淺談機電系統在智慧高速中的應用

摘 要：基于智慧高速的發展方向，重點對智慧高速機電系統的總體設計和部署進行了總結和概括，可為今后智慧高速機電建設提供思路。

關鍵詞：智慧高速;路網綜合系統;車路協同系統;機電系統

0? ? 引言

黨的十九大提出了“建設交通強國”，為新時代的交通發展指明了方向，在此前提下，中國高速公路的發展將向數字化、智能化的方向發展，高速公路的便捷性、安全性將進一步得到提高。

在智慧高速建設過程中，機電系統圍繞著基礎設施數字化、基于大數據的路網綜合系統、路運一體化車路協同系統等方面對道路進行動態管理。

1? ? 總體設計思路

現有的高速公路建設存在道路感知不足、信息服務水平較為落后等方面的問題，因此，新的智慧高速的建設設計要在前期考慮到近期和遠期的發展問題，加強信息服務系統部署;在前期建設中，要堅持資源優化、統籌兼顧的原則，可以選擇合適路段進行試驗部署，探索新技術的應用場景，通過多方協同、數據共享、服務租賃等方式，實現對高速公路的交通態勢、氣象情況等多方面的掌握，通過智能化系統對車輛和道路進行交互式感知，實現對交通流的主動控制，并在遠期對車輛主動駕駛系統提供全面和智慧化的信息接入。綜合現有的設計模型，除了原有的機電三大系統和供配電系統外，智慧高速的基本架構大致如圖1所示。

數據感知層圍繞著“人、車、路、環境”獲取各方面的數據，包含交通狀態、氣象信息、地理信息等，與其他平臺數據進行銜接，交互使用，形成用戶數據層。支撐層是對感知層的數據進行處理和管理的硬件和軟件的結合，通過對數據處理和數據的通信，把松散的數據進行結構化處理融合，為下一步的決策提供技術支撐。決策層是為處理后的數據作用于決策進行服務，包含預警服務、管控服務、仿真決策服務等。應用層利用決策層的輸出結果，結合管理者的需要、出行服務的需求等個性化定制進行開發，形成一套有效的智能高速公路機電管理軟件。

2? ? 機電系統的部署

機電系統的部署，大致可以圍繞著基礎設施數字化、大數據系統、車路協同系統這幾個方面來實施。

2.1? ? 基礎設施數字化

基礎設施數字化即重點構建智能監測傳感網絡，實現對隧道、橋梁、匝道等重點部位的動態管理。基礎數據的建立，包含智慧道路、智慧隧道、智慧服務區等各個方面的數據采集;除了原本高速公路已有建設的視頻圖像、車檢器、交通信號燈、隧道CO/VI監測、隧道照明監測等，還可以根據車路協同的要求，部署氣象監測系統、事件監測系統、邊坡橋梁高風險地區感應系統等，實現監控路段交通態勢的信息采集。具體如下：

（1）智慧道路：可以通過全景攝像機自動巡航、事件監測系統對道路匝道進行實時視頻全覆蓋;通過氣象站采集路面結冰、能見度等數據，為大數據平臺提供最直接的基礎數據。

（2）智慧隧道：對隧道的火災、擁堵等突發事件進行檢查并預警，實現隧道照明亮度的自動調節;對設備運行情況和能耗進行監測，在保證安全行車的前提下達到節能減排的效果。

（3）智慧服務區：智慧服務區的建設包含無線網絡全覆蓋、信息發布系統、停車及誘導系統、安防系統、汽車管控系統、智能公廁、電動車充電、太陽能系統等，從而為車主提供一個清潔、舒適、便捷的休息環境。

（4）智慧收費系統：通過主線ETC門架、收費站區互聯系統，實現高效快捷的收費流程，并對超載、逃費等違規行為進行有效監控和追蹤。

2.2? ? 大數據系統

基于大數據的路網綜合管理，即構建智慧高速公路運營與服務智能化管理決策平臺，實現區域路段綜合信息采集、運營調度、應急指揮、公眾出行信息管理等服務。交通大數據平臺主要由底層的基礎數據和頂層應用構成，基礎數據由攝像機、智能卡口、ETC門架系統等設備提供，通過5G、Wi-Fi、Internet等網絡傳送到數據中心。平臺的數據處理是關鍵技術，可通過MySQL、Hbase分布式數據庫等數據分析方法對信息進行融合、分類，針對不同的數據模型采用不同的存儲模式，進而與頂層應用進行數據分享[1]。

