高速公路機電工程智慧化建設分析及發展研究

曹志偉

（中咨泰克交通工程集團有限公司，北京 100000）

1 智慧高速公路建設概述

智慧交通是我國交通運輸事業發展的主要方向，各地都不同程度地開展了智慧交通示范工程建設，這些智慧示范工程的建設極大地豐富了交通智慧化建設經驗，促進了理論與實踐的結合。其中，智慧高速公路是智慧交通的先行者、探索者、開拓者，而機電工程是智慧高速公路建設的核心，它不僅是一條高速公路的管理中樞，也是實現智慧高速的基礎所在。隨著新興技術，如車路協同技術、大數據技術、北斗高精度定位技術、互聯網+等與傳統機電系統的融合，高速公路的智慧化建設水平也在逐步提高，未來將更好地發揮組織引導功能，提升高速公路交通服務品質，建設成高水平的智慧高速公路，實現道路安全高效通行，更好地滿足人們的出行需求。

2 智慧高速發展現狀

目前，世界各國對智慧高速公路建設及發展方向還沒有明確的定義，我國同樣處在探索發展階段，國務院、交通運輸部相繼發布了一系列智慧交通政策文件，先后開展了交通控制網及智慧公路試點、交通強國單位試點工作。

2017 年2 月，國務院交通運輸部正式啟動了“新一代國家交通控制網和智慧公路示范工程”，在北京、河北、吉林、浙江、江蘇、廣東等9 個省（市）開展了新一代智慧公路試點和國家交通控制網。次年2 月，國務院交通運輸部再次發布通知，擴展了試點主題，提出試點主題包括但不限于北斗高精度定位綜合應用、路運一體化車路協同、基礎設施數字化等6 個方向。

在文件的要求下，各省市紛紛結合本地特點，開展了智慧公路試點工程的建設工作，如延崇高速北京段、京雄高速河北段等對車路協同、基礎設施數字化等進行了試點建設；昌九高速江西段、廣樂高速廣東段對北斗高精度定位綜合應用進行了試點等。隨著智慧高速試點工程不斷開展，智慧高速建設探索的不斷推進，智慧高速的建設發展已經走上了快車道。

3 延崇高速公路（河北段）機電工程智慧化建設情況

3.1 路線監控系統

3.1.1 總體架構

延崇高速河北段為山嶺重丘區高速公路，起點與北京段在松山隧道內對接，終點與張承高速張家口段連接，赤城支線連接赤城縣，路線整體隧道較多。監控系統中，子系統較多，除常規設計中的信息采集、信息發布、計算機網絡子系統外，還配有機房環境監測系統、電力監測、緊急電話、道路廣播、氣象分析與預警、交通量調查、霧區誘導等子系統設施（見圖1），各子系統的應用軟件需要融合到監控系統應用軟件中。

圖1 線路監控系統圖

該項目是國務院交通運輸部智慧高速公路試點項目，將在主線工程通車后建設智慧服務綜合平臺、分布式計算平臺、車路協同子系統、北斗高精定位子系統、交通監測子系統等智能設施，構建全面感知、萬物互聯、面向服務、協調聯動、深度學習和不斷優化的智慧化管理系統，全面掌握各子系統和設備的運行狀態，提高實時監控、精細化管理水平，所選擇的機電設備能夠實現二次開發功能，滿足了建設智慧高速公路的功能需求。

3.1.2 主要子系統

閉路監視子系統由道路外場監控、服務區場區監控、橋下監控、路段監控中心閉路監視設備和視頻數據傳輸網絡設備構成。監控分中心采用LED 小間距拼接屏，監控分中心與收費集中監控室合用，建設1 套路段監控分控平臺。為應對延崇高速公路氣候狀況復雜多變、氣象災害反復多發的實際情況，搭建了氣象分析預警子系統，公路沿線建設5 套道路氣象環境智能監測主站、20 套道路氣象環境智能監測子站，涵蓋氣象監測系統、路面熱譜系統、站網監控管理中心、信息共享服務平臺等[1]。

3.2 通信系統工程

該工程通信系統管理體制分為3 個等級，分別為省通信中心、路通信分中心和通信站，全線共設置了7 處無人通信站、1 處有人通信站。服務區室外停車場等開放區域通過部署室外AP（無線接入點）+定向天線對空曠區實現無線覆蓋；服務區超市、餐廳等室內區域通過部署室內AP 實現無線覆蓋。延崇高速通過在服務區部署無線接入點提升了整條高速的智能化程度。

