淺談機(jī)電系統(tǒng)在智慧高速中的應(yīng)用

摘 要：基于智慧高速的發(fā)展方向，重點(diǎn)對(duì)智慧高速機(jī)電系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和部署進(jìn)行了總結(jié)和概括，可為今后智慧高速機(jī)電建設(shè)提供思路。

關(guān)鍵詞：智慧高速;路網(wǎng)綜合系統(tǒng);車路協(xié)同系統(tǒng);機(jī)電系統(tǒng)

0? ? 引言

黨的十九大提出了“建設(shè)交通強(qiáng)國(guó)”，為新時(shí)代的交通發(fā)展指明了方向，在此前提下，中國(guó)高速公路的發(fā)展將向數(shù)字化、智能化的方向發(fā)展，高速公路的便捷性、安全性將進(jìn)一步得到提高。

在智慧高速建設(shè)過程中，機(jī)電系統(tǒng)圍繞著基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化、基于大數(shù)據(jù)的路網(wǎng)綜合系統(tǒng)、路運(yùn)一體化車路協(xié)同系統(tǒng)等方面對(duì)道路進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理。

1? ? 總體設(shè)計(jì)思路

現(xiàn)有的高速公路建設(shè)存在道路感知不足、信息服務(wù)水平較為落后等方面的問題，因此，新的智慧高速的建設(shè)設(shè)計(jì)要在前期考慮到近期和遠(yuǎn)期的發(fā)展問題，加強(qiáng)信息服務(wù)系統(tǒng)部署;在前期建設(shè)中，要堅(jiān)持資源優(yōu)化、統(tǒng)籌兼顧的原則，可以選擇合適路段進(jìn)行試驗(yàn)部署，探索新技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景，通過多方協(xié)同、數(shù)據(jù)共享、服務(wù)租賃等方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)高速公路的交通態(tài)勢(shì)、氣象情況等多方面的掌握，通過智能化系統(tǒng)對(duì)車輛和道路進(jìn)行交互式感知，實(shí)現(xiàn)對(duì)交通流的主動(dòng)控制，并在遠(yuǎn)期對(duì)車輛主動(dòng)駕駛系統(tǒng)提供全面和智慧化的信息接入。綜合現(xiàn)有的設(shè)計(jì)模型，除了原有的機(jī)電三大系統(tǒng)和供配電系統(tǒng)外，智慧高速的基本架構(gòu)大致如圖1所示。

數(shù)據(jù)感知層圍繞著“人、車、路、環(huán)境”獲取各方面的數(shù)據(jù)，包含交通狀態(tài)、氣象信息、地理信息等，與其他平臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)行銜接，交互使用，形成用戶數(shù)據(jù)層。支撐層是對(duì)感知層的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和管理的硬件和軟件的結(jié)合，通過對(duì)數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)的通信，把松散的數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化處理融合，為下一步的決策提供技術(shù)支撐。決策層是為處理后的數(shù)據(jù)作用于決策進(jìn)行服務(wù)，包含預(yù)警服務(wù)、管控服務(wù)、仿真決策服務(wù)等。應(yīng)用層利用決策層的輸出結(jié)果，結(jié)合管理者的需要、出行服務(wù)的需求等個(gè)性化定制進(jìn)行開發(fā)，形成一套有效的智能高速公路機(jī)電管理軟件。

2? ? 機(jī)電系統(tǒng)的部署

機(jī)電系統(tǒng)的部署，大致可以圍繞著基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化、大數(shù)據(jù)系統(tǒng)、車路協(xié)同系統(tǒng)這幾個(gè)方面來(lái)實(shí)施。

2.1? ? 基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化

基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化即重點(diǎn)構(gòu)建智能監(jiān)測(cè)傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道、橋梁、匝道等重點(diǎn)部位的動(dòng)態(tài)管理?；A(chǔ)數(shù)據(jù)的建立，包含智慧道路、智慧隧道、智慧服務(wù)區(qū)等各個(gè)方面的數(shù)據(jù)采集;除了原本高速公路已有建設(shè)的視頻圖像、車檢器、交通信號(hào)燈、隧道CO/VI監(jiān)測(cè)、隧道照明監(jiān)測(cè)等，還可以根據(jù)車路協(xié)同的要求，部署氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、事件監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、邊坡橋梁高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)感應(yīng)系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控路段交通態(tài)勢(shì)的信息采集。具體如下：

