智慧高速公路技術體系構建

岑晏青，宋向輝，王東柱，孫 玲，劉 楠

(交通運輸部公路科學研究院，北京 100088)

0 引言

1988年，我國第一條高速公路上海滬嘉高速公路正式通車。隨后的30多年我國的高速公路建設得到迅猛發展，截至2019年底，我國高速公路總里程已達到15萬km，建成了一張全世界規模最大的國家高速公路網，對我國經濟社會發展起到了至關重要的支撐作用[1]。受人口密度、經濟發展水平等因素影響，我國不同地區的高速公路交通量差異較大。2018年，全國高速公路平均交通量為2.55萬pcu/d，擁擠度為0.42，而北京、上海和廣東的高速公路交通量達到6.54，7.79和4.36萬pcu/d，擁擠度為0.92，1.08和0.66，是全國高速公路擁擠度的2.2倍，2.6倍和1.6倍[2]，可以說已經處于擁擠甚至堵塞的狀態。按照我國全面建設社會主義現代化國家的戰略部署，從目前到2035年，我國的客貨運輸需求仍將保持2%～3%的年均增長速度，長三角、珠三角和京津冀等東部地區的增長速度將會更高。如何防止我國東部地區交通運輸對社會經濟發展再次出現“瓶頸制約”，是整個交通運輸行業需要面對的重大戰略課題。而受限于土地供給、環保要求等剛性約束條件，我國東部地區已不可能再繼續采用大規模建設高速公路的發展模式。因此，建設智慧高速公路，有效提升高速公路的通行能力，成為當前和今后一個階段我國高速公路建設的必然選擇和重要方向。

國外在高速公路的主動交通管理、車路協同技術應用、出行和物流信息共享服務等方面開展了大量試驗驗證，主要包括：美國的智慧通道(Smart Corridor)[3]建設和互聯車輛(Connected Vehicle)計劃，歐洲的Easyway[4]項目和跨國智能交通走廊(ITS Corridor)示范工程，日本的ETC2.0[5]戰略和韓國的智慧公路(Smart Highway)[6]項目?！笆濉逼陂g，交通運輸部組織開展了“新一代國家交通控制網和智慧公路試點”，在全國9個省市進行基礎設施數字化、路運一體化、北斗高精度定位綜合利用等6大主題的試點[7]。2017年底，浙江省按照“現有技術用足、未來技術預留”的原則，啟動了全長170 km的杭紹甬智慧高速公路建設工程，標志著智慧高速公路技術研究和工程實踐已從點狀的技術試點驗證向系統化的技術集成示范轉變。

1 智慧高速公路概念及主要特征

1.1 智慧高速公路概念

在我國，“智慧高速公路”這個名詞來源于智慧城市。2011年，浙江省開展智慧城市建設試點工作，將智慧高速公路建設作為2012年首批啟動的13個示范試點項目之一[8]。2014年初，交通運輸部黨組提出加快推進“四個交通”發展，即綜合交通、智慧交通、綠色交通、平安交通的發展，各地的智慧高速公路建設試點項目明顯增多，比如，湖南和云南都是在省政府領導的直接要求下，于2014年啟動智慧高速公路試點工程。

根據工程實踐，不少專家學者對智慧高速公路的概念和內涵進行了研究探討。王少飛等[9]提出，智慧高速公路就是要構建以數據為核心的高速公路協同管控與創新服務體系，利用“人的智慧思維+先進的技術手段+協同的運行機制+創新的模式”實現對高速公路管理與服務的提升，認為智慧高速公路是持續利用新理念、新技術、新機制、新模式，實現管理和服務更加智慧的高速公路。張紀升等[10]認為，智慧高速公路概念尚沒有統一的定義，與傳統智能交通定義相比，更加強調平臺性、互聯性以及終端化概念。在服務功能上，智慧高速公路是為充分發揮高速公路的功能屬性，集成應用先進的感知技術、傳輸技術、信息處理技術、控制技術等，形成開放共用的基礎平臺；它以安全、高效、便捷、綠色為目標，結合多樣、開放的運營管理與服務模式，為人和貨物的快速運輸提供可靠的網絡化通行服務，為車車/車路交互提供自由的通信管道服務，為應急事件提供全時可響應的應急服務，為出行者提供精細化、自主化的出行服務。

