城市快速路智慧化設(shè)計與研究

吳 平，賈雯麗

（1.中國市政工程西北設(shè)計研究有限公司，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅省土木建筑學會，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

2019 年7 月，交通運輸部印發(fā)的《數(shù)字交通發(fā)展規(guī)劃綱要》指出：加快交通運輸信息化向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展，為交通強國建設(shè)提供支撐。《數(shù)字交通發(fā)展規(guī)劃綱要》規(guī)劃：到2025 年，交通運輸基礎(chǔ)設(shè)施和運載裝備全要素、全周期的數(shù)字化升級邁出新步伐，數(shù)字化采集體系和網(wǎng)絡(luò)化傳輸體系基本建成；到2035 年，交通基礎(chǔ)設(shè)施完成全要素、全周期數(shù)字化，天地一體的交通控制網(wǎng)基本形成，按需獲取的即時出行服務(wù)廣泛應(yīng)用[1]。2019 年9 月，國務(wù)院印發(fā)的《交通強國建設(shè)綱要》提出要大力發(fā)展智慧交通。具體提出：推動大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、區(qū)塊鏈、超級計算等新技術(shù)與交通行業(yè)深度融合；推進數(shù)據(jù)資源賦能交通發(fā)展，加速交通基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)、運輸服務(wù)網(wǎng)、能源網(wǎng)與信息網(wǎng)絡(luò)融合發(fā)展，構(gòu)建先進的交通信息基礎(chǔ)設(shè)施[2]。2020 年8 月，交通運輸部印發(fā)的《推動交通運輸領(lǐng)域新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的指導(dǎo)意見》進一步明確，到2035 年，交通運輸領(lǐng)域新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)取得顯著成效。先進的信息技術(shù)深度賦能交通基礎(chǔ)設(shè)施，精準感知、精確分析、精細管理和精心服務(wù)能力全面提升，成為加快建設(shè)交通強國的有力支撐[3]。

由此可見，道路交通的數(shù)字化、信息化、智慧化已成為城市“新基建”的重要內(nèi)容。本文將從城市快速路智慧化設(shè)計方面進行分析和研究。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

城市道路交通安全和智能化道路受到國外學者的廣泛關(guān)注，由于國情和城市道路發(fā)展階段的不同，研究方向和重點有所不同。

2016 年，Bushra R[4]將無線傳感器應(yīng)用于城市道路，車路協(xié)同有了初步嘗試；2017 年，L Janu?ová 和S ?i?mancová[5]提出交通設(shè)施對道路交通的通暢性和安全性同樣重要，如電子警察、視頻監(jiān)控和GPS 動態(tài)路徑引導(dǎo)均可減少道路交通擁堵；2021 年，Ai Y[6]提出采用深度學習方法對無基座共享單車系統(tǒng)進行短期時空分布預(yù)測。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

智能交通領(lǐng)域在我國起步較晚，但發(fā)展較為迅速。2011 年，清華大學主持了科技部的道路交通課題，對車車交互協(xié)同系統(tǒng)、車路交互協(xié)同系統(tǒng)、車路協(xié)同系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)進行研究，并順利通過課題驗收。

2018 年，張玉輝[7]結(jié)合蘭州的實際情況，提出適宜未來蘭州發(fā)展的智慧交通措施，努力打造“高效暢通、安全便捷、綠色低碳”的智慧化大交通體系，實現(xiàn)道路交通管理精細化、交通信號控制智能化、交通信息服務(wù)人性化、交通規(guī)劃決策科學化；2019 年，楊平等[8]指出，蘭州市通過智慧交通建設(shè)，提高了城市交通擁堵疏解能力，為市民出行帶來了極大的便利；2021 年，劉興璐[9]認為，蘭州的城市交通應(yīng)大力發(fā)展智慧交通建設(shè)，協(xié)同共治，提升道路交通服務(wù)水平。

2 工程概況

本文研究的蘭州市西固區(qū)T018#+T020# 道路位于西固區(qū)東部，工程南起南山路，北至南濱河西路，全長約5 km。工程采用“高架主線+地面輔道”的建設(shè)形式。主線建設(shè)標準為城市快速路，設(shè)計車速60 km/h，采用雙向6 車道；輔道建設(shè)標準為城市主干路，設(shè)計車速40 km/h，采用雙向4 車道。