（1）智慧道路：可以通過全景攝像機(jī)自動(dòng)巡航、事件監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)道路匝道進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻全覆蓋;通過氣象站采集路面結(jié)冰、能見度等數(shù)據(jù)，為大數(shù)據(jù)平臺(tái)提供最直接的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（2）智慧隧道：對(duì)隧道的火災(zāi)、擁堵等突發(fā)事件進(jìn)行檢查并預(yù)警，實(shí)現(xiàn)隧道照明亮度的自動(dòng)調(diào)節(jié);對(duì)設(shè)備運(yùn)行情況和能耗進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在保證安全行車的前提下達(dá)到節(jié)能減排的效果。

（3）智慧服務(wù)區(qū)：智慧服務(wù)區(qū)的建設(shè)包含無(wú)線網(wǎng)絡(luò)全覆蓋、信息發(fā)布系統(tǒng)、停車及誘導(dǎo)系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、汽車管控系統(tǒng)、智能公廁、電動(dòng)車充電、太陽(yáng)能系統(tǒng)等，從而為車主提供一個(gè)清潔、舒適、便捷的休息環(huán)境。

（4）智慧收費(fèi)系統(tǒng)：通過主線ETC門架、收費(fèi)站區(qū)互聯(lián)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高效快捷的收費(fèi)流程，并對(duì)超載、逃費(fèi)等違規(guī)行為進(jìn)行有效監(jiān)控和追蹤。

2.2? ? 大數(shù)據(jù)系統(tǒng)

基于大數(shù)據(jù)的路網(wǎng)綜合管理，即構(gòu)建智慧高速公路運(yùn)營(yíng)與服務(wù)智能化管理決策平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域路段綜合信息采集、運(yùn)營(yíng)調(diào)度、應(yīng)急指揮、公眾出行信息管理等服務(wù)。交通大數(shù)據(jù)平臺(tái)主要由底層的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和頂層應(yīng)用構(gòu)成，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)由攝像機(jī)、智能卡口、ETC門架系統(tǒng)等設(shè)備提供，通過5G、Wi-Fi、Internet等網(wǎng)絡(luò)傳送到數(shù)據(jù)中心。平臺(tái)的數(shù)據(jù)處理是關(guān)鍵技術(shù)，可通過MySQL、Hbase分布式數(shù)據(jù)庫(kù)等數(shù)據(jù)分析方法對(duì)信息進(jìn)行融合、分類，針對(duì)不同的數(shù)據(jù)模型采用不同的存儲(chǔ)模式，進(jìn)而與頂層應(yīng)用進(jìn)行數(shù)據(jù)分享[1]。

2.3? ? 車路協(xié)同系統(tǒng)

智慧高速公路的建設(shè)最主要的是建設(shè)一套智能的車路協(xié)同系統(tǒng)。車路協(xié)同系統(tǒng)是指車輛、道路基礎(chǔ)設(shè)施、服務(wù)系統(tǒng)等各個(gè)子系統(tǒng)組成的一個(gè)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換的復(fù)雜系統(tǒng)，系統(tǒng)、車輛、道路可以根據(jù)實(shí)時(shí)的交通狀態(tài)、氣象條件、車流趨勢(shì)等各方面因素進(jìn)行各種調(diào)節(jié)，使交通系統(tǒng)處于依據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整和尋優(yōu)的過程中，具有較高的可靠性、安全性和應(yīng)變性。

高速公路的車路協(xié)同系統(tǒng)主要由外場(chǎng)的RSU路側(cè)通信基站、智能車載終端、分中心系統(tǒng)控制平臺(tái)、高精度地圖組成?；谌珖?guó)高速公路主線ETC門架系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成，可通過ETC系統(tǒng)進(jìn)行車輛感知和通信，如圖2所示[2]。

2.3.1? ? 路側(cè)智能基站和智能終端

路側(cè)智能基站包含定位、通信和控制模塊，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備與車輛的信息交互，向車輛發(fā)布路網(wǎng)信息、交通狀態(tài)等，同時(shí)通過終端設(shè)備采集車輛速度、軌跡等實(shí)時(shí)狀態(tài)并上傳大數(shù)據(jù)平臺(tái)。車載智能終端以成熟的移動(dòng)終端為核心，通過車載OBU與基站進(jìn)行無(wú)線通信，以視頻、廣播、圖片等方式接收高速公路運(yùn)行狀態(tài)等信息。

