智慧道路建設解決方案研究

郭 遙（上海建工一建集團有限公司， 上海 200129）

隨著社會經濟的發展，城市汽車人均保有量越來越高，有限的交通供給與飛速增長的交通需求之間的矛盾日益加重，交通管理、交通路況以及道路養護變得越來越復雜，在此情境下，智慧道路系統建設顯得尤為重要。

如今科技水平越來越高，通信技術與數據檢測技術越來越發達，高效的信息通信與準確的數據采集可以有效地將大數據分析、數據融合、邊緣計算等計算機技術深度融合到智慧道路的發展建設中，為道路進行數字化賦能，為打造智慧之路、便民之路、未來之路的建設目標奠定基礎。

隨著我國與西方各國在車路協同領域的不斷研究與推廣，車路協同系統已經不再神秘，智能駕駛也被精確地分為了各個等級，這時，車路協同下的“智慧的路”這一研究方向開始出現在大眾視野中。在智能交通領域過去的研究與實踐中，無論是智能駕駛、智能避障，或是智能導航等，大部分都是以“聰明的車”為目標的，而作為交通四要素之一的“路”卻一直被忽略。如今各種數據采集與傳感技術手段越來越發達，使得道路的智能化變得可行。如何修建一條“智慧的路”成為了智能交通領域的新的關卡，對路的研究成了新的方向。

1 需求分析

交通是一個復雜且開放的系統，除了《交通工程學》中規定的人、車、路、環境交通四要素之外，還涉及安全、標準規范、法律法規等眾多要素，這些要素共同構成完整的交通體系。盡管國內外對智能交通領域已經研究了十幾年甚至幾十年，但在以往的研究中仍然存在很多待完善的設施與技術，主要包括以下幾個方面。

1.1 信息采集與整合

除傳統交通信息如車速、車距、道路寬度、車流密度、信號燈信息等以外，天氣的陰晴、空氣的好壞、風速的大小、突然闖入車道的行人等都會對交通產生影響。

據現有的研究與項目經驗，目前已有設備可滿足對環境因素以及異常人車行為的信息采集，但在當前的城市智能交通建設中，這些可能影響交通的信息并未被有效使用，原因在于大部分道路未對其進行采集，而小部分采集此類信息的道路也未對其進行整合與應用。因此，為了補足智能交通領域中“智慧的路”的建設，需要更加全面更加準確的信息采集設備與技術，并建立完善的信息整合流程，利用大數據分析、機器學習、邊緣計算等技術發掘此類信息與交通之間的聯系，使更多的信息參與到智能交通系統中。

1.2 道路設施監測

除了上述的多種多樣的信息外，道路本身的設施或道路的附屬設施也會對交通體系產生影響，如變形或移位的井蓋、傾倒的桿體、失火的垃圾桶、磨損的標志標線等都會或大或小的影響交通體系的正常運行。因此，為了補足智能交通領域中“智慧的路”的建設，需要交通管理者通過安裝智能檢測設備等手段，對道路設施進行實時檢測，提高智慧道路運行的穩定性。

1.3 突發事件預警

無論是在交通體系內或是在交通體系外，突發事件對交通的影響都是極大的。交通體系外的突發事件如需應急救援車輛前往，需要在救援路徑上立即清讓出供應急車輛行駛的“生命線”，路徑上的信號燈也要配合救援車輛的行進進行綠波調整；交通體系內的突發事件如車禍或車輛故障，則會影響部分車道的通行。因此，為了補足智能交通領域中“智慧的路”的建設，還需將突發事件的檢測及處理與智慧道路建設相融合，提高發生意外事件時的通行效率，減少意外事件帶來的各項損失。

2 建設方案

2.1 系統架構

智慧道路建設要圍繞“智慧之路、便民之路、未來之路”的目標，通過外場感知、邊緣計算、支撐環境、應用支撐和功能應用五層業務架構，實現數據的采集、處理、存儲、整合、應用等功能，全面提升城市智慧道路的信息全面性和功能多樣性。系統架構如圖 1 所示。

圖1 系統架構圖

整個系統架構分為 5 層業務，最底層的外場感知業務主要通過建設各種監測設備實現對外場數據的采集；邊緣計算業務實現對數據的處理與計算；支撐環境業務對數據進行存儲與互聯；應用支撐業務為實現具體功能提供技術底座；功能應用業務則是直接為交通管理者與交通參與者提供服務。

2.2 外場感知

外場感知業務是通過監測設備實現對交通場景內的各類信息進行采集，是整個系統架構的基礎，為其他各層業務提供數據支持。具體可分為智慧交通感知設備和智慧管養感知設備。

智慧交通類監測設備，如超低時延槍型攝像機、超低時延全景魚眼攝像機、微波雷達等設備，其作用是監測車速、流量、密度、排隊長度、信號周期等基礎交通信息，是整個智慧道路系統建設的基礎。因此，要求此類設備覆蓋交通場景范圍內全方位全時空，以保證邊緣計算、應用支撐、功能應用的準確可靠。

2.3 邊緣計算

邊緣計算是指在靠近智能設備或數據源頭的一端，提供網絡、存儲、計算、應用等能力，達到更快的網絡服務響應，更安全的本地數據傳輸。

邊緣計算業務由布設在系統架構邊緣節點處的車路協同 AI 邊緣計算單元和交管邊緣計算單元實現。計算單元支持高幀率、高分辨率視頻數據、點云數據的實時處理，設備可直接連接攝像頭、微波雷達等多種傳感設備，以及可變交通標志、車道燈等多種交通控制設備，也可連接云控平臺獲取交通指令信息。計算單元也可實現信息編輯、信息優先級設置，控制 V2X 通信機信息播發，同時可根據既定規則和傳感設備信息識別結果進行交通設施控制。

