高速公路機(jī)電工程智慧化建設(shè)分析及發(fā)展研究

曹志偉

（中咨泰克交通工程集團(tuán)有限公司，北京 100000）

1 智慧高速公路建設(shè)概述

智慧交通是我國交通運(yùn)輸事業(yè)發(fā)展的主要方向，各地都不同程度地開展了智慧交通示范工程建設(shè)，這些智慧示范工程的建設(shè)極大地豐富了交通智慧化建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，促進(jìn)了理論與實(shí)踐的結(jié)合。其中，智慧高速公路是智慧交通的先行者、探索者、開拓者，而機(jī)電工程是智慧高速公路建設(shè)的核心，它不僅是一條高速公路的管理中樞，也是實(shí)現(xiàn)智慧高速的基礎(chǔ)所在。隨著新興技術(shù)，如車路協(xié)同技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、北斗高精度定位技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)+等與傳統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng)的融合，高速公路的智慧化建設(shè)水平也在逐步提高，未來將更好地發(fā)揮組織引導(dǎo)功能，提升高速公路交通服務(wù)品質(zhì)，建設(shè)成高水平的智慧高速公路，實(shí)現(xiàn)道路安全高效通行，更好地滿足人們的出行需求。

2 智慧高速發(fā)展現(xiàn)狀

目前，世界各國對(duì)智慧高速公路建設(shè)及發(fā)展方向還沒有明確的定義，我國同樣處在探索發(fā)展階段，國務(wù)院、交通運(yùn)輸部相繼發(fā)布了一系列智慧交通政策文件，先后開展了交通控制網(wǎng)及智慧公路試點(diǎn)、交通強(qiáng)國單位試點(diǎn)工作。

2017 年2 月，國務(wù)院交通運(yùn)輸部正式啟動(dòng)了“新一代國家交通控制網(wǎng)和智慧公路示范工程”，在北京、河北、吉林、浙江、江蘇、廣東等9 個(gè)省（市）開展了新一代智慧公路試點(diǎn)和國家交通控制網(wǎng)。次年2 月，國務(wù)院交通運(yùn)輸部再次發(fā)布通知，擴(kuò)展了試點(diǎn)主題，提出試點(diǎn)主題包括但不限于北斗高精度定位綜合應(yīng)用、路運(yùn)一體化車路協(xié)同、基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化等6 個(gè)方向。

在文件的要求下，各省市紛紛結(jié)合本地特點(diǎn)，開展了智慧公路試點(diǎn)工程的建設(shè)工作，如延崇高速北京段、京雄高速河北段等對(duì)車路協(xié)同、基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化等進(jìn)行了試點(diǎn)建設(shè)；昌九高速江西段、廣樂高速廣東段對(duì)北斗高精度定位綜合應(yīng)用進(jìn)行了試點(diǎn)等。隨著智慧高速試點(diǎn)工程不斷開展，智慧高速建設(shè)探索的不斷推進(jìn)，智慧高速的建設(shè)發(fā)展已經(jīng)走上了快車道。

3 延崇高速公路（河北段）機(jī)電工程智慧化建設(shè)情況

3.1 路線監(jiān)控系統(tǒng)

3.1.1 總體架構(gòu)

延崇高速河北段為山嶺重丘區(qū)高速公路，起點(diǎn)與北京段在松山隧道內(nèi)對(duì)接，終點(diǎn)與張承高速張家口段連接，赤城支線連接赤城縣，路線整體隧道較多。監(jiān)控系統(tǒng)中，子系統(tǒng)較多，除常規(guī)設(shè)計(jì)中的信息采集、信息發(fā)布、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)外，還配有機(jī)房環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、電力監(jiān)測、緊急電話、道路廣播、氣象分析與預(yù)警、交通量調(diào)查、霧區(qū)誘導(dǎo)等子系統(tǒng)設(shè)施（見圖1），各子系統(tǒng)的應(yīng)用軟件需要融合到監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用軟件中。

圖1 線路監(jiān)控系統(tǒng)圖

該項(xiàng)目是國務(wù)院交通運(yùn)輸部智慧高速公路試點(diǎn)項(xiàng)目，將在主線工程通車后建設(shè)智慧服務(wù)綜合平臺(tái)、分布式計(jì)算平臺(tái)、車路協(xié)同子系統(tǒng)、北斗高精定位子系統(tǒng)、交通監(jiān)測子系統(tǒng)等智能設(shè)施，構(gòu)建全面感知、萬物互聯(lián)、面向服務(wù)、協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)、深度學(xué)習(xí)和不斷優(yōu)化的智慧化管理系統(tǒng)，全面掌握各子系統(tǒng)和設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，提高實(shí)時(shí)監(jiān)控、精細(xì)化管理水平，所選擇的機(jī)電設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)二次開發(fā)功能，滿足了建設(shè)智慧高速公路的功能需求。

