現(xiàn)階段智慧高速公路建設現(xiàn)狀梳理及發(fā)展趨勢分析

凃云峰、李加志、楊徐杰、馬衛(wèi)、趙秋

（曲靖中建曲昆高速公路投資開發(fā)有限公司，云南曲靖 655000）

0 引言

高速公路是連通城市，承載政治、文化、社會的重要載體，也是服務民生、推動國家現(xiàn)代化進程的重要支柱。我國高速通車里程持續(xù)居于世界第一，路網(wǎng)巨大規(guī)模效應逐步顯現(xiàn)，交通運行網(wǎng)絡化特征顯著。隨著科學技術的發(fā)展，智能化、智慧化公路的概念不斷浮現(xiàn)，智慧高速的概念最早由Ferrari 于1986 年提出，著眼以智能方式并應用新技術來改變高速公路的運行模式。進入21 世紀，隨著大數(shù)據(jù)、云計算等新興技術的出現(xiàn)，智慧高速公路被定義為利用傳感、通信、信息、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能和綠色能源等高新科技，在高速公路上布設相應的設施設備，并建設有交通運行控制中心，以實現(xiàn)汽車駕駛更安全、更快速、更綠色的高速公路。

1 國內(nèi)典型智慧高速公路建設分析

20 世紀末，我國開始在高速公路上開展以全域監(jiān)控、信息傳輸、聯(lián)網(wǎng)收費系統(tǒng)為基礎的信息化建設。2011 年，浙江省將智慧高速建設列為智慧城市建設的重點示范建設項目。

2014 年，“新一代國家交通控制網(wǎng)”的概念被提出，即通過建立全智慧的車路協(xié)同平臺，對全路段、全時空以及車輛實現(xiàn)實時控制。同年交通運輸部提出發(fā)展綜合、智慧、綠色和平安交通的發(fā)展思路，為各地開展智慧高速公路建設提供了政策支持，我國全面進入智慧高速公路建設新時代。

1.1 兩徽高速

兩徽高速的“智慧公交建平臺”子平臺、“智慧高速”綜合管理云平臺已建成投用，利用公路、立交、橋隧等重點區(qū)域的視頻監(jiān)測數(shù)據(jù)和收費系統(tǒng)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)全路段云聯(lián)網(wǎng)視頻監(jiān)測。利用互聯(lián)網(wǎng)出行數(shù)據(jù)和數(shù)字地圖進行精準定位，實現(xiàn)交通運行狀態(tài)、設施設備和環(huán)境的實時、全面、深度感知。集成視頻云監(jiān)控，實現(xiàn)視頻實時播放、智能分析和智慧監(jiān)測，與上級云平臺流暢銜接，并自動執(zhí)行路網(wǎng)態(tài)勢感知、視頻事件識別、綜合業(yè)務分析等任務，顯著提高公路運營管理效能與智慧化水平。

1.2 西安外環(huán)高速

西安外環(huán)高速南段作為交通運輸部“交通強國”智能高速公路建設、運營與管理的試點工程，依托已有橋梁結構和設施，針對項目的特點及難點，提出了一套完整的橋梁工程全壽命周期管理體系，建立一個可共享的橋梁三維數(shù)字仿真環(huán)境系統(tǒng)。項目以白鹿原等橋隧工程為載體，在設計和施工中應用BIM 技術，在此基礎上進行二次開發(fā)，組建橋隧建設BIM 聯(lián)合管理系統(tǒng)。并在施工關鍵環(huán)節(jié)建立信息化管理監(jiān)控子系統(tǒng)，實現(xiàn)業(yè)務數(shù)據(jù)信息的圖形化和實時可視化，為各工程參與單位合作辦公和施工控制提供統(tǒng)一的資源和信息共享平臺[1]。

