineeringOct．，2014山区高速公路运行环境复杂路段行车安全预警系统孙龙声，方勇，郭忠印(1．贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵州贵阳550081；2．同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海201804)[摘要】从特殊的线形条件、重要结构物特征、交通环境与气象环境四方面定义运行环境复杂路段，并综合分析其运行环境风险性，制定了行车车辆运行安全控制标准；利用ITS应用技术提出了采集设备布设和可变信息发布设施布设方法，开发建立了山区高速公路运行环境复杂路段行车安全预警系统。系统由运行环境信息采集、基于GIS的数据库管理、行车安全预警、安全管理决策支持、信息发布等子系统组成，可实现山区高速公路运行环境复杂路段车辆安全控制、交通流协调与应急处理等功能。【关键词]山区高速公路；运行环境复杂路段；预警系统；行车安全；信息采集与发布方法[中图分类号]U491．25[文献标识码】A[文章编号]1674—0610(2014)05—0054—05SafetyWarningSystemforOperationalEnvironmentSpecialSectionsofMountainFreewaySUNLongsheng，FANGYong，GUOZhongyin(1．GuizhouTransportationPlanningSurvey&DesignAcademeCO．，LTD，Guiyang，Guizhou550081，．China；2．KeyLaboratoryofRoadandTrafficEngineeringoftheMinistryofEducation，TongjiUniver—sity，Shanghai201804，China)[Abstract]Operationalenvironmentspecialsectionsweredefinedandanalyseditsrisksfromgeo—metricalignmentconditions，roadfacilitiescharacteristics，trafficandclimatic．Then，SafetyWarningSys—temforoperationalenvironmentspecialsectionsoffreewaywasestablishedbydrivingsafetycontrolstand-ards，informationcollectionandreleasefacilitieslayoutmethod，GISandinformationmanagementtechnol—ogies．Throughitssubsystems，namely，Riskinformationcollection，GIS—baseddatabasemanagementmod．ule，drivingsafetywamingmodule，safetymanagementdecision-makingaidingmoduleandinformationre—leasingmodule，thesystemiscapableofsupportingcomplexoperationalenvironmentspecialsectionsofmountainfreewaysafetycontrol，trafficflowmanagement，etc．[KeyWOrds]mountainfreeway；operationalenvironmentspecialsections；safetywarningsystem；drivingsafety：informationcollectionandreleasemethod全综合影响的效果方面研究较少。0前言运行环境复杂路段的产生，主要有2个方面原我国山区高速公路的管理水平总体上还比较落因导致：①地形地势所限引起的设计问题。