智慧高速信息化系統構成淺析

蔡權慧

(安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司;公路交通節能環保技術交通運輸行業研發中心,安徽 合肥 230088)

1 智慧高速信息化系統建設的需求

隨著高速公路建設里程的不斷增加，路網化運營趨勢越來越明顯，作為交通運輸行業主管部門，需要準確掌握交通運輸宏觀信息，如高速公路網的整體運行狀況、交通運輸系統中的結構特征等；作為道路運營管理部門，面臨運營和安全的壓力越來越大，肩負著全線路產路權維護、設備維護、交通運行狀態及時獲取、阻斷信息報送等責任，需要為管理人員建設具有分析決策大腦作用的智慧信息化公路，有助于輔助其開展日常、應急條件下的各項工作；作為高速公路普通用戶，在面對由于出行而增加交通壓力的情況下，智慧信息化高速就是要保證高速公路正常運行的同時能夠為人們提供安全、便捷、高效、人性化的出行服務。

2 智慧高速信息化系統建設的目標

智慧高速運用互聯網+、人工智能等先進適用技術，實現高速公路高效管理，通行效率顯著提升，公眾信息服務更加便捷。主要實現：

智慧設施：包括公路、橋梁、隧道、交通工程及附屬設施等基礎設施具備多維感知能力，能夠實現彼此間的信息交互、互聯、互通和自動控制，并與載運工具、交通參與者實現協同聯動，能夠主動檢測路網運行異常，及時上報道路擁堵、設備故障，為公路交通安全和高效通行提供數據支撐。

智慧決策：實現新一代信息新技術與高速公路行業的深度融合，圍繞公路交通安全、舒適、高效的通行能力以及日常運維管理的智能化，實現主動預測、自動處置、快速響應、品質服務，全面提升以人為本的智慧高速公路決策水平。

智慧管控：基于路網運行的全面感知能力，實現人、車、路的一體化運行監測，第一時間發現公路通行異常，實現車路協同、區域路網協同管理等智能應用。

智慧服務：通過人、車、路互聯互通，及時聯網發布跨區域交通信息及事故信息，提高高速公路信息化服務水平和質量，包括動態路徑導航、實時路況發布、個性化出行、交通分析等。

3 智慧高速信息化系統建設思路概況

在傳統監控設施、收費設施、通信設施、照明設施的基礎上，以高速公路大數據挖掘與綜合利用為核心，以“準全天候、精準化”的出行服務和“科學決策、智能管控”的綜合管理為主線，充分利用短程通信、5G、云計算、大數據、人工智能等新一代信息技術，以及北斗高精定位設施、路側智能基站、智能設備機箱、高性能服務器、混閃存儲、無人機、模塊化機房、智能誘導邊緣標等新裝備，構建高速智慧信息化交通體系，提升高速公路行車速度、惡劣氣象通行能力、車路協同、綠色節能四個方面的服務水平，并為遠期做好預留。

構建全方位的智能監控系統、融合通信系統、無感知收費系統、數字化系統、協同系統、高效智能化服務系統、智慧照明系統7大系統+1個全局動態交通管理平臺。

構建基于邊緣計算的全方位跟蹤檢測雷達監測與事件分析、車速實時反饋及輔助車輛特征識別系統、運行環境監測感知、車載移動視頻、基于互聯網地圖的公路實時路況信息采集系統、信息服務系統的全方位的智能監控系統體系，實現高速公路運行狀態、環境狀態、設備設施安全運行狀態智能感知。

構建三維覆蓋、多元一體、層級和作用有機結合的融合通信體系，實現光纖數字傳輸網、短程通信專網、無線寬帶走廊3大網絡融合，提供平戰結合、車路協同、穩定可靠的傳輸通道。

構建基于電子不停車快捷收費(ETC)、輔以車牌圖像識別、多種支付手段融合應用的收費體系。

構建高速公路基礎設施、交通工程設施、交通管理設施的數字化體系,加強GIS數據的采集與更新維護，可實現公路管理業務與GIS的全面融合，GIS數據質量基本滿足管理與公眾服務需求。

