羅承成 陳志濤 何秀云

摘要 智慧高速公路是一種基于現(xiàn)代信息技術(shù)的新型交通系統(tǒng)，它通過智能化設(shè)備和傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對高速公路的監(jiān)測與管理。文章依托馬關(guān)至西疇高速公路設(shè)計項目，從隧道健康監(jiān)測、高速沿線設(shè)備設(shè)施監(jiān)測、交通運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測以及高速沿線氣象環(huán)境監(jiān)測四個方面開展智慧高速公路的全要素監(jiān)測方案研究，對促進(jìn)高速公路感知體系的完善，推動高速公路的數(shù)字化和智能化發(fā)展，提高交通安全、優(yōu)化路網(wǎng)效能、改善用戶出行體驗，以及為交通管理決策提供科學(xué)依據(jù)等具有重要意義。

關(guān)鍵詞 智慧高速公路；實時監(jiān)測；全要素感知

中圖分類號 U495文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2024）06-0001-05

0 引言

智慧高速公路是人類世界從IT時代進(jìn)入DT時代的產(chǎn)物，也是高速公路經(jīng)歷了數(shù)字化、信息化和智能化發(fā)展階段之后的最新表現(xiàn)形態(tài)。智慧化主要體現(xiàn)在構(gòu)建一張包括高速公路網(wǎng)、公共交通圖等解決方案，實現(xiàn)對于公路網(wǎng)的全程化可視、可管以及可控，打造安全暢通的公路交通網(wǎng)絡(luò)，使得公眾出行更加便捷愉快、交通管理更加高效智能、智慧道路的建設(shè)更加綠色經(jīng)濟(jì)[1]。

黨的十九大報告提出建設(shè)交通強(qiáng)國。中共中央、國務(wù)院先后印發(fā)《交通強(qiáng)國建設(shè)綱要》《國家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》，為加快建設(shè)交通強(qiáng)國明確了頂層設(shè)計[2]。黨的二十大擘畫了以中國式現(xiàn)代化全面推進(jìn)中華民族偉大復(fù)興的宏偉藍(lán)圖，對交通運(yùn)輸相關(guān)工作作出部署，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)加快建設(shè)交通強(qiáng)國，提出了一系列交通運(yùn)輸發(fā)展的新要求，充分體現(xiàn)了交通運(yùn)輸在國家發(fā)展中的重要作用，賦予了加快建設(shè)交通強(qiáng)國新的使命任務(wù)。2023年3月，交通運(yùn)輸部、國家鐵路局、中國民用航空局、國家郵政局、中國國家鐵路集團(tuán)有限公司聯(lián)合印發(fā)《加快建設(shè)交通強(qiáng)國五年行動計劃（2023—2027年）》?！拔迥晷袆佑媱潯痹谑笮袆又摹敖煌ㄟ\(yùn)輸科技創(chuàng)新驅(qū)動行動”中提出，要完善科技創(chuàng)新基礎(chǔ)制度，加強(qiáng)交通戰(zhàn)略科技力量、科技基礎(chǔ)能力建設(shè)，加快推進(jìn)智慧交通建設(shè)，健全交通科技創(chuàng)新體系[3]。在交通網(wǎng)中，高速公路發(fā)揮著“首都連接省會、省會彼此相通，連接主要地市、覆蓋重要縣市”的重要作用，提升高速公路的智慧化水平對加快我國交通強(qiáng)國的建設(shè)進(jìn)程意義重大。

但是，當(dāng)前高速公路普遍存在感知不夠全面、監(jiān)測不夠及時，信息與相關(guān)行業(yè)或部門共享欠缺，進(jìn)而導(dǎo)致公路智能化程度低、服務(wù)效能不足等問題。造成上述問題的主要原因在于高速公路運(yùn)行環(huán)境感知監(jiān)測的片面性?，F(xiàn)有交通數(shù)據(jù)獲取基本依靠養(yǎng)護(hù)巡查信息上報以及視頻、車檢器等前端的采集設(shè)備，缺少先進(jìn)的信息化采集設(shè)備，而且并未從車載終端或系統(tǒng)內(nèi)部獲取交通數(shù)據(jù)，也未與跨行業(yè)的其他部門（包括互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)）進(jìn)行深入數(shù)據(jù)交換，行業(yè)各部門之間也存在著信息采集和發(fā)布無法聯(lián)動等問題，數(shù)據(jù)獲取能力較弱[4]。智慧交通建設(shè)中大數(shù)據(jù)分析、管理服務(wù)、應(yīng)急處置等任何一個環(huán)節(jié)都是建立在對路網(wǎng)靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)全面精準(zhǔn)感知的基礎(chǔ)之上，因此，如何通過多源數(shù)據(jù)融合和感知終端及傳感網(wǎng)絡(luò)提高交通數(shù)據(jù)獲取能力和交通狀態(tài)感知能力，是行業(yè)面臨的首要需求[5]。

