智慧高速公路關鍵技術路徑分析與示范應用

吳會彩

（河北省交通規劃設計研究院有限公司，河北 石家莊 050000）

0 引言

高速公路是現代科技的產物，目前，我國經濟社會發展越來越快，高速公路的總路程越來越長，但是面對不斷增長的車輛數量，道路資源有限的矛盾日益突出。一些高速公路仍然使用以往的設備，各種信息數據沒有及時更新，全面感知能力較差，交通設備和軟件的聯通性不足，導致交通系統的智能水平不高，不利于道路網絡的順利通行，還會降低大眾的出行感受。

為更好地開展動態、全面的交通運輸網絡運營管理，優化大眾出行服務，我國出臺了相關文件以支撐交通強國建設的推進。因此，相關部門要審時度勢，把握時代紅利，不斷創新和完善各種交通技術與手段，建立數字與網絡一體化交通信息網，促進交通設施的數字化轉型發展。

1 國內智慧高速公路的發展情況

當下，我國越來越多地區推行智慧高速公路建設，全新的智慧高速公路總長度已超過4000km。通過豐富的實踐活動，智慧高速公路的理論成果越來越飽滿。一些地區考慮到當地的惡劣天氣，在安全事故多發地區建立了主動的防冰融雪預警平臺，能夠及時預警災難天氣，便于做好相關的預防工作；有些地區考慮到重大國際活動的開展，采取車路協同與道路智慧服務，更加科學地管控車道級交通流；還有些地區的智慧高速公路可以全天候高速運行，且具有自動駕駛功能，以及分車道、分時段的車輛控制系統，能夠更加全面地監督車輛的運行情況。例如，山西某地區結合當地重載貨運交通繁忙的實際情況，應用全道路汽車軌跡跟蹤系統，在關鍵路段記錄車輛信息，充分發揮其交互作用。不同地區的智慧高速公路都合理地使用信息化技術與智能化手段，使公路的建設、運行和服務得到優化，從而更好地幫助道路管理人員開展工作，大幅度降低交通事故的發生概率，有效提升高速公路的運行效率。

2 智慧高速公路的建設

2.1 智慧高速公路的建設需要

智慧高速公路的建設包括新建高速公路、改建和擴建高速公路、提高高速公路智慧化水平等多個內容。為了進一步達到全過程智慧化高速公路的運行要求，高速公路智慧化建設要圍繞不同情況進行設計。

例如，在事故多發地區、人口流動較大地區、交通樞紐地區、重點風險地區，相關部門要考慮其不同的交通管控與安全防控需要，進一步提升道路交通安全水平、通行效率和運輸能力，建設智慧的高速公路。

2.2 智慧高速公路體系

智慧高速公路，顧名思義，需要在傳統的公路交通系統中納入智能科學技術，使高速公路更加科學和智能靈動。要正確地使用人工智能技術、大數據技術和云計算技術，將多種信息元素組建成為巨大的信息化網絡，從而更加全面地分析和觀察高速公路運行情況，實現高速公路智慧化。圍繞傳統的公路系統，建設智慧的公路運營模式、道路養護管理模式以及商業服務體系。智慧高速公路體系是一個龐大的架構，相關部門要厘清智慧安全、智慧管理和智慧服務等要素的權重，更好地實現高速公路的智能網聯和自動化駕駛目標。道路管理部門和交通運輸部門要深入了解交通管控需求，積極做好安全防控工作，大幅度提高高速公路網的調度與管控水平，推動高速公路的轉型發展。

2.2.1 智慧安全

智慧安全需要具備全息感知和準確研判的功能。通過全生命周期數據來感知以及各種交互系統的配合，深入分析高速公路的安全狀況，使道路施工更加順暢，關鍵風險地區的管控更加安全，關鍵運輸車輛的管控更加精準，大幅度提高道路交通的安全性及運行效率[1]。

2.2.2 智慧管理

智慧管理需要利用數字化技術。高速公路在施工作業期間要使用智慧工地管理功能與資產管理功能，以全方面地調配資源，促進資源的優化配置；高速公路在運行維護過程中要建設綜合管理平臺，確保信息管理的安全性，大幅度提升道路網絡的調度能力；同時，要利用數字化技術促進各項決策的科學性，并更好地評估高速公路的機電設備狀況[2]。

