高速公路智慧出行技术研究与应用

江子立

(福建高速福泉高速公路有限公司,福建 福州 350000)

0 引 言

21世纪随着人类社会的进步,网络化、数字化、智能化、信息化、自动化的不断创新和发展,推动了智能交通的出现。当前,我国正处于新型城镇化和绿色生态城市快速发展的关键时期。随着信息技术的巨大发展和物联网的快速发展,出现了感知城市、数字城市、无线城市、智能交通等一系列先进的城市形态,智能交通不同于传统的交通方式[1]。智能交通突出的是物与物、人与物、人与人之间的互动。同时也体现了人与物的智慧的完美结合。它的本质是利用先进的信息和通信技术,对城市公路各部分的运行信息和关键数据进行感知、收集、处理和分析,使系统更智能、更高效、更符合居民生活的各种需求。而高速公路系统是城市与周边联通的重要组成部分。据官方统计,近10年来,中国城镇化水平从2000年的36%上升到2010年的49.68%,中国城镇化率稳步上升至57.35%[2]。随着城市化进程的加快,普通的交通系统已无法承载快速的人口增长,因此,解决高速公路拥堵、高速公路安全、高速公路噪音、高速公路环境等一系列高速公路问题迫在眉睫。高速公路智慧出行是全面深化交通运输改革的重要途径。同时,这也是解决现有高速公路问题的一个突破。

随着计算机和通信技术的不断改进,人们正在开发和测试新的交通工具,以提高机动性和安全性。其中包括安全驾驶辅助系统、先进的检测设备、存储、处理和分析来自多个来源的数据的新方法,以及车辆通信和自动化系统。智慧出行指的是所有类型的车辆与其他车辆、道路基础设施以及其他非机动车道路用户进行无线通信的能力,以支持一系列的安全性、移动性、公共和私营部门感兴趣的环境应用。智慧出行可能会给由交通信号控制的城市网络的交通性能带来显著的额外好处。每辆车的位置、速度、方向等信息都是实时的,这意味着每辆车都是传感器,可以提供车辆轨迹层面上的连续交通需求信息。此外,通过车辆与基础设施之间的通信,车辆可以获得交通信号相位和时间的信息,从而为控制策略提供了机会,使车辆能够在最短的延误下安全通过交叉口,同时也能最大限度地减少燃油消耗。

1 智能交通的发展现状

十九大报告提出了建设交通强国的宏伟目标,要求我国必须加快交通系统信息化、智能化的速度,加快交通公路智慧化的建设[3]。与此同时,中国在交通和基础设施方面投入了大量资金。据中国高速公路协会统计,2016年,中国完成公路建设投资17 976亿元。其中,完成公路建设投资82 350亿元,我国新公路智能系统市场规模达到1 730亿元,比5年前规模几乎翻了一番[4]。目前,高速铁路、高速公路、城市公路里程分别为2.5万公里、13万公里和400万公里,居世界第一[5]。中国在交通基础建设领域具有天然的、绝对领先的基础优势。目前,除了推进基础设施建设,还在推出交通系统各个行业发展智能交通的详细规划。

城市中心人口的增长、对能源效率的需求增加、城际投资竞争以及来自人们的其他需求使城市系统更加紧张。人口增长与城市发展之间的矛盾日益突出。为了平衡人口和城市发展的问题,实现城市可持续发展,建设更智慧化更高效率的高速公路是当务之急。构建高速公路智慧化的三大驱动力,首先是以物联网、云计算、人工智能等快速发展为代表的新一代先进信息技术。此外,模式创新的趋势和居民的生活趋向于高效率。此外,国家政策引导,鼓励创新和结构升级。这三大驱动力从技术、社会和政策的角度引导社会自发向智慧化发展。建设智能交通是一种有效的实践形式。以互联网产业化、产业智能化、产业融合为代表;以人工智能、清洁能源、无人控制技术、量子信息技术、虚拟现实、生物技术为基础的全新技术革命被视为第四产业。在这一过程中,各国都抓住了产业的高度。建设智能交通是这一过程的重要部分。它不仅是创新思想的大门,而且是科学和社会经济快速发展的催化剂。如果中国想在第四次工业革命的浪潮中走得更远,就必须加快智能交通等重大智能系统的建设。

