凃云峰、李加志、楊徐杰、馬衛(wèi)、趙秋

（曲靖中建曲昆高速公路投資開發(fā)有限公司，云南曲靖 655000）

0 引言

高速公路是連通城市，承載政治、文化、社會的重要載體，也是服務(wù)民生、推動國家現(xiàn)代化進程的重要支柱。我國高速通車里程持續(xù)居于世界第一，路網(wǎng)巨大規(guī)模效應(yīng)逐步顯現(xiàn)，交通運行網(wǎng)絡(luò)化特征顯著。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，智能化、智慧化公路的概念不斷浮現(xiàn)，智慧高速的概念最早由Ferrari 于1986 年提出，著眼以智能方式并應(yīng)用新技術(shù)來改變高速公路的運行模式。進入21 世紀，隨著大數(shù)據(jù)、云計算等新興技術(shù)的出現(xiàn)，智慧高速公路被定義為利用傳感、通信、信息、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能和綠色能源等高新科技，在高速公路上布設(shè)相應(yīng)的設(shè)施設(shè)備，并建設(shè)有交通運行控制中心，以實現(xiàn)汽車駕駛更安全、更快速、更綠色的高速公路。

1 國內(nèi)典型智慧高速公路建設(shè)分析

20 世紀末，我國開始在高速公路上開展以全域監(jiān)控、信息傳輸、聯(lián)網(wǎng)收費系統(tǒng)為基礎(chǔ)的信息化建設(shè)。2011 年，浙江省將智慧高速建設(shè)列為智慧城市建設(shè)的重點示范建設(shè)項目。

2014 年，“新一代國家交通控制網(wǎng)”的概念被提出，即通過建立全智慧的車路協(xié)同平臺，對全路段、全時空以及車輛實現(xiàn)實時控制。同年交通運輸部提出發(fā)展綜合、智慧、綠色和平安交通的發(fā)展思路，為各地開展智慧高速公路建設(shè)提供了政策支持，我國全面進入智慧高速公路建設(shè)新時代。

1.1 兩徽高速

兩徽高速的“智慧公交建平臺”子平臺、“智慧高速”綜合管理云平臺已建成投用，利用公路、立交、橋隧等重點區(qū)域的視頻監(jiān)測數(shù)據(jù)和收費系統(tǒng)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)全路段云聯(lián)網(wǎng)視頻監(jiān)測。利用互聯(lián)網(wǎng)出行數(shù)據(jù)和數(shù)字地圖進行精準定位，實現(xiàn)交通運行狀態(tài)、設(shè)施設(shè)備和環(huán)境的實時、全面、深度感知。集成視頻云監(jiān)控，實現(xiàn)視頻實時播放、智能分析和智慧監(jiān)測，與上級云平臺流暢銜接，并自動執(zhí)行路網(wǎng)態(tài)勢感知、視頻事件識別、綜合業(yè)務(wù)分析等任務(wù)，顯著提高公路運營管理效能與智慧化水平。

1.2 西安外環(huán)高速

西安外環(huán)高速南段作為交通運輸部“交通強國”智能高速公路建設(shè)、運營與管理的試點工程，依托已有橋梁結(jié)構(gòu)和設(shè)施，針對項目的特點及難點，提出了一套完整的橋梁工程全壽命周期管理體系，建立一個可共享的橋梁三維數(shù)字仿真環(huán)境系統(tǒng)。項目以白鹿原等橋隧工程為載體，在設(shè)計和施工中應(yīng)用BIM 技術(shù)，在此基礎(chǔ)上進行二次開發(fā)，組建橋隧建設(shè)BIM 聯(lián)合管理系統(tǒng)。并在施工關(guān)鍵環(huán)節(jié)建立信息化管理監(jiān)控子系統(tǒng)，實現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)信息的圖形化和實時可視化，為各工程參與單位合作辦公和施工控制提供統(tǒng)一的資源和信息共享平臺[1]。

1.3 成宜高速

成宜高速作為四川首條全要素全覆蓋智慧高速，其整體建設(shè)主要包括三部分。

一是選取試點路段并配套建設(shè)自動駕駛基礎(chǔ)設(shè)施，達到支撐L4 級自動駕駛要求的標準。

二是基于“車路協(xié)同”技術(shù)提升路網(wǎng)運營水平，構(gòu)建完善的路網(wǎng)感知和管控系統(tǒng)，實現(xiàn)視頻智能分析、突發(fā)事件預判和自動報警等功能。

