現(xiàn)階段智慧高速公路建設(shè)現(xiàn)狀梳理及發(fā)展趨勢(shì)分析

凃云峰、李加志、楊徐杰、馬衛(wèi)、趙秋

（曲靖中建曲昆高速公路投資開(kāi)發(fā)有限公司，云南曲靖 655000）

0 引言

高速公路是連通城市，承載政治、文化、社會(huì)的重要載體，也是服務(wù)民生、推動(dòng)國(guó)家現(xiàn)代化進(jìn)程的重要支柱。我國(guó)高速通車?yán)锍坛掷m(xù)居于世界第一，路網(wǎng)巨大規(guī)模效應(yīng)逐步顯現(xiàn)，交通運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)化特征顯著。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能化、智慧化公路的概念不斷浮現(xiàn)，智慧高速的概念最早由Ferrari 于1986 年提出，著眼以智能方式并應(yīng)用新技術(shù)來(lái)改變高速公路的運(yùn)行模式。進(jìn)入21 世紀(jì)，隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新興技術(shù)的出現(xiàn)，智慧高速公路被定義為利用傳感、通信、信息、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能和綠色能源等高新科技，在高速公路上布設(shè)相應(yīng)的設(shè)施設(shè)備，并建設(shè)有交通運(yùn)行控制中心，以實(shí)現(xiàn)汽車駕駛更安全、更快速、更綠色的高速公路。

1 國(guó)內(nèi)典型智慧高速公路建設(shè)分析

20 世紀(jì)末，我國(guó)開(kāi)始在高速公路上開(kāi)展以全域監(jiān)控、信息傳輸、聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)為基礎(chǔ)的信息化建設(shè)。2011 年，浙江省將智慧高速建設(shè)列為智慧城市建設(shè)的重點(diǎn)示范建設(shè)項(xiàng)目。

2014 年，“新一代國(guó)家交通控制網(wǎng)”的概念被提出，即通過(guò)建立全智慧的車路協(xié)同平臺(tái)，對(duì)全路段、全時(shí)空以及車輛實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。同年交通運(yùn)輸部提出發(fā)展綜合、智慧、綠色和平安交通的發(fā)展思路，為各地開(kāi)展智慧高速公路建設(shè)提供了政策支持，我國(guó)全面進(jìn)入智慧高速公路建設(shè)新時(shí)代。

1.1 兩徽高速

兩徽高速的“智慧公交建平臺(tái)”子平臺(tái)、“智慧高速”綜合管理云平臺(tái)已建成投用，利用公路、立交、橋隧等重點(diǎn)區(qū)域的視頻監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和收費(fèi)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)全路段云聯(lián)網(wǎng)視頻監(jiān)測(cè)。利用互聯(lián)網(wǎng)出行數(shù)據(jù)和數(shù)字地圖進(jìn)行精準(zhǔn)定位，實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)施設(shè)備和環(huán)境的實(shí)時(shí)、全面、深度感知。集成視頻云監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)視頻實(shí)時(shí)播放、智能分析和智慧監(jiān)測(cè)，與上級(jí)云平臺(tái)流暢銜接，并自動(dòng)執(zhí)行路網(wǎng)態(tài)勢(shì)感知、視頻事件識(shí)別、綜合業(yè)務(wù)分析等任務(wù)，顯著提高公路運(yùn)營(yíng)管理效能與智慧化水平。

1.2 西安外環(huán)高速

西安外環(huán)高速南段作為交通運(yùn)輸部“交通強(qiáng)國(guó)”智能高速公路建設(shè)、運(yùn)營(yíng)與管理的試點(diǎn)工程，依托已有橋梁結(jié)構(gòu)和設(shè)施，針對(duì)項(xiàng)目的特點(diǎn)及難點(diǎn)，提出了一套完整的橋梁工程全壽命周期管理體系，建立一個(gè)可共享的橋梁三維數(shù)字仿真環(huán)境系統(tǒng)。項(xiàng)目以白鹿原等橋隧工程為載體，在設(shè)計(jì)和施工中應(yīng)用BIM 技術(shù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，組建橋隧建設(shè)BIM 聯(lián)合管理系統(tǒng)。并在施工關(guān)鍵環(huán)節(jié)建立信息化管理監(jiān)控子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)信息的圖形化和實(shí)時(shí)可視化，為各工程參與單位合作辦公和施工控制提供統(tǒng)一的資源和信息共享平臺(tái)[1]。

