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面向智慧扩容的交通流主动管控技术实践应用
编者按：8月7日，在安徽智能交通大会上，东南大学教授、博士生导师李志斌作了《面向智慧扩容的交通流主动管控技术实践应用》主题分享。报告在肯定应急车道动态开放现实成效的基础上指出，受道路结构、安全救援、出入口交织和运行条件等约束，并非所有路段、所有时段都具备开放条件。智慧扩容因而不能只理解为“多开一条车道”，还应着眼于高速公路通行能力为何损失、实际效能如何恢复，形成涵盖状态感知、机理辨识、策略生成、协同执行和效果评估的主动管控体系。报告系统梳理了六类典型场景、相应技术手段及工程应用，并对智能感知、专用控制装备、平台建设和路网协同的发展方向作出展望。
交通运输部、财政部推进公路水路交通基础设施数字化转型升级，提出围绕公共服务升级推动基础设施智慧扩容，促进干线通道主动管控和“一张网”服务等应用。政策目标已经明确，但在工程实践中仍需回答一个基础问题：数字化建设如何真正转化为通行效率和承载能力的提升？如果缺少清晰的交通机理、控制对象和评价指标，数字化系统容易停留在监测展示和信息发布层面。
高速公路属于典型的连续流交通设施。其拥堵通常不是由信号交叉口等外部中断造成，而是在既定道路、交通、控制和气象条件下，由车辆跟驰、换道、汇入以及相互干扰逐步演化形成。因此，智慧扩容要回答四个问题：扩的“容”是什么，哪些因素使其下降，采取什么手段能够恢复或提升，以及为什么这些手段能够发挥作用。
从技术路径看，智慧扩容可以分为两个层级。第一层级是通过开放应急车道实现“半物理扩容”，即通过应急车道或硬路肩动态开放、潮汐车道调整等方式，阶段性增加可用道路空间。江苏沪宁高速、广东南沙大桥、成都绕城高速等地的实践表明，在条件适宜、组织合理、感知和发布体系完备的情况下，该方式能够较快改善高峰通行状况。
但应急车道开放有明确边界：应急车道宽度和路面条件必须满足通行要求，桥隧、互通、出入口及短距离交织区域需要重点评估，开放后还要保留事故救援和异常处置能力。特别是在合流需求已经较高的路段，简单增加外侧车道流量可能加剧换道与交织。因此，应急车道开放应作为走廊级主动管控体系中的一个动作，与动态限速、车道控制、事件检测、匝道控制和诱导发布联动。
第二层级是“效能扩容”。道路设计能力并不等于实际运行中持续实现的通过能力。交通状态一旦跨越临界点，局部减速、换道冲突和拥堵波会使断面出流明显下降。主动管控的核心，就是在不新增物理车道的条件下，提前识别不利状态并实施干预，避免容量损失，或使交通流尽快恢复到稳定、高效的运行区间。其本质不是无限提高道路理论上限，而是尽可能缩小“设计通行能力”与“实际通行效能”之间的差距。
相应的技术工具并非单一措施，而是一个组合体系，包括入口及出口匝道流量控制、分车道可变限速、动态车道控制、实时信息发布、多人合乘或差异化收费车道、货车专用及大车管理、应急车道动态使用、事件与恶劣天气响应、高速—地面道路联动以及区域路网路径诱导等。不同场景需要选择不同的控制对象、控制尺度和策略组合。
这也决定了主动管控不能等同于可变情报板信息发布。情报板、导航、车机和移动终端只是执行与触达渠道；完整系统应形成“多源感知—状态与风险辨识—仿真推演—策略生成—现场执行—效果反馈”的闭环，并能够在异常情况下安全降级。
报告将影响高速公路实际通行效能的因素概括为三类：一是不利交通状态，包括瓶颈容量骤减和走走停停振荡；二是交通安全风险，包括事故风险及交通冲突；三是异常条件，包括突发事件、恶劣天气和节假日超大流量。进一步可分解为六类典型场景。
1. 瓶颈容量骤减：以匝道控制保护主线临界状态
交通流具有明显的非线性特征。密度较低时，车辆增加会带来流量提升；接近临界密度时，断面达到最大通行能力；一旦入口合流区超过临界状态，主线外侧车辆减速避让、换道增加，扰动向相邻车道扩散，最终造成全断面出流下降和排队向上游传播。相关研究显示，美国高速公路瓶颈的容量降幅约为10%—30%，我国部分路段可达20%—40%。因此，拥堵的损失不仅是车辆排队，还包括道路自身有效供给能力的下降。
入口匝道控制（Ramp Metering）是国际主动交通管理中较为成熟的手段。其做法是在匝道汇入主线前设置专用信号灯、检测器和控制器，根据主线占有率、速度、流量以及匝道排队状态，动态计算放行率。控制通常采用短绿长红、单车或双车放行，将集中到达的匝道车流重新组织为较均匀的时间序列，从而减小对合流区的瞬时冲击。其控制目标不是简单限制匝道，而是保护主线稳定运行，同时防止匝道排队回溢至收费站或地方道路。
