基于5G的高速公路运营管理优化研究

胡永恺 徐观潮 杨阳

摘要 5G作为新一代通信技术演进升级的重要方向，是实现万物互联的关键信息基础设施、经济社会数字化转型的重要驱动力量。在交通领域，5G的应用范围广泛。基于沪宁高速公路的运营管理优化需求及5G网络建设现状，文章提出应用5G的高宽带、超低时延、广连接等特点，在高速公路实施路面病害巡查、清排障作业过程信息实时回传、提高养护效率与质量、清排障效率，助力智慧高速公路建设进程。

关键词 5G;高速公路;运营管理;病害巡查;清排障;指挥调度

中图分类号 TN929.5;U495 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）03-0022-03

0 引言

5G建设是新型基础设施建设重要领域之一。如何将先进的通信技术有机地融合运用于整个交通运输管理体系，实现智慧管理、智慧服务、运营管理、应急管理，为公众提供智慧化出行服务具有较强的研究意义。

1 研究背景与现状

高玮阳[1]等基于5G技术趋势与高速公路现阶段的发展现状，初步阐明了5G技术在高速公路行业的主要应用场景。吴冬升[2]等通过构建“感知、通信、计算”三方面技术能力，提出了高速公路5G智能网联方案，介绍了典型的5G智能网联应用包括高速公路物流应用和高速公路治堵。田芳[3]等针对高速公路精细化巡检管养作业需远距离、长滞空、超高清视频实时传输的需求，设计了一套基于5G网络的无人机高速公路自动化巡检管养系统。董明明[4]等借助5G通信技术搭建空中与地面通信网络，保证无人机在遇到随机障碍物时可保持最小安全间距。

随着全国新基建的稳步推进，5G在高速公路周边的覆盖也日益完整。以沪宁高速江苏段为例，全线248 km建设有500多个基站，经实测，5G网络覆盖率达到96%，成功切换率达99%，平均下载速度达400 Mbps，基本实现了5G信号全覆盖，为5G设备的应用推广奠定了基础。

2 高速公路5G网络现状及业务通信需求分析

2.1 养护业务通信需求

养护管理业务场景主要包括路面、路基、桥涵、绿化、沿线设施五个部分，主要依靠人工检查和人工养护的方式，其中养护巡查过程中病害上报、养护作业过程中的远程沟通采用移动电话或无线对讲机的通信方式。

其中路面检测主要依靠肉眼观测，巡检人员两人一组驾乘巡查车上路检测，一般行驶于外侧车道或应急车道，当发现病害后下车观测确认。重要结构物或病害多发路段同样需要下车观测，必要时与调度中心联络，进行占道施工养护。每年会安排外协单位进行一次视频检测，以摄像头拍摄道路视频进行图像处理，获取病害检测报表，然后安排相应养护工作。

养护从巡查到作业整个业务流程中目前主要依靠人工，存在工作效率低，养护不及时的问题。通过视频监测能够大幅度提升病害检测效率。养护巡查过程中需要对全线路面进行拍摄，然后依靠图像处理技术识别路面病害，同时还需要桩号识别算法进行位置匹配，因此对于算力有较高的需求。就当前4G技术应用数据来看，在人力、算法都以最大效率工作的情况下，图像识别处理将产生大约20 min的时延。如果是在大范围路段检查范围的情况下，需要半天到一天的时间才能获取病害报告。高速公路由于车辆运行速度快，路面病害、抛洒物等异常事件将对车辆通行安全造成很大的影响，采用5G手段对图像进行处理，尽可能地缩短检测时间，争分夺秒，应修尽修，保障车辆通行安全。

2.2 清排障业务需求

清排障业务流程包括信息接收、出车安排、现场作业、返程这几个步骤，当前沪宁高速清排障的主要流程分为以下几个阶段：

事故信息的接收：目前调度中心主要依靠人工报警或者监控视频巡视发现交通事故，然后由調度中心利用驻点值班手机将事故信息告知清障人员，同时通过云调度系统手机App（单兵设备或私人手机）告知清障人员，清障人员获得工单。

清障出车、到达现场以及现场作业过程全纪录：清障执勤人员将清障车刚到达现场时的照片、作业过程中的照片、作业完成后撤离现场的照片、到达收费站后车辆解拖的照片上传至手机App，然后核实驾驶员身份信息、车辆信息、里程等，进行费用支付。

清障作业操作稽核：清障完成之后，根据路侧监控视频记录下的操作过程进行稽核。

从整个清排障作业流程来看，由于清排障需要保证业务的强机动性。在清排障作业过程中，需要对现场状况拍摄视频或图片，记录事故发生到处理的全过程，一方面便于调度中心对现场情况实时把控，采取相应的管控措施，另一方面记录清排障作业流程，便于后期审核和优化。拍照过程比较繁琐，不利于现场交通的快速恢复。

3 面向高速公路运营管理优化的5G应用场景设计

3.1 基于5G车载设备的路面病害巡查应用场景设计

3.1.1 应用场景介绍

养护巡检是高速公路养护中的第一步，当前高速公路主要采用人工方式进行每日巡检，漏检率高，效率低，当发现特殊情况时巡检人员需要对病害进行拍照，下车拍照存在一定的安全隐患。

