0 引言
随着我国社会经济的发展，交通出行需求急剧增长，早期修建的高速公路已难以适应当前大流量、大物流及大交织的交通需求，尤其是连接城市出入口的高速路段，交通拥堵严重，亟须对现有高速公路进行拓宽以提升道路通行能力，满足高速增长的货物运输及居民出行需求[1]。截至2020年底，我国公路养护里程已达514.4万公里，占公路总里程的99%[2]。当前，我国高速公路改扩建已经成为态化。主干高速公路改扩建期间处于“边运营边施工”的状态，部分车道通行条件受限，往往“通而不畅”，扩建期间的运营管控重在减少交通拥堵和安全事故[3]。尤其是饱和交通量条件下开展高速公路改扩建施工，既要考虑安全运营，又要兼顾施工进度[4]，不仅使交通运行管理面临严峻挑战，也对基础设施运营提出了更高要求。目前，高速公路改扩建运营管理中常用的管控手段是交通管制、车道封闭等，并辅以设置交通警示标志、专人值守引导等人工手段，或直接采用断流式施工方式[5]。但这些方式在交通主干线上或饱和交通量下难以使用，且往往对异常状况的发现滞后，应急处置效率较低。由于传统运营管控技术难以满足饱和交通量下精细化的运营管理需求，亟需运用新的技术手段提升改扩建过程中的运营管控能力。近年来，交通新基建加速布局。2021年，交通运输部印发《数字交通“十四五”发展规划》，提出“十四五”期间重点加快交通基础设施数字化，推动公路感知网络建设，完善道路交通监控设备，构建集监测、调度、管控、应急、服务一体的数字化综合管控平台，加强既有交通基础设施提质升级，提高设施利用效率和服务水平。交通基础设施数字化等新一代信息技术给饱和交通量等复杂交通场景下高速公路改扩建一体化运营中易拥堵、交通事故频发及应急处置困难等问题的解决带来了新的方法和技术路径。
国内的专家学者开展了很多高速公路改扩建过程中数字化技术应用方面的研究，如：赵仲华[6]研发了高速公路建养一体化管理信息系统，以可用性为目标对高速公路的建设和养护历史数据进行全面分析，为高速公路建设与运营管理决策提供工具支持;张磊[7]提出了建管养一体化数字高速的理念，为开展高速公路改扩建数字化运营奠定了基础;随着国内高速公路交通需求的不断增长，郭宏亮等[8]针对高度城市化地区，以饱和交通量下的高速公路为研究对象，构建具有区域特征的高速公路交通流量需求预测模型，进而提出了饱和流量下的高速公路改扩建交通运行管理策略;随着科学技术的进一步发展，信息化等先进技术逐渐被应用到高速公路改扩建工程交通运行管理中，伍朝辉等[9⇓-11]提出利用BIM技术集成在役道路设施检测数据，应用于大中修、改扩建等养护工程中，可实现交通保通仿真分析、施工组织模拟分析等。
国外关于高速公路数字化运营技术方面的研究开展得较早，美国、日本、欧盟等发达国家和地区均建有较为完善的高速公路运营管理系统，对高速公路改扩建运营管理的研究主要集中在分析改扩建期间交通事故特征、优化交通组织围封方案、减少交通事故风险等方面[12]。如Shladover[13]利用短程通信技术实现高速公路路况感知，基于感知数据提供相应的管理与服务，提升车辆在高速公路行驶的安全性;Soriano等[14]发起了一项名为“EasyWay”的智慧交通项目，目的是引导欧洲国家部署统一标准的智慧交通系统与服务;Moehrle等[15]提出了一种基于案例与情景的突发事件应急处置方法，在决策时间很短、存在许多选项或事件未被完全预料到时，基于类似历史事件和场景的数据分析，确定合适的管理方案，提升突发事件应急处置的科学性。
综上所述，国内外研究人员从多个方面开展了高速公路改扩建数字化运营管控的研究与实践，但仍存在以下3个方面的不足：①缺少对饱和交通量下高速公路改扩建数字化运营管控系统架构的梳理;②改扩建期间突发事件频发且多样，原有感知外场设备功能受限，通用识别算法不适用，事故识别率有待提升;③饱和交通量下突发事件的处置时间长，严重影响道路通行效率，缺少支持事故快速处置的智能化工具与技术。为解决以上问题，本文将在分析运营管控目标与需求的基础上，围绕饱和交通量下高速公路改扩建数字化运营管控技术开展研究，采用面向过程的结构化分析方法，构建适用于饱和交通量下高速公路改扩建数字化运营管控的系统架构，并基于系统架构，给出各个模块的业务流程图，以期填补当前复杂交通场景下高速公路改扩建数字化运营管控系统技术的空白。最后将以G15（嘉浏段）高速公路改扩建工程为例，通过实践对该系统架构及管控效果进行验证。