2.3.2? ? 分中心的控制平臺(tái)

控制平臺(tái)由軟件和硬件組成，硬件包括系統(tǒng)服務(wù)器、各應(yīng)用終端服務(wù)器、安全網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證設(shè)備等，實(shí)現(xiàn)設(shè)備監(jiān)控、車輛誘導(dǎo)、信息發(fā)布、數(shù)據(jù)共享等功能，可匯聚路側(cè)設(shè)備采集的車輛行駛信息和發(fā)布信息，同時(shí)將外部平臺(tái)傳輸?shù)目刂浦噶畎l(fā)送給路側(cè)設(shè)備，對(duì)高速公路上行駛的車輛形成集車、路、云平臺(tái)于一體的監(jiān)管系統(tǒng)，確保行車的安全高效。

2.3.3? ? 高精度地圖

高精度地圖與普通地圖的區(qū)別在于：普通導(dǎo)航地圖是供駕駛員使用的，而高精度地圖則是供自動(dòng)駕駛車輛使用的。自動(dòng)駕駛車輛安裝高精度地圖或從云端分段獲得高精度地圖可以幫助車輛預(yù)知路面復(fù)雜信息，如坡度、曲率等，以更好地規(guī)避車輛行駛過程中潛在的風(fēng)險(xiǎn)。此外，高精度地圖支持自動(dòng)駕駛等新技術(shù)的應(yīng)用，為將來(lái)自動(dòng)駕駛以及更精確的位置服務(wù)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。高速公路建設(shè)、運(yùn)營(yíng)管理單位采用高精度地圖，可以有效提高道路及其附屬設(shè)施的養(yǎng)護(hù)管理水平，建立科學(xué)、規(guī)范的基礎(chǔ)設(shè)施管理養(yǎng)護(hù)體系，實(shí)現(xiàn)道路可視化、信息化和精細(xì)化管理，為車主提供高精準(zhǔn)的信息服務(wù)。

車路協(xié)同系統(tǒng)在設(shè)計(jì)構(gòu)成上大致可分為五大模塊，分別為：

（1）設(shè)備監(jiān)管模塊，主要負(fù)責(zé)接收設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù);

（2）安全輔助模塊，主要對(duì)接入的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，同時(shí)接入高精度地圖信息，并為其他模塊發(fā)送數(shù)據(jù);

（3）分車道定制模塊，處理車道特殊事件數(shù)據(jù)并進(jìn)行信息發(fā)布;

（4）定制服務(wù)模塊，可根據(jù)事件結(jié)果信息形成不同場(chǎng)景的控制策略，并上傳相關(guān)平臺(tái);

（5）信息安全模塊，對(duì)各種信息流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)和安全分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)安全隱患、漏洞的及時(shí)預(yù)警。

系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示。

3? ? 結(jié)語(yǔ)

在當(dāng)代“建設(shè)交通強(qiáng)國(guó)”的背景下，智慧高速既是未來(lái)交通發(fā)展的新理念，也是國(guó)家重要的發(fā)展戰(zhàn)略。智慧高速的建設(shè)理念也慢慢融入了機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，越來(lái)越多地體現(xiàn)出“以人為本”的設(shè)計(jì)新思路。智慧高速公路中的機(jī)電系統(tǒng)構(gòu)成較為龐大和復(fù)雜，前期投入巨大，在前期設(shè)計(jì)中可以分為多個(gè)階段來(lái)實(shí)施，前期可以利用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、北斗高精定位等逐漸提升高速公路的智慧化水平和服務(wù)水平，并為今后的發(fā)展提前布設(shè)好接口;后期可以建設(shè)自己的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋系統(tǒng)、高精度定位差分站等，真正實(shí)現(xiàn)“人、車、路”一體協(xié)同發(fā)展的智慧化、智能化高速公路。

[參考文獻(xiàn)]

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[2] 周蘭孫，鄭豆豆.基于高速公路ETC門架收費(fèi)設(shè)施的車路協(xié)同系統(tǒng)探討[J].中國(guó)交通信息化，2020（11）：99-101.

收稿日期：2021-08-17

作者簡(jiǎn)介：沈雄斌（1984—），男，福建泉州人，工程師，研究方向：高速公路通信系統(tǒng)。