基于山区国省道的智慧公路研究与设计

2021-10-08高航远

科技创新与应用 2021年27期

高航远

（西安公路研究院有限公司，陕西西安 710065）

公路交通行业是我国国民经济中的基础性产业，随着科技的进步，其智慧化发展是大势所趋。2017 年国务院印发的《“十三五”现代综合交通运输体系发展规划》指出，要促进交通产业智能化变革、推进智能化运输服务升级、优化交通运行和管理控制、健全智能决策支持与监管以及加强交通发展智能化建设[1]。2019 年交通运输部印发的《数字交通发展规划纲要》中指出，要构建数字化的采集体系、构建网络化的传输体系及构建智能化的应用体系等要求[2]。同年，国务院印发的《交通强国建设纲要》指出，要强化前沿关键科技研发、大力发展智慧交通以及完善科技创新机制[3]。相信在“十四五”综合交通运输发展规划中，将会对智慧公路的建设及运行管理提出更高的要求。

1 山区国省道智慧公路研究现状及意义

近年来，我国公路里程稳步增长，截至“十三五”末，我国公路总里程已突破500 万公里。与此同时，交通事故的发生也不容忽视，相较发达国家，我国的交通安全状况仍不容乐观。智慧公路是解决当下交通问题的重要技术手段，但当前关于智慧公路的研究主要集中在高速公路方面，且多是停留在理论研究层面，所提出的框架设想对指导智慧公路的具体实现还有一定难度。

我国是一个多山的国家，山地面积在我国国土面积中的占比超过三分之一，山区公路在我国公路总里程中占比很大。国省干线公路的智慧化研究虽然也在进行，但研究成果十分有限，特别是专门针对山区公路的智慧化研究和具体的设计建设，则更是凤毛麟角。

因此公路特别是山区国省道公路的信息化、智慧化研究和设计建设都对我国的经济社会发展以及保障人民生命财产安全具有重要意义。

本研究选取依托项目，本着因地制宜、可落地、有实效的理念，结合依托项目所在地的自然条件、路线特点、管理模式以及业务需求等情况，进行智慧公路数字化研究和设计。

2 依托项目概述及现存问题

依托项目地处秦岭北坡，属山岭重丘二级盘山公路，双向2 车道，共计25km，全线路基路面宽度为9-12.5m，存在多处连续急弯、长下坡等特殊线形路段。沿线货车交通量较大，且作为危化品车辆运输通道，危化品车辆占比大。

目前，依托项目的运行和管理存在诸多问题。

首先，安全隐患较多且事故多发。依托项目翻越山岭路段存在多处连续急弯、长下坡等特殊线形路段，海拔较高路段由于气温低而时常会出现雨雪大雾等恶劣天气，作为危化品车辆运输通道，依托项目运行中会不定期发生路障、施工、抛撒物及拥堵等事件，这都成为了交通事故多发的诱因。

其次，路况和事故获取及响应不及时，运行管理方存在提高管理效率的需求。雨雪天气出现时，往往会出现道路结冰的情况从而严重影响车辆通行，但运行管理方第一时间无法获取天气信息，除冰除雪工作存在一定延时。同时，传统的管理模式不能及时发现各种车辆尤其是危化品车辆行驶过程中产生的各种事故，从而造成响应滞后。因此，必须借助更多的路侧感知设备获取更多的数据信息，并将数据信息进行汇聚、筛选和分析，形成有用的智慧公路数据资源，从而为管理部门的决策提供支撑，以提高其管理效率。

最后，公众出行服务信息提供不足。依托项目由于事故易发及管理方响应不及时等原因，造成相关信息无法第一时间向公众发布，由之而起的盲目通行会导致拥堵或事故加剧，因此道路使用体验水平不高，必须进行智慧化设计以满足公众日益增长的出行服务需求。

3 基于依托项目的智慧公路研究与设计

针对依托项目目前存在的安全隐患多、事故多发、路况和事故获取及响应不及时、运行管理效率有待提高，公众出行服务信息提供不足等问题，开展智慧化公路研究与应用。

通过在弯道路段设置公路让行安全警示设施、在恶劣天气易发事故路段及视距不良路段设置智能引导设施及在易结冰路段设置防结冰及凝冰处置设施等方式，提升公路运行的安全性。通过在公路沿线设置公路交通信息感知设备及在管理中心设置可视化平台等措施，提升公路运行管理的效率。通过在公路沿线重要节点设置信息发布设施、通过车载导航软件提供路况信息及通过电信运营商提供信息发布业务等措施，提升公路出行服务的水平。

