关于交通工程理论的实践应用思考
张伟 | 作者
安安 | 编辑
主动交通管理与控制是我国智慧公路建设的重点内容，也是较为薄弱的环节。因此，在智能交通中如何应用交通工程理论，解决道路管理保畅问题，一直受到行业普遍关注。
但是，交通工程往往停留在思想和科研阶段，很少见到较好的工程落地实践。这也可以说是交通工程专业所面临的窘境。从这个意义上讲，交通工程专业在行业中的地位，其实很尴尬。那么，是什么原因造成了这种情况，如何改变这种情况，自然就成为一个有必要琢磨推敲的一个问题。
从概念上讲，交通工程学是为解决交通问题提供基础理论及基本技术的一门综合性交叉学科，通过对人、车、路、环境等交通要素进行关联、交叉、迭代、综合研究，寻求通行效率最大、交通事故最少、运行速度最快、运输费用最省、环境影响最小、能源消耗最低的交通系统规划、建设、设计与运行管控方案，涉及工程、法规、教育、环境、能源、经济等诸多领域。
具体到行业内的应用，主要还是突出其工程性，并兼顾其他领域的业务关联需求，以达到满足实际应用的目的。
在最近几年对国内外智慧公路发展和应用的调研中，笔者发现国外如欧洲，美国等国家在实际项目上广泛应用了交通工程，涵盖了许多不同的场景，并且取得了显著的成效。这种应用通常被称为“主动交通管控”、“主动交通流管控”、“主动交通管理”或者“交通控制”等术语。近年来，国内智慧高速、道路运营领域也对这方面的发展非常关注。
因此，本文以“主动交通管控”作为切入点，探讨交通工程理论如何应用于工程实践，并提出相关思考。
从国外的发展过程来看，主动交通管理是随着德国A5高速公路交通拥堵治理的需求而产生的，重点在于解决常发拥堵、事故黑点、瓶颈路段等问题。根据相关报道，至2020年德国建设有主动交通管理系统的高速公路里程有3988公里（占德国高速公路总里程12998公里的30.7%），且越是交通流量大、拥堵问题严重、过境货车比例高的路段，对主动交通管理的需求也越高。
因此，很自然得出结论，是否要建设主动交通管理，要看交通流量是否达到了必要的条件（可以自然的理解为，若交通流量不足，则对交通工程的需求也将随之降低），而主动交通管理的目的就是交通的有序、安全与效率。从这一意义上讲，主动交通管理最适合于已运营高速公路的大流量路段，并非所有高速公路均需要建设这一系统。
交通拥堵是道路交通供需关系失衡的直接结果。当交通需求超过路段的通行能力时，滞留车辆形成交通波反向传播，形成交通拥堵现象。常发性交通拥堵是指在某些特定位置或特定时期经常发生的交通拥堵现象，偶发性交通拥堵是由于交通事故或其他随机事件造成道路通行能力下降而出现的交通拥堵现象。
交通流是解释交通现象、分析交通问题和提高交通系统效率的基础。高速公路交通流无信号控制干扰，是典型的连续流。
交通流理论通过研究交通场景中交通参与者的行为，建立相应的时空变化模型，通过分析交通流的动态特征实现对真实交通流的较好拟合，以分析交通流的演化特征和拥堵形成机理、传播规律及疏解方法，从而实现交通流理论在交通工程中的具体应用。
主动交通管控就是通过对交通流流量、密度、速度特征参数的分析及预测，结合交通环境和天气信息，以安全为前提，速度和谐、流量均衡、信息触达为主要手段，通过形成稳定和谐的交通流以提高运行效率和降低事故率的一种自动化技术手段。
主动交通管控的主要措施包括动态行车速度管理、流量管理、临时开放硬路肩、匝道控制、临时货车限行、事故预警与处置、施工计划管理等，这些策略的选择、生成均由系统软件自动或半自动执行，并通过外场的可变情报板或其他渠道进行发布。
因此，主动交通管理的主要建设内容包括基础数据感知、交通运行态势评估、交通安全风险辨识、主动管理策略和信息发布诱导等内容。
交通量、密度、速度参数的关系（来自网络）
上图显示的是三参数大致的关系，图中交通量-速度曲线以及交通量-密度曲线的顶点所对应的交通量，即为道路的通行能力。
图中虚线表示非稳定流或称为强迫流状态，即到达流量超出了下游的通行能力，此时会有排队现象产生，此时的交涌量不再继续增加而是降低，直至达到交通量为零，此时的密度称为“阻塞密度”。与此相对应的实线部分为稳定流状态，初始时（理论上Q=0）的速度为“自由流速度"。