不可避后，山区高速公路运行环境复杂路段作为运营安全免地采用较多的隧道、桥梁工程设计方案；路线高差保障的重点路段，运行环境复杂特性在时间和空间大，导致部分路段纵坡较大，易产生长大下坡路段；上变化明显¨，国内外学者对特殊线形与组合形由于个别设计指标值采用的设计标准偏低，存在小式-4、桥隧等重要结构物】、交通流特性-s]及半径曲线、同向曲线等线形复杂路段；②运营风险灾害性天气等单因素环境影响道路安全性开受交通流环境，雾、雪等气象环境影响较大。根据以展了一系列研究，然而运行环境复杂特性对行车安上分析，运行环境复杂路段主要是由4类特征环境[收稿日期】2014—04—22【基金项目]“十一五”国家科技支撑计划(2008BAG10B01)；贵州省交通运输厅科技项目(2014—122—008)[作者简介]孙龙声(1975一)，男，贵州晴隆人，工程硕士，高级工程师，主要研究方向为道路工程。 第5期孙龙声，等：山区高速公路运行环境复杂路段行车安全预警系统55构成：特殊的线形环境(小半径曲线、弯坡组合、长山区高速公路运行环境复杂路段行车安全预警大下坡、连续曲线等线形形式)；重要基础工程设施系统构成见图1，主要由5部分组成：①信息采集。环境(隧道及隧道群、大桥及特大桥)；交通环境(行及时准确地采集气象、交通和路况等信息。另外利车速度、交通密度与车型比重)；气象环境(雨雾雪用RFID采集危险品运输车信息，实时掌握危险品天气引起的能见度、路面状况变化以及横风影响)。运输车行车安全信息；②数据库管理。将多源信息因此，运行环境复杂路段可如下定义：由特殊的线形进行合理地融合、组织、存储和管理，并供用户方便环境、相互影响的重要基础工程设施以及交通与气地查询；③预警决策。根据决策模型发出风险预象环境等诸多因素综合形成的需要特殊考虑运营安警，同时触发合理的紧急预案；④信息发布。及时全保障需求的路段。然而此类路段安全运营的信息准确地将决策信息发布给道路用户和路政管理人化智能化研究¨”与实际路段运营安全重点保障员；⑤通信系统。采用光纤或无线传输方式。．的需求不能有效联系，故笔者借鉴国内外研究成果，1．2基于GIS的系统数据库结构●通交整合相关知识、技术和工程实践的基础上，建立了集利用GIS技术将公路及其环境等要素反映到系信息采集、处理、预警、决策到发布完整的山区高速统空间模型中，实现多元地理信息的可视化管理与公路运行环境复杂路段行车安全预警系统．其目的决策。在系统数据库中，数据按照不同的特性、存储是确保运行环境复杂路段行车的安全与畅通。方式及表现方法，分为空间数据和属性数据两类，其中属性数据又分为道路信息、交通信息、路况环境信1山区高速公路运行环境复杂路段行车安息、事故信息、标准信息、对策信息和反馈信息七类，全预警系统设计并按存储性质分为静态和动态两类，根据上述分析1．1预警系统组成框架设计，笔者建立了系统数据库结构模型如图2所示。信息发布显示屏图1山区高速公路运行环境复杂路段行车安全预警系统物理框架Figure1Safetywarningsystemphysical~amewurk山地高速公路运行环境复杂路段行车风险预警系统数据库空间数据属性数据静态数据动态数据区域道路路况环ll标准ll对策Il交通ll路况环ll事故ll反馈地信息境信息Il信息ll信息ll信息Il境信息I1信息Il信息图背景复信l公物I出道断车历决实杂息l路信1人信面道史策施路l结息I口息实实交历对段I构I匝时时通史策气l车l视I信I限囊lII蓁IIII萋交交事信效象l辆l频I息I速通通故息果I隧l卫：监l监l监l发I限流流情记记桥I道l通澳0l澳9l{i10l布I流信信况载载粱妾设l设l设l设l设息息备I备I备I备I备图2系统数据库结构模型Figure2Structuralmodelofsystemdatabase 56公路工程39卷1．3复杂路段管理单元划分方法根据以上分析，管理单元路段有下面八种形式：影响本系统决策的主要因素是交通流风险与气5l一(．s2uS3)，S2一(Slt．JS3)，S3一(．slu|s2)，象风险，因此根据不同路段运行环境特征点作为单(S。nS)一S，，(S。nS3)一S：，(．snS3)一．s，元路段划分的依据：①天气影响下路面摩擦系数明．sInS2nS3与Cu(slus2us3)。显变化路段或能见度变化明显路段作为一个管理单2山区高速公路运行环境复杂路段信息采元S，；②小半径平曲线路段或连续平曲线路段以及集其它线形特殊路段作为一个管理单元S；③隧道2．