1.3 成宜高速

成宜高速作為四川首條全要素全覆蓋智慧高速，其整體建設(shè)主要包括三部分。

一是選取試點(diǎn)路段并配套建設(shè)自動(dòng)駕駛基礎(chǔ)設(shè)施，達(dá)到支撐L4 級(jí)自動(dòng)駕駛要求的標(biāo)準(zhǔn)。

二是基于“車路協(xié)同”技術(shù)提升路網(wǎng)運(yùn)營(yíng)水平，構(gòu)建完善的路網(wǎng)感知和管控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)視頻智能分析、突發(fā)事件預(yù)判和自動(dòng)報(bào)警等功能。

三是依托數(shù)字化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)全面打造智慧高速，實(shí)現(xiàn)高速公路全線5G 網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，支撐數(shù)據(jù)的高效傳輸。

1.4 石渝高速

石渝高速配備了700 多臺(tái)車路協(xié)同設(shè)備，是目前規(guī)模最大、最復(fù)雜、最通達(dá)的C-V2X 車路協(xié)同常態(tài)化運(yùn)行智慧高速，能夠輔助智能網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下的車輛安全駕駛。通過(guò)部署大量的路側(cè)傳感設(shè)備（C-V2X RSU）和計(jì)算機(jī)顯示設(shè)備，如攝像頭、視覺(jué)傳感器、雷達(dá)、水位傳感器等，確保C-V2X 網(wǎng)絡(luò)在隧道等關(guān)鍵區(qū)域充分覆蓋。當(dāng)發(fā)生特殊情況時(shí)，信息將及時(shí)傳輸至人工智能專家決策系統(tǒng)中進(jìn)行自動(dòng)處理和報(bào)警，有效確保異常情況的快速發(fā)現(xiàn)、及時(shí)通知、正確處置。從中長(zhǎng)期來(lái)看，能夠?yàn)楦叩燃?jí)自動(dòng)駕駛車輛提供交互式駕駛體驗(yàn)服務(wù)，對(duì)于智慧交通的發(fā)展意義重大。

2 國(guó)外智慧高速建設(shè)發(fā)展趨勢(shì)分析

國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家早在20 世紀(jì)80 年代就開(kāi)始了智慧高速公路的建設(shè)實(shí)踐，并于21 世紀(jì)初就形成了一定體量的建設(shè)規(guī)模。

近十年來(lái)，隨著信息傳輸、實(shí)時(shí)通信、云霧平臺(tái)等技術(shù)的萌發(fā)，新興技術(shù)不斷應(yīng)用到智慧高速的建設(shè)中，現(xiàn)已形成以路側(cè)合作交互的智能交通為引領(lǐng)的通道級(jí)別高速公路，形成一批可推廣、可借鑒的建設(shè)、研發(fā)和運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)。

以美國(guó)為首的美洲智慧高速建設(shè)主要圍繞兩個(gè)層面開(kāi)展。

一是打造面向運(yùn)營(yíng)商的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)智慧高速通道。自1997 年美國(guó)各州開(kāi)展城市間智慧高速建設(shè)試點(diǎn)，到現(xiàn)在基本形成了輻射多區(qū)域的區(qū)域級(jí)智慧高速通道，并配套建設(shè)了集收費(fèi)、運(yùn)行、維護(hù)、巡查于一體的運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)。

