基于5G的高速公路運(yùn)營(yíng)管理優(yōu)化研究

胡永愷 徐觀潮 楊陽(yáng)

摘要 5G作為新一代通信技術(shù)演進(jìn)升級(jí)的重要方向，是實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)的關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施、經(jīng)濟(jì)社會(huì)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要驅(qū)動(dòng)力量。在交通領(lǐng)域，5G的應(yīng)用范圍廣泛?；跍麑幐咚俟返倪\(yùn)營(yíng)管理優(yōu)化需求及5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)現(xiàn)狀，文章提出應(yīng)用5G的高寬帶、超低時(shí)延、廣連接等特點(diǎn)，在高速公路實(shí)施路面病害巡查、清排障作業(yè)過(guò)程信息實(shí)時(shí)回傳、提高養(yǎng)護(hù)效率與質(zhì)量、清排障效率，助力智慧高速公路建設(shè)進(jìn)程。

關(guān)鍵詞 5G;高速公路;運(yùn)營(yíng)管理;病害巡查;清排障;指揮調(diào)度

中圖分類號(hào) TN929.5;U495 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）03-0022-03

0 引言

5G建設(shè)是新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)重要領(lǐng)域之一。如何將先進(jìn)的通信技術(shù)有機(jī)地融合運(yùn)用于整個(gè)交通運(yùn)輸管理體系，實(shí)現(xiàn)智慧管理、智慧服務(wù)、運(yùn)營(yíng)管理、應(yīng)急管理，為公眾提供智慧化出行服務(wù)具有較強(qiáng)的研究意義。

1 研究背景與現(xiàn)狀

高瑋陽(yáng)[1]等基于5G技術(shù)趨勢(shì)與高速公路現(xiàn)階段的發(fā)展現(xiàn)狀，初步闡明了5G技術(shù)在高速公路行業(yè)的主要應(yīng)用場(chǎng)景。吳冬升[2]等通過(guò)構(gòu)建“感知、通信、計(jì)算”三方面技術(shù)能力，提出了高速公路5G智能網(wǎng)聯(lián)方案，介紹了典型的5G智能網(wǎng)聯(lián)應(yīng)用包括高速公路物流應(yīng)用和高速公路治堵。田芳[3]等針對(duì)高速公路精細(xì)化巡檢管養(yǎng)作業(yè)需遠(yuǎn)距離、長(zhǎng)滯空、超高清視頻實(shí)時(shí)傳輸?shù)男枨?，設(shè)計(jì)了一套基于5G網(wǎng)絡(luò)的無(wú)人機(jī)高速公路自動(dòng)化巡檢管養(yǎng)系統(tǒng)。董明明[4]等借助5G通信技術(shù)搭建空中與地面通信網(wǎng)絡(luò)，保證無(wú)人機(jī)在遇到隨機(jī)障礙物時(shí)可保持最小安全間距。

隨著全國(guó)新基建的穩(wěn)步推進(jìn)，5G在高速公路周邊的覆蓋也日益完整。以滬寧高速江蘇段為例，全線248 km建設(shè)有500多個(gè)基站，經(jīng)實(shí)測(cè)，5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋率達(dá)到96%，成功切換率達(dá)99%，平均下載速度達(dá)400 Mbps，基本實(shí)現(xiàn)了5G信號(hào)全覆蓋，為5G設(shè)備的應(yīng)用推廣奠定了基礎(chǔ)。

2 高速公路5G網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀及業(yè)務(wù)通信需求分析

2.1 養(yǎng)護(hù)業(yè)務(wù)通信需求

養(yǎng)護(hù)管理業(yè)務(wù)場(chǎng)景主要包括路面、路基、橋涵、綠化、沿線設(shè)施五個(gè)部分，主要依靠人工檢查和人工養(yǎng)護(hù)的方式，其中養(yǎng)護(hù)巡查過(guò)程中病害上報(bào)、養(yǎng)護(hù)作業(yè)過(guò)程中的遠(yuǎn)程溝通采用移動(dòng)電話或無(wú)線對(duì)講機(jī)的通信方式。

