綠色建養 智慧管控 融合創新

文/ 供圖 | 山東高速建設管理集團有限公司

京臺高速泰安至棗莊段改擴建工程

提升交通數字化、智慧化、信息化水平，推進交通資源循環利用，大力發展綠色交通、智慧交通、平安交通是國家的重大戰略要求。對高速公路改擴建工程而言，21世紀初的改擴建工程，在交通組織上采用了全封閉施工模式，在建造技術上創造了路基、橋涵拼寬和老路面加鋪等技術，形成了高速公路改擴建的1.0模式。此后的改擴建工程中，開始采用邊通車邊施工的交通組織模式，在建設技術上采用標準化設計、工廠化預制、裝配化施工、信息化控制、專業化管理等技術，確立了高速公路改擴建2.0模式。隨著國家“雙碳”戰略、出行即服務等理念的有力推進，構建安全、暢通、便捷、高效、綠色、智慧、經濟的公路路網新體系，對改擴建高速公路擴容增效、綠色智能提出了新要求，打造高速公路改擴建3.0模式勢在必行。

“長距離高速公路智能建造與運維關鍵技術研究及應用”項目依托京臺高速泰安至棗莊段改擴建工程（以下簡稱“京臺高速改擴建工程”），確立了“改擴建建造技術更綠色”“運營服務水平再提升”“探索面向未來的智慧公路”三大發展目標，歷時7年攻關，形成了“長距離改擴建綠色智能建造技術”“全壽命周期全息感知與智能管控技術”“高精度軌跡追蹤及車路協同支撐技術”，打造了我國長距離國道主干線高速公路綠色、低碳、智能改擴建和保通、保暢、保安的技術體系，實現“綠色建養、智慧管控、融合創新”，引領未來高速公路改擴建的發展方向。

/ 創新點一：長距離改擴建綠色智能建造技術/

針對改擴建既有橋梁數量多、分布廣泛且技術狀況較好，但因現行規范簡化計算方法不準確，不能精準評價橋梁剩余性能和服役承載力，造成大量橋梁拆除等難題，項目組突破了基于大數據交通流組合預測和載荷譜統計的在役橋梁荷載預警技術，建立了融合數字圖像測試和貝葉斯預測的既有梁板抗力評估方法，可以快速精準識別病害裂縫，追蹤、應變、應力、撓度發展，提高了評估效率。

依托智能檢測評價技術，該項目實現了對在役橋梁結構的精準高效分級利用，同質化利用性能滿足改擴建新規范要求的在役橋梁；對于性能不滿足規范要求的橋梁，在改路、改橋或低等級道路上降級利用；對病害重、耐久性差、碳化嚴重的梁板進行破碎處理，建立骨料性能精準篩分方法，用混凝土再生、臺背回填、路基填埋等方式全部實現綠色回收利用。京臺高速改擴建工程舊橋梁板保留1.2萬余片，橋面板100%回收，同質利用率達70%。

針對路面材料的高效高價值利用難題，項目組研發了高滲透性環保型溫拌再生劑，可有效降低施工溫度30攝氏度以上。該項目研究表明，溫拌再生劑的加入能增強瀝青鋪展性能，減小瀝青和集料的接觸角，加快其在集料表面的鋪展速率，改善瀝青與礦料在較低溫度下的拌和效果。其機理是在加入溫拌再生劑后，瀝青在羰基鍵和亞砜鍵對應的特征峰處會出現明顯恢復，而隨著再生劑用量的增加，羰基和亞砜指數會呈單調遞減趨勢，瀝青的老化產物會得到還原。因此在相同滲透時間條件下，加入溫拌再生劑的老化瀝青的針入度、軟化點和布氏黏度恢復率均大于加入普通再生劑的瀝青。

在役橋梁集群性能智能檢測、評價及再利用技術

大摻量RAP 料高性能瀝青路面再生技術

此外，項目組還提出了大摻量RAP溫拌再生瀝青混合料設計方法和成套施工技術。應用表明，使用溫拌再生瀝青混合料可以減小瀝青層底部的最大拉應變和路基頂面處的豎向壓應變，進而提高半剛性基層和底基層的疲勞壽命；中面層使用溫拌再生瀝青混合料能夠明顯減小中面層以下瀝青混合料層的豎向壓應力，下面層單層使用溫拌再生瀝青混合料會使得中、下面層中豎向壓應力小幅增大，中、下面層同時使用溫拌再生瀝青混合料的路面在18厘米以下瀝青混合料層的豎向壓應力最小。中、下面層同時使用溫拌再生瀝青混合料效果最優；單層使用溫拌再生瀝青混合料時，以中面層使用效果較好。該項目首次實現RAP摻量達到70%以上，實現銑刨料回收率達100%，在不降低再生材料壽命的前提下，節約成本22%。