該文依托于馬關(guān)至西疇高速公路設(shè)計項目，從隧道健康監(jiān)測、設(shè)備設(shè)施監(jiān)測、交通運(yùn)行狀況監(jiān)測以及交通氣象環(huán)境監(jiān)測四個方面開展對高速公路全要素監(jiān)測方案的研究。

馬關(guān)至西疇高速一條路通兩縣，設(shè)一橋、跨一河，設(shè)一隧兩樞紐，公路全長40.559 km。路線沿溝谷布線至大樹腳，通過設(shè)置大樹腳特長隧道，連續(xù)降坡至馬尾沖，通過設(shè)置馬尾沖互通與G219相接。之后，通過避讓銅廠破銅礦后，一路降坡至盤龍河，設(shè)置盤龍河大橋橫跨盤龍河后，一路升坡至新馬街，通過設(shè)置新馬街互通與G219相接，路線繼續(xù)沿溝谷布線，升坡至高馬腳后，路線沿興街壩區(qū)布線，下穿已建文麻高速后，設(shè)置興街樞紐與在建那興高速相接。路線縱坡受跨盤龍河大橋橋位標(biāo)高所控制，縱坡總體呈“V”字形。主要有一段集中升坡和一段集中降坡，降坡段為大樹腳至盤龍河，坡長為10.63 km，平均縱坡為2.93%；升坡段為盤龍河至高馬腳，坡長9.92 km，平均縱坡為2.74%。

馬西高速沿線地形地貌復(fù)雜多樣，公路組成涵蓋長坡、隧道、橋梁等特殊結(jié)構(gòu)，基于馬西高速開展智慧高速公路全要素監(jiān)測方案研究對全國高速公路的全面感知與監(jiān)測具有普適性。同時，高速公路全要素監(jiān)測研究對進(jìn)一步完善高速監(jiān)測體系，促進(jìn)高速公路的智慧化、數(shù)字化轉(zhuǎn)型具有重要的促進(jìn)意義。

1 高速公路隧道健康監(jiān)測研究

隧道作為高速公路上的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)物，在縮短運(yùn)行距離、保護(hù)自然環(huán)境、減少交通事故等方面起到重要作用[6]。馬西高速沿線地形地貌的特殊性，全線橋隧占比高達(dá)65.031%，建有隧道14座，總長為12 940 m。包括1座特長隧道（總長4 435 m）、3座長隧道（總長3 245 m）、7座中隧道（總長4 365 m）以及3座短隧道（總長895 m）。

隧道在運(yùn)營過程中，由于受到材料退化、地震、人為因素等影響，會發(fā)生隧道主體結(jié)構(gòu)的損壞和劣化。若不及時檢測和維修，將會導(dǎo)致破壞和坍塌，帶來的損失也是巨大的。所以對高速公路上的隧道開展結(jié)構(gòu)物監(jiān)測是非常有必要的，監(jiān)測內(nèi)容主要包括隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測、隧道環(huán)境監(jiān)測，監(jiān)測對象、傳感器類型及輸出信號如表1所示。其中，隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測包括裂紋監(jiān)測、初襯鋼拱架應(yīng)變監(jiān)測、二襯結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力監(jiān)測、錨桿軸力監(jiān)測、涌水監(jiān)測等。環(huán)境監(jiān)測包括空氣質(zhì)量監(jiān)測、瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測、溫度監(jiān)測、通風(fēng)監(jiān)測[7]。

實現(xiàn)對隧道土建結(jié)構(gòu)安全的實時監(jiān)測與管理，其核心功能包括實時監(jiān)測、預(yù)警報警、數(shù)據(jù)分析、三維可視化、資料管理等。業(yè)務(wù)功能設(shè)計具體包括隧道基礎(chǔ)信息管理子系統(tǒng)、隧道結(jié)構(gòu)安全實時監(jiān)測子系統(tǒng)、隧道結(jié)構(gòu)安全預(yù)警報警子系統(tǒng)、三維可視化子系統(tǒng)。

1.1 隧道基礎(chǔ)信息管理子系統(tǒng)