3.1.2 主要子系統(tǒng)

閉路監(jiān)視子系統(tǒng)由道路外場監(jiān)控、服務(wù)區(qū)場區(qū)監(jiān)控、橋下監(jiān)控、路段監(jiān)控中心閉路監(jiān)視設(shè)備和視頻數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)成。監(jiān)控分中心采用LED 小間距拼接屏，監(jiān)控分中心與收費(fèi)集中監(jiān)控室合用，建設(shè)1 套路段監(jiān)控分控平臺(tái)。為應(yīng)對(duì)延崇高速公路氣候狀況復(fù)雜多變、氣象災(zāi)害反復(fù)多發(fā)的實(shí)際情況，搭建了氣象分析預(yù)警子系統(tǒng)，公路沿線建設(shè)5 套道路氣象環(huán)境智能監(jiān)測主站、20 套道路氣象環(huán)境智能監(jiān)測子站，涵蓋氣象監(jiān)測系統(tǒng)、路面熱譜系統(tǒng)、站網(wǎng)監(jiān)控管理中心、信息共享服務(wù)平臺(tái)等[1]。

3.2 通信系統(tǒng)工程

該工程通信系統(tǒng)管理體制分為3 個(gè)等級(jí)，分別為省通信中心、路通信分中心和通信站，全線共設(shè)置了7 處無人通信站、1 處有人通信站。服務(wù)區(qū)室外停車場等開放區(qū)域通過部署室外AP（無線接入點(diǎn)）+定向天線對(duì)空曠區(qū)實(shí)現(xiàn)無線覆蓋；服務(wù)區(qū)超市、餐廳等室內(nèi)區(qū)域通過部署室內(nèi)AP 實(shí)現(xiàn)無線覆蓋。延崇高速通過在服務(wù)區(qū)部署無線接入點(diǎn)提升了整條高速的智能化程度。

3.3 收費(fèi)系統(tǒng)工程

延崇高速（河北段）主線設(shè)置了1 處路段管理處，管理處同時(shí)也是路段收費(fèi)中心及監(jiān)控和通信分中心所在，沿線共設(shè)置了4 處匝道收費(fèi)和1 處主線收費(fèi)站。依據(jù)河北省對(duì)ETC 不停車收費(fèi)車道設(shè)置的具體要求以及冬奧會(huì)期間的交通流特性，在京冀界主線站設(shè)置4 入4 出潮汐ETC 車道，在匝道收費(fèi)站入口車道，除ETC 車道外全部設(shè)置自動(dòng)發(fā)卡機(jī)，提高智能化程度。項(xiàng)目監(jiān)控方案采用出口、入口收費(fèi)車道及收費(fèi)亭監(jiān)控，設(shè)備室、收費(fèi)廣場監(jiān)控，財(cái)務(wù)室、票據(jù)室監(jiān)控，取消了收費(fèi)站級(jí)監(jiān)控室，實(shí)行路段中心集中監(jiān)控的方案[2]。

3.4 隧道監(jiān)控系統(tǒng)

隧道監(jiān)控系統(tǒng)專門建設(shè)了隧道監(jiān)控中心，監(jiān)控中心安裝了大屏幕系統(tǒng)，此外該系統(tǒng)還配有視頻監(jiān)視、交通監(jiān)控、廣播與緊急電話、火災(zāi)報(bào)警、電力監(jiān)控、事件監(jiān)測等子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道的通行狀況的監(jiān)控與管理，同時(shí)通過通信系統(tǒng)與路段分中心監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行。軟件方面建立了隧道綜合管控與指揮調(diào)度軟件平臺(tái)，構(gòu)建平臺(tái)管理、數(shù)據(jù)采集、交通誘導(dǎo)、預(yù)案庫、決策指揮、聯(lián)動(dòng)控制、報(bào)警預(yù)警等模塊，大大提高了隧道管理的智能化水平。

4 智慧高速公路建設(shè)及發(fā)展

4.1 智能行車安全誘導(dǎo)系統(tǒng)

延崇高速設(shè)置了智能安全行車誘導(dǎo)系統(tǒng)（見圖2），該系統(tǒng)配置了霧區(qū)誘導(dǎo)指示牌、前端數(shù)據(jù)處理器、霧區(qū)監(jiān)測與誘導(dǎo)服務(wù)器、光能測控模塊等，做到在霧天、雨天、雪天等惡劣氣候下及坡道、大彎道等復(fù)雜行車環(huán)境下對(duì)車輛的引導(dǎo)和預(yù)警。

