新基建模式下智慧高速公路總體架構(gòu)設(shè)計

作者：王曙琿（廣東省南粵交通河惠莞高速公路管理中心）中國交通信息化

摘要：本文總結(jié)了智慧高速公路的概念和特征，分析了目前智慧高速公路的功能需求，討論了如何進行總體框架設(shè)以及智慧高速公路的具體建設(shè)內(nèi)容和應(yīng)用效果，以期推動智慧高速公路建設(shè)，提升總體框架設(shè)計水平。智慧高速公路的建設(shè)目標(biāo)是利用物聯(lián)網(wǎng)+、云平臺計算、交通大數(shù)據(jù)等技術(shù)對高速公路的管理和后期運營服務(wù)進行有效整合，以實現(xiàn)智能化出行、精準(zhǔn)服務(wù)的目標(biāo)，提高高速公路運營管理服務(wù)的決策能力，并充分利用智能系統(tǒng)實現(xiàn)快速應(yīng)急處置和智慧化服務(wù)運營。智慧高速公路需要具備對周圍公路環(huán)境的智慧感知能力，依靠物聯(lián)網(wǎng)、BIM等技術(shù)實現(xiàn)對全網(wǎng)的狀態(tài)感知，掌握高速公路各個路段的天氣狀況，統(tǒng)計高速公路的車流，也能對車輛的實時狀況作出分析判斷[1]。由于融入了大量智能技術(shù)，因此智慧高速公路在管理能力上要比傳統(tǒng)的高速公路更強，依靠云計算、人工智能技術(shù)，用自動化、快速化的系統(tǒng)，完成各項高速運營工作。

一 智慧高速公路需求分析

（一）功能需求

智慧高速公路需要具備對路網(wǎng)運行狀態(tài)的監(jiān)測功能，管理系統(tǒng)通過挖掘歷史數(shù)據(jù)，并分析最優(yōu)化的資源配置方式。管理部門利用系統(tǒng)分析結(jié)果可以制定各項應(yīng)急事件的處置流程，提升工作效率，為今后的公路規(guī)劃工作提供支持。功能需求分析如表1所示。

（二）數(shù)據(jù)需求

高速公路智慧化系統(tǒng)應(yīng)有效、可靠地存儲高速公路路網(wǎng)、視頻、交通量等信息。例如：公路的基本屬性、服務(wù)設(shè)施、公路沿線設(shè)施設(shè)備等都應(yīng)生成數(shù)據(jù)存儲，為高速公路的管理創(chuàng)造基礎(chǔ)條件。動態(tài)數(shù)據(jù)主要由監(jiān)控系統(tǒng)感知獲得，如通過視頻分析高速公路車流量、高速公路路段狀況和天氣情況，對高速公路的行車安全、道路安全進行巡檢；根據(jù)當(dāng)前數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，分析高速公路的交通量、高速公路氣象條件、公路運行狀況、環(huán)境問題等，相關(guān)數(shù)據(jù)也要和上級部門共享[2]。還要使用大數(shù)據(jù)技術(shù)對公路信息進行挖掘，如分析高速公路的安全隱患、輔助決策數(shù)據(jù)等。

（三）性能需求

由于智慧高速公路在不斷發(fā)展，系統(tǒng)也需要具備可擴展性，能夠滿足內(nèi)部對功能開發(fā)的需求，以及確保不同部門之間的數(shù)據(jù)互通。由于高速公路每時每刻都在產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，所以系統(tǒng)還要具備較強的并發(fā)處理能力，提升硬件的穩(wěn)定性，保證對應(yīng)急事件的處理。高速公路的相關(guān)數(shù)據(jù)對社會十分重要，因此也要做好對系統(tǒng)的信息安全防護工作，滿足國家信息安全等級要求。

二 智慧高速公路總體設(shè)計

智慧高速公路以提升高速公路管理水平和方便出行為主要目標(biāo)，在設(shè)計中應(yīng)整合現(xiàn)有資源，引進全新技術(shù)，尤其是充分利用云計算、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等，運用互聯(lián)網(wǎng)思維來實現(xiàn)對高速公路的總體設(shè)計，實現(xiàn)對高速公路控制、指揮、運營的智能化。智慧高速公路總體框架設(shè)計如表2所示。

