现阶段智慧高速公路建设现状梳理及发展趋势分析

2023-09-13凃云峰李加志杨徐杰马卫赵秋

运输经理世界 2023年7期

凃云峰、李加志、杨徐杰、马卫、赵秋

（曲靖中建曲昆高速公路投资开发有限公司，云南曲靖 655000）

0 引言

高速公路是连通城市，承载政治、文化、社会的重要载体，也是服务民生、推动国家现代化进程的重要支柱。我国高速通车里程持续居于世界第一，路网巨大规模效应逐步显现，交通运行网络化特征显著。随着科学技术的发展，智能化、智慧化公路的概念不断浮现，智慧高速的概念最早由Ferrari 于1986 年提出，着眼以智能方式并应用新技术来改变高速公路的运行模式。进入21 世纪，随着大数据、云计算等新兴技术的出现，智慧高速公路被定义为利用传感、通信、信息、云计算、大数据、人工智能和绿色能源等高新科技，在高速公路上布设相应的设施设备，并建设有交通运行控制中心，以实现汽车驾驶更安全、更快速、更绿色的高速公路。

1 国内典型智慧高速公路建设分析

20 世纪末，我国开始在高速公路上开展以全域监控、信息传输、联网收费系统为基础的信息化建设。2011 年，浙江省将智慧高速建设列为智慧城市建设的重点示范建设项目。

2014 年，“新一代国家交通控制网”的概念被提出，即通过建立全智慧的车路协同平台，对全路段、全时空以及车辆实现实时控制。同年交通运输部提出发展综合、智慧、绿色和平安交通的发展思路，为各地开展智慧高速公路建设提供了政策支持，我国全面进入智慧高速公路建设新时代。

1.1 两徽高速

两徽高速的“智慧公交建平台”子平台、“智慧高速”综合管理云平台已建成投用，利用公路、立交、桥隧等重点区域的视频监测数据和收费系统数据，实现全路段云联网视频监测。利用互联网出行数据和数字地图进行精准定位，实现交通运行状态、设施设备和环境的实时、全面、深度感知。集成视频云监控，实现视频实时播放、智能分析和智慧监测，与上级云平台流畅衔接，并自动执行路网态势感知、视频事件识别、综合业务分析等任务，显著提高公路运营管理效能与智慧化水平。

1.2 西安外环高速

西安外环高速南段作为交通运输部“交通强国”智能高速公路建设、运营与管理的试点工程，依托已有桥梁结构和设施，针对项目的特点及难点，提出了一套完整的桥梁工程全寿命周期管理体系，建立一个可共享的桥梁三维数字仿真环境系统。项目以白鹿原等桥隧工程为载体，在设计和施工中应用BIM 技术，在此基础上进行二次开发，组建桥隧建设BIM 联合管理系统。并在施工关键环节建立信息化管理监控子系统，实现业务数据信息的图形化和实时可视化，为各工程参与单位合作办公和施工控制提供统一的资源和信息共享平台[1]。

1.3 成宜高速

成宜高速作为四川首条全要素全覆盖智慧高速，其整体建设主要包括三部分。

一是选取试点路段并配套建设自动驾驶基础设施，达到支撑L4 级自动驾驶要求的标准。

二是基于“车路协同”技术提升路网运营水平，构建完善的路网感知和管控系统，实现视频智能分析、突发事件预判和自动报警等功能。

三是依托数字化基础设施建设全面打造智慧高速，实现高速公路全线5G 网络全覆盖，支撑数据的高效传输。

1.4 石渝高速

石渝高速配备了700 多台车路协同设备，是目前规模最大、最复杂、最通达的C-V2X 车路协同常态化运行智慧高速，能够辅助智能网联环境下的车辆安全驾驶。通过部署大量的路侧传感设备（C-V2X RSU）和计算机显示设备，如摄像头、视觉传感器、雷达、水位传感器等，确保C-V2X 网络在隧道等关键区域充分覆盖。当发生特殊情况时，信息将及时传输至人工智能专家决策系统中进行自动处理和报警，有效确保异常情况的快速发现、及时通知、正确处置。从中长期来看，能够为高等级自动驾驶车辆提供交互式驾驶体验服务，对于智慧交通的发展意义重大。

