胡永愷 徐觀潮 楊陽

摘要 5G作為新一代通信技術(shù)演進升級的重要方向，是實現(xiàn)萬物互聯(lián)的關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施、經(jīng)濟社會數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要驅(qū)動力量。在交通領(lǐng)域，5G的應(yīng)用范圍廣泛?；跍麑幐咚俟返倪\營管理優(yōu)化需求及5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)現(xiàn)狀，文章提出應(yīng)用5G的高寬帶、超低時延、廣連接等特點，在高速公路實施路面病害巡查、清排障作業(yè)過程信息實時回傳、提高養(yǎng)護效率與質(zhì)量、清排障效率，助力智慧高速公路建設(shè)進程。

關(guān)鍵詞 5G;高速公路;運營管理;病害巡查;清排障;指揮調(diào)度

中圖分類號 TN929.5;U495 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）03-0022-03

0 引言

5G建設(shè)是新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)重要領(lǐng)域之一。如何將先進的通信技術(shù)有機地融合運用于整個交通運輸管理體系，實現(xiàn)智慧管理、智慧服務(wù)、運營管理、應(yīng)急管理，為公眾提供智慧化出行服務(wù)具有較強的研究意義。

1 研究背景與現(xiàn)狀

高瑋陽[1]等基于5G技術(shù)趨勢與高速公路現(xiàn)階段的發(fā)展現(xiàn)狀，初步闡明了5G技術(shù)在高速公路行業(yè)的主要應(yīng)用場景。吳冬升[2]等通過構(gòu)建“感知、通信、計算”三方面技術(shù)能力，提出了高速公路5G智能網(wǎng)聯(lián)方案，介紹了典型的5G智能網(wǎng)聯(lián)應(yīng)用包括高速公路物流應(yīng)用和高速公路治堵。田芳[3]等針對高速公路精細化巡檢管養(yǎng)作業(yè)需遠距離、長滯空、超高清視頻實時傳輸?shù)男枨螅O(shè)計了一套基于5G網(wǎng)絡(luò)的無人機高速公路自動化巡檢管養(yǎng)系統(tǒng)。董明明[4]等借助5G通信技術(shù)搭建空中與地面通信網(wǎng)絡(luò)，保證無人機在遇到隨機障礙物時可保持最小安全間距。

隨著全國新基建的穩(wěn)步推進，5G在高速公路周邊的覆蓋也日益完整。以滬寧高速江蘇段為例，全線248 km建設(shè)有500多個基站，經(jīng)實測，5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋率達到96%，成功切換率達99%，平均下載速度達400 Mbps，基本實現(xiàn)了5G信號全覆蓋，為5G設(shè)備的應(yīng)用推廣奠定了基礎(chǔ)。

2 高速公路5G網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀及業(yè)務(wù)通信需求分析

2.1 養(yǎng)護業(yè)務(wù)通信需求

養(yǎng)護管理業(yè)務(wù)場景主要包括路面、路基、橋涵、綠化、沿線設(shè)施五個部分，主要依靠人工檢查和人工養(yǎng)護的方式，其中養(yǎng)護巡查過程中病害上報、養(yǎng)護作業(yè)過程中的遠程溝通采用移動電話或無線對講機的通信方式。

其中路面檢測主要依靠肉眼觀測，巡檢人員兩人一組駕乘巡查車上路檢測，一般行駛于外側(cè)車道或應(yīng)急車道，當發(fā)現(xiàn)病害后下車觀測確認。重要結(jié)構(gòu)物或病害多發(fā)路段同樣需要下車觀測，必要時與調(diào)度中心聯(lián)絡(luò)，進行占道施工養(yǎng)護。每年會安排外協(xié)單位進行一次視頻檢測，以攝像頭拍攝道路視頻進行圖像處理，獲取病害檢測報表，然后安排相應(yīng)養(yǎng)護工作。

養(yǎng)護從巡查到作業(yè)整個業(yè)務(wù)流程中目前主要依靠人工，存在工作效率低，養(yǎng)護不及時的問題。通過視頻監(jiān)測能夠大幅度提升病害檢測效率。養(yǎng)護巡查過程中需要對全線路面進行拍攝，然后依靠圖像處理技術(shù)識別路面病害，同時還需要樁號識別算法進行位置匹配，因此對于算力有較高的需求。就當前4G技術(shù)應(yīng)用數(shù)據(jù)來看，在人力、算法都以最大效率工作的情況下，圖像識別處理將產(chǎn)生大約20 min的時延。如果是在大范圍路段檢查范圍的情況下，需要半天到一天的時間才能獲取病害報告。高速公路由于車輛運行速度快，路面病害、拋灑物等異常事件將對車輛通行安全造成很大的影響，采用5G手段對圖像進行處理，盡可能地縮短檢測時間，爭分奪秒，應(yīng)修盡修，保障車輛通行安全。