由此可見，智慧高速公路已有多年的試點工程建設實踐，積累了不少研究成果和工程經驗。本研究根據杭紹甬智慧高速公路建設工程可行性研究和工程設計過程中的深入思考，認為智慧高速公路概念的提出需要遵循以下兩條原則：

(1)智慧高速公路的基礎和本質是高速公路。我國現行《公路工程技術標準》(JTG B01—2014)對高速公路進行了明確定義，高速公路是專供汽車分向行駛、分車道行駛，全部控制出入的多車道公路。智慧高速公路是突出了數字化、信息化和智能化特征的高速公路，但其基礎和本質仍是高速公路。因此，提出智慧高速公路概念，必須首先堅持其基礎和本質，即智慧高速公路,是具有智慧化特征的高速公路，而不能將智慧高速公路表述為一個管理控制系統或者一套管理服務體系。

(2)從技術支撐和功能實現兩個角度明確智慧高速公路的智慧化水平。智慧高速公路不同于普通高速公路的核心特征是“智慧”，但僅表述為“更加智能”或“更加智慧”的高速公路，顯然不是嚴謹的智慧高速公路概念。提出智慧高速公路概念，需要從技術支撐和功能實現兩個角度，對高速公路的智慧化水平給出明確的表述。

據此，本研究對智慧高速公路給出如下定義：

智慧高速公路，是在高速公路沿線布設相應設施設備并建有交通運行控制中心，集成應用感知、通信、控制和綠色能源等先進技術，實現汽車更加安全、快速和綠色行駛的高速公路。

1.2 智慧高速公路主要特征

本研究認為智慧高速公路有以下3個主要特征：

(1)強調對現有先進技術的集成應用。智慧高速公路的智慧能力(或智慧化水平)都需要幾種技術集成后才能體現出來，比如：高速公路車道級管控能力(包括對車輛的車道級導航能力)需要應用基礎設施數字化、高精度電子地圖、厘米級高精度定位、低時延無線通信、大數據實時分析和云控制系統等多項技術，且涉及在路側設備、車輛側終端和云控中心側數據信息和控制指令的處理傳遞邏輯。自由流收費、準全天候通行、危險路段安全預警等功能實現都需要多項技術集成應用。因此，通過集成應用感知、通信、信息、云計算、大數據、人工智能和綠色能源等先進技術，來實現其整體智慧能力，是智慧高速公路在技術支撐方面的最顯著特征。

(2)以實現更加安全、快速、綠色的人員出行和貨物運輸為根本目標。交通運輸的初衷是實現人和物的位移，高速公路作為交通運輸過程的組成要素，其核心功能必須服從和服務于交通運輸的初衷。智慧高速公路是新一代高速公路，其功能目標不僅是實現人和物的位移，而是要在確保安全的前提下，能夠實現更加快速、綠色的人員出行和貨物運輸，這是智慧高速公路在功能實現方面的最顯著特征，也是智慧高速公路的根本性特征。

智慧高速公路的首要目標是更加安全，以“零死亡”為愿景，在同等條件下比普通高速公路的安全性有顯著性提高。智慧高速公路的核心目標是更加快速，表征為在同等條件下比普通高速公路上的車輛平均行駛速度有顯著性提高，或者在同等條件下人員出行和貨物運輸時間比使用普通高速公路有明顯縮短。智慧高速公路的剛性約束目標是更加綠色，表征為與普通高速公路相比，在同等條件下單位人員出行量和貨物運輸量的環境影響程度有顯著性下降，或者資源綜合利用率有明顯提高。

