智慧化路桥管理与技术研究

张徐杏

（重庆市城投路桥管理有限公司）

1 引言

“十三五”时期，我国经济发展从高速发展向高质量发展转型，交通运输发展的方向也在根据人民对美好生活的向往进行不断调整升级。在拥有庞大数量的道路、桥梁等交通基础设施的情况下，路桥的运营管理已经成为了重要的部分，但相较于其他民生领域，路桥智慧化管理仍然存在着一定的滞后性。此外，随着物联网技术发展，未来公路将拥有越来越丰富的数据资源，传统数据分析软件体现出了滞后性特点，道路桥梁信息化与智慧化水平的提升迫在眉睫。因此必须基于信息化技术促进现代综合交通运输体系的完善化建设。

2 智慧路桥发展现状

2.1 浙江

早在2012年，浙江省政府就出台了《关于务实推进智慧城市建设示范试点工作的指导意见》，该意见的出台预示着“智慧路桥”建设正式被提上了日程，浙江省也成为了全国范围内首个开展智慧路桥建设的城市。2017年，浙江启动了全长170km的杭绍甬智慧高速公路建设工程，标志着智慧路桥的研究已从点状的技术试验向系统化的集成示范转变[1]。

在具体建设过程中“智慧路桥”采用“8141”的总体思路，由智慧服务、数据采集以及数据处理中心等各个部分共同构成，该项目通过智能终端设备，采用有线网和无线网相结合的方式实现交通事件、图像以及交通环境等动态数据的采集。同时，浙江省充分利用省内拥有多家科技企业的优势，通过各项合作构建起良好的“智慧路桥”研究生态。如与阿里云合作，利用云计算技术在杭州试点构建了“阿里云城市大脑”，通过建设数据智慧化处理和服务平台，实现将采集的实时数据进行汇聚、处理和交互，为高速交警部门、公路管理部门提供协同管理和智慧服务[1]；推出公众出行服务APP，智能视频以及车联网等各项应用，一方面为市民的安全顺畅出行提供服务，另一方面能帮助软件开发商、广播媒体以及网络运营商等通过提供增值服务从中获利。因此，在商业模式、技术应用以及优质服务的交融下，“智慧路桥”建设成效明显，处于全国领先水平。

2.2 重庆

在近几年的发展中，重庆一直都致力于数字路桥体系的建设，在提高行业服务智能水平的同时构建路政治理、路面桥面养护管理系统。首先是打通各业务系统，建立了数据资源共享机制，实现了全市范围联网运行。市级公路网管理与应急处置平台在实现全过程监控的基础上，又集成了普通公路、特大桥梁、重要路段以及交调站等在内的上千条路监控信号，所建有的移动视频终端和手持智能终端上百套、LED信息发布终端30余块，基本实现了全过程、全路段的可视化与动态化监控。

基于“集中管理、分级控制”这一管理理念，重庆市成功在构建“联网监控、区域管理”的创新型管理模式基础上形成了一个较完整的监控管理体系，并基于该系统达到了路网监控信息互联互通的效果。此外重庆市还发布了《城市道路物联网监测技术导则》，针对山区公路运营管理的难点痛点，开展了“物联网环境下的公路网的管理与监测”等重大专项研究，拟通过物联网等现代信息化技术，增强山区公路的管理能力和信息服务能力，促进了智慧化路桥的建设与发展。

3 智慧化路桥建设与管理中主要存在的问题

3.1 专项政策规划缺位

目前智慧化与信息化路桥建设已经成为了各个省份城市发展的重要技术，但是多数省份虽然在路桥信息化与智能化建设方面存在迫切的需求，但是仍然没有将路桥智慧化建设提上日程，尤其是在缺乏纲领性文件的指导下缺乏具体的建设方向与目标，省级人民政府与公路管理部门也缺乏关于各地市智慧化路桥建设的指导[2]。

3.2 专业机构人员不稳定

受各项因素的影响，道路、桥梁等管理单位现有的工作人员多数为非专业性人员，他们通常由行政调动临时组建或由其他处室人员兼任，而这部分群体无论专业性还是工作经验都是明显不足的，体现出了显著的滞后性特点，其业务能力尚不能满足公路信息化与智慧公路建设的需求。

