智慧高速公路設(shè)計(jì)架構(gòu)及技術(shù)探究

高航遠(yuǎn)

（西安公路研究院有限公司，陜西 西安 710065）

交通運(yùn)輸業(yè)是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中先導(dǎo)性、基礎(chǔ)性和服務(wù)性的行業(yè)，截至當(dāng)前，我國(guó)通車高速公路里程已近15萬(wàn)公里。與此同時(shí)，隨著高新科技日新月異的發(fā)展，智能車輛的出現(xiàn)及普及應(yīng)用已經(jīng)成為大勢(shì)所趨，科技所引發(fā)的革命，必將使越來(lái)越多的人享受到更加安全、高效和便捷的出行體驗(yàn)。

為滿足高速公路自身的發(fā)展要求，以及適應(yīng)更高智能化水平的交通工具、滿足大眾更高要求的交通出行需求以及減少交通安全事故等管理需求，建設(shè)更加智慧的高速公路是必然的趨勢(shì)。

1 智慧高速公路的定義

目前，國(guó)內(nèi)外及業(yè)界對(duì)“智慧高速公路”的定義尚沒有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，但結(jié)合各方面的探索，其核心是基本一致的，即智慧高速公路是一個(gè)具備智慧的感知能力、智能的傳輸能力、智慧的高速公路運(yùn)維管理能力及對(duì)大眾出行的智慧服務(wù)等能力，借助大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能——即所謂“大物移云智”等新一代高新信息技術(shù)，以對(duì)人車路及氣象等環(huán)境的全方位精確感知和智能決策為核心從而實(shí)現(xiàn)人車路協(xié)同，實(shí)現(xiàn)協(xié)同管理及增值服務(wù)的智慧型高速公路系統(tǒng)[1]。

智慧高速公路通過將先進(jìn)的電子信息通信技術(shù)整合到交通基礎(chǔ)設(shè)施和車輛中，提高了交通的安全性和移動(dòng)性，減少了對(duì)環(huán)境的影響并提高了生產(chǎn)運(yùn)輸效率。智慧高速公路擁有開放的技術(shù)平臺(tái)，且可以結(jié)合先進(jìn)的管理與運(yùn)維模式，提供更加安全、高效及便捷的服務(wù)：為人及物流的暢通運(yùn)輸提供網(wǎng)絡(luò)化的可靠服務(wù)，為車車及車路提供全面精確的信息交互服務(wù)，為高速公路使用者提供定制化特異化的個(gè)性服務(wù)，為高速公路管理運(yùn)營(yíng)者提供及時(shí)可靠的應(yīng)急管理信息服務(wù)等。

2 國(guó)外的探索及對(duì)中國(guó)的啟示

2.1 國(guó)外的探索

美國(guó)已提出3版智慧交通系統(tǒng)戰(zhàn)略計(jì)劃。2010版強(qiáng)調(diào)交通的聯(lián)通性，致力于為美國(guó)提供一個(gè)全國(guó)性的互聯(lián)交通系統(tǒng)；2015版則強(qiáng)調(diào)通過聚焦聯(lián)網(wǎng)車輛和不斷提升的自動(dòng)化等優(yōu)先戰(zhàn)略，改變社會(huì)的運(yùn)轉(zhuǎn)方式；在最新的2020版ITS戰(zhàn)略中提出的愿景為加速應(yīng)用ITS改變社會(huì)的運(yùn)行方式。相較上版規(guī)劃，新版戰(zhàn)略更加關(guān)注對(duì)ITS的實(shí)施部署，已經(jīng)從關(guān)注自動(dòng)駕駛、設(shè)施互聯(lián)的研究上，轉(zhuǎn)移至更加強(qiáng)調(diào)加速ITS的部署與應(yīng)用；更加關(guān)注對(duì)ITS發(fā)展起支撐作用的相關(guān)技術(shù)，如數(shù)據(jù)交互和網(wǎng)絡(luò)信息安全；更加關(guān)注新型通信技術(shù)如5G等。

與美國(guó)有所不同，歐洲致力于開展合作智能交通系統(tǒng)的發(fā)展，其戰(zhàn)略的制定則更加強(qiáng)調(diào)政策支持、標(biāo)準(zhǔn)制定及各方的廣泛參與。歐盟注重政府官方、企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)以及民間組織等的合作，并已開發(fā)了數(shù)個(gè)大型合作系統(tǒng)項(xiàng)目，如CVIS、SAFESPOT和COOPERS等[2]。

日本在2020年出版的國(guó)土交通白皮書中，重點(diǎn)介紹了“出行即服務(wù)”、ETC 2.0、先進(jìn)型安全車輛、機(jī)動(dòng)車出行誘導(dǎo)與自動(dòng)駕駛等智慧交通技術(shù)的應(yīng)用情況。日本在大力完善MaaS模式的同時(shí)，還引入基于AI技術(shù)的響應(yīng)式出行及綠色慢行等新型運(yùn)輸服務(wù)模式。同時(shí)，日本大力推廣實(shí)施ETC 2.0戰(zhàn)略,相較于ETC 1.0，ETC 2.0的車載終端可以與全國(guó)范圍內(nèi)的高速公路上設(shè)置的路側(cè)裝置進(jìn)行雙向信息交互。在日本應(yīng)用廣泛的ASV系統(tǒng)已能夠?qū)崿F(xiàn)包括自主緩沖剎車及車道維持等多種功能[3]。

2.2 國(guó)外探索對(duì)中國(guó)的啟示

相較于美歐日等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)，我國(guó)高速公路管理運(yùn)營(yíng)及所提供的服務(wù)等仍然存在較多問題，如交通安全事故死亡率數(shù)倍于美日等國(guó)家、管理監(jiān)測(cè)手段有限及個(gè)性化服務(wù)需求難以滿足等?？傮w上，我國(guó)高速公路的發(fā)展仍處在信息化向智慧化轉(zhuǎn)變的階段，智能化水平仍有較大的提升空間，發(fā)達(dá)國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)對(duì)我國(guó)的智慧高速公路發(fā)展有幾點(diǎn)啟示。