(3)對正在發生的道路交通顛覆性變革具有先導和引領作用。具體表現為智慧高速公路支持自動駕駛技術應用落地，探索“聰明的車+智能的路”這種未來公路交通模式的實現路徑。從社會發展史來看，人類經歷了農業革命、工業革命，正在經歷信息革命。與之相對應，人類交通發展史也已經歷了兩次革命，第1次交通革命是以馬車、牛車出現為標志，人類利用畜力，并隨后出現了土夯石筑的馬路，我國的秦馳道就是當時的高速路；第2次交通革命是以火車和汽車出現為標志，人類利用機械力，并隨后出現了鐵路和公路，以及目前我們熟悉的高速公路和高速鐵路。前兩次交通革命的特點是：新的運載工具先發明，并隨后帶動形成與之相適應的交通基礎設施。在目前的信息革命階段，以自動駕駛車輛出現為標志的第3次交通革命(顛覆性變革)正在發生，人類利用信息通信、大數據和人工智能等技術，正在帶動智慧道路的出現。

當前，全球范圍已形成廣泛共識的是：未來道路交通的基本形態是“聰明的車+智能的路”，將深刻改變車輛擁有、交通組織、人員出行和貨物運送等方面的道路交通模式和方式。智慧高速公路具備的車路協同能力，目前已能夠支持自動駕駛車輛在專用車道上開展車輛編隊行駛(自動駕駛L3級)。積極支持自動駕駛技術應用落地，探索“聰明的車+智能的路”這種未來公路交通模式的具體實現路徑是對智慧高速公路的時代性要求，也是智慧高速公路表現出具有先導和引領道路交通顛覆性變革的鮮明特征。

2 智慧高速公路的技術內涵

我國的高速公路沿線是建有通信、監控和收費等設施設備的，統稱為機電系統。機電系統與路基、路面、橋隧等主體工程是一體化規劃、設計和建設的，是高速公路的重要組成部分。高速公路機電系統的建設和運營積累了大量經驗，也形成了完整的工程技術規范和相關產品標準，為實現智慧高速公路技術能力奠定了良好基礎。但現有高速公路機電系統在技術架構、功能設計及運維管理等方面也都面臨著挑戰，主要表現為：系統技術架構的開發性不夠，協同性不足；系統功能設計上信息交互與控制方式相對單一，精準及時的信息服務功能較弱，數據智能匯聚、分析及應用能力亟待提高，智能決策控制能力尚未建立；在運維管理方面，硬件系統資源利用率不高、部分設備設施存在閑置，數據中心設備過于陳舊、兼容性和擴展性不強[11-13]。

與現有普通高速公路相比，智慧高速公路主要升級改造的就是其機電系統。目前高速公路機電系統面臨的上述挑戰，就是智慧高速公路需要重點解決的問題。從智慧高速公路的技術能力來看，其核心內容是高速公路的智慧化系統。因此，本研究認為，智慧高速公路的技術內涵，集中體現為如何建設“三網合一”智能基礎設施和云邊端協同的云控平臺[14-15]。具體為：

(1)“三網合一”智能基礎設施。即高速公路網、感知通信控制網、綠色能源網3個網絡化基礎設施疊加融合所形成的高速公路基礎設施，其組成如圖1所示。

圖1 智慧高速公路“三網合一”智能基礎設施組成示意圖Fig.1 Schematic diagram of composition of “three networks in one” intelligent infrastructure of smart expressway