匝道控制需要完整的四层工程体系：感知层监测主线流量、速度、占有率、密度以及匝道到达和排队长度；计算层在边缘侧完成数据融合、状态判断、放行率计算、排队保护和异常降级；执行层由专用匝道信号灯、停止线、车道指示器、可变信息板或收费设施完成控制；平台层负责远程监控、参数配置、多匝道协调、策略优化和效果评估。与普通城市信号控制相比，它要求短周期、高频次、可反馈、可保护、可降级，不能直接照搬城市路口设备与配时逻辑。
该技术已在美国、英国、法国、荷兰、德国、澳大利亚、新西兰、日本、韩国等国家和地区长期应用。巴黎环路相关案例中，部分瓶颈延误降低8.2%—11.6%，行程时间降低18.8%；德国慕尼黑环路采用多匝道协同控制后，死锁频次和事故率均有所下降；旧金山—奥克兰海湾大桥通过控制15条汇入车道进入5条桥面车道的节奏，减少瓶颈区容量陡降，排队长度和桥上事故明显下降。这些案例说明，匝道控制的价值在于以较小的入口调节换取主线整体效率和安全水平的改善。
2. 走走停停振荡：以可变限速消散拥堵波
高速公路上常见的“无明显事故却持续拥堵”，往往是交通流不稳定造成的。驾驶员反应迟滞和车辆之间的小扰动逐车放大，形成向上游传播的走停波。报告中的实例显示，部分四车道路段设计断面能力约为6400辆/小时，在严重振荡条件下，实测通过量可能降至约2000辆/小时，效能损失可达70%。
治理重点不是在拥堵形成后继续向下游推送信息，而是尽早识别振荡波的生成、传播速度和幅度，在上游实施分区可变限速和速度协调，使车辆提前、平稳减速，降低速度差并切断扰动放大过程。荷兰A11、A12高速DYNAMAX系统的实践表明，动态控制能够消散部分拥堵波、提高断面通过率，并取得较好的成本效益。其工程前提是连续识别拥堵波，而非依赖间隔较大的离散断面数据。
3. 事故风险：从事故处置前移到风险主动防控
交通事故与交通流状态密切相关。频繁冲击波、上下游速度差、急减速和高密度换道等，既是运行效率下降的表现，也可能是追尾和侧向冲突的前兆。报告介绍的事故风险模型融合机器学习、随机参数等方法，针对不同时空和交通状态识别风险，这意味着安全管理可以从“事故发生后响应”前移为“风险形成时干预”。
典型控制手段是车道级可变限速和动态诱导。美国华盛顿州I-5西雅图机场高速在7.2英里路段设置15组龙门架车道级信息设施，实施后总事故数、严重伤亡事故和追尾事故均有所下降；日本首都高速弯道盲区通过感知与动态速度控制开展试验，事故降幅接近80%。其共同逻辑是减少速度离散、提前化解冲突，而不是单纯降低固定限速值。
4. 突发事件：以秒级检测和提前避险降低二次事故
事故、抛洒物、车辆失火、违法变道、行人或动物闯入等事件会迅速造成局部流率下降。报告提出基于高精度车辆轨迹的事件检测方法，可覆盖17类异常事件，将突发事件判别时间由传统的分钟级缩短到10秒以内。事件检测只是起点，还需要结合事件影响范围和车流状态，快速生成减速、变道、车道关闭及上游分流策略。
在雄安新区荣乌、京德等智慧高速建设中，主动管控系统通过提前发布风险与避让信息，使车辆在到达事发点前完成降速和换道。项目应用结果显示，交通事故率降低约20%，二次事故率降低约90%。这类场景体现了“检测—研判—控制—发布”的时间价值：越早识别、越早组织车流，越能减少事件对安全和通行能力的二次冲击。
5. 恶劣天气：以风险分级管控提升道路可用性
雨、雪、雾及路面湿滑会使车辆降速、车头时距变化和停车距离增加，报告显示不利天气下通行效能可能下降30%—70%，事故风险也会显著上升。传统封路措施安全边界清晰，但也会降低道路可用性。对于风险可控的天气过程，可综合气象、路面状态、交通速度差和车辆轨迹，实施分路段、分车道、分时段的动态限速和预警。
美国怀俄明州I-80采用恶劣天气预警、可变限速和路车通信等措施提升冬季运行安全；荣乌智慧高速通过实时风险识别和主动管控，在满足安全条件下实现准全天候通行，每年减少因恶劣天气封路约20天。其目标不是追求任何天气下都保持高速运行，而是在可控风险范围内实现安全与通行的动态平衡。
6. 节假日超大流量：以走廊和路网协同避免交通锁死
节假日交通需求长时间超过局部承载能力时，瓶颈排队会持续蔓延，严重时道路近似“停车场”，实际通过率可能接近于零。此时，单点控制很难解决问题，需要把管控尺度从单一路段提升到通道和区域路网，综合采用短时预测、应急车道动态利用、入口调节、高速—地面道路协同分流和路径诱导，尽量使车流保持连续运行。
