背景介绍

       根据«中国高速公路信息化发展报告2023»，截止2023年，全国高速公路的总里程已经超过18万公里，国家高速公路网由“7射、11纵、18横”（简称“71118”）等路线组成。高速公路的信息化设施建设也达到了新高，其主线视频监测密度已接近1套/公里（这个投入真的不是一点点呢！）。以上这些数据，清楚地诠释了高速公路这几年的“重建设”、“重硬件”、“重路段”的特点。

       交出这么亮眼的基建成绩单后，高速公路下一步的发展方向是什么？有一点可以确定，再走老路肯定不合适了。

       近日，财政部、交通运输部联合印发《关于支持引导公路水路交通基础设施数字化转型升级的通知》，主要提了2点思路，总结如下：

       1)改变传统基建模式，在少花钱、少消耗的前提下，把在役公路作为重点，实现交通基础设施数字化改造、智能化响应和智慧化支撑。

       2)坚持使用数据，创新体制，促进数据的多场景应用、多主体复用，用好数据要素价值。

       因此，对于高速公路后面的发展方向，我的个人判断是：重视路网的运营管理，通过数据赋能，在小资金和小资源的投入前提下，改善高速公路的通行能力以及服务水平，同时提升安全性。

交通仿真技术

       仿真技术是一种实验科学的技术，适合分析研究受到多种影响因素影响的复杂系统的运行特征。

       交通仿真技术，运用到高速公路的数字化运营管理中，可以在满足“少花钱”、“少消耗”的前提，在虚拟的平台里，利用之前感知设备提供的数据要素，进行多方案的比选，交通流预测、态势分析研判、交通拥堵预测以及交通事件影响分析等的计算。

       高速公路研究的是：人-车-路-环境。

       交通仿真技术如VISSIM软件，擅长研究的是：路网-控制-流量-行为（人的驾驶行为）。

图1：VISSIM交通仿真软件研究的4大要素

       可以看到，除了“环境”这个因素，不能直接考虑外（通过改变速度方式间接考虑），交通仿真软件VISSIM，来分析高速公路上的人-车-路的关系和相互影响结果的，是非常有效的。

       因此，交通仿真技术，能帮助管理者解决问题，而且在国家新建议的思路框架里帮助解决问题，交通仿真技术应用在高速公路数字化运营管理恰逢其时。

       交通仿真技术可以应用到的具体场景举例

       在高速公路的数字化运营管理中，根据«中国高速公路信息化发展报告2023»，我梳理出来以下主要几种具体应用场景：

       1)高速公路运行态势分析和预警

       2)主动交通管控

       3)利用数字模型进行数字化设计，交通仿真软件与该模型相结合，一体化继续支持运营管理阶段的交通流分析。

       4)在改扩建施工时，进行改扩建施工交通组织仿真，找出优化方案，从而提供了量化且可视化的数字化手段。

       接下来，我就具体针对以上每个场景，介绍一下交通仿真技术如何应用的。

       3.1 高速公路运行态势分析和预警

       在高速公路上，行驶的是机动车交通流，交通流的变化，在知道了路网供应信息和交通量的前提下，是可以在仿真软件平台上（如VISSIM软件）分析交通流的运行态势的，这也是仿真软件的强项，可以得到具体的例如出行时间、延误、行驶速度等一些量化的指标。如果结合一些管控平台，把仿真软件作为计算核（通过二次开发接口，去支持和平台的数据对接），是可以根据客户的预设条件，提供预警信息的。

       在做运行态势分析的时候，如果给到仿真软件的交通流量是离线的历史数据，那么就可以做历史数据的态势分析；如果给到仿真软件的交通流量是实时的数据，那么就可以做实时流量的态势分析。这个取决于流量是哪种类型的数据，以及数据的延误时间如何。