1信息采集方式(群)路段作为一个管理单元|s．具体划分见图3。根据系统信息采集的要求，为满足运行环境复杂路段安全管理的需要，其采集标准及方式见表1。2．2信息需求分析为满足决策需求，应向系统提供以下信息：①交通流信息，对于单车，根据车速判别车辆行驶状态风险性；对于多车，根据平均车速、交通流量判别路段交通状态风险性；②实时能见度信息，即公路沿线布设的能见度仪测得的能见度值，通过换算成可视距离进行行车安全计算；③路面状况信息，即利用路面状态传感器检测路表状态信息包括路面状态图3应用集合论的管理单元路段三层次划分法Figure3Threelevelsdividedmethodofmanagement(干燥、水、冰、雪或霜、混合物)、路面积水厚度、路unitsections面结冰厚度、路面积雪厚度，利用这些参数通过自行表1信息采集设备布设标准推荐表Table1Informationcollectiondevicesemplacedstandard注：·表示可适当根据坡长情况增加设备，增加设备位置处于坡中与坡底之间。建立的摩擦系数预估模型，推算出路面摩擦系数值3．2预警系统风险警报进行行车安全计算。预警系统每3min检索数据库中的数据，根据3山区高速公路运行环境复杂路段风险预实时单车车速值、多车平均车速、交通流量变化情况与交通事故监测发出以下四大类警告：警标准与决策算法第一类：“高速行驶风险警告”、“高速行驶风险3．1车速车流安全控制标准未发生变化”、“高速行驶风险已发生变化”、“解除车速车流控制是保障山区高速公路运行环境复高速行驶风险警告”。同时在GIS地图中，相应位杂路段交通安全的有效手段．本文作者结合提出行置以实时测值对应的风险颜色等级闪烁警示。车安全约束模型确定临界安全车速得到四大类l6第二类：“拥堵风险警告”、“拥堵风险未发生小类路况条件下行车安全控制标准的方法，并考变化”、“拥堵风险已发生变化”、“解除拥堵风险警虑行车通行能力要求，提出车速车流控制标准见表告”。同时在GIS地图中，相应位置以实时测值对2所示。 第5期孙龙声，等：山区高速公路运行环境复杂路段行车安全预警系统57表2车速车流控制标准行驶风险已发生变化”、“解除危险品运输车行驶风Table2Safetycontrolstandardsofvehiclespeedandtraffic、险警告”。同时在GIS地图中显示危险品运输车位flow工况类型平曲线半径值／m置与风险等级并闪烁警示。3．3预警系统安全决策模型针对管理单元，笔者建立了行车安全预警系统安全决策模型，见图4。该模型决策指标共分四类情况，各指标判别方法为：①安全管理单元类型在单元划分时确定；②措施类型由图4所示决策模型确定。若长期监测数据统计发现某安全管理单元路段较易产生偏高的行车风险，可采用工程对策进行改善，主要包括：提高路面摩擦系数；安装高性能交通诱导设施；设置安全防撞护栏；静态预警标志提醒；③交通流状态类型根据安全管理单元路段安全流量与实际流量比较确定是否拥挤；④事故类型按：=====二、至：=====：至．1喜銮＼／是平曲线半径值／m400—7oo>700确定风险类型：一般车辆行驶风险、危险运输控制车速／控制流量控制车速／控制流量车行驶风险、交通拥堵风险、交通事故风险；(km·h)(veh／h／ln)(km·h)(veh／h／ln)确定风险或事件位置：安全管理单元路段无事件事件I发布超速预警信息对策发布事件预警信息对策；前方事件，谨慎驾驶交通管制措施：诱导分流对策：①限速；①安全管理单元路段②严禁特殊车辆驶入和路网；交通分流，发或限车道行驶布绕行信息；②匝道：匝道感应限流控制上I一／／、＼注：“()”中数值表示高密度交通流状态F安全速度推荐值；结束}．<需妻整援“[]．’中数值表示正常值，无需进行交通组织干预。当安全车速低于40km／h，实施封闭管理，其中低于3okm／h，封闭该路段，大I继续执行对策I于30km／h而小于40km／h，实施警车带队行驶。应的风险颜色等级闪烁警示。第三类：“交通事故风险警告”、“交通事故未一①现紧急急场救封救指援闭援挥中该联交心路动通联段措络；(施②救单护：通向知)或紧处理”、“交通事故已处理”、“解除交通事故警告”。