2023年5月，赛文交通网发表的《高速公路主动交通管理与控制技术的实践思考》一文，总结了主动交通管理技术在现实发展中面临的瓶颈问题，主要包括：一是网络级、城市级的全域主动管控技术应用依赖于大量部署的外场设备，难以大范围普及；二是管控方式的合理性、可行性及协调性缺乏科学设计；三是主动交通管理的“主动”性不足，多数实践本质上仍然是滞后接入的“被动式”管控，或准实时响应；四是技术与场景对接不畅，技术可靠性、安全性有待进一步验证。
解决这些问题需要从主动交通管理的落地（设计、实施）过程和工程应用方案上科学应用交通工程的相关理论和方法论。
设计在主动交通管控的实施中起着至关重要的作用，设计阶段是交通工程理论向实际应用的起始和最重要环节。主动交通管理技术应用时，首先应通过实际勘察、观测和数据调研的方法掌握具体路段的特征情况，以便对如何应用交通工程解决相关问题提出有针对性的具体方案。
现场调查的重点是识别交通瓶颈点和分析交通流的运行环境及运行特征。一般而言，交通瓶颈点主要是交织区、互通前后分合流路段、事故多发点、施工路段或道路通行能力下降的路段。交通流的特征则包含了交通中的货客车比例、平均速度、平峰高峰等不同时间段的交通需求、事故及拥堵特征等。
实际勘察和观测时，还需要对道路沿线的交通标志、标线位置及内容做出详细记录，以便识别现有的交通诱导和提示信息对交通行为的效用情况。具体而言，主动交通管理的设计应当包含以下内容：
1.道路基础信息分析
主要是掌握道路的车道数、车道宽度、硬路肩宽度、标志标线及交通标识情况、沿线的可变信息标志数量及位置、互通及匝道数量和位置、匝道的长度及车道数、合流区分流区的位置及长度、隧道位置及长度、收费站的规模等。
2.交通工程分析
主要是对现有道路的交通需求、通行能力及运行状态分析。根据运营实际，需要分别就正常情况、恶劣天气情况和节假日情况分别予以具体分析。
重点是每个互通前后断面的车流量特征、各个车道的通行能力、高峰期阶段的小时交通流量、分车型的车流量、分车型的平均速度；拥堵高峰的起止时间、易发位置、高峰期排队长度和平均速度；交通事故数量、类型、发生时间、位置和原因；交通流和天气等道路交通感知设备的功能、性能、位置、数量、类型。
通过对路网的发展趋势，分析中近期的交通需求，对路段及所在路网区域的交通需求和通行能力及道路利用水平做出一定预判。
3.安全工程分析
主要是隧道、桥梁、下坡路段、弯道、天气高影响路段等情况，以及存有特殊速度限制的路段。掌握交通安全诱导设施和照明设施的建设情况（位置、数量、功能性能等）。识别道路的养护施工、涉路作业特点及需求。识别道路沿线的交通环境特点。
4.主动交通管控方案设计
主要包括对现有交通安全设施和诱导设施的优化调整方案、根据采集的交通流信息经过理论分析、数值计算、模拟仿真等手段完成匹配该路段交通特点的ATM策略设计及软件方案（因此，勘察设计阶段获取的交通流数据质量非常重要）、交通感知及诱导设施的布设方案、工程量清单及造价等。
在进行方案设计时，首先要根据交通工程分析和安全工程分析结果，判断所处理问题的系统性和复杂性。若影响拥堵的交通特征和路网复杂度较高，且路网不同路段之间相互影响，导致控制复杂性将大幅上升，从而需要从不同层次、不同侧面进行多模型的描述，并通过宏观和微观的不同管控方案进行控制实现。
5.主动交通管控系统的后评价
主动交通管控系统实施后，需要结合预测运行期望效果与实际效果进行对比，以验证工程实施效果，并相应制定调整优化方案、定期评估。实际上，由于车流量的特征随时间也会变化，因此，当路段的交通特征变化时，需要重新进行优化调整。
从上述过程可以看出，主动交通管理是基于交通工程理论的工程实践应用，具有随道路交通特点而变、因道路交通需求而动的特征，因此需要逐路段进行分析。在其设计过程中带有灵活应用的方法论特征，并不能按照某一固定间距、位置进行固化，不能够直接生搬硬套。
主动交通管控技术是基于预测和推演对交通进行动态管理与事前主动干预的一种控制方法。数据的采集、分析和预测以及相应要采取的控制策略是实现主动交通管控的前提，主动交通管理措施对驾驶人驾驶行为的有效干预，则是能否起到实际效果的关键。一个完备的主动交通管控系统技术方案，应当包含系统功能，系统架构，设计原则，硬件要求，数据要求，接口要求，算法等内容。
