市政道路工程的智能化设计思路

胡晓宇

（太原市政建设集团有限公司，山西太原 030000）

0 引言

市政道路智能化设计重在提高城市道路的信息感知能力，通过设置在道路上的视频监控系统、智慧路灯、电子站牌采集道路交通信息、城市空气质量信息，并将这些信息返回到管理后台，用于指挥交通，避免道路拥堵问题。

1 道路发展现状

在城市道路区域不断扩大的过程中，道路信息也变得越来越复杂，许多十字路口汇聚了不同方向的行人、机动车以及非机动车混合交通流，由于缺少信息采集、数据分析、信息指示为一体的道路标牌设计，不能对混合交通流实现正确的引导和分流，容易造成交通事故。目前80%以上的道路标牌采用了非智能系统，所面临的主要问题如下。

（1）道路信息更新较慢，导致驾驶员和行人对路况的感知性降低。

（2）维护频率较高，标牌字体的夜间反光性随着时间的久远而变差，导致驾驶员和行人对标牌的可观性降低。

（3）LED 点阵式电子标牌通常循环显示固定的道路信息，智能化水平不高，当道路施工或指向信息变动时，标牌没有及时显示，会在高峰通行期间受到较大影响[1]。

2 市政道路基础工程智能化设计内容和要求

道路的基本参数涵盖内容非常广泛，主要包括设计使用年限、设计最大时速、车道数量、载重能力等一系列内容。由于是市政道路，车辆通行非常频繁，并且施工、检修、维护、改造等都要占用城市空间，对交通造成极大的不便。在设计市政道路工程时应该充分考虑这些因素，尽量延长道路的设计使用年限，车道数量要满足城市在当前以及未来的交通需求，尤其是长远的需求。道路工程改造的成本非常高，并且耗时耗力，设计单位应该运用大数据等技术判断城市未来几十年内的人口及交通变化趋势，设计出具备前瞻性的道路工程。在选用施工材料时应该优先考虑工程性能更加优异的新型道路施工材料，借此全面提升市政道路工程的各项基础参数，使其满足城市发展的长期需求。

3 各地区政策差异化分析

通过对比全国各省市最新的智能网联汽车道路测试与示范管理规范相关政策发现，各地政府执行情况相同点如下：①各地区均授权了第三方机构（深圳除外）负责自动驾驶车辆测试的全过程监管，包含测试车辆的申请受理、专家评审、测试监管、数据采集等工作。②在智能网联汽车道路测试申请流程及递交的申请材料大致相同。差异性主要体现在以下方面：①各地区开放的测试场景不同。北京等地优先开放高速及无人化测试场景，重庆则依托山地环境开展山地道路测试场景。差异化的测试环境，使得智能网联汽车自动驾驶功能需要有更强的适应性。②地方政府对测试车辆及测试驾驶员的要求有所不同。针对申请应用示范的测试车辆，深圳提出每台车辆需要在申请示范应用所在区域完成不低于1000km 的测试里程，面向示范运营车辆，上海要求驾驶员应具备道路运输行业从业资质[2]。

4 市政道路规划影响因素

为防止乡村建设“千村一面”，市政道路规划必须要因地制宜、突出地域特色。基于前瞻性、可持续发展、通达性、历史文化保护等原则，充分考虑市政生活特点、乡村振兴要求以及自然环境约束等，保证道路规划的安全性、实用性和系统性。结合中国乡村道路实际情况，分析影响市政道路规划的主要因素，主要包括自然因素、工程因素、社会和人口因素及其他因素等。

（1）自然因素。市政道路规划要考虑环境要素的影响，重点考虑地形地貌对道路交通安全性和舒适性的影响，如坡度、高程、起伏度。

（2）工程因素。道路建设对市政耕地、林地、居民地和水体等土地利用类型会产生不同的占用成本、拆迁成本和建设成本，市政道路规划要集约节约利用土地资源，避免破坏生态环境。

（3）社会和人口因素。市政道路不仅服务于当地村民的日常需要，也是带动市政区域经济发展的关键。为更好地服务当地村民的交通出行和农业生产，不仅要充分考虑对内对外交通的联系和出行的便利程度，还要考虑市政各区域的人口规模，明确道路起止点与等级，确保整个市政路网的通达性，更好地服务于村民[3]。