/ 創新點二：全壽命周期全息感知與智能管控技術/

針對高速公路強化施工安全管理和提高車輛通行效率的需求，項目組綜合運用電子高精度地圖采集、北斗數字差分定位、多源異構大數據融合、輕量化圖形數據分發等新興技術，研究厘米級道路基礎設施快速數字化、網聯環境下交通狀態規?；兄?、車道級交通流智能調度組織，以及車輛通行誘導信息發布標準化等技術內容。

“空-天-地”一體的厘米級高速公路電子高精度地圖

高速公路改擴建智能誘導

伴隨式服務

針對高速公路現有ETC門架數據利用率低、交通流預測精度差及誘導信息不能差異化發布等問題，項目組改進了徑向基神經網絡交通預測算法，在基于ETC門架數據的基礎上創新性地融合了卡口、雷達及視頻等多種數據，實現了京臺高速交通流的精確預測，并在此基礎上分析了交通事件時空范圍的關鍵性影響因子，建立了事故持續時間最優線性回歸模型及交通事故影響范圍預測模型，進而針對不同事件類型、不同用戶位置提出了基于多終端聯動的高速公路信息誘導策略和方法。

基于北斗的星地雙基增強定位技術，項目組研發了分米級精度約束條件下的“空（無人機傾斜攝影測量）、天（衛星/航空遙感）、地（車載激光三維掃描）”一體的數據采集作業方法，進而實現了點云數據的高速、高效、高精度采集，以及高速公路數字化模型精準、快速構建。

服務區車位精準誘導

霧區高速公路多感官交互主動安全防控

智能融冰除雪

霧天風險判別與限速控制流程

針對改擴建期車道數量變化易導致交通流紊亂、擁堵等安全和效率問題，項目組攻克了適應于高密度路網區的拓撲結構構建技術，提出了路徑誘導最優算法，首創了多終端信息發布策略，實現了全過程伴隨式服務。

針對高速公路服務區停車位利用率不足、誘導手段單一等問題，項目組對高速公路服務區停車位構圖、分類標識展示等難題，采用全景采集車、背包采集等多個智能體協同采集車道線、交通標志、路沿、車位等信息，基于異構數據不同特征描述數據關聯，準確聯合多類型數據，融合多源異構傳感器數據，利用各異構傳感器實現數據一體化表達，完成多源異構數據融合，實現多智能體協同地圖構建。

此外，項目組采用高維學習圖網絡關聯異構數據，基于非高斯多假設估計器，構建基于面元的多源異構一體化數據表達模型，實現準確的地圖數據表達；采集數據采用網絡地圖坐標系，生成豐富準確的POI(Point of Interest)數據，具備多屬性、分層表達、多分辨率切換、2D/3D效果擴展的優勢，支持模糊查詢，滿足多種使用需要，可實現服務區車位分類標識及實時狀態顯示，真實映射現場環境、特殊標記與引導?；奋囕v車位，實現服務區的安全管理；通過和現有停車管理系統數據對接，將車位總數、實時余位數據等靜動態信息接入網絡地圖，方便車主用戶在行駛前查詢、導航，及時了解服務區停車位與充電車位的忙閑狀態，避免擁堵。

針對被動式除冰雪技術人力成本高、環境污染大，主動式除冰雪技術成本高、施工難度大、環境適應性差，以及無法實時預警等問題，項目組研發了基于二階滑模及STA-SMC控制策略的噴灑防冰除冰系統，提高了路面積雪結冰的判定準確度和速度，實現了特殊氣象條件下的主動快速清冰除雪。在此基礎上，項目組將防冰除冰系統與智能行車誘導系統相融合，傳遞路面冰雪分布覆蓋信息，研發了誘導功能全面、誘導作用明顯、誘導設施利用率高的新型交通誘導裝置，誘導冰雪天氣下的車輛行駛。