3 智慧化系統(tǒng)總體設(shè)計

3.1 建設(shè)內(nèi)容

該工程快速路智能化系統(tǒng)的建設(shè)內(nèi)容主要包括交通監(jiān)控中心、監(jiān)控子站、高架快速路智能化系統(tǒng)、地面智能化系統(tǒng)的外場設(shè)施、通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及相關(guān)附屬設(shè)施。

遵循高架集中管控的原則，統(tǒng)籌考慮智慧快速路相關(guān)工程。新建1 處市級快速路交通監(jiān)控中心，采用云架構(gòu)，租用蘭州城市云平臺（IaaS），面向蘭州全市快速路建設(shè)、管理、運行監(jiān)測和應(yīng)急指揮，支撐不間斷全天候路網(wǎng)實時監(jiān)控、路網(wǎng)誘導(dǎo)、交通管控、快速路養(yǎng)護運行管理等業(yè)務(wù)。

高架快速路智能化系統(tǒng)重點設(shè)計高架交通管控系統(tǒng)、高架視頻監(jiān)控系統(tǒng)、入口匝道控制系統(tǒng)、（高架）交通信息采集系統(tǒng)、（高架）交通信息發(fā)布系統(tǒng)、橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)、橋梁防撞預(yù)警系統(tǒng)以及快速路自動駕駛測試環(huán)境支撐系統(tǒng)。

3.2 智慧平臺框架

根據(jù)蘭州市快速路智慧監(jiān)測管控及運營養(yǎng)護平臺實際業(yè)務(wù)特點和相關(guān)需求，實現(xiàn)全面物聯(lián)、充分整合，強化交通信息匯集、融合、分析和服務(wù)功能，構(gòu)建交通實時感知、資源充分整合、系統(tǒng)協(xié)同運作、信息全面服務(wù)、交通智能監(jiān)管的快速路交通監(jiān)控和服務(wù)系統(tǒng)。

系統(tǒng)總體框架設(shè)計形成三層架構(gòu)：

（1）由高架快速路各類智能化設(shè)備構(gòu)建設(shè)備層，提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集。

（2）通過路側(cè)智能網(wǎng)關(guān)以及視頻專網(wǎng)、信號控制專網(wǎng)、信息發(fā)布專網(wǎng)構(gòu)建系統(tǒng)通信層。

（3）核心平臺層采用1+N+M 的云平臺架構(gòu)模式。

3.3 中心智能化集成平臺設(shè)計

該工程基于上述平臺架構(gòu)，頂層建設(shè)中心智能化集成平臺，其職能定位是針對平臺轄區(qū)的全局智能化頂層監(jiān)測和管控，并且部署大數(shù)據(jù)分析研判職能、總體運營及養(yǎng)護的監(jiān)管、全流程業(yè)務(wù)監(jiān)管和督查以及對外部的統(tǒng)一信息服務(wù)。

3.4 專項業(yè)務(wù)系統(tǒng)集成平臺設(shè)計

根據(jù)項目轄區(qū)，按照相應(yīng)規(guī)范和規(guī)則劃分分管區(qū)域路段，并相應(yīng)地建設(shè)專項業(yè)務(wù)系統(tǒng)集成平臺對其進行管理。該平臺是轄區(qū)信息采集及下層應(yīng)用子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成平臺。

3.5 應(yīng)用支撐子系統(tǒng)設(shè)計

在專項業(yè)務(wù)子系統(tǒng)集成平臺下層建設(shè)應(yīng)用支撐子系統(tǒng)，主要包括交通地理信息服務(wù)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分布式存儲和管理系統(tǒng)、視頻圖像存儲與管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)交換共享系統(tǒng)、機房及環(huán)境監(jiān)控采集系統(tǒng)、統(tǒng)一化應(yīng)用部署與管理系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)與云計算環(huán)境開發(fā)、InSAR 數(shù)據(jù)購買及數(shù)據(jù)融合、BIM 協(xié)同接口開發(fā)、系統(tǒng)接口定制開發(fā)、動態(tài)仿真系統(tǒng)開發(fā)、三維激光掃描及傾斜攝影建模等。

