廣西沙吳智慧高速公路架構設計及應用分析

李東毅 蘇愛斌 謝茜茜 汪子睿

摘要：文章以廣西南寧沙井至吳圩智慧高速公路建設為背景，在總體建設目標和建設原則的指導下，提出了涵蓋感知層、計算層、通信層、數據層、控制層和發布層的智慧高速公路技術架構，并闡述了智慧高速公路典型應用場景，對我國智慧高速公路的設計和建設具有借鑒意義。

關鍵詞：智慧高速公路；建設目標；技術架構；應用場景

中圖分類號：U412.36+6A501703

0引言

隨著我國城鎮化進程不斷加快，機動車數量急速增長，交通運輸需求個性化精細化要求不斷提升，環境污染治理、高效運輸服務、汽車產業升級和地區發展協同等問題日益突現，交通智慧化成為了交通發展重點突破的對象［1-3］。以車路協同、智能駕駛為代表的新一代智慧交通，正在重新塑造國際社會經濟生活與全球產業格局，成為世界范圍內各國爭先推進的戰略方向［4］。

高速公路網是國家公路網的骨干網絡，是國家和社會經濟發展的全局性和戰略性基礎設施［5］。高速公路運行環境相對簡單、主體權責清晰、路側機電設施齊全，具備開展智能感知、綜合調度及車路協同創新示范的良好條件。目前，全國有超過4 000 km的高速公路且即將開展智慧高速公路創新示范工作，建設內容分布在車端、路端和云端，主要實現“感知、通信、計算”三大功能。智慧高速公路逐漸成為我國高速公路建設熱點，智能感知、綜合調度、超高速無線通信技術及車路協同是未來智慧高速公路建設的核心內容［6-9］。

本文面向智能網聯汽車發展趨勢，結合我國智慧高速公路發展中“車路一體”的戰略選擇，立足廣西建設東盟國際大通道的定位，重點解決了廣西沙吳智慧高速公路建設的關鍵技術問題。

1智慧高速公路建設總體思路

1.1總體建設目標

廣西南寧沙井至吳圩智慧高速公路（沙吳智慧高速）車路協同一期示范工程，主線路線長為27 km，采用六車道高速公路標準建設，設計速度為120 km/h。示范工程服務范圍覆蓋如圖1所示的高速全駕駛場景，包括高速沿線行駛路段、施工區、救援區、交通事件區、擁堵區以及事故多發路段（樞紐區、彎道區、合流區、匝道區）、智能網聯測試區等。示范工程按照“目標導向、模塊推進、示范引領”的思路，依托北斗、物聯網、5G、大數據、云計算等系列技術的集成創新應用，服務于高速公路的建設、養護、運營、管理等業務，探索具有廣西特色的智慧公路建設與運營管理新模式。

沙吳智慧高速公路的總體建設目標包括：（1）提升高速公路安全保障能力，降低出行事故率，提供安全通暢行駛環境；（2）提升高速公路管理科學決策水平，提升高速公路綜合運輸效率；（3）提升營運管理科技含量，有效降低營運成本；（4）提升高速公路創新應用能力，提供智能網聯場景；（5）打造廣西智慧高速公路樣板，形成自治區智慧高速公路標準。

1.2總體建設原則

1.2.1創新設計、標準引領

綜合利用GNSS/GIS/RS、物聯網、云計算、5G、大數據、邊緣計算、人工智能等新一代信息技術，構建高度智能化的交通基礎設施狀態感知和智慧的交通綜合管理技術體系，通過高速公路“建管養運”全生命周期的創新應用，形成具有廣西特色、支持車路協同并適應網聯車的智慧高速公路建設標準體系。

1.2.2跨域設計、開放兼容

針對項目所在北部灣經濟區的獨特區位優勢和戰略地位，在高速公路高精度衛星定位信號服務、高精度地理空間數據服務、無線數據傳輸鏈路等方面采用國際通用標準和數據格式，以北斗服務為主并兼容GPS、GLONASS信號體制，確保可在境內外推廣應用。

1.2.3亮點突出、注重實效

在沙吳智慧高速公路建設過程中，既要突出格網狀北斗高精度服務、5G高通量低延時通信、道路數字孿生、高速公路網聯車等最新亮點技術，還要通過道路智慧監測、視頻智能分析、三維實景化道路資產管理等技術提高高速公路建管養運的智能化水平，降低運營成本，提升通行體驗，提高企業收益。

2智慧高速公路技術架構

沙吳智慧高速公路以車路協同測試示范為核心，采用分階段建設、分層次運行的推進模式，規劃實施一段智能示范路、一張綜合感知網絡、一張 5G 通信網絡、一個云霧平臺、一個運控中心、一套數字孿生系統等六大內容。實現“聰明的車” 在“聰明的路”上智能、安全、高效行駛。沙吳智慧高速公路的總體架構建設分為感知層、計算層、通信層、數據層、控制層和發布層，如圖2所示。

感知層通過雷達感知系統、視頻感知系統、動態稱重感知系統、水膜感知系統、氣象感知系統獲得沿線交通及道路環境參數信息。其中，雷達感知系統和視頻感知系統可以獲得聯系車輛軌跡及交通事件信息；動態稱重系統配建視頻感知系統可以獲得車輛輪廓及動態車重；水膜感知系統可以獲取路面水膜厚度、冰層厚度、積雪厚度；氣象感知系統可以獲得沿線氣象情況（包括溫度、濕度、風速、風向、能見度等）。

