技术分享 | 新基建背景下智慧高速的建设思考
引言
智慧高速作为新型交通基础设施建设的核心场景之一，集成应用5G、物联网、大数据、人工智能等新兴技术，推进高速公路传统基础设施系统升级迭代，是推动交通领域绿色、智能转型的基础，更是落实交通强国战略的重要切入口。新时代与新背景对于智慧高速的建设提出了更高要求，如何推进基础设施的数字化、路网运营的精准化、出行服务的智能化是当下关注的重点。
01 智慧高速发展痛点
2018年2月27日，交通部印发了《交通运输部办公厅关于加快推进新一代国家交通控制网和智慧公路试点的通知》[1]，开启了新一代国家控制网和智慧公路示范工程。在此背景下，全国各地先后开展智慧高速的试点建设。截至2019年底，全国高速公路通车里程已达14.26万公里，居世界第一，高速公路建设开始由高速增长阶段转向高质量发展阶段[2]。然而在转型发展的过程中，也存在感知能力薄弱、智慧管控手段不足、资产管理手段匮乏、服务能力手段单一等问题痛点。
痛点1：感知基础能力薄弱
高速公路按建设规范已经布设了相当数量和不同功能的感知设备，对交通流、气象环境、边坡等开展了实时监测，然而高速公路机电设施规模以及数字化、智能化程度不够支撑和满足日益增长运营管理及出行服务的需求。交通监测以相对被动式为主，对于事故、灾害报警、求救信息响应速度慢，识别不充分、不及时。
痛点2：智慧管控手段不足
高速公路因其相对封闭、单向行驶、控制出入等特点，其交通调控面临一定压力，由于数据缺少融合挖掘分析，无法指导交通管理部门科学管理和最优管控，问题处置依赖特定人群，效果取决于个人水平，智慧赋能水平较低，难以把控对事故处理、交通诱导以及拥堵疏散等交通常态化处置工作，主动精准的治理能力缺失。
痛点3：资产管理手段匮乏
高速公路机电设备呈现出繁荣发展之势，存在种类众多、功能强大、高集成度等特点。机电设备朝智能化、网络化、信息化的方向不断发展，不仅增加了机电设备的维修难度，也给管理也带来了挑战。传统管理、维修模式已经不能满足现代机电设备的需要，管理难度大，手段匮乏。
痛点4：服务能力手段单一
日前，出行者和运输企业对出行服务的需求趋于多元化，但目前出行信息发布手段、内容较为单一，尤其在出行高峰期间，需要及时发布路况、事故、拥堵、灾害、天气等信息供出行者参考。在满足日常服务及公众出行信息服务的准确性、时效性、便捷性等方面尚未达到要求。
02 新基建赋能智慧高速发展
2020年4月，国家发改委首次明确信息基础设施、融合基础设施和创新基础设施的新基建范围，提出智能交通基础设施是新基建的重要组成部分。同年8月，交通运输部发布《关于推动交通运输领域新型基础设施建设的指导意见》（以下简称《意见》），对智慧交通基础设施、信息基础设施、创新基础设施三个层次进行规划：一是打造融合高效的智慧交通基础设施；二是助力信息基础设施建设；三是完善交通行业创新基础设施。智慧高速作为融合交通基础设施的重要领域，新基建将助力智慧高速发展升级，主要体现在以下四个方面：
2.1 激发产业新动能
高速公路作为传统交通基础设施建设，公益属性突出，主要是政府投资。而交通新基建鼓励社会投资，拥抱新经济，激发产业新动能。《意见》是国家推动新基建在交通领域落地发展的重要体现，为智慧高速产业带来重要发展契机，各省市在新基建政策的引导下，加快研究制定智慧高速的顶层设计，为智慧高速的建设提供强有力的保障。此外，政策层面的持续加码，为车联网产业生态增添新动能，助力车路协同产业进入黄金发展期，加速车路协同、自动驾驶在高速公路的落地。
2.2 加速传统基础设施转型升级
在助力信息基础设施建设方面，《意见》明确要推进5G、北斗系统、人工智能等新技术的融合应用；新基建的核心抓手5G基建，牵引新一轮技术融合创新，实现人、车、路、云等协同互联，加速万物互联、催生全新应用服务场景；基于北斗系统高精度导航与位置服务能力，为智慧高速规划、监测、服务等提供新的管理手段；人工智能技术的引入，推动监测能力及治理水平将得到跨越式提升，创新交通治理模式。
2.3 助力应用场景持续创新