隧道基礎(chǔ)信息管理子系統(tǒng)的功能主要包括高速公路系統(tǒng)中所有隧道基本信息的統(tǒng)計與管理，包括各隧道長度、管養(yǎng)、分布位置等大體信息。同時，也能實現(xiàn)單個隧道詳細(xì)信息的管理，包括隧道長度、位置、管養(yǎng)狀況等。基于上述隧道基本信息功能的統(tǒng)計，能更直觀地使相關(guān)管理人員了解馬西高速公路系統(tǒng)中的所有隧道的基本情況，進(jìn)而更合理地分配隧道的管理資源。

1.2 隧道結(jié)構(gòu)安全實時監(jiān)測子系統(tǒng)

實時監(jiān)測子系統(tǒng)負(fù)責(zé)收集、處理、展示前端各類傳感器采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)，方便用戶掌握隧道結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測的實時狀態(tài)。同時，系統(tǒng)提供對比、關(guān)聯(lián)等分析手段，通過深度學(xué)習(xí)等算法深度挖掘傳感器數(shù)據(jù)的變化趨勢、關(guān)聯(lián)關(guān)系等，及時發(fā)現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)異常，提前采取相關(guān)防范措施以避免人員及經(jīng)濟(jì)方面的損失。

為提高隧道監(jiān)測的準(zhǔn)確性，首先通過數(shù)據(jù)預(yù)處理和數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測對前端傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，再將準(zhǔn)確數(shù)據(jù)進(jìn)行實時展示，從而增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性。

1.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

對隧道安全監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理主要包括數(shù)據(jù)清理、數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)變換、數(shù)據(jù)歸約等。

數(shù)據(jù)清理是通過填寫缺失的值、光滑噪聲數(shù)據(jù)、識別或刪除離群點并解決不一致性來“清理”數(shù)據(jù)。達(dá)到格式標(biāo)準(zhǔn)化、異常數(shù)據(jù)清除、錯誤糾正、重復(fù)數(shù)據(jù)的清除等目的。

數(shù)據(jù)集成是把不同來源、格式、特點性質(zhì)的數(shù)據(jù)在邏輯上或物理上有機(jī)地集中，從而為后續(xù)分析提供全面的數(shù)據(jù)信息。

數(shù)據(jù)變換是通過平滑聚集，數(shù)據(jù)概化，規(guī)范化等方式將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成適用于數(shù)據(jù)分析挖掘的形式。

數(shù)據(jù)歸約是對時序數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)時間和空間的歸約，減少用于分析的數(shù)據(jù)量，提高數(shù)據(jù)挖掘分析準(zhǔn)確率。

此外，系統(tǒng)支持平衡清零功能，可以在確認(rèn)傳感器安裝正常后做清零操作，改善數(shù)據(jù)顯示狀態(tài)，也便于在后期運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)異常問題。

1.2.2 數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測

傳感器數(shù)據(jù)質(zhì)量是隧道監(jiān)測系統(tǒng)有效運(yùn)行的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)采集終端在使用過程中，由于環(huán)境干擾、器件老化等某些不可抗因素，使得傳感器偶發(fā)數(shù)據(jù)缺失、滯后、超閾值、頻率異常等問題，對隧道結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)監(jiān)測、報警生成與分析等業(yè)務(wù)造成了很大的干擾。

為提升數(shù)據(jù)可利用率，基于隧道安全監(jiān)測系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測模塊，結(jié)合隧道數(shù)據(jù)特點，形成隧道安全監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測模塊。該模塊可以從各個方面對傳感器采集數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗并給出分析結(jié)果，供監(jiān)測中心值班人員、設(shè)備運(yùn)維人員查看、檢驗，保障設(shè)備數(shù)據(jù)的正常采集，并為設(shè)備安裝維護(hù)、數(shù)據(jù)問題診斷、設(shè)備質(zhì)量比較提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。

1.2.3 實時數(shù)據(jù)展示

經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理和數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測后的高質(zhì)量數(shù)據(jù)通過傳輸網(wǎng)絡(luò)傳送到監(jiān)測中心，系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理和分析，從傳感器數(shù)據(jù)中提取出更多關(guān)于隧道健康監(jiān)測的關(guān)鍵信息，由于數(shù)據(jù)量和信息種類較多，選取能夠直接代表現(xiàn)場數(shù)據(jù)以系統(tǒng)業(yè)務(wù)功能要求的形式分類顯示在監(jiān)測系統(tǒng)界面中。數(shù)據(jù)展示模塊需要顯示的數(shù)據(jù)主要分為隧道結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示、系統(tǒng)工作狀態(tài)顯示和各類資料及參數(shù)顯示三種類型。

