市政道路工程的智能化設(shè)計思路

胡曉宇

（太原市政建設(shè)集團有限公司，山西太原 030000）

0 引言

市政道路智能化設(shè)計重在提高城市道路的信息感知能力，通過設(shè)置在道路上的視頻監(jiān)控系統(tǒng)、智慧路燈、電子站牌采集道路交通信息、城市空氣質(zhì)量信息，并將這些信息返回到管理后臺，用于指揮交通，避免道路擁堵問題。

1 道路發(fā)展現(xiàn)狀

在城市道路區(qū)域不斷擴大的過程中，道路信息也變得越來越復(fù)雜，許多十字路口匯聚了不同方向的行人、機動車以及非機動車混合交通流，由于缺少信息采集、數(shù)據(jù)分析、信息指示為一體的道路標牌設(shè)計，不能對混合交通流實現(xiàn)正確的引導(dǎo)和分流，容易造成交通事故。目前80%以上的道路標牌采用了非智能系統(tǒng)，所面臨的主要問題如下。

（1）道路信息更新較慢，導(dǎo)致駕駛員和行人對路況的感知性降低。

（2）維護頻率較高，標牌字體的夜間反光性隨著時間的久遠而變差，導(dǎo)致駕駛員和行人對標牌的可觀性降低。

（3）LED 點陣式電子標牌通常循環(huán)顯示固定的道路信息，智能化水平不高，當?shù)缆肥┕せ蛑赶蛐畔⒆儎訒r，標牌沒有及時顯示，會在高峰通行期間受到較大影響[1]。

2 市政道路基礎(chǔ)工程智能化設(shè)計內(nèi)容和要求

道路的基本參數(shù)涵蓋內(nèi)容非常廣泛，主要包括設(shè)計使用年限、設(shè)計最大時速、車道數(shù)量、載重能力等一系列內(nèi)容。由于是市政道路，車輛通行非常頻繁，并且施工、檢修、維護、改造等都要占用城市空間，對交通造成極大的不便。在設(shè)計市政道路工程時應(yīng)該充分考慮這些因素，盡量延長道路的設(shè)計使用年限，車道數(shù)量要滿足城市在當前以及未來的交通需求，尤其是長遠的需求。道路工程改造的成本非常高，并且耗時耗力，設(shè)計單位應(yīng)該運用大數(shù)據(jù)等技術(shù)判斷城市未來幾十年內(nèi)的人口及交通變化趨勢，設(shè)計出具備前瞻性的道路工程。在選用施工材料時應(yīng)該優(yōu)先考慮工程性能更加優(yōu)異的新型道路施工材料，借此全面提升市政道路工程的各項基礎(chǔ)參數(shù)，使其滿足城市發(fā)展的長期需求。

3 各地區(qū)政策差異化分析

通過對比全國各省市最新的智能網(wǎng)聯(lián)汽車道路測試與示范管理規(guī)范相關(guān)政策發(fā)現(xiàn)，各地政府執(zhí)行情況相同點如下：①各地區(qū)均授權(quán)了第三方機構(gòu)（深圳除外）負責自動駕駛車輛測試的全過程監(jiān)管，包含測試車輛的申請受理、專家評審、測試監(jiān)管、數(shù)據(jù)采集等工作。②在智能網(wǎng)聯(lián)汽車道路測試申請流程及遞交的申請材料大致相同。差異性主要體現(xiàn)在以下方面：①各地區(qū)開放的測試場景不同。北京等地優(yōu)先開放高速及無人化測試場景，重慶則依托山地環(huán)境開展山地道路測試場景。差異化的測試環(huán)境，使得智能網(wǎng)聯(lián)汽車自動駕駛功能需要有更強的適應(yīng)性。②地方政府對測試車輛及測試駕駛員的要求有所不同。針對申請應(yīng)用示范的測試車輛，深圳提出每臺車輛需要在申請示范應(yīng)用所在區(qū)域完成不低于1000km 的測試里程，面向示范運營車輛，上海要求駕駛員應(yīng)具備道路運輸行業(yè)從業(yè)資質(zhì)[2]。