3.3 系统建设水平不高

虽然目前我国江苏、重庆和浙江等地在智慧路桥建设方面已经取得了一定的成效，而且在信息采集设备布设、应用系统开发等方面所取得的效果也值得其他省份效仿，但是从实际应用上来说仍存在着一定的局限性和不足。具体体现在智能化管理以及智慧化建设等方面，同时面向公众的服务也有待进一步的加强。此外，国内的其他省份在智慧化路桥建设方面的成果仍然处于突破政务处理无纸化以及自动化办公等低端领域，各业务系统仍未实现高度的统一与协调，在技术与数据等缺乏的情况下未满足顶层设计目标。

4 智能化路桥管理与技术应用方面

4.1 决策智慧化

决策智慧化是基于“安全、高效、绿色、经济”运营目标的基础上[3]，针对现阶段交通发展状况以及未来的发展趋势，提出安全合理的措施。总的来说智慧化路桥管理实现仍然需要从以下三个方面着手。

1）目标选择

安全、经济、高效以及绿色这四个目标中，处于第一层级的为安全，其他处于第二层级。第二层次各目标间存在显著的相关性关系，虽然从度量上来说似乎各个层级都是通过经济指标对其进行度量的，但是因为各影响因素间的定量关系获取难度较高，所以尚未确定有效的评价方法。比如在提升通行效率的情况下有可能会解除车辆限速，但可能会使得事故风险也随着速度的增加而增加，这些目标之间的关系均有待进行深入的探究。

2）状态评判

状态评判主要是针对车辆流通状态以及道路桥梁的结构设施等展开的，通常需要基于宏观和微观两个层面对车辆与交通流的状态进行评判。基于微观层面着重评判的是每辆车与障碍物的距离以及跟车距等，基于宏观层面需要着重判断是否需要根据目标进行调整或者交通流的形态是否合理等。

3）状态推演

智慧交通相对于传统状态推演其主要目的是有效预测每辆车的时空位置以及交通参数等。

4.2 关键技术应用

1）泛在无线通信技术

基于异构网络融合与频谱资源共享的基础，泛在网基本上可以实现百分百的网络覆盖，达到随时随地获取、存储、分享、使用信息的效果。在智慧化路桥管理中，泛在无线通信各种技术的互补性更加的显著，针对人、车、路等不同终端引入各类技术应用，涵盖了各个不同的区域和领域，不同技术特点与不同接入速率推动组合网络一体化进程与多元化融合具有十分重要的意义和作用。作为智能化路桥管理中的重要应用技术，泛在无线通信技术主要目标是为路桥设施和车辆通信网络问题提供有效的解决方案。

在车辆和基础设施互联方面，V2I（Vehjcle to Infrastructure）协作系统可以发挥基础设施通信最大化作用，既有助于实现高度自动化驾驶情景感知性能的提升，同时也实现了环境感知范围的进一步拓展。但是在智能路桥设施上部署通信设施直接影响着支持IEEE802.11p协议的V2I，尤其是车辆在受到交通干扰情况下不稳定影响更加严重。

虽然目前V2X的研究与应用已经得到了迅速的发展，但是在中国该领域仍然存在诸多有待解决的问题，比如信道划分与频率资源分配、异构网络垂直切换技术以及DSRC新标准制定等各个方面[4]。目前，中国华为、大唐等企业推行的车间通信长期演进技术可以说是国内泛在无线通信技术应用的成功代表，相对于DSRC技术来说，该技术在向5G系统过渡以及兼容车载互联网等各个方面均拥有显著的优势。

2）大规模连续高精度定位与导航技术

高精度定位技术是车辆安全应用与个性化交通信息服务实现重要的基础与前提，尤其是在北斗系统亚米级精度定位技术以及道路WLAN信号定位、射频无线标签定位等无线定位技术不断成熟的背景下，有效的促进了车辆安全、智慧化路桥建设以及智能出行等各个方向与领域的迅速发展，对城市智能化交通管理与规划以及对智慧化路桥建设与技术升级等各方面均起到了重要的作用。在该研究领域，通常是在车辆网络系统中引入广域精准定位技术，以满足城市环境中车道级定位的需求。如在车道中安装不同色温与光学聚焦的LED路灯，通过对色度点坐标进行分析的方式明确车辆位置，基于模糊逻辑和神经网络的地图匹配法构建了低成本的GPS接收器与微控制器芯片的汽车导航系统等。

