基于智慧高速公路建設(shè)及運營管理體系的關(guān)鍵技術(shù)分析

周宏福

摘要 近年來，云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新型信息技術(shù)不斷涌現(xiàn)，各項新技術(shù)已綜合應(yīng)用于高速公路建設(shè)、運營及維護，通過構(gòu)建智能交通運行管理系統(tǒng)、建設(shè)智慧高速公路，可有效提升道路管控效率及安全性?；诖耍恼玛U述了智慧高速公路的定義，分析了配套的關(guān)鍵技術(shù)及實施路徑，構(gòu)建了高速公路安全體系架構(gòu)，提出了基于端-邊-云構(gòu)架的綜合管控（AI云控）平臺，對于加快高速公路建設(shè)、提高運營管理水平具有重要意義。

關(guān)鍵詞 智慧高速公路；道路管控；多源感知；融合云控

中圖分類號 U495文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）12-0186-03

0 引言

智慧高速公路屬于智能交通系統(tǒng)的主要構(gòu)成及具體形式。構(gòu)建智慧高速公路，可在傳統(tǒng)高速公路的基礎(chǔ)上，采用各種新型信息化技術(shù)，進行提升改造[1]。為擴建智慧高速公路，提升運營管理水平，該文提出應(yīng)著眼于“一個特征、兩個維度、四個層次”發(fā)展智慧高速公路，并提出了高速公路智慧化的主要應(yīng)用技術(shù)及實施路徑[2]。

1 智慧高速公路的定義

隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，交通需求也不斷增強，將各種智慧化技術(shù)手段用于管理高速公路，以提升公路運營管理效率，充分發(fā)揮交通工具的價值。當前并沒有統(tǒng)一標準定義智慧高速公路及其建設(shè)方式。該文認為數(shù)字化及信息化內(nèi)容屬于智慧高速公路的重要組成部分，且具有的智能化程度較高，其智慧屬性主要體現(xiàn)在以下方面[3]：

1.1 一個特征

智慧高速公路可對道路交通運行數(shù)據(jù)進行實時管控，能隨時收集高速公路運行數(shù)據(jù)，并采用相應(yīng)的智能模型，開展數(shù)據(jù)計算分析，通過具體路徑發(fā)布道路及車輛信息。

1.2 兩個維度

（1）從用戶的角度來講，通過全面分析路面通行的車輛類型，輸出準確的出行信息，提升服務(wù)質(zhì)量，增強車輛行駛的安全性。

（2）對于管理者而言，通過實時監(jiān)測道路服務(wù)設(shè)施及車輛通行信息，全面提升高速公路運行效率及安全性。

1.3 四個層次

智慧高速公路管理系統(tǒng)分為四個層次，分別為整體信息感知、云數(shù)據(jù)處理、信息高效運用及安全穩(wěn)定運行。

2 智慧高速公路的關(guān)鍵技術(shù)及實施路徑

2.1 基于全息感知的精細化道路主動管控

智慧高速公路具備不同感知信息來源，可通過深度融合提升質(zhì)控水平。為加大公路建設(shè)力度，提高高速公路運營水平，應(yīng)綜合運用各種感知技術(shù)，結(jié)合各方面數(shù)據(jù)，需要重點關(guān)注解決以下問題：

（1）現(xiàn)階段的數(shù)據(jù)來源少，無法覆蓋到廣大區(qū)域，必須配備使用先進感知技術(shù)，實現(xiàn)動態(tài)、精準感應(yīng)，在不同車道安裝傳感設(shè)備，收集道路及車輛信息?。

（2）當前高速公路無法兼容異構(gòu)數(shù)據(jù)，不能準確匹配各種應(yīng)用場景，目標跟蹤能力較弱，不能快速準確甄別各種突發(fā)問題，需要運用技術(shù)手段校準各項數(shù)據(jù)，充分融合異構(gòu)數(shù)據(jù)，完善系統(tǒng)信息。

（3）綜合運用數(shù)據(jù)傳輸、保存等技術(shù)，融合多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，與邊緣計算系統(tǒng)相連接，獲得更高精度的數(shù)據(jù)，構(gòu)建起多源數(shù)據(jù)分析模型，快速收集高速公路運行數(shù)據(jù)，并進行準確分析。

高速公路主動協(xié)同管控主要內(nèi)容[5]：

（1）車道高效動態(tài)管控。運用云數(shù)據(jù)處理技術(shù)，實時監(jiān)控道路交通情況，對道路擁堵問題作出準確預(yù)判；通過計算道路車流量及車輛行駛速度，并及時將相關(guān)數(shù)據(jù)上傳管理系統(tǒng)，從而防止道路出現(xiàn)擁堵。

（2）公路匝道及收費站動態(tài)管控。大數(shù)據(jù)系統(tǒng)實施分析道路交通狀況，準確計算道路車流量及行駛速度，預(yù)判匝道車流量，合理設(shè)定匝道信號燈的管控時間，從而有效減少道路擁堵。