（一）智慧高速公路建設(shè)目標(biāo)
智慧高速公路的目標(biāo)是建設(shè)成“智慧化、智能化、綠色型、安全可靠”的公路，通過不斷加強高速公路本身的智慧化、智能化感知能力，為高速公路的運營管理、指揮決策提供更加有建設(shè)性的意見及信息，以滿足日益增加的交通量需求，從而服務(wù)大眾。

（二）智慧高速公路建設(shè)任務(wù)

1、建立數(shù)據(jù)中心智慧高速公路管理工作可能需要追溯歷史信息，利用歷史信息對高速公路的運行狀況作出判斷，為此，就要做好信息管理工作，建立專門的數(shù)據(jù)中心，做好信息的儲存和分類，滿足對信息高效查詢的要求[3]。地方可以根據(jù)需要建立省級和市級數(shù)據(jù)中心，而且要確保不同部門之間的數(shù)據(jù)共享，滿足對高速公路業(yè)務(wù)展開綜合管理的要求。以數(shù)據(jù)中心為基礎(chǔ)，還可以建立專門的監(jiān)控平臺、管理平臺，相關(guān)部門可以根據(jù)自身的重點業(yè)務(wù)來拓展平臺功能，滿足自身工作需要。

2、完善基礎(chǔ)傳輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)的應(yīng)用離不開高效率的信息傳輸系統(tǒng)，因此在智慧高速公路建設(shè)的工作中，也應(yīng)該做好對無線通信、有線通信系統(tǒng)的建設(shè)，為車輛駕駛者提供信息服務(wù)的需要，實時獲得高速公路相關(guān)數(shù)據(jù)，滿足車內(nèi)上網(wǎng)、通信的需要。

3、加強數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)智慧高速公路監(jiān)測所獲得的數(shù)據(jù)中，有很多結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，存在數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一的情況，不利于數(shù)據(jù)的應(yīng)用。對此，在全國建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺，為數(shù)據(jù)分享提供服務(wù)，確保基礎(chǔ)數(shù)據(jù)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。因此，在獲得各種數(shù)據(jù)之后，應(yīng)經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理，再儲存到數(shù)據(jù)庫中。在擁有標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)后，也可以和公路系統(tǒng)以外的部門開展信息數(shù)據(jù)共享，如氣象部門、醫(yī)療單位等，且可以和上級部門共享，提升高速公路數(shù)據(jù)的使用效率。

4、用戶服務(wù)建設(shè)智慧高速公路能夠提供的服務(wù)包括自由流收費服務(wù)、貨車編隊服務(wù)、車路協(xié)同服務(wù)、車道精準(zhǔn)管控等。在構(gòu)建服務(wù)體系時，需要將智慧高速公路的用戶分為管理者和使用者兩類，分別對其提供不同的權(quán)限和功能。管理者主要負(fù)責(zé)對智慧高速公路公路進行管理，包括政府監(jiān)管部門、高速公路運營企業(yè)等，負(fù)責(zé)對高速公路進行管理工作，以及給高速公路服務(wù)系統(tǒng)的使用者提供服務(wù)支持；使用者主要包括高速公路通行車輛的駕駛者，可以進一步分為自動駕駛用戶和人工駕駛用戶，接收高速公路的服務(wù)信息、分流和調(diào)度，使自身在高速公路中有更快的通行速度。智慧高速公路提供的收費服務(wù)會根據(jù)射頻技術(shù)、視頻技術(shù)、導(dǎo)航定位技術(shù)給車輛提供分流信息，并基于ETC收費技術(shù)完成自動收費工作；在導(dǎo)航工作中，能夠高精度地完成路徑導(dǎo)航服務(wù)，給車輛提供個性化的行車信息，將宏觀交通信息告知使用者。