4 市政道路規(guī)劃影響因素

為防止鄉(xiāng)村建設(shè)“千村一面”，市政道路規(guī)劃必須要因地制宜、突出地域特色?；谇罢靶浴⒖沙掷m(xù)發(fā)展、通達性、歷史文化保護等原則，充分考慮市政生活特點、鄉(xiāng)村振興要求以及自然環(huán)境約束等，保證道路規(guī)劃的安全性、實用性和系統(tǒng)性。結(jié)合中國鄉(xiāng)村道路實際情況，分析影響市政道路規(guī)劃的主要因素，主要包括自然因素、工程因素、社會和人口因素及其他因素等。

（1）自然因素。市政道路規(guī)劃要考慮環(huán)境要素的影響，重點考慮地形地貌對道路交通安全性和舒適性的影響，如坡度、高程、起伏度。

（2）工程因素。道路建設(shè)對市政耕地、林地、居民地和水體等土地利用類型會產(chǎn)生不同的占用成本、拆遷成本和建設(shè)成本，市政道路規(guī)劃要集約節(jié)約利用土地資源，避免破壞生態(tài)環(huán)境。

（3）社會和人口因素。市政道路不僅服務(wù)于當?shù)卮迕竦娜粘Ｐ枰?，也是帶動市政區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)鍵。為更好地服務(wù)當?shù)卮迕竦慕煌ǔ鲂泻娃r(nóng)業(yè)生產(chǎn)，不僅要充分考慮對內(nèi)對外交通的聯(lián)系和出行的便利程度，還要考慮市政各區(qū)域的人口規(guī)模，明確道路起止點與等級，確保整個市政路網(wǎng)的通達性，更好地服務(wù)于村民[3]。

5 市政道路附屬設(shè)施智能化設(shè)計思路

5.1 人工智能技術(shù)

傳統(tǒng)的標牌只能靜態(tài)顯示當前交通道路信息，無法對交通運行調(diào)度起更多的幫助作用，基于人工智能技術(shù)的標牌打破了這種局限性。在智能標牌系統(tǒng)中加入高清攝像頭，并放置在城市中的重大路段樞紐，利用深度學習和圖像識別技術(shù)對道路上的各個區(qū)域進行實時交通流量監(jiān)控和預(yù)測，在信號控制、交通引導(dǎo)、路線規(guī)劃等各種應(yīng)用中發(fā)揮著基礎(chǔ)性作用。將采集到的信息上傳至數(shù)據(jù)管理中心，經(jīng)分析評估后再下發(fā)到各個標牌單元，使駕駛員和行人更清楚地掌握前方道路狀況，從而減少出行時間，提高道路利用率，建立起人工智能指揮交通通行網(wǎng)絡(luò)。

5.2 智能道路照明系統(tǒng)

智能道路照明系統(tǒng)包括以下模塊。①LED 單燈控制器主要作用是使用UWB 通信模塊形成自組網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，測量其與智能配電柜之間的距離，同時使用傳感器采集路燈的電能信息、周邊亮度等環(huán)境信息，輸出0～10V 調(diào)光信號控制LED 燈具的亮度。②智能配電柜是現(xiàn)場控制核心，主要作用是作為UWB 定位的已知參考點，同時作為單燈控制器的通信網(wǎng)關(guān)。③路燈管理中心運行在云服務(wù)器上，主要作用是根據(jù)各個單燈控制器上傳的距離信息對其進行定位，提供實時路面狀態(tài)監(jiān)控、路燈狀態(tài)監(jiān)控、路燈資產(chǎn)管理、人員管理、實時告警等功能，實現(xiàn)路燈智能管理工作。道路照明系統(tǒng)中LED 單燈控制器、智能配電柜必須形成通信網(wǎng)絡(luò)才能實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸進行智能控制，實際測試表明道路機動車、天氣、道路形狀、周邊建筑高度等環(huán)境因素以及路燈工作狀態(tài)都會影響該通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和實時性，必須根據(jù)各種影響因素實時地調(diào)整網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，形成健壯的自組網(wǎng)，才能提高通信質(zhì)量，實現(xiàn)道路照明系統(tǒng)智能化[4]。

