上海南浦大桥交通监控系统改造方案

　　上海南浦大桥自1991年12月建成通车至今已经历了近十年，为缓解浦江两岸交通难发挥了巨大作用，别具匠心的造型设计依然是上海著名的旅游景观之一。
    随着上海浦西中心主干道路网：申字型高架道路和三纵三横地面道路的建成，内环线高架和南浦大桥空中衔接，浦东大规模开发、开放，龙阳路延伸，龙阳路立交贯通，尤其是取消收费后，大桥的平均日流量从初期的1、2万辆激增到现在的10万辆，最高日流量已经突破12万辆。
    然而，与高速增长的交通需求不相适应的是陈旧落后的大桥交通监控系统，建成通车至今没有进行过较大的更新改造，除了紧急电话系统基本正常外，原有的车辆检测系统已经瘫痪，零星分布的几个黑白摄像设备性能下降，有的甚至已经失控。交通监控处于被动、落后的状况。
    为了改变南浦大桥目前不尽如人意的交通现状，进一步提高管理和服务水平，最大限度地发挥硬件的功效，有必要运用当代先进的ITS理念和高新科技，对大桥的交通监控系统进行一次彻底的改造。
    1.自动检测、报告和数字录像交通事件
    能够自动检测、报告和数字录像引起交通异常的事件，及时提醒监控人员确认、处理和跟踪交通事件。 所谓交通事件是指导致正常交通流突然发生拥挤甚至阻塞的事件，最常见的交通事件有：各种原因的车辆抛锚和各式各样的交通事故。
通常，在交通高峰时段,例如上下班期间,尽管车道的流量高达1760[辆/小时]，密度高达65[辆/公里]，速度下降到27[公里/小时]，但是从宏观角度看，交通供给和交通需求总是处于一种相对平衡的状态,因为：如果经验告诉交通参与者此路难行的话,大部分交通参与者会选择避让,甚至不惜远程绕行；可是从微观看，由于这种平衡处在接近饱和的临界状态,交通流的性质十分脆弱,任何干扰都会触发交通拥挤甚至堵塞事件。
    南浦大桥实时交通信息
    在没有外力干预的自然条件下，因交通事件引发的交通流的集结、涌堵过程是突然的，短暂的，然而阻塞、消散过程却是十分缓慢的。屡见不鲜的事实是，焦急等待的排队车流盲目的胡乱行为，导致交通状况进一步恶化，诱发新的交通事件。
交通事件就象是道路的孪生兄弟，是不可避免的。
    交通监控系统最重要的作用就是：及时发现道路上发生的任何交通事件，确定事件发生的地点、性质，事件的严重程度，火速救助出事的人员和车辆，尽快疏导和恢复交通。
    如果没有自动预警功能，仅仅依靠人工监视图像，由于工作单调、疲劳，延误、疏漏在所难免。在日本，强制规定所有交通监控系统必须具备自动预警功能，这个做法值得我们借鉴。
    评价交通事件检测的质量,主要包括及时性和准确性两方面,这两方面是相互矛盾的。从实用角度来讲，及时性比准确性更重要，因为不论交通事件报告正确与否，必须经过人工确认，当然频繁地误报是不可容忍的。
    合理地布设检测断面和科学的计算方法，是提高交通事件自动检测质量的两个重要条件。
    采用电子测量技术，自动检测交通事件的原理并不复杂。根据实时检测到的相邻检测断面交通数据的异常变化，就能迅速检知可能发生的交通事件。例如下游检测断面的流量和速度突然小于上游检测断面，就能判断交通流正在下游检测断面附近集结，反之就能判断涌堵的交通流正在上游检测断面附近消散。
    虽然理论上讲断面的数量越多、间距越小越好，但是综合评估性能和造价后得出如下共识：实用的检测断面的间隔距离为300-800米。
    国内外普遍采用的计算方法是以车辆在环形线圈上的时间占有率为主要依据的算法。并不是因为这种算法已经完美无缺，事实上这是由于现有的前端交通信息采集设备车辆检测器功能简单、信息贫乏以及系统数据通信速率底下等原因造成的。本市高架道路交通监控系统的实践表明，该算法对多变的交通状况的适应能力较差，实际效果不甚理想。
    去年11月20日开通使用的，安装在南浦大桥浦西盘旋干道（距大伸缩缝650米）上的双向6车道2个检测断面的交通检测和监视系统，除了提供业主要求的流量统计功能外，还进行了各种交通参数检测和大量的交通监控模拟实验。同样的系统也已经先后安装在打浦路隧道、徐浦大桥及杨浦大桥。
    连续几个月围着三桥一隧不停地的考察、研究和试验，采用功能强大的SQ2000交通信息采集器，结合大桥实际情况，吸取国内外各种算法的长处，自主开发了一套“多参数加权滑动平均”算法。经过在南浦、杨浦实地反复测试表明，反应灵敏，准确度高，环境适应能力强。预期达到的主要性能是：交通事件的检测时间不大于2分钟，误报率不大于5%。经过艰苦努力，我司已经具备了总体承担南浦大桥交通监控系统改造的条件。