三是依托數(shù)字化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)全面打造智慧高速，實現(xiàn)高速公路全線5G 網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，支撐數(shù)據(jù)的高效傳輸。

1.4 石渝高速

石渝高速配備了700 多臺車路協(xié)同設(shè)備，是目前規(guī)模最大、最復雜、最通達的C-V2X 車路協(xié)同常態(tài)化運行智慧高速，能夠輔助智能網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下的車輛安全駕駛。通過部署大量的路側(cè)傳感設(shè)備（C-V2X RSU）和計算機顯示設(shè)備，如攝像頭、視覺傳感器、雷達、水位傳感器等，確保C-V2X 網(wǎng)絡(luò)在隧道等關(guān)鍵區(qū)域充分覆蓋。當發(fā)生特殊情況時，信息將及時傳輸至人工智能專家決策系統(tǒng)中進行自動處理和報警，有效確保異常情況的快速發(fā)現(xiàn)、及時通知、正確處置。從中長期來看，能夠為高等級自動駕駛車輛提供交互式駕駛體驗服務(wù)，對于智慧交通的發(fā)展意義重大。

2 國外智慧高速建設(shè)發(fā)展趨勢分析

國外發(fā)達國家早在20 世紀80 年代就開始了智慧高速公路的建設(shè)實踐，并于21 世紀初就形成了一定體量的建設(shè)規(guī)模。

近十年來，隨著信息傳輸、實時通信、云霧平臺等技術(shù)的萌發(fā)，新興技術(shù)不斷應(yīng)用到智慧高速的建設(shè)中，現(xiàn)已形成以路側(cè)合作交互的智能交通為引領(lǐng)的通道級別高速公路，形成一批可推廣、可借鑒的建設(shè)、研發(fā)和運營經(jīng)驗。

以美國為首的美洲智慧高速建設(shè)主要圍繞兩個層面開展。

一是打造面向運營商的點對點智慧高速通道。自1997 年美國各州開展城市間智慧高速建設(shè)試點，到現(xiàn)在基本形成了輻射多區(qū)域的區(qū)域級智慧高速通道，并配套建設(shè)了集收費、運行、維護、巡查于一體的運營系統(tǒng)。

二是打造面向用戶的智慧高速車路協(xié)同系統(tǒng)。通過執(zhí)行和傳輸路側(cè)指令以及車輛間的交互信息提供車輛信息服務(wù)。通過不斷完善互聯(lián)車輛和車路交互系統(tǒng)，形成了集面向運營商、用戶的車輛管理和公路監(jiān)測等基本智能化運行的智慧高速。

歐洲開展了以提升運輸服務(wù)水平為目標的主動交通管理建設(shè)，包括Easyway 項目和合作式智能交通系統(tǒng)戰(zhàn)略。Easyway 項目中，意大利等國家形成以智能道路計劃、高效公路網(wǎng)絡(luò)和快速通道為核心的發(fā)展路徑，并開展參與者實時信息服務(wù)、運營者實時管理服務(wù)、客貨運實時監(jiān)測服務(wù)于一體的智能高速建設(shè)。合作式智能交通系統(tǒng)戰(zhàn)略是指創(chuàng)建更互聯(lián)、更安全的道路，道路可與車上的用戶進行通信，通過新技術(shù)實時提供有關(guān)交通、事故、天氣等信息，以提高旅行舒適度和更好的基礎(chǔ)設(shè)施管理。現(xiàn)階段的歐洲主動交通管理建設(shè)方案將逐步擴展到整個綜合運輸系統(tǒng)[2]。