監(jiān)測的原始數(shù)據(jù)、處理后數(shù)據(jù)、系統(tǒng)工作狀態(tài)監(jiān)視、各類資料及參數(shù)顯示數(shù)據(jù)的顯示均通過定制開發(fā)實現(xiàn)，可通過Web端等多種方式進(jìn)行發(fā)布。

1.3 隧道結(jié)構(gòu)安全預(yù)警報警子系統(tǒng)

對隧道結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險事件的提前預(yù)警及報警是系統(tǒng)的核心目標(biāo)。該子系統(tǒng)的功能主要針對隧道的結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險事件進(jìn)行分級預(yù)警和高危報警，當(dāng)隧道監(jiān)測段監(jiān)測數(shù)據(jù)臨近閾值或者超過設(shè)定閾值時，系統(tǒng)可提供分級預(yù)警以及多渠道報警等。此外，系統(tǒng)還會在雨季或者自定義前提下提醒監(jiān)測人員加強(qiáng)關(guān)注隧道的結(jié)構(gòu)安全。

1.4 三維可視化子系統(tǒng)

系統(tǒng)建立隧道三維可視化模型展示隧道實時狀態(tài)，對于隧道的監(jiān)測，三維可視化能夠提供給用戶更便捷、更直觀的用戶體驗。三維可視化展示的內(nèi)容包括三類，即周邊環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)展示、監(jiān)測設(shè)備的安裝位置及尺寸等相關(guān)信息展示和隧道實時監(jiān)測數(shù)據(jù)展示。如表2所示。

1.4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)三維可視化

該模塊展示隧道的立體結(jié)構(gòu)、監(jiān)測設(shè)備和周邊環(huán)境，讓用戶快速掌握隧道結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境，為用戶提供更便捷、更直觀的操作體驗，實現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)展示、設(shè)備展示、透視分析、傳感器圖例過濾、地圖量算、空間標(biāo)繪等功能。

1.4.2 監(jiān)測設(shè)備展示

該模塊展示安裝在隧道上的監(jiān)測設(shè)備，包含監(jiān)測設(shè)備的安裝位置、尺寸、設(shè)備屬性和設(shè)備外觀，并可分類顯示傳感器分布，幫助用戶掌握設(shè)備分布情況。

1.4.3 實時監(jiān)測三維可視化

通過隧道三維BIM模型，便捷展示隧道內(nèi)的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)以及預(yù)警報警信息，進(jìn)而提高公路隧道的信息化、集成化、智能化水平。

2 設(shè)備設(shè)施監(jiān)測研究

設(shè)備設(shè)施監(jiān)測系統(tǒng)主要是對全線機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀況和用能進(jìn)行監(jiān)測。設(shè)備的狀態(tài)和用能安全是保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)，也是資產(chǎn)管理工作的重點。為了實現(xiàn)智能化資產(chǎn)管理，需對外場設(shè)備的狀態(tài)和用能情況進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)故障及時進(jìn)行維修，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，并針對故障設(shè)備的統(tǒng)計分析，總結(jié)故障規(guī)律與原因，從而給出防護(hù)性的養(yǎng)護(hù)建議[8]。通過引入用能、狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備和接入原有各機(jī)電系統(tǒng)軟件的方式，取得全線主要機(jī)電設(shè)備的用能和狀態(tài)信息，并通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，實現(xiàn)機(jī)電設(shè)備的數(shù)字化管理。

該系統(tǒng)面向高速公路全線機(jī)電設(shè)備，本著“能接盡接”的原則，盡可能實現(xiàn)沿線設(shè)備的全面監(jiān)測。監(jiān)測對象主要包括設(shè)備狀態(tài)信息監(jiān)測、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浔O(jiān)測以及光纖監(jiān)測三類。

2.1 設(shè)備狀態(tài)信息監(jiān)測

高速公路監(jiān)測過程中需根據(jù)監(jiān)測需求及設(shè)備故障情況對設(shè)備進(jìn)行補(bǔ)充或裁減，因此該模塊首先能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備信息的增加、刪除、修改以及設(shè)備信息批量導(dǎo)入/導(dǎo)出。同時，還能實現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息監(jiān)測，如出問題需獲取故障碼，設(shè)備/機(jī)箱的電流、電壓監(jiān)測，機(jī)箱的溫度/濕度監(jiān)測。給出設(shè)備的在線/離線狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)在線狀態(tài)，可導(dǎo)出故障設(shè)備信息清單。針對服務(wù)器要給出磁盤空間狀態(tài)、CPU占用率、內(nèi)存占用率。