5、交通監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)智慧高速公路的監(jiān)控系統(tǒng)需要根據(jù)管轄區(qū)域?qū)崿F(xiàn)不同的功能，以滿足對管轄范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)功能，形成省中心—監(jiān)控分中心—路段監(jiān)控中心的三層監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部使用統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，并使用相同的網(wǎng)絡(luò)接口，構(gòu)建統(tǒng)一的業(yè)務(wù)流程。監(jiān)控系統(tǒng)利用通信程序來檢查監(jiān)控設(shè)備的工作狀態(tài)、交通數(shù)據(jù)流的采集工作，將所有的數(shù)據(jù)上傳到中心服務(wù)器，由不同的監(jiān)控中心共享使用；基于GIS技術(shù)，能夠?qū)Φ缆沸畔⒄归_分析，并監(jiān)控道路上各種事件的處理過程。監(jiān)控系統(tǒng)需要地理信息平臺的支撐，來實現(xiàn)地圖放大、縮小平移、刷新等功能，為此要加強地理信息平臺的構(gòu)建，保證其具有多層圖層控制、多數(shù)據(jù)源接入、空間查詢、拓?fù)洳樵兊裙δ?。地圖數(shù)據(jù)管理包括各種基礎(chǔ)、矢量地圖、DEM數(shù)據(jù)和控制點數(shù)據(jù)，其中的信息包括數(shù)字高程模型、圖像控制點等。

6、輔助決策系統(tǒng)輔助決策系統(tǒng)包括動態(tài)交通仿真、預(yù)案管理、系統(tǒng)管理平臺，動態(tài)交通模型仿真系統(tǒng)對高速公路進行動態(tài)仿真，判斷交通情況。輔助決策系統(tǒng)可以確定對交通管理工作的控制策略，結(jié)合交通管理工作的需求以及當(dāng)前的交通流量來確定高速公路的管理方法。輔助決策系統(tǒng)中存有一些數(shù)字化預(yù)案，可以對交通事故發(fā)生的事前、事中、事后都進行管理，明確負(fù)責(zé)人員以及管理工作所需要的資源。

（三）智慧高速公路系統(tǒng)架構(gòu)

智慧高速公路包括信息采集—傳輸網(wǎng)絡(luò)—資源支撐—信息應(yīng)用。信息采集需采集高速公路上的各種實時數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)中心；信息傳輸即包括光纖通信系統(tǒng)在內(nèi)的高速公路通信網(wǎng)絡(luò)，可以承擔(dān)高負(fù)荷的信息傳輸工作；資源支撐即為智慧高速公路業(yè)務(wù)的開展提供平臺，包括軟硬件的支撐，因此信息支撐中包括各種儲存結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)；信息應(yīng)用將各平臺的分析決策信息進行整合，為高速公路的業(yè)務(wù)管理及行駛車輛提供支持[4]。智慧高速公路總體架構(gòu)如下圖所示。

三 體系構(gòu)建的重點實施內(nèi)容及技術(shù)規(guī)劃

（一）實時交通信息監(jiān)測管控系統(tǒng)

交通信息監(jiān)測系統(tǒng)通過交通流檢測設(shè)備、車牌識別檢測設(shè)備、交通事件檢測設(shè)備、氣象監(jiān)測設(shè)備、RSU設(shè)備等路上智能化設(shè)施或路政巡查采集路上交通車流環(huán)境情況，經(jīng)終端設(shè)備智能化分析后作出相應(yīng)的交通運行狀態(tài)、突發(fā)事件、氣象環(huán)境、車輛微觀行為管控指令并通過路上智能設(shè)施發(fā)布。車道級交通管控系統(tǒng)根據(jù)路上特殊車流情況，如交通事故、施工作業(yè)、兩客一危進行監(jiān)控，當(dāng)車流出現(xiàn)異常時，通過主線設(shè)施情報板發(fā)布相關(guān)信息，對過往車輛進行動態(tài)管控。

（二）多網(wǎng)融合通信系統(tǒng)