1 饱和交通量下高速公路改扩建数字化运营管控目标与需求分析
高速公路改扩建运营服务的核心是“以人为本”，解决饱和交通量等环境条件约束下的道路通行能力问题，并提供快速、高效、准时、舒适的出行服务。因此，高速公路改扩建运营服务的目标是保障交通畅通和道路通行安全。为了达到该目标，需要解决流量饱和、事故频发及施工养护作业受限三者间相互影响所带来的问题。可以运用数字化技术与手段，精准聚焦饱和流量下高速公路改扩建期间的运营管控需求：一是最大程度减小改扩建施工对通行效率的影响，确保交通流稳定;二是对改扩建期间交通运行状况的监控和交通事件的精准识别，提前发布预警信息引导车辆安全有序通过，对事故及时响应与处置，提升道路通行效率。为实现以上功能，需增强对管控路段的交通运行感知能力，提高交通流监控与突发事件识别的水平，完善交通事故应急预案和路况信息动态发布措施，降低改扩建期间交通组织围封和突发性交通事件对道路通行效率的影响，保障交通畅通与安全。
饱和交通量下高速公路改扩建数字化运营管控目标与需求见表1 。
表1 高速公路改扩建数字化运营管控目标与需求 |
| 管控目标 | 需求分析 |
|---|---|
| 智慧管控 “更可控” | 通过交通流管控，提高车流引导水平，确保车辆安全有序通过，提升总体通行效率，保障通行安全 |
| 智慧服务 “更智能” | 通过采取多元的交通保障措施及信息发布手段，实现对突发事件、改扩建养护施工、拥堵交通的有效引导，通过伴随式信息服务，提升服务水平 |
| 智慧决策 “更高效” | 通过提升交通事件识别能力、完善交通事故应急预案和路况信息智能动态发布措施，实现交通突发事故感知、快速应急和智能引流，实现智慧决策 |
2 高速公路改扩建数字化运营管控系统构建
2.1 构建方法
高速公路改扩建数字化运营管控系统的构建需要兼顾稳定性与开放性，以适应新基建时代不同阶段基础设施数字化升级的要求及不断演进的技术形态[16]。从整体结构看，高速公路改扩建数字化运营管控系统本质上是由经典智能交通系统中各子系统自下而上的采集、传输、处理及应用等构成，各子系统相互融合实现最优管控效果。因此，高速公路改扩建数字化运营管控系统的构建可借鉴智能交通系统体系中面向过程的结构化分析方法。面向过程的结构化分析方法主要是以系统内部数据为中心，依循各子系统之间数据传输与转换的关系，自上而下对系统功能进行拆解和设计，直至构建成可满足实际需求的物理模型[16]。面向过程的结构化分析方法符合人的思维、行为习惯，易于实现，因此本研究采用面向过程的结构化分析方法进行高速公路改扩建数字化运营管控系统的构建。
2.2 系统架构
要实现饱和交通量下高速公路改扩建数字化运营管控，需要构建高速公路改扩建数字化运营管控系统架构，提升饱和交通量下交通运行数字化管控与服务水平。高速公路改扩建数字化运营管控技术主要通过实时获取改扩建施工路段的交通运行状况与快速精准识别交通事件等相关参数数据，借助路侧信息发布设施来实现速度、匝道及路径诱导等交通控制策略。因此，采用面向过程的结构化分析方法自上而下构建饱和交通量下高速公路改扩建数字化运营管控系统架构。如图1 所示，系统架构主要包括数据采集、数据处理与传输及信息发布3个层次。