但是GPS以及惯性导航等设备在具体的应用过程中仍然可能因为环境等因素的影响难以实现高精准度定位，无法满足智慧化路桥的实际管理与应用需要。因此，大规模的实时高精度定位必然是未来智慧化路桥管理中的重要技术应用。未来智慧化路桥建设过程中，可以通过路侧设施提供的定位信息，融合无线定位技术、高精度地图以及卫星定位等各项技术，弥补卫星定位应用过程中存在的不足，实现智能路桥上大规模车辆的实时精准定位，为交通事故预测和处理、交通管理以及路桥设施维护检查等方面提供充分的依据和参考。

3）无线充电技术

无线充电技术指的是基于电磁场或者电磁波的应用，在完全不需要任何实体电线连接的情况下满足用电设备的充电需求。从实际应用效果来看，在千瓦级功率条件下已经将原本几毫米的传输距离增加到了几百毫米，并且电网负载效率也远远高于90%以上，这使得WCT在静止与动态充电场景中被更多电动车辆青睐。目前典型的三种无线充电方式主要包括电磁感应式、电磁共振式和无线电波式，

电动汽车无线充电系统是一种复杂的非线性磁电耦合系统，其中包括了A4WP、PMA等主流无线充电标准。目前Qualcomm Halo设备的电能转换效率已经超过以上电磁感应式和电磁共振式，大大提升了充电的效率。显然安全性、可靠性以及便利性是无线充电技术相对于其他技术应用拥有的显著优势，不需要担心设备维护或者机械磨损等方面的问题，在雨雪等恶劣天气中的适应性也相对较强。因此，在路桥设施上建设无线充电系统拥有较大的发展潜力。

4）主动的路桥安全控制技术

基于智慧路桥系统层面，在智慧化建设过程中还应当加强主动的安全控制技术应用。通过智能化预测路桥车流信息实现车路情境感知、事故通知、行人碰撞警示等，提前感知、提醒和规划特殊运营车辆的行车路径和路权等级。特殊运营车辆通过安装特殊电子设备的方式达到可视化的监控与跟踪效果，加强路桥安全的智能化和安全性；在应急管理方面，可使用无人机、机器人等措施实现快速响应、周密指挥。

在主动的路桥安全控制技术研究中，路桥状态监测系统可以基于平板电脑中MEMS加速度传感器和GPS接收器对设施异常点进行检测；基于激光测距技术下的预警系统能够动态化测量并预警路面状况；道路太阳能系统可以结合所监测到的太阳辐射热、土壤储存热量以及道路桥面吸收的太阳能的基础上，对其系统的传热机理和效果进行探究与分析；阿里云开发的城市大脑可以对路况数据进行实时的监测，在城市交叉路口通过传感器数据智能分配交通灯时间，可减少行车延误并大大提升道路安全。

显然，未来智慧化路桥建设与发展中仍然需要以道路桥梁基础设施为着手点，并通过实时监控、自动修复和提前预测等功能提升行车安全和稳定，以及评估路桥设施安全状态。主要技术体系如图1所示。

图1 现阶段智慧路桥技术体系[5]

5 结语

智慧化路桥管理是一项集计算、系统集成技术等技术应用在内的道路综合体[6]。本文在分析智慧路桥建设现状和存在问题的基础上从决策智慧化和关键技术应用这两个方面初步分析了虚实结合的平行智慧路桥管理体系。对于我国公路与桥梁建设与管理来说，智慧化必然是未来的主要发展趋势，在人才、技术和资金投入等方面仍需进一步突破，有待解决的问题还有很多。所以未来仍然需要结合实际需求和具体的情况进行优化与调整，在各方共同努力下加强智慧化路桥的建设与发展，共同营造良好的发展环境。