高速公路通信信息網(wǎng)絡(luò)包括有線/無線通信網(wǎng)絡(luò)，有線通信網(wǎng)絡(luò)具備根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸實際需要提供信息交換通路、與交通專網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)交換信息的能力；新一代寬帶無線通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具備提供交通對象和要素在高速運動時可靠接入的通信，支撐交通對象及要素全IP化、主動信息推送和雙向信息交互的能力；建設(shè)時可采用中國DSRC、LTE-V2X、5G等。高精度定位服務(wù)平臺應(yīng)具備高精度地圖提供、差分解算、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)計算等功能，為用戶提供地圖瀏覽、規(guī)劃路線顯示、數(shù)據(jù)監(jiān)控和管理、安全輔助駕駛位置信息服務(wù)等功能；北斗地基增強站應(yīng)具備導(dǎo)航衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲、運行狀態(tài)遠程被監(jiān)控、維護保障及安全防護等基本功能。車路協(xié)同應(yīng)用場景及定位指標(biāo)如表3所示。

（三）云控平臺

云控平臺應(yīng)根據(jù)路網(wǎng)運行共性需求，提供智慧高速公路管理服務(wù)通用應(yīng)用：交通專用組件如交通專用地圖、車輛實時信息查詢、行業(yè)外信息協(xié)同、跨區(qū)域管理協(xié)同等；路網(wǎng)域動態(tài)預(yù)警如高流量預(yù)警、重點營運車輛預(yù)警、超載車輛預(yù)警等；綜合運行監(jiān)測服務(wù)如設(shè)施設(shè)備監(jiān)測、交通流檢測、重點營運車輛監(jiān)測、交通事件檢測等；與氣象、國土等部門共享信息。云控平臺基礎(chǔ)能力要求如表4所示。

（四）伴隨式信息服務(wù)系統(tǒng)

伴隨式信息服務(wù)發(fā)布方式可通過高速公路沿線情報板、交通出行網(wǎng)站、交通服務(wù)熱線、廣播、手機應(yīng)用App/小程序/短信、微信公眾號、車載終端等多種方式實現(xiàn)。伴隨式信息服務(wù)系統(tǒng)信息發(fā)布內(nèi)容、時效性要求如表5所示。

（五）橋隧安全管養(yǎng)系統(tǒng)

隧道安全系統(tǒng)結(jié)合幾何特征、交通流量、車速差異、車型占比、洞外亮度、天氣情況、交通事件、結(jié)構(gòu)安全等因素，實時評估、預(yù)測隧道安全態(tài)勢。橋隧安全系統(tǒng)需加強交通運行狀態(tài)信息監(jiān)測，大型橋梁的兩側(cè)、3000m及以上隧道宜按照300m～750m間距設(shè)置交通流檢測設(shè)備。橋梁安全系統(tǒng)需加強路面附著系數(shù)感知，大型橋梁應(yīng)設(shè)置路面狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備，針對不同車型設(shè)置合理的速度控制策略。隧道安全系統(tǒng)需加強設(shè)施設(shè)備監(jiān)測，3000m及以上隧道需設(shè)置設(shè)施狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備，確保隧道通風(fēng)照明、緊急呼叫、火災(zāi)報警、逃生誘導(dǎo)、消防及供電等應(yīng)急設(shè)施的完好與正常使用。隧道安全系統(tǒng)需加強FM、LTE-V2X、4G/5G、NB-IoT、LoRa等無線通信技術(shù)應(yīng)用，3000m及以上隧道需增設(shè)無線通信設(shè)施，實現(xiàn)隧道內(nèi)出行服務(wù)、交通管理、應(yīng)急救援、結(jié)構(gòu)檢測等業(yè)務(wù)全覆蓋。隧道安全系統(tǒng)需提高隧道內(nèi)衛(wèi)星定位信號精度，5000m及以上隧道需設(shè)置隧道擴展定位系統(tǒng)。隧道安全系統(tǒng)需加強應(yīng)急處置，1000m及以上隧道應(yīng)設(shè)置入口管控、逃生設(shè)施。隧道安全系統(tǒng)需加強疲勞駕駛提醒，3000m及以上隧道應(yīng)設(shè)置輪廓照明、警示誘導(dǎo)燈。

（六）智慧服務(wù)區(qū)