4 高架快速路智能化系統(tǒng)

4.1 高架交通管控系統(tǒng)

4.1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

快速路交通管控系統(tǒng)采用“主線誘導(dǎo)、匝道控制”的交通監(jiān)控策略，通過道路交通信息的采集和誘導(dǎo)信息的發(fā)布，可以誘導(dǎo)交通流避開擁擠的道路，選擇一條相對通暢的路徑到達目的地，從而實現(xiàn)對快速路主線、輔道及周邊主要地面道路間的道路資源整合，有效平衡市域路網(wǎng)的交通流量。

快速路出入口控制系統(tǒng)的功能主要包括信息的采集、多級策略的調(diào)控、信號的協(xié)調(diào)、信息的發(fā)布，以及與多系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)等。快速路出入口控制系統(tǒng)在總體架構(gòu)上從策略層、管控層和執(zhí)行層3 個層次實現(xiàn)系統(tǒng)信息采集、多級調(diào)控、日常管理和系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的功能。

4.1.2 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)功能設(shè)計主要有快速路入口匝道控制系統(tǒng)、快速路交通違法監(jiān)測系統(tǒng)和交通事件檢測系統(tǒng)。

快速路匝道控制采用在入口匝道處及出口匝道相連輔道上設(shè)置信號燈的方式，調(diào)節(jié)進出快速路的交通流，使匝道交通流進出有度、有序，避免快速路上形成交通瓶頸。為此，在進行匝道信號控制時，應(yīng)從城市快速路的交通特性、控制策略、配時方法及協(xié)調(diào)效果等方面予以考慮。

4.1.3 建設(shè)內(nèi)容

一是復(fù)合功能攝像機。在上匝道處匝道控制燈、交通標志等設(shè)備位置，以龍門架形式設(shè)置復(fù)合視頻攝像機，在主線距離匝道上下游0.5～1.5 km 的位置布置復(fù)合視頻攝像機，以采集匝道及主線上下游交通流量、車速及車輛特征等。二是匝道控制燈。在入口匝道前布置車道信號燈。三是在入口匝道匯入主線處的兩側(cè)防撞墻上，布置交通信號燈、誘導(dǎo)板、通信設(shè)備、管道、線纜等。

4.2 高架交通信息采集系統(tǒng)

4.2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

交通信息采集系統(tǒng)主要采集交通視頻信息、交通違章信息、交通流信息、道路環(huán)境信息和氣象信息等。上述信息經(jīng)信息采集系統(tǒng)及其他系統(tǒng)采集后，依靠中心處理計算機進行綜合分析處理，通過數(shù)據(jù)交換平臺與其他系統(tǒng)如交通信號控制系統(tǒng)、交通信息發(fā)布誘導(dǎo)系統(tǒng)實現(xiàn)信息共享，為其他系統(tǒng)的控制運行提供決策依據(jù)和觸發(fā)條件。

采集系統(tǒng)構(gòu)架見圖1。

圖1 高架快速路交通流信息采集系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

4.2.2 系統(tǒng)功能

交通信息采集系統(tǒng)是交通信息發(fā)布、交通信號控制等多個智能交通系統(tǒng)的基礎(chǔ)，用于為道路交通運行狀態(tài)的判別、交通信息的發(fā)布提供數(shù)據(jù)支持。其主要功能是對過往車輛計數(shù)、測速、車型分類，分析、計算斷面的交通流量、占有率、瞬時速度、區(qū)間速度等交通參數(shù)，以此判斷道路擁擠狀況，并通過通信接口把數(shù)據(jù)按預(yù)定的時間處理周期發(fā)送到中心平臺，檢測交通系統(tǒng)中多源、異構(gòu)的信息，呈現(xiàn)給智慧交通系統(tǒng)，為交通調(diào)度和交通事件告警提供決策服務(wù)。

系統(tǒng)能夠自動采集氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過GPRS 無線網(wǎng)絡(luò)平臺傳送至快速路監(jiān)控中心服務(wù)器。工作人員可便捷地了解各監(jiān)測站和監(jiān)測儀表的實時環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)。