1.数据采集
主动交通管理以交通流理论为支撑，需采集的主要交通参数包括断面和车道的车流量、平均速度、时间占有率、空间占有率、车辆类型等信息，条件允许时可增加排队长度、车头时距等。天气和环境信息主要采集温度、能见度、路面水膜厚度、横风强度等。河北省地方标准《高速公路车道级主动控制技术规范》给出了相应的数据精度和采集频率要求。
从采集的准确性上，为适应全天候有效采集的需要，可采用ETC天线或毫米波雷达、视频卡口、单线激光雷达等设备对交通量进行采集。
基于检测结果的交通流信息往往具有滞后性，为满足交通分析与仿真对短时交通敏捷预测的要求，短时预测需要能达到1分钟、5分钟、15分钟等级。故采集间隔宜逐分钟为单位进行输出，以满足预测算法的需要。当以大时间周期进行计算时，可取采集的结果的平均值进行计算。
2.交通分析与仿真
交通分析与仿真的核心目的是基于交通流规律和交通工程原则进行预测，为自动化或半自动化生成各类策略奠定基础。或者说，交通分析与仿真的目的就是计算和识别评估启动不同管控策略的阈值。
预测过程分为三级：最基础的是数据级融合，完成采集数据的预处理和简单关联，输出多传感器数据融合结果；第二级是特征级融合，根据现有数据的特征预测交通参数，输出交通流量预测、行程车速预测、行程时间预测等结果；第三级是状态级融合，根据当前交通流信息判断交通状态，输出交通拥堵判断、交通事件识别等结果。
交通分析与仿真的核心目的在于识别当前的交通流状态，为选择适宜的交通控制决策与诱导策略提供基础。交通流状态可能处于非饱和态、临近饱和的不稳定态、饱和态以及过饱和态。
目前，国内外多通过流量、密度和速度参数的交通流基本图模型实现对交通流指标的分析。《智慧高速交通流管控关键策略》介绍了德国技术规范中主要交通状态的分类，以及各个状态对应的参数数值：
状态1：自由流。流量较小，车辆处于高速行驶的自由流状态。
状态2：密集流。流量增加，车速略降低，但仍然保持较高水平。
状态3：缓行流。流量很大，车速明显降低，交通流接近饱和状态。
状态4：拥堵流。车辆已经达到停滞或走走停停的状态。
实际上，近年来，交通流基本图相关研究中陆续提出了交通流失效（Traffic Breakdown）、通行能力下降（Capacity Drop）、磁滞（Hysteresis）、震荡（Oscillation）等现象。
交通流失效是现实交通系统中广泛存在的现象，是指当交通需求达到或接近路段通行能力时，车流速度出现急速下降的现象。研究和实证表明，交通流失效在流量未达到通行能力时即可发生，甚至会在流量远小于通行能力的情况下就产生交通流失效。匝道合流和交织区域普遍存在的换道行为是导致这种现象的最主要原因。
通行能力下降是指瓶颈路段在在交通量临近饱和、交通失效前的稳定流量大于流量饱和、交通失效后的稳定消散流量的现象。实证研究表明，通行能力下降的平均值在3%~12%不等，引起通行能力下降的原因与瓶颈车道数量、车道流量的异质性特征、匝道汇入（出）比、减速波的数量等因素相关。
磁滞现象指交通流在拥堵状态变换过程中存在的一种延时效应。宏观路网上的磁滞现象描述了某区域路网交通状况收到相邻及不相邻区域路网交通状态的影响，其发生与交通量时空分布的不均匀性和路网密度分布的不均匀性有很大关系。
当路网中存在拥堵，且拥堵不同步时，宏观路网的磁滞现象就会发生。微观交通流基本图中同样存在磁滞现象，则和驾驶人的行为（比如急速和减速阶段驾驶行为的不对称性）有密切关系。
交通流震荡是指随着车流密度的增加，交通流失效后形成的走走停停（Stop and Go）的现象。交通流震荡具有扩散的特点，会导致道路通行能力减小、交通事故增加，而且频繁的加减速也会导致车辆油耗和排放增加。普遍认为交通流震荡现象与换道行为、驾驶行为的差异性或者其他移动瓶颈有关。
从上面的分析不难看出，若以德国技术规范中所提到的交通状态，主动交通管控应重点解决状态2、3、4时的交通问题。有研究发现，交通需求总量一定时，存在一个最优的开发强度，使得交通出行效率最高。而当开发强度一定时，则存在一个关键的交通需求值，当交通需求高于此值时，交通出行效率急剧下降。