亞洲發(fā)達國家中的日本與韓國對技術(shù)與戰(zhàn)略計劃提出了不同方案。日本提出了ETC2.0 戰(zhàn)略，在現(xiàn)有ETC 建設(shè)水平上，整合車內(nèi)智能終端，與路側(cè)基礎(chǔ)設(shè)施實現(xiàn)實時交互，實現(xiàn)ETC 聯(lián)網(wǎng)收費、車路協(xié)同指令接收和控制。韓國2018 年實施了Smart Highway戰(zhàn)略，提出面向用戶的智慧高速公路建設(shè)網(wǎng)絡(luò)，以適應(yīng)未來電動汽車和自動駕駛汽車逐漸普及的趨勢。將打造包括輔助行駛、車路通信控制、多元化信息發(fā)布等業(yè)務(wù)在內(nèi)的服務(wù)，預計2030 年末實現(xiàn)信息化基礎(chǔ)設(shè)施全面鋪設(shè)完成，關(guān)鍵技術(shù)被攻堅應(yīng)用。

3 智慧高速建設(shè)創(chuàng)新技術(shù)分析

3.1 先進的信息采集和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

3.1.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)

現(xiàn)階段交通數(shù)據(jù)采集技術(shù)主要包括四種方法：

一是路側(cè)數(shù)據(jù)采集，主要采用感應(yīng)磁環(huán)、氣動道路管、壓電環(huán)陣列、微波雷達、超聲波和聲學傳感器系統(tǒng)、磁力計探測器、紅外系統(tǒng)、光探測和測距（LIDAR）和視頻圖像探測器等工具。

二是廣域數(shù)據(jù)收集，主要來源為道路攝影測量數(shù)據(jù)、視頻和音頻分析處理數(shù)據(jù)。

三是浮動汽車數(shù)據(jù)（FCD）采集，利用浮動車來進行交通數(shù)據(jù)采集，基于無線通信和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）、車牌識別（LPR）、車載轉(zhuǎn)發(fā)器單元（OBTU）實現(xiàn)對交通基礎(chǔ)設(shè)施和道路運行狀況進行實時監(jiān)控。

四是無人機數(shù)據(jù)采集，具有強大的動態(tài)集成能力、高時空分辨率和靈活性，也逐漸應(yīng)用于道路安全、交通監(jiān)測和管理、公路基礎(chǔ)設(shè)施管理等方面[3]。

3.1.2 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

隨著傳感器和大數(shù)據(jù)計算的發(fā)展，在智慧高速數(shù)據(jù)傳輸方面的應(yīng)用顯著增加。通過傳感器和多種可視監(jiān)管平臺系統(tǒng)的聯(lián)合開發(fā)，使事物和管理人員能夠在任何地方連接、激活流程和更高效地交換數(shù)據(jù)。隨著高速公路服務(wù)水平的提升，對高速公路地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測的重要性日益凸顯，微型機電傳感器（MEMS）技術(shù)逐步被多數(shù)智慧高速建設(shè)所采用。更精密、更微型的傳輸設(shè)備，逐漸成了智慧高速建設(shè)運營的關(guān)鍵技術(shù)。

3.2 先進的道路運行監(jiān)測和管控方案

3.2.1 BIM+SHM 平臺

BIM+SHM 的組合平臺能對交通特性、基礎(chǔ)設(shè)施和環(huán)境數(shù)據(jù)進行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，因此逐漸被應(yīng)用到智慧高速公路設(shè)計、管理和維護領(lǐng)域。通過應(yīng)用BIM+SHM 平臺，對橋梁、高架橋和隧道等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的設(shè)施進行快速狀況篩查，實時反饋結(jié)構(gòu)完整性和可靠性。為運營者主動獲取智慧高速運營狀況，提前作出決策提供新視角。

3.2.2 可變車道設(shè)備

動態(tài)車道管理（DLM）和硬路肩車道（HSR）是現(xiàn)有智慧高速公路車輛功能動態(tài)配置新型策略，即根據(jù)車輛流量、類型等車流屬性的實時變化，來動態(tài)變換車道功能或?qū)⒃猜芳畿嚨擂D(zhuǎn)換為附加車道，以提升高速公路容量。通過車道上的懸浮標志指示硬路肩是否對交通開放，并根據(jù)交通狀況更改道路的強制性限速。

采用匝道控制（RM）和協(xié)調(diào)匝道控制（CRC）策略可調(diào)節(jié)進入高速公路的車輛數(shù)，以確保最佳的交通運行效率。匝道進出口由自適應(yīng)交通信號控制，其信號時序由AI 算法提供，通過分析實時流量數(shù)據(jù)來確定最佳進入率，使主干線車流一直處于最佳行駛狀態(tài)[4]。