其中路面檢測(cè)主要依靠肉眼觀測(cè)，巡檢人員兩人一組駕乘巡查車(chē)上路檢測(cè)，一般行駛于外側(cè)車(chē)道或應(yīng)急車(chē)道，當(dāng)發(fā)現(xiàn)病害后下車(chē)觀測(cè)確認(rèn)。重要結(jié)構(gòu)物或病害多發(fā)路段同樣需要下車(chē)觀測(cè)，必要時(shí)與調(diào)度中心聯(lián)絡(luò)，進(jìn)行占道施工養(yǎng)護(hù)。每年會(huì)安排外協(xié)單位進(jìn)行一次視頻檢測(cè)，以攝像頭拍攝道路視頻進(jìn)行圖像處理，獲取病害檢測(cè)報(bào)表，然后安排相應(yīng)養(yǎng)護(hù)工作。

養(yǎng)護(hù)從巡查到作業(yè)整個(gè)業(yè)務(wù)流程中目前主要依靠人工，存在工作效率低，養(yǎng)護(hù)不及時(shí)的問(wèn)題。通過(guò)視頻監(jiān)測(cè)能夠大幅度提升病害檢測(cè)效率。養(yǎng)護(hù)巡查過(guò)程中需要對(duì)全線路面進(jìn)行拍攝，然后依靠圖像處理技術(shù)識(shí)別路面病害，同時(shí)還需要樁號(hào)識(shí)別算法進(jìn)行位置匹配，因此對(duì)于算力有較高的需求。就當(dāng)前4G技術(shù)應(yīng)用數(shù)據(jù)來(lái)看，在人力、算法都以最大效率工作的情況下，圖像識(shí)別處理將產(chǎn)生大約20 min的時(shí)延。如果是在大范圍路段檢查范圍的情況下，需要半天到一天的時(shí)間才能獲取病害報(bào)告。高速公路由于車(chē)輛運(yùn)行速度快，路面病害、拋灑物等異常事件將對(duì)車(chē)輛通行安全造成很大的影響，采用5G手段對(duì)圖像進(jìn)行處理，盡可能地縮短檢測(cè)時(shí)間，爭(zhēng)分奪秒，應(yīng)修盡修，保障車(chē)輛通行安全。

2.2 清排障業(yè)務(wù)需求

清排障業(yè)務(wù)流程包括信息接收、出車(chē)安排、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)、返程這幾個(gè)步驟，當(dāng)前滬寧高速清排障的主要流程分為以下幾個(gè)階段：

事故信息的接收：目前調(diào)度中心主要依靠人工報(bào)警或者監(jiān)控視頻巡視發(fā)現(xiàn)交通事故，然后由調(diào)度中心利用駐點(diǎn)值班手機(jī)將事故信息告知清障人員，同時(shí)通過(guò)云調(diào)度系統(tǒng)手機(jī)App（單兵設(shè)備或私人手機(jī)）告知清障人員，清障人員獲得工單。

清障出車(chē)、到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)以及現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)過(guò)程全紀(jì)錄：清障執(zhí)勤人員將清障車(chē)剛到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)的照片、作業(yè)過(guò)程中的照片、作業(yè)完成后撤離現(xiàn)場(chǎng)的照片、到達(dá)收費(fèi)站后車(chē)輛解拖的照片上傳至手機(jī)App，然后核實(shí)駕駛員身份信息、車(chē)輛信息、里程等，進(jìn)行費(fèi)用支付。

清障作業(yè)操作稽核：清障完成之后，根據(jù)路側(cè)監(jiān)控視頻記錄下的操作過(guò)程進(jìn)行稽核。

從整個(gè)清排障作業(yè)流程來(lái)看，由于清排障需要保證業(yè)務(wù)的強(qiáng)機(jī)動(dòng)性。在清排障作業(yè)過(guò)程中，需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)狀況拍攝視頻或圖片，記錄事故發(fā)生到處理的全過(guò)程，一方面便于調(diào)度中心對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況實(shí)時(shí)把控，采取相應(yīng)的管控措施，另一方面記錄清排障作業(yè)流程，便于后期審核和優(yōu)化。拍照過(guò)程比較繁瑣，不利于現(xiàn)場(chǎng)交通的快速恢復(fù)。

3 面向高速公路運(yùn)營(yíng)管理優(yōu)化的5G應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)

3.1 基于5G車(chē)載設(shè)備的路面病害巡查應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)