另外，在復(fù)雜道路或者城市立體交通的場景下，基于地理位置的貪婪周邊無狀態(tài)路由協(xié)議（GPSR）應(yīng)用非常廣泛，GPSR 協(xié)議是將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)盡量轉(zhuǎn)發(fā)給最靠近的鄰居中繼節(jié)點，不僅可以減少轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)，提高轉(zhuǎn)發(fā)效率減輕網(wǎng)絡(luò)的負載，而且其協(xié)議簡單，可以有效降低LED 單燈控制器的成本。但是GPSR 協(xié)議只考慮了目標節(jié)點的位置信息，所以存在局部最優(yōu)、路由空洞等弊端，容易造成丟包率過高、延時過大等問題。此外，傳統(tǒng)的基于測距無線定位技術(shù)未考慮接收的信號強度指示值（RSSI）的分布特性也容易造成室內(nèi)定位效果欠佳。針對以上的不足，本文在實施過程加入了由應(yīng)答時延、處理器使用率、接收信號強度與歐拉距離4 個參數(shù)共同構(gòu)成節(jié)點的節(jié)點狀態(tài)信息，源節(jié)點根據(jù)周邊節(jié)點狀態(tài)向量選擇最佳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，從而提高了數(shù)據(jù)發(fā)送成功率。

5.3 基于視頻監(jiān)控的遠程監(jiān)測管理系統(tǒng)

城市中的交通擁堵一直受到詬病，隨著城市家庭購車需求的不斷上升，私家車保有量逐年升高，進而導(dǎo)致各大城市不得不采取限號出行的管理方案，即便如此，交通擁堵的問題依然非常突出。在智慧道路的建設(shè)中，提高道路交通指揮能力成為設(shè)計重點，為了達到這一目標，應(yīng)該積極引入信息化技術(shù)，提高道路的信息感知能力。視頻監(jiān)控是實現(xiàn)這一功能的重要手段，監(jiān)控探頭可直接觀察到某一具體路段的車流情況，并且通過網(wǎng)絡(luò)通信功能將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇煌ü芾聿块T的大數(shù)據(jù)平臺，該平臺可實時顯示出城市道路當前的交通大數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)平臺可直觀顯示哪些路段存在擁堵，哪些路段通行壓力較小，然后便可通過各種通信手段向過往車輛發(fā)出擁堵預(yù)警，及時提醒其轉(zhuǎn)換通行線路。

智慧交通是智慧城市的重要組成部分，而道路的智能化設(shè)計是實現(xiàn)智慧交通的大前提，各種先進的傳感器是采集道路運行數(shù)據(jù)的主要手段。除了視頻監(jiān)控之外，還要設(shè)計噪聲監(jiān)控，然后將這些數(shù)據(jù)匯總起來，作為城市交通指揮的依據(jù)。實踐表明，這些由遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)采集到的交通大數(shù)據(jù)顯著提高了城市交通效率，減少了交通擁堵的情況。

5.4 GIS 技術(shù)的應(yīng)用

所構(gòu)建的GIS 分析模型打包固化后形成流程化工具。規(guī)劃生成的道路不僅能最大程度地避讓水體、古建筑等成本較高區(qū)域，而且能充分利用現(xiàn)有交通用地，在最大程度上減少對市政環(huán)境的破壞。利用GIS 規(guī)劃工具生成的港頭村規(guī)劃道路網(wǎng)，共5 類，7 個起點，16 個終點，自動生成多起點到多終點的4 級市政道路，包括主干道路4 條、次干道路2 條、生產(chǎn)型支路9 條、生活型支路13 條和環(huán)村路1 條。根據(jù)《鄉(xiāng)村道路工程技術(shù)規(guī)范》（GB/T 51224—2017）市政道路等級應(yīng)該分級設(shè)置，可根據(jù)各要素權(quán)重確定各起止點的重要度，自動生成不同等級的市政道路。第一級為主干道路，承擔市政與城鎮(zhèn)區(qū)域之間的聯(lián)系，規(guī)劃生成與外部主干道連接的市政主干道路，其起止點重要度以現(xiàn)有道路要素權(quán)重衡量；第二級為次干道路，主要是市政內(nèi)部各組團之間的聯(lián)系，其起止點重要度以地形要素權(quán)重衡量；第三級為支路，主要是滿足村民日常出行（生活型支路）和進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的需求（生產(chǎn)型支路，主要為機耕路），其起點終點重要度以土地利用要素權(quán)重衡量。此外，近幾年鄉(xiāng)村規(guī)劃所關(guān)注的環(huán)村路，以港頭村居住區(qū)及其周圍園地、耕地組團為單元，采用圖形緩沖的方式，規(guī)劃生成寬度為10m 的環(huán)村路，以加強市政內(nèi)部的聯(lián)系，提高市政道路網(wǎng)的連通性。