2 国外智慧高速建设发展趋势分析

国外发达国家早在20 世纪80 年代就开始了智慧高速公路的建设实践，并于21 世纪初就形成了一定体量的建设规模。

近十年来，随着信息传输、实时通信、云雾平台等技术的萌发，新兴技术不断应用到智慧高速的建设中，现已形成以路侧合作交互的智能交通为引领的通道级别高速公路，形成一批可推广、可借鉴的建设、研发和运营经验。

以美国为首的美洲智慧高速建设主要围绕两个层面开展。

一是打造面向运营商的点对点智慧高速通道。自1997 年美国各州开展城市间智慧高速建设试点，到现在基本形成了辐射多区域的区域级智慧高速通道，并配套建设了集收费、运行、维护、巡查于一体的运营系统。

二是打造面向用户的智慧高速车路协同系统。通过执行和传输路侧指令以及车辆间的交互信息提供车辆信息服务。通过不断完善互联车辆和车路交互系统，形成了集面向运营商、用户的车辆管理和公路监测等基本智能化运行的智慧高速。

欧洲开展了以提升运输服务水平为目标的主动交通管理建设，包括Easyway 项目和合作式智能交通系统战略。Easyway 项目中，意大利等国家形成以智能道路计划、高效公路网络和快速通道为核心的发展路径，并开展参与者实时信息服务、运营者实时管理服务、客货运实时监测服务于一体的智能高速建设。合作式智能交通系统战略是指创建更互联、更安全的道路，道路可与车上的用户进行通信，通过新技术实时提供有关交通、事故、天气等信息，以提高旅行舒适度和更好的基础设施管理。现阶段的欧洲主动交通管理建设方案将逐步扩展到整个综合运输系统[2]。

亚洲发达国家中的日本与韩国对技术与战略计划提出了不同方案。日本提出了ETC2.0 战略，在现有ETC 建设水平上，整合车内智能终端，与路侧基础设施实现实时交互，实现ETC 联网收费、车路协同指令接收和控制。韩国2018 年实施了Smart Highway战略，提出面向用户的智慧高速公路建设网络，以适应未来电动汽车和自动驾驶汽车逐渐普及的趋势。将打造包括辅助行驶、车路通信控制、多元化信息发布等业务在内的服务，预计2030 年末实现信息化基础设施全面铺设完成，关键技术被攻坚应用。

3 智慧高速建设创新技术分析

3.1 先进的信息采集和数据传输技术

3.1.1 数据采集技术

现阶段交通数据采集技术主要包括四种方法：

一是路侧数据采集，主要采用感应磁环、气动道路管、压电环阵列、微波雷达、超声波和声学传感器系统、磁力计探测器、红外系统、光探测和测距（LIDAR）和视频图像探测器等工具。

二是广域数据收集，主要来源为道路摄影测量数据、视频和音频分析处理数据。

三是浮动汽车数据（FCD）采集，利用浮动车来进行交通数据采集，基于无线通信和全球导航卫星系统（GNSS）、车牌识别（LPR）、车载转发器单元（OBTU）实现对交通基础设施和道路运行状况进行实时监控。

四是无人机数据采集，具有强大的动态集成能力、高时空分辨率和灵活性，也逐渐应用于道路安全、交通监测和管理、公路基础设施管理等方面[3]。

3.1.2 数据传输技术

随着传感器和大数据计算的发展，在智慧高速数据传输方面的应用显著增加。通过传感器和多种可视监管平台系统的联合开发，使事物和管理人员能够在任何地方连接、激活流程和更高效地交换数据。随着高速公路服务水平的提升，对高速公路地质环境监测的重要性日益凸显，微型机电传感器（MEMS）技术逐步被多数智慧高速建设所采用。更精密、更微型的传输设备，逐渐成了智慧高速建设运营的关键技术。