由图1 可知，数据采集基于路侧感知设备和外部系统采集车流、事件及气象等数据，提高高速公路改扩建期间的交通运行状况的感知控制能力。相比传统的人工视频监测和巡检，数字化运营管控系统能够实时监测交通运行状态，及时发现并主动报警异常事件，辅助提升突发事件的应急响应能力。数据处理层主要对实时的交通运行状况数据进行融合、分析并建模，实现交通运行态势预测、交通事件精准识别及快速应急处置等，为管理决策提供支撑。传统的事后依靠人工和经验识别并处置存在作业效率低的问题，而通过大数据智能分析，可实现事前预防、科学快速决策。信息发布层主要通过改扩建期间高速公路沿线感知通信控制网，发布速度协调、拥堵预警及合流控制等管控措施信息，确保交通运行高效、安全。与传统的投入大量人力、物力的被动疏导管控方式相比，既提高了管理效率，又减少了施工作业人员的安全风险。
3 子系统业务流程构建与功能分析
基于已构建的高速公路改扩建数字化运营管控系统架构，采用面向过程的结构化分析方法，继续对交通运行服务控制、交通事件识别与应急处置保障、动态信息发布等各子系统的数字化技术实现路径及功能进行分析。
3.1 交通运行服务控制业务流程及系统功能
精细化的交通运行服务控制系统的功能主要是通过全息感知、高精度定位及通信等技术实现。精准掌握交通实时运行情况，通过人工智能算法实现对交通流态势的预判、事件持续时间和影响范围的评估，通过动态信息发布系统，生成交通流管控方案，并由交管部门认定，实现车道和车速的实时管控，避免饱和交通量下高速公路改扩建期间发生交通事故，缓解交通拥堵，提高道路通行效率及运行安全。通过以上分析可知，交通运行服务管控系统的业务流程是基于路侧实时数据和计划数据的采集，通过数据处理分析进而生成交通运行控制策略。交通运行服务控制系统业务流程如图2 所示。
该系统主要具备以下功能：
（1）交通流量监测与预测分析。通过数据信息处理和整合，精准掌握饱和交通量下高速公路改扩建期间的实时交通运行情况与交通运行态势，分析高速公路改扩建期间道路剩余通行能力，实现运行态势分析与预判、交通事件影响分析及管控效果评估等功能，进而采取速度协调、排队预告等控制策略，为管理决策提供支撑，缓解交通拥堵，提升道路通行能力。
（2）交通运行状态特征分析。综合交通流、天气等数据，分析不同时间维度、不同空间维度的高速公路改扩建期间交通流特征与服务能力，优化改扩建施工计划，减少对交通运行的影响。
3.2 交通事件识别与应急处置保障业务流程及系统功能
构建高速公路交通应急管理体系，对于突发事件的科学管理与紧急救援具有重要的作用。该体系主要包括安全预警、应急管理及紧急救援3方面内容。基于路侧全息感知、边缘计算、时空数据分析等关键技术，构建交通运行风险预测模型，实现对饱和交通量下高速公路改扩建期间交通安全隐患的分析、预测和预警。运用高速公路事件智能识别技术辅助传统人工识别，提高交通突发事件的识别效率，通过制定、汇总不同级别交通事件形成交通突发事件应急处置策略数据库，构建标准化的交通应急处置保障流程体系。通过以上分析可知，交通事件识别与应急处置保障系统分为突发事件快速识别体系、外部数据输入及应急处置保障体系3部分（如图3 所示），从而实现突发事件的感知自动识别、预案生成与管理、资源调度与优化配置。
交通事件识别与应急处置保障功能主要将事件识别系统与应急策略数据库搭载到同一数字化运管平台上，通过系统平台发出事件识别预警，提供解决策略，调用配套资源，以缩短发现事件时的反应时间，减少对运营人员主观经验的依赖，提高应急救援效率，同时也规范各类事件的应急救援流程，提高救援工作的稳定性。
3.3 动态信息发布业务流程及系统功能
4 G15（嘉浏段）高速公路改扩建工程案例
G15（嘉浏段）高速公路是上海市与外省市交通的重要通道，全长12.57km，设计车速为100km/h，随着长三角一体化发展战略的实施，其交通量持续增长。为了适应不断增长的交通需求，提高道路服务水平，对该段高速公路实施“六拓八”改扩建。通过对G15（嘉浏段）高速日常运营、改扩建现场及相关资料的调研可知，改扩建期间日均交通流量为10万辆次，车道通行条件受限，饱和流量下易造成交通拥堵、断流及安全事故。交通突发事件频发、事件识别效率低、饱和流量下突发事件处置效率低是该路段改扩建期间运营管控所面临的突出问题。将前文提出的高速公路改扩建数字化运营管控技术方案应用于G15（嘉浏段），以“双升双降”（提升通行效率、提升应急施救效率，降低事故率、降低养护占道影响）为目标，构建了由路侧端信息感知采集、数据传输与处理、信息发布管理等系统组成的高速公路改扩建数字化运营管理体系。该体系主要包括交通运营管控（车道和车速的实时管控）、交通数据分析（交通流状态的实时分析）及施工日志板块（改扩建路段施工进度）。G15（嘉浏段）改扩建数字化运营管控系统界面如图5 所示。