智慧服務(wù)區(qū)應(yīng)設(shè)置較為完善的智能化服務(wù)功能體系，在普通服務(wù)區(qū)的基礎(chǔ)上，配置服務(wù)平臺，提供無線網(wǎng)絡(luò)、多功能自助終端、服務(wù)區(qū)內(nèi)導(dǎo)向、廁所革命智能化、新能源汽車補給、移動智能終端充電、客流車流檢測、公共區(qū)域視頻監(jiān)視等基本的智能化服務(wù)；此外可結(jié)合服務(wù)區(qū)所在區(qū)域的自然資源、地理條件、人文景觀和綠化設(shè)施，打造自然與科技結(jié)合的綠色環(huán)保生態(tài)架構(gòu)，構(gòu)建智慧化主題特色服務(wù)，對服務(wù)區(qū)服務(wù)和經(jīng)營管理進行全面科學(xué)化、數(shù)字化、智能化提升。

（七）自由流收費系統(tǒng)

自由流收費采用ETC、輔以車牌識別、多種支付融合應(yīng)用的技術(shù)路徑，實現(xiàn)對多條車道上自由行駛車輛的收費，提高道路通行效率，降低車均運行延誤。自由流收費系統(tǒng)總體架構(gòu)由收費管理與計算平臺、收費站車道系統(tǒng)、主線ETC門架系統(tǒng)等組成。自由流收費建設(shè)需充分利用高速公路已有主線ETC門架系統(tǒng)，ETC門架系統(tǒng)宜預(yù)留相關(guān)數(shù)據(jù)接口；應(yīng)配備完備的檢測、通信、供電等設(shè)備。收費管理與計算平臺功能需求為：清分結(jié)算，支持通行費清分結(jié)算業(yè)務(wù)；系統(tǒng)參數(shù)管理，管理路段費率、黑名單等參數(shù)；數(shù)據(jù)傳輸管理；對賬及結(jié)算；復(fù)合通行卡調(diào)撥管理；特情處理；稽查管理；客戶服務(wù)；系統(tǒng)運行監(jiān)測服務(wù)。

四 智慧高速服務(wù)目標(biāo)展望

隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展，可通過構(gòu)建路網(wǎng)綜合運行監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)，形成行人、車輛、路網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的綜合泛知、感知體系，進而實現(xiàn)行駛車輛的自動、自由駕駛；利用新型的、可靠的收費和管理方式，營建通過車載終端設(shè)備進行收費的系統(tǒng)，從而實現(xiàn)完全開放的ETC收費，取消傳統(tǒng)的匝道收費站，使全路段的通行率得到有效提高；利用客車和貨車分開或?qū)⒇涇嚲幣懦绍囮牭认嚓P(guān)方式，可提高通行效率，減少路段擁堵情況；基于將車輛精準(zhǔn)定位、人—車—路協(xié)調(diào)發(fā)展、公共出行服務(wù)系統(tǒng)等高新技術(shù)的全面發(fā)展，可有效克服極端天氣對道路和行車的影響，確保車輛在特殊情況下的安全通行；在高速公路服務(wù)區(qū)、停車區(qū)及可設(shè)置充電設(shè)施路段等，設(shè)置綜合一體化充電設(shè)施，給行駛車輛提供蓄能充電服務(wù)，實現(xiàn)高速公路的無線充電服務(wù)。形成完善的高速公路交通安全行駛體系，確保行車安全，需要有效系統(tǒng)作為支撐，更需要有利的安全管理系統(tǒng)和應(yīng)急調(diào)度、指揮處理能力，從而減少事故發(fā)生率，實現(xiàn)“零事故”的美好愿望。

五 結(jié)束語

智慧高速公路作為智能交通領(lǐng)域的重要組成部分，在“十四五”期間將向高質(zhì)量的發(fā)展方向邁進。本文分析了新基建模式下智慧高速公路的發(fā)展趨勢和需求，提出了智慧高速總體架構(gòu)設(shè)計思路、具體實施內(nèi)容及展望，以期為“十四五”規(guī)劃智慧高速公路的建設(shè)工作提供一定的借鑒。

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