因此，主动交通管控的任务，就是识别路网交通状态及演变趋势并进行预警，为管控和交通需求管理提供支持。
3.交通控制决策与诱导
交通流的引导和控制策略组合有上百种。每种控制策略对应着不同的优化目标和优化算法，包括单目标优化算法和多目标优化算法。
但总体而言，主动交通管控的核心是安全与效率，实现流量均衡与速度和谐。在需治理路段的相关路段上，应以流量均衡为主，通过平衡区域路网内的交通量需求压力，向路段交通管理提供基础。在需治理路段上，以速度和谐为主，并匹配以类似硬路肩开放等提高路段通行能力的手段。
速度和谐是交通管控的策略和手段之一，也是主动交通管控的核心基础。速度和谐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，起着预防或避免交通拥堵的作用。
通过速度和谐等手段，引导驾驶员采用合理的车速与路径，改善交通流的均匀性和稳定性，从而使得路段的通行能力保持在最优的状态。
《智慧高速交通流管控关键策略》给出了速度和谐的定义，即：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。
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。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。
当应用主动交通管控技术控制交通行为时，具有相似通行速度的车辆将形成车队，从而连续且有序的进行通行，其实施时应考虑到以下几个方面：
（1）是否能够控制车辆以期望的行车速度前进，从而形成车队；
（2）路段内车辆到达特性和交通流的大小，交通流量较少时，难以形成车队，不具备适用的条件，交通流量饱和时，其饱和度不能严重到影响车队形成的程度；
（3）匝道分合流、交织区、收费站广场等交通瓶颈节点的交通情况对车队的干扰程度，产生的扰流的扩散传导情况；
（4）分车道限速还是分车型限速。有时，不同车道显示不同速度的会引起变道频率增加，造成速度水平不均匀的负面效果。
4.应急预案的制定
主动交通控制系统应由具备相应功能的软件支撑。软件的功能应当是包含了全自动、半自动和人工控制在内的复合功能，具有稳定性、鲁棒性、灵活性和可扩展性。应急预案是主动交通控制软件的关键内容之一。
应急预案实现了交通需求方的出行行为如何被约束和规范，明确了涉及交通相关各方在其责任边界下的制度化应对行为，是工程化手段分配用路权益、优先级等措施的重要管理支撑，应能满足信息化要求，可以由软件实现。
应急预案除了反应各方职责和不同条件下的作业手段及行为外，还应当尽量实现“人性化”“自动化”，使得出行人员能够自觉遵守交通控制设施的约束与引导，以实现交通个体对交通管控措施的遵从。
主动交通管控常利用可变信息标志和标线、标牌等设施以实现对出行人员驾驶行为的约束。为此，需合理布设相应设施的位置、数量和规格，并以清晰、简明的符号化手段触达出行人员。
《沪杭甬高速公路交通流主动管控方案探究》从平均车速、车辆加速度、车辆的横向位移三个角度评价了可变信息标志对驾驶人员的有效性。得出结论：短板（图片）优于短板（文字），短板（文字）优于长板（图片）和长板（文字），于是短板（图片\文字）衍变成车道级的管控，对于道路的行驶更加有指向性，把可变信息标志的静态图逐步开发改造成动态图，根据前端感知设备对范围内交通流的检测分析，实时发布提示（预警）信息到相应的可变信息标志，逐步减少人员干预、减轻发布工作量，实现自动管控的目的。
在布设位置上，可变信息板建设应选择事故多发路段，主要考虑大型枢纽、互通、长距离上下坡道路面、长隧道、弯道路面等。
文章进一步研究指出：各路段可根据自身特点和原基础门架的位置进行布设，新建门架可按5公里—3公里—1公里的原则进行门架建设，如果该范围内有门架可考虑利旧原则，但两个门架之间的距离应大于1.5公里且小于4公里，如果门架之间的距离超过4公里，须在中间新增门架。