       下面的图片，是一个高速公路发生了车辆事故的交通流运行态势分析的仿真案例。正常的这条高速公路一个方向是3车道，当1辆白车发生了事故抛锚了以后，在事故处理的时间段内，它占据了1个车道。后面车辆的通行，从3车道变成了2车道，通过交通仿真软件，你可以看到，随着时间的流逝，这个方向的交通流的运行态势变化，以及量化的排队长队的变化。

图2：事故发生后的运行态势分析和研判

       3.2 主动交通管控

       根据«中国高速公路信息化发展报告2023»的结论，主动交通管控可以最大限度地提高通行能力和交通安全性。目前我国采用的主动交通管控技术主要有：动态速度控制、匝道控制、动态路肩控制、提前排队检测、车道动态分配等。实际应用较广的是可变限速控制和交通诱导。

       在测试和确定使用这些主动管控措施之前，利用交通仿真技术提供的虚拟仿真平台，可以测试不同的交通流量对应的交通流下，哪种管控方式带来的效果最好。通过不同方案的分析比较，可以得到一个经济高效的措施方案。

       比如可变限速控制，可以分析不同的交通流量大小下和建议限速的速度值下，最适合进行控制的流量阈值边界值，以及对应的速度控制值。对应变化了的速度限制，可以在软件里作为“限速”路网对象，直接作用到后续的每辆经过车辆上，改变它们的期望速度区间。

图3：交通仿真技术在可变限速控制上的应用

       再比如动态路肩控制，也可以根据交通流具体量的变化，动态改变是否可以开放路肩通行。在仿真平台离线测试好后，就可以落地实施，做到了少投入，科学决策的目标。

图4：交通仿真技术在动态路肩控制上的应用

       另外，我们还可以利用交通仿真技术，做一些收费站的主动管控放行的策略，以保证高速公路主路的交通流，最大限度减少被无序交通流干扰的次数。

图5：交通仿真技术在收费站间歇式放行上的应用

       3.3 利用数字模型进行数字化设计，交通仿真软件与该模型相结合，一体化继续支持运营管理阶段的交通流分析。

       在做高速公路设计的时候，就可以直接把数字化设计的理念应用其中。可以把BIM技术、交通仿真技术结合起来开展数字化设计，实现图纸的数字化，在模型里不仅可以表达设计的路网基础设施相关几何信息、也可以把通车后不同典型日、不同时间段的交通流量值加入模型中。使得这个数字化设计的模型可以贯穿设计阶段和运营管理阶段，从而达到”多体复用”的目的，可视化、量化分析的要求，都可以得到满足。

图6：BIM模型和VISSIM仿真模型的结合应用（例子来源于：深圳市政院）

       在这类应用中，涉及到的技术路线，可以是：

       1）Openroad格式的设计文件直接读入VISSIM中；

       2）或者，VISSIM交通仿真软件仿真出来的车辆轨迹信息，以TXT文本格式的形式，导入BIM模型里，在BIM模型里进行交通流的仿真展示。

       3.4 在改扩建施工时，进行改扩建施工交通组织仿真，找出优化方案，从而提供了量化且可视化的数字化手段。

       在改扩建施工中，会涉及关闭几根车道，或者关闭整个路幅。在已知的交通流量下，提出的施工道路通行方案，可以进行仿真测试，是否在一定的延误和排队长度指标下，可以保证车辆的通行。如果交通流，导致延误的影响比较严重，则还可以考虑通过周边国道等公路路线的联动调整分流，来改善改扩建施工造成的不利影响。

       在这个任务命题下，可以利用微观交通仿真技术（如VISSIM软件），进行微观模型的仿真测试验证。也可以利用宏观交通仿真技术（如VISUM软件），进行局部高速路网和周边公路的流量分析，在新的交通诱导措施下，进行新的路径分配，查看对应的流量分布情况。

图7：道路施工中的路段建模仿真分析截图

图8：德国慕尼黑地区周边高速公路网流量分配的饱和度展示图

       综上所述，好好地利用交通仿真技术，一定在高速公路数字化运营上大有可为。