圖2 智能安全現(xiàn)場誘導(dǎo)系統(tǒng)實(shí)景圖

安全行車誘導(dǎo)系統(tǒng)能夠?qū)毫託庀?、交通事故、施工安全等行車風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行及時(shí)提示，起到安全輔助作用，提高交通安全性，為高速建設(shè)智能化建設(shè)提供了方向。

4.2 車路協(xié)同系統(tǒng)

車路協(xié)同系統(tǒng)將是智慧高速公路工程建設(shè)的重要趨勢(shì)，通過大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)車輛與道路基礎(chǔ)設(shè)施之間的信息交換與共享，是實(shí)現(xiàn)智慧高速驅(qū)動(dòng)自動(dòng)駕駛的一個(gè)研究方向。

在智慧高速公路機(jī)電工程建設(shè)中，需要通過多種系統(tǒng)和設(shè)備實(shí)時(shí)采集道路狀況和車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)信息，為整個(gè)交通系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)管和調(diào)度提供依據(jù)，并通過這些設(shè)施向車輛提供道路狀況信息；車輛中也要搭載通信和感知裝置，能夠有效接收交通管理中心、道路基礎(chǔ)設(shè)施以及其他車輛的信息。這一技術(shù)可以在典型應(yīng)用場景中發(fā)揮作用，如多車協(xié)同換道、盲區(qū)預(yù)警、應(yīng)急車輛優(yōu)先通行、避免交叉口沖突、引導(dǎo)車速等，減少交通事故的發(fā)生，做到緊急救援，聯(lián)動(dòng)處置，最大限度地減少擁堵和損失。

車路協(xié)同系統(tǒng)是著眼于司乘駕駛側(cè)的智慧化應(yīng)用，車路協(xié)同的發(fā)展將極大地提高行車安全性，提供更暢通的行車方案，可以成為高速公路智慧化建設(shè)的組件之一。

4.3 數(shù)字孿生系統(tǒng)

數(shù)字孿生系統(tǒng)是近幾年新出現(xiàn)的技術(shù)，它是基于BIM、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等發(fā)展起來的，目前已經(jīng)在部分公路隧道進(jìn)行了應(yīng)用，如深圳塘朗山隧道。數(shù)字孿生系統(tǒng)是通過歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、算法模型等有效預(yù)測和分析發(fā)展趨勢(shì)的同時(shí)，將物理世界的數(shù)字化的一種映照現(xiàn)實(shí)實(shí)體的虛擬模型。

通過建立數(shù)字孿生系統(tǒng)，能夠有效連接物理世界和信息世界，采用虛實(shí)融合、以實(shí)返虛、以虛控實(shí)的方式，極大地提升交通基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)字化，構(gòu)建了虛擬數(shù)字化的交通設(shè)施。數(shù)字孿生系統(tǒng)將隨著新型數(shù)據(jù)采集技術(shù)的不斷應(yīng)用，車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)越加能夠被準(zhǔn)確識(shí)別，并投射到虛擬空間中，在虛擬世界可以真實(shí)地反映現(xiàn)實(shí)世界，實(shí)現(xiàn)雙向交互，在高速公路典型交通場景中，能夠更直觀、高效、準(zhǔn)確地預(yù)判、發(fā)現(xiàn)和應(yīng)對(duì)各種突發(fā)事件（見圖3）。

數(shù)字孿生系統(tǒng)是基于高速公路管理服務(wù)側(cè)的一項(xiàng)智慧化應(yīng)用，此項(xiàng)應(yīng)用的不斷發(fā)展演進(jìn)將能更好地預(yù)警及應(yīng)對(duì)各類緊急情況，通過趨勢(shì)預(yù)測分析，更好地對(duì)高速公路進(jìn)行管理服務(wù)，緩解擁堵、提高駕乘安全，是行業(yè)內(nèi)熱門賽道及發(fā)展趨勢(shì)。

5 結(jié)語

綜上所述，目前智慧高速尚在摸索階段，國家啟動(dòng)了相應(yīng)的試點(diǎn)工程以大力推動(dòng)智慧高速的建設(shè)發(fā)展，并依托機(jī)電工程，利用高新技術(shù)，已經(jīng)開發(fā)出諸如智能行車安全誘導(dǎo)系統(tǒng)、車路協(xié)同、數(shù)字孿生等智能化應(yīng)用。隨著試點(diǎn)工程的不斷開展，智慧高速必將展現(xiàn)跨時(shí)代的優(yōu)勢(shì)特色，解決傳統(tǒng)交通系統(tǒng)存在的問題，實(shí)現(xiàn)綠色、智能交通出行方式，進(jìn)入更加安全、便捷、快速的新交通時(shí)代。