绿色建养 智慧管控 融合创新

文/ 供图 | 山东高速建设管理集团有限公司

京台高速泰安至枣庄段改扩建工程

提升交通数字化、智慧化、信息化水平，推进交通资源循环利用，大力发展绿色交通、智慧交通、平安交通是国家的重大战略要求。对高速公路改扩建工程而言，21世纪初的改扩建工程，在交通组织上采用了全封闭施工模式，在建造技术上创造了路基、桥涵拼宽和老路面加铺等技术，形成了高速公路改扩建的1.0模式。此后的改扩建工程中，开始采用边通车边施工的交通组织模式，在建设技术上采用标准化设计、工厂化预制、装配化施工、信息化控制、专业化管理等技术，确立了高速公路改扩建2.0模式。随着国家“双碳”战略、出行即服务等理念的有力推进，构建安全、畅通、便捷、高效、绿色、智慧、经济的公路路网新体系，对改扩建高速公路扩容增效、绿色智能提出了新要求，打造高速公路改扩建3.0模式势在必行。

“长距离高速公路智能建造与运维关键技术研究及应用”项目依托京台高速泰安至枣庄段改扩建工程（以下简称“京台高速改扩建工程”），确立了“改扩建建造技术更绿色”“运营服务水平再提升”“探索面向未来的智慧公路”三大发展目标，历时7年攻关，形成了“长距离改扩建绿色智能建造技术”“全寿命周期全息感知与智能管控技术”“高精度轨迹追踪及车路协同支撑技术”，打造了我国长距离国道主干线高速公路绿色、低碳、智能改扩建和保通、保畅、保安的技术体系，实现“绿色建养、智慧管控、融合创新”，引领未来高速公路改扩建的发展方向。

/ 创新点一：长距离改扩建绿色智能建造技术/

针对改扩建既有桥梁数量多、分布广泛且技术状况较好，但因现行规范简化计算方法不准确，不能精准评价桥梁剩余性能和服役承载力，造成大量桥梁拆除等难题，项目组突破了基于大数据交通流组合预测和载荷谱统计的在役桥梁荷载预警技术，建立了融合数字图像测试和贝叶斯预测的既有梁板抗力评估方法，可以快速精准识别病害裂缝，追踪、应变、应力、挠度发展，提高了评估效率。

依托智能检测评价技术，该项目实现了对在役桥梁结构的精准高效分级利用，同质化利用性能满足改扩建新规范要求的在役桥梁；对于性能不满足规范要求的桥梁，在改路、改桥或低等级道路上降级利用；对病害重、耐久性差、碳化严重的梁板进行破碎处理，建立骨料性能精准筛分方法，用混凝土再生、台背回填、路基填埋等方式全部实现绿色回收利用。京台高速改扩建工程旧桥梁板保留1.2万余片，桥面板100%回收，同质利用率达70%。

针对路面材料的高效高价值利用难题，项目组研发了高渗透性环保型温拌再生剂，可有效降低施工温度30摄氏度以上。该项目研究表明，温拌再生剂的加入能增强沥青铺展性能，减小沥青和集料的接触角，加快其在集料表面的铺展速率，改善沥青与矿料在较低温度下的拌和效果。其机理是在加入温拌再生剂后，沥青在羰基键和亚砜键对应的特征峰处会出现明显恢复，而随着再生剂用量的增加，羰基和亚砜指数会呈单调递减趋势，沥青的老化产物会得到还原。因此在相同渗透时间条件下，加入温拌再生剂的老化沥青的针入度、软化点和布氏黏度恢复率均大于加入普通再生剂的沥青。

在役桥梁集群性能智能检测、评价及再利用技术

大掺量RAP 料高性能沥青路面再生技术

此外，项目组还提出了大掺量RAP温拌再生沥青混合料设计方法和成套施工技术。应用表明，使用温拌再生沥青混合料可以减小沥青层底部的最大拉应变和路基顶面处的竖向压应变，进而提高半刚性基层和底基层的疲劳寿命；中面层使用温拌再生沥青混合料能够明显减小中面层以下沥青混合料层的竖向压应力，下面层单层使用温拌再生沥青混合料会使得中、下面层中竖向压应力小幅增大，中、下面层同时使用温拌再生沥青混合料的路面在18厘米以下沥青混合料层的竖向压应力最小。中、下面层同时使用温拌再生沥青混合料效果最优；单层使用温拌再生沥青混合料时，以中面层使用效果较好。该项目首次实现RAP掺量达到70%以上，实现铣刨料回收率达100%，在不降低再生材料寿命的前提下，节约成本22%。