高速公路網是指承載汽車行駛、完成客貨運輸功能的高速公路土木結構物網絡(包括路基、路面、橋隧等)，即目前普通高速公路網絡。

感知通信控制網是指在高速公路沿線布設的通信設施、感知設備和監控設備所組成的，完成人、車、路協同控制功能的設施設備網絡。

綠色能源網是指充分利用高速公路沿線空間資源，布設太陽能、風能等發電設施，以及優化配置供配電系統，實現對傳感通信控制網綠色、可靠供電功能的能源供給設施設備網絡。

(2)云邊端協同的云控平臺。是指由端設備、邊子系統、云子系統組成，具有自下而上逐級數據處理與管控指令傳遞邏輯架構的高速公路云控制系統，其總體架構如圖2所示。所謂端設備是指高速公路上有穩定可靠網絡連接、能實時在線的終端設備，主要包括路側終端設備和車輛側智能終端設備。所謂邊子系統是指高速公路沿線部署的具有邊緣計算能力的設施，主要包括兩類：路側邊緣計算控制站(Edge Computing & Control Station, ECCS)和路段云控中心(Cloud Control Center-Road Section, CCC-RS)，ECCS部署在高速公路沿線路側，路段云控中心可簡稱為路段云，根據實際功能需求一般部署在路段管理處機房。所謂云子系統，是指云計算技術架構的高速公路運行控制中心，即云控中心。按照所管理的高速公路路網數量多少、所屬行政區劃不同或運營管理層級差別，云控中心可分為3級，分別為路段云控中心(CCC-RS)、區域云控中心(Cloud Control Center-Roads Regional，CCC-RR)、路網云控中心(Cloud Control Center-Road Network，CCC-RN)，簡稱為路段云、區域云和路網云。

3 智慧高速公路技術體系構建方法

智慧高速公路技術體系構建需要兼顧穩定性及開放性，以適應不斷演進的技術形態及不變升級的服務要求。從結構視角看，智慧高速公路是由智能交通系統(ITS)傳統的采集、傳輸、處理、應用等自下而上的各種系統組成，各個系統相關聯系、相互作用，以達到最優的協同運行效果。因此，智慧高速公路技術體系構建方法可借鑒國內外ITS體系框架構建方法[16]。

3.1 體系構建方法比較

構建體系框架主要有兩種方法：面向過程的結構化分析方法和面向對象分析構建方法[17]。面向過程的結構化分析方法是20世紀70年代由美國的Yourdon提出[18]，主要利用抽象模型的概念，按照系統內部信息的傳輸關系、變換的關系，以數據為中心，按照自頂向下逐步求精的原則進行系統功能的分解與設計，最終找到并設計出滿足用戶需求的可實現的物理模型。面向對象分析方法是在面向對象程序設計語言的基礎上發展起來的，最早出現在20世紀80年代，主要是從系統的組成上來進行建模，將系統的各個功能抽象成具體事例、屬性和行為對象，通過這些對象之間的協調工作實現系統功能[19]。

圖2 智慧高速公路云邊端協同的云控平臺總體架構示意圖Fig.2 Schematic diagram of overall architecture of cloud control platform of smart expressway for cloud-edge-terminal collaboration

面向過程的結構化分析方法和面向對象分析方法本質上并無優劣之分。由于結構化分析方法采用面向過程的分析思路，符合人們的思維習慣，易于理解和接受，本研究選用面向過程的結構化分析方法開展智慧高速公路技術體系的構建。

3.2 智慧高速公路技術體系構建過程

采用結構分析方法，從分析高速公路用戶需求入手，明確高速公路服務功能，建立智慧高速公路邏輯框架和物理框架，并最終提出智慧高速公路技術集。

第1步：確定用戶服務。從用戶需求的角度，對智慧高速公路應能提供的服務內容進行描述，得到智慧高速公路應提供的服務功能，牽引智慧高速公路邏輯框架和物理框架構建。

第2步：建立智慧高速公路邏輯框架。以實現用戶服務為目標，提出智慧高速公路邏輯框架。將智慧高速公路視為一個系統，通過設計邏輯數據流圖，分層描繪各功能域間、功能間，及各元素與終端間的數據流聯系，構建其邏輯框架。再通過對智慧高速公路邏輯框架圖的分析，抽取邏輯框架圖中各個連接關系中共性的元素，進行數據流聯系及數據內容的定義。

第3步：建立智慧高速公路物理框架。以邏輯框架為基礎，提出智慧高速公路物理框架?？紤]邏輯框架中各邏輯元素數據流關系，從如何具體實現各項功能的角度對各邏輯元素進行組合形成物理元素，得到物理元素框架流，從而構建其物理框架。