云控平臺技術架構圖

結合視頻、可見度儀、風速等傳感器，項目組研發了大霧、團霧等特殊氣象下的車輛運行風險智能感知技術與道路風險因子感知路側裝備，實現了對大霧、團霧的快速檢測和風險等級評價；建立了高速公路大霧風險等級級配的霧區車輛多級誘導與限速控制理論，實現了大霧、團霧等特殊氣象下的車輛運行管控策略和方法；研發了霧區高速公路多感官交互主動安全防控與裝備，滿足了大霧和團霧等特殊氣象條件下的車輛安全主動防控，降低了車輛追尾碰撞、車道偏離等駕駛風險，提升了高速公路運行安全性。

針對目前高速公路智慧運營內、外部信息環境平臺多元化、應用離散化、信息孤島化等問題，項目組構建基于“端－邊－云”的智慧高速公路系統一體化架構，搭建合理、科學的高速公路多層域系統體系，開發萬億級海量多源異構數據分析技術、正反演核心計算引擎和三維大數據可視化技術，實現了多元異構環境下，技術、數據和業務的信息融合功能，構建了全國首個路網級一體化云控平臺；實現高速公路全要素數字化，構建智慧高速數據接入標準，打造深度數據融合體系，定義統一的數據接入與融合標準，將與交通相關的多源感知數據、時空數據、業務數據進行匯聚、治理、歸一、計算、融合，實現對人、車、路、物、環境等交通要素的深度認知，有力支撐智慧高速業務應用。

同時，通過采用“端-邊-云”協同控制邏輯架構，項目組發揮智慧云控平臺和路側邊緣計算能力，提升智慧高速的綜合控制與管理功能，實現跨路段的數據匯總分析、預警預測和協調控制，同時基于高精地圖支持數字孿生交通系統和交通控制策略制定，實現多源數據融合、短時交通預測等功能，實現同交警、氣象、交通、應急一路多方的在線協同和數據共享，基于即時、全量、動態原則，實現交通態勢研判、運營決策分析、出行信息服務、應急指揮調度、智能養護運維和多方協同管控。

/ 創新點三：高精度軌跡追蹤及車路協同支撐技術/

針對車路協同中定位精度低和抗干擾能力不足的難題，項目組提出了基于北斗和組合導航的高精度定位技術，包括復雜環境下北斗增強精準實時定位技術和車載導航定位抗干擾技術。結合高精度偽矩差分算法與組合導航技術，項目組研制了復雜環境下北斗增強精準實時定位技術，提出了一種車載導航定位抗干擾技術，用合路器將模擬器提供的衛星信號低噪放后與干擾源提供的干擾信號合路，提供給待測模塊，通過多模塊對比，關注信噪比，以及定位狀態，并集成常見場景下目標位置信息的補償方案，進而實現了車輛在復雜環境下的魯棒精確定位；提出具有時間維持特性的偽距差分方法，流動站用戶接收一次參考站觀測數據，可以持續1分鐘以上連續定位，有效解決了流動站用戶定位的連續性，減少了用戶端實時接收參考站數據的體量，大幅降低用戶定位成本，實現由導航級向精準亞米級定位轉變，車輛定位精度可達99.69%，遠超目前的70%至80%定位精度。

組圖：高速網高精度定位服務技術

為了保障“車－路”通信過程的低時延和高可靠性，項目組研發了基于雙模式互補的車路協同終端通信設備，包括C-V2X車規級模組和5G-V2X低成本車路協同路側智能終端RSU和車載智能終端OBU，有效提高了車路信息交互的穩定性和可靠性，使通信時延降低為10毫秒，遠優于規范要求的100毫秒，為高級別自動駕駛提供了支撐。

在雨雪霧霾、物體遮蔽及復雜路況等多環境作用下，針對因高速公路不同路側傳感器布設姿態無統一標準，導致的重疊區域特征稀疏遠距多傳感器配準難題，項目組全面分析了不同條件影響下圖像和點云數據微觀特征，創新了基于頻率自匹配的設備優化部署理論與基于大地坐標表示的同源數據精確配準理論，提出了基于坐標轉換的多路側同源數據融合方法與基于平面靶聯合標定的跨源空間配準方法。

