高速公路智慧出行技術(shù)研究與應(yīng)用

江子立

(福建高速福泉高速公路有限公司,福建 福州 350000)

0 引 言

21世紀(jì)隨著人類社會的進步,網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化、信息化、自動化的不斷創(chuàng)新和發(fā)展,推動了智能交通的出現(xiàn)。當(dāng)前,我國正處于新型城鎮(zhèn)化和綠色生態(tài)城市快速發(fā)展的關(guān)鍵時期。隨著信息技術(shù)的巨大發(fā)展和物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展,出現(xiàn)了感知城市、數(shù)字城市、無線城市、智能交通等一系列先進的城市形態(tài),智能交通不同于傳統(tǒng)的交通方式[1]。智能交通突出的是物與物、人與物、人與人之間的互動。同時也體現(xiàn)了人與物的智慧的完美結(jié)合。它的本質(zhì)是利用先進的信息和通信技術(shù),對城市公路各部分的運行信息和關(guān)鍵數(shù)據(jù)進行感知、收集、處理和分析,使系統(tǒng)更智能、更高效、更符合居民生活的各種需求。而高速公路系統(tǒng)是城市與周邊聯(lián)通的重要組成部分。據(jù)官方統(tǒng)計,近10年來,中國城鎮(zhèn)化水平從2000年的36%上升到2010年的49.68%,中國城鎮(zhèn)化率穩(wěn)步上升至57.35%[2]。隨著城市化進程的加快,普通的交通系統(tǒng)已無法承載快速的人口增長,因此,解決高速公路擁堵、高速公路安全、高速公路噪音、高速公路環(huán)境等一系列高速公路問題迫在眉睫。高速公路智慧出行是全面深化交通運輸改革的重要途徑。同時,這也是解決現(xiàn)有高速公路問題的一個突破。

隨著計算機和通信技術(shù)的不斷改進,人們正在開發(fā)和測試新的交通工具,以提高機動性和安全性。其中包括安全駕駛輔助系統(tǒng)、先進的檢測設(shè)備、存儲、處理和分析來自多個來源的數(shù)據(jù)的新方法,以及車輛通信和自動化系統(tǒng)。智慧出行指的是所有類型的車輛與其他車輛、道路基礎(chǔ)設(shè)施以及其他非機動車道路用戶進行無線通信的能力,以支持一系列的安全性、移動性、公共和私營部門感興趣的環(huán)境應(yīng)用。智慧出行可能會給由交通信號控制的城市網(wǎng)絡(luò)的交通性能帶來顯著的額外好處。每輛車的位置、速度、方向等信息都是實時的,這意味著每輛車都是傳感器,可以提供車輛軌跡層面上的連續(xù)交通需求信息。此外,通過車輛與基礎(chǔ)設(shè)施之間的通信,車輛可以獲得交通信號相位和時間的信息,從而為控制策略提供了機會,使車輛能夠在最短的延誤下安全通過交叉口,同時也能最大限度地減少燃油消耗。

1 智能交通的發(fā)展現(xiàn)狀

十九大報告提出了建設(shè)交通強國的宏偉目標(biāo),要求我國必須加快交通系統(tǒng)信息化、智能化的速度,加快交通公路智慧化的建設(shè)[3]。與此同時,中國在交通和基礎(chǔ)設(shè)施方面投入了大量資金。據(jù)中國高速公路協(xié)會統(tǒng)計,2016年,中國完成公路建設(shè)投資17 976億元。其中,完成公路建設(shè)投資82 350億元,我國新公路智能系統(tǒng)市場規(guī)模達到1 730億元,比5年前規(guī)模幾乎翻了一番[4]。目前,高速鐵路、高速公路、城市公路里程分別為2.5萬公里、13萬公里和400萬公里,居世界第一[5]。中國在交通基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域具有天然的、絕對領(lǐng)先的基礎(chǔ)優(yōu)勢。目前,除了推進基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),還在推出交通系統(tǒng)各個行業(yè)發(fā)展智能交通的詳細規(guī)劃。

