基于5G和AI技術(shù)的高速公路智慧養(yǎng)護應(yīng)用研究

邱 暾

(遼寧艾特斯智能交通技術(shù)有限公司 沈陽市 110166)

截至2021年末遼寧省收費公路里程4355km，遼寧省交通建設(shè)投資集團負責(zé)遼寧省全域高速公路建設(shè)、運營和養(yǎng)護，高速公路的養(yǎng)護主要分為道路養(yǎng)護和機電設(shè)施養(yǎng)護兩部分。據(jù)統(tǒng)計，截至2021年底，遼寧省的高速公路配備有基本運維人員超過1000名，需要重點監(jiān)控養(yǎng)護的對象包括1.3萬座橋梁和30余萬套機電設(shè)備進行運維。

1 高速公路養(yǎng)護現(xiàn)狀分析

1.1 公路基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護現(xiàn)狀

在高速公路基礎(chǔ)設(shè)施(路面、橋梁等)的養(yǎng)護方式上，目前高速公路巡檢，主要依靠人工巡查、拍照記錄的方式來完成，針對橋墩頂、橋梁底部、高陡邊坡等巡檢養(yǎng)護難度大的基礎(chǔ)設(shè)施，現(xiàn)階段養(yǎng)護采用特種作業(yè)車輛承載特種作業(yè)人員的方式，存在高空作業(yè)安全風(fēng)險和路邊停靠車輛極易造成交通擁堵、交通事故，并且部分基礎(chǔ)設(shè)施部位人員難以到達，存在檢測盲區(qū)，檢測效果不理想，導(dǎo)致很多基礎(chǔ)設(shè)施在無養(yǎng)護的情況下運行。

在4G通信網(wǎng)絡(luò)中，因為受到傳輸速率的影響，無法將高于2K級別的高清攝像數(shù)據(jù)和大量的感應(yīng)數(shù)據(jù)實時傳輸回指揮調(diào)度中，所以養(yǎng)護專家只能是事后導(dǎo)出數(shù)據(jù)，進行二次研判，在采集數(shù)據(jù)存在質(zhì)量或時效問題時需要再次核驗的情況下，只能再次出動巡檢，降低了養(yǎng)護效率。

1.2 公路機電系統(tǒng)運維現(xiàn)狀

首先，高速公路機電設(shè)施具有設(shè)施數(shù)量多且離散分布的特點。截至2021年，遼寧全省有超過200個收費站、600個門架、200座隧道，70余個服務(wù)區(qū)分散在全省14個地市，4355km高速公路的重要節(jié)點。站點之間的距離在5～20km之間。要保證全省機電系統(tǒng)安全、及時可靠運行，需要在全省設(shè)置多處運維服務(wù)站，每個運維服務(wù)站需配置各層次技術(shù)人員，其中專家型技術(shù)人員和專業(yè)技術(shù)人員因人員不足和人員成本過高，因此只能采用高層次技術(shù)人員的復(fù)用機制，安排高層次技術(shù)人員長期奔波在各個故障現(xiàn)場，導(dǎo)致時間成本和人力成本過高，存在交通出行風(fēng)險，尤其是在疫情防控期間，在限制人員跨區(qū)域活動的情形下，故障修復(fù)的時間及質(zhì)量難以得到保障。

其次，高速公路機電設(shè)施的養(yǎng)護，具有故障響應(yīng)的及時性和高效性要求高的特點。2019年交通運輸部在全國統(tǒng)一實施了取消省界收費站項目[1]，相關(guān)機電設(shè)施遍布高速公路沿線，為提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性，交通運輸部要求系統(tǒng)0.5h定障，2h內(nèi)系統(tǒng)修復(fù)，以省為單位每天進行系統(tǒng)完好率的全國排名。隨著交通運輸部牽頭組織的取消省界收費站項目和視頻云聯(lián)網(wǎng)等項目的順利實施，全國高速公路信息化一張網(wǎng)的建設(shè)目標(biāo)已初步形成，單點的設(shè)備或者系統(tǒng)故障極有可能影響到省內(nèi)其他站點，情況嚴(yán)重可能會在全國范圍內(nèi)產(chǎn)生影響。同時，隨著高速公路市場化建設(shè)和運維模式的逐步推廣，運維服務(wù)響應(yīng)的及時性與高效性已變得至關(guān)重要，急需通過高效率的智慧化手段縮短故障響應(yīng)和處置時間[2]。

2 高速公路智慧養(yǎng)護解決方案

針對現(xiàn)有高速公路養(yǎng)護工作中存在的問題，在綜合了5G通信和AI技術(shù)之后，從實際使用場景出發(fā)，提出基于5G和AI技術(shù)的高速公路養(yǎng)護三個實際場景應(yīng)用。