1.3 成宜高速

成宜高速作為四川首條全要素全覆蓋智慧高速，其整體建設主要包括三部分。

一是選取試點路段并配套建設自動駕駛基礎設施，達到支撐L4 級自動駕駛要求的標準。

二是基于“車路協(xié)同”技術提升路網(wǎng)運營水平，構建完善的路網(wǎng)感知和管控系統(tǒng)，實現(xiàn)視頻智能分析、突發(fā)事件預判和自動報警等功能。

三是依托數(shù)字化基礎設施建設全面打造智慧高速，實現(xiàn)高速公路全線5G 網(wǎng)絡全覆蓋，支撐數(shù)據(jù)的高效傳輸。

1.4 石渝高速

石渝高速配備了700 多臺車路協(xié)同設備，是目前規(guī)模最大、最復雜、最通達的C-V2X 車路協(xié)同常態(tài)化運行智慧高速，能夠輔助智能網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下的車輛安全駕駛。通過部署大量的路側傳感設備（C-V2X RSU）和計算機顯示設備，如攝像頭、視覺傳感器、雷達、水位傳感器等，確保C-V2X 網(wǎng)絡在隧道等關鍵區(qū)域充分覆蓋。當發(fā)生特殊情況時，信息將及時傳輸至人工智能專家決策系統(tǒng)中進行自動處理和報警，有效確保異常情況的快速發(fā)現(xiàn)、及時通知、正確處置。從中長期來看，能夠為高等級自動駕駛車輛提供交互式駕駛體驗服務，對于智慧交通的發(fā)展意義重大。

2 國外智慧高速建設發(fā)展趨勢分析

國外發(fā)達國家早在20 世紀80 年代就開始了智慧高速公路的建設實踐，并于21 世紀初就形成了一定體量的建設規(guī)模。

近十年來，隨著信息傳輸、實時通信、云霧平臺等技術的萌發(fā)，新興技術不斷應用到智慧高速的建設中，現(xiàn)已形成以路側合作交互的智能交通為引領的通道級別高速公路，形成一批可推廣、可借鑒的建設、研發(fā)和運營經(jīng)驗。

以美國為首的美洲智慧高速建設主要圍繞兩個層面開展。

一是打造面向運營商的點對點智慧高速通道。自1997 年美國各州開展城市間智慧高速建設試點，到現(xiàn)在基本形成了輻射多區(qū)域的區(qū)域級智慧高速通道，并配套建設了集收費、運行、維護、巡查于一體的運營系統(tǒng)。

二是打造面向用戶的智慧高速車路協(xié)同系統(tǒng)。通過執(zhí)行和傳輸路側指令以及車輛間的交互信息提供車輛信息服務。通過不斷完善互聯(lián)車輛和車路交互系統(tǒng)，形成了集面向運營商、用戶的車輛管理和公路監(jiān)測等基本智能化運行的智慧高速。

歐洲開展了以提升運輸服務水平為目標的主動交通管理建設，包括Easyway 項目和合作式智能交通系統(tǒng)戰(zhàn)略。Easyway 項目中，意大利等國家形成以智能道路計劃、高效公路網(wǎng)絡和快速通道為核心的發(fā)展路徑，并開展參與者實時信息服務、運營者實時管理服務、客貨運實時監(jiān)測服務于一體的智能高速建設。合作式智能交通系統(tǒng)戰(zhàn)略是指創(chuàng)建更互聯(lián)、更安全的道路，道路可與車上的用戶進行通信，通過新技術實時提供有關交通、事故、天氣等信息，以提高旅行舒適度和更好的基礎設施管理?，F(xiàn)階段的歐洲主動交通管理建設方案將逐步擴展到整個綜合運輸系統(tǒng)[2]。