二是打造面向用戶的智慧高速車路協(xié)同系統(tǒng)。通過(guò)執(zhí)行和傳輸路側(cè)指令以及車輛間的交互信息提供車輛信息服務(wù)。通過(guò)不斷完善互聯(lián)車輛和車路交互系統(tǒng)，形成了集面向運(yùn)營(yíng)商、用戶的車輛管理和公路監(jiān)測(cè)等基本智能化運(yùn)行的智慧高速。

歐洲開(kāi)展了以提升運(yùn)輸服務(wù)水平為目標(biāo)的主動(dòng)交通管理建設(shè)，包括Easyway 項(xiàng)目和合作式智能交通系統(tǒng)戰(zhàn)略。Easyway 項(xiàng)目中，意大利等國(guó)家形成以智能道路計(jì)劃、高效公路網(wǎng)絡(luò)和快速通道為核心的發(fā)展路徑，并開(kāi)展參與者實(shí)時(shí)信息服務(wù)、運(yùn)營(yíng)者實(shí)時(shí)管理服務(wù)、客貨運(yùn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)服務(wù)于一體的智能高速建設(shè)。合作式智能交通系統(tǒng)戰(zhàn)略是指創(chuàng)建更互聯(lián)、更安全的道路，道路可與車上的用戶進(jìn)行通信，通過(guò)新技術(shù)實(shí)時(shí)提供有關(guān)交通、事故、天氣等信息，以提高旅行舒適度和更好的基礎(chǔ)設(shè)施管理?，F(xiàn)階段的歐洲主動(dòng)交通管理建設(shè)方案將逐步擴(kuò)展到整個(gè)綜合運(yùn)輸系統(tǒng)[2]。

亞洲發(fā)達(dá)國(guó)家中的日本與韓國(guó)對(duì)技術(shù)與戰(zhàn)略計(jì)劃提出了不同方案。日本提出了ETC2.0 戰(zhàn)略，在現(xiàn)有ETC 建設(shè)水平上，整合車內(nèi)智能終端，與路側(cè)基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交互，實(shí)現(xiàn)ETC 聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)、車路協(xié)同指令接收和控制。韓國(guó)2018 年實(shí)施了Smart Highway戰(zhàn)略，提出面向用戶的智慧高速公路建設(shè)網(wǎng)絡(luò)，以適應(yīng)未來(lái)電動(dòng)汽車和自動(dòng)駕駛汽車逐漸普及的趨勢(shì)。將打造包括輔助行駛、車路通信控制、多元化信息發(fā)布等業(yè)務(wù)在內(nèi)的服務(wù)，預(yù)計(jì)2030 年末實(shí)現(xiàn)信息化基礎(chǔ)設(shè)施全面鋪設(shè)完成，關(guān)鍵技術(shù)被攻堅(jiān)應(yīng)用。

3 智慧高速建設(shè)創(chuàng)新技術(shù)分析

3.1 先進(jìn)的信息采集和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

3.1.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)

現(xiàn)階段交通數(shù)據(jù)采集技術(shù)主要包括四種方法：

一是路側(cè)數(shù)據(jù)采集，主要采用感應(yīng)磁環(huán)、氣動(dòng)道路管、壓電環(huán)陣列、微波雷達(dá)、超聲波和聲學(xué)傳感器系統(tǒng)、磁力計(jì)探測(cè)器、紅外系統(tǒng)、光探測(cè)和測(cè)距（LIDAR）和視頻圖像探測(cè)器等工具。

二是廣域數(shù)據(jù)收集，主要來(lái)源為道路攝影測(cè)量數(shù)據(jù)、視頻和音頻分析處理數(shù)據(jù)。

三是浮動(dòng)汽車數(shù)據(jù)（FCD）采集，利用浮動(dòng)車來(lái)進(jìn)行交通數(shù)據(jù)采集，基于無(wú)線通信和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）、車牌識(shí)別（LPR）、車載轉(zhuǎn)發(fā)器單元（OBTU）實(shí)現(xiàn)對(duì)交通基礎(chǔ)設(shè)施和道路運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