2.3? ? 車路協同系統

智慧高速公路的建設最主要的是建設一套智能的車路協同系統。車路協同系統是指車輛、道路基礎設施、服務系統等各個子系統組成的一個可以進行實時數據交換的復雜系統，系統、車輛、道路可以根據實時的交通狀態、氣象條件、車流趨勢等各方面因素進行各種調節，使交通系統處于依據實時數據進行動態調整和尋優的過程中，具有較高的可靠性、安全性和應變性。

高速公路的車路協同系統主要由外場的RSU路側通信基站、智能車載終端、分中心系統控制平臺、高精度地圖組成。基于全國高速公路主線ETC門架系統網絡的構成，可通過ETC系統進行車輛感知和通信，如圖2所示[2]。

2.3.1? ? 路側智能基站和智能終端

路側智能基站包含定位、通信和控制模塊，可以實現設備與車輛的信息交互，向車輛發布路網信息、交通狀態等，同時通過終端設備采集車輛速度、軌跡等實時狀態并上傳大數據平臺。車載智能終端以成熟的移動終端為核心，通過車載OBU與基站進行無線通信，以視頻、廣播、圖片等方式接收高速公路運行狀態等信息。

2.3.2? ? 分中心的控制平臺

控制平臺由軟件和硬件組成，硬件包括系統服務器、各應用終端服務器、安全網絡認證設備等，實現設備監控、車輛誘導、信息發布、數據共享等功能，可匯聚路側設備采集的車輛行駛信息和發布信息，同時將外部平臺傳輸的控制指令發送給路側設備，對高速公路上行駛的車輛形成集車、路、云平臺于一體的監管系統，確保行車的安全高效。

2.3.3? ? 高精度地圖

高精度地圖與普通地圖的區別在于：普通導航地圖是供駕駛員使用的，而高精度地圖則是供自動駕駛車輛使用的。自動駕駛車輛安裝高精度地圖或從云端分段獲得高精度地圖可以幫助車輛預知路面復雜信息，如坡度、曲率等，以更好地規避車輛行駛過程中潛在的風險。此外，高精度地圖支持自動駕駛等新技術的應用，為將來自動駕駛以及更精確的位置服務打下了堅實的基礎。高速公路建設、運營管理單位采用高精度地圖，可以有效提高道路及其附屬設施的養護管理水平，建立科學、規范的基礎設施管理養護體系，實現道路可視化、信息化和精細化管理，為車主提供高精準的信息服務。

車路協同系統在設計構成上大致可分為五大模塊，分別為：

（1）設備監管模塊，主要負責接收設備狀態數據;

（2）安全輔助模塊，主要對接入的數據進行融合處理，同時接入高精度地圖信息，并為其他模塊發送數據;

（3）分車道定制模塊，處理車道特殊事件數據并進行信息發布;

（4）定制服務模塊，可根據事件結果信息形成不同場景的控制策略，并上傳相關平臺;

（5）信息安全模塊，對各種信息流量進行監測和安全分析，實現對系統安全隱患、漏洞的及時預警。

系統構成如圖3所示。

3? ? 結語

在當代“建設交通強國”的背景下，智慧高速既是未來交通發展的新理念，也是國家重要的發展戰略。智慧高速的建設理念也慢慢融入了機電系統的設計中，越來越多地體現出“以人為本”的設計新思路。智慧高速公路中的機電系統構成較為龐大和復雜，前期投入巨大，在前期設計中可以分為多個階段來實施，前期可以利用移動網絡、北斗高精定位等逐漸提升高速公路的智慧化水平和服務水平，并為今后的發展提前布設好接口;后期可以建設自己的無線網絡覆蓋系統、高精度定位差分站等，真正實現“人、車、路”一體協同發展的智慧化、智能化高速公路。

[參考文獻]

[1] 李鋒，馬嵩.交通大數據在智能高速公路中的應用[J].交通節能與環保，2020，16（5）：43-45.

[2] 周蘭孫，鄭豆豆.基于高速公路ETC門架收費設施的車路協同系統探討[J].中國交通信息化，2020（11）：99-101.

收稿日期：2021-08-17

作者簡介：沈雄斌（1984—），男，福建泉州人，工程師，研究方向：高速公路通信系統。