第4步：提出智慧高速公路技術集。通過對智慧高速公路邏輯架構和物理架構的分析，凝練出實現用戶服務所必需的、且有技術指標約束的智慧高速公路技術集。

4 智慧高速公路技術體系

智慧高速公路技術體系是智慧高速公路建設、養護和運營中所需的各種主要技術，以及它們相互作用和聯系來實現用戶服務的一個技術整體。

(1)用戶服務

智慧高速公路能夠提供的創新服務主要包括：高精準信息服務、自由流收費服務、自動駕駛貨車編隊服務、車路協同安全預警服務、準全天候通行服務、電動車續航服務、應急處置服務、車道精準管控服務，以及智慧隧道和智慧服務區，詳見表1。智慧高速公路的用戶可按照使用者和管理者分類。使用者是指使用高速公路通行的用戶，按照車輛駕駛者的不同，使用者可分為人工駕駛車輛用戶和自動駕駛車輛用戶(智能網聯車輛用戶)；按照車輛使用燃料的不同，使用者可分為傳統能源車用戶和新能源車用戶。按照管理監督職責，管理者可分為政府監管部門、高速公路運營企業、社會媒體和運輸企業等。

表1 智慧高速公路用戶服務內容列表Tab.1 List of smart expressway user service contents

(2)智慧高速公路邏輯框架

根據用戶服務內容和具體服務功能需求，建立的智慧高速公路邏輯框架圖如圖3所示，用于描述用戶服務內容與技術支撐能力兩兩之間的對應和連接關系。

通過對智慧高速公路邏輯框架的分析，抽取其各個連接關系中共性的元素，進行數據流聯系及數據內容的定義，形成以智慧高速公路云控中心、邊緣控制中心、智能路側終端、智能車載終端等4個部分為典型組成要素的數據流關系和數據內容定義，如圖4所示。

(3)智慧高速公路物理框架

智慧高速公路物理框架是上述智慧高速公路邏輯要素的實體表達。以邏輯元素為基礎，考慮各邏輯元素數據流關系，從如何具體實現各項邏輯功能的角度對各邏輯元素進行組合形成物理元素，得到物理元素框架流。智慧高速公路將在路側建設集感知、通信、邊緣計算及決策于一體的智能路側系統，在中心側部署與智能路側系統對接的云端管理與計算平臺，并針對車路協同、自動駕駛、自由流收費、準全天候通行、車道精準管控等智慧高速公路的創新服務設計具體的物理框架，如圖5所示。

(4)智慧高速公路技術集

根據智慧高速公路邏輯框架中云控中心、邊緣控制中心、智能路側終端、智能車載終端四要素及相互之間的數據流關系，凝練出數據傳輸與發布、信息交互兩個技術子集。通過對智慧高速公路物理框架的分析，凝練出路側技術子集和中心側技術子集，并形成面向創新應用的集成技術子集。再進一步對每個技術項進行能力需求分析，形成有技術指標約束的智慧高速公路技術集，詳見表2。

5 應用案例

杭紹甬高速公路經杭州、紹興、寧波三地，是橫貫杭州灣南岸的主要通道，全線長約175 km，雙向6車道，是《長三角都市圈高速公路網規劃方案》中杭州灣地區“十橫七縱”路網布局中的組成部分。2017年底，浙江省政府提出要將杭紹甬高速公路建設成一條全線智慧高速公路，并隨后開展了系統性的智慧高速公路建設方案研究、工程可行性研究和工程設計,是我國智慧高速公路工程實踐走向系統化技術集成示范的標桿性工程。2019年12月，中共中央、國務院印發的《長江三角洲區域一體化發展規劃綱要》明確提出“率先推進杭紹甬智慧高速公路建設”。杭紹甬智慧高速公路采用了本研究提出的智慧高速公路技術體系，主要內容包括：

圖3 智慧高速公路邏輯框架簡要示意圖Fig.3 Schematic diagram of logical framework of smart expressway

圖4 智慧高速公路頂層邏輯數據流圖Fig.4 Diagram of top layer logical data flow of smart expressway

圖5 智慧高速公路總體物理框架Fig.5 Overall physical framework of smart expressway

(1)構建了“三網合一”智能基礎設施與“云邊端”協同云控平臺組成的智慧高速公路體系。通過全線部署全要素感知設施和車路協同設施、全覆蓋的無線通信網絡、高精定位系統，定制高精地圖系統等，提升智慧高速感知控制能力。為滿足感知通信控制網的部署及設備能源供給要求，杭紹甬智慧高速公路主體工程建設時，同步建設基礎設施預留條件：沿高速公路全線路段每隔2～4 km(與自由流收費門架復用)布設1增強型節點，每隔0.2 km布設1普通型節點，增強性節點較普通型節點的區別在于增加了邊緣計算與控制能力。沿途以0.2 km為間隔對光纜及電纜接入點進行全線預留。如圖6所示。