城市中心人口的增長、對能源效率的需求增加、城際投資競爭以及來自人們的其他需求使城市系統(tǒng)更加緊張。人口增長與城市發(fā)展之間的矛盾日益突出。為了平衡人口和城市發(fā)展的問題,實現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展,建設(shè)更智慧化更高效率的高速公路是當(dāng)務(wù)之急。構(gòu)建高速公路智慧化的三大驅(qū)動力,首先是以物聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能等快速發(fā)展為代表的新一代先進信息技術(shù)。此外,模式創(chuàng)新的趨勢和居民的生活趨向于高效率。此外,國家政策引導(dǎo),鼓勵創(chuàng)新和結(jié)構(gòu)升級。這三大驅(qū)動力從技術(shù)、社會和政策的角度引導(dǎo)社會自發(fā)向智慧化發(fā)展。建設(shè)智能交通是一種有效的實踐形式。以互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)化、產(chǎn)業(yè)智能化、產(chǎn)業(yè)融合為代表;以人工智能、清潔能源、無人控制技術(shù)、量子信息技術(shù)、虛擬現(xiàn)實、生物技術(shù)為基礎(chǔ)的全新技術(shù)革命被視為第四產(chǎn)業(yè)。在這一過程中,各國都抓住了產(chǎn)業(yè)的高度。建設(shè)智能交通是這一過程的重要部分。它不僅是創(chuàng)新思想的大門,而且是科學(xué)和社會經(jīng)濟快速發(fā)展的催化劑。如果中國想在第四次工業(yè)革命的浪潮中走得更遠,就必須加快智能交通等重大智能系統(tǒng)的建設(shè)。

2 高速公路智慧出行服務(wù)的研究規(guī)劃

智慧出行是智能交通的重要組成。交通是城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的核心。其發(fā)展和創(chuàng)新的重要性不言而喻。交通對城市的重要性就等于血管對人的重要性。它擔(dān)負著共享人流、傳遞信息、減輕交通壓力和保護環(huán)境的作用。

2.1 構(gòu)建高速公路智慧出行服務(wù)網(wǎng)絡(luò)

將城市交通網(wǎng)絡(luò)與高速公路的感知采集設(shè)備相結(jié)合,還將應(yīng)用移動通信、傳感器和云計算等先進技術(shù),創(chuàng)建智慧出行交通服務(wù)網(wǎng)絡(luò)。實現(xiàn)了路與車、車與車實時互聯(lián),充分保障交通安全。智能監(jiān)控系統(tǒng)、智能流量觀測系統(tǒng)、實時路況信息系統(tǒng)等智能設(shè)備的應(yīng)用可以大大提高交通運輸效率。設(shè)備技術(shù)的高低決定著智慧服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的整體效率。受限于年代,部分感知設(shè)備的年代較早,受當(dāng)時技術(shù)限制,存在精度質(zhì)量參差不齊、功能不全、響應(yīng)不及時等問題。雖然高速公路智慧化的建設(shè)已經(jīng)取得了初步的成功,但高速公路智慧出行技術(shù)仍有巨大的發(fā)展?jié)摿?。在解決了當(dāng)前的困難后,其發(fā)展速度和給社會帶來的巨大成果是不可想象的。

2.2 構(gòu)建高速公路智能化的應(yīng)急調(diào)度和風(fēng)險預(yù)防系統(tǒng)

利用智能監(jiān)控系統(tǒng)實時觀察交通狀況,預(yù)測可能發(fā)生的交通事故。然后利用衛(wèi)星定位系統(tǒng)及時反饋到現(xiàn)場的交通人員,讓他們在現(xiàn)場指揮,從而避免交通事故。如果不能防止事故的發(fā)生,就要及時做出有效的應(yīng)急決策,指揮調(diào)度,迅速恢復(fù)交通,避免造成重大損失。同時鼓勵應(yīng)用公路智能養(yǎng)護設(shè)備,提高在役交通基礎(chǔ)設(shè)施檢查、檢測、監(jiān)測、評估、風(fēng)險預(yù)警以及養(yǎng)護決策、作業(yè)的快速化、自動化、智能化水平,提升重點設(shè)施自然災(zāi)害風(fēng)險防控能力。將高速公路智慧出行從城市基礎(chǔ)設(shè)施擴展到其他領(lǐng)域,城市基礎(chǔ)交通作為高速公路智慧出行建設(shè)的基礎(chǔ),并擴展到其他領(lǐng)域。例如,城市物流港口、軌道交通、航空和空中交通管制也被納入高速公路智慧出行建設(shè)。打造物流港區(qū)物流信息監(jiān)控系統(tǒng)和公共物流服務(wù)平臺。建立軌道交通綜合管理體系。與地面服務(wù)和機場信息集成的建筑服務(wù)系統(tǒng)和航空空對空綜合系統(tǒng)。基礎(chǔ)交通運輸與物流港口、軌道交通、航空的有機結(jié)合,將有助于完善高速公路智慧出行建設(shè),提高高速公路智慧出行的質(zhì)量。