    2.全方位、无盲区的交通参数检测和视频图像监视
    交通参数的自动检测和视频图像的人力监视是现代交通监控系统中两个基本组成部分，两者相辅相成，缺一不可。
    为了实现上述交通事件的自动检测、报告和人工确认、处理功能，交通监控系统必须具备全方位、无盲区的交通参数检测和视频图像监视功能。
    建议在大桥的所有通道，同时采用先进的交通参数检测和视频图像监视技术和设备，全自动地采集交通流的流量、速度、密度、饱和度等交通参数，自动跟踪或者人工操纵图像监视和数字录像，必要时还可以进行人工图像抓拍。
    道路交通的基本参数是交通流的流量(Q)、速度(V)及密度(K)，即交通三要素，美国交通学者海脱提出了由三者构成的交通流基本模型：Q = K × V
    其中：流量Q的计算单位为[辆/小时]，密度K的计算单位为[辆/公里]，速度V的计算单位为[公里/小时]。
    交通参与者最关心的是相关交通节点交通的饱和程度，即交通饱和度。交通饱和度(S)是实时交通流量(Q)与饱和交通流量(Qm)的比值，即S = Q ÷ Qm
    饱和交通流量Qm的大小和车道宽度W、交通状况、视距、坡度等条件有关。当不考虑转弯、视距、坡度等因素时，国际上通常按下述R·金伯公式计算饱和交通流量Qm = 196 × W2 － 979 × W ＋ 2964 [辆/小时]
    常见的车道宽度和饱和交通流量的关系，如下表所示。
    车道宽度[米]
    3.0
    3.3 3.6 3.9 4.2 4.5 4.8 5.1
    饱和交通流量Qm[辆/小时]
    1,791
    1,868 1,980 2,127 2,310 2,258 2,781 3,069
    当交通环境良好时，取值可以高于上述标准值，反之则应该低于上述标准值。
    为了更准确的反映交通状态，著名英国学者韦伯斯特提出了关于交通流量的折算系数概念。从此，交通流量不再是简单的不论车辆大小的纯数量概念，而是将非标准车型折算成标准车型后的标准交通流量，计算单位为[标准量/小时]（pcu/h），通常简称为流量，计算单位为[量/小时]。这一理论一直沿用至今。
    在我国，折算系数的取值通常如下表所示。和上述饱和交通流量一样，根据不同的交通条件，也应该不断加以修正，使之更加贴近实际。
    车辆类型
    小客车
    大客车 小货车 大货车 拖挂车 摩托车
    折算系数
    1.00
    2.25 1.15 1.48 2.34 0.33
    3.及时发布各种提示信息和指示信息
    采用先进的能遥控显示中、西文字符的点阵信息牌，自动或者人工发布各种交通信息和提示信息，例如相关路段和交通节点的交通饱和度（阻塞、拥挤、畅通）等提示信息和限速、关闭匝道等指示信息。
    国内外长期实践经验表明，在路程较短、设施优良、对象单纯、难以迂回的立体型大桥交通中，没有必要采用在平面交叉路口或者高速公路中常用的交通控制方法对匝道或者干道进行交通控制，过去曾经企图使用交通信号灯、可变限速板强制调节交通流的方法，效果不好，是一个经验教训。因为，一旦大桥遇到诸如保卫任务、交通事件等紧急情况时，行之有效的方法是派遣警力或者管理人员到现场进行处置。
    交通学者、交通工程师以及众多外国专家一致认为，无论在什么情况下，也就是说，无条件地采用各种行之有效的信息传播手段及时向公众发布相关的交通节点的交通饱和度、交通事件等交通信息，是实现区域交通自适应的有效措施之一。
    4.灵活可变的系统运行方案
    交通参数检测的运行方案，例如采样周期、滑动时距，预期的饱和流量，预期的车辆行驶速度等，因能根据星期、时段、节假日、路段等不同情况，由系统管理员进行人工设定。
    图像监视的运行方案，例如自动数字录像参数，自动跟踪摄像点的数量、坐标、顺序等，也可以由系统管理员人工设定。
    事实已经证明，由于交通系统是一个复杂、随机的系统，一成不变的运行方案是行不通的。根据积累的历史资料和当前的运行状况，认真细致的选择最佳的运行方案，是交通监控系统的管理者的重要任务之一。
    5.自我评估系统的运行效率
    系统能够自动计算、显示运行效率指标，例如延误时间，总旅行时间，总旅程等，供专职的系统管理人员参考，以便积累经验，使运行参数更加贴近实际，不断提高运行效率。
    系统软件必须为监控系统的各级管理层提供可评价工作质量的内容和方法，以便对各级管理制定目标管理责任制。