亞洲發(fā)達國家中的日本與韓國對技術與戰(zhàn)略計劃提出了不同方案。日本提出了ETC2.0 戰(zhàn)略，在現(xiàn)有ETC 建設水平上，整合車內(nèi)智能終端，與路側基礎設施實現(xiàn)實時交互，實現(xiàn)ETC 聯(lián)網(wǎng)收費、車路協(xié)同指令接收和控制。韓國2018 年實施了Smart Highway戰(zhàn)略，提出面向用戶的智慧高速公路建設網(wǎng)絡，以適應未來電動汽車和自動駕駛汽車逐漸普及的趨勢。將打造包括輔助行駛、車路通信控制、多元化信息發(fā)布等業(yè)務在內(nèi)的服務，預計2030 年末實現(xiàn)信息化基礎設施全面鋪設完成，關鍵技術被攻堅應用。

3 智慧高速建設創(chuàng)新技術分析

3.1 先進的信息采集和數(shù)據(jù)傳輸技術

3.1.1 數(shù)據(jù)采集技術

現(xiàn)階段交通數(shù)據(jù)采集技術主要包括四種方法：

一是路側數(shù)據(jù)采集，主要采用感應磁環(huán)、氣動道路管、壓電環(huán)陣列、微波雷達、超聲波和聲學傳感器系統(tǒng)、磁力計探測器、紅外系統(tǒng)、光探測和測距（LIDAR）和視頻圖像探測器等工具。

二是廣域數(shù)據(jù)收集，主要來源為道路攝影測量數(shù)據(jù)、視頻和音頻分析處理數(shù)據(jù)。

三是浮動汽車數(shù)據(jù)（FCD）采集，利用浮動車來進行交通數(shù)據(jù)采集，基于無線通信和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）、車牌識別（LPR）、車載轉發(fā)器單元（OBTU）實現(xiàn)對交通基礎設施和道路運行狀況進行實時監(jiān)控。

四是無人機數(shù)據(jù)采集，具有強大的動態(tài)集成能力、高時空分辨率和靈活性，也逐漸應用于道路安全、交通監(jiān)測和管理、公路基礎設施管理等方面[3]。

3.1.2 數(shù)據(jù)傳輸技術

隨著傳感器和大數(shù)據(jù)計算的發(fā)展，在智慧高速數(shù)據(jù)傳輸方面的應用顯著增加。通過傳感器和多種可視監(jiān)管平臺系統(tǒng)的聯(lián)合開發(fā)，使事物和管理人員能夠在任何地方連接、激活流程和更高效地交換數(shù)據(jù)。隨著高速公路服務水平的提升，對高速公路地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測的重要性日益凸顯，微型機電傳感器（MEMS）技術逐步被多數(shù)智慧高速建設所采用。更精密、更微型的傳輸設備，逐漸成了智慧高速建設運營的關鍵技術。

3.2 先進的道路運行監(jiān)測和管控方案

3.2.1 BIM+SHM 平臺

BIM+SHM 的組合平臺能對交通特性、基礎設施和環(huán)境數(shù)據(jù)進行結構健康監(jiān)測，因此逐漸被應用到智慧高速公路設計、管理和維護領域。通過應用BIM+SHM 平臺，對橋梁、高架橋和隧道等關鍵結構的設施進行快速狀況篩查，實時反饋結構完整性和可靠性。為運營者主動獲取智慧高速運營狀況，提前作出決策提供新視角。

3.2.2 可變車道設備

動態(tài)車道管理（DLM）和硬路肩車道（HSR）是現(xiàn)有智慧高速公路車輛功能動態(tài)配置新型策略，即根據(jù)車輛流量、類型等車流屬性的實時變化，來動態(tài)變換車道功能或?qū)⒃猜芳畿嚨擂D換為附加車道，以提升高速公路容量。通過車道上的懸浮標志指示硬路肩是否對交通開放，并根據(jù)交通狀況更改道路的強制性限速。

