關于智能車道線可行性的相關研究

張睿 張文弢 焦鵬飛 李杰 王研州

摘 要：設計一種可控制變化的智能車道線，將車道線的位置變?yōu)橐粔K可顯示區(qū)域，針對不同的交通環(huán)境，通過系統(tǒng)控制完成對車道線顯示形態(tài)的轉換，從而更好的緩解交通壓力，規(guī)劃行車軌跡，提高行駛的安全性。

關鍵詞：交通工程;可行性研究;智慧交通;潮汐車道;道路安全

0 引言

隨著城市經濟的不斷發(fā)展，機動車保有量的不斷增加，交通壓力日益增大，擁堵與事故頻發(fā)。早、晚高峰時期車流量急劇增加，道路雙向通行能力的不均衡，呈現出交通流時間、空間分布不均的交通狀態(tài)。本文通過研究“智能車道線”的可行性，旨在提高道路的空間資源、克服傳統(tǒng)車道線的不足與弊端、緩解交通壓力。

1 傳統(tǒng)車道線存在的問題

傳統(tǒng)車道標線的缺陷有：易磨損，并且在磨損度較大的路段，可辨別性較差;在能見度較低的氣候條件下不易識別;面對潮汐車流，變更車道標線所需要的時間較長，效率較低。

針對此類問題，我們提出智能車道線這一研究方向，同時也針對交通流導流預防二次交事故提出了相關措施。

2 智能車道線的優(yōu)勢

智能車道線采用模塊化組合拼接的形式，對不同的路況設計搭載不同功能的模塊。通過系統(tǒng)設定或者人工控制實現車道線顯示模式的轉換，從而規(guī)劃合理的行車運行軌跡，緩解交通壓力，及時應對突發(fā)狀況，使得道路更加通暢。

2.1 主要功能及原理

2.1.1 潮汐車道

智能車道線可根據早晚交通流量的不同情況，自動變換車道兩旁的車道線的顯示方式，實現車道行駛方向的變更，以拓寬車流量大的方向的車道數量。

為考究智能車道線作為潮汐車道的可行性，建立數學模型進行分析。針對周期性某時段路段通行能力不均衡所導致的單向擁堵問題，分析了潮汐車道的設置條件與方向分布系數。在此基礎上，從路網系統(tǒng)的角度出發(fā)，建立潮汐車道設置方案的雙層規(guī)劃模型，上層模型用于路網車道分配，以系統(tǒng)總延誤及潮汐車道交通流優(yōu)化比的和最優(yōu)為目標，下層模型為路徑選擇行為符合Wardrop用戶平衡準則的用戶均衡分配模型?；谶z傳算法和Frank-Wolfe算法進行算例分析，并將優(yōu)化前、后的方向分布系數與路段飽和度進行對比，結果表明：該模型可合理緩解潮汐交通現象，降低路網系統(tǒng)總延誤。

（1）模型假設：

1）道路無中央隔離帶。

2）路段的雙向車道總數不變。

3）車道數至少為三車道，其中主干道至少為五車道。

4）交通量約束指重交通流方向與輕交通流之比即方向分布系數要大于臨界方向分布系數，臨界方向分布系數一般在之間。

（2）上層目標函數。在城市交通網絡中，定義，其中為網絡節(jié)點集;為路段集。記路段的車道數為，即：，，其中，

，路段的通行能力為。若潮汐車道設置合理，潮汐車道交通流優(yōu)化比大于1，反之則小于1。由于潮汐車道交通流優(yōu)化比與車輛總延誤單位量綱的差異性，引入匹配系數，在目標函數中，取潮汐車道交通流優(yōu)化比的倒數，即路網車輛總延誤與潮汐車道交通流優(yōu)化比倒數的和最小為上層目標函數：

（3）下層目標函數。在假設出行者的路徑選擇遵循Wardrop用戶平衡準則的前提下，根據用戶平衡配流模型對出行者的出行選擇行為進行分析。即在任意時段內，交通網絡內部流量達到均衡時，被選擇的路徑走行時間相等，相比未被選擇的路徑走行時間短。采用如下用戶平衡配流模型對任意時段下的道路進行交通量分配：

2.1.2 提高紅路燈可視性與通行效率

在車輛駛入紅綠燈等待區(qū)時，若前方出現大型車輛，后方小車的視線就會被遮擋，使駕駛員無法觀測到路口信號燈變化，綠燈通行末期，此現象可能會導致誤闖紅燈的情況;視線受阻也會對某些駕駛員心理和行為產生影響，且個體之間存在較大差異，包括綠燈通行末期搶秒沖行或是提前放棄通行。