3.2 先进的道路运行监测和管控方案

3.2.1 BIM+SHM 平台

BIM+SHM 的组合平台能对交通特性、基础设施和环境数据进行结构健康监测，因此逐渐被应用到智慧高速公路设计、管理和维护领域。通过应用BIM+SHM 平台，对桥梁、高架桥和隧道等关键结构的设施进行快速状况筛查，实时反馈结构完整性和可靠性。为运营者主动获取智慧高速运营状况，提前作出决策提供新视角。

3.2.2 可变车道设备

动态车道管理（DLM）和硬路肩车道（HSR）是现有智慧高速公路车辆功能动态配置新型策略，即根据车辆流量、类型等车流属性的实时变化，来动态变换车道功能或将原硬路肩车道转换为附加车道，以提升高速公路容量。通过车道上的悬浮标志指示硬路肩是否对交通开放，并根据交通状况更改道路的强制性限速。

采用匝道控制（RM）和协调匝道控制（CRC）策略可调节进入高速公路的车辆数，以确保最佳的交通运行效率。匝道进出口由自适应交通信号控制，其信号时序由AI 算法提供，通过分析实时流量数据来确定最佳进入率，使主干线车流一直处于最佳行驶状态[4]。

3.2.3 速度协调控制策略

基于变速限制（VSL）和速度协调（SH）的控制策略，可在拥堵区域前或重点监测路段前改变限速，以减少拥堵并提高安全性。能够根据交通状况动态更改车辆的运行速度。利用交通传感器实时监控运行环境，并将信息发送至云端以计算最佳限速。得到运行方案后直接提供给CAV 驾驶车辆或者驾驶员，实现整体调整。

4 我国智慧高速发展趋势研判

纵观我国高速公路建设发展历程，我国的建设更偏向于互联互通、可视化和终端平台化发展，即充分发展现有技术形成集通信、计算机平台、前端于一体的智慧高速公路系统。未来的建设重点主要在：

第一，形成终端应用和云控平台为一体的系统架构。形成以无线通信为主要发展路径的信息化建设方案，即在路侧布设无线通信网和智能基站等基础设施。充分发挥终端应用在智慧交通系统中的重要性，依托智能手机、车载显示屏等无线通信设备，构建车路交互平台（DSRC）。将ETC 电子标签、电子车牌、手机信令数据、车载蓝牙设备所反馈的信息实时上传云控平台，实现车辆终端与控制终端的实时交互反馈，为全自动驾驶环境下的信息传输、传递和指令执行奠定技术基础[5]。

第二，同步开展兼容多种技术标准的路侧基础设施建设。为保证车辆、路侧采集器、云端三者在不同运行环境下均能实现高速传输、低延迟响应的数据上传和指令接收，将开展适应DSRC、RFID、4G+5G、Wi-Fi、C-V2X 以及超高速无线通信系统(EUHT)在内的多种技术标准的通信基础设施建设，以及适应隧道、河谷等信号穿透能力较弱区域的北斗定位和路段识别终端联合服务的定位基础设施建设。通过建设信息采集和传输系统、车路通信系统、信息增强系统等路侧基础设施，保障多元主体间的指令实时接收，协同管理道路运输状况，满足为车载终端用户提供高效服务的智慧高速建设需求[6]。

第三，利用多元交通数据采集与分析技术为智慧高速运营管理提供决策支撑。应用LTE－V 车车/车路通信技术、车辆高精度定位技术，用于交通监控的无人机检测与处置技术，集成主要气象信息和有关部门发布的气象数据的预警处置技术，重要路段变形监测和预警技术，路径诱导处理分析和人车交互技术等新兴数据采集与分析技术，实现对公路的服务能力进行预警，提升智慧高速公路的信息服务水平和运营管理者的管理能力[7]。