2.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浔O(jiān)測

實現(xiàn)高速公路以及隧道監(jiān)測的各傳感器檢測的數(shù)據(jù)最終都要通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控與管理中心，實現(xiàn)監(jiān)控網(wǎng)、收費(fèi)網(wǎng)拓?fù)錁?gòu)建，以圖形可視化界面展示，并可實時展示網(wǎng)絡(luò)流量、網(wǎng)絡(luò)通斷位置等信息。不僅可以提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性和安全性，同時網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浔O(jiān)測還可以預(yù)測網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞墓收?，以便及時處理。此外，還可以防止網(wǎng)絡(luò)攻擊、病毒等安全威脅。

2.3 光纖監(jiān)測

光纖監(jiān)測模塊是光纜線路維護(hù)發(fā)展的需要，它把光纜線路納入實施集中的監(jiān)測維護(hù)中，可以實時監(jiān)測光纖的衰減情況，在出現(xiàn)故障時實時告警，并通過光衰曲線輔助分析故障發(fā)生原因，精準(zhǔn)定位故障點，保障及時、快速搶修及維護(hù)。

3 交通運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測研究

交通運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)是在實時交通運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測及重點車輛駕駛行為監(jiān)管的基礎(chǔ)上，進(jìn)行路網(wǎng)運(yùn)行態(tài)勢分析，提供相應(yīng)的輔助決策功能[9]。交通運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)包括道路運(yùn)行綜合監(jiān)測子系統(tǒng)、道路運(yùn)行安全監(jiān)管子系統(tǒng)、道路運(yùn)行分析與輔助決策子系統(tǒng)。

3.1 道路運(yùn)行綜合監(jiān)測子系統(tǒng)

道路運(yùn)行綜合監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)高速公路實時路況、交通量情況、交通流狀況、監(jiān)測預(yù)警及查詢。在對實時交通運(yùn)行狀態(tài)判斷后，根據(jù)“暢通、基本暢通、一般、擁擠、堵塞”五種判斷結(jié)果，分別用不同顏色表示，以GIS地圖和列表的方式展現(xiàn)實時路況。高速公路路網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)測分為路段監(jiān)測和節(jié)點監(jiān)測，數(shù)據(jù)來源于高清視頻、交調(diào)設(shè)備數(shù)據(jù)、ETC門架設(shè)備、隧道車檢器、隧道激光雷達(dá)、智慧道釘?shù)取?/p>

3.1.1 路段監(jiān)測

在GIS地圖上疊加顯示高速公路網(wǎng)的實時路況，包括交通量、運(yùn)行速度等數(shù)據(jù)，相關(guān)數(shù)據(jù)經(jīng)過后臺模型計算處理，將路況數(shù)據(jù)更新至系統(tǒng)界面顯示，并且，用戶可勾選交通事件、道路視頻等圖層。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到某一路段處于擁堵狀態(tài)或車流量及運(yùn)行速度超過設(shè)定閾值時，在GIS地圖上進(jìn)行動態(tài)標(biāo)注，界面浮動窗口顯示預(yù)警詳情。

此外，通過列表和柱狀圖的形式更為直觀地展示選中路段的當(dāng)日累計交通量、歷史同期交通量及歷史同比、日交通量變化趨勢、小時交通量排名、小時交通量變化趨勢及歷史同期、交通事件和擁堵路段排名等信息。

3.1.2 節(jié)點監(jiān)測

高速公路上的監(jiān)測節(jié)點主要包括收費(fèi)站節(jié)點、隧道節(jié)點和特殊路段節(jié)點。進(jìn)行收費(fèi)站交通量監(jiān)測，可依據(jù)實際需求設(shè)置閾值進(jìn)行預(yù)警；根據(jù)隧道車檢器、隧道激光雷達(dá)等設(shè)備對隧道交通量進(jìn)行監(jiān)測；根據(jù)特殊路段的智慧道釘系統(tǒng)等設(shè)備對特殊路段交通流進(jìn)行監(jiān)測。

監(jiān)測系統(tǒng)可選擇當(dāng)日或者歷史某一天某一時段，以折線圖和列表結(jié)合的方式展示各節(jié)點監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化趨勢及與歷史同期對比情況，支持導(dǎo)出功能。

3.2 道路運(yùn)行安全監(jiān)管子系統(tǒng)

該系統(tǒng)融合視頻事件檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)、交調(diào)設(shè)備數(shù)據(jù)、ETC門架設(shè)備、隧道車檢器、隧道激光雷達(dá)、智慧道釘?shù)葦?shù)據(jù)，實現(xiàn)交通異常事件檢測功能，如停車、行人、逆行、拋灑物、非機(jī)動車等異常事件。