4.2.3 建設(shè)內(nèi)容

該工程高架主線主要采用預(yù)制拼裝的工法進行施工，橋梁結(jié)構(gòu)多采用連續(xù)鋼箱梁，因此高架快速路主線的信息采集不選用環(huán)形感應(yīng)線圈和地磁檢測器，采集和檢測手段以“視頻+微波”為主，以浮動車和移動互聯(lián)數(shù)據(jù)為輔，并按需采集環(huán)境和氣象數(shù)據(jù)。

該工程在高架主路直線段采用高清視頻車輛檢測器，在快速路匝道出入口處采用視頻車輛檢測器及微波檢測器。

4.3 高架交通信息發(fā)布系統(tǒng)

4.3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

交通信息發(fā)布系統(tǒng)由交通狀況信息探測采集、信息的平臺匯總處理、誘導(dǎo)信息的發(fā)布等幾方面組成。發(fā)布平臺實時采集前端各種動態(tài)交通流數(shù)據(jù)，進行系統(tǒng)匹配、融合、存儲，結(jié)合GIS 地理信息系統(tǒng)進行信息挖掘處理，生成可以應(yīng)用的交通誘導(dǎo)、服務(wù)信息，再通過前端VMS 誘導(dǎo)屏和智慧中心大屏發(fā)布。信息發(fā)布系統(tǒng)架構(gòu)見圖2。

圖2 交通信息發(fā)布系統(tǒng)架構(gòu)圖

4.3.2 系統(tǒng)功能

交通路網(wǎng)誘導(dǎo)信息屏是該項目信息發(fā)布的重要途徑，主要是通過路網(wǎng)實時路況的發(fā)布，誘導(dǎo)車輛分流，以達到車流均衡的目的。信息融合與處理平臺的應(yīng)用功能，可通過指揮中心大屏進行展示，以輔助城市交通綜合管理、組織和應(yīng)急調(diào)度。主要內(nèi)容是通過指揮中心大平實時監(jiān)測整個城市快速路的交通路網(wǎng)狀態(tài)。每條快速路的交通狀態(tài)通過GIS 地圖雙向顏色表示，可以設(shè)置1～5 min 內(nèi)自動刷新以及其他功能的大屏幕操作。

4.3.3 建設(shè)內(nèi)容

交通信息的發(fā)布是多元的，可以通過可變信息板、廣播、車載導(dǎo)航等進行發(fā)布。該工程重點落在安裝于道路上的可變LED 信息誘導(dǎo)板，主要包括廣域誘導(dǎo)可變信息板、出口匝道流出誘導(dǎo)可變信息板、入口匝道流入誘導(dǎo)可變信息板、快速路路側(cè)廣播系統(tǒng)等。

4.4 高架交通視頻監(jiān)控系統(tǒng)

4.4.1 系統(tǒng)架構(gòu)

高架視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要由外場攝像機、視頻通信網(wǎng)絡(luò)、視頻中心控制管理設(shè)備等組成，是快速路智能化管理和控制的基本系統(tǒng)，是智能交通信息發(fā)布人工確認的主要信息來源。監(jiān)控中心各控制終端可對所有外場攝像機進行自動切換顯示、手動切換顯示、手動監(jiān)視方位調(diào)整，自動監(jiān)視方位定位。

4.4.2 系統(tǒng)功能

高架視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有視頻信息采集、傳輸、顯示和管理的功能。

4.4.3 建設(shè)內(nèi)容

視頻攝像機的布設(shè)位置應(yīng)合理選擇，除了綜合考慮道路的曲率半徑、縱向坡度，以及立交和匝道處的不同高度差外，還需要考慮交通事件的可能多發(fā)區(qū)域，做到主要地點重點監(jiān)視，同時消除覆蓋盲區(qū)。

4.5 橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)

4.5.1 系統(tǒng)架構(gòu)

在高架快速路主線及立交節(jié)點按需設(shè)置橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)分為4 層架構(gòu)：現(xiàn)場采集層、數(shù)據(jù)傳輸層、平臺處理層、應(yīng)用展示預(yù)警層（用戶層）。監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)見圖3。

