智慧高速公路設計架構及技術探究

高航遠

（西安公路研究院有限公司，陜西 西安 710065）

交通運輸業是經濟社會發展中先導性、基礎性和服務性的行業，截至當前，我國通車高速公路里程已近15萬公里。與此同時，隨著高新科技日新月異的發展，智能車輛的出現及普及應用已經成為大勢所趨，科技所引發的革命，必將使越來越多的人享受到更加安全、高效和便捷的出行體驗。

為滿足高速公路自身的發展要求，以及適應更高智能化水平的交通工具、滿足大眾更高要求的交通出行需求以及減少交通安全事故等管理需求，建設更加智慧的高速公路是必然的趨勢。

1 智慧高速公路的定義

目前，國內外及業界對“智慧高速公路”的定義尚沒有統一的認識，但結合各方面的探索，其核心是基本一致的，即智慧高速公路是一個具備智慧的感知能力、智能的傳輸能力、智慧的高速公路運維管理能力及對大眾出行的智慧服務等能力，借助大數據、物聯網、移動互聯網、云計算、人工智能——即所謂“大物移云智”等新一代高新信息技術，以對人車路及氣象等環境的全方位精確感知和智能決策為核心從而實現人車路協同，實現協同管理及增值服務的智慧型高速公路系統[1]。

智慧高速公路通過將先進的電子信息通信技術整合到交通基礎設施和車輛中，提高了交通的安全性和移動性，減少了對環境的影響并提高了生產運輸效率。智慧高速公路擁有開放的技術平臺，且可以結合先進的管理與運維模式，提供更加安全、高效及便捷的服務：為人及物流的暢通運輸提供網絡化的可靠服務，為車車及車路提供全面精確的信息交互服務，為高速公路使用者提供定制化特異化的個性服務，為高速公路管理運營者提供及時可靠的應急管理信息服務等。

2 國外的探索及對中國的啟示

2.1 國外的探索

美國已提出3版智慧交通系統戰略計劃。2010版強調交通的聯通性，致力于為美國提供一個全國性的互聯交通系統；2015版則強調通過聚焦聯網車輛和不斷提升的自動化等優先戰略，改變社會的運轉方式；在最新的2020版ITS戰略中提出的愿景為加速應用ITS改變社會的運行方式。相較上版規劃，新版戰略更加關注對ITS的實施部署，已經從關注自動駕駛、設施互聯的研究上，轉移至更加強調加速ITS的部署與應用；更加關注對ITS發展起支撐作用的相關技術，如數據交互和網絡信息安全；更加關注新型通信技術如5G等。

與美國有所不同，歐洲致力于開展合作智能交通系統的發展，其戰略的制定則更加強調政策支持、標準制定及各方的廣泛參與。歐盟注重政府官方、企業和研究機構以及民間組織等的合作，并已開發了數個大型合作系統項目，如CVIS、SAFESPOT和COOPERS等[2]。

日本在2020年出版的國土交通白皮書中，重點介紹了“出行即服務”、ETC 2.0、先進型安全車輛、機動車出行誘導與自動駕駛等智慧交通技術的應用情況。日本在大力完善MaaS模式的同時，還引入基于AI技術的響應式出行及綠色慢行等新型運輸服務模式。同時，日本大力推廣實施ETC 2.0戰略,相較于ETC 1.0，ETC 2.0的車載終端可以與全國范圍內的高速公路上設置的路側裝置進行雙向信息交互。在日本應用廣泛的ASV系統已能夠實現包括自主緩沖剎車及車道維持等多種功能[3]。

2.2 國外探索對中國的啟示

相較于美歐日等發達國家和地區，我國高速公路管理運營及所提供的服務等仍然存在較多問題，如交通安全事故死亡率數倍于美日等國家、管理監測手段有限及個性化服務需求難以滿足等。總體上，我國高速公路的發展仍處在信息化向智慧化轉變的階段，智能化水平仍有較大的提升空間，發達國家的經驗對我國的智慧高速公路發展有幾點啟示。

一是注重高速公路車車與車路更加先進的交互技術。美國正以公路智能運維和車聯網技術部署為抓手推進高速公路系統智能化升級，日本以其ETC 2.0為載體推進車路更高形式的交互。二是注重無人機及5G等技術對高速公路管理運營新的使能作用。歐盟在其可持續與智能交通戰略中特別強調無人機技術的作用，稱其將推動交通運輸系統的信息化和智能化，并可醞釀出新的智慧交通解決方案。

3 智慧高速公路架構及關鍵技術

3.1 智慧高速公路設計架構

新型智慧高速公路更加注重在管理和服務方面、事件處理方面及服務區運營等方面的信息化、智能化、平臺化和終端化，其完整的體系架構應由以下幾部分構成[4-5]（如圖1所示）。

圖1 智慧高速公路設計架構

智慧多樣的感知層。感知層是智慧高速公路的最底層，由多樣的傳感裝置組成。基于交通地理信息系統、北斗技術、物聯網、建筑信息模型等先進傳感技術所構建的空間立體感知體系，能夠精準識別各種參數，如氣象條件、車輛運行狀況、交通流量及路段擁堵狀況等。

智能高效的傳輸層。傳輸層為智慧高速公路的信息傳遞提供了高效的通路。借助射頻識別技術、專用短程通信技術及車載通信技術等通信技術，為高速公路數據和圖像等信息、管理控制指令與交互服務請求等提供了高效穩定的傳輸體系。

智慧分級的管理運營層。管理運營層利用云計算、人工智能等互聯網高新技術，構建起以部級、省級、高速公路運營管理級及路段分中心四級管理運營平臺及數據庫，以實現在道路監管及運營方面的智能化。

智慧個性的服務層。服務層以大數據、“互聯網+”及虛擬現實等技術為支撐，搭建起以微博微信或自主研發的應用系統為支撐的交互式道路使用者服務平臺，打造智能化客戶端及智慧化服務區，以滿足不同出行者的個性化需求。

3.2 智慧高速公路關鍵技術

車路協同技術。車路協同技術是在最新的無線通信技術的基礎上，實現人車、車車、車路實時交互的技術，從而進行人車路相互協同配合，實現改善交通狀況、提高道路安全系數及優化利用資源的目的[6]。車路協同技術是實現智慧高速公路的關鍵技術之一，其中車路權優先控制和基于信號燈的車輛速度優化方面的研究是一個熱點方向[7]。

超高速無線通信技術。EUHT較其他傳統無線傳輸技術，具有更加優越的高速移動實用性、更大的數據傳輸帶寬、更寬的頻帶利用率及更加穩定的漫游切換功能，可在精準化可視化管理、路徑聯勤聯動及大數據的采集與應用方面發揮重要作用。

物聯網技術。將萬物通過基于射頻識別等技術的前端傳感設備和互聯網連接起來，以實現智能化識別與管理的技術即為物聯網技術。物聯網技術在智慧高速公路中起著連接的作用，將系統中所有部分連接起來，物聯網技術在車輛誘導、安全預警及智能調度方面都有著廣泛的應用。

4 結束語

本文探討了智慧高速公路的內涵，梳理了國外智慧高速公路發展的最新動態，并以國外智慧高速公路為借鑒，提出對我國智慧高速公路發展的啟示，最后本文提出了我國智慧高速公路的設計架構，并指出了幾種值得重視的關鍵技術。當前我國高速公路發展迅速，智慧高速公路的出現和發展，必將加速交通運輸行業的變革，為人們的出行及經濟的增長提供更加有力的支撐。希望通過本文的探討，能為智慧高速公路的發展提供一些幫助。