3.3 收費系統工程

延崇高速（河北段）主線設置了1 處路段管理處，管理處同時也是路段收費中心及監控和通信分中心所在，沿線共設置了4 處匝道收費和1 處主線收費站。依據河北省對ETC 不停車收費車道設置的具體要求以及冬奧會期間的交通流特性，在京冀界主線站設置4 入4 出潮汐ETC 車道，在匝道收費站入口車道，除ETC 車道外全部設置自動發卡機，提高智能化程度。項目監控方案采用出口、入口收費車道及收費亭監控，設備室、收費廣場監控，財務室、票據室監控，取消了收費站級監控室，實行路段中心集中監控的方案[2]。

3.4 隧道監控系統

隧道監控系統專門建設了隧道監控中心，監控中心安裝了大屏幕系統，此外該系統還配有視頻監視、交通監控、廣播與緊急電話、火災報警、電力監控、事件監測等子系統，實現對隧道的通行狀況的監控與管理，同時通過通信系統與路段分中心監控系統聯網運行。軟件方面建立了隧道綜合管控與指揮調度軟件平臺，構建平臺管理、數據采集、交通誘導、預案庫、決策指揮、聯動控制、報警預警等模塊，大大提高了隧道管理的智能化水平。

4 智慧高速公路建設及發展

4.1 智能行車安全誘導系統

延崇高速設置了智能安全行車誘導系統（見圖2），該系統配置了霧區誘導指示牌、前端數據處理器、霧區監測與誘導服務器、光能測控模塊等，做到在霧天、雨天、雪天等惡劣氣候下及坡道、大彎道等復雜行車環境下對車輛的引導和預警。

圖2 智能安全現場誘導系統實景圖

安全行車誘導系統能夠對惡劣氣象、交通事故、施工安全等行車風險進行及時提示，起到安全輔助作用，提高交通安全性，為高速建設智能化建設提供了方向。

4.2 車路協同系統

車路協同系統將是智慧高速公路工程建設的重要趨勢，通過大數據、云計算、物聯網等信息技術的應用，實現車輛與道路基礎設施之間的信息交換與共享，是實現智慧高速驅動自動駕駛的一個研究方向。

在智慧高速公路機電工程建設中，需要通過多種系統和設備實時采集道路狀況和車輛運行數據信息，為整個交通系統進行監管和調度提供依據，并通過這些設施向車輛提供道路狀況信息；車輛中也要搭載通信和感知裝置，能夠有效接收交通管理中心、道路基礎設施以及其他車輛的信息。這一技術可以在典型應用場景中發揮作用，如多車協同換道、盲區預警、應急車輛優先通行、避免交叉口沖突、引導車速等，減少交通事故的發生，做到緊急救援，聯動處置，最大限度地減少擁堵和損失。

車路協同系統是著眼于司乘駕駛側的智慧化應用，車路協同的發展將極大地提高行車安全性，提供更暢通的行車方案，可以成為高速公路智慧化建設的組件之一。

4.3 數字孿生系統

數字孿生系統是近幾年新出現的技術，它是基于BIM、大數據、物聯網、云計算等發展起來的，目前已經在部分公路隧道進行了應用，如深圳塘朗山隧道。數字孿生系統是通過歷史數據、實時數據、算法模型等有效預測和分析發展趨勢的同時，將物理世界的數字化的一種映照現實實體的虛擬模型。

通過建立數字孿生系統，能夠有效連接物理世界和信息世界，采用虛實融合、以實返虛、以虛控實的方式，極大地提升交通基礎設施的數字化，構建了虛擬數字化的交通設施。數字孿生系統將隨著新型數據采集技術的不斷應用，車輛的運動狀態數據越加能夠被準確識別，并投射到虛擬空間中，在虛擬世界可以真實地反映現實世界，實現雙向交互，在高速公路典型交通場景中，能夠更直觀、高效、準確地預判、發現和應對各種突發事件（見圖3）。

數字孿生系統是基于高速公路管理服務側的一項智慧化應用，此項應用的不斷發展演進將能更好地預警及應對各類緊急情況，通過趨勢預測分析，更好地對高速公路進行管理服務，緩解擁堵、提高駕乘安全，是行業內熱門賽道及發展趨勢。

5 結語

綜上所述，目前智慧高速尚在摸索階段，國家啟動了相應的試點工程以大力推動智慧高速的建設發展，并依托機電工程，利用高新技術，已經開發出諸如智能行車安全誘導系統、車路協同、數字孿生等智能化應用。隨著試點工程的不斷開展，智慧高速必將展現跨時代的優勢特色，解決傳統交通系統存在的問題，實現綠色、智能交通出行方式，進入更加安全、便捷、快速的新交通時代。