2.3 建設(shè)多功能更智慧化的新型高速服務(wù)區(qū)

高速公路服務(wù)區(qū)是隨著高速公路里程的延伸而產(chǎn)生的配套服務(wù)設(shè)施,它在提升高速公路司機及乘客出行體驗感方面有著舉足輕重的作用。傳統(tǒng)服務(wù)區(qū)僅定位為出行公眾中途休息、車輛能源補給的基礎(chǔ)性出行服務(wù)場所,隨著智能交通時代的到來及新技術(shù)的疊加應(yīng)用,服務(wù)區(qū)將轉(zhuǎn)變?yōu)閰^(qū)域服務(wù)會客廳、創(chuàng)新交通科技集成應(yīng)用載體、產(chǎn)業(yè)帶動策源地,開展智能停車引導(dǎo)、結(jié)合服務(wù)車輛類型特征及時空規(guī)律分析的個性化服務(wù)、公眾畫像、實時旅游信息指引等創(chuàng)新應(yīng)用,引領(lǐng)出行體驗升級、關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展。

3 高速公路某收費站智慧出行技術(shù)的應(yīng)用研究

3.1 工程概況

試點項目的收費站位于福建省的交通樞紐地帶,收費站建設(shè)之前沒有考慮到后期車流量會急劇增大,選址的收費站中心位置距離匝道口太近且出入口匝道又彎又長,近幾年車流量上升之后,這個收費站在出行高峰時段經(jīng)常發(fā)生擁堵情況,特別是入口匝道方向甚至?xí)碌绞袇^(qū)馬路上。

該方案通過物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、視頻監(jiān)控等技術(shù),實現(xiàn)包括“車輛逆行檢測、 停車占道檢測、 行人檢測、非機動車檢測、壓黃線行駛檢測、拋灑物檢測、火災(zāi)檢測、團霧檢測等功能。具體方案是通過出入口各在高點安裝兩個高清攝像頭錯開角度實現(xiàn)距離收費站100 m范圍內(nèi)的全覆蓋,攝像機的實時圖像傳到收費站的視頻服務(wù)器或硬盤錄像機,乙方科技公司的算法服務(wù)器從收費站舊服務(wù)器提取實時視頻后通過事件檢測的AI算法,判斷是否圖像中有異常事件發(fā)生,如有異常事件實時通過WEB端提醒收費監(jiān)控室,監(jiān)控員查看報警畫面后可以用在攝像機周邊安裝的喊話器發(fā)出警告也可以通知在收費廣場的機動人員進行人工干預(yù)和預(yù)防,甚至可以將收費站實時情況共享到手機導(dǎo)航APP,通過提前軟件預(yù)警來避免擁堵目前世界智能交通已經(jīng)發(fā)展到第三階段,以美國、歐洲、新加坡、日本、韓國為代表的發(fā)達國家及地區(qū)借助新技術(shù)、新理念不斷拓展智慧交通新領(lǐng)域:美國力求實現(xiàn)地面交通網(wǎng)絡(luò)的全面連通;歐洲也在努力創(chuàng)建一個可持續(xù)的交通系統(tǒng),同時注重環(huán)境保護;韓國重點關(guān)注智能精細化管理服務(wù),日本力圖實現(xiàn)人車路協(xié)同的大規(guī)模應(yīng)用。中國在2019年將河北雄安新區(qū)、遼寧省、江蘇省、浙江省、山東省、河南省、湖北省、湖南省、廣西壯族自治區(qū)、重慶市、貴州省、新疆維吾爾自治區(qū)、深圳市等13個地區(qū)為第一批交通強國建設(shè)試點。各地區(qū)的智慧交通試點因不同文化、不同地區(qū)、不同政策等原因而有所不同,但智慧出行服務(wù)大眾相信會是共同發(fā)展的一個重要方向。

3.2 技術(shù)挑戰(zhàn)