一是注重高速公路車車與車路更加先進(jìn)的交互技術(shù)。美國(guó)正以公路智能運(yùn)維和車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)部署為抓手推進(jìn)高速公路系統(tǒng)智能化升級(jí)，日本以其ETC 2.0為載體推進(jìn)車路更高形式的交互。二是注重?zé)o人機(jī)及5G等技術(shù)對(duì)高速公路管理運(yùn)營(yíng)新的使能作用。歐盟在其可持續(xù)與智能交通戰(zhàn)略中特別強(qiáng)調(diào)無(wú)人機(jī)技術(shù)的作用，稱其將推動(dòng)交通運(yùn)輸系統(tǒng)的信息化和智能化，并可醞釀出新的智慧交通解決方案。

3 智慧高速公路架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)

3.1 智慧高速公路設(shè)計(jì)架構(gòu)

新型智慧高速公路更加注重在管理和服務(wù)方面、事件處理方面及服務(wù)區(qū)運(yùn)營(yíng)等方面的信息化、智能化、平臺(tái)化和終端化，其完整的體系架構(gòu)應(yīng)由以下幾部分構(gòu)成[4-5]（如圖1所示）。

圖1 智慧高速公路設(shè)計(jì)架構(gòu)

智慧多樣的感知層。感知層是智慧高速公路的最底層，由多樣的傳感裝置組成?；诮煌ǖ乩硇畔⑾到y(tǒng)、北斗技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、建筑信息模型等先進(jìn)傳感技術(shù)所構(gòu)建的空間立體感知體系，能夠精準(zhǔn)識(shí)別各種參數(shù)，如氣象條件、車輛運(yùn)行狀況、交通流量及路段擁堵狀況等。

智能高效的傳輸層。傳輸層為智慧高速公路的信息傳遞提供了高效的通路。借助射頻識(shí)別技術(shù)、專用短程通信技術(shù)及車載通信技術(shù)等通信技術(shù)，為高速公路數(shù)據(jù)和圖像等信息、管理控制指令與交互服務(wù)請(qǐng)求等提供了高效穩(wěn)定的傳輸體系。

智慧分級(jí)的管理運(yùn)營(yíng)層。管理運(yùn)營(yíng)層利用云計(jì)算、人工智能等互聯(lián)網(wǎng)高新技術(shù)，構(gòu)建起以部級(jí)、省級(jí)、高速公路運(yùn)營(yíng)管理級(jí)及路段分中心四級(jí)管理運(yùn)營(yíng)平臺(tái)及數(shù)據(jù)庫(kù)，以實(shí)現(xiàn)在道路監(jiān)管及運(yùn)營(yíng)方面的智能化。

智慧個(gè)性的服務(wù)層。服務(wù)層以大數(shù)據(jù)、“互聯(lián)網(wǎng)+”及虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)為支撐，搭建起以微博微信或自主研發(fā)的應(yīng)用系統(tǒng)為支撐的交互式道路使用者服務(wù)平臺(tái)，打造智能化客戶端及智慧化服務(wù)區(qū)，以滿足不同出行者的個(gè)性化需求。

3.2 智慧高速公路關(guān)鍵技術(shù)

車路協(xié)同技術(shù)。車路協(xié)同技術(shù)是在最新的無(wú)線通信技術(shù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)人車、車車、車路實(shí)時(shí)交互的技術(shù)，從而進(jìn)行人車路相互協(xié)同配合，實(shí)現(xiàn)改善交通狀況、提高道路安全系數(shù)及優(yōu)化利用資源的目的[6]。車路協(xié)同技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智慧高速公路的關(guān)鍵技術(shù)之一，其中車路權(quán)優(yōu)先控制和基于信號(hào)燈的車輛速度優(yōu)化方面的研究是一個(gè)熱點(diǎn)方向[7]。

超高速無(wú)線通信技術(shù)。EUHT較其他傳統(tǒng)無(wú)線傳輸技術(shù)，具有更加優(yōu)越的高速移動(dòng)實(shí)用性、更大的數(shù)據(jù)傳輸帶寬、更寬的頻帶利用率及更加穩(wěn)定的漫游切換功能，可在精準(zhǔn)化可視化管理、路徑聯(lián)勤聯(lián)動(dòng)及大數(shù)據(jù)的采集與應(yīng)用方面發(fā)揮重要作用。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。將萬(wàn)物通過基于射頻識(shí)別等技術(shù)的前端傳感設(shè)備和互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別與管理的技術(shù)即為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧高速公路中起著連接的作用，將系統(tǒng)中所有部分連接起來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在車輛誘導(dǎo)、安全預(yù)警及智能調(diào)度方面都有著廣泛的應(yīng)用。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文探討了智慧高速公路的內(nèi)涵，梳理了國(guó)外智慧高速公路發(fā)展的最新動(dòng)態(tài)，并以國(guó)外智慧高速公路為借鑒，提出對(duì)我國(guó)智慧高速公路發(fā)展的啟示，最后本文提出了我國(guó)智慧高速公路的設(shè)計(jì)架構(gòu)，并指出了幾種值得重視的關(guān)鍵技術(shù)。當(dāng)前我國(guó)高速公路發(fā)展迅速，智慧高速公路的出現(xiàn)和發(fā)展，必將加速交通運(yùn)輸行業(yè)的變革，為人們的出行及經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)提供更加有力的支撐。希望通過本文的探討，能為智慧高速公路的發(fā)展提供一些幫助。