感知通信控制網部分，為用戶提供 ETC-DSRC、LTE-V、4G/5G 等可按需選擇的融合通信網絡服務，具備集成路側交通信息采集、發布等系統的能力，根據管理需要全線具備北斗地面增強等位置信息服務功能，結合車路交互中響應速度快、時延小的要求，具備本地邊緣計算能力，即能實現本地小區域范圍動態感知和反饋信息的計算、處理與指令自動化執行功能。綠色能源網方面，充分利用路域新能源資源，在服務區設置動態及靜態充電設施，創新高速公路電動車能源供給服務。

表2 智慧高速公路技術集列表Tab.2 List of technology set of smart expressway

續表2

圖6 杭紹甬智慧高速基礎條件預留示意圖Fig.6 Schematic diagram of basic conditions reserved for Hangzhou-Shaoxing-Ningbo smart expressway

采用“云邊端”協同控制的邏輯架構，建設云控平臺，實現感知信息處理、智能決策分析和分級協同管控等功能，支撐智慧高速公路各項創新服務的實際落地。

(2)提出了智慧高速公路可實現的創新服務?；谏鲜觥叭W合一”智能基礎設施和“云邊端”協同的云控平臺，杭紹甬智慧高速公路可實現創新服務主要包括：① 車路協同安全預警服務，在合流區、分流區、彎道、上下坡道等區域，通過部署的視頻、雷達、車路協同等路側感知設備，實施感知交通運行狀態、交通氣象等信息，并在本地邊緣計算節點完成安全預警和控制決策服務。② 車道級交通控制服務，杭紹甬高速公路全線，基于高精度定位、高精地圖、全覆蓋的傳感及通信，實現車道車速管控、危險狀態下的車道級車輛運行管控，以及自動駕駛專用車道管控服務等。③ 自由流收費服務，根據《取消高速公路省界收費站總體技術方案》要求，建設收費子系統、ETC門架系統、收費車道等系統，實現主線自由流收費。④ 貨車編隊行駛服務，在杭紹甬高速公路上修建專用于自動駕駛汽車的智能車道，建立自動駕駛車路協同傳感通信控制系統，加密視頻監控點，在自動駕駛專用道沿路段縱向間距0.03～0.05 km布設照明設施，結合貨車編隊控制策略，實現卡車編隊運行服務。⑤ 準全天候通行服務，基于沿途全線覆蓋的傳感通信控制網，在易出現團霧和路面結冰路段增加布設路面狀態檢測器、氣象傳感器等感知設備；高速公路沿線中央分隔帶及路側設置智能誘導裝置，根據現場能見度和雨雪等氣象條件，調控智能誘導燈狀態，以誘導車輛安全行駛。⑥交通應急指揮調度與處置服務，發生突發事件時，管理者通過先進的感知系統及時發現事故，通過視頻監控、公眾等移動視頻等方式及時數字孿生事故現場，基于現場情況和路網運行演變態勢，實時判定事故等級并進行事件處理，并基于知識決策進入精細化服務推送場景提供相關交通誘導服務。

6 結論

本研究提出的智慧高速公路技術體系不僅應用在杭紹甬智慧高速公路，也已應用在幾條服務于國家重大戰略和國際重要活動高速公路，如京雄高速公路、延崇高速公路等。與高速公路傳統的機電系統技術體系相比，該技術體系能更好地支撐互聯傳感、LTE-V/5G多模無線通信、高精定位和高精地圖、車路協同自動駕駛以及綠色能源等新技術應用，以實現高速公路交通要素的泛在感知、實時交互、精準控制；“云邊端”協同云控平臺促進了信息跨系統、跨路段、跨區域的使用。

根據交通強國建設要求，智慧高速公路建設正在步入快速發展階段，本研究提出的智慧高速公路技術體系，也將隨著四川、山東等地智慧高速公路建設中的應用和借鑒而進一步完善。