智慧高速作为新基建的一个重要场景，大数据中心、新能源充电、5G、人工智能都将会在智慧高速上体现，助力探索和创新智能监测、智能调度、智能管控、智能服务等应用场景。同时，智慧高速的建设，将会加速自动驾驶的商业化进程，推动自动驾驶应用场景的落地。
2.4 促进系统要素协同融合
新基建将加强资源整合和共建共享，促进协同融合，提高资源要素配置效率，实现信息资源的最大增值。通过多业态、多网络、多行业的协同，可实现异常状态下的快速响应、动态处置、柔性运营，提升系统的运行效率和服务能力。
03 新基建背景下智慧高速的建设策略
在新基建的驱动下，AI、大数据、物联网、5G基建可有效地集成运用于整个高速公路运输管理体系[3]，将发挥不亚于“互联网+”的赋能与引领作用，加速数字交通的落地，为车辆、道路、路网监测以及事件管控提供有效手段和重要保障。新基建的本质是提升交通基础设施的信息感知能力、数据分析能力、全面服务能力[4]，在此背景下智慧高速的建设思路应以信息感知为基础、以数据治理为手段、以开发协同为抓手、以应用服务为根本，使路网运行更安全高效、交通管理更科学智能、公共出行更便捷舒适、智慧道路更绿色经济。
图1 新基建下智慧高速发展思路
3.1 以信息感知为基础
增强隧道、桥梁、附属设施等高速公路基础设施的多维感知能力，夯实数据传输通道的可靠性和稳定性，通过5G、物联网、视频AI分析等一代信息技术的应用，实现事件状态的动态监测、及时确认和自动报警，全面提升高速公路运行状态智能感知能力，为及时上报道路拥堵、设备故障，为高速公路交通安全和高效通行提供数据支撑。
3.2 以数据治理为手段
以数字化、图形化、全景化的方式展现综合交通运输整体运行情况、运行态势与发展水平，通过多元数据的分析、挖掘、生成决策支持信息，提升对高速公路运行异常的动态甄别能力，并基于短时预测技术，科学评估管控手段的效果，为交通管理者实时监测和分析决策提供综合性、全局性、关键性的指标数据支持，帮助交通管理部门实现从“经验决策”向“数据决策”的转变。
3.3 以开放协同为抓手
新时代下对于交通行业跨部门、跨层级、跨区域、跨交通方式的应急协同、应急处置、应急管控、行业服务提出了新要求。未来高速公路运营将向多业态融合、多模式协同转变，传统高速公路运营组织面临新的挑战。以面向路网效率最优为目标，开放协同为抓手，整合汇聚多部门、多系统、多层级、多区域的数据形成智慧高速大数据资源池基础上，推进业务部门之间资源互通、信息共享，促进路网协同管控。
3.4 以应用服务为目标
新基建进一步加大了人车定位的覆盖范围及精度，可快速精准响应海量的个性化出行需求，通过丰富高速公路沿线资源，可提高高速公路运行动态信息的服务水平和服务质量，探索与互联网的合作模式，拓展丰富服务资源和内容。基于高精定位技术，提供主动式伴随式服务，满足出行者个性化需求，提升出行资源。
04 智慧高速建设的主要功能方向
智慧高速应用的建设将以数据为主线[5]，以发展需求预测及支撑技术分析为基础，依托智能系统从全局视角对交通设施、服务资源进行整体均衡配置，为新治理模式、新运营组织和新出行体验赋能，主要建设方向内容包括一体化综合监测、主动式精细管控、全天候安全通行、伴随式立体服务、全生命数字管养、全栈式车路协同。
4.1 一体化综合监测：多源交通数据融合感知、分析、预测
通过制定统一的数据接入标准，实现高速沿线高点视频、高清卡口、激光雷达、气象监测、物联传感等设备的接入，深度集成机器视觉AI技术，对异常交通流、交通事件、道路异常状况等进行主动准确识别；融合重点车辆GPS数据、手机信令数据、收费站运营数据等，实现对高速公路路网运行、预警事件、重点车辆、重点区域、环境气象等一体化综合监测。同时，通过交通实时仿真及基于多源数据（天气、城市交通、事故等）影响的交通预测，实现多种场景下的交通状态发展趋势精准、科学的预判。
图2 高速公路一体化综合监测平台
4.2 主动式精细管控：基于数据治理的车道级、节点级、路网级交通管控
基于主动识别-短时预测-知识图谱-协同控制四大技术抓手，支撑智慧化运营管控。通过主动监测结合短时预测技术推演事件的发展态势，按照交通运行状况和特殊需求，生成车道级的交通管理和控制方案；同时，关联周边城市道路信号控制信息、车辆GPS数据、路网运行数据，感知全路网状态，基于交通分配模型进行路网分流诱导，合理控制匝道处的驶入驶出流量，优化周边城市道路信号配时，形成全路网协同联动，实现节点级匝道控制和网络级分流诱导，提升交通管控手段的科学有效性。
