智慧高速建设方案探究

智慧高速建设方案探究大力推进互联网、大数据、人工智能等新技术与高速公路产业深度融合，构建视频感知、交通流感知、交通环境感知、交通事件感知、基础设施健康状态感知等多种感知方式并存的多源全息感知体系，借助多种通信方式协调配合的高效融合通信网，通过智能管控平台、应急指挥调度平台、资产管理平台、智慧机电运维平台、车路协同服务平台等多种智慧平台，形成面向高速公路管理者和使用者的智慧化服务与应用，提升管理效率和通行安全性、高效性、舒适性，是建设智慧高速的必由之路和有效手段。

一智慧高速建设的必要性（一）现有高速公路安全运行态势依然严峻高速公路具有封闭性高、车辆通行速度快等特点，容易发生严重交通事故，并且可能存在事故发生后应急救援不及时的情况。随着道路建设水平的提高和车辆技术的进步，出行者对于道路行车安全及信息服务的需求越来越高，在行车过程希望获得堵车、事故、前方路况、天气等实时信息。除此之外，高速公路运营管理、养护已不满足现实需要，传统平台管理决策能力不足，靠人工经验发现、判断、决策效率较低，人力、物力消耗成本比较高，并且存在决策盲点，管理者对数据融合，数据互联互通，运管决策自动化、智能化、科学化需求越来越高，在运营管理过程中希望对高速公路交通运行状态进行实时感知与监测，提前感知预测交通事件并采取预案管控，对道路使用者出行信息和高速公路机电设备进行实时管理。（二）新建高速公路面临刚性约束由于土地资源的限制和环境保护的要求，我国部分地区新建高速公路空间已经面临刚性约束。预计到2035年，我国的客货运输需求仍将保持2%～3%的年均增长速度，长三角、珠三角和京津冀等地区的增长速度将会更高。除此之外，乘用车飞速发展，增速可能会更高，对路网通行能力提出了更高的要求。土地、环保等制约条件和经济社会发展对高速公路爆发式增长的需求的双重挑战，对高速公路整体运行效率和潜力的发挥提出了更高的要求。（三）现有高速公路与数字化、信息化发展形势不匹配现有高速公路在一定程度上不能完全适应数字化、信息化等发展趋势，主要体现在几个方面：不能及时获取高速公路运行状况，紧急情况下应急指挥调度效率低；感知手段比较单一，缺乏对高速公路整体运行状况的了解；管理者和出行者的信息互动和协调服务较少；路网应急协调管理能力不足，对恶劣天气和突发事件的应对能力有待提高；网络化智慧化的运行管理与服务体系不健全。二智慧高速建设过程中的问题（一）体系建设不足多数情况下智慧高速建设试点由各省自行确定，总体系统性不足，缺乏统筹一体化的顶层设计及行业长期的发展规划。具体建设过程中，小规模建设、点状单项技术试验居多，体系建设不足。（二）直接经济效益不明显高速公路智慧化建设投入较大且回报周期较长，短期内直接经济效益存在不确定性，没有公认的效益预测方法和模型。除此之外，高速公路智慧化设施设备工作寿命较短，并且更新换代快，甚至可能会出现建设完成即落后的现象，导致大规模投资建设的决策压力比较大。（三）智慧高速相关技术标准及指南亟待编制推广各省市在实施过程中对新技术、新方法尚未形成统一认识，对于智慧高速建什么、怎样建仍处于仁者见仁、智者见智的阶段，可能会导致不同省市之间智慧高速系统不能完全互联互通。需要各省市在实施过程中进一步整理提炼技术成果和经验教训，编制推广相关技术标准及指南，为智慧高速示范推广提供支撑。三智慧高速建设方案（一）智慧高速整体架构智慧高速建设方案的总体架构如图所示，主要包含多源感知层、融合通信层、智慧平台层和系统服务层。智慧高速整体架构图多源感知层通过多种感知手段，包括视频感知、交通流感知、交通环境感知、交通事件感知和基础设施健康状态感知，全方位立体感知、采集高速公路运行状态数据；采集的数据通过融合通信层传输，包括光纤通信、LTE-V、5G移动通信、Wi-Fi、DSRC和卫星通信等多种通信方式；智慧平台层通过智能管控平台、应急指挥调度平台、资产管理平台、智慧机电运维平台和车路协同服务平台，对数据进行清洗、处理、分析、存储等，是实现智慧服务应用的基础；系统服务层包含气象自动监测与预警系统、行车安全诱导系统、车道级动态管控系统、应急指挥调度系统和车路协同系统，为高速公路使用者和管理者提供多种智慧化服务。