/ 创新点二：全寿命周期全息感知与智能管控技术/

针对高速公路强化施工安全管理和提高车辆通行效率的需求，项目组综合运用电子高精度地图采集、北斗数字差分定位、多源异构大数据融合、轻量化图形数据分发等新兴技术，研究厘米级道路基础设施快速数字化、网联环境下交通状态规模化感知、车道级交通流智能调度组织，以及车辆通行诱导信息发布标准化等技术内容。

“空-天-地”一体的厘米级高速公路电子高精度地图

高速公路改扩建智能诱导

伴随式服务

针对高速公路现有ETC门架数据利用率低、交通流预测精度差及诱导信息不能差异化发布等问题，项目组改进了径向基神经网络交通预测算法，在基于ETC门架数据的基础上创新性地融合了卡口、雷达及视频等多种数据，实现了京台高速交通流的精确预测，并在此基础上分析了交通事件时空范围的关键性影响因子，建立了事故持续时间最优线性回归模型及交通事故影响范围预测模型，进而针对不同事件类型、不同用户位置提出了基于多终端联动的高速公路信息诱导策略和方法。

基于北斗的星地双基增强定位技术，项目组研发了分米级精度约束条件下的“空（无人机倾斜摄影测量）、天（卫星/航空遥感）、地（车载激光三维扫描）”一体的数据采集作业方法，进而实现了点云数据的高速、高效、高精度采集，以及高速公路数字化模型精准、快速构建。

服务区车位精准诱导

雾区高速公路多感官交互主动安全防控

智能融冰除雪

雾天风险判别与限速控制流程

针对改扩建期车道数量变化易导致交通流紊乱、拥堵等安全和效率问题，项目组攻克了适应于高密度路网区的拓扑结构构建技术，提出了路径诱导最优算法，首创了多终端信息发布策略，实现了全过程伴随式服务。

针对高速公路服务区停车位利用率不足、诱导手段单一等问题，项目组对高速公路服务区停车位构图、分类标识展示等难题，采用全景采集车、背包采集等多个智能体协同采集车道线、交通标志、路沿、车位等信息，基于异构数据不同特征描述数据关联，准确联合多类型数据，融合多源异构传感器数据，利用各异构传感器实现数据一体化表达，完成多源异构数据融合，实现多智能体协同地图构建。

此外，项目组采用高维学习图网络关联异构数据，基于非高斯多假设估计器，构建基于面元的多源异构一体化数据表达模型，实现准确的地图数据表达；采集数据采用网络地图坐标系，生成丰富准确的POI(Point of Interest)数据，具备多属性、分层表达、多分辨率切换、2D/3D效果扩展的优势，支持模糊查询，满足多种使用需要，可实现服务区车位分类标识及实时状态显示，真实映射现场环境、特殊标记与引导危化品车辆车位，实现服务区的安全管理；通过和现有停车管理系统数据对接，将车位总数、实时余位数据等静动态信息接入网络地图，方便车主用户在行驶前查询、导航，及时了解服务区停车位与充电车位的忙闲状态，避免拥堵。

针对被动式除冰雪技术人力成本高、环境污染大，主动式除冰雪技术成本高、施工难度大、环境适应性差，以及无法实时预警等问题，项目组研发了基于二阶滑模及STA-SMC控制策略的喷洒防冰除冰系统，提高了路面积雪结冰的判定准确度和速度，实现了特殊气象条件下的主动快速清冰除雪。在此基础上，项目组将防冰除冰系统与智能行车诱导系统相融合，传递路面冰雪分布覆盖信息，研发了诱导功能全面、诱导作用明显、诱导设施利用率高的新型交通诱导装置，诱导冰雪天气下的车辆行驶。

