技術分享 | 新基建背景下智慧高速的建設思考
引言
智慧高速作為新型交通基礎設施建設的核心場景之一，集成應用5G、物聯網、大數據、人工智能等新興技術，推進高速公路傳統基礎設施系統升級迭代，是推動交通領域綠色、智能轉型的基礎，更是落實交通強國戰略的重要切入口。新時代與新背景對于智慧高速的建設提出了更高要求，如何推進基礎設施的數字化、路網運營的精準化、出行服務的智能化是當下關注的重點。
01 智慧高速發展痛點
2018年2月27日，交通部印發了《交通運輸部辦公廳關于加快推進新一代國家交通控制網和智慧公路試點的通知》[1]，開啟了新一代國家控制網和智慧公路示范工程。在此背景下，全國各地先后開展智慧高速的試點建設。截至2019年底，全國高速公路通車里程已達14.26萬公里，居世界第一，高速公路建設開始由高速增長階段轉向高質量發展階段[2]。然而在轉型發展的過程中，也存在感知能力薄弱、智慧管控手段不足、資產管理手段匱乏、服務能力手段單一等問題痛點。
痛點1：感知基礎能力薄弱
高速公路按建設規范已經布設了相當數量和不同功能的感知設備，對交通流、氣象環境、邊坡等開展了實時監測，然而高速公路機電設施規模以及數字化、智能化程度不夠支撐和滿足日益增長運營管理及出行服務的需求。交通監測以相對被動式為主，對于事故、災害報警、求救信息響應速度慢，識別不充分、不及時。
痛點2：智慧管控手段不足
高速公路因其相對封閉、單向行駛、控制出入等特點，其交通調控面臨一定壓力，由于數據缺少融合挖掘分析，無法指導交通管理部門科學管理和最優管控，問題處置依賴特定人群，效果取決于個人水平，智慧賦能水平較低，難以把控對事故處理、交通誘導以及擁堵疏散等交通常態化處置工作，主動精準的治理能力缺失。
痛點3：資產管理手段匱乏
高速公路機電設備呈現出繁榮發展之勢，存在種類眾多、功能強大、高集成度等特點。機電設備朝智能化、網絡化、信息化的方向不斷發展，不僅增加了機電設備的維修難度，也給管理也帶來了挑戰。傳統管理、維修模式已經不能滿足現代機電設備的需要，管理難度大，手段匱乏。
痛點4：服務能力手段單一
日前，出行者和運輸企業對出行服務的需求趨于多元化，但目前出行信息發布手段、內容較為單一，尤其在出行高峰期間，需要及時發布路況、事故、擁堵、災害、天氣等信息供出行者參考。在滿足日常服務及公眾出行信息服務的準確性、時效性、便捷性等方面尚未達到要求。
02 新基建賦能智慧高速發展
2020年4月，國家發改委首次明確信息基礎設施、融合基礎設施和創新基礎設施的新基建范圍，提出智能交通基礎設施是新基建的重要組成部分。同年8月，交通運輸部發布《關于推動交通運輸領域新型基礎設施建設的指導意見》（以下簡稱《意見》），對智慧交通基礎設施、信息基礎設施、創新基礎設施三個層次進行規劃：一是打造融合高效的智慧交通基礎設施；二是助力信息基礎設施建設；三是完善交通行業創新基礎設施。智慧高速作為融合交通基礎設施的重要領域，新基建將助力智慧高速發展升級，主要體現在以下四個方面：
2.1 激發產業新動能
高速公路作為傳統交通基礎設施建設，公益屬性突出，主要是政府投資。而交通新基建鼓勵社會投資，擁抱新經濟，激發產業新動能?！兑庖姟肥菄彝苿有禄ㄔ诮煌I域落地發展的重要體現，為智慧高速產業帶來重要發展契機，各省市在新基建政策的引導下，加快研究制定智慧高速的頂層設計，為智慧高速的建設提供強有力的保障。此外，政策層面的持續加碼，為車聯網產業生態增添新動能，助力車路協同產業進入黃金發展期，加速車路協同、自動駕駛在高速公路的落地。
2.2 加速傳統基礎設施轉型升級
在助力信息基礎設施建設方面，《意見》明確要推進5G、北斗系統、人工智能等新技術的融合應用；新基建的核心抓手5G基建，牽引新一輪技術融合創新，實現人、車、路、云等協同互聯，加速萬物互聯、催生全新應用服務場景；基于北斗系統高精度導航與位置服務能力，為智慧高速規劃、監測、服務等提供新的管理手段；人工智能技術的引入，推動監測能力及治理水平將得到跨越式提升，創新交通治理模式。
2.3 助力應用場景持續創新