3.2.3 速度協(xié)調(diào)控制策略

基于變速限制（VSL）和速度協(xié)調(diào)（SH）的控制策略，可在擁堵區(qū)域前或重點監(jiān)測路段前改變限速，以減少擁堵并提高安全性。能夠根據(jù)交通狀況動態(tài)更改車輛的運行速度。利用交通傳感器實時監(jiān)控運行環(huán)境，并將信息發(fā)送至云端以計算最佳限速。得到運行方案后直接提供給CAV 駕駛車輛或者駕駛員，實現(xiàn)整體調(diào)整。

4 我國智慧高速發(fā)展趨勢研判

縱觀我國高速公路建設(shè)發(fā)展歷程，我國的建設(shè)更偏向于互聯(lián)互通、可視化和終端平臺化發(fā)展，即充分發(fā)展現(xiàn)有技術(shù)形成集通信、計算機平臺、前端于一體的智慧高速公路系統(tǒng)。未來的建設(shè)重點主要在：

第一，形成終端應(yīng)用和云控平臺為一體的系統(tǒng)架構(gòu)。形成以無線通信為主要發(fā)展路徑的信息化建設(shè)方案，即在路側(cè)布設(shè)無線通信網(wǎng)和智能基站等基礎(chǔ)設(shè)施。充分發(fā)揮終端應(yīng)用在智慧交通系統(tǒng)中的重要性，依托智能手機、車載顯示屏等無線通信設(shè)備，構(gòu)建車路交互平臺（DSRC）。將ETC 電子標簽、電子車牌、手機信令數(shù)據(jù)、車載藍牙設(shè)備所反饋的信息實時上傳云控平臺，實現(xiàn)車輛終端與控制終端的實時交互反饋，為全自動駕駛環(huán)境下的信息傳輸、傳遞和指令執(zhí)行奠定技術(shù)基礎(chǔ)[5]。

第二，同步開展兼容多種技術(shù)標準的路側(cè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。為保證車輛、路側(cè)采集器、云端三者在不同運行環(huán)境下均能實現(xiàn)高速傳輸、低延遲響應(yīng)的數(shù)據(jù)上傳和指令接收，將開展適應(yīng)DSRC、RFID、4G+5G、Wi-Fi、C-V2X 以及超高速無線通信系統(tǒng)(EUHT)在內(nèi)的多種技術(shù)標準的通信基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，以及適應(yīng)隧道、河谷等信號穿透能力較弱區(qū)域的北斗定位和路段識別終端聯(lián)合服務(wù)的定位基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。通過建設(shè)信息采集和傳輸系統(tǒng)、車路通信系統(tǒng)、信息增強系統(tǒng)等路側(cè)基礎(chǔ)設(shè)施，保障多元主體間的指令實時接收，協(xié)同管理道路運輸狀況，滿足為車載終端用戶提供高效服務(wù)的智慧高速建設(shè)需求[6]。

第三，利用多元交通數(shù)據(jù)采集與分析技術(shù)為智慧高速運營管理提供決策支撐。應(yīng)用LTE－V 車車/車路通信技術(shù)、車輛高精度定位技術(shù)，用于交通監(jiān)控的無人機檢測與處置技術(shù)，集成主要氣象信息和有關(guān)部門發(fā)布的氣象數(shù)據(jù)的預警處置技術(shù)，重要路段變形監(jiān)測和預警技術(shù)，路徑誘導處理分析和人車交互技術(shù)等新興數(shù)據(jù)采集與分析技術(shù)，實現(xiàn)對公路的服務(wù)能力進行預警，提升智慧高速公路的信息服務(wù)水平和運營管理者的管理能力[7]。

5 結(jié)語

綜上所述，從國內(nèi)外智慧高速公路建設(shè)發(fā)展的歷程及現(xiàn)狀來看，結(jié)合我國現(xiàn)階段較為先進的信息數(shù)據(jù)采集和傳輸設(shè)施、道路運行監(jiān)測及管控技術(shù)，可以從系統(tǒng)架構(gòu)、基礎(chǔ)設(shè)施和運營管理三個方面對我國未來一段時間的智慧高速建設(shè)發(fā)展趨勢進行研判。