關于選擇權的典型條款如：項目單位同意購買方以與本協議相同的條件行使額外減排量的購買選擇權。這種排他性的條款使得項目業主對于額外減排量或2012年之后的減排量失去了自由選擇第三方交易對象的權利。如果屆時市場價格上揚，業主只能以既定的價格執行交易；如果減排交易市場不景氣，購買方不愿意購買選擇權部分的CERs，就會造成項目業主剩余的CERs賣不出去，導致浪費的嚴重后果。這也對項目業主向其他購買方出售CERs產生實質性的影響，導致項目業主在履行與其他購買方協議時受到制約，從而增加了項目業主違約風險。要慎重對待此類選擇權條款的約定。

2.2.3 智慧服務

智慧服務需要將多源數據驅動放在重要位置，通過智慧服務全時段地為大眾提供各種信息和資料，更好地保障高速公路上車輛的順利、安全運行，并通過建設智慧服務區幫助運行車輛解決緊急問題。相關部門可以應用智能設備檢測高速公路路面、橋梁、隧道等結構的病害，進一步提高公路的質量，真正達成出行服務與科學養護的一體化管理[3]。

2.2.4 全要素支撐

高速公路的智慧化建設要從基本設施出發，結合道路網絡的實際情況，考慮通信和供電需求，做好道路基礎設施的建設。同時，使用智能設備收集和保存信息數據，確保各種數據傳輸的安全和順暢，使物理系統和信息系統得以貫通發展，促進路網、人流、車輛、云平臺的聯動，進一步提高高速公路的智慧水平[4]。

3 智慧高速公路關鍵技術路徑分析

3.1 多源感知組網的信息聯動

高速公路智慧化建設使用LTE-V2X 通信技術能夠更好地實現車路信息的雙向傳遞，還可以為交通運輸管理部門提高信息的準確度。LTE-V2X 通信系統還配置了地圖信息及道路靜態信息，能夠實現實時監控和及時報警，圍繞車路協同和系統儲備的關系，有效協調系統的負載與吞吐量，測量車路協同路段的V2X 帶寬。高速公路的運行車輛能夠利用上行空口發送V2X 信息到RSU，然后由RSU 利用下行空口傳遞信息給對應地區的車輛；利用傳感器可以實時監測所在地區的全部車輛，確保車輛遠程控制和信息發布的及時有效[5]。

3.2 交通行為和車輛荷載智能技術

高速公路的智慧化建設需要把握道路交通行為和車輛荷載，從而更好地開展道路路面的設計和做好高速公路的管理和養護工作。相關部門可以應用智能稱重感知系統，在車輛正常運行時監測軸載重量。動態的智能稱重感知系統具有動態稱重系統、視頻監控系統與環境感知系統。視頻監控系統與環境感知系統需要使用1 臺攝像機，動態稱重系統的傳感器安裝在行車道與超車道上，車輛運行過程中其軸載重量及行駛軌跡會有變化，智能稱重感知系統根據車輛軸載重量及行駛軌跡能夠及時地播報車速與跟車間距，實現自動化駕駛，并將各種信息上傳給監管部門，然后結合視頻監控來識別車輛，幫助交通運輸管理部門更好地管理道路交通，確保車輛安全[6]。

3.3 路面濕滑狀態感知技術

如果高速公路存在濕滑路段，則容易引發交通事故，故相關部門應在該路段安裝水膜感知系統，根據水膜厚度更好地化解濕滑風險。水膜感知系統含有1個遙感器和2 個嵌入式水膜厚度傳感器。遙感器安裝在K361+550 立柱高6m 的橫臂上，嵌入式水膜厚度傳感器安裝在K361+900 和K362+250 外部車道右方輪跡帶上。當路面處于濕滑狀態時，高速公路路面會覆蓋一層水膜，水膜能夠潤滑輪胎和路面連接處，從而增加車輛的剎車距離，降低車輛的行駛穩定性。對此，工作人員應采用路面濕滑狀態感知技術以獲取濕滑狀態下輪胎、路面和水膜的運動信息，從而采取相應的預警對策，更好地消除濕滑風險，提升道路交通運輸體系的安全高效性[7]。