（二）多源感知层1、视频感知高速公路一般线路较长，如果单纯依靠人工开车巡检等方式检查高速公路运行状况和设备运行情况，不仅耗费大量人力物力，并且难以感知高速公路整体运行情况，发生紧急情况和异常状况时不能及时应对。视频感知是延伸高速公路管理人员视野、提升管理效率的有力工具和有效手段，通过遥控摄像机、固定摄像机、车载移动摄像机、无人机等外场视频感知设备，实时采集视频数据，全面立体监视高速公路交通运行状况，通过实时、直观的方式显示高速公路运行现状，在拥堵和事故等异常情况下，管理人员可以第一时间观看现场实际情况并迅速采取相应的疏导交通和救援等措施。2、交通流感知交通流感知设备主要包括一类交通调查设备和二类交通调查设备。一类交通调查设备采集的数据包含流量、地点车速、车头时距、跟车百分比、车头间距、时间占有率等，并且大多情况下应具备机动车分型识别功能，可自动检测识别九种不同类型的机动车，包括小客车、小型货车、大客车、中型货车、大型货车、特大型货车、铰接或拖挂汽车、拖拉机、摩托车。一类交通调查设备采集的数据主要反映路网宏观交通量特征，能够为路网规划、宏观决策等提供支撑，在功能上兼容二类调查站。二类交通调查设备采集的数据以反映道路运行质量和状态为主，主要为路网监控、公众出行信息服务和应急处置提供信息支撑。3、交通环境感知交通环境感知设备主要包括气象检测器、能见度检测器、路面状态检测器等，可对路段的气象状态、能见度、路面状态进行检测。不良气象条件如大雾、大雨、大雪、大风等以及路面结冰、积雪对高速公路交通安全构成很大的威胁。通过对交通环境的实时感知，可以帮助高速公路管理者实时了解气象状况和高速公路路况，从而可以提前采取相应的预防措施，提升出行者行车安全。4、交通事件感知通过视频AI分析、毫米波雷达检测、护栏撞击检测等方式，实时掌握每辆行驶在高速公路封闭空间内的车辆的具体位置信息和车辆信息，在交通拥堵、事故等异常情况下主动报警，第一时间通知高速公路管理人员，为高速公路安全、快速、舒适、高效通行提供了保障。5、基础设施健康状态感知通过固定应变计、位移传感器、裂缝计、动态称重、加速度计、静力水准仪等传感器，实现桥梁、隧道、边坡、护栏的几何线性、应力应变、偏位、振动、荷载、倾斜、裂缝等全生命周期监测，预防裂缝、崩塌、滑坡、泥石流等重大灾害。（三）融合通信层构建高速公路沿线全覆盖的通信网络，包括有线光纤数字传输网络及无线网络（5G-V2X、4GLTE-V、DSRC、Wi-Fi等局域无线网络，以及4G/5G等广域无线网络），以及未来卫星通信网络。提供面向低时延、大带宽、高可靠等不同需求的网络通信服务，保障海量数据稳定传输。（四）智慧平台层智慧平台是智慧高速的重要组成部分，充分利用高速公路基础设施体系，实现设备、数据及算法之间的信息高效协同，对基础设施数据、动态交通流数据、视频图像数据、公安事故数据、运营养护数据、气象数据、ETC收费数据等数据资源进行统一汇聚管理，通过数据共享机制，按需将数据资源进行下发、上传、处理，实现数据资源的汇聚、共享及智慧应用，为交通管理及决策提供支持。1、智能管控平台智能管控平台的功能包括实时监控与预警、交通态势分析、运行状态综合评估、交通事件模拟仿真、交通事件应急处置、车道级管控、交通信息发布和综合管理等。主要实现对交通运行状况的监测和交通事件的处置，提供主动、实时响应和丰富的管控策略，可优化配置和整合利用各类资源，提升管理效率。