浅谈机电系统在智慧高速中的应用

摘 要：基于智慧高速的发展方向，重点对智慧高速机电系统的总体设计和部署进行了总结和概括，可为今后智慧高速机电建设提供思路。

关键词：智慧高速;路网综合系统;车路协同系统;机电系统

0    引言

黨的十九大提出了“建设交通强国”，为新时代的交通发展指明了方向，在此前提下，中国高速公路的发展将向数字化、智能化的方向发展，高速公路的便捷性、安全性将进一步得到提高。

在智慧高速建设过程中，机电系统围绕着基础设施数字化、基于大数据的路网综合系统、路运一体化车路协同系统等方面对道路进行动态管理。

1    总体设计思路

现有的高速公路建设存在道路感知不足、信息服务水平较为落后等方面的问题，因此，新的智慧高速的建设设计要在前期考虑到近期和远期的发展问题，加强信息服务系统部署;在前期建设中，要坚持资源优化、统筹兼顾的原则，可以选择合适路段进行试验部署，探索新技术的应用场景，通过多方协同、数据共享、服务租赁等方式，实现对高速公路的交通态势、气象情况等多方面的掌握，通过智能化系统对车辆和道路进行交互式感知，实现对交通流的主动控制，并在远期对车辆主动驾驶系统提供全面和智慧化的信息接入。综合现有的设计模型，除了原有的机电三大系统和供配电系统外，智慧高速的基本架构大致如图1所示。

数据感知层围绕着“人、车、路、环境”获取各方面的数据，包含交通状态、气象信息、地理信息等，与其他平台数据进行衔接，交互使用，形成用户数据层。支撑层是对感知层的数据进行处理和管理的硬件和软件的结合，通过对数据处理和数据的通信，把松散的数据进行结构化处理融合，为下一步的决策提供技术支撑。决策层是为处理后的数据作用于决策进行服务，包含预警服务、管控服务、仿真决策服务等。应用层利用决策层的输出结果，结合管理者的需要、出行服务的需求等个性化定制进行开发，形成一套有效的智能高速公路机电管理软件。

2    机电系统的部署

机电系统的部署，大致可以围绕着基础设施数字化、大数据系统、车路协同系统这几个方面来实施。

2.1    基础设施数字化

基础设施数字化即重点构建智能监测传感网络，实现对隧道、桥梁、匝道等重点部位的动态管理。基础数据的建立，包含智慧道路、智慧隧道、智慧服务区等各个方面的数据采集;除了原本高速公路已有建设的视频图像、车检器、交通信号灯、隧道CO/VI监测、隧道照明监测等，还可以根据车路协同的要求，部署气象监测系统、事件监测系统、边坡桥梁高风险地区感应系统等，实现监控路段交通态势的信息采集。具体如下：

（1）智慧道路：可以通过全景摄像机自动巡航、事件监测系统对道路匝道进行实时视频全覆盖;通过气象站采集路面结冰、能见度等数据，为大数据平台提供最直接的基础数据。

（2）智慧隧道：对隧道的火灾、拥堵等突发事件进行检查并预警，实现隧道照明亮度的自动调节;对设备运行情况和能耗进行监测，在保证安全行车的前提下达到节能减排的效果。

（3）智慧服务区：智慧服务区的建设包含无线网络全覆盖、信息发布系统、停车及诱导系统、安防系统、汽车管控系统、智能公厕、电动车充电、太阳能系统等，从而为车主提供一个清洁、舒适、便捷的休息环境。

（4）智慧收费系统：通过主线ETC门架、收费站区互联系统，实现高效快捷的收费流程，并对超载、逃费等违规行为进行有效监控和追踪。

2.2    大数据系统

基于大数据的路网综合管理，即构建智慧高速公路运营与服务智能化管理决策平台，实现区域路段综合信息采集、运营调度、应急指挥、公众出行信息管理等服务。交通大数据平台主要由底层的基础数据和顶层应用构成，基础数据由摄像机、智能卡口、ETC门架系统等设备提供，通过5G、Wi-Fi、Internet等网络传送到数据中心。平台的数据处理是关键技术，可通过MySQL、Hbase分布式数据库等数据分析方法对信息进行融合、分类，针对不同的数据模型采用不同的存储模式，进而与顶层应用进行数据分享[1]。

