新基建模式下智慧高速公路总体架构设计

作者：王曙珲（广东省南粤交通河惠莞高速公路管理中心）中国交通信息化

摘要：本文总结了智慧高速公路的概念和特征，分析了目前智慧高速公路的功能需求，讨论了如何进行总体框架设以及智慧高速公路的具体建设内容和应用效果，以期推动智慧高速公路建设，提升总体框架设计水平。智慧高速公路的建设目标是利用物联网+、云平台计算、交通大数据等技术对高速公路的管理和后期运营服务进行有效整合，以实现智能化出行、精准服务的目标，提高高速公路运营管理服务的决策能力，并充分利用智能系统实现快速应急处置和智慧化服务运营。智慧高速公路需要具备对周围公路环境的智慧感知能力，依靠物联网、BIM等技术实现对全网的状态感知，掌握高速公路各个路段的天气状况，统计高速公路的车流，也能对车辆的实时状况作出分析判断[1]。由于融入了大量智能技术，因此智慧高速公路在管理能力上要比传统的高速公路更强，依靠云计算、人工智能技术，用自动化、快速化的系统，完成各项高速运营工作。

一 智慧高速公路需求分析

（一）功能需求

智慧高速公路需要具备对路网运行状态的监测功能，管理系统通过挖掘历史数据，并分析最优化的资源配置方式。管理部门利用系统分析结果可以制定各项应急事件的处置流程，提升工作效率，为今后的公路规划工作提供支持。功能需求分析如表1所示。

（二）数据需求

高速公路智慧化系统应有效、可靠地存储高速公路路网、视频、交通量等信息。例如：公路的基本属性、服务设施、公路沿线设施设备等都应生成数据存储，为高速公路的管理创造基础条件。动态数据主要由监控系统感知获得，如通过视频分析高速公路车流量、高速公路路段状况和天气情况，对高速公路的行车安全、道路安全进行巡检；根据当前数据和历史数据，分析高速公路的交通量、高速公路气象条件、公路运行状况、环境问题等，相关数据也要和上级部门共享[2]。还要使用大数据技术对公路信息进行挖掘，如分析高速公路的安全隐患、辅助决策数据等。

（三）性能需求

由于智慧高速公路在不断发展，系统也需要具备可扩展性，能够满足内部对功能开发的需求，以及确保不同部门之间的数据互通。由于高速公路每时每刻都在产生大量的数据，所以系统还要具备较强的并发处理能力，提升硬件的稳定性，保证对应急事件的处理。高速公路的相关数据对社会十分重要，因此也要做好对系统的信息安全防护工作，满足国家信息安全等级要求。

二 智慧高速公路总体设计

智慧高速公路以提升高速公路管理水平和方便出行为主要目标，在设计中应整合现有资源，引进全新技术，尤其是充分利用云计算、物联网、互联网、大数据等，运用互联网思维来实现对高速公路的总体设计，实现对高速公路控制、指挥、运营的智能化。智慧高速公路总体框架设计如表2所示。

（一）智慧高速公路建设目标
智慧高速公路的目标是建设成“智慧化、智能化、绿色型、安全可靠”的公路，通过不断加强高速公路本身的智慧化、智能化感知能力，为高速公路的运营管理、指挥决策提供更加有建设性的意见及信息，以满足日益增加的交通量需求，从而服务大众。

（二）智慧高速公路建设任务

1、建立数据中心智慧高速公路管理工作可能需要追溯历史信息，利用历史信息对高速公路的运行状况作出判断，为此，就要做好信息管理工作，建立专门的数据中心，做好信息的储存和分类，满足对信息高效查询的要求[3]。地方可以根据需要建立省级和市级数据中心，而且要确保不同部门之间的数据共享，满足对高速公路业务展开综合管理的要求。以数据中心为基础，还可以建立专门的监控平台、管理平台，相关部门可以根据自身的重点业务来拓展平台功能，满足自身工作需要。

2、完善基础传输系统数据的应用离不开高效率的信息传输系统，因此在智慧高速公路建设的工作中，也应该做好对无线通信、有线通信系统的建设，为车辆驾驶者提供信息服务的需要，实时获得高速公路相关数据，满足车内上网、通信的需要。

3、加强数据标准化建设智慧高速公路监测所获得的数据中，有很多结构化和非结构化数据，存在数据标准不统一的情况，不利于数据的应用。对此，在全国建立统一的数据平台，为数据分享提供服务，确保基础数据有统一的标准。因此，在获得各种数据之后，应经过标准化处理，再储存到数据库中。在拥有标准化数据后，也可以和公路系统以外的部门开展信息数据共享，如气象部门、医疗单位等，且可以和上级部门共享，提升高速公路数据的使用效率。