智慧高速作為新基建的一個重要場景，大數據中心、新能源充電、5G、人工智能都將會在智慧高速上體現，助力探索和創新智能監測、智能調度、智能管控、智能服務等應用場景。同時，智慧高速的建設，將會加速自動駕駛的商業化進程，推動自動駕駛應用場景的落地。
2.4 促進系統要素協同融合
新基建將加強資源整合和共建共享，促進協同融合，提高資源要素配置效率，實現信息資源的最大增值。通過多業態、多網絡、多行業的協同，可實現異常狀態下的快速響應、動態處置、柔性運營，提升系統的運行效率和服務能力。
03 新基建背景下智慧高速的建設策略
在新基建的驅動下，AI、大數據、物聯網、5G基建可有效地集成運用于整個高速公路運輸管理體系[3]，將發揮不亞于“互聯網+”的賦能與引領作用，加速數字交通的落地，為車輛、道路、路網監測以及事件管控提供有效手段和重要保障。新基建的本質是提升交通基礎設施的信息感知能力、數據分析能力、全面服務能力[4]，在此背景下智慧高速的建設思路應以信息感知為基礎、以數據治理為手段、以開發協同為抓手、以應用服務為根本，使路網運行更安全高效、交通管理更科學智能、公共出行更便捷舒適、智慧道路更綠色經濟。
圖1 新基建下智慧高速發展思路
3.1 以信息感知為基礎
增強隧道、橋梁、附屬設施等高速公路基礎設施的多維感知能力，夯實數據傳輸通道的可靠性和穩定性，通過5G、物聯網、視頻AI分析等一代信息技術的應用，實現事件狀態的動態監測、及時確認和自動報警，全面提升高速公路運行狀態智能感知能力，為及時上報道路擁堵、設備故障，為高速公路交通安全和高效通行提供數據支撐。
3.2 以數據治理為手段
以數字化、圖形化、全景化的方式展現綜合交通運輸整體運行情況、運行態勢與發展水平，通過多元數據的分析、挖掘、生成決策支持信息，提升對高速公路運行異常的動態甄別能力，并基于短時預測技術，科學評估管控手段的效果，為交通管理者實時監測和分析決策提供綜合性、全局性、關鍵性的指標數據支持，幫助交通管理部門實現從“經驗決策”向“數據決策”的轉變。
3.3 以開放協同為抓手
新時代下對于交通行業跨部門、跨層級、跨區域、跨交通方式的應急協同、應急處置、應急管控、行業服務提出了新要求。未來高速公路運營將向多業態融合、多模式協同轉變，傳統高速公路運營組織面臨新的挑戰。以面向路網效率最優為目標，開放協同為抓手，整合匯聚多部門、多系統、多層級、多區域的數據形成智慧高速大數據資源池基礎上，推進業務部門之間資源互通、信息共享，促進路網協同管控。
3.4 以應用服務為目標
新基建進一步加大了人車定位的覆蓋范圍及精度，可快速精準響應海量的個性化出行需求，通過豐富高速公路沿線資源，可提高高速公路運行動態信息的服務水平和服務質量，探索與互聯網的合作模式，拓展豐富服務資源和內容?；诟呔ㄎ患夹g，提供主動式伴隨式服務，滿足出行者個性化需求，提升出行資源。
04 智慧高速建設的主要功能方向
智慧高速應用的建設將以數據為主線[5]，以發展需求預測及支撐技術分析為基礎，依托智能系統從全局視角對交通設施、服務資源進行整體均衡配置，為新治理模式、新運營組織和新出行體驗賦能，主要建設方向內容包括一體化綜合監測、主動式精細管控、全天候安全通行、伴隨式立體服務、全生命數字管養、全棧式車路協同。
4.1 一體化綜合監測：多源交通數據融合感知、分析、預測
通過制定統一的數據接入標準，實現高速沿線高點視頻、高清卡口、激光雷達、氣象監測、物聯傳感等設備的接入，深度集成機器視覺AI技術，對異常交通流、交通事件、道路異常狀況等進行主動準確識別；融合重點車輛GPS數據、手機信令數據、收費站運營數據等，實現對高速公路路網運行、預警事件、重點車輛、重點區域、環境氣象等一體化綜合監測。同時，通過交通實時仿真及基于多源數據（天氣、城市交通、事故等）影響的交通預測，實現多種場景下的交通狀態發展趨勢精準、科學的預判。
圖2 高速公路一體化綜合監測平臺
4.2 主動式精細管控：基于數據治理的車道級、節點級、路網級交通管控
基于主動識別-短時預測-知識圖譜-協同控制四大技術抓手，支撐智慧化運營管控。通過主動監測結合短時預測技術推演事件的發展態勢，按照交通運行狀況和特殊需求，生成車道級的交通管理和控制方案；同時，關聯周邊城市道路信號控制信息、車輛GPS數據、路網運行數據，感知全路網狀態，基于交通分配模型進行路網分流誘導，合理控制匝道處的駛入駛出流量，優化周邊城市道路信號配時，形成全路網協同聯動，實現節點級匝道控制和網絡級分流誘導，提升交通管控手段的科學有效性。