(1)針對在高速公路基礎(chǔ)設(shè)施，尤其是橋梁和高坡等特殊位置的養(yǎng)護存在的問題，為了提高養(yǎng)護時的人員和車輛的安全性，提高養(yǎng)護效率，提出“基于5G+無人機的高速公路養(yǎng)護應(yīng)用”。利用基于5G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)無人機超視距巡檢[3]，實時高清圖像回傳，云端智能分析。在信息采集方面，通過無人機搭載的高清攝像頭通過5G網(wǎng)絡(luò)實時回傳4K圖像。數(shù)據(jù)采集后將匯聚于云端服務(wù)器，利用部署在云端的圖像分析算法，初步篩查需要進行維護的點位，按照智能分析結(jié)論，開展預(yù)防性檢測和養(yǎng)護。運用機器換人的手段，實現(xiàn)現(xiàn)場人員零配置，降低了養(yǎng)護操作風(fēng)險，大量應(yīng)用人工智能提高養(yǎng)護檢測精度與監(jiān)測效率。

(2)針對高速公路機電設(shè)施維護的要求，為了提高故障響應(yīng)的及時性和高效性，實現(xiàn)專家人員更高效率的復(fù)用，結(jié)合現(xiàn)有的智能穿戴AR設(shè)備，提出“基于5G+AR+AI智能裝備的高速公路養(yǎng)護應(yīng)用”。在維護人員到達現(xiàn)場后，在養(yǎng)護過程中通過單兵的AR眼鏡實現(xiàn)高清養(yǎng)護圖像回傳，智能云端迅速定位并匹配運維方案，經(jīng)遠程專家確認后下發(fā)到AR眼鏡，實現(xiàn)專家人員與現(xiàn)場人員的音視頻融合互動，現(xiàn)場人員通過AR眼鏡的標(biāo)記和指導(dǎo)精準(zhǔn)完成現(xiàn)場養(yǎng)護工作。見圖1。

圖1 基于5G+AR+AI智能裝備的高速公路養(yǎng)護流程圖

(3)針對高速公路路面養(yǎng)護的要求，原通信網(wǎng)絡(luò)受限于無線網(wǎng)絡(luò)傳輸速度，而無法實時回傳高清圖像并針對圖像進行實時處理的問題。提出“基于5G+智能巡檢車輛的高速公路養(yǎng)護應(yīng)用”。巡檢車輛通過搭載4K高清攝像機及無感探傷傳感器，借助5G網(wǎng)路連通云端的云計算能力，實現(xiàn)病害位置及類別與采集圖像位置精準(zhǔn)匹配[4]，目前圖像識別支持的病害包括：裂縫、水損壞、坑槽、泛油、松散、車轍、路面沉陷等。

通過以上三個應(yīng)用的實現(xiàn)，在成本、效率、安全取得了明顯提升，初步實現(xiàn)了傳統(tǒng)公路人工養(yǎng)護模式向5G+AI數(shù)字化養(yǎng)護模式的革命性升級。

3 架構(gòu)設(shè)計

如圖2所示，5G和AI技術(shù)的公路智慧養(yǎng)護組網(wǎng)架構(gòu)采用了云邊端結(jié)合的架構(gòu)。首先，高速公路現(xiàn)場遠端配置了“AR眼鏡”、“無人機”、“道路巡檢車輛”三類主要養(yǎng)護運維硬件工具，通過高清圖像和無感探傷等各類傳感器，將感知的數(shù)據(jù)及高清圖像，通過融合搭建的5G專網(wǎng)實時回傳至云端平臺，在云端通過部署人工智能和高精度算法，以人工智能診斷為主，專家遠程決策為輔，實現(xiàn)養(yǎng)護檢測實時性和養(yǎng)護策略精準(zhǔn)快速下發(fā)。為了進一步降低通信時延，滿足前端設(shè)備對實時性的要求，通過沿線路側(cè)搭建的5G基站，利用高速公路已有專網(wǎng)系統(tǒng)，解決了廣域網(wǎng)系統(tǒng)時延問題。

圖2 基于5G和AI技術(shù)的公路智慧養(yǎng)護組網(wǎng)架構(gòu)圖

4 結(jié)語

經(jīng)過測算，在成本方面，減少了人員配置，減少了車輛及作業(yè)設(shè)備的采購，有效降低運維成本。在效率方面，在交通、診斷、維修和管理四個方面有了大幅度提升，通過AI決策為主，專家遠程集中診斷為輔，綜合提升了養(yǎng)護效率61%；在安全方面，機器換人手段將安全風(fēng)險防控點降低了49%。

將5G+智慧養(yǎng)護的成功經(jīng)驗逐步融合應(yīng)用到交通設(shè)計、建設(shè)、運營等項目全周期管理，培育交通行業(yè)數(shù)字化治理能力；同時推動智慧高速和自動駕駛的實施，加快數(shù)字交通的蝶變速度，助力數(shù)字中國、交通強國戰(zhàn)略落地。