與傳統的中心計算方式相比，邊緣計算可以在靠近數據采集端就對數據進行分析處理，無須將大量的原始數據費時費力的上傳到中心服務器統一處理，大大節省了網絡占用和中心服務器的算力，同時也提高了數據的安全性與保密性。

2.4 功能應用

功能應用業務是直接服務于交通參與者和交通管理者的業務，可以將其看作是整個系統的結果輸出。功能應用可以分為智慧交通和智慧管養兩大類，其中智慧交通功能又可具體可分為智能網聯、智慧交管、智慧路口等子功能。

2.5 智慧交通

2.5.1 智能網聯

智能網聯功能是智慧道路系統的基礎功能，是車路協同的根本。基于整個智慧道路系統對外場感知采集到的信息進行加工處理分析計算后，利用路側通信設備通過 C-V2X 通信技術與智慧網聯車輛進行信息交互，面向 L2-L4 自動駕駛等級的車輛時可實現如下功能。

（1）系統將路側限速信息發送給車輛，對駕駛員進行提醒，或融入其駕駛決策系統，控制車輛速度在限速條件內，達到限速預警的目的。

（2）系統將檢測到的路口各車道擁堵情況發送給車輛，輔助駕駛員或自動駕駛車輛選擇車道，達到前方擁堵提醒的目的。

（3）系統將信號等檢測器讀取到的相位信息發送給車輛，通過車內智能屏幕顯示紅路燈及倒計時，輔助駕駛員及車輛更準確地獲得紅綠燈信息，實現車內信號燈的功能。

（4）系統將檢測到的以及報警中心接收到的事故信息發送給車輛，通過車內智能屏幕進行預警，達到交通事故檢測預警的目的。

（5）系統將檢測到的車道上的突然闖入的行人發送給車輛，通過車內智能屏幕進行預警，輔助駕駛員或自動駕駛車輛避讓，達到道路行人檢測預警的目的。

2.5.2 智慧交管

智慧交管功能是智慧道路系統的骨架，設計目的是為了減少管理者工作量，保障道路交通安全，方便人民群眾出行。具體功能有如下幾個方面。

（1）基于視頻檢測器的抓拍、錄像功能，以及支撐環境提供的內部網絡連接與存儲功能，實現道路交通的回放以及實時觀看。

（2）基于車牌定位、字符分割、ORC 光學字符識別、駕駛行為判別等技術實現對于違法行為的識別與證據留存；

（3）基于圖像及行為識別技術實現交通流量統計、卡口過車記錄留存、信號燈筆畫缺失告警、異常停車行為驅離等基礎交通管理功能；

（4）基于 V2X、視頻 AI 識別精準感知手段，實現對公交車路實時位置、載客情況、運行情況等信息的邊緣實時接入，以公交優先通行為目標進行綠燈提前、綠燈延長、綠燈插入等邊緣信號動態干預，提高公交車的平均運行速度、準點率。同時還將在智能公交站臺實時顯示公交車預計到站時間、車內載客情況、每站上下客統計情況等信息；

（5）基于同樣的技術手段，還可實現對 VIP 車輛、救護車、消防車等特殊車輛的優先通行保障，包括路徑的動態規劃建議和邊緣的信號實時聯動，提高典型場景下特殊車輛的出行效率。

2.5.3 智慧路口

智慧路口功能是智慧道路系統的結晶，是基于路口全時空信息數據的路口綜合信息研判分析，可大致分為交叉口監測和交叉口診斷優化兩個方面。

交叉口監測基于數字孿生平臺構建的三維數字交通空間與二維交叉口平面圖，通過大數據分析、機器學習、邊緣計算等技術對采集到的數據進行整理分析計算，得到交通系統的各項指標如流量、速度、排隊長度、轉向比等，使其疊加到三維數字交通空間與二維交叉口平面圖上，方便交通管理者與交通參與者對當前交通狀態快速了解。

交叉口診斷優化則是從道路交通組織的角度，基于 CJJ 37—2016《城市道路工程設計規范》、CJJ 152—2010《城市道路交叉口設計規程》等規范規程，結合歷史事故及違章信息，以及交叉口交通狀態，對交叉口的安全性、合理性進行判斷并給出符合規范規程的優化建議。

3 結語

道路是交通的基礎，承載著人和車兩大交通要素，研究智慧道路建設方案是智能交通中最重要的一環。本方案通過外場感知、邊緣計算、支撐環境、應用支撐、功能應用五層業務來構建智慧道路體系架構，從多個角度為道路參與者與道路管理者提供數字化服務，打造智慧之路、便民之路、未來之路的建設目標。

科技雖然在不斷的進步，但如今的科技水平還十分有限，尚未能實現高度自動化的智能交通，智慧道路建設剛發展到為交通參與者與交通管理者提供信息服務的程度。但相信不久的將來，隨著網絡技術、AI 技術、自動化技術等相關技術的不斷發展，智慧道路不再是僅僅提供信息交互的被動式智慧道路，而是可以實現交通群體協同決策與控制、交通個體全自動化控制等功能的更高效、更安全、更便捷的主動式未來之路。