圖3 基于短時預測的主動交通管控模式
圖4 全路網綜合調控
4.3全天候安全通行：基于云邊協同的重點車輛、重點區域危險應對能力
針對隧道、橋梁、邊坡、盲區、合流等危險路段，加強監測裝置和邊緣計算單元的布設，自動收集道路交通信息和天氣數據，基于云邊協同技術對重點車輛和重點區域運行狀態進行實時風險研判。對重點車輛運行狀態、運行軌跡進行實時監測，當出現頻繁加減速、頻繁變道、車道偏離等異常狀態時進行緊急提醒。結合云端海量數據在統計上的趨勢表征對重點區域實時的交通流狀態進行研判，提升事故前兆鑒別率并進行及時預警。
同時，針對冰雪天、霧霾天氣等惡劣環境，通過主動消冰融雪、主動發光標志、可變限速控制等技術和管理辦法，提高霧天、冰雪等惡劣天氣下通行安全性。
主動消冰融雪：依托邊端感知設備實時監控橋面坡路的結冰情況，出現預警信息可聯動自動噴淋系統，實現快速消除冰雪，確保大下坡路段行車安全。
可變限速控制：針對異常天氣信息可上報至云控平臺，基于溫度、濕度、路面狀況、能見度等因素推薦合理的限速值，通過可變限速標志、可變情報板、車路協同裝置對車輛進行車速引導。
主動發光標志：通過主動發光標志大幅提高夜間、惡劣天氣、逆光等情況下的標志視認性能，打造夜光公路。
4.4 伴隨式立體服務：全線數據、全時服務多終端、精準化、個性化
提供互聯網+位置精準信息服務，精確識別車輛所處高速公路位置點，發送出行時間、路況信息、實時天氣、道路事件等定制化信息。通過移動APP、車路協同設施、廣播、可變情報板等方式提供等多元化的信息服務，打造一體化便捷出行體驗。充分考慮服務區所在交通區位、交通流量、場地特征等因素，完善服務區服務功能設施、監控管理設施，建設服務區水平評價和感知系統，提供智能停車、餐飲休閑、功能導視、加油指引等功能服務，豐富高速公路沿線服務資源。
4.5 全生命數字管養：以“建、管、養、運”為出發點，打造全壽命周期體系
以高精度矢量地圖與BIM技術平臺為基礎，通過建設交通基礎設施聯網監控，覆蓋道路、橋梁、隧道、邊坡等重點狀態采集，對道路設施的關鍵構件和部位布設物聯傳感設備，對運行狀態進行實時監測與風險預判，并自動識別隧道積水、邊坡塌方、橋梁位移等異常事件，實現高速基礎設施日常運營、監測、管養、預警等全生命周期日常監測與應急管控。
圖5 高速公路智能運維平臺
4.6 全棧式車路協同：打造開放的、安全的行駛環境，讓聰明的車“跑”聰明的路
開展基于5G的車路協同應用示范，將實現人、車、路、環境的全面感知和協同，將5G公網信息發布與車路協同相結合，實現更大范圍、更多場景、更低時延的信息服務[6]；在車路協同系統未覆蓋區域，通過5G公網發布交通事件信息、道路施工信息、服務區信息等沒有超低時延需求的信息；在車路協同系統覆蓋區域，通過車路協同的直連通信發布分合流預警、隧道安全預警、高架橋梁預警等有超低時延需求的信息。
結語與展望
有感覺、能思考、能說話的路，就是未來的智慧高速。智慧的路與聰明的車最終將達到人、車、路、環境的和諧統一。打造安全、高效、綠色的高速公路體系，通過主動的感知、自動的解析、自主適應和動態交互，讓路更加協同、更聰明、更快捷、更貼心。
參考文獻
[1]交通運輸部.交通運輸部加快推進新一代國家交通控制網和智慧公路試點[J].中國建設信息化,2018, No.060(05):11.
[2] 王小軍,王少飛,涂耘.智慧高速公路總體設計[J].公路,2016(4):137-142.
[3] 劉文杰.新基建賦能交通新發展[J].中國交通信息化,2020(9).
[4] 陳琨,李柏丹,蹇峰.推進交通新基建的做法建議[J].中國公路,2020, No.565(09):45-46.
[5] 張成全.智慧高速公路設計案例分析[J].交通節能與環保, 2020,No.76(02):84-88.
[6] 張紀升,李斌,王笑京.智慧高速公路架構與發展路徑設計[J].公路交通科技, 2018, 035(001):88-94.