5 市政道路附属设施智能化设计思路

5.1 人工智能技术

传统的标牌只能静态显示当前交通道路信息，无法对交通运行调度起更多的帮助作用，基于人工智能技术的标牌打破了这种局限性。在智能标牌系统中加入高清摄像头，并放置在城市中的重大路段枢纽，利用深度学习和图像识别技术对道路上的各个区域进行实时交通流量监控和预测，在信号控制、交通引导、路线规划等各种应用中发挥着基础性作用。将采集到的信息上传至数据管理中心，经分析评估后再下发到各个标牌单元，使驾驶员和行人更清楚地掌握前方道路状况，从而减少出行时间，提高道路利用率，建立起人工智能指挥交通通行网络。

5.2 智能道路照明系统

智能道路照明系统包括以下模块。①LED 单灯控制器主要作用是使用UWB 通信模块形成自组网实现数据通信，测量其与智能配电柜之间的距离，同时使用传感器采集路灯的电能信息、周边亮度等环境信息，输出0～10V 调光信号控制LED 灯具的亮度。②智能配电柜是现场控制核心，主要作用是作为UWB 定位的已知参考点，同时作为单灯控制器的通信网关。③路灯管理中心运行在云服务器上，主要作用是根据各个单灯控制器上传的距离信息对其进行定位，提供实时路面状态监控、路灯状态监控、路灯资产管理、人员管理、实时告警等功能，实现路灯智能管理工作。道路照明系统中LED 单灯控制器、智能配电柜必须形成通信网络才能实现数据传输进行智能控制，实际测试表明道路机动车、天气、道路形状、周边建筑高度等环境因素以及路灯工作状态都会影响该通信网络的稳定性和实时性，必须根据各种影响因素实时地调整网络结构，形成健壮的自组网，才能提高通信质量，实现道路照明系统智能化[4]。

另外，在复杂道路或者城市立体交通的场景下，基于地理位置的贪婪周边无状态路由协议（GPSR）应用非常广泛，GPSR 协议是将要传输的数据尽量转发给最靠近的邻居中继节点，不仅可以减少转发跳数，提高转发效率减轻网络的负载，而且其协议简单，可以有效降低LED 单灯控制器的成本。但是GPSR 协议只考虑了目标节点的位置信息，所以存在局部最优、路由空洞等弊端，容易造成丢包率过高、延时过大等问题。此外，传统的基于测距无线定位技术未考虑接收的信号强度指示值（RSSI）的分布特性也容易造成室内定位效果欠佳。针对以上的不足，本文在实施过程加入了由应答时延、处理器使用率、接收信号强度与欧拉距离4 个参数共同构成节点的节点状态信息，源节点根据周边节点状态向量选择最佳转发节点，从而提高了数据发送成功率。

5.3 基于视频监控的远程监测管理系统

城市中的交通拥堵一直受到诟病，随着城市家庭购车需求的不断上升，私家车保有量逐年升高，进而导致各大城市不得不采取限号出行的管理方案，即便如此，交通拥堵的问题依然非常突出。在智慧道路的建设中，提高道路交通指挥能力成为设计重点，为了达到这一目标，应该积极引入信息化技术，提高道路的信息感知能力。视频监控是实现这一功能的重要手段，监控探头可直接观察到某一具体路段的车流情况，并且通过网络通信功能将这些数据传输到交通管理部门的大数据平台，该平台可实时显示出城市道路当前的交通大数据，数据平台可直观显示哪些路段存在拥堵，哪些路段通行压力较小，然后便可通过各种通信手段向过往车辆发出拥堵预警，及时提醒其转换通行线路。

智慧交通是智慧城市的重要组成部分，而道路的智能化设计是实现智慧交通的大前提，各种先进的传感器是采集道路运行数据的主要手段。除了视频监控之外，还要设计噪声监控，然后将这些数据汇总起来，作为城市交通指挥的依据。实践表明，这些由远程视频监控系统采集到的交通大数据显著提高了城市交通效率，减少了交通拥堵的情况。