構建北斗高精度定位系統，為自動駕駛車輛提供高等級定位、授時服務，以及為普通用戶提供精準定位與授時功能。

構建協同系統，實現人、車、路的信息交互，提供面向惡劣氣象條件的準全天候通行條件。

構建高效智能化服務系統，打造服務區五位一體綜合交通樞紐系統。

構建智慧照明系統，用于提高高速公路的行車環境，減少安全事故，同時能夠為智能駕駛車輛夜間運行安全性提供保障。

構建1個全局動態交通管理服務平臺，實現交通運行狀態監測與態勢評估、應急指揮調度、交通信息發布服務、公眾信息對接、四維實景仿真。

4 系統詳細介紹

4.1 全方位的智能監控系統

在統籌考慮監控設施設置的沿線監控設備基礎上，構建地空天立體化的多元智能感知網，通過互聯網共享周邊路網運行狀態、氣象等信息，實現高速公路運行狀態感知、路網環境狀態感知和設備設施安全運行狀態感知。建設智慧高速BIM模型，實現沿線機電設施(如攝像機、可變信息標志、智能路側設備等)的信息化、數字化和可視化管理傳統的感知體系以自建信息化設施為主，投入較大，但效果不能得到有效保證。為節約投資，同時獲取最佳使用效果，自建高速的部分采集系統，并充分利用互聯網地圖和第三方數據資源，建立功能完善的智慧感知體系。自建系統以視頻采集為主(包括路側、車載等不同監控手段)，根據實際建設效果的需要，輔助以必要的卡口檢測設備、氣象檢測設備、視頻事件監測設備和交通流檢測設備；互聯網地圖、來自第三方的氣象信息及貨運車輛軌跡信息同自建系統采集信息有效結合，實現對高速基礎設施及沿線附屬設備的基本信息、變化情況的全面掌握，實現對公路路網動態運行狀況的全面監測。

4.2 融合通信

構建多網融合、三維覆蓋、多元一體的融合網絡體系，是指面向高速公路人、車、路或物、環境等多種元素通信需求，結合公、專網建設涵蓋光纖數字傳輸網、短程通信專網、無線寬帶走廊等3大網絡，3大網絡相互融合、互為補充、各施所長，構成層級和作用有機結合的體系，作為高速公路智能化運營的可靠基礎，為海量數據穩定傳輸、車路協同式自動駕駛、設備(設施)互聯互通和應急傳輸提供可靠保障，這便是融合通信中的網絡接入及承載網建設。在控制管理層，通過整合信令及媒體格式，打造全媒體融合調度系統。

4.3 無感知收費系統

按照取消高速公路省界收費站總體技術方案的要求，高速公路原則上在每個互通立交、入/出口之間均設立ETC門架系統，實現ETC車輛和MTC車輛分段計費，對于ETC車輛生成交易流水、通信記錄和抓拍圖像信息，并及時上傳至省聯網中心；對于MTC車輛，通過讀取CPC卡內車輛信息，計算費額并寫入CPC卡內，形成通行記錄，并同抓拍圖像信息及時上傳至省聯網中心。可以實現基于ETC技術為主、車牌視頻識別技術為輔的自由流收費。

為補充惡劣天氣等對車牌識別的影響，在ETC門架設置車輛檢測定位系統。

4.4 協同系統

車路協同與自動駕駛體驗系統總體功能為:主要依托于車-路通信系統、北斗高精度時空服務系統及相應的后臺功能軟件或服務，輔以各類路側智能感控、多網融合通信系統、云計算數據中心等系統，實現各類車路協同典型應用并支持自動駕駛體驗，從而滿足以提高安全與效率為目標的精準控制與信息服務需求，并支持高速公路智慧交通功能的后續升級與擴展。

車路通信系統將采用前端+后臺的系統架構實現，車路通信系統的前端包括:車載通信設備、路側通信設備和邊緣計算設備。車載通信設備部署與車輛內部或其他移動載體上，與路側通信設備通過LTE-V直連通信模式(即PC5模式)實現數據交互；路側通信設備與邊緣計算設備部署在高速公路兩側或中央隔離帶區域，通過高速公路光纖接入網與后臺系統連接。實際應用中,邊緣計算設備主要負責其所協同管轄范圍內的多個路側通信設備，同時根據工程具體情況考慮并行接入監控系統部分路側設備關鍵數據，輔助實現車路協同與自動駕駛體驗服務。

車路協同應用系統是一套針對各項車路協同場景應用的軟件功能模塊集合。各個軟件功能模塊以車路通信系統、北斗高精度時空服務系統、高精度數字地圖系統提供的數據為基礎，輔助使用監控系統提供的部分信息數據，通過數據篩查、數據融合等信息處理技術，實現典型車路協同應用場景下面向行車安全與效率提升的車路協同應用，同時為更復雜的智能駕應用提供業務基礎功能。

4.5 BIM+GIS+高精度數字地圖數字化綜合管理平臺

BIM 是基礎設施物理和功能特性的數字表達，可以實現從建設到養護到拆除全壽命周期的信息共享，GIS 是在計算機硬、軟件系統支持下，對整個或部分地球表層(包括大氣層)空間中的有關地理分布數據進行采集、存儲、管理、運算、分析、顯示和描述的技術系統；BIM 專注于基礎設施自身，而GIS 專注于基礎設施外部環境信息。BIM+GIS 技術的組合，實現了基礎設施內外部的整合。

