智慧高速公路设计架构及技术探究

高航远

（西安公路研究院有限公司，陕西 西安 710065）

交通运输业是经济社会发展中先导性、基础性和服务性的行业，截至当前，我国通车高速公路里程已近15万公里。与此同时，随着高新科技日新月异的发展，智能车辆的出现及普及应用已经成为大势所趋，科技所引发的革命，必将使越来越多的人享受到更加安全、高效和便捷的出行体验。

为满足高速公路自身的发展要求，以及适应更高智能化水平的交通工具、满足大众更高要求的交通出行需求以及减少交通安全事故等管理需求，建设更加智慧的高速公路是必然的趋势。

1 智慧高速公路的定义

目前，国内外及业界对“智慧高速公路”的定义尚没有统一的认识，但结合各方面的探索，其核心是基本一致的，即智慧高速公路是一个具备智慧的感知能力、智能的传输能力、智慧的高速公路运维管理能力及对大众出行的智慧服务等能力，借助大数据、物联网、移动互联网、云计算、人工智能——即所谓“大物移云智”等新一代高新信息技术，以对人车路及气象等环境的全方位精确感知和智能决策为核心从而实现人车路协同，实现协同管理及增值服务的智慧型高速公路系统[1]。

智慧高速公路通过将先进的电子信息通信技术整合到交通基础设施和车辆中，提高了交通的安全性和移动性，减少了对环境的影响并提高了生产运输效率。智慧高速公路拥有开放的技术平台，且可以结合先进的管理与运维模式，提供更加安全、高效及便捷的服务：为人及物流的畅通运输提供网络化的可靠服务，为车车及车路提供全面精确的信息交互服务，为高速公路使用者提供定制化特异化的个性服务，为高速公路管理运营者提供及时可靠的应急管理信息服务等。

2 国外的探索及对中国的启示

2.1 国外的探索

美国已提出3版智慧交通系统战略计划。2010版强调交通的联通性，致力于为美国提供一个全国性的互联交通系统；2015版则强调通过聚焦联网车辆和不断提升的自动化等优先战略，改变社会的运转方式；在最新的2020版ITS战略中提出的愿景为加速应用ITS改变社会的运行方式。相较上版规划，新版战略更加关注对ITS的实施部署，已经从关注自动驾驶、设施互联的研究上，转移至更加强调加速ITS的部署与应用；更加关注对ITS发展起支撑作用的相关技术，如数据交互和网络信息安全；更加关注新型通信技术如5G等。

与美国有所不同，欧洲致力于开展合作智能交通系统的发展，其战略的制定则更加强调政策支持、标准制定及各方的广泛参与。欧盟注重政府官方、企业和研究机构以及民间组织等的合作，并已开发了数个大型合作系统项目，如CVIS、SAFESPOT和COOPERS等[2]。

日本在2020年出版的国土交通白皮书中，重点介绍了“出行即服务”、ETC 2.0、先进型安全车辆、机动车出行诱导与自动驾驶等智慧交通技术的应用情况。日本在大力完善MaaS模式的同时，还引入基于AI技术的响应式出行及绿色慢行等新型运输服务模式。同时，日本大力推广实施ETC 2.0战略,相较于ETC 1.0，ETC 2.0的车载终端可以与全国范围内的高速公路上设置的路侧装置进行双向信息交互。在日本应用广泛的ASV系统已能够实现包括自主缓冲刹车及车道维持等多种功能[3]。

2.2 国外探索对中国的启示

相较于美欧日等发达国家和地区，我国高速公路管理运营及所提供的服务等仍然存在较多问题，如交通安全事故死亡率数倍于美日等国家、管理监测手段有限及个性化服务需求难以满足等。总体上，我国高速公路的发展仍处在信息化向智慧化转变的阶段，智能化水平仍有较大的提升空间，发达国家的经验对我国的智慧高速公路发展有几点启示。

一是注重高速公路车车与车路更加先进的交互技术。美国正以公路智能运维和车联网技术部署为抓手推进高速公路系统智能化升级，日本以其ETC 2.0为载体推进车路更高形式的交互。二是注重无人机及5G等技术对高速公路管理运营新的使能作用。欧盟在其可持续与智能交通战略中特别强调无人机技术的作用，称其将推动交通运输系统的信息化和智能化，并可酝酿出新的智慧交通解决方案。

3 智慧高速公路架构及关键技术

3.1 智慧高速公路设计架构

新型智慧高速公路更加注重在管理和服务方面、事件处理方面及服务区运营等方面的信息化、智能化、平台化和终端化，其完整的体系架构应由以下几部分构成[4-5]（如图1所示）。

图1 智慧高速公路设计架构

智慧多样的感知层。感知层是智慧高速公路的最底层，由多样的传感装置组成。基于交通地理信息系统、北斗技术、物联网、建筑信息模型等先进传感技术所构建的空间立体感知体系，能够精准识别各种参数，如气象条件、车辆运行状况、交通流量及路段拥堵状况等。

智能高效的传输层。传输层为智慧高速公路的信息传递提供了高效的通路。借助射频识别技术、专用短程通信技术及车载通信技术等通信技术，为高速公路数据和图像等信息、管理控制指令与交互服务请求等提供了高效稳定的传输体系。

智慧分级的管理运营层。管理运营层利用云计算、人工智能等互联网高新技术，构建起以部级、省级、高速公路运营管理级及路段分中心四级管理运营平台及数据库，以实现在道路监管及运营方面的智能化。

智慧个性的服务层。服务层以大数据、“互联网+”及虚拟现实等技术为支撑，搭建起以微博微信或自主研发的应用系统为支撑的交互式道路使用者服务平台，打造智能化客户端及智慧化服务区，以满足不同出行者的个性化需求。

3.2 智慧高速公路关键技术

车路协同技术。车路协同技术是在最新的无线通信技术的基础上，实现人车、车车、车路实时交互的技术，从而进行人车路相互协同配合，实现改善交通状况、提高道路安全系数及优化利用资源的目的[6]。车路协同技术是实现智慧高速公路的关键技术之一，其中车路权优先控制和基于信号灯的车辆速度优化方面的研究是一个热点方向[7]。

超高速无线通信技术。EUHT较其他传统无线传输技术，具有更加优越的高速移动实用性、更大的数据传输带宽、更宽的频带利用率及更加稳定的漫游切换功能，可在精准化可视化管理、路径联勤联动及大数据的采集与应用方面发挥重要作用。

物联网技术。将万物通过基于射频识别等技术的前端传感设备和互联网连接起来，以实现智能化识别与管理的技术即为物联网技术。物联网技术在智慧高速公路中起着连接的作用，将系统中所有部分连接起来，物联网技术在车辆诱导、安全预警及智能调度方面都有着广泛的应用。

4 结束语

本文探讨了智慧高速公路的内涵，梳理了国外智慧高速公路发展的最新动态，并以国外智慧高速公路为借鉴，提出对我国智慧高速公路发展的启示，最后本文提出了我国智慧高速公路的设计架构，并指出了几种值得重视的关键技术。当前我国高速公路发展迅速，智慧高速公路的出现和发展，必将加速交通运输行业的变革，为人们的出行及经济的增长提供更加有力的支撑。希望通过本文的探讨，能为智慧高速公路的发展提供一些帮助。