河南省“一轴一廊”数字化转型升级智慧扩容试点在京港澳高速郑漯段、机场高速S1段综合应用状态分析、实时孪生、应急车道开放和高地联动诱导。清明期间，应用路段平均速度由46.6 km/h提升至68.8 km/h，速度标准差下降22%；五一期间，通行能力提升约15%，延误减少27%，行程时间缩短24%。这些阶段性结果表明，多手段协同能够降低路网进入超饱和锁死状态的概率；其长期成效仍需通过持续运行和对照评估进一步验证。
此外，动态收费车道、多人合乘车道、潮汐可逆车道与匝道控制协同等，也可在特定条件下提高道路资源配置效率。美国佛罗里达州坦帕相关案例通过可逆车道与匝道联动降低高峰交通延误；加州I-80则采用多匝道控制、高地协同和信息发布构建智慧通道。此类措施对道路空间、收费政策、驾驶习惯和组织管理要求较高，国内应用应坚持场景适配和审慎论证。
面向智慧扩容的交通流智能管控总体架构，可以概括为“两类核心能力、三项支撑能力”。两类核心能力是交通状态与风险辨识、交通流主动管控；三项支撑能力是智能感知与数据采集、数字孪生与仿真推演、车路协同信息服务。只有把“看见状态、理解机制、预测演变、形成策略、可靠执行”连成闭环，智慧扩容才能从展示性系统转化为可持续运营能力。
1. 感知基础：从离散断面数据走向连续轨迹数据
传统线圈通常按一定间距布设，以30秒左右周期输出断面流量、速度和占有率，只能看到离散位置的统计快照。视频、无人机和毫米波雷达能够进一步提取车辆位置、速度、加速度、航向、车道关系和周边车辆关系，重构任意位置、任意时刻的车道级交通状态。报告将全量轨迹数据概括为“全时段、全路段、全样本、全链条”的精细交通数字资产：既能解释容量骤减和拥堵波等宏观现象，也能识别跟驰、换道和急减速等微观行为。
2. 装备基础：形成高速场景专用的感知计算控制装备
入口匝道控制、动态限速和车道管理将带动一类新的专用装备需求，包括主线雷达或视频检测器、匝道排队检测器、专用匝道信号机、边缘计算控制器、感知分析控制一体机和后台云控平台。设备不仅要“能感知、能发布”，还要支持本地低时延算法运行、排队保护、故障检测、异常降级和远程运维，确保在通信异常或局部设备故障时仍能保持安全状态。
3. 平台与策略：由单点试验走向全场景策略库
与国外成熟系统相比，国内主动管控平台在系统完整性、功能丰富性、规模化部署和长期操作运维等方面仍有提升空间。下一步需要围绕货车占比高、改扩建施工、山区长下坡、恶劣天气频发、密集互通短距离交织、绕城高速大流量等场景，逐步建立可配置、可验证、可迭代的策略库。策略上线前应经过数字孪生或仿真推演，运行后还要依据速度、通行能力、延误、排队、事故和可靠性等指标持续评价。
4. 协同范围：由单一路段走向都市圈和区域路网
大型城市和都市圈的拥堵往往发生在高速公路、绕城高速、城市快速路、收费站及地面交叉口的耦合区域。仅优化主线可能把排队转移到匝道或地方道路。未来应加强高速—地面、入口—出口、上游—下游以及多管理主体之间的协同控制，在明确安全边界和路权规则的基础上，实现需求调节、路径分配和事件响应的一体化。
5. 信息触达：由单一情报板走向车路云多渠道发布
可变情报板仍是重要设施，但受布设密度和可视距离限制，不能成为唯一渠道。应通过标准化接口，将事件、拥堵、动态限速、车道开放、施工占道和路径诱导等信息同步发布至互联网导航、智能车机和个人终端，并确保不同渠道在内容、时效和空间范围上保持一致。信息服务不是主动控制的替代，而是提高策略可执行性和驾驶员遵从度的重要环节。
总体来看，应急车道动态开放是当前高速公路智慧扩容中最直观、见效较快的措施，但它受物理条件和安全边界约束，也只是主动交通管理工具箱中的一个组成部分。更具长期价值的方向，是面向瓶颈容量骤减、交通流振荡、事故风险、突发事件、恶劣天气和超大流量等不同机制，选择适配的控制策略，减少不必要的容量损失，使既有道路设施尽可能稳定运行在安全、高效的状态。
从行业建设角度看，智慧扩容也不应以“建设了多少设备、上线了多少功能”作为主要评价，而应关注通行能力是否得到保护、速度波动是否降低、排队和延误是否减少、事故风险是否下降、异常条件下道路可用性是否提高。随着连续轨迹感知、交通状态预测、专用控制装备、数字孪生平台和车路协同发布逐步成熟，高速公路主动管控有望由单点、单场景应用走向走廊级和路网级协同，并形成感知设备、边缘控制、算法模型、平台软件与运营服务相互支撑的新型产业体系。
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李志斌
特邀作者