声明：原文"智慧高速交通流管控关键策略"转载自《中国交通信息化》2023年第13期 总第281期 

作者：彭飞¹，杜猛² 1. 沃可数据（北京）有限公司，100012，2.济南交通警察支队科学研究所，250014 ）

摘要：在智慧高速交通流管控技术中，速度管控，流量管控和信息管控三类。其中速度和谐是预防或避免交通拥堵发生的重要技术。本文通过对已经成功应用速度和谐的国家的实际调研以及资料研究，从理论和工程设计的角度梳理出了速度和谐的核心技术点，并提出了下阶段研究思路。

关键词：智慧高速，速度和谐，可变限速，主动交通流管控

 一  简介

从1970年代在德国吕塞尔斯海姆地区的高速公路上安装的棱镜翻转式可变标志投入使用开始，主动交通流管控技术已经从基于手工控制和切换的高速公路交通管理系统，发展成为一个路网级，数字化，全自动的高速公路智能交通系统，在世界范围内得到国家级应用。

主动交通流管控技术是基于实时采集的高速公路路段/路网交通流数据、路面状况和天气状况等信息，通过交通流规律和交通工程原则为基础的预测算法，由系统软件进行自动化或半自动化生成各类策略，最终通过外场的可变信息屏以及其他渠道发布优化，引导和控制交通流策略的系统。其中各种交通流管控策略的单独或组合使用可达上百种，并且能够通过标准通讯接口和第三方系统（导航，地图等）或部门（火警，广播电台等）协同合作。

速度和谐（Speed Harmonization）是交通流管控核心基础。不同国家对此策略也有不同的叫法，如“动态限速”，“可变限速”，或“速度均质化”，并且可以单独作为一个主动交通流管控的子系统独立运行。本文给速度和谐的定义为：基于交通流数据规律，整体优化并调整一条高速的路段内多个断面的最高限速，通过可变交通标志以及其他渠道发布给道路使用者的一种交通流管控策略（见图1）。速度和谐可以单独使用，也可以和其他控制策略进行组合使用，有研究发现，当速度和谐与其他措施组合使用时，会提升驾驶员对管控指令的遵从度1。

速度和谐策略的好处有两个：

一）在事故或特殊事件（大雨，大雾）时，提前发布临时限速，提升驾驶员注意力，提前降速，减少失控追尾等二次事故，从而能够提升道路安全。

二）当路段内交通流量持续增加时，交通流状态接近不稳定状态，。速度和谐策略将路段内的不同车辆的速度趋于统一，减少车道间的速度差和车道内的速度差，减少震荡波的发生，稳定交通流，从而达到延迟甚至避免拥堵发生，将路段通行效率保持在较高水平。

本文总结了团队从2016-2020年去欧洲和美国实地调研的速度和谐的发展情况（第二章），结合文献资料调研，梳理出速度和谐的核心技术点和工程落地的重点（第三章），并且给出了未来国内在科研和工程方面的建议。

     德国是使用速度和谐管控措施最早的国家之一，至今ATM总里程已达4000公里左右，规划ATM里程740公里。德国有一系列完整的技术规范和相关指南，规定了系统功能，系统架构，设计原则，硬件要求，数据要求，接口要求，算法等。德国下萨克森州高速运营商提供的数据显示，在启动速度和谐后，交通流量可以稳定在高水平状态（单小时流量1500-1600辆/小时/车道，平均速度达到70-80公里/小时，货车比例约40%-50%，见图3）。德国北威州高速公路运营商提供的数据显示，速度和谐能够提高约3%通行能力，降低30%由于事故产生的拥堵，降低%由交通流不稳定产生的拥堵，降低约30%的事故数（见图4）。

荷兰从1970年代开始就开始在高速公路上使用速度和谐策略（或称作“交通流均质化”），作为荷兰高速公路控制和信号系统(Motorway Control & Signaling System)的一部分。系统通常部署在高流量路段，以提高交通安全，和谐交通流。基于交通密度的变化，荷兰速度和谐子系统的限速值可由120 公里/小时降至 90 公里/小时或 70 公里/小时(见图5)，在发生事故时可降至50公里/小时。系统能降低事故率25%-40%（降低46%二次事故），提升通行量4%-5%2。

 

本章梳理了速度和谐的应用核心点，包括（1）理论层面（交通流算法），（2）工程落地层面（工程设计）。

高速公路速度和谐的算法研究有多种思路，如基于传统交通流检测技术，近几年更多在车联网环境下的速度和谐算法研究。根据我们对各国成熟系统的调研发现，速度和谐算法及要保证实时性，准确性，也需要保证稳定性和鲁棒性。

经过调研发现，目前大多数软件种的速度和谐算法并未采用数据孪生和仿真进行同步协作，而是在设计阶段作为效果展示使用。关于数字孪生和仿真与速度和谐算法的相关性可以是下阶段研究方向之一。

下面介绍是主流速度和谐算法思路：基于交通流基本图，建立最优目标预测模型，通过反馈交通流基本信息实时闭环控制。

1 交通流状态分类

在各国速度和谐算法中，多使用“流-密-速”基本图作为理论基础。不同交通流状态的识别以及对交通流状态的规律进行预测是最优速度算法的核心。这里以德国技术规范里的交通状态分类为例：