5.4 GIS 技术的应用

所构建的GIS 分析模型打包固化后形成流程化工具。规划生成的道路不仅能最大程度地避让水体、古建筑等成本较高区域，而且能充分利用现有交通用地，在最大程度上减少对市政环境的破坏。利用GIS 规划工具生成的港头村规划道路网，共5 类，7 个起点，16 个终点，自动生成多起点到多终点的4 级市政道路，包括主干道路4 条、次干道路2 条、生产型支路9 条、生活型支路13 条和环村路1 条。根据《乡村道路工程技术规范》（GB/T 51224—2017）市政道路等级应该分级设置，可根据各要素权重确定各起止点的重要度，自动生成不同等级的市政道路。第一级为主干道路，承担市政与城镇区域之间的联系，规划生成与外部主干道连接的市政主干道路，其起止点重要度以现有道路要素权重衡量；第二级为次干道路，主要是市政内部各组团之间的联系，其起止点重要度以地形要素权重衡量；第三级为支路，主要是满足村民日常出行（生活型支路）和进行农业生产活动的需求（生产型支路，主要为机耕路），其起点终点重要度以土地利用要素权重衡量。此外，近几年乡村规划所关注的环村路，以港头村居住区及其周围园地、耕地组团为单元，采用图形缓冲的方式，规划生成宽度为10m 的环村路，以加强市政内部的联系，提高市政道路网的连通性。

5.5 嵌入式技术

嵌入式系统的日益成熟为智能道路标牌的发展提供了一个良好的技术基础和开发环境。基于利用终端控制无线通信模块与服务器通信的方法，提出一种μC/OS 嵌入式实时操作的数字标牌信息发布系统，其主要由发布管理系统和信息发布终端组成，发布管理系统负责管理信息和监控终端设备的运行状态，信息发布终端负责发送服务器之间通信所获取到的重要数据。将嵌入式系统应用在道路标牌中，能够实现更强大的功能、精简硬件设计成本、满足需求定制。

基于X86 架构的嵌入式设计方法，研究了面对复杂的X86 嵌入式主板，PCB 布局布线如何在结构、散热、电磁兼容、高速信号完整性等方面做权衡和综合考虑的问题[5]。这种方法提高了基于X86 嵌入式架构的数字标牌在硬件设计方面的效率，保证主板一次性设计的成功率和工作时的稳定性，解决了从理论设计到实际硬件电路实现过程中的问题，为其他X86 嵌入式平台的设计、调试、测试等工作提供了基础模型，具有重要理论和实际意义。

5.6 前向碰撞预警系统

前向碰撞预警系统（FCW）的功能是当检测并判断车辆与前方同向行驶车辆存在碰撞可能性时，向驾驶员发出警告。前方同向行驶的车辆包含3 种情况：前方车辆静止，前方车辆以低于本车的速度行驶或者车辆正在制动。该功能主要是依据本车到前方车辆的距离、前方车辆相对于本车的相对速度、前方车辆是否在本车行驶路径上3 个方面的信息实现的。FCW 可以降低追尾碰撞的发生率，并在追尾碰撞发生之前提醒驾驶员做出反应，减轻事故严重程度。

不同传感器获得的数据可以相互融合，增加或增强现有的系统功能。基于多传感器信息融合的防碰撞预警系统根据多传感器接收到的车辆前方目标信息和本车的状态信息，利用多源信息融合技术，识别出本车前方车辆的距离和速度等状态信息，进行碰撞危险估计。从反应时间、距离、速度3 个角度优化控制，可减少驾驶员的负担和错误判断，对于提高交通安全性起到了至关重要的作用，是实现汽车自动驾驶的基础。FCW系统对道路没有特殊要求，在高速路、城市、国道、隧道、匝道、桥梁道路的直路和弯道上均可以工作，可以识别所有取得牌照、合法上路行驶的车辆和身高在0．8m 以上的行人。

6 结语

我国智能网联汽车道路测试相关政策已为智能网联汽车产业发展提供了方向，道路测试和示范应用是未来智能网联汽车市场准入的先决条件和基础要求。企业在进行道路测试申请前应加强自动驾驶功能测试，提高安全性和通过性，申报时注意地区政策的差异，结合自身企业发展需求，进行道路测试申报，为后期智能网联汽车商业化运营和市场准入打下基础。