高速公路服務(wù)區(qū)是在高速公路上設(shè)置的,主要為車輛、司機和乘客提供服務(wù)場所和施工設(shè)施。高速公路服務(wù)區(qū)與互聯(lián)網(wǎng)融合。形成線上線下互動、需求與資源匹配。智能高速公路服務(wù)區(qū)也是智能高速公路的重要組成部分。智能服務(wù)領(lǐng)域包括行業(yè)主管部門、公路運營商、旅游服務(wù)提供商、交通信息服務(wù)提供商和公眾。高速公路某收費站智慧出行技術(shù)的應(yīng)用一直面臨著諸多障礙,其中只有一些是技術(shù)性障礙。部署成本、資金限制、責(zé)任擔(dān)憂、不確定需求、制度惰性和政治挑戰(zhàn)。在后面的章節(jié)中列出了以新興技術(shù)為重點的常見實現(xiàn)挑戰(zhàn)。

技術(shù)要求。在高速公路某收費站智慧出行技術(shù)需要大量的基礎(chǔ)設(shè)施投資,包括在每個交叉口和車道上的傳感器,以及與交通管理中心的通信。交通信號控制器可能需要升級以支持自適應(yīng)信號控制功能?？赡苄枰饫w通信或信號之間的其他互連,以支持動脈走廊上的自適應(yīng)操作。閉路電視攝像機有助于定位和確認事件,并在自適應(yīng)系統(tǒng)不正常運行的情況下。動態(tài)設(shè)施管理措施的實施需要在大約半英里的距離安裝高架車道控制標(biāo)志。動態(tài)車道管理:對交叉口進場的通行車道的允許利用進行更改,以響應(yīng)實時交通狀況,并通過相關(guān)機制將更改通知接近交交叉口的司機。此外,還可以動態(tài)地指定特殊行車車道(如連續(xù)或間歇公交車道)?；诠潭z測器和移動源的數(shù)據(jù),向高速公路用戶提供實時信息。這可以包括旅行時間和顯示施工區(qū)域位置的地圖,與擁堵的聯(lián)系,以及撞車或其他事故的位置。擁堵的嚴(yán)重程度和延遲的長度也可以提供。導(dǎo)航指導(dǎo)已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn),通常用戶可以比較可用的路線和運輸方式。當(dāng)主路路上的條件由于擁塞、事件或其他情況而惡化,低于規(guī)定的閾值時,還可以提供備用路線指導(dǎo)。信息可以為交通,自行車,步行模式以及駕駛。旅客可以使用他們的手機查找從他們當(dāng)前的位置或從一個預(yù)定的出發(fā)點到一個計劃的目的地的過境路線和時間表,并檢查過境車輛的到達時間。及時、可靠的多式聯(lián)運出行信息的可用性可以作為一種交通需求管理策略,減少乘車輛的道路出行需求。

流量分析工具。交通機構(gòu)現(xiàn)有的交通分析工具是基于人類駕駛車輛的數(shù)據(jù)設(shè)計和校準(zhǔn)的。這些工具不太適合評估智慧出行技術(shù)的應(yīng)用,因為它們無法整合車輛連通性和自動化。嵌入在這些分析工具中的關(guān)系可能不再適用于連接的環(huán)境。在新工具問世之前,各機構(gòu)需要對現(xiàn)有工具的應(yīng)用及其局限性進行具體指導(dǎo)。現(xiàn)有建模和仿真工具的一些關(guān)鍵缺點包括:由于智慧出行技術(shù)的局限性,很難評估各種聯(lián)網(wǎng)車輛場景下的預(yù)期效果(例如,設(shè)備故障、通信延遲問題、典型負載和資源需求)。這使得在特定應(yīng)用中很難評估替代智慧出行技術(shù)的有效性。目前,根據(jù)通信設(shè)備的類型,假定延遲的參數(shù)是固定的。建模駕駛員行為的局限性:現(xiàn)有的仿真工具基于跟車、換道和排隊放行算法對駕駛員行為進行建模。這些算法目前被設(shè)計用來模擬人類行為,并根據(jù)人類駕駛車輛的行駛軌跡進行校準(zhǔn)。

4 應(yīng)用前景

建設(shè)智能交通是一項偉大的工程,而高速公路智慧出行系統(tǒng)則是其中一個重要的環(huán)節(jié)。科技不斷創(chuàng)新和發(fā)展,更智能更高效已成為大勢所趨。基于大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)的真正高速公路智慧出行時代正在到來,新基建下的高速公路建設(shè)也將使智慧出行的發(fā)展達到更高水平,為人類創(chuàng)造更美好的出行環(huán)境。