状态1：自由流，流量较小，车辆处于高速行驶状态，；

状态2：密集流，流量增加，车速略微降低，但依然能保持较高的水平

状态3：缓行流，流量很大，车速明显降低，接近饱和状态

状态4：拥堵流，车辆已经达到停滞或走走停停状态。

下表为德国规范中各个状态对应的参数数值，不同地区需要根据交通数据调研，自己可用的交通流参数和具体数值。

表格1  交通流状态分类

 2 短时&长时预测

“敏捷性”是速度和谐算法里非常重要的一个技术点，速度和谐的启动要基于当前的交通流状态，所以“离线定配时控制“和”人工控制“在流量持续增高的交通流条件下，无法满足速度和谐策略的需求。

若要满足“敏捷性”要求，必须能够实现预测功能。目前市场上成熟主动交通流管控软件能够实现“短期预测”和“长期预测”。关于短时预测的要求如下（见表2）：

 短时预测需要能达到1分钟，5分钟和15分钟三个等级，

 短时预测的主要应用场景为常发或偶发的交通拥堵，

 预测数据要求包括：1. 每条车道的平均速度，分成两类车型，大车/小车2. 每条车道的流量，按照15分钟间隔统计。

各国学者们几十年来已经建立了多种交通流预测模型，每家特点不同，这里不做进一步评述。

表格2  速度和谐算法预测要求

速度和谐的算法需要完成“闭环控制”，即通过交通流数据全自动生成方案，自动下发方案，系统需要实时监控方案下发后交通流规律变化，根据变化情况再调整策略或关闭策略。

全自动生成算法需要考虑的重点是：

（1）策略的安全性，即策略不能导致任何负面作用，从而影响驾驶员的判断。

（2）策略的可行性，即策略需要和当前交通流相关。

（3）策略的可理解性，即需保证驾驶员能够理解策略所展示的指令本身的意

速度和谐的应用效果取决于驾驶员对系统的遵从度，当驾驶员对发布的限速信息感到困惑或者不理解时，往往不会遵从系统的发布指令。除了软件系统和算法需要在“及时性”和“准确性”上满足要求外，“工程设计”是保证速度和谐有效性的第三个核心点，这里“工程设计”指硬件选点设计（发布设施，采集设施），以及硬件布局（在一个断面上可变信息屏的种类，位置和数量），与系统相关的土建，电缆通讯设备不在本次讨论范围内。

1 拥堵点识别

拥堵点识别是速度和谐工程落地的第一步，需要在此基础上确定速度和谐的应用范围，即应用区间（A点到B点）。安装速度和谐系统的一个前提条件就是，该路段有明显的“交通流干扰”，缓行车辆，相互超车，不当的变道动作等均是交通流不稳定的现象。详细来说，这表示：

- 该路段的事故发生率明显高于平均水平

- 高交通量导致了频繁和严重的交通拥堵

- 由于天气状况（特别是由于雾），该路段的事故发生率或危险性高于平均水平。

- 多弯道，上下坡，车辆在此处常发异常驾驶行为

- 货车比例较高

识别拥堵点等的方法有如下几种：

观察法：

通过人工现场观测或通过视频监控观察并分析交通拥堵的堵点和引发拥堵的原因。这种方法好处在于能够直观看到拥堵等异常交通流现象，而缺点在于受限于地理位置（桥上）或视频监控盲点以及时间限制（工作日，节假日均需要观察，还要考虑季节因素），很难观察到所有现象。

 数据分析法：

当饱和度（流量/通行能力）处于0.85及以上时，该路段会处于不稳定状态，而当饱和度接近1时，该路段会处于常发拥堵路段，所以在数据分析时，需要收集关键路段的流量，单车道通行能力，并且要考虑年增长率。该方法好处在于数据反应的现象说服力强，除了现象外还能分析出交通流发展规律，而缺点在于，数据采集设备往往无法覆盖研究路段，需要增设采集数据。

问卷调研法：

管辖该路段的指挥中心的管理人员往往对路段的常发事件非常了解，所以可以通过走访及问卷调研法，获得交通拥堵，事故多发点信息。该方法好处在于，能够提前确定关键路段，在此基础上进行详细调研。

本文建议在做拥堵点识别时，同时采用以上3种方法，从而能够得出客观全面地分析结论。

2 管控区域及点位设计

速度和谐所需的硬件点位设计包括：检测器的点位和可变信息标志的点位。其中可变信息标志的点位设计需满足以下一般原则：

（1）必须在设计前完成交通调研和交通流分析，调研数据包括：几何信息，交通流信息，事故信息，天气信息，拥堵信息，节假日，现有设备数据，以及实际驾驶录像4

（2） 必须考虑现有和未来的综合情况，对每个特定路段进行交通流分析

（3） 不能按照平均值进行设计，如每隔1公里或1.5公里了一个门架和检测器

（4） 需考虑结合利用现有门架

3 硬件设计

速度和谐策略需要可变信息屏发布给道路使用者，可变标志屏的大小，亮度，显示内容，组合，位置都会影响驾驶员对标志的识别，以及对系统的遵从度。可变标志屏的基本要求是可识别性、易读性、可感知性、可理解性和敏捷性。目前国际上的共识为：可变信息标志尽可能少的显示文字，如果必须要文字显示，则需要限制在若干个字数之内。