2.3    车路协同系统

智慧高速公路的建设最主要的是建设一套智能的车路协同系统。车路协同系统是指车辆、道路基础设施、服务系统等各个子系统组成的一个可以进行实时数据交换的复杂系统，系统、车辆、道路可以根据实时的交通状态、气象条件、车流趋势等各方面因素进行各种调节，使交通系统处于依据实时数据进行动态调整和寻优的过程中，具有较高的可靠性、安全性和应变性。

高速公路的车路协同系统主要由外场的RSU路侧通信基站、智能车载终端、分中心系统控制平台、高精度地图组成。基于全国高速公路主线ETC门架系统网络的构成，可通过ETC系统进行车辆感知和通信，如图2所示[2]。

2.3.1    路侧智能基站和智能终端

路侧智能基站包含定位、通信和控制模块，可以实现设备与车辆的信息交互，向车辆发布路网信息、交通状态等，同时通过终端设备采集车辆速度、轨迹等实时状态并上传大数据平台。车载智能终端以成熟的移动终端为核心，通过车载OBU与基站进行无线通信，以视频、广播、图片等方式接收高速公路运行状态等信息。

2.3.2    分中心的控制平台

控制平台由软件和硬件组成，硬件包括系统服务器、各应用终端服务器、安全网络认证设备等，实现设备监控、车辆诱导、信息发布、数据共享等功能，可汇聚路侧设备采集的车辆行驶信息和发布信息，同时将外部平台传输的控制指令发送给路侧设备，对高速公路上行驶的车辆形成集车、路、云平台于一体的监管系统，确保行车的安全高效。

2.3.3    高精度地图

高精度地图与普通地图的区别在于：普通导航地图是供驾驶员使用的，而高精度地图则是供自动驾驶车辆使用的。自动驾驶车辆安装高精度地图或从云端分段获得高精度地图可以帮助车辆预知路面复杂信息，如坡度、曲率等，以更好地规避车辆行驶过程中潜在的风险。此外，高精度地图支持自动驾驶等新技术的应用，为将来自动驾驶以及更精确的位置服务打下了坚实的基础。高速公路建设、运营管理单位采用高精度地图，可以有效提高道路及其附属设施的养护管理水平，建立科学、规范的基础设施管理养护体系，实现道路可视化、信息化和精細化管理，为车主提供高精准的信息服务。

车路协同系统在设计构成上大致可分为五大模块，分别为：

（1）设备监管模块，主要负责接收设备状态数据;

（2）安全辅助模块，主要对接入的数据进行融合处理，同时接入高精度地图信息，并为其他模块发送数据;

（3）分车道定制模块，处理车道特殊事件数据并进行信息发布;

（4）定制服务模块，可根据事件结果信息形成不同场景的控制策略，并上传相关平台;

（5）信息安全模块，对各种信息流量进行监测和安全分析，实现对系统安全隐患、漏洞的及时预警。

系统构成如图3所示。

3    结语

在当代“建设交通强国”的背景下，智慧高速既是未来交通发展的新理念，也是国家重要的发展战略。智慧高速的建设理念也慢慢融入了机电系统的设计中，越来越多地体现出“以人为本”的设计新思路。智慧高速公路中的机电系统构成较为庞大和复杂，前期投入巨大，在前期设计中可以分为多个阶段来实施，前期可以利用移动网络、北斗高精定位等逐渐提升高速公路的智慧化水平和服务水平，并为今后的发展提前布设好接口;后期可以建设自己的无线网络覆盖系统、高精度定位差分站等，真正实现“人、车、路”一体协同发展的智慧化、智能化高速公路。

[参考文献]

[1] 李锋，马嵩.交通大数据在智能高速公路中的应用[J].交通节能与环保，2020，16（5）：43-45.

[2] 周兰孙，郑豆豆.基于高速公路ETC门架收费设施的车路协同系统探讨[J].中国交通信息化，2020（11）：99-101.

收稿日期：2021-08-17

作者简介：沈雄斌（1984—），男，福建泉州人，工程师，研究方向：高速公路通信系统。