2 高速公路智慧出行服务的研究规划

智慧出行是智能交通的重要组成。交通是城市基础设施建设的核心。其发展和创新的重要性不言而喻。交通对城市的重要性就等于血管对人的重要性。它担负着共享人流、传递信息、减轻交通压力和保护环境的作用。

2.1 构建高速公路智慧出行服务网络

将城市交通网络与高速公路的感知采集设备相结合,还将应用移动通信、传感器和云计算等先进技术,创建智慧出行交通服务网络。实现了路与车、车与车实时互联,充分保障交通安全。智能监控系统、智能流量观测系统、实时路况信息系统等智能设备的应用可以大大提高交通运输效率。设备技术的高低决定着智慧服务网络的整体效率。受限于年代,部分感知设备的年代较早,受当时技术限制,存在精度质量参差不齐、功能不全、响应不及时等问题。虽然高速公路智慧化的建设已经取得了初步的成功,但高速公路智慧出行技术仍有巨大的发展潜力。在解决了当前的困难后,其发展速度和给社会带来的巨大成果是不可想象的。

2.2 构建高速公路智能化的应急调度和风险预防系统

利用智能监控系统实时观察交通状况,预测可能发生的交通事故。然后利用卫星定位系统及时反馈到现场的交通人员,让他们在现场指挥,从而避免交通事故。如果不能防止事故的发生,就要及时做出有效的应急决策,指挥调度,迅速恢复交通,避免造成重大损失。同时鼓励应用公路智能养护设备,提高在役交通基础设施检查、检测、监测、评估、风险预警以及养护决策、作业的快速化、自动化、智能化水平,提升重点设施自然灾害风险防控能力。将高速公路智慧出行从城市基础设施扩展到其他领域,城市基础交通作为高速公路智慧出行建设的基础,并扩展到其他领域。例如,城市物流港口、轨道交通、航空和空中交通管制也被纳入高速公路智慧出行建设。打造物流港区物流信息监控系统和公共物流服务平台。建立轨道交通综合管理体系。与地面服务和机场信息集成的建筑服务系统和航空空对空综合系统。基础交通运输与物流港口、轨道交通、航空的有机结合,将有助于完善高速公路智慧出行建设,提高高速公路智慧出行的质量。

2.3 建设多功能更智慧化的新型高速服务区

高速公路服务区是随着高速公路里程的延伸而产生的配套服务设施,它在提升高速公路司机及乘客出行体验感方面有着举足轻重的作用。传统服务区仅定位为出行公众中途休息、车辆能源补给的基础性出行服务场所,随着智能交通时代的到来及新技术的叠加应用,服务区将转变为区域服务会客厅、创新交通科技集成应用载体、产业带动策源地,开展智能停车引导、结合服务车辆类型特征及时空规律分析的个性化服务、公众画像、实时旅游信息指引等创新应用,引领出行体验升级、关联产业协同发展。

3 高速公路某收费站智慧出行技术的应用研究

3.1 工程概况

试点项目的收费站位于福建省的交通枢纽地带,收费站建设之前没有考虑到后期车流量会急剧增大,选址的收费站中心位置距离匝道口太近且出入口匝道又弯又长,近几年车流量上升之后,这个收费站在出行高峰时段经常发生拥堵情况,特别是入口匝道方向甚至会堵到市区马路上。

该方案通过物联网、人工智能、视频监控等技术,实现包括“车辆逆行检测、 停车占道检测、 行人检测、非机动车检测、压黄线行驶检测、抛洒物检测、火灾检测、团雾检测等功能。具体方案是通过出入口各在高点安装两个高清摄像头错开角度实现距离收费站100 m范围内的全覆盖,摄像机的实时图像传到收费站的视频服务器或硬盘录像机,乙方科技公司的算法服务器从收费站旧服务器提取实时视频后通过事件检测的AI算法,判断是否图像中有异常事件发生,如有异常事件实时通过WEB端提醒收费监控室,监控员查看报警画面后可以用在摄像机周边安装的喊话器发出警告也可以通知在收费广场的机动人员进行人工干预和预防,甚至可以将收费站实时情况共享到手机导航APP,通过提前软件预警来避免拥堵目前世界智能交通已经发展到第三阶段,以美国、欧洲、新加坡、日本、韩国为代表的发达国家及地区借助新技术、新理念不断拓展智慧交通新领域:美国力求实现地面交通网络的全面连通;欧洲也在努力创建一个可持续的交通系统,同时注重环境保护;韩国重点关注智能精细化管理服务,日本力图实现人车路协同的大规模应用。中国在2019年将河北雄安新区、辽宁省、江苏省、浙江省、山东省、河南省、湖北省、湖南省、广西壮族自治区、重庆市、贵州省、新疆维吾尔自治区、深圳市等13个地区为第一批交通强国建设试点。各地区的智慧交通试点因不同文化、不同地区、不同政策等原因而有所不同,但智慧出行服务大众相信会是共同发展的一个重要方向。