（3）路面動態(tài)擴容管控。部分高速公路車道超寬，并設(shè)計有不同的應(yīng)急車道；當?shù)缆钒l(fā)生擁堵時，為加快車輛通行、減少道路擁堵，可臨時允許車輛走應(yīng)急車道；運用管控系統(tǒng)，設(shè)定具體擴容位置及時間段，對道路擴容效果進行評價。

（4）采用仿真評價技術(shù)，實現(xiàn)主動管控、精準管控。動態(tài)仿真技術(shù)屬于一項新型技術(shù)，主要功能是收集公路運營數(shù)據(jù)、車輛行駛數(shù)據(jù)等，這類數(shù)據(jù)具有較高的應(yīng)用價值，為鏡像模擬提供了數(shù)據(jù)保障；采用傳感器構(gòu)建起智能化網(wǎng)聯(lián)交通管控平臺，主要包含軟硬件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)模擬系統(tǒng)及駕駛?cè)藛T管控系統(tǒng)等；在此期間，根據(jù)實際情況選用兩種不同的研究手段，高效模擬多種場景環(huán)境下的事件數(shù)據(jù)，從而綜合運用各種管控措施，真正實現(xiàn)對高速公路車輛行駛情況的精準、真實模擬，并開展深入分析。

（5）檢測分析公路運行異常情況?；趯Φ缆窓z測的實際情況及目標要求的具體分析，運用AI深度學習方法，抽取共性空間內(nèi)容，實現(xiàn)有效匹配，從而準確識別異構(gòu)數(shù)據(jù)，并進行有效跟蹤；實時檢測車輛運行狀況、逆行以及違規(guī)停車等諸多類型的異常問題，并對交通堵塞情況和其他異常情況進行及時預(yù)警。

2.2 基于多源感知的精準化信息服務(wù)

（1）精準、多維繪制高速公路車輛畫像[6]。收集車輛車牌、車輛顏色、車型以及ETC卡等諸多信息數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可以自動生成整車畫像。采用在路側(cè)設(shè)置的各類傳感器，能夠24 h不間斷收集車輛畫像數(shù)據(jù)，并連續(xù)跟蹤路面行駛的車輛。當系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)有車輛進入限速路段時，將向車輛駕駛?cè)藛T廣播限速信息，并傳輸車輛行駛畫像。

（2）運用移動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)向車輛精準推送信息。隨著智能手機的普及，出現(xiàn)了各種行車導(dǎo)航軟件，將車輛配置數(shù)據(jù)及顏色信息錄入導(dǎo)航軟件中，可立即生成該車的畫像。當車輛用戶接收到超速預(yù)警時，道路一側(cè)的設(shè)備將發(fā)出描述車輛畫像信息的廣播信息，導(dǎo)航軟件將其與實際車輛畫像作對比，在此基礎(chǔ)上運用網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)發(fā)送定制信息。

（3）利用車路協(xié)同技術(shù)準確推送車輛導(dǎo)航信息。綜合運用多種傳感器判斷數(shù)據(jù)的準確性與可信性，從而真正全面地整合數(shù)據(jù)異常路段的信息，并對其進行深入分析[7]。在此基礎(chǔ)上，充分運用信息安全審查技術(shù)、異構(gòu)傳感器識別技術(shù)等，構(gòu)建起車路協(xié)同系統(tǒng)平臺，不但能提升組合定位的準確度，還能將多種傳感器有效整合起來，匹配各種應(yīng)用場景，提高智能化程度，從而快速、精準推送車輛信息，增強行車的導(dǎo)航效果。

（4）利用導(dǎo)航地圖實現(xiàn)車輛行駛的數(shù)字化管控。手機導(dǎo)航地圖具有較高精度，性能較強，在高速公路運營、物流等諸多領(lǐng)域得到廣泛運用，為相關(guān)行業(yè)發(fā)展提供了強有力支持。其不僅能為高速公路行駛的車輛進行精準導(dǎo)航，提升高速公路運行信息化水平，通過車路協(xié)同完成自動駕駛，而且有利于全面提升高速公路基礎(chǔ)設(shè)施的智能化管理水平，并提供全方位的技術(shù)保障，最終構(gòu)建起道路的三維導(dǎo)航場景，實現(xiàn)精準空間測量，進一步提升交通設(shè)施運維效率和整體水平。

（5）運用V2X技術(shù)構(gòu)建多維通信系統(tǒng)。現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)明應(yīng)用，為高速公路數(shù)據(jù)的實時傳輸與家戶共享提供了重要支持，是后者功能得以實現(xiàn)的重要基礎(chǔ)[8]。V2X無線多維通信系統(tǒng)共包含四個維度，分別為V2V、V2I、V2P以及V2C。運用該系統(tǒng)，一方面有助于實現(xiàn)道路網(wǎng)絡(luò)的信息交互共享，另一方面還可綜合根據(jù)具體環(huán)境、智能數(shù)據(jù)等，快速精準解決無人駕駛領(lǐng)域出現(xiàn)的問題，確保道路行車安全。