2.2 清排障業(yè)務(wù)需求

清排障業(yè)務(wù)流程包括信息接收、出車安排、現(xiàn)場作業(yè)、返程這幾個步驟，當前滬寧高速清排障的主要流程分為以下幾個階段：

事故信息的接收：目前調(diào)度中心主要依靠人工報警或者監(jiān)控視頻巡視發(fā)現(xiàn)交通事故，然后由調(diào)度中心利用駐點值班手機將事故信息告知清障人員，同時通過云調(diào)度系統(tǒng)手機App（單兵設(shè)備或私人手機）告知清障人員，清障人員獲得工單。

清障出車、到達現(xiàn)場以及現(xiàn)場作業(yè)過程全紀錄：清障執(zhí)勤人員將清障車剛到達現(xiàn)場時的照片、作業(yè)過程中的照片、作業(yè)完成后撤離現(xiàn)場的照片、到達收費站后車輛解拖的照片上傳至手機App，然后核實駕駛員身份信息、車輛信息、里程等，進行費用支付。

清障作業(yè)操作稽核：清障完成之后，根據(jù)路側(cè)監(jiān)控視頻記錄下的操作過程進行稽核。

從整個清排障作業(yè)流程來看，由于清排障需要保證業(yè)務(wù)的強機動性。在清排障作業(yè)過程中，需要對現(xiàn)場狀況拍攝視頻或圖片，記錄事故發(fā)生到處理的全過程，一方面便于調(diào)度中心對現(xiàn)場情況實時把控，采取相應(yīng)的管控措施，另一方面記錄清排障作業(yè)流程，便于后期審核和優(yōu)化。拍照過程比較繁瑣，不利于現(xiàn)場交通的快速恢復(fù)。

3 面向高速公路運營管理優(yōu)化的5G應(yīng)用場景設(shè)計

3.1 基于5G車載設(shè)備的路面病害巡查應(yīng)用場景設(shè)計

3.1.1 應(yīng)用場景介紹

養(yǎng)護巡檢是高速公路養(yǎng)護中的第一步，當前高速公路主要采用人工方式進行每日巡檢，漏檢率高，效率低，當發(fā)現(xiàn)特殊情況時巡檢人員需要對病害進行拍照，下車拍照存在一定的安全隱患。

在高速公路巡查車上裝配車載高清高速相機，通過車載的高清高速相機采集路面情況，利用機器視覺及人工智能技術(shù)，對路面病害進行智能識別，實現(xiàn)路面表觀病害的快速定位與定量檢測。高速公路車載高清高速相機的養(yǎng)護巡查車通過5G網(wǎng)絡(luò)實時傳輸高清視頻、圖像數(shù)據(jù)以及路面病害檢測結(jié)果至養(yǎng)護管理平臺。

場景主要功能如下：

（1）病害檢測：將視頻攝像頭安裝于車頭位置，車輛按照正常速度行駛，拍攝沿線路面視頻。車輛視頻可清晰檢測的范圍一般為3條車道，車輛行駛于中間車道，對中間車道和兩側(cè)車道路面進行拍攝。拍攝數(shù)據(jù)實時上傳，車內(nèi)平板和遠程PC端可對視頻角度進行操作。

（2）病害位置定位：攝像頭在拍攝沿線道路路面視頻的同時，對道路沿線的里程樁和百米樁進行拍攝，利用圖像識別技術(shù)對道路樁號進行識別，利用差分法等計算方式將病害與道路樁號進行對應(yīng)。

（3）病害詳情：路面智能巡查數(shù)據(jù)包括路面平整度、破損、異常跳車、附屬設(shè)施完整性等，設(shè)備安裝于巡查車上，數(shù)據(jù)每天更新。數(shù)據(jù)需要進行圖像識別運算，最快可15～20 min形成檢測報告?？紤]到實際病害檢測任務(wù)的開展，一般可在半個工作日之后獲取報告。

（4）病害統(tǒng)計與跟蹤：根據(jù)業(yè)務(wù)需求對病害嚴重等級、類別進行統(tǒng)計梳理，并針對病害發(fā)育程度進行跟蹤。對常發(fā)性病害進行重點跟蹤，輔助日常業(yè)務(wù)管理。