这里总结了各国对于可变信息标志的一般设计原则：

(1) 可变信息标志只能用于显示重要的交通信息，

(2) 速度和谐需要用只能显示“可变交通标志”的信息屏来展示

(3) 尽可能多的使用图形元素，如“象形图”，“标志图”来显示管控指令

(4) 对于“交通拥堵”，“道路湿滑”，“大风”，“限速”，“临时使用硬路肩”等有国标的象形标志，需优先使用标志，文字只能作为补充使用。

(5) 展示内容优先级：管控指令>危险警告>信息显示

(7) 宣传标语为最低优先权

对于可变信息标志在横断面（门架）上的排列部属，建议：

（1）门架上，对应车道正上方的位置，放置“可变限速标志”

（2）门架上，对应两个车道中间的位置，放置“可变信息标志”，显示危险预警图形以及补充的简要文字

（3）路侧，可以放置信息标志，如“临时开放硬路肩”

 

速度和谐的评价指标需要从“宏观”和“微观”两个层面进行建立：

1 宏观评价指标

本文梳理了4个常用的反映交通流稳定性的指标参数。

（1）速度-流量。通过对比速度和谐前后，路段的速度-流量，可以看出路段是否能达到密集流的状态（即在流量较大的情况保持较高的速度水平）。这里需要选择对比变量，如白天/傍晚，天气干燥/下雨等。

（2）通行能力。关于通行能力的定义，各个国家，各个标准都有不同的解释，例如HCM2000中，通行能力被定义为在恒定的道路、交通和管制条件下， 在给定的一段时间内能够通过某一地点或路段的小车当量/小时/车道，以每15分钟记录一 次的最大交通流量5。近几年，有学者认为通行能力应该是一个概率值而不是定值。所以对通行能力的影响是最难确定的。

考虑到在实际工程项目中的可行性，这里我们建议选择“最大观测流量”作为通行能力，包括5分钟流量和小时流量。

（3）速度差。这里我们建议需要对比速度和谐前后：a)车道之间的速度差，b)同一条车道内，连续车辆之间的速度差。

2 微观评价指标

速度和谐对交通流“微观”层面的影响，即对驾驶员的影响，我们梳理了4个指标参数。

（1）速度。即速度和谐后，驾驶员是否在速度值的正负10%区间内。根据 KAPPICH 等人(2010)的研究，可以用保持在合理限速内的车辆比例来描述对限速的遵守程度。此外，他们指出如果有很高比例的车辆不遵守限速，并比显示的速度更慢，则应根据交通流情况检查切换 SBA 的适当性。

（2）车道选择。即车道分布，可以通过统计学方法，对比速度和谐前后，断面每条车道的分布变化。

（3）车头时距。小车头时距（<1秒）代表交通流处于不稳定阶段，极易产生异常驾驶行为，并且造成拥堵振荡波，所以小车头时距比例是反应速度和谐有效性的重要指标之一。通过对比速度和谐前后小车头比例的变化，可以得出速度和谐有效性的结论。

四 下阶段研究思路

（一）原理性研究

根据调研发现，很多国家在系统性部署速度和谐措施之前，都实施过若干个原理性实验项目，通过数学等方法明确速度和谐的原理。本文建议在以下方面进行速度和谐的原理性研究：

（1）   本地化的高速公路交通流模型

 宏观：流量，速度，车头时距，速度差

 微观：跟车模型

（2）   速度和谐控制原理

 控制模型

 控制参数

 评价指标

（3）   动态限速的组合方案

 不同场景下的动态限速：拥堵，雨雪雾天，事故

为了保证速度和谐的有效性，以及整个ATM系统的有效性，还需再工程设计方面进行进一步的研究，本文提出以下4个方面：

（1）可变标志屏的布局

 可变限速标志，可变信息标志（文字）的结合使用效果

 路侧动态标志和门架标志的结合使用效果

 可变标志屏和车道指引标志的结合使用效果

可变信息标志中的图形要求，文字要求，颜色要求

（2） 选点设计原理

 门架点位对交通流的影响

 检测器点位对交通流的影响

 五 参考文献

1.Siegrist, Maillard, Schaufelberger, Weber. (2015) Guideline Speed Harmonization and Hazard Warning (GHGW), ASTRA 15016.

2.Transportation and Traffic Research Division (1992) Dynamic Traffic Management in The Netherlands, Directorate-General for Public Works and Water Management, Netherlands.

3.Zackor, Schwenzer. (1988) Assessment of a situation-related speed management system on freeways.

4. 彭飞(2022). 德国主动交通流管控系统初步设计（前期调研），微信公众号“ATM主动交通流管控”.

        5. TRB (2000). Highway Capacity Manual