智能車道線通過同步紅綠燈信號，將原本容易被遮擋的上方視線，轉移至地面，提升信號燈的可視性，縮小駕駛員在通行末期的行為差異化，也能一定程度上提高通行效率。

2.1.3 提高道路對復雜環(huán)境的應對能力

某車在行駛過程中發(fā)生交通事故或車輛發(fā)生故障，當駕駛員已經失去行動能力無法樹立警示標志時，后方車輛易對駕駛員造成二次傷害。

管控部門通過高速路監(jiān)控攝像頭確認事故位置后，通過系統(tǒng)控制對應車道線顯示模式轉變?yōu)槭疽馕ｋU的紅色，并將靠近相對安全的一側的車道線的一半顯示為綠色，以此來警示后車減速并提醒向一側變更車道，避免事故路段發(fā)生二次事故或導致交通的擁堵，保證駕駛員的安全，提升道路安全性。

在城市內，救護車、消防車等特種車輛在執(zhí)行任務時，通過智能車道線規(guī)劃路線，并將特殊車輛符號顯示在車道線上提前告知車輛避讓，保證任務車輛快速通行。

2.1.4 配合車輛實現自動駕駛

當前的自動駕駛技術是基于圖像識別的，當路面狀況不佳或車流過于復雜時，車輛容易發(fā)生誤判或誤操作。“智能車道線”配合“車聯網”，通過運算，為路面上所有車輛規(guī)劃好路徑，并通過智能車道線反饋電子信號，由車輛接收并進行相應的操作，從而實現整齊有序規(guī)劃的車流。

3 智能車道線的弊端

智能車道線投入使用后將長期暴露于室外，其材料對防水，抗壓，電源都有較高的要求，尤其是常有重型車輛駛過的路段，若沒有合適的選材，將會使養(yǎng)護成本加劇。且智能車道線需要在道路上預留相應的槽位和管線，施工成本較高。

4 市場評估

4.1 市場現狀

大數據時代已經到來，構建智慧城市是未來現代化城市的發(fā)展方向。融合了大數據技術的智能交通系統(tǒng)將會是智慧城市的重要組成部分，也是未來智能交通事業(yè)的前進方向。

4.2 目標市場

通過智能車道線對路面資源的合理分配，減少人力物力的支出;減少道路時空資源的浪費;完成潮汐車道的快速變線;實現對交通事故的預警;提醒后方來車注意安全;防止二次事故發(fā)生;智能車道線規(guī)劃緊急路線供消防車、救護車行駛，以便能過快速實現營救，減少人員傷亡;與車路協同技術相結合，減少駕駛員因操作失誤導致的交通事故。智能車道線主要的投放市場是城市快速路、主干路、道路交叉口、高速公路等事故多發(fā)區(qū)，車路協同技術將運用于車載裝置以及車載系統(tǒng)的更新換代。

5 風險評估

5.1 技術風險

將電子元件設置在道路路面內，需考慮受力情況、防水性、溫度穩(wěn)定性對其工作穩(wěn)定性和使用壽命的問題。其次，如今知識更迭速度快以及現代技術日新月異，新技術的快速產生有可能會將本產品替代。這就致使本產品會被提前淘汰而造成損失。

5.2 市場風險

市面上未有與本產品智能車道線相似的產品，但考慮到市場的接受能力，本產品可能會被拒絕?？紤]市場的接受能力的不確定性以及實際的適用性。這樣使得本產品會在前期宣傳推廣的資金因投入時間周期過長而無法收回。

6 結論

本文針對當前道路時空資源分配不均，道路應變能力差、傳統(tǒng)車道線存在不足等問題，提出了一種“智能車道線”的新型車道線建設策略，并建立相關數學模型進行驗證，驗證其總體可行。

參考文獻：

[1]韓寶睿，丁莉莎，李穎，等.前車遮擋造成的后車誤闖紅燈機理及信號燈設置研究[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2020，39（1）：23-27.

[2]錢紅波，韓皓.機動車綠燈倒計時對交叉口交通安全的影響研究[J].中國安全科學學報，2010，20（3）：9-13.

[3]戴昕.城市主干線潮汐車道交通流特性及設置方法研究[D].長安大學，2018.

[4]曹俊業(yè).基于潮汐流特性的變向車道協同優(yōu)化控制方法[D].青島理工大學，2016.

[5]賈洪飛，丁心茹，楊麗麗.城市潮汐車道優(yōu)化設計的雙層規(guī)劃模型[J].吉林大學學報（工學版），2020，50（2）：535-542.