全線基礎設施、附屬設施、交安設施、機電設施等，建立LOD300級的精細化BIM 模型，通過傾斜攝影技術獲得高速公路的地膜、工程主體250 m 范圍內的建筑物及周邊環境的三維實景GIS 模型，建立三維高精度地圖，結合重點基礎設施的健康監測、例行檢查、視頻監控等感知手段，搭建運營養護階段的基礎設施綜合管理平臺，可應用于電子沙盤、結構安全狀態評價、智能預警、養護決策、養護資金管理、養護人員管理、大數據分析等功能。

高精度數字地圖可覆蓋主線全線，包括線路內的全部要素信息和線路周邊與通行相關要素信息，為高速全線道路與基礎設施裝備的數字化提供支持。數據采集依賴于高精度時空精準服務系統，因此高精度數字地圖的制作應在高速公路土建工程完工、高精度時空精準服務系統建設完成之后進行。

4.6 高效智能化服務系統

在服務區設罝各類傳感器，收集停車位、廁位、加油車位、充電樁、周邊地區實時及預祁氣象等信息，依托物聯網.通過分布在服備區內的指示牌、顯示屏和液晶顯示器等及時反饋給出行者；結合視頻分折、大數據、人工智能，分折車輛、人員迸出服務區的統計和流向，針對出行者餐飲、加油、如廁等不同的目標和需求提前準備相應配套設施的資源，一旦出現客流車流高峰，自動生成調度方案，對出行者進行引導，確保服務區接待能力；根據不同的天氣、時間段和基礎設施的使用率，提供不同的亮化景觀、智慧照明和背景音樂，同時服務區WIFI全覆蓋，實現服務區場區和建筑內的人性化設置與節能控制。通過上述措施，打造出“會思考、有智慧”的服務區，使整個服務區高效有序的運營。

4.7 智慧照明

智慧照明三個核心的方式：LED 路燈的控制、巡檢和調光，以智慧照明的角度對智慧高速做支撐。傳統的智慧照明僅僅能實現高速公路照明的控制，巡檢及調光，對于智慧城市建設所需要的物聯網系統、大數據等的支撐能力有限。路燈和燈桿在高速公路上密集分布，具有方便組網、取電的優勢，將來成為智慧高速建設的感知層的數據載體。

智慧路燈通過大范圍連續獲取關鍵電網運行參數，幫助高速公路管理部門評估供電質量。同時，通過這些公開數據，電網管理者能夠快速獲悉斷電情況，加快故障恢復過程。

4.8 全局動態交通管理平臺

路網綜合管理系統：針對日常管理及應急指揮的需求，建設交通運行狀態監測與態勢評估系統，應急指揮調度系統，實現日常運行管理和協調調度，高速公路突發公共事件情況下的應急處置、應急事件查詢、應急物資和應急人員指揮調度等功能網絡安全系統：根據“一個中心”管理下的“三重保護”體系框架，構建安全機制和策略，形成本系統的安全保護環境。該環境分為四部分：安全計算環境、安全區域邊界、安全通信網絡、安全管理中心和安全智能終端。每部分由1個或若干個子系統(安全保護部件)組成，子系統具有安全保護功能獨立完整、調用接口簡潔、與安全產品相對應和易于管理等特征。安全計算環境可細分為節點子系統和典型應用支撐子系統；安全管理中心可細分為系統管理子系統、安全管理子系統和審計子系統。

軟硬件支撐系統：智能高速公路的實施依托多方面的支撐，首先建設扁平化、分級授權和安全的數據鏈系統，包括由區域分布式云中心、本地小型數據中心聯合組成智能高速公路云軟硬件系統，云安全系統以及數據管理系統。

5 結束語

智慧高速信息化系統涉及范圍廣泛，并不僅僅局限于以上子系統，系統的完善還有賴于技術的發展和進步。目前智慧高速信息化系統的發展雖然僅是起步試驗階段，很多子系統也有待完善、補充、落地，但是這將是未來十年內的一個發展方向，因此目前正在建設項目在綜合考慮近期機電工程建設的同時，應注重遠期綜合規劃，按照“一次設計，分期實施”的原則進行綜合規劃。近期工程建設在土建、管線、光纜、供電等基礎性設施上要為遠期智慧交通信息化建設預留充足的發展空間，傳輸設備、數據中心平臺建設需滿足后期專項工程接入的需求，智慧交通信息化系統應結合遠期規劃，緊跟技術發展，成熟一個實施一個，對整體機電工程進行完善和提升。