云控平台技术架构图

结合视频、可见度仪、风速等传感器，项目组研发了大雾、团雾等特殊气象下的车辆运行风险智能感知技术与道路风险因子感知路侧装备，实现了对大雾、团雾的快速检测和风险等级评价；建立了高速公路大雾风险等级级配的雾区车辆多级诱导与限速控制理论，实现了大雾、团雾等特殊气象下的车辆运行管控策略和方法；研发了雾区高速公路多感官交互主动安全防控与装备，满足了大雾和团雾等特殊气象条件下的车辆安全主动防控，降低了车辆追尾碰撞、车道偏离等驾驶风险，提升了高速公路运行安全性。

针对目前高速公路智慧运营内、外部信息环境平台多元化、应用离散化、信息孤岛化等问题，项目组构建基于“端－边－云”的智慧高速公路系统一体化架构，搭建合理、科学的高速公路多层域系统体系，开发万亿级海量多源异构数据分析技术、正反演核心计算引擎和三维大数据可视化技术，实现了多元异构环境下，技术、数据和业务的信息融合功能，构建了全国首个路网级一体化云控平台；实现高速公路全要素数字化，构建智慧高速数据接入标准，打造深度数据融合体系，定义统一的数据接入与融合标准，将与交通相关的多源感知数据、时空数据、业务数据进行汇聚、治理、归一、计算、融合，实现对人、车、路、物、环境等交通要素的深度认知，有力支撑智慧高速业务应用。

同时，通过采用“端-边-云”协同控制逻辑架构，项目组发挥智慧云控平台和路侧边缘计算能力，提升智慧高速的综合控制与管理功能，实现跨路段的数据汇总分析、预警预测和协调控制，同时基于高精地图支持数字孪生交通系统和交通控制策略制定，实现多源数据融合、短时交通预测等功能，实现同交警、气象、交通、应急一路多方的在线协同和数据共享，基于即时、全量、动态原则，实现交通态势研判、运营决策分析、出行信息服务、应急指挥调度、智能养护运维和多方协同管控。

/ 创新点三：高精度轨迹追踪及车路协同支撑技术/

针对车路协同中定位精度低和抗干扰能力不足的难题，项目组提出了基于北斗和组合导航的高精度定位技术，包括复杂环境下北斗增强精准实时定位技术和车载导航定位抗干扰技术。结合高精度伪矩差分算法与组合导航技术，项目组研制了复杂环境下北斗增强精准实时定位技术，提出了一种车载导航定位抗干扰技术，用合路器将模拟器提供的卫星信号低噪放后与干扰源提供的干扰信号合路，提供给待测模块，通过多模块对比，关注信噪比，以及定位状态，并集成常见场景下目标位置信息的补偿方案，进而实现了车辆在复杂环境下的鲁棒精确定位；提出具有时间维持特性的伪距差分方法，流动站用户接收一次参考站观测数据，可以持续1分钟以上连续定位，有效解决了流动站用户定位的连续性，减少了用户端实时接收参考站数据的体量，大幅降低用户定位成本，实现由导航级向精准亚米级定位转变，车辆定位精度可达99.69%，远超目前的70%至80%定位精度。

组图：高速网高精度定位服务技术

为了保障“车－路”通信过程的低时延和高可靠性，项目组研发了基于双模式互补的车路协同终端通信设备，包括C-V2X车规级模组和5G-V2X低成本车路协同路侧智能终端RSU和车载智能终端OBU，有效提高了车路信息交互的稳定性和可靠性，使通信时延降低为10毫秒，远优于规范要求的100毫秒，为高级别自动驾驶提供了支撑。

在雨雪雾霾、物体遮蔽及复杂路况等多环境作用下，针对因高速公路不同路侧传感器布设姿态无统一标准，导致的重叠区域特征稀疏远距多传感器配准难题，项目组全面分析了不同条件影响下图像和点云数据微观特征，创新了基于频率自匹配的设备优化部署理论与基于大地坐标表示的同源数据精确配准理论，提出了基于坐标转换的多路侧同源数据融合方法与基于平面靶联合标定的跨源空间配准方法。