3.3.1 智能水膜厚度的感知

感知技術的使用將幫助工作人員更好地測量高速公路路面的水膜厚度，將遙感器連接到嵌入式水膜厚度傳感器，之后應用小波去噪與ARMA 序列算法獲取降噪數值，進而科學地計算出路面相關位置的水膜厚度值[8]。

3.3.2 準確預估路面抗滑性

高速公路路面鋪設有一層瀝青，而瀝青路面的濕滑狀態容易受降雨因素、水膜厚度以及路面紋理等因素的影響，對此，可以通過分析瀝青路面的濕滑狀態來評價其整體抗滑性。從流體力學理論出發，構建坡面徑流中流線水膜厚度的分布圖，考慮模型的奇點原理以及水膜厚度時間的變化，不斷完善流線水膜厚度分布模型。之后結合水膜厚度傳感器所獲取的信息，及時調整相關參數，將理論上的水膜分布要點與水膜測量參數進行融合，更好地感知水膜厚度的時間演變規律，使監測數據從點擴散至整個區域，便于準確預估路面的整體抗滑性[9]。

3.3.3 低延時預警抗滑風險

工作人員要結合水膜厚度區域估算具體數值，使用Lugre 摩擦模型，分析輪胎、路面和水膜的運動路徑，計算出車輛行駛過程中的摩擦數值。之后，使用模糊PID 算法和可視化仿真軟件，準確地模擬車輛在ABS 系統制動下的運行過程，從而可以知道車輛在濕滑狀態下的制動距離。接著，工作人員要結合水膜的厚度、車速和輪跡等要素，借助風險理論模型和神經網絡計算法，組建不同運動狀態下關于車輛抗滑失效風險的評估模式，進而了解車輛在不同濕滑狀態下的抗滑失效率，做好低延時抗滑風險的評估和預判[10]。

3.4 數字化綜合管控云平臺

數字化綜合管控云平臺包含人工系統、計算機以及平行系統三要素，相關部門在建設智慧高速公路時要考慮不同要素。人工系統包括人工車輛運行系統、路面系統、環境系統以及交通管理系統，這些系統都要基于人工環境下開展相關計算，進而更好地體現不同系統在道路通行中的重要性。計算機連接運行傳感器，建立基于人工的高速公路運行體系。以往的平行系統是用于找到系統的最佳規劃或管理辦法，目前的平行系統需要進一步提升運行效率，確保高速公路安全運行[11]。

數字化綜合管控云平臺融合了雷達與視頻等感知手段，借助道路旁邊的毫米波雷達，準確地把握車輛的運行蹤跡，工作人員在跟蹤軌跡的過程中可以更好地了解高速公路路面通行狀況，雷達系統可以檢測目標、判斷目標類型、計算車流量、檢測車速、跟蹤目標狀況等，工作人員在判斷交通風險狀況時，可以更好地對道路風險問題進行預警，幫助交通管理人員針對道路通行狀況進行合理的調度和指揮。高速公路的卡口地帶應收集車輛的車牌信息，并促進雷達與視頻卡口的聯系，以更好地確定不同地區的交通狀況，全面把握道路通行及交通狀態[12]。

4 結語

總而言之，隨著我國交通系統的不斷變革，高速公路的通行及其管理模式也在全面升級，但是一些高速公路存在軟件和硬件的協調性不足、交通服務和養護管理水平較低等問題，這些都會制約高速公路的建設發展。伴隨著人工智能、大數據和云計算等高新技術的出現，國家也更加重視智慧交通建設，越來越多的地區致力提升道路通行質量和大眾出行服務水平。本文深入分析了智慧高速公路的關鍵技術路徑及其應用，希望能夠對相關人員有所幫助，從而建設更加高質量的智慧高速公路，帶給人們更加智能和高效的出行方式。