3.1.2 5G應(yīng)用可行性分析

當前養(yǎng)護檢查需要養(yǎng)護人員停車并下車人工采集檢測器檢測數(shù)據(jù)，容易對道路通行產(chǎn)生影響，從而造成車輛的擁堵，并且高速公路上車輛行駛速度快，有可能也會造成交通事故。傳統(tǒng)技術(shù)傳輸速度較慢，并且所能連接的設(shè)備數(shù)量少，而5G技術(shù)比現(xiàn)有技術(shù)傳輸速率更快，能夠保證車輛高速行駛狀態(tài)下穩(wěn)定的通信交互，實現(xiàn)養(yǎng)護人員不停車的檢測數(shù)據(jù)采集。

5G網(wǎng)絡(luò)帶寬高、低延時、傳輸速率大，能夠支撐更高清晰度的視頻、圖片傳輸;其次，高速公路病害分為不同類型、不同檢測標準，在檢測過程中生成海量數(shù)據(jù)，5G網(wǎng)絡(luò)能夠提高系統(tǒng)算力，降低系統(tǒng)處理海量病害數(shù)據(jù)的時間，5G與其他無線通信技術(shù)的指標對比如表1所示。

3.2 基于車載5G攝像機的清障實時視頻獲取

3.2.1 應(yīng)用場景介紹

為了保障清障過程中監(jiān)測清障人員工作規(guī)范與安全，能夠?qū)毫犹鞖夂鸵归g等視線不良條件下事故情況的觀測與作業(yè)監(jiān)管，并輔助管理人員在重大事故發(fā)生后能夠近距離清晰觀測事故情況進行遠程指揮，提出基于車載5G攝像機的實時視頻獲取應(yīng)用場景。

通過在清障車上安裝5G高清紅外攝像頭，憑借移動5G網(wǎng)絡(luò)“高速率、低時延”的優(yōu)勢，清障人員可在第一時間將事故現(xiàn)場高清圖像“秒傳”至后臺指揮中心，為事故現(xiàn)場救援、清障提供即時、準確、高效的指揮和調(diào)度保障。

場景主要功能如下：

實時視頻監(jiān)控：進行實時視頻監(jiān)控，無線車載終端支持實時視頻遠程瀏覽，可在監(jiān)控中心遠程實時監(jiān)控高清車輛視頻。

3.2.2 5G應(yīng)用可行性分析

道路巡查車輛和清障車輛之間的網(wǎng)絡(luò)通信要求具備實時性和便捷性。高速公路上現(xiàn)有的光纖通信無法滿足這些特點，而短程通信距離較短，不具備可行性（參見表2）。此外對于清障指令的傳輸及時性要求高。5G技術(shù)利用“宏基站+微基站”方式，傳輸穩(wěn)定性好、傳輸距離長，能較大程度上提高事故發(fā)現(xiàn)和處理效率。

3.3 系統(tǒng)架構(gòu)

基于高速公路運營管理優(yōu)化需求及5G技術(shù)特點，提出基于5G車載設(shè)備的路面病害巡查應(yīng)用場景設(shè)計。基于車載5G攝像機的清障實時視頻獲取兩類應(yīng)用場景，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

（1）應(yīng)用層主要包括路面病害養(yǎng)護、清障實時視頻監(jiān)控兩部分功能。

（2）智能分析平臺主要處理視頻數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)主要進入大數(shù)據(jù)算法平臺，首先對數(shù)據(jù)進行清洗處理，然后進行流式計算，調(diào)用模型，如果觸發(fā)模型則通知高速公路其他系統(tǒng)進行處理。視頻數(shù)據(jù)則進入視頻平臺，首先對視頻流進行處理，然后對視頻進行分析，主要是視頻流分析、視頻解碼和目標分析，分析出來結(jié)果進行存儲。

（3）物聯(lián)網(wǎng)平臺主要分為設(shè)備接入網(wǎng)關(guān)、設(shè)備注冊中心、消息網(wǎng)關(guān)、規(guī)則引擎和管理配置中心。

（4）設(shè)備層目前支持2種類型設(shè)備，包括養(yǎng)護巡查車外置云臺攝像機、清障車外置車載攝像機。

4 結(jié)論

該文探討了面向高速公路運營管理優(yōu)化需求的5G應(yīng)用場景建設(shè)，提出基于5G車載設(shè)備的路面病害巡查、基于車載5G攝像機的清障實時視頻獲取兩種應(yīng)用場景，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，這兩類應(yīng)用場景具有較高5G應(yīng)用可行性。隨著5G技術(shù)的不斷發(fā)展，將面向高速公路的5G+應(yīng)用場景建設(shè)與大數(shù)據(jù)、云計算、數(shù)字孿生等技術(shù)融合運用，對高速公路的智慧化發(fā)展具有重要意義。

參考文獻

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