基于上述研究思路，依托项目设计智慧公路五大系统，以达到提高公路通行安全性、提高公路运行管理效率以及提升公路出行服务水平等目的。

3.1 公路安全警示系统

依托项目线型复杂、弯道多，车流量大、危化品车辆多，安全隐患较大。通过设置公路安全警示系统，以降低弯道等路段的安全隐患，从而减少事故的发生。

该系统在急转弯路段的两端设置具备直联功能的两台预警设备，该套设备为基于“雷达+视频”感知技术具有声光多重强预警功能的智能设备，可通过毫米波探测雷达对在道路上行驶的车辆进行安全检测，将弯道其中一侧的车辆通行状态实时传输至弯道另一端的设备。该系统通过声光及文字等信号，将检测到的来车信息通过语音广播、红蓝警示灯及显示屏等方式，为对向驶来的机动车、非机动车及行人进行有效的预先安全警示提醒，以降低弯道会车的风险，从而降低弯道的安全隐患并减少事故的发生。

3.2 雨雾天气及夜间智能引导系统

依托项目翻越山岭路段恶劣天气现象较多，团雾发生期间能见度很低，且夜间行车视线不好，路侧轮廓不明显，更由于存在长陡下坡线形而交通事故易发，因此设置雨雾天气及夜间智能引导系统。

该系统设备主要设置于团雾易生路段、易结冰路段、视距不良路段、连续回形弯道路段及易拥堵等路段。该系统由智能引导灯、气象检测仪、能见度检测仪、控制主机、系统控制平台及外场联动设备等组成，可提供道路轮廓强化、行车主动诱导及道路通行情况预警等功能。其系统架构见图1。

图1 雨雾天气及夜间智能引导系统架构图

3.3 全自动主动式路面凝冰监测预警及处置系统

依托项目由于地处山区，冬季降水时道路结冰现象严重，这给道路交通安全和养护保通带来了很大风险。与大范围路面结冰和积雪相比，局部路段（高海拔背阴、桥梁、匝道及隧道进出口等）出现积雪或凝冰对于机动车驾驶人员更具突然性和难以预见性；另外，局部陡坡路段出现的积雪或凝冰可能导致大型车辆难以通过从而造成交通阻塞，因此应在相关段落设置全自动主动式路面凝冰监测预警及处置系统，系统架构见图2。

图2 全自动主动式路面凝冰监测预警及处置系统架构图

该系统主要由道路气象监测设施、管理控制设施及融雪剂溶液喷洒设施等部分组成，主要实现路面情况及凝冰实时监测及预警、防结冰融雪剂自动喷洒及系统运行状态监测等功能。路面情况及凝冰实时监测及预警子系统，采用埋入式路面传感器采集路面温度、路面覆盖物、冰点温度、盐溶液浓度及湿滑度等多种参数，同时设置交通气象监测站，采集路面环境参数与大气环境要素信息，结合预警算法，实现路面结冰早期预警。防结冰融雪剂自动喷洒子系统，主要设置泵站、喷洒终端及相关管线。该子系统利用外场站传感器监测所得的路面冰雪状况、路面温度及真实的结冰温度点等数据，来控制在路上喷洒融雪剂的数量，使其喷洒量始终保持适量，这样既能使路面始终保持不结冰状态，同时还减少了过量使用融雪剂所造成的浪费和对环境的污染。系统运行状态监测子系统可接收路面情况及凝冰实时监测及预警子系统的各种传感器传输的实时信号，并根据算法分析启动防结冰融雪剂自动喷洒子系统的相关设备，并可利用网络上传至系统平台，以便管理人员通过系统平台了解系统运行的全方位信息。

3.4 公路运行管理系统

依托项目作为危化品运输通道，危化品车辆在该路段的行驶数据对公路运行管理有着非常重要的作用，因此，设置该系统对重点路段内运行的车辆进行交通量统计，并将数据上传至管理中心的可视化平台，以提高路段管理运行效率。

该系统通过设置卡口监测将全路段分为多个监测路段，获取路段内交通实时状况，并结合路侧事件感知设备进行分析，可实时识别停车事件、拥堵事件及抛洒物等情况，并可定位相关位置，同时可将分析结果实时在平台端进行报警。该系统通过在重点关心路段设置路侧枪球一体化摄像机，加密视频监控分布，以便于运行管理人员实时了解路段情况并采取相关对策。

3.5 智慧发布系统

为提高公路运行服务水平，满足公众出行服务信息提供需求，设置智慧发布系统。该系统通过在依托项目路段起讫点等关键位置设置门架式可变情报板，为道路使用者提供信息发布服务。通过将前端感知设备采集的数据信息提供给第三方地图导航信息服务商，依靠其车载导航软件为道路使用者提供精确的实时路况信息。通过将公路基础信息提供给电信运营商，由电信运行商向公路使用者提供路况信息及欢迎提示短信等服务。