3.2 技术挑战

高速公路服务区是在高速公路上设置的,主要为车辆、司机和乘客提供服务场所和施工设施。高速公路服务区与互联网融合。形成线上线下互动、需求与资源匹配。智能高速公路服务区也是智能高速公路的重要组成部分。智能服务领域包括行业主管部门、公路运营商、旅游服务提供商、交通信息服务提供商和公众。高速公路某收费站智慧出行技术的应用一直面临着诸多障碍,其中只有一些是技术性障碍。部署成本、资金限制、责任担忧、不确定需求、制度惰性和政治挑战。在后面的章节中列出了以新兴技术为重点的常见实现挑战。

技术要求。在高速公路某收费站智慧出行技术需要大量的基础设施投资,包括在每个交叉口和车道上的传感器,以及与交通管理中心的通信。交通信号控制器可能需要升级以支持自适应信号控制功能。可能需要光纤通信或信号之间的其他互连,以支持动脉走廊上的自适应操作。闭路电视摄像机有助于定位和确认事件,并在自适应系统不正常运行的情况下。动态设施管理措施的实施需要在大约半英里的距离安装高架车道控制标志。动态车道管理:对交叉口进场的通行车道的允许利用进行更改,以响应实时交通状况,并通过相关机制将更改通知接近交交叉口的司机。此外,还可以动态地指定特殊行车车道(如连续或间歇公交车道)。基于固定检测器和移动源的数据,向高速公路用户提供实时信息。这可以包括旅行时间和显示施工区域位置的地图,与拥堵的联系,以及撞车或其他事故的位置。拥堵的严重程度和延迟的长度也可以提供。导航指导已经成为标准,通常用户可以比较可用的路线和运输方式。当主路路上的条件由于拥塞、事件或其他情况而恶化,低于规定的阈值时,还可以提供备用路线指导。信息可以为交通,自行车,步行模式以及驾驶。旅客可以使用他们的手机查找从他们当前的位置或从一个预定的出发点到一个计划的目的地的过境路线和时间表,并检查过境车辆的到达时间。及时、可靠的多式联运出行信息的可用性可以作为一种交通需求管理策略,减少乘车辆的道路出行需求。

流量分析工具。交通机构现有的交通分析工具是基于人类驾驶车辆的数据设计和校准的。这些工具不太适合评估智慧出行技术的应用,因为它们无法整合车辆连通性和自动化。嵌入在这些分析工具中的关系可能不再适用于连接的环境。在新工具问世之前,各机构需要对现有工具的应用及其局限性进行具体指导。现有建模和仿真工具的一些关键缺点包括:由于智慧出行技术的局限性,很难评估各种联网车辆场景下的预期效果(例如,设备故障、通信延迟问题、典型负载和资源需求)。这使得在特定应用中很难评估替代智慧出行技术的有效性。目前,根据通信设备的类型,假定延迟的参数是固定的。建模驾驶员行为的局限性:现有的仿真工具基于跟车、换道和排队放行算法对驾驶员行为进行建模。这些算法目前被设计用来模拟人类行为,并根据人类驾驶车辆的行驶轨迹进行校准。

4 应用前景

建设智能交通是一项伟大的工程,而高速公路智慧出行系统则是其中一个重要的环节。科技不断创新和发展,更智能更高效已成为大势所趋。基于大数据和人工智能技术的真正高速公路智慧出行时代正在到来,新基建下的高速公路建设也将使智慧出行的发展达到更高水平,为人类创造更美好的出行环境。