四是無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)采集，具有強(qiáng)大的動(dòng)態(tài)集成能力、高時(shí)空分辨率和靈活性，也逐漸應(yīng)用于道路安全、交通監(jiān)測(cè)和管理、公路基礎(chǔ)設(shè)施管理等方面[3]。

3.1.2 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

隨著傳感器和大數(shù)據(jù)計(jì)算的發(fā)展，在智慧高速數(shù)據(jù)傳輸方面的應(yīng)用顯著增加。通過(guò)傳感器和多種可視監(jiān)管平臺(tái)系統(tǒng)的聯(lián)合開(kāi)發(fā)，使事物和管理人員能夠在任何地方連接、激活流程和更高效地交換數(shù)據(jù)。隨著高速公路服務(wù)水平的提升，對(duì)高速公路地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)的重要性日益凸顯，微型機(jī)電傳感器（MEMS）技術(shù)逐步被多數(shù)智慧高速建設(shè)所采用。更精密、更微型的傳輸設(shè)備，逐漸成了智慧高速建設(shè)運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵技術(shù)。

3.2 先進(jìn)的道路運(yùn)行監(jiān)測(cè)和管控方案

3.2.1 BIM+SHM 平臺(tái)

BIM+SHM 的組合平臺(tái)能對(duì)交通特性、基礎(chǔ)設(shè)施和環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，因此逐漸被應(yīng)用到智慧高速公路設(shè)計(jì)、管理和維護(hù)領(lǐng)域。通過(guò)應(yīng)用BIM+SHM 平臺(tái)，對(duì)橋梁、高架橋和隧道等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的設(shè)施進(jìn)行快速狀況篩查，實(shí)時(shí)反饋結(jié)構(gòu)完整性和可靠性。為運(yùn)營(yíng)者主動(dòng)獲取智慧高速運(yùn)營(yíng)狀況，提前作出決策提供新視角。

3.2.2 可變車道設(shè)備

動(dòng)態(tài)車道管理（DLM）和硬路肩車道（HSR）是現(xiàn)有智慧高速公路車輛功能動(dòng)態(tài)配置新型策略，即根據(jù)車輛流量、類型等車流屬性的實(shí)時(shí)變化，來(lái)動(dòng)態(tài)變換車道功能或?qū)⒃猜芳畿嚨擂D(zhuǎn)換為附加車道，以提升高速公路容量。通過(guò)車道上的懸浮標(biāo)志指示硬路肩是否對(duì)交通開(kāi)放，并根據(jù)交通狀況更改道路的強(qiáng)制性限速。

采用匝道控制（RM）和協(xié)調(diào)匝道控制（CRC）策略可調(diào)節(jié)進(jìn)入高速公路的車輛數(shù)，以確保最佳的交通運(yùn)行效率。匝道進(jìn)出口由自適應(yīng)交通信號(hào)控制，其信號(hào)時(shí)序由AI 算法提供，通過(guò)分析實(shí)時(shí)流量數(shù)據(jù)來(lái)確定最佳進(jìn)入率，使主干線車流一直處于最佳行駛狀態(tài)[4]。

3.2.3 速度協(xié)調(diào)控制策略

基于變速限制（VSL）和速度協(xié)調(diào)（SH）的控制策略，可在擁堵區(qū)域前或重點(diǎn)監(jiān)測(cè)路段前改變限速，以減少擁堵并提高安全性。能夠根據(jù)交通狀況動(dòng)態(tài)更改車輛的運(yùn)行速度。利用交通傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控運(yùn)行環(huán)境，并將信息發(fā)送至云端以計(jì)算最佳限速。得到運(yùn)行方案后直接提供給CAV 駕駛車輛或者駕駛員，實(shí)現(xiàn)整體調(diào)整。

