作者：王曙琿（廣東省南粵交通河惠莞高速公路管理中心）中國交通信息化

摘要：本文總結了智慧高速公路的概念和特征，分析了目前智慧高速公路的功能需求，討論了如何進行總體框架設以及智慧高速公路的具體建設內容和應用效果，以期推動智慧高速公路建設，提升總體框架設計水平。智慧高速公路的建設目標是利用物聯網+、云平臺計算、交通大數據等技術對高速公路的管理和后期運營服務進行有效整合，以實現智能化出行、精準服務的目標，提高高速公路運營管理服務的決策能力，并充分利用智能系統實現快速應急處置和智慧化服務運營。智慧高速公路需要具備對周圍公路環境的智慧感知能力，依靠物聯網、BIM等技術實現對全網的狀態感知，掌握高速公路各個路段的天氣狀況，統計高速公路的車流，也能對車輛的實時狀況作出分析判斷[1]。由于融入了大量智能技術，因此智慧高速公路在管理能力上要比傳統的高速公路更強，依靠云計算、人工智能技術，用自動化、快速化的系統，完成各項高速運營工作。

一 智慧高速公路需求分析

（一）功能需求

智慧高速公路需要具備對路網運行狀態的監測功能，管理系統通過挖掘歷史數據，并分析最優化的資源配置方式。管理部門利用系統分析結果可以制定各項應急事件的處置流程，提升工作效率，為今后的公路規劃工作提供支持。功能需求分析如表1所示。

（二）數據需求

高速公路智慧化系統應有效、可靠地存儲高速公路路網、視頻、交通量等信息。例如：公路的基本屬性、服務設施、公路沿線設施設備等都應生成數據存儲，為高速公路的管理創造基礎條件。動態數據主要由監控系統感知獲得，如通過視頻分析高速公路車流量、高速公路路段狀況和天氣情況，對高速公路的行車安全、道路安全進行巡檢；根據當前數據和歷史數據，分析高速公路的交通量、高速公路氣象條件、公路運行狀況、環境問題等，相關數據也要和上級部門共享[2]。還要使用大數據技術對公路信息進行挖掘，如分析高速公路的安全隱患、輔助決策數據等。

（三）性能需求

由于智慧高速公路在不斷發展，系統也需要具備可擴展性，能夠滿足內部對功能開發的需求，以及確保不同部門之間的數據互通。由于高速公路每時每刻都在產生大量的數據，所以系統還要具備較強的并發處理能力，提升硬件的穩定性，保證對應急事件的處理。高速公路的相關數據對社會十分重要，因此也要做好對系統的信息安全防護工作，滿足國家信息安全等級要求。

二 智慧高速公路總體設計

智慧高速公路以提升高速公路管理水平和方便出行為主要目標，在設計中應整合現有資源，引進全新技術，尤其是充分利用云計算、物聯網、互聯網、大數據等，運用互聯網思維來實現對高速公路的總體設計，實現對高速公路控制、指揮、運營的智能化。智慧高速公路總體框架設計如表2所示。

（一）智慧高速公路建設目標
智慧高速公路的目標是建設成“智慧化、智能化、綠色型、安全可靠”的公路，通過不斷加強高速公路本身的智慧化、智能化感知能力，為高速公路的運營管理、指揮決策提供更加有建設性的意見及信息，以滿足日益增加的交通量需求，從而服務大眾。

（二）智慧高速公路建設任務

1、建立數據中心智慧高速公路管理工作可能需要追溯歷史信息，利用歷史信息對高速公路的運行狀況作出判斷，為此，就要做好信息管理工作，建立專門的數據中心，做好信息的儲存和分類，滿足對信息高效查詢的要求[3]。地方可以根據需要建立省級和市級數據中心，而且要確保不同部門之間的數據共享，滿足對高速公路業務展開綜合管理的要求。以數據中心為基礎，還可以建立專門的監控平臺、管理平臺，相關部門可以根據自身的重點業務來拓展平臺功能，滿足自身工作需要。

2、完善基礎傳輸系統數據的應用離不開高效率的信息傳輸系統，因此在智慧高速公路建設的工作中，也應該做好對無線通信、有線通信系統的建設，為車輛駕駛者提供信息服務的需要，實時獲得高速公路相關數據，滿足車內上網、通信的需要。

3、加強數據標準化建設智慧高速公路監測所獲得的數據中，有很多結構化和非結構化數據，存在數據標準不統一的情況，不利于數據的應用。對此，在全國建立統一的數據平臺，為數據分享提供服務，確?；A數據有統一的標準。因此，在獲得各種數據之后，應經過標準化處理，再儲存到數據庫中。在擁有標準化數據后，也可以和公路系統以外的部門開展信息數據共享，如氣象部門、醫療單位等，且可以和上級部門共享，提升高速公路數據的使用效率。