通过在改扩建路段布署监控感知设施、无线通信网络、高精定位系统及定制高精地图系统等，提升G15（嘉浏段）改扩建期间交通运行状况的感知与管控能力。按照“路端感知监控→数据处理分析→管控策略实施发布”的逻辑框架，构建系统平台，实现了对饱和交通量下高速公路改扩建期间交通运行的实时管控、突发事件的快速识别与及时响应处置功能。G15（嘉浏段）高速公路改扩建数字化运营管控技术方案，实现了以下3个方面的创新服务。
（1）精细化的交通运行控制服务。基于全息感知数据的采集、路侧边缘计算分析与系统平台协同管控，精准掌握G15（嘉浏段）高速改扩建路段的实时交通运行情况与交通运行态势，通过动态信息发布系统，实现了车速平滑协调和交通运行风险预警功能，解决了饱和交通量下高速公路改扩建期间易发生交通拥堵的问题，提高了改扩建期间道路通行流量、平均通行速度及交通运行安全。
（2）精准化的交通突发事件识别及应急处置保障服务。发生交通突发事件时，引入交通事件的智能识别技术辅助传统人工手段，提高了突发事件发现的及时性和精确性。基于现场交通运行演变态势，实时判定事故影响程度与影响范围，运用支持事件快速处置的智能化工具与手段精准化提供应急处置服务，同时提供相关交通预告与诱导服务，形成标准应急保障体系，解决了饱和交通量下高速公路改扩建期间突发事件识别率及应急处置效率低的问题，减小了突发事件对交通运行的影响。
（3）改扩建期间施工路段的安全预警服务。在G15（嘉浏段）高速改扩建施工路段、合流区、分流区及匝道等易发生交通事故的区域布署摄像头、雷达等路侧感知设备，基于路侧边缘计算分析与系统平台协同管控，实现了饱和交通量下高速公路改扩建期间的交通安全隐患预测和预警，通过动态信息发布机制，提供即时道路交通状态与预警信息服务，一定程度上解决了饱和交通量下高速公路改扩建期间突发事件频发且多样的问题，提高了交通运行安全。
从G15（嘉浏段）高速公路监控中心中控室获取相关数据，对改扩建数字化运营管控期间的交通运行状况、突发事件识别及应急处置情况进行分析，结果表明：改扩建数字化运营管控期间的道路交通流量较为稳定，未对周边路网产生破坏性影响;与2019年改扩建初期基于人工视频监控的运营管控方式相比，交通突发事件的平均识别效率由87.6%提升至91.6%，总体提升了14%。突发事件的平均处置时长由30min降低到了21.75min，处置效率提升了27.5%。应急施救到位平均时间由13.8min降低到10min，应急到位效率提升了27.5%，行业规定的到位标准为15min。可以看出，改扩建期间，G15（嘉浏段）高速公路的通行效能、综合应急及安全保障能力等方面均有显著提升。实践证明，本文所构建的高速公路改扩建数字化运营管控系统架构合理，各子系统业务流程及功能有效。
5 结语
针对目前高速公路改扩建运营管控中存在的事故识别率低、智能化处置手段不足等问题，本文对饱和交通量下高速公路改扩建数字化运营管控技术进行了研究。在分析饱和交通量下高速公路改扩建数字化运营管控需求与目标的基础上，采用面向过程的结构化分析方法，提出了高速公路改扩建数字化运营管控系统架构，重点介绍了交通运行服务控制、交通事件识别与应急处置、动态信息发布等系统功能，并以其在G15（嘉浏段）高速公路改扩建工程中的应用为例，验证了该系统架构的有效性。实践表明：应用基于本文提出的数字化运营管控系统架构及技术路径所构建的系统可提升饱和交通量下高速公路改扩建期间的运营管理水平，缓解交通拥堵，提升高速公路改扩建期间的道路通行能力和服务水平。但本研究对路侧感知设备的布置优化、交通事件识别算法优化等方面的研究还不够深入，这将是下一步重点研究的方向。