3 高速公路安全體系架構(gòu)建立

3.1 根據(jù)高速公路交通流特征，準確定位智慧高速公路的功能目標

綜合運用裝配于道路一側(cè)的傳感器設(shè)備，收集車輛的完整數(shù)據(jù)信息，從而有效仿真微觀交通。同時通過實施不間斷的數(shù)據(jù)收集，全方位高效感知高速公路的運行狀態(tài)；以多源數(shù)據(jù)融合為重要基礎(chǔ)，廣泛收集更多且更精準的交通數(shù)據(jù)，然后通過信息整合與全時段發(fā)布，有效提升交通狀態(tài)的檢測效率與精度，提升道路利用率，便于人們出行。

3.2 探析高速公路動態(tài)未知環(huán)境下的風險控制途徑及安全保障對策

結(jié)合高速公路交通網(wǎng)絡(luò)及安全管理機制內(nèi)容，具體分析道路行駛車輛的特點對于整個路網(wǎng)交通所產(chǎn)生的影響，全面構(gòu)建包含多種因素的交通風險控制應(yīng)用場景，其中主要有道路環(huán)境、交通流及車輛型號等內(nèi)容。通過打造包含多項組織措施的系統(tǒng)，全面提升高速公路運行安全，同時構(gòu)建與具體場景相匹配的安全措施評估機制，保證高速公路行車安全。

3.3 剖析高速公路網(wǎng)的交通流特征、交通事件特性和應(yīng)急救援特性

為高效配置高速公路應(yīng)急救援資源，需要綜合運用系統(tǒng)工程管理理論、數(shù)據(jù)采集技術(shù)及數(shù)據(jù)檢測模型、數(shù)字仿真技術(shù)，構(gòu)建完整的運行管理系統(tǒng)，滿足高速公路事故應(yīng)急救援要求及相關(guān)業(yè)務(wù)標準。此外，為提升信息管理水平，準確展現(xiàn)各種場景數(shù)據(jù)，提升道路事故應(yīng)急救援效率，同時還要匹配運用高精度導(dǎo)航地圖及數(shù)據(jù)仿真技術(shù)，增強應(yīng)急救援管理平臺的可視化程度。如圖1所示為短時交通流預(yù)測模型的類型及所用的方法[9]。

4 基于端-邊-云構(gòu)架的綜合管控（AI云控）平臺應(yīng)用

AI云控平臺采用了端-邊-云構(gòu)架，通過該平臺可全面收集并感知分析各種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。此外，綜合運用大數(shù)據(jù)與AI技術(shù)，可分析各項指標并進行全方位展示。

4.1 高并發(fā)、高性能、高可用、彈性開源的云智能平臺構(gòu)建

構(gòu)建智能交通云平臺，需同時運用管理及調(diào)度工具，并立足于超融合基礎(chǔ)架構(gòu)的部署，全面提升云平臺管理系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性，為高效開展云計算奠定堅實的基礎(chǔ)。

4.2 高并發(fā)海量數(shù)據(jù)接入與云計算技術(shù)應(yīng)用

綜合運用邊緣節(jié)點網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)，不斷完善異構(gòu)終端數(shù)據(jù)，將與數(shù)據(jù)管理中心深度融合，提升檢測手段的容錯率，并賦予其更多的擴展性及數(shù)據(jù)備份，提升平臺的應(yīng)用效果[10]。

4.3 基于人工智能的智能云控策略

采用人工智能技術(shù)實現(xiàn)智能云控管理，主要是借助于各種應(yīng)急場景數(shù)據(jù)庫的時序知識圖譜、高速公路路測基礎(chǔ)設(shè)施，完善運控策略，充分收集用戶畫像信息。

5 結(jié)語

綜上所述，智慧高速公路已逐漸成為《交通強國建設(shè)綱要》落地落實落細的關(guān)鍵著力點和重要技術(shù)支撐。因此，當前業(yè)界重點關(guān)注的研究課題也隨之發(fā)生了相應(yīng)變化，已轉(zhuǎn)變?yōu)椴扇『畏N措施可實現(xiàn)對現(xiàn)有高速公路的智慧化改造，如何搭建完善的智慧高速平臺。隨著相關(guān)技術(shù)的不斷更新與優(yōu)化，“全天候通行、全路段感知、全過程管控”的智慧高速公路建設(shè)必將在不久的將來成為現(xiàn)實。需要深刻意識到智慧賦能高速公路建設(shè)的關(guān)鍵性意義，凝心聚力推動相關(guān)前瞻性技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)發(fā)展，加快完成高速公路的智慧化建設(shè)，實現(xiàn)交通強國夢。

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