在高速公路巡查车上装配车载高清高速相机，通过车载的高清高速相机采集路面情况，利用机器视觉及人工智能技术，对路面病害进行智能识别，实现路面表观病害的快速定位与定量检测。高速公路车载高清高速相机的养护巡查车通过5G网络实时传输高清视频、图像数据以及路面病害检测结果至养护管理平台。

场景主要功能如下：

（1）病害检测：将视频摄像头安装于车头位置，车辆按照正常速度行驶，拍摄沿线路面视频。车辆视频可清晰检测的范围一般为3条车道，车辆行驶于中间车道，对中间车道和两侧车道路面进行拍摄。拍摄数据实时上传，车内平板和远程PC端可对视频角度进行操作。

（2）病害位置定位：摄像头在拍摄沿线道路路面视频的同时，对道路沿线的里程桩和百米桩进行拍摄，利用图像识别技术对道路桩号进行识别，利用差分法等计算方式将病害与道路桩号进行对应。

（3）病害详情：路面智能巡查数据包括路面平整度、破损、异常跳车、附属设施完整性等，设备安装于巡查车上，数据每天更新。数据需要进行图像识别运算，最快可15～20 min形成检测报告。考虑到实际病害检测任务的开展，一般可在半个工作日之后获取报告。

（4）病害统计与跟踪：根据业务需求对病害严重等级、类别进行统计梳理，并针对病害发育程度进行跟踪。对常发性病害进行重点跟踪，辅助日常业务管理。

3.1.2 5G应用可行性分析

当前养护检查需要养护人员停车并下车人工采集检测器检测数据，容易对道路通行产生影响，从而造成车辆的拥堵，并且高速公路上车辆行驶速度快，有可能也会造成交通事故。传统技术传输速度较慢，并且所能连接的设备数量少，而5G技术比现有技术传输速率更快，能够保证车辆高速行驶状态下稳定的通信交互，实现养护人员不停车的检测数据采集。

5G网络带宽高、低延时、传输速率大，能够支撑更高清晰度的视频、图片传输;其次，高速公路病害分为不同类型、不同检测标准，在检测过程中生成海量数据，5G网络能够提高系统算力，降低系统处理海量病害数据的时间，5G与其他无线通信技术的指標对比如表1所示。

3.2 基于车载5G摄像机的清障实时视频获取

3.2.1 应用场景介绍

为了保障清障过程中监测清障人员工作规范与安全，能够对恶劣天气和夜间等视线不良条件下事故情况的观测与作业监管，并辅助管理人员在重大事故发生后能够近距离清晰观测事故情况进行远程指挥，提出基于车载5G摄像机的实时视频获取应用场景。

通过在清障车上安装5G高清红外摄像头，凭借移动5G网络“高速率、低时延”的优势，清障人员可在第一时间将事故现场高清图像“秒传”至后台指挥中心，为事故现场救援、清障提供即时、准确、高效的指挥和调度保障。

场景主要功能如下：

实时视频监控：进行实时视频监控，无线车载终端支持实时视频远程浏览，可在监控中心远程实时监控高清车辆视频。

3.2.2 5G应用可行性分析

道路巡查车辆和清障车辆之间的网络通信要求具备实时性和便捷性。高速公路上现有的光纤通信无法满足这些特点，而短程通信距离较短，不具备可行性（参见表2）。此外对于清障指令的传输及时性要求高。5G技术利用“宏基站+微基站”方式，传输稳定性好、传输距离长，能较大程度上提高事故发现和处理效率。

3.3 系统架构

基于高速公路运营管理优化需求及5G技术特点，提出基于5G车载设备的路面病害巡查应用场景设计。基于车载5G摄像机的清障实时视频获取两类应用场景，其系统架构如图1所示。

（1）应用层主要包括路面病害养护、清障实时视频监控两部分功能。

（2）智能分析平台主要处理视频数据和结构化数据，结构化数据主要进入大数据算法平台，首先对数据进行清洗处理，然后进行流式计算，调用模型，如果触发模型则通知高速公路其他系统进行处理。视频数据则进入视频平台，首先对视频流进行处理，然后对视频进行分析，主要是视频流分析、视频解码和目标分析，分析出来结果进行存储。

（3）物联网平台主要分为设备接入网关、设备注册中心、消息网关、规则引擎和管理配置中心。

（4）设备层目前支持2种类型设备，包括养护巡查车外置云台摄像机、清障车外置车载摄像机。

4 结论

该文探讨了面向高速公路运营管理优化需求的5G应用场景建设，提出基于5G车载设备的路面病害巡查、基于车载5G摄像机的清障实时视频获取两种应用场景，经研究发现，这两类应用场景具有较高5G应用可行性。随着5G技术的不断发展，将面向高速公路的5G+应用场景建设与大数据、云计算、数字孪生等技术融合运用，对高速公路的智慧化发展具有重要意义。

参考文献

[1]高玮阳，王风春，王金亮，等.新基建浪潮中的5G与高速公路[J].科技尚品，2020（9）：28-30.

[2]吴冬升，王传奇，金伟，等.高速公路5G智能网联技术、方案和应用[J].电信科学，2020（4）：46-52.

[3]田芳，王珂.基于5G+4K的无人机高速公路自动化巡检研究与应用[J].江苏科技信息，2021（6）：55-59.

[4]董明明.5G移动通信下无人机高速公路巡检防碰撞技术研究[J].电子测量技术，2021（5）：41-45.