4 我國(guó)智慧高速發(fā)展趨勢(shì)研判

縱觀我國(guó)高速公路建設(shè)發(fā)展歷程，我國(guó)的建設(shè)更偏向于互聯(lián)互通、可視化和終端平臺(tái)化發(fā)展，即充分發(fā)展現(xiàn)有技術(shù)形成集通信、計(jì)算機(jī)平臺(tái)、前端于一體的智慧高速公路系統(tǒng)。未來(lái)的建設(shè)重點(diǎn)主要在：

第一，形成終端應(yīng)用和云控平臺(tái)為一體的系統(tǒng)架構(gòu)。形成以無(wú)線通信為主要發(fā)展路徑的信息化建設(shè)方案，即在路側(cè)布設(shè)無(wú)線通信網(wǎng)和智能基站等基礎(chǔ)設(shè)施。充分發(fā)揮終端應(yīng)用在智慧交通系統(tǒng)中的重要性，依托智能手機(jī)、車載顯示屏等無(wú)線通信設(shè)備，構(gòu)建車路交互平臺(tái)（DSRC）。將ETC 電子標(biāo)簽、電子車牌、手機(jī)信令數(shù)據(jù)、車載藍(lán)牙設(shè)備所反饋的信息實(shí)時(shí)上傳云控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)車輛終端與控制終端的實(shí)時(shí)交互反饋，為全自動(dòng)駕駛環(huán)境下的信息傳輸、傳遞和指令執(zhí)行奠定技術(shù)基礎(chǔ)[5]。

第二，同步開(kāi)展兼容多種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的路側(cè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。為保證車輛、路側(cè)采集器、云端三者在不同運(yùn)行環(huán)境下均能實(shí)現(xiàn)高速傳輸、低延遲響應(yīng)的數(shù)據(jù)上傳和指令接收，將開(kāi)展適應(yīng)DSRC、RFID、4G+5G、Wi-Fi、C-V2X 以及超高速無(wú)線通信系統(tǒng)(EUHT)在內(nèi)的多種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的通信基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，以及適應(yīng)隧道、河谷等信號(hào)穿透能力較弱區(qū)域的北斗定位和路段識(shí)別終端聯(lián)合服務(wù)的定位基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。通過(guò)建設(shè)信息采集和傳輸系統(tǒng)、車路通信系統(tǒng)、信息增強(qiáng)系統(tǒng)等路側(cè)基礎(chǔ)設(shè)施，保障多元主體間的指令實(shí)時(shí)接收，協(xié)同管理道路運(yùn)輸狀況，滿足為車載終端用戶提供高效服務(wù)的智慧高速建設(shè)需求[6]。

第三，利用多元交通數(shù)據(jù)采集與分析技術(shù)為智慧高速運(yùn)營(yíng)管理提供決策支撐。應(yīng)用LTE－V 車車/車路通信技術(shù)、車輛高精度定位技術(shù)，用于交通監(jiān)控的無(wú)人機(jī)檢測(cè)與處置技術(shù)，集成主要?dú)庀笮畔⒑陀嘘P(guān)部門發(fā)布的氣象數(shù)據(jù)的預(yù)警處置技術(shù)，重要路段變形監(jiān)測(cè)和預(yù)警技術(shù)，路徑誘導(dǎo)處理分析和人車交互技術(shù)等新興數(shù)據(jù)采集與分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)公路的服務(wù)能力進(jìn)行預(yù)警，提升智慧高速公路的信息服務(wù)水平和運(yùn)營(yíng)管理者的管理能力[7]。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，從國(guó)內(nèi)外智慧高速公路建設(shè)發(fā)展的歷程及現(xiàn)狀來(lái)看，結(jié)合我國(guó)現(xiàn)階段較為先進(jìn)的信息數(shù)據(jù)采集和傳輸設(shè)施、道路運(yùn)行監(jiān)測(cè)及管控技術(shù)，可以從系統(tǒng)架構(gòu)、基礎(chǔ)設(shè)施和運(yùn)營(yíng)管理三個(gè)方面對(duì)我國(guó)未來(lái)一段時(shí)間的智慧高速建設(shè)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行研判。