、交警和消防部门；③通知路同时在GIS地图中显示交通事故位置与事故等级并预警状态结束，政部门清理事故现场闪烁警示。转入常态管理第四类：“危险品运输车行驶风险警告”、“危图4运行环境复杂路段预警对策类型决策模型险品运输车行驶风险未发生变化”、“危险品运输车Figure4Decision—makingmodelformeasurementtype 58公路工程39卷照严重程度等特征划分。考虑到本系统的实用性，信息发布设备采用三类形式：可变信息标志、可变限速标志、路况视频显4山区高速公路运行环境复杂路段信息发示与绕行信息发布标志。为了充分响应系统的预警布决策，有效发挥其实际作用，遵循科学高效、统筹兼4．1信息发布设备布设标准顾原则，制定了信息发布设备的布设标准，见表3。表3信息发布设备布设标准推荐表Table3Informationreleasedevicesemplacedstandard4．2信息发布内容与方法[3]张晓明，孟祥海，郑来．山区及平原区高速公路几何线形指标与事故率间关系对比研究[J]．公路工程，2014，39(1)：56．系统可发布风险信息，不同风险下的车速车流[4]何杰，李志勇，吴卫，等．基于运行速度的高速公路线形评估限制，车辆管制，山区高速公路主线、匝道的开通情【J]．公路工程，2007，32(5)：74．况，车辆绕行，交通拥挤与交通事故等信息．系统按[5]戴忧华。安超杰，廖志高，等．高速公路隧道路段交通安全特照“优先级原则”和“先近后远原则”自动生成发布性研究[J]．交通信息与安全，2010，2(28)：lO1—106．内容，即多种风险状态同时发生时，信息发布设备优[6]同济大学安全与环境研究所．青岛海湾大桥运营安全保障系先发布级别最高的信息；当优先级相同时，先发布离统研究[R]．上海：同济大学，2007．[7]DominiqueL，AbdelazizM．，AnnaV．z．(2005)．“Modeling信息发布设备最近的管理单元的情况¨。crash--flow——densityandcrash—-flow——V／Cratiorelationshipsforruralandurbanfreewaysegments．”AccidentAnalysisandPre·5结语vention，Vo1．37，PP．185—199．本系统在吸收国内外经验的基础上，综合反映【8]S．Darbha，kR．Rajagopal，V．Tyagi．Areviewofmathematicalm—ode1sfortheflowoftrafficandsomereceresuIts．Nonline8rana1一了山区高速公路运行环境复杂路段各项安全因素，ysisi，2008，Vo1．69：950—970．是一套行之有效的山区高速公路运行环境复杂路段[9]张丽君．灾害性天气高速公路行车控制标准研究【D]．上海：安全保障系统。该系统设计从安全和效率的角度出同济大学，2006．发，从多方位、多角度加强运行环境复杂路段的行车[1O]王晓飞．灾变条件下通道路网运营安全管理及应急处置研安全预警与管理，从而预防事故，降低损失，全面提究[D]．上海：同济大学，2008．高山区高速公路的社会效益和经济效益。该系统可[11]Emily(2005)，Acompletereviewofincidentdetectionalgo—rithms＆theirdeployment：whatworksandwhatdoesnt，New全面实现山区高速公路运行环境复杂路段车辆风险EnglandTransportationConsortium．控制、交通流协调与应急处理等功能。[12]齐莹菲．基于GIS的高速公路网运营安全管理系统研究[D】．上海：同济大学，2007．【参考文献][13]方勇，李志勇，岳志平，等．山区公路平曲线路段动态限速与[1]郭忠印．道路安全工程[M]．北京：人民交通出版社，2011．预警方案[J]．公路工程，2012，37(4)：1．[2]郭忠印，柳本民．基于事件的重大公路交通基础设施运营风[14]栾翔．快速道路网VMS控制模型及算法研究[D]．上海：同险评价[R]．上海：同济大学，2010．济大学，2004．