3.2.1 機(jī)動車異常檢測

機(jī)動車在高速公路上的異常狀態(tài)主要包括機(jī)動車事故、車輛逆行、車輛違停、車輛拋錨四類。針對車輛事故的分析，主要是利用交通監(jiān)控攝像頭數(shù)據(jù)，識別包括車輛與車輛、車輛與行人、車輛與非機(jī)動車之間的交通事故。針對車輛逆行，在高速公路上，特別是匝道口，準(zhǔn)確、及時地發(fā)現(xiàn)逆行車輛，系統(tǒng)及時提醒。針對車輛違停，準(zhǔn)確識別違停事件，在禁止停車區(qū)域逗留的車輛超過停留時間上限時，對車輛進(jìn)行結(jié)構(gòu)化提取。針對車輛拋錨，自動檢測車輛異常停車情況，及時發(fā)現(xiàn)拋錨車輛，并提取拋錨車輛號牌信息。系統(tǒng)監(jiān)測到上述異常信息后，一方面向管理中心和交警部門推送異常車輛及車主信息，另一方面通過電話、短信等方式提醒車主采取相應(yīng)措施。

3.2.2 異物檢測

高速公路在運(yùn)行過程中會因為自然災(zāi)害或人為因素等，出現(xiàn)落石、貨物掉落，拋灑物、動物、行人及非機(jī)動車非法闖入等情況。為確保車輛的安全運(yùn)行，對行人、非機(jī)動車、落石等進(jìn)行目標(biāo)檢測，有效檢出高速上的入侵異物，進(jìn)而通知高速公路管理工作人員及時清理調(diào)度，提高道路安全性。

3.3 道路運(yùn)行分析與輔助決策子系統(tǒng)

根據(jù)采集數(shù)據(jù)，分析實時交通指數(shù)（包括通道及路網(wǎng)中斷率、通道中斷率、路網(wǎng)擁擠度、通道擁擠度、路網(wǎng)環(huán)境指數(shù)、通道環(huán)境指數(shù)、路網(wǎng)節(jié)點通阻度、通道節(jié)點通阻度等），對事故發(fā)生數(shù)量、事故多發(fā)路段、事故嚴(yán)重程度、“兩客一危”車輛、公務(wù)作業(yè)車輛等重點車輛等進(jìn)行安全運(yùn)行統(tǒng)計分析，并可與任意多期數(shù)據(jù)進(jìn)行對比（全省范圍路網(wǎng)指數(shù)每天的平均值、環(huán)比、同比、占比、峰值等）。同時，支持綜合展示過去自定義年限數(shù)據(jù)，并根據(jù)歷史運(yùn)行規(guī)律及相關(guān)模型預(yù)測未來變化趨勢，以數(shù)據(jù)表格及柱狀圖、折線圖、餅圖等方式展現(xiàn)。

通過對路網(wǎng)信息的收集、整理、分析、預(yù)測，進(jìn)而對路網(wǎng)的態(tài)勢深入感知并針對相關(guān)情況作出科學(xué)決策，實現(xiàn)常規(guī)化高速公路運(yùn)行分析、定制化的專題分析、報告自動生成、高速公路運(yùn)行知識庫趨勢研判等功能，提升高速公路的數(shù)字化水平，增強(qiáng)決策的科學(xué)性。

4 氣象環(huán)境監(jiān)測研究

高速公路由于車流量大、車速高，因此對強(qiáng)降水、大霧、路面濕度、道路結(jié)冰、能見度等氣象要素敏感的要求更高[10]。根據(jù)馬關(guān)至西疇高速公路交通事故數(shù)據(jù)年度、月度事故特征分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)團(tuán)霧、暴雨等惡劣氣象是該次交通事故的主要誘因之一，嚴(yán)重影響該路段的安全、高效出行。該系統(tǒng)主要由氣象監(jiān)測設(shè)備和氣象服務(wù)平臺組成，系統(tǒng)基于高速公路沿線布設(shè)的氣象采集設(shè)備以及氣象部門提供的共享數(shù)據(jù)，實時感知高速公路所處環(huán)境的溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、降水量、能見度、路面狀態(tài)等氣象信息。通過對交通環(huán)境信息進(jìn)行智能分析，實現(xiàn)氣象精準(zhǔn)監(jiān)測及預(yù)警。