2、应急指挥调度平台应急指挥调度平台通过建立以道路感知、问题防控和事件处置为核心的知识库，预先编制应急预案，是基于高科技设备和技术建成的预防、预警、指挥、调度、协调、信息自动处理系统。在应对紧急突发事件时，可根据事先编制的预案，在管理人员人工确认后对相关事件进行自动处理，实现信息高效互通、联动，确保指挥人员与执行单位、人员的高效互动，使各单位、各部门高度协同，达到快速反应的目的，并能全程跟踪记录，在事件结束后提供相关记录资料，以及时对应急预案进行分析改进。3、资产管理平台资产管理平台能够实时全面地掌握高速公路资产整体情况，对道路资产进行实时监控，实施全过程数字资产管理，实现全过程资产数字化平台及管、养的闭环管理。具有资产信息管理，设施基础信息维护和查询，基础设施技术状况检测、评价、预警和发布等多种功能。4、智慧机电运维平台智慧机电运维平台将互联网技术与人、财、物等管理业务有效结合，以实现机电设备“用好，养好，修好，管好”，机电业务管理以“标准化、移动化、无纸化、精细化”为目标，对设备、零配件、耗材等基本信息进行统一维护管理，建设高速公路现代智能交通网络管理体系，提高设备的可靠性，降低运维成本。5、车路协同服务平台车路协同服务平台的功能包括但不限于该路段车路协同数据处理、车路通信、车辆定位和车辆管控等技术，通过车辆与车辆之间和车辆与基础设施之间的信息交互和共享、数据的实时获取与信息处理，实现车车、车路之间的协同控制、信息服务等功能，为出行者提供复杂交通转换环境下的快速车路信息交互和预警策略发布，通过车道级、区域化的交通控制提高高速公路的驾驶安全和通行效率。（五）系统服务层1、气象自动监测与预警系统高速公路由于车流量大、车速高，因此对强降水、大雾、路面温度、道路结冰、能见度等气象要素敏感度更高。特别是在气候变暖的情况下，各种局部性的强对流天气频发，对道路交通运行带来很大的危害。气象自动监测与预警系统包括交通气象数据采集、交通气象数据处理与分析、交通气象决策分析、交通气象路网数据服务、交通气象数据存储等功能。（1）交通气象数据采集根据气象数据的来源不同，采取不同的采集方式，实现多源气象数据的兼容和汇总。其中数据来源包括：国家气象信息中心的网格化气象数据、自建气象检测设备采集到的实时气象数据、国家预警信息发布中心推送的预警信息等。其中气象要素包括：空气温度、空气湿度、大气压强、风速、风向、降水量、冰点温度、路面状态、摩擦系数、水膜厚度等。（2）交通气象预报服务以气象数据为基础，融合监测数据，结合不同的地形与实际情况，通过数据模型对采集后的数据进行分析、处理、融合等，生成不同时段的预报数据，包括2小时降水预报数据、48小时降水预报数据、未来5天的降水预报数据，48小时降雾预报数据、未来5天的降雾预报数据等，实现公里级、分钟级气象数据预警预报。（3）交通气象路网数据服务基于交通气象数据采集、交通气象数据处理与分析、交通气象数据存储等功能，配置相应的硬件装置，面向交通气象业务，通过预留数据访问接口，为雨、雾、冰、雪等高速公路重点关注的交通气象灾害的预警预报和处置分析提供数据服务。数据接口包括路网级降水预报信息接口、降水预警信息接口、降雾预报信息接口、降雾预警信息接口、降雪预报信息接口、降雪预警信息接口、风速预报信息接口、强风预警信息接口、温度预报信息接口、结冰预警信息接口、高温预警信息接口等。（4）交通气象决策分析交通气象决策分析可以对气象监测数据进行自定义筛选和检索，并且基于交通气象数据处理与分析结果，实现交通气象数据元素的一体化展示。筛选和检索条件包括监测时间、气象站等，展示的内容包括站点名称、监测时间、路面温度、冰点温度、水膜厚度、摩擦系数、含冰比例、盐浓度、大气压强、环境温度、风速、风向、降雨量、降雨强度等气象元素。同时能够对监测数据进行归类分析，为运营管理人员提供决策依据。2、行车安全诱导系统行车安全诱导系统主要应用于行车危险路段，例如转弯路段、分合流路段、易发团雾路段。