5.5 嵌入式技術(shù)

嵌入式系統(tǒng)的日益成熟為智能道路標牌的發(fā)展提供了一個良好的技術(shù)基礎(chǔ)和開發(fā)環(huán)境?；诶媒K端控制無線通信模塊與服務(wù)器通信的方法，提出一種μC/OS 嵌入式實時操作的數(shù)字標牌信息發(fā)布系統(tǒng)，其主要由發(fā)布管理系統(tǒng)和信息發(fā)布終端組成，發(fā)布管理系統(tǒng)負責管理信息和監(jiān)控終端設(shè)備的運行狀態(tài)，信息發(fā)布終端負責發(fā)送服務(wù)器之間通信所獲取到的重要數(shù)據(jù)。將嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用在道路標牌中，能夠?qū)崿F(xiàn)更強大的功能、精簡硬件設(shè)計成本、滿足需求定制。

基于X86 架構(gòu)的嵌入式設(shè)計方法，研究了面對復(fù)雜的X86 嵌入式主板，PCB 布局布線如何在結(jié)構(gòu)、散熱、電磁兼容、高速信號完整性等方面做權(quán)衡和綜合考慮的問題[5]。這種方法提高了基于X86 嵌入式架構(gòu)的數(shù)字標牌在硬件設(shè)計方面的效率，保證主板一次性設(shè)計的成功率和工作時的穩(wěn)定性，解決了從理論設(shè)計到實際硬件電路實現(xiàn)過程中的問題，為其他X86 嵌入式平臺的設(shè)計、調(diào)試、測試等工作提供了基礎(chǔ)模型，具有重要理論和實際意義。

5.6 前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)

前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)（FCW）的功能是當檢測并判斷車輛與前方同向行駛車輛存在碰撞可能性時，向駕駛員發(fā)出警告。前方同向行駛的車輛包含3 種情況：前方車輛靜止，前方車輛以低于本車的速度行駛或者車輛正在制動。該功能主要是依據(jù)本車到前方車輛的距離、前方車輛相對于本車的相對速度、前方車輛是否在本車行駛路徑上3 個方面的信息實現(xiàn)的。FCW 可以降低追尾碰撞的發(fā)生率，并在追尾碰撞發(fā)生之前提醒駕駛員做出反應(yīng)，減輕事故嚴重程度。

不同傳感器獲得的數(shù)據(jù)可以相互融合，增加或增強現(xiàn)有的系統(tǒng)功能?；诙鄠鞲衅餍畔⑷诤系姆琅鲎差A(yù)警系統(tǒng)根據(jù)多傳感器接收到的車輛前方目標信息和本車的狀態(tài)信息，利用多源信息融合技術(shù)，識別出本車前方車輛的距離和速度等狀態(tài)信息，進行碰撞危險估計。從反應(yīng)時間、距離、速度3 個角度優(yōu)化控制，可減少駕駛員的負擔和錯誤判斷，對于提高交通安全性起到了至關(guān)重要的作用，是實現(xiàn)汽車自動駕駛的基礎(chǔ)。FCW系統(tǒng)對道路沒有特殊要求，在高速路、城市、國道、隧道、匝道、橋梁道路的直路和彎道上均可以工作，可以識別所有取得牌照、合法上路行駛的車輛和身高在0．8m 以上的行人。

6 結(jié)語

我國智能網(wǎng)聯(lián)汽車道路測試相關(guān)政策已為智能網(wǎng)聯(lián)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了方向，道路測試和示范應(yīng)用是未來智能網(wǎng)聯(lián)汽車市場準入的先決條件和基礎(chǔ)要求。企業(yè)在進行道路測試申請前應(yīng)加強自動駕駛功能測試，提高安全性和通過性，申報時注意地區(qū)政策的差異，結(jié)合自身企業(yè)發(fā)展需求，進行道路測試申報，為后期智能網(wǎng)聯(lián)汽車商業(yè)化運營和市場準入打下基礎(chǔ)。