4.1 交通氣象數(shù)據(jù)采集

根據(jù)氣象數(shù)據(jù)的來源不同，采取不同的采集方式，實現(xiàn)多源氣象數(shù)據(jù)的兼容和匯總。數(shù)據(jù)來源包括國家氣象信息中心的網(wǎng)格化氣象數(shù)據(jù)、自建氣象監(jiān)測站采集到的實時氣象數(shù)據(jù)、國家預(yù)警信息發(fā)布中心推送的預(yù)警信息等。其中，氣象要素包括空氣溫度、空氣濕度、大氣壓強(qiáng)、風(fēng)速、風(fēng)向、降水量、冰點溫度、路面狀態(tài)、摩擦系數(shù)、水膜厚度等。

4.2 交通氣象數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理負(fù)責(zé)對采集后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、算法實現(xiàn)、融合等，并產(chǎn)生最終可應(yīng)用的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，實現(xiàn)千米級、分鐘級預(yù)警預(yù)報氣象數(shù)據(jù)。

以氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以監(jiān)測數(shù)據(jù)為核心，根據(jù)不同的地形與實際情況，采取一定的數(shù)據(jù)模型，對指定路段以樁號為單位，生成千米級的預(yù)報數(shù)據(jù)。路網(wǎng)氣象預(yù)報數(shù)據(jù)具體包括2 h降水預(yù)報數(shù)據(jù)、48 h降水預(yù)報數(shù)據(jù)、未來5 d的降水預(yù)報數(shù)據(jù)，48 h降霧預(yù)報數(shù)據(jù)、未來5 d的降霧預(yù)報數(shù)據(jù)。路網(wǎng)氣象實況天氣數(shù)據(jù)，具體包括降水實時數(shù)據(jù)、降霧實時數(shù)據(jù)。

4.3 交通氣象數(shù)據(jù)存儲

數(shù)據(jù)存儲負(fù)責(zé)定義數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu)與存儲方式，并提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存取接口。數(shù)據(jù)存儲可采用非結(jié)構(gòu)化分布式存儲、分布式文件系統(tǒng)等方式進(jìn)行，根據(jù)數(shù)據(jù)模型及數(shù)據(jù)類型的不同特點，分別采用不同的存儲方式進(jìn)行。從而實現(xiàn)原始數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定可靠的持久化，原始數(shù)據(jù)可展示，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)可溯源，為不同的場景提供數(shù)據(jù)支撐。

4.4 交通氣象決策分析

基于交通氣象數(shù)據(jù)采集、交通氣象數(shù)據(jù)處理與分析、交通氣象數(shù)據(jù)存儲，實現(xiàn)交通氣象數(shù)據(jù)元素的一體化展示，為運(yùn)營管理單位提供決策依據(jù)。主要內(nèi)容包括交通氣象站、路網(wǎng)實時監(jiān)測信息數(shù)據(jù)可視化展示，交通氣象數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與分析，交通氣象預(yù)警信息的實時推送等。

4.4.1 交通氣象路網(wǎng)數(shù)據(jù)可視化

交通氣象路網(wǎng)數(shù)據(jù)的可視化主要包括站點氣象自定義展示、站點實況監(jiān)測、路段實況監(jiān)測以及雷達(dá)拼圖四個方面。

站點氣象自定義展示是構(gòu)建氣象監(jiān)測平臺，針對預(yù)期內(nèi)的所有氣象數(shù)據(jù)，提供可視化的展示?？勺远x展示的數(shù)據(jù)內(nèi)容包括空氣溫度、空氣濕度、大氣壓強(qiáng)、風(fēng)速、風(fēng)向、降水強(qiáng)度、路面溫度、路面狀態(tài)、濕滑程度、實時能見度等。

站點實況監(jiān)測是基于氣象監(jiān)測平臺，針對區(qū)域內(nèi)所有的氣象站實況監(jiān)測，提供可視化的位置和狀態(tài)展示。站點基本信息包括站點名稱、數(shù)據(jù)更新時間等，站點氣象信息包括空氣溫度、空氣濕度、大氣壓強(qiáng)、風(fēng)速、風(fēng)向、路面溫度、路面狀況、水膜厚度、摩擦系數(shù)、空氣密度、露點溫度、測風(fēng)質(zhì)量、天氣預(yù)報、臨近降雨帶等，可生成展示這些參數(shù)的全天時分鐘級變化曲線。

路段實況監(jiān)測是結(jié)合氣象監(jiān)測平臺，結(jié)合表格形式的站點實況監(jiān)測，主要手段是通過監(jiān)測站點的風(fēng)向風(fēng)速、路面溫度、能見度等要素，依據(jù)這類要素，實時分析掌握各交通路段的通行條件，為交通安全出行提供重要保障。