3.1.1 應(yīng)用場(chǎng)景介紹

養(yǎng)護(hù)巡檢是高速公路養(yǎng)護(hù)中的第一步，當(dāng)前高速公路主要采用人工方式進(jìn)行每日巡檢，漏檢率高，效率低，當(dāng)發(fā)現(xiàn)特殊情況時(shí)巡檢人員需要對(duì)病害進(jìn)行拍照，下車(chē)拍照存在一定的安全隱患。

在高速公路巡查車(chē)上裝配車(chē)載高清高速相機(jī)，通過(guò)車(chē)載的高清高速相機(jī)采集路面情況，利用機(jī)器視覺(jué)及人工智能技術(shù)，對(duì)路面病害進(jìn)行智能識(shí)別，實(shí)現(xiàn)路面表觀病害的快速定位與定量檢測(cè)。高速公路車(chē)載高清高速相機(jī)的養(yǎng)護(hù)巡查車(chē)通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸高清視頻、圖像數(shù)據(jù)以及路面病害檢測(cè)結(jié)果至養(yǎng)護(hù)管理平臺(tái)。

場(chǎng)景主要功能如下：

（1）病害檢測(cè)：將視頻攝像頭安裝于車(chē)頭位置，車(chē)輛按照正常速度行駛，拍攝沿線路面視頻。車(chē)輛視頻可清晰檢測(cè)的范圍一般為3條車(chē)道，車(chē)輛行駛于中間車(chē)道，對(duì)中間車(chē)道和兩側(cè)車(chē)道路面進(jìn)行拍攝。拍攝數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳，車(chē)內(nèi)平板和遠(yuǎn)程PC端可對(duì)視頻角度進(jìn)行操作。

（2）病害位置定位：攝像頭在拍攝沿線道路路面視頻的同時(shí)，對(duì)道路沿線的里程樁和百米樁進(jìn)行拍攝，利用圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)道路樁號(hào)進(jìn)行識(shí)別，利用差分法等計(jì)算方式將病害與道路樁號(hào)進(jìn)行對(duì)應(yīng)。

（3）病害詳情：路面智能巡查數(shù)據(jù)包括路面平整度、破損、異常跳車(chē)、附屬設(shè)施完整性等，設(shè)備安裝于巡查車(chē)上，數(shù)據(jù)每天更新。數(shù)據(jù)需要進(jìn)行圖像識(shí)別運(yùn)算，最快可15～20 min形成檢測(cè)報(bào)告?？紤]到實(shí)際病害檢測(cè)任務(wù)的開(kāi)展，一般可在半個(gè)工作日之后獲取報(bào)告。

（4）病害統(tǒng)計(jì)與跟蹤：根據(jù)業(yè)務(wù)需求對(duì)病害嚴(yán)重等級(jí)、類別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)梳理，并針對(duì)病害發(fā)育程度進(jìn)行跟蹤。對(duì)常發(fā)性病害進(jìn)行重點(diǎn)跟蹤，輔助日常業(yè)務(wù)管理。

3.1.2 5G應(yīng)用可行性分析

當(dāng)前養(yǎng)護(hù)檢查需要養(yǎng)護(hù)人員停車(chē)并下車(chē)人工采集檢測(cè)器檢測(cè)數(shù)據(jù)，容易對(duì)道路通行產(chǎn)生影響，從而造成車(chē)輛的擁堵，并且高速公路上車(chē)輛行駛速度快，有可能也會(huì)造成交通事故。傳統(tǒng)技術(shù)傳輸速度較慢，并且所能連接的設(shè)備數(shù)量少，而5G技術(shù)比現(xiàn)有技術(shù)傳輸速率更快，能夠保證車(chē)輛高速行駛狀態(tài)下穩(wěn)定的通信交互，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)護(hù)人員不停車(chē)的檢測(cè)數(shù)據(jù)采集。

5G網(wǎng)絡(luò)帶寬高、低延時(shí)、傳輸速率大，能夠支撐更高清晰度的視頻、圖片傳輸;其次，高速公路病害分為不同類型、不同檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，在檢測(cè)過(guò)程中生成海量數(shù)據(jù)，5G網(wǎng)絡(luò)能夠提高系統(tǒng)算力，降低系統(tǒng)處理海量病害數(shù)據(jù)的時(shí)間，5G與其他無(wú)線通信技術(shù)的指標(biāo)對(duì)比如表1所示。