图3 基于短时预测的主动交通管控模式
图4 全路网综合调控
4.3全天候安全通行：基于云边协同的重点车辆、重点区域危险应对能力
针对隧道、桥梁、边坡、盲区、合流等危险路段，加强监测装置和边缘计算单元的布设，自动收集道路交通信息和天气数据，基于云边协同技术对重点车辆和重点区域运行状态进行实时风险研判。对重点车辆运行状态、运行轨迹进行实时监测，当出现频繁加减速、频繁变道、车道偏离等异常状态时进行紧急提醒。结合云端海量数据在统计上的趋势表征对重点区域实时的交通流状态进行研判，提升事故前兆鉴别率并进行及时预警。
同时，针对冰雪天、雾霾天气等恶劣环境，通过主动消冰融雪、主动发光标志、可变限速控制等技术和管理办法，提高雾天、冰雪等恶劣天气下通行安全性。
主动消冰融雪：依托边端感知设备实时监控桥面坡路的结冰情况，出现预警信息可联动自动喷淋系统，实现快速消除冰雪，确保大下坡路段行车安全。
可变限速控制：针对异常天气信息可上报至云控平台，基于温度、湿度、路面状况、能见度等因素推荐合理的限速值，通过可变限速标志、可变情报板、车路协同装置对车辆进行车速引导。
主动发光标志：通过主动发光标志大幅提高夜间、恶劣天气、逆光等情况下的标志视认性能，打造夜光公路。
4.4 伴随式立体服务：全线数据、全时服务多终端、精准化、个性化
提供互联网+位置精准信息服务，精确识别车辆所处高速公路位置点，发送出行时间、路况信息、实时天气、道路事件等定制化信息。通过移动APP、车路协同设施、广播、可变情报板等方式提供等多元化的信息服务，打造一体化便捷出行体验。充分考虑服务区所在交通区位、交通流量、场地特征等因素，完善服务区服务功能设施、监控管理设施，建设服务区水平评价和感知系统，提供智能停车、餐饮休闲、功能导视、加油指引等功能服务，丰富高速公路沿线服务资源。
4.5 全生命数字管养：以“建、管、养、运”为出发点，打造全寿命周期体系
以高精度矢量地图与BIM技术平台为基础，通过建设交通基础设施联网监控，覆盖道路、桥梁、隧道、边坡等重点状态采集，对道路设施的关键构件和部位布设物联传感设备，对运行状态进行实时监测与风险预判，并自动识别隧道积水、边坡塌方、桥梁位移等异常事件，实现高速基础设施日常运营、监测、管养、预警等全生命周期日常监测与应急管控。
图5 高速公路智能运维平台
4.6 全栈式车路协同：打造开放的、安全的行驶环境，让聪明的车“跑”聪明的路
开展基于5G的车路协同应用示范，将实现人、车、路、环境的全面感知和协同，将5G公网信息发布与车路协同相结合，实现更大范围、更多场景、更低时延的信息服务[6]；在车路协同系统未覆盖区域，通过5G公网发布交通事件信息、道路施工信息、服务区信息等没有超低时延需求的信息；在车路协同系统覆盖区域，通过车路协同的直连通信发布分合流预警、隧道安全预警、高架桥梁预警等有超低时延需求的信息。
结语与展望
有感觉、能思考、能说话的路，就是未来的智慧高速。智慧的路与聪明的车最终将达到人、车、路、环境的和谐统一。打造安全、高效、绿色的高速公路体系，通过主动的感知、自动的解析、自主适应和动态交互，让路更加协同、更聪明、更快捷、更贴心。
参考文献
[1]交通运输部.交通运输部加快推进新一代国家交通控制网和智慧公路试点[J].中国建设信息化,2018, No.060(05):11.
[2] 王小军,王少飞,涂耘.智慧高速公路总体设计[J].公路,2016(4):137-142.
[3] 刘文杰.新基建赋能交通新发展[J].中国交通信息化,2020(9).
[4] 陈琨,李柏丹,蹇峰.推进交通新基建的做法建议[J].中国公路,2020, No.565(09):45-46.
[5] 张成全.智慧高速公路设计案例分析[J].交通节能与环保, 2020,No.76(02):84-88.
[6] 张纪升,李斌,王笑京.智慧高速公路架构与发展路径设计[J].公路交通科技, 2018, 035(001):88-94.