針對目標追蹤車輛行駛過程中出現長時間遮擋等現象造成的路側傳感器檢測難題，項目組提出了基于慣性導航軌跡預判補點技術與多傳感器等距離信息采樣方法，實現了目標車輛的動態信息和特征信息多數據融合和綁定，完成了目標車輛完整的數據信息和軌跡，以及定位信息的準確還原，實現了廣域范圍內的多目標高精度軌跡追蹤，使目標軌跡斷點續連率達到98%，平均車輛速度偏差低于5%。

針對智能網聯車輛自車信息、環境車輛信息、不同駕駛環境數據及行駛風格信息研究不足，導致的行車安全及效率較低問題，項目組根據混合交通群體運動特征，構建能夠表征車輛運動狀態的動態安全勢場模型，通過整合速度、加速度和轉向角等車輛微觀運動參數，實時動態表示車輛不同運動狀態下安全風險分布，并以該模型為基礎提出復雜交通環境下車輛安全風險的新型量化指標PFI，提出基于安全勢場理論的道路交通安全表征方法，進而從安全角度動態刻畫智能網聯環境下的車輛運動態勢。

針對不同智能網聯汽車滲透率對通行能力影響研究不足所導致的管控措施不合理問題，項目組結合安全勢場理論與圖論思想，構建智能網聯汽車間不同信息拓撲結構，并結合不同類型的安全勢場構造了一種智能網聯車輛自動駕駛控制策略，提出了基于安全勢場的智能網聯車輛自動駕駛控制模型，車輛行駛側向加速度及側向轉角分別優化了18.34%和7.55%。

低時延車路協同通信設備

此外，項目組還提取了不同駕駛環境下的車輛與駕駛環境信息，分析不同駕駛環境下的車輛跟馳、換道需求與控制機理，分別建立了不同駕駛環境下的跟馳與換道模型，針對不同的駕駛環境對車輛實施微觀控制，不僅提高了高速公路通行效率，緩解了高速公路交通擁堵現象，還有效提高了自動駕駛車輛的通行效率和安全穩定性。

基于安全勢場的自動駕駛控制模型構建技術

無盲區高精度軌跡追蹤

技術體系

項目突破了長距離改擴建綠色智能建造技術，解決了檢測評定技術深度不足，適需性不強，高效、高價值利用技術體系不完善的核心制約難題，使梁板同質利用率達到70%以上，瀝青再生料摻量70%以上，樹立了綠色智能改擴建樣板。

在信息感知與交通管控方面，攻克了全壽命周期全息感知與智能管控技術，突破了交通態勢感知、預測、安全保障技術成熟度低，應用可靠性不強的關鍵制約難題；精準誘導達到車道級，確保了改擴建及運營期的服務水平不降低。

在車路協同自動駕駛支撐技術方面，突破了高精度軌跡追蹤及車路協同支撐技術，解決了當前高速公路車路協同中的高精度定位、低延時通訊、超視距感知方面的核心制約難題，為探索未來智慧交通技術提供了支撐。

智慧高速云控平臺

應用推廣效果和經濟社會效益

項目形成了一套高速公路智能綠色建造與運維技術體系，搭建了自主一體化的“建管養運服”智慧高速云控數據平臺，實現了“全路段感知、全過程管控、全天候通行”三大核心目標，建設了4 個國家和省部級高層次創新平臺，打造了五大應用示范工程。

項目制定了山東省第一部智慧高速建設標準，提出了智慧高速是基于業務需求，以數據為核心，充分利用現代技術，提升多源感知、融合分析和決策支持能力，促進人車路環境的深度融合，實現建設、管理、養護、運營、服務全過程數字化和智能化的高速公路；明確了智慧高速的建設范圍、功能要求、技術路線、實施方法、與其他各專業的界面；為山東省新建、改擴建和運營高速公路的全生命周期智慧化建設、管理、養護、運營和服務提供了參考。

實現了改擴建期間的保通、保暢、保安，無重大交通安全事故；通行效率和平均車速均大幅提高，為我國“改擴建+智慧高速”交通強國試點貢獻了“山東經驗、山東模式、山東方案”，引領了我國高速公路改擴建技術的高質量發展、推進了高速公路全天候條件下保通、保暢、保安的技術跨越。

寧陽智慧服務區

山東省第一部智慧高速建設標準