3.2 基于車(chē)載5G攝像機(jī)的清障實(shí)時(shí)視頻獲取

3.2.1 應(yīng)用場(chǎng)景介紹

為了保障清障過(guò)程中監(jiān)測(cè)清障人員工作規(guī)范與安全，能夠?qū)毫犹鞖夂鸵归g等視線不良條件下事故情況的觀測(cè)與作業(yè)監(jiān)管，并輔助管理人員在重大事故發(fā)生后能夠近距離清晰觀測(cè)事故情況進(jìn)行遠(yuǎn)程指揮，提出基于車(chē)載5G攝像機(jī)的實(shí)時(shí)視頻獲取應(yīng)用場(chǎng)景。

通過(guò)在清障車(chē)上安裝5G高清紅外攝像頭，憑借移動(dòng)5G網(wǎng)絡(luò)“高速率、低時(shí)延”的優(yōu)勢(shì)，清障人員可在第一時(shí)間將事故現(xiàn)場(chǎng)高清圖像“秒傳”至后臺(tái)指揮中心，為事故現(xiàn)場(chǎng)救援、清障提供即時(shí)、準(zhǔn)確、高效的指揮和調(diào)度保障。

場(chǎng)景主要功能如下：

實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控：進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控，無(wú)線車(chē)載終端支持實(shí)時(shí)視頻遠(yuǎn)程瀏覽，可在監(jiān)控中心遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控高清車(chē)輛視頻。

3.2.2 5G應(yīng)用可行性分析

道路巡查車(chē)輛和清障車(chē)輛之間的網(wǎng)絡(luò)通信要求具備實(shí)時(shí)性和便捷性。高速公路上現(xiàn)有的光纖通信無(wú)法滿足這些特點(diǎn)，而短程通信距離較短，不具備可行性（參見(jiàn)表2）。此外對(duì)于清障指令的傳輸及時(shí)性要求高。5G技術(shù)利用“宏基站+微基站”方式，傳輸穩(wěn)定性好、傳輸距離長(zhǎng)，能較大程度上提高事故發(fā)現(xiàn)和處理效率。

3.3 系統(tǒng)架構(gòu)

基于高速公路運(yùn)營(yíng)管理優(yōu)化需求及5G技術(shù)特點(diǎn)，提出基于5G車(chē)載設(shè)備的路面病害巡查應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)?；谲?chē)載5G攝像機(jī)的清障實(shí)時(shí)視頻獲取兩類應(yīng)用場(chǎng)景，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

（1）應(yīng)用層主要包括路面病害養(yǎng)護(hù)、清障實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控兩部分功能。

（2）智能分析平臺(tái)主要處理視頻數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)主要進(jìn)入大數(shù)據(jù)算法平臺(tái)，首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗處理，然后進(jìn)行流式計(jì)算，調(diào)用模型，如果觸發(fā)模型則通知高速公路其他系統(tǒng)進(jìn)行處理。視頻數(shù)據(jù)則進(jìn)入視頻平臺(tái)，首先對(duì)視頻流進(jìn)行處理，然后對(duì)視頻進(jìn)行分析，主要是視頻流分析、視頻解碼和目標(biāo)分析，分析出來(lái)結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)。

（3）物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)主要分為設(shè)備接入網(wǎng)關(guān)、設(shè)備注冊(cè)中心、消息網(wǎng)關(guān)、規(guī)則引擎和管理配置中心。

（4）設(shè)備層目前支持2種類型設(shè)備，包括養(yǎng)護(hù)巡查車(chē)外置云臺(tái)攝像機(jī)、清障車(chē)外置車(chē)載攝像機(jī)。

4 結(jié)論

該文探討了面向高速公路運(yùn)營(yíng)管理優(yōu)化需求的5G應(yīng)用場(chǎng)景建設(shè)，提出基于5G車(chē)載設(shè)備的路面病害巡查、基于車(chē)載5G攝像機(jī)的清障實(shí)時(shí)視頻獲取兩種應(yīng)用場(chǎng)景，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，這兩類應(yīng)用場(chǎng)景具有較高5G應(yīng)用可行性。隨著5G技術(shù)的不斷發(fā)展，將面向高速公路的5G+應(yīng)用場(chǎng)景建設(shè)與大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、數(shù)字孿生等技術(shù)融合運(yùn)用，對(duì)高速公路的智慧化發(fā)展具有重要意義。

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