4、用戶服務建設智慧高速公路能夠提供的服務包括自由流收費服務、貨車編隊服務、車路協同服務、車道精準管控等。在構建服務體系時，需要將智慧高速公路的用戶分為管理者和使用者兩類，分別對其提供不同的權限和功能。管理者主要負責對智慧高速公路公路進行管理，包括政府監管部門、高速公路運營企業等，負責對高速公路進行管理工作，以及給高速公路服務系統的使用者提供服務支持；使用者主要包括高速公路通行車輛的駕駛者，可以進一步分為自動駕駛用戶和人工駕駛用戶，接收高速公路的服務信息、分流和調度，使自身在高速公路中有更快的通行速度。智慧高速公路提供的收費服務會根據射頻技術、視頻技術、導航定位技術給車輛提供分流信息，并基于ETC收費技術完成自動收費工作；在導航工作中，能夠高精度地完成路徑導航服務，給車輛提供個性化的行車信息，將宏觀交通信息告知使用者。

5、交通監控系統建設智慧高速公路的監控系統需要根據管轄區域實現不同的功能，以滿足對管轄范圍內的調節功能，形成省中心—監控分中心—路段監控中心的三層監控系統，監控系統內部使用統一的技術規范和網絡標準，并使用相同的網絡接口，構建統一的業務流程。監控系統利用通信程序來檢查監控設備的工作狀態、交通數據流的采集工作，將所有的數據上傳到中心服務器，由不同的監控中心共享使用；基于GIS技術，能夠對道路信息展開分析，并監控道路上各種事件的處理過程。監控系統需要地理信息平臺的支撐，來實現地圖放大、縮小平移、刷新等功能，為此要加強地理信息平臺的構建，保證其具有多層圖層控制、多數據源接入、空間查詢、拓撲查詢等功能。地圖數據管理包括各種基礎、矢量地圖、DEM數據和控制點數據，其中的信息包括數字高程模型、圖像控制點等。

6、輔助決策系統輔助決策系統包括動態交通仿真、預案管理、系統管理平臺，動態交通模型仿真系統對高速公路進行動態仿真，判斷交通情況。輔助決策系統可以確定對交通管理工作的控制策略，結合交通管理工作的需求以及當前的交通流量來確定高速公路的管理方法。輔助決策系統中存有一些數字化預案，可以對交通事故發生的事前、事中、事后都進行管理，明確負責人員以及管理工作所需要的資源。

（三）智慧高速公路系統架構

智慧高速公路包括信息采集—傳輸網絡—資源支撐—信息應用。信息采集需采集高速公路上的各種實時數據，并將數據上傳到數據中心；信息傳輸即包括光纖通信系統在內的高速公路通信網絡，可以承擔高負荷的信息傳輸工作；資源支撐即為智慧高速公路業務的開展提供平臺，包括軟硬件的支撐，因此信息支撐中包括各種儲存結構化和非結構化數據；信息應用將各平臺的分析決策信息進行整合，為高速公路的業務管理及行駛車輛提供支持[4]。智慧高速公路總體架構如下圖所示。

三 體系構建的重點實施內容及技術規劃

（一）實時交通信息監測管控系統

交通信息監測系統通過交通流檢測設備、車牌識別檢測設備、交通事件檢測設備、氣象監測設備、RSU設備等路上智能化設施或路政巡查采集路上交通車流環境情況，經終端設備智能化分析后作出相應的交通運行狀態、突發事件、氣象環境、車輛微觀行為管控指令并通過路上智能設施發布。車道級交通管控系統根據路上特殊車流情況，如交通事故、施工作業、兩客一危進行監控，當車流出現異常時，通過主線設施情報板發布相關信息，對過往車輛進行動態管控。

（二）多網融合通信系統

高速公路通信信息網絡包括有線/無線通信網絡，有線通信網絡具備根據數據傳輸實際需要提供信息交換通路、與交通專網、互聯網等網絡交換信息的能力；新一代寬帶無線通信網絡應具備提供交通對象和要素在高速運動時可靠接入的通信，支撐交通對象及要素全IP化、主動信息推送和雙向信息交互的能力；建設時可采用中國DSRC、LTE-V2X、5G等。高精度定位服務平臺應具備高精度地圖提供、差分解算、數據管理、數據計算等功能，為用戶提供地圖瀏覽、規劃路線顯示、數據監控和管理、安全輔助駕駛位置信息服務等功能；北斗地基增強站應具備導航衛星觀測數據采集、數據傳輸、數據存儲、運行狀態遠程被監控、維護保障及安全防護等基本功能。車路協同應用場景及定位指標如表3所示。

（三）云控平臺

云控平臺應根據路網運行共性需求，提供智慧高速公路管理服務通用應用：交通專用組件如交通專用地圖、車輛實時信息查詢、行業外信息協同、跨區域管理協同等；路網域動態預警如高流量預警、重點營運車輛預警、超載車輛預警等；綜合運行監測服務如設施設備監測、交通流檢測、重點營運車輛監測、交通事件檢測等；與氣象、國土等部門共享信息。云控平臺基礎能力要求如表4所示。

（四）伴隨式信息服務系統

伴隨式信息服務發布方式可通過高速公路沿線情報板、交通出行網站、交通服務熱線、廣播、手機應用App/小程序/短信、微信公眾號、車載終端等多種方式實現。伴隨式信息服務系統信息發布內容、時效性要求如表5所示。