雷達(dá)拼圖是按時間和區(qū)域查詢區(qū)域周邊雷達(dá)產(chǎn)品，提供路段所在區(qū)域2 h的降水雷達(dá)回波圖動態(tài)展示，更新周期不超過10 min。

4.4.2 交通氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

對高速公路的監(jiān)測數(shù)據(jù)、預(yù)報數(shù)據(jù)以及預(yù)警數(shù)據(jù)等信息進(jìn)行統(tǒng)計，實現(xiàn)氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)、路網(wǎng)級氣象預(yù)報數(shù)據(jù)和氣象監(jiān)測站預(yù)警信息的自定義篩選與檢索，進(jìn)而通過數(shù)據(jù)挖掘、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)發(fā)掘上述數(shù)據(jù)的潛在價值，提升高速公路全天候通行的安全性和智慧化，為公路通行安全提供有力保障。

4.4.3 交通氣象預(yù)警預(yù)報實時推送

交通氣象預(yù)警預(yù)報實時推送是指以路側(cè)氣象傳感器、道路沿線及周邊主要區(qū)域的氣象站實況監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，系統(tǒng)對其分析計算之后，對超出既定標(biāo)準(zhǔn)范圍的要素進(jìn)行預(yù)警，并通過預(yù)報方式將其預(yù)報出去的過程。

預(yù)警預(yù)報的氣象范圍包括強(qiáng)降水、降雪、結(jié)冰、高溫、強(qiáng)風(fēng)等極端惡劣天氣信息，預(yù)警預(yù)報內(nèi)容包括道路名稱及路段范圍，極端天氣描述及預(yù)警等級信息，短臨預(yù)報實現(xiàn)未來2 h的路網(wǎng)級雨、霧、冰、雪的分鐘級預(yù)報推送。推送方式包括平臺應(yīng)用級推送和短信級重點路段極端天氣推送。

5 結(jié)語

該文基于馬關(guān)至西疇高速公路，從隧道健康監(jiān)測、設(shè)備設(shè)施監(jiān)測、交通運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測以及交通氣象環(huán)境監(jiān)測四個方面，詳細(xì)敘述了智慧高速公路的全要素監(jiān)測方案。一方面，能夠?qū)崿F(xiàn)馬西高速公路全方位的監(jiān)測與管理，提升交通安全、優(yōu)化路網(wǎng)效能，改善用戶出行體驗；另一方面，對類似高速公路的智慧化建設(shè)具有一定的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

[1]林奕俊. 基于全要素感知的智慧公路信息化工程設(shè)計分析[J]. 運(yùn)輸經(jīng)理世界， 2021（24）： 107-109.

[2]趙光輝， 唐亦聽， 田芳. 我國交通強(qiáng)國建設(shè)的發(fā)展趨勢判斷[J]. 供應(yīng)鏈管理， 2021（7）： 111-119.

[3]陳希琳. 走好新階段加快建設(shè)交通強(qiáng)國之路交通運(yùn)輸部綜合規(guī)劃司答《經(jīng)濟(jì)》記者問[J]. 經(jīng)濟(jì)， 2023（6）： 14-18.

[4]周黎明， 何剛， 尹紫紅， 等. 高速公路全要素智能建造關(guān)鍵技術(shù)及其工程應(yīng)用[M]. 成都：西南交通大學(xué)出版社， 2021.

[5]易小年， 郭沖圓， 鄧輝， 等. 高速公路數(shù)字化運(yùn)營管理體系[J]. 創(chuàng)新世界周刊， 2022（8）： 87-98.

[6]王樹興， 于香玉， 崔建， 等. 高速公路隧道智能監(jiān)控管理技術(shù)[M]. 重慶：重慶大學(xué)出版社， 2019.

[7]《中國公路學(xué)報》編輯部. 中國交通隧道工程學(xué)術(shù)研究綜述·2022[J]. 中國公路學(xué)報， 2022（4）： 1-40.

[8]王華城， 朱新春， 王子扶， 等. 綠色高速公路運(yùn)營期在線監(jiān)測技術(shù)體系研究——環(huán)境、氣象、能耗監(jiān)測[J]. 交通節(jié)能與環(huán)保， 2022（1）： 139-144.

[9]馬軍. 基于多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的路網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)測與應(yīng)急指揮調(diào)度系統(tǒng)[J]. 中國交通信息化， 2023（2）： 101-104.

[10]張昕冉. 智慧高速公路交通氣象觀測站點布設(shè)研究[D]. 淄博：山東理工大學(xué)， 2022.