针对目标追踪车辆行驶过程中出现长时间遮挡等现象造成的路侧传感器检测难题，项目组提出了基于惯性导航轨迹预判补点技术与多传感器等距离信息采样方法，实现了目标车辆的动态信息和特征信息多数据融合和绑定，完成了目标车辆完整的数据信息和轨迹，以及定位信息的准确还原，实现了广域范围内的多目标高精度轨迹追踪，使目标轨迹断点续连率达到98%，平均车辆速度偏差低于5%。

针对智能网联车辆自车信息、环境车辆信息、不同驾驶环境数据及行驶风格信息研究不足，导致的行车安全及效率较低问题，项目组根据混合交通群体运动特征，构建能够表征车辆运动状态的动态安全势场模型，通过整合速度、加速度和转向角等车辆微观运动参数，实时动态表示车辆不同运动状态下安全风险分布，并以该模型为基础提出复杂交通环境下车辆安全风险的新型量化指标PFI，提出基于安全势场理论的道路交通安全表征方法，进而从安全角度动态刻画智能网联环境下的车辆运动态势。

针对不同智能网联汽车渗透率对通行能力影响研究不足所导致的管控措施不合理问题，项目组结合安全势场理论与图论思想，构建智能网联汽车间不同信息拓扑结构，并结合不同类型的安全势场构造了一种智能网联车辆自动驾驶控制策略，提出了基于安全势场的智能网联车辆自动驾驶控制模型，车辆行驶侧向加速度及侧向转角分别优化了18.34%和7.55%。

低时延车路协同通信设备

此外，项目组还提取了不同驾驶环境下的车辆与驾驶环境信息，分析不同驾驶环境下的车辆跟驰、换道需求与控制机理，分别建立了不同驾驶环境下的跟驰与换道模型，针对不同的驾驶环境对车辆实施微观控制，不仅提高了高速公路通行效率，缓解了高速公路交通拥堵现象，还有效提高了自动驾驶车辆的通行效率和安全稳定性。

基于安全势场的自动驾驶控制模型构建技术

无盲区高精度轨迹追踪

技术体系

项目突破了长距离改扩建绿色智能建造技术，解决了检测评定技术深度不足，适需性不强，高效、高价值利用技术体系不完善的核心制约难题，使梁板同质利用率达到70%以上，沥青再生料掺量70%以上，树立了绿色智能改扩建样板。

在信息感知与交通管控方面，攻克了全寿命周期全息感知与智能管控技术，突破了交通态势感知、预测、安全保障技术成熟度低，应用可靠性不强的关键制约难题；精准诱导达到车道级，确保了改扩建及运营期的服务水平不降低。

在车路协同自动驾驶支撑技术方面，突破了高精度轨迹追踪及车路协同支撑技术，解决了当前高速公路车路协同中的高精度定位、低延时通讯、超视距感知方面的核心制约难题，为探索未来智慧交通技术提供了支撑。

智慧高速云控平台

应用推广效果和经济社会效益

项目形成了一套高速公路智能绿色建造与运维技术体系，搭建了自主一体化的“建管养运服”智慧高速云控数据平台，实现了“全路段感知、全过程管控、全天候通行”三大核心目标，建设了4 个国家和省部级高层次创新平台，打造了五大应用示范工程。

项目制定了山东省第一部智慧高速建设标准，提出了智慧高速是基于业务需求，以数据为核心，充分利用现代技术，提升多源感知、融合分析和决策支持能力，促进人车路环境的深度融合，实现建设、管理、养护、运营、服务全过程数字化和智能化的高速公路；明确了智慧高速的建设范围、功能要求、技术路线、实施方法、与其他各专业的界面；为山东省新建、改扩建和运营高速公路的全生命周期智慧化建设、管理、养护、运营和服务提供了参考。

实现了改扩建期间的保通、保畅、保安，无重大交通安全事故；通行效率和平均车速均大幅提高，为我国“改扩建+智慧高速”交通强国试点贡献了“山东经验、山东模式、山东方案”，引领了我国高速公路改扩建技术的高质量发展、推进了高速公路全天候条件下保通、保畅、保安的技术跨越。

宁阳智慧服务区

山东省第一部智慧高速建设标准