（五）橋隧安全管養系統

隧道安全系統結合幾何特征、交通流量、車速差異、車型占比、洞外亮度、天氣情況、交通事件、結構安全等因素，實時評估、預測隧道安全態勢。橋隧安全系統需加強交通運行狀態信息監測，大型橋梁的兩側、3000m及以上隧道宜按照300m～750m間距設置交通流檢測設備。橋梁安全系統需加強路面附著系數感知，大型橋梁應設置路面狀態監測設備，針對不同車型設置合理的速度控制策略。隧道安全系統需加強設施設備監測，3000m及以上隧道需設置設施狀態監測設備，確保隧道通風照明、緊急呼叫、火災報警、逃生誘導、消防及供電等應急設施的完好與正常使用。隧道安全系統需加強FM、LTE-V2X、4G/5G、NB-IoT、LoRa等無線通信技術應用，3000m及以上隧道需增設無線通信設施，實現隧道內出行服務、交通管理、應急救援、結構檢測等業務全覆蓋。隧道安全系統需提高隧道內衛星定位信號精度，5000m及以上隧道需設置隧道擴展定位系統。隧道安全系統需加強應急處置，1000m及以上隧道應設置入口管控、逃生設施。隧道安全系統需加強疲勞駕駛提醒，3000m及以上隧道應設置輪廓照明、警示誘導燈。

（六）智慧服務區

智慧服務區應設置較為完善的智能化服務功能體系，在普通服務區的基礎上，配置服務平臺，提供無線網絡、多功能自助終端、服務區內導向、廁所革命智能化、新能源汽車補給、移動智能終端充電、客流車流檢測、公共區域視頻監視等基本的智能化服務；此外可結合服務區所在區域的自然資源、地理條件、人文景觀和綠化設施，打造自然與科技結合的綠色環保生態架構，構建智慧化主題特色服務，對服務區服務和經營管理進行全面科學化、數字化、智能化提升。

（七）自由流收費系統

自由流收費采用ETC、輔以車牌識別、多種支付融合應用的技術路徑，實現對多條車道上自由行駛車輛的收費，提高道路通行效率，降低車均運行延誤。自由流收費系統總體架構由收費管理與計算平臺、收費站車道系統、主線ETC門架系統等組成。自由流收費建設需充分利用高速公路已有主線ETC門架系統，ETC門架系統宜預留相關數據接口；應配備完備的檢測、通信、供電等設備。收費管理與計算平臺功能需求為：清分結算，支持通行費清分結算業務；系統參數管理，管理路段費率、黑名單等參數；數據傳輸管理；對賬及結算；復合通行卡調撥管理；特情處理；稽查管理；客戶服務；系統運行監測服務。

四 智慧高速服務目標展望

隨著移動通信技術的發展，可通過構建路網綜合運行監測與預警系統，形成行人、車輛、路網協調發展的綜合泛知、感知體系，進而實現行駛車輛的自動、自由駕駛；利用新型的、可靠的收費和管理方式，營建通過車載終端設備進行收費的系統，從而實現完全開放的ETC收費，取消傳統的匝道收費站，使全路段的通行率得到有效提高；利用客車和貨車分開或將貨車編排成車隊等相關方式，可提高通行效率，減少路段擁堵情況；基于將車輛精準定位、人—車—路協調發展、公共出行服務系統等高新技術的全面發展，可有效克服極端天氣對道路和行車的影響，確保車輛在特殊情況下的安全通行；在高速公路服務區、停車區及可設置充電設施路段等，設置綜合一體化充電設施，給行駛車輛提供蓄能充電服務，實現高速公路的無線充電服務。形成完善的高速公路交通安全行駛體系，確保行車安全，需要有效系統作為支撐，更需要有利的安全管理系統和應急調度、指揮處理能力，從而減少事故發生率，實現“零事故”的美好愿望。

五 結束語

智慧高速公路作為智能交通領域的重要組成部分，在“十四五”期間將向高質量的發展方向邁進。本文分析了新基建模式下智慧高速公路的發展趨勢和需求，提出了智慧高速總體架構設計思路、具體實施內容及展望，以期為“十四五”規劃智慧高速公路的建設工作提供一定的借鑒。

參考文獻

[1] 林璋璋.基于開放式智慧高速公路服務區與城市TOD發展的思考[J].科技創新與應用,2021(1):108-110.
[2] 郎志海.高速公路智慧服務區物聯網平臺設計探討[J].北方交通,2020(12):89-91+94.
[3] 張敏陽.甘肅省智慧高速公路設計及應用[J].公路交通科技(應用技術版),2020,16(11):325-326.
[4] 曹陽.新基建下沿江高速公路擴建智能化建設探究[J].中國交通信息化,2020(11):97-98.
[5] 董軍,何軍,溫英杰,等.廣州機場高速公路三元里智慧通道的設計與應用[J].中國交通信息化,2020(11):110-111.
[6] 翟澤,鐘磊,王欣.高速公路智慧云平臺安全架構研究[J].網絡安全技術與應用,2020(11):127-128.（原文刊載于2021年第5期《中國交通信息化》）