枢纽和互通点，在分流点后0.5公里至1公里位置新建第一个门架，后面第二、第三个门架可按3公里、5公里建设（可充分利旧）；在有上下坡的位置，首先找到坡道的拐点位置，在此位置新建门架，此位置前1公里、后2公里处新建门架；长隧道的第一门架建设位置为入口处500米；弯道路面与上下坡类似，先测量出弯道的拐点位置建设门架，此位置前后2公里增设门架，至少应保证2组门架才能留出足够的安全距离，给驾驶人员充足的反应时间，减少事故的发生。
在发布信息符号化、图形化方面，除我国现有道路交通安全相关法规规定的图形符号之外，结合主动管控的需要，仍可以设计若干带有诱导、约束、气象、事故等信息的补充图形符号方案，以利于驾驶人理解掌握。
在前述分析中已经表明，交通流基本图模型是针对宏观交通运行特性指标（流量、密度和速度）之间关系进行分析与建模的理论与方法，是交通流理论和交通工程学科的基石。
目前国内外主动交通管控的最主要理论基础就是基于流密速三要素的交通流理论。随着感知能力的日益增强，数字孪生成为刻画微观交通行为的重要手段和方式，也相应将为主动交通管控的发展带来新的机遇。
数字孪生技术一般需采用雷达、视频等手段，相对于传统的交通流感知方式，新的感知手段具有全天候工作、精度高、粒度小的优点，从而大幅减轻了数据融合质量控制方面的难度，减少了交通分析的滞后性时延，为更快、更有效实现交通流预测奠定了基础。
同时，新的感知手段下，数字孪生带来的微观仿真能力将使得一些传统手段较难采集的交通指标也能够被精准采集，主要包括：车辆精准位置、轨迹连续跟踪、车头间距和车头时距、个体车辆的车速和加速度、个体车辆的变道行为、车辆及车型的时空分布等。
上述微观仿真能力为实现高质量交通仿真以及交通控制效果评价检查提供了充足的技术手段。
基于感知的高质量和高实时，数字孪生与主动交通管控的结合将能更深度推进管控措施的有效性。
一则数字孪生场景下，路段的交通运行特征更为在线化，交通态势和交通推演的实时性更强，从而为通过跟驰、换道、扰流、瓶颈路段分析等提供了更细致刻画，从而支持微观交通仿真和交通态势时空演化分析。
二是数字孪生场景下，能够更及时通过速度干预、流量控制等手段，截断扰流的传播路径，降低车辆变道交织行为，促进交通流更均匀、有序的分布，从而为交通控制提供更丰富的控制手段。
综上，主动交通管理等交通工程理论应用于智慧高速等实际项目，实际上是以工程化的手段，通过科学的勘察、仿真、设计、以及有效的软硬件设施，辅以充分的验证手段和算法及软件支撑来实现的，是一项细节决定成败的工程。
若脱离开科学切实的实施方式方法和系统化的实施解决思路，必然会导致交通工程实际应用的不充分、浅层次和表面化现象，而这无疑将影响交通工程的应用和实施质量。对这一点，每个交通工程师开展具体工程时，都应当引起重视。
参考文献
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2.德国主动交通流管控系统调研（上），孙芙灵，中国交通信息化，2021年第3期
3.德国主动交通流管控系统调研（下），孙芙灵，中国交通信息化，2021年第6期
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5.交通宏观三要素之间的关系，https://zhuanlan.zhihu.com/p/300649434
6.智慧高速交通流管控关键策略，彭飞，杜猛，中国交通信息化，2023年第13期
7.高速公路车道级主动控制技术规范，河北省地方标准（DB 13/T 5710-2023）
8.沪杭甬高速公路交通流主动管控方案探究，胡飞，金峰，谢新，侯洁，中国交通信息化，2021年第12期
9.泰州：“手脑”协同让高速公路主动管控更精准，公安部道路交通安全研究中心，交通言究社，2021年7月15日
10.荣乌新线高速公路安全预警和主动管控系统，韩明敏，李春杰，中国交通信息化，2022年第3期。
11.高速公路监测预警系统的应用，王炳炯，中国交通信息化，https://mp.weixin.qq.com/s/JH03eVNEbFXSTfO83yXAEw
*作者简介：张伟，山东高速集团有限公司工程管理部副部长，智慧高速精英俱乐部会员。
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