采用匝道控制（RM）和協(xié)調(diào)匝道控制（CRC）策略可調(diào)節(jié)進入高速公路的車輛數(shù)，以確保最佳的交通運行效率。匝道進出口由自適應交通信號控制，其信號時序由AI 算法提供，通過分析實時流量數(shù)據(jù)來確定最佳進入率，使主干線車流一直處于最佳行駛狀態(tài)[4]。

3.2.3 速度協(xié)調(diào)控制策略

基于變速限制（VSL）和速度協(xié)調(diào)（SH）的控制策略，可在擁堵區(qū)域前或重點監(jiān)測路段前改變限速，以減少擁堵并提高安全性。能夠根據(jù)交通狀況動態(tài)更改車輛的運行速度。利用交通傳感器實時監(jiān)控運行環(huán)境，并將信息發(fā)送至云端以計算最佳限速。得到運行方案后直接提供給CAV 駕駛車輛或者駕駛員，實現(xiàn)整體調(diào)整。

4 我國智慧高速發(fā)展趨勢研判

縱觀我國高速公路建設發(fā)展歷程，我國的建設更偏向于互聯(lián)互通、可視化和終端平臺化發(fā)展，即充分發(fā)展現(xiàn)有技術形成集通信、計算機平臺、前端于一體的智慧高速公路系統(tǒng)。未來的建設重點主要在：

第一，形成終端應用和云控平臺為一體的系統(tǒng)架構。形成以無線通信為主要發(fā)展路徑的信息化建設方案，即在路側布設無線通信網(wǎng)和智能基站等基礎設施。充分發(fā)揮終端應用在智慧交通系統(tǒng)中的重要性，依托智能手機、車載顯示屏等無線通信設備，構建車路交互平臺（DSRC）。將ETC 電子標簽、電子車牌、手機信令數(shù)據(jù)、車載藍牙設備所反饋的信息實時上傳云控平臺，實現(xiàn)車輛終端與控制終端的實時交互反饋，為全自動駕駛環(huán)境下的信息傳輸、傳遞和指令執(zhí)行奠定技術基礎[5]。

第二，同步開展兼容多種技術標準的路側基礎設施建設。為保證車輛、路側采集器、云端三者在不同運行環(huán)境下均能實現(xiàn)高速傳輸、低延遲響應的數(shù)據(jù)上傳和指令接收，將開展適應DSRC、RFID、4G+5G、Wi-Fi、C-V2X 以及超高速無線通信系統(tǒng)(EUHT)在內(nèi)的多種技術標準的通信基礎設施建設，以及適應隧道、河谷等信號穿透能力較弱區(qū)域的北斗定位和路段識別終端聯(lián)合服務的定位基礎設施建設。通過建設信息采集和傳輸系統(tǒng)、車路通信系統(tǒng)、信息增強系統(tǒng)等路側基礎設施，保障多元主體間的指令實時接收，協(xié)同管理道路運輸狀況，滿足為車載終端用戶提供高效服務的智慧高速建設需求[6]。

第三，利用多元交通數(shù)據(jù)采集與分析技術為智慧高速運營管理提供決策支撐。應用LTE－V 車車/車路通信技術、車輛高精度定位技術，用于交通監(jiān)控的無人機檢測與處置技術，集成主要氣象信息和有關部門發(fā)布的氣象數(shù)據(jù)的預警處置技術，重要路段變形監(jiān)測和預警技術，路徑誘導處理分析和人車交互技術等新興數(shù)據(jù)采集與分析技術，實現(xiàn)對公路的服務能力進行預警，提升智慧高速公路的信息服務水平和運營管理者的管理能力[7]。

5 結語

綜上所述，從國內(nèi)外智慧高速公路建設發(fā)展的歷程及現(xiàn)狀來看，結合我國現(xiàn)階段較為先進的信息數(shù)據(jù)采集和傳輸設施、道路運行監(jiān)測及管控技術，可以從系統(tǒng)架構、基礎設施和運營管理三個方面對我國未來一段時間的智慧高速建設發(fā)展趨勢進行研判。