系统结合视频感知、雷达、微波车辆检测器、气象监测、智能诱导灯等设备，通过提醒和诱导，预防交通事件的发生。行车安全诱导系统通过安装在道路两侧的智能诱导灯，实现安全示廓诱导、警示和防止追尾预警等智能诱导功能。该系统提升了驾乘司机的道路感知管控能力以及危险路段的警示预警能力，为高速公路安全行车提供高可靠性的智能诱导视觉导航服务，大幅降低了危险路段的事故率，有效提高了车辆通行安全及通行效率。3、车道级动态管控系统近年来我国高速公路里程的增长虽然拉动了社会经济的快速发展，但同时由于其存在交通流量大、车辆行驶速度快、恶劣气象多发等特点，容易造成交通拥堵和交通事故。车道级动态管控系统是根据高速公路外场设备采集的实时交通流量、交通事故、天气环境等信息，通过车道指示标志实现不同区段、不同车道、不同级别的车道动态管控，提前对车辆进行预告提示，最大限度减少异常事件对道路通行的影响。4、应急指挥调度系统高速公路是培养突发事件的温床，防止或者减少突发事件带来的危害和影响是应急指挥调度的重点。借助现代技术手段和多种融合通信、系统互联、监控监测、数据分析、应急管理等，对高速公路可能发生的突发事件加以科学分类，进行事前危机识别，并以一体化的处置流程，建立全方位、全天候的突发事件防控机制，针对不同情况提前制定相应的应急预案，坚持防患于未然。应急指挥调度系统能够提高对智能监控系统设备和智能管控系统设备的使用价值，提高了对突发事件的监控力度和管控实时性，提高紧急情况响应与信息上报、发布的速度，加强对历史数据分析的深度与广度，加强对应急保障物资的科学管理，加强应急演练的计划性和随机性，提高应急指挥调度的效率。5、车路协同系统车路协同系统通过感知、计算、通信、信息发布等技术的一体化融合，实现“人-车-路-云”之间高可靠的信息交互与智能协同管控，从而全面提升高速公路的安全、效率、环境友好性和用户体验。同时，高级别的车路协同系统可为智能网联汽车提供实时、可靠的环境感知与控制决策信息，支持自动驾驶及群体智能控制。车路协同系统具有多种功能和应用场景，包括合流区碰撞预警、匝道车辆汇入引导、拥堵提醒等。（1）合流区碰撞预警高速公路合流区车辆汇集且高速行驶，是交通冲突点，存在较高安全风险。车路协同系统可提供合流区碰撞预警应用服务，有效降低交通冲突风险，提高合流区交通安全。当车辆行驶至合流区，安装有OBU的车辆通过车路信息交互将自车位置及运行状态信息实时发送至路侧系统；未安装OBU的车辆的运行信息则通过路侧的车路协同感知设备进行实时感知。在此基础上，车路协同系统可对合流区附近主线和匝道所有动态目标的运行状态进行分析，并进行预警信息发布。（2）匝道车辆汇入引导匝道车辆汇入引导主要面向高速公路合流区匝道汇入主线的网联车辆，对匝道的网联车辆进行速度引导。车路协同感知设备感知主线车辆位置、速度情况并传输至路侧MEC，匝道网联车辆将自车位置及运行状态信息实时发送至RSU并传输至MEC，MEC分析处理后，将速度控制策略通过RSU发布给匝道网联车辆，网联车辆根据自身的位置情况进行速度引导信息的发布，使网联车辆以合适的速度安全汇入主线。（3）拥堵提醒车路协同系统可以为用户提供拥堵提醒服务。若车辆行驶前方发生交通拥堵状况，路侧RSU可将拥堵路段信息发送给网联车辆，车辆终端对驾驶员进行拥堵提醒。对于未安装有OBU的非网联车辆，可通过主线的可变信息情报板进行交通拥堵信息的发布；另一方面可通过车路协同服务平台与互联网导航应用平台的信息交互，借助手机导航软件进行交通拥堵信息的发布。四结束语智慧高速是未来交通运输领域的重要发展方向之一。我国高速公路建设规模已经达到了世界领先水平，在技术方法研究、产品研发、系统建设等方面也取得了卓有成效的成果，但从全国高速公路网的运行质量、智慧化管理水平、新一代信息技术融合应用等维度分析，如何科学、持续、深入推进智慧高速建设，提高智慧高速