計算層通過邊緣計算單元在路側實現視頻信息處理及雷達數據信息處理，形成結構化數據，同時降低云端數據處理量，提高數據處理效率。

通信層通過光纜及5G基站，將感知層數據傳輸至數據層。

數據層位于高速交通指揮中心，利用服務器將前端雷達數據、視頻數據及傳感器數據落地存儲，為交通調度決策提供決策依據，同時將沿線交通數據展現在指揮中心大屏上。

控制層通過構建云端平臺，實現數據集成、信息集成、信號集成，通過云端平臺獲取高速全息交通信息及路側控制設備信息，同時通過云霧融合對數據進行分析處理，根據交通實際情況發出控制信息。

發布層的RSU、可變信息發布系統、光帶、智慧道釘將控制層處理的信息發出，實現交通管控，提高道路安全水平。

系統數據來源主要為路側智能化感知設備，包括攝像機、毫米波雷達、以及路面水膜傳感器、路面稱重設備、微氣象站及能見度儀等。一部分數據經路側邊緣計算單元處理后經超低時延發送至網聯車輛。原始數據和經處理后的數據經自建光纖和已有專網鏈路傳輸至高速指揮中心，再經由運營商專網傳輸至云平臺。總體數據架構如圖3所示。

3智慧高速公路典型應用

智慧高速公路建設需要綜合采用交通理論、結構材料、傳感、物聯網、云霧計算、大數據等技術，通過理論研究和試驗分析，構建智慧高速公路的基礎設施數字平臺、全面的性狀智能感知體系、可靠的通信保障體系、實時的信息服務體系、高效的應急保障體系、經濟的維護管理體系和優質的運營服務體系。

3.1前方不良行車環境的預警、車速控制

當前方即將出現彎道、橋梁、路面積水等不良行車環境時，車道級可變限速板及LTE路側終端設備為車載終端發出信號預警，并提出限速控制建議。其中，彎道、路面積水、車道級可變限速板及下游車道級可變限速板協同變速，降低路段交通流速度離散型，提高道路安全水平。

3.2車道級車速控制

利用雷視聯動系統與車道級可變限速板的聯動，實現車道級車速控制。其應用場景包括：（1）當某路段發生交通事件時，利用視頻感知，反饋到平臺，并由平臺控制可變限速系統、可變信息發布系統、發光標線及智慧道釘對主線上行駛的車輛進行引導；（2）路段車道因施工封閉時，將信息反饋到平臺，并由平臺控制可變限速系統及發光標線對主線上行駛的車輛進行引導；（3）雷達系統檢測到路段出現不良車流狀態時，將信息反饋到平臺，并由平臺控制可變限速系統對主線上行駛的車輛進行引導。

3.3不良天氣交通引導

當氣象監測儀檢測到不良天氣（團霧、雨霧）時，利用智能道釘及光帶對行駛車輛進行速度引導。

3.4躲離事件

當行車方向出現違停和施工作業場景、卡車編隊時，可實現危險區域車輛躲離。

3.5輪跡分布控制

在雷達檢測段，制造卡車編隊行駛發生橫向偏移的場景，通過雷達檢測車輛輪跡并由可變信息發布系統提醒司機控制車道保持，將車輛駛回道路中心線。

3.6交通調度指揮系統

在監控中心演示通過平臺對路側設施（包括可變限速系統、可變信息發布系統、LTE路側設備、匝道控制系統）進行調度。

3.7全息信息監控

在監控中心演示雷達檢測系統的可視化界面、視頻監控系統的監控界面、智能路面監控的信息反饋情況。

3.8平行仿真、數字孿生

利用建立的測試與示范道路的數字模型與云控中心結合的數字孿生系統或位于遠端的數字孿生系統演示路段運營過程中車流行駛的平行仿真場景，并演示數字孿生系統的同步情況。

3.9匝道控制

當主線匝道口進入卡車編隊時，匝道紅綠燈顯示紅色，禁止車輛駛入主線。

3.10異常車輛預警

車輛距離異常車輛≤200 m時，會收到路側系統播發的異常車輛BSM消息，網聯車提示“X米第X車道車輛異常，請注意避讓”。

3.11車道級施工預警

車路協同路側設備能實時感知并播發高速道路上車道級施工信息，車輛提前在200 m外接受事件提醒，網聯車顯示“前方XX米第X車道施工，請注意避讓”。

3.12設備狀態檢測和關聯

路側設備之間的相互調度包括以下場景：（1）雷達檢測系統檢測到不良交通流狀態時通過可變信息發布系統對車流狀況進行控制；（2）路面感知系統檢測到路段隱患時（包括不良天氣、不良路面情況等）對可變限速系統、可變信息發布系統及LTE-V系統的調度，提醒車輛小心慢行；（3）當卡車編隊駛入時，利用動態稱重系統檢測車輛重量，利用可變信息發布系統對卡車編隊間距提出建議值；（4）向社會車輛手機終端、車載終端遠距離下發出車路協同環境及天氣異常預警，終端APP通過動畫及語音提示提醒駕駛人員注意降速行駛，注意前方路面及天氣異常。

4結語

為打造運行安全、管理高效、出行愉快、物流通暢的智慧化高速公路系統，本文針對沙吳智慧高速公路建設需求，提出了智慧高速公路架構設計與關鍵技術，并闡述了智慧高速公路典型應用場景。該成果可為智慧高速公路建設和智能網聯汽車的可靠運行提供系統解決方案和工程示范。

參考文獻

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基金項目：廣西重點研發計劃“智慧高速車路一體技術研究與示范項目”（編號：桂科AB21196008）

作者簡介：李東毅（1983—），碩士，高級工程師，研究方向：道路與橋梁工程。