圖3 快速路橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)圖

4.5.2 系統(tǒng)功能

掌握在建或服役橋梁的技術(shù)狀況，提供準確和及時的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料；掌握橋梁結(jié)構(gòu)整體或部分的工作性能，提供狀態(tài)評估和診斷服務(wù)；為橋梁運營期的日常運維決策服務(wù)；為特定的待監(jiān)控目標事件的出現(xiàn)與否提供觀測、預(yù)測或預(yù)警服務(wù)；滿足設(shè)計驗證和科學研究的需求。

4.5.3 建設(shè)內(nèi)容

利用綜合傳感器、網(wǎng)絡(luò)通信、信息處理、橋梁工程監(jiān)測等技術(shù)，形成一套軟硬件有機結(jié)合、適合橋梁結(jié)構(gòu)特點、滿足橋梁監(jiān)測需求的自動化監(jiān)測系統(tǒng)。

橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測項目主要根據(jù)橋梁的結(jié)構(gòu)特性、力學性能分析確定，同時兼顧橋址處環(huán)境狀況和項目經(jīng)費限制等因素。

4.6 橋梁防撞預(yù)警系統(tǒng)

4.6.1 系統(tǒng)架構(gòu)

橋梁安全預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)由傳感器、控制器、主機、服務(wù)器、客戶機等部分組成，采用了多層C/S、B/S體系架構(gòu)。系統(tǒng)架構(gòu)見圖4。

圖4 高架橋梁防撞預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)圖

系統(tǒng)還包括車輛高度檢測子系統(tǒng)、車輛動態(tài)稱重子系統(tǒng)、升降限高控制子系統(tǒng)、信息發(fā)布子系統(tǒng)、視頻抓拍子系統(tǒng)、后臺管理子系統(tǒng)等功能模塊。

4.6.2 系統(tǒng)功能

橋梁的實時安全健康監(jiān)測主要集中在兩個方面：橋梁底面裂縫和車輛碰撞。

4.6.3 建設(shè)內(nèi)容

為保證橋梁安全預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)揮應(yīng)有的作用，在項目設(shè)計過程中遵循以下原則：

（1）統(tǒng)一規(guī)劃

系統(tǒng)的建設(shè)需要統(tǒng)一規(guī)劃，同時根據(jù)具體需求分步實施。所有系統(tǒng)的設(shè)備、功能都應(yīng)留有充分擴展空間，以保證系統(tǒng)的升級、擴展和設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫的遷移平穩(wěn)可靠。

（2）開放通用

系統(tǒng)采用開放式的網(wǎng)絡(luò)接口、計算機硬件、操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，在軟件設(shè)計中采用C/S、B/S 以及面向服務(wù)的體系等的先進、通用的結(jié)構(gòu)標準。

（3）穩(wěn)定安全

為保證能長期穩(wěn)定運行，保證監(jiān)控中心軟件平臺和數(shù)據(jù)庫工作穩(wěn)定，系統(tǒng)必須能夠定期對自身進行自診斷并形成報告，監(jiān)視整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)，以便對系統(tǒng)進行維護和維修。

5 結(jié)語

隨著科學技術(shù)的快速發(fā)展和城市信息化程度的不斷提高，智慧道路交通系統(tǒng)將逐步完善，在路側(cè)布設(shè)智能設(shè)備，將靜態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施信息、動態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施信息實現(xiàn)數(shù)字化和智能化，促進智慧化道路交通的建設(shè)和發(fā)展。

根據(jù)工程設(shè)計內(nèi)容，該工程智慧道路還包括地面道路智能化系統(tǒng)、智慧路燈設(shè)計、智慧管線感知層設(shè)計、多桿合一設(shè)計等。受篇幅所限，本文僅從交通管控系統(tǒng)、交通信息采集系統(tǒng)、交通信息發(fā)布系統(tǒng)、交通視頻監(jiān)控系統(tǒng)、橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)、橋梁防撞預(yù)警系統(tǒng)等方面進行論述，以期為城市快速路智慧化設(shè)計提供思路和參考。