4、用户服务建设智慧高速公路能够提供的服务包括自由流收费服务、货车编队服务、车路协同服务、车道精准管控等。在构建服务体系时，需要将智慧高速公路的用户分为管理者和使用者两类，分别对其提供不同的权限和功能。管理者主要负责对智慧高速公路公路进行管理，包括政府监管部门、高速公路运营企业等，负责对高速公路进行管理工作，以及给高速公路服务系统的使用者提供服务支持；使用者主要包括高速公路通行车辆的驾驶者，可以进一步分为自动驾驶用户和人工驾驶用户，接收高速公路的服务信息、分流和调度，使自身在高速公路中有更快的通行速度。智慧高速公路提供的收费服务会根据射频技术、视频技术、导航定位技术给车辆提供分流信息，并基于ETC收费技术完成自动收费工作；在导航工作中，能够高精度地完成路径导航服务，给车辆提供个性化的行车信息，将宏观交通信息告知使用者。

5、交通监控系统建设智慧高速公路的监控系统需要根据管辖区域实现不同的功能，以满足对管辖范围内的调节功能，形成省中心—监控分中心—路段监控中心的三层监控系统，监控系统内部使用统一的技术规范和网络标准，并使用相同的网络接口，构建统一的业务流程。监控系统利用通信程序来检查监控设备的工作状态、交通数据流的采集工作，将所有的数据上传到中心服务器，由不同的监控中心共享使用；基于GIS技术，能够对道路信息展开分析，并监控道路上各种事件的处理过程。监控系统需要地理信息平台的支撑，来实现地图放大、缩小平移、刷新等功能，为此要加强地理信息平台的构建，保证其具有多层图层控制、多数据源接入、空间查询、拓扑查询等功能。地图数据管理包括各种基础、矢量地图、DEM数据和控制点数据，其中的信息包括数字高程模型、图像控制点等。

6、辅助决策系统辅助决策系统包括动态交通仿真、预案管理、系统管理平台，动态交通模型仿真系统对高速公路进行动态仿真，判断交通情况。辅助决策系统可以确定对交通管理工作的控制策略，结合交通管理工作的需求以及当前的交通流量来确定高速公路的管理方法。辅助决策系统中存有一些数字化预案，可以对交通事故发生的事前、事中、事后都进行管理，明确负责人员以及管理工作所需要的资源。

（三）智慧高速公路系统架构

智慧高速公路包括信息采集—传输网络—资源支撑—信息应用。信息采集需采集高速公路上的各种实时数据，并将数据上传到数据中心；信息传输即包括光纤通信系统在内的高速公路通信网络，可以承担高负荷的信息传输工作；资源支撑即为智慧高速公路业务的开展提供平台，包括软硬件的支撑，因此信息支撑中包括各种储存结构化和非结构化数据；信息应用将各平台的分析决策信息进行整合，为高速公路的业务管理及行驶车辆提供支持[4]。智慧高速公路总体架构如下图所示。

三 体系构建的重点实施内容及技术规划

（一）实时交通信息监测管控系统

交通信息监测系统通过交通流检测设备、车牌识别检测设备、交通事件检测设备、气象监测设备、RSU设备等路上智能化设施或路政巡查采集路上交通车流环境情况，经终端设备智能化分析后作出相应的交通运行状态、突发事件、气象环境、车辆微观行为管控指令并通过路上智能设施发布。车道级交通管控系统根据路上特殊车流情况，如交通事故、施工作业、两客一危进行监控，当车流出现异常时，通过主线设施情报板发布相关信息，对过往车辆进行动态管控。

（二）多网融合通信系统

高速公路通信信息网络包括有线/无线通信网络，有线通信网络具备根据数据传输实际需要提供信息交换通路、与交通专网、互联网等网络交换信息的能力；新一代宽带无线通信网络应具备提供交通对象和要素在高速运动时可靠接入的通信，支撑交通对象及要素全IP化、主动信息推送和双向信息交互的能力；建设时可采用中国DSRC、LTE-V2X、5G等。高精度定位服务平台应具备高精度地图提供、差分解算、数据管理、数据计算等功能，为用户提供地图浏览、规划路线显示、数据监控和管理、安全辅助驾驶位置信息服务等功能；北斗地基增强站应具备导航卫星观测数据采集、数据传输、数据存储、运行状态远程被监控、维护保障及安全防护等基本功能。车路协同应用场景及定位指标如表3所示。

（三）云控平台

云控平台应根据路网运行共性需求，提供智慧高速公路管理服务通用应用：交通专用组件如交通专用地图、车辆实时信息查询、行业外信息协同、跨区域管理协同等；路网域动态预警如高流量预警、重点营运车辆预警、超载车辆预警等；综合运行监测服务如设施设备监测、交通流检测、重点营运车辆监测、交通事件检测等；与气象、国土等部门共享信息。云控平台基础能力要求如表4所示。

（四）伴随式信息服务系统

伴随式信息服务发布方式可通过高速公路沿线情报板、交通出行网站、交通服务热线、广播、手机应用App/小程序/短信、微信公众号、车载终端等多种方式实现。伴随式信息服务系统信息发布内容、时效性要求如表5所示。

（五）桥隧安全管养系统

隧道安全系统结合几何特征、交通流量、车速差异、车型占比、洞外亮度、天气情况、交通事件、结构安全等因素，实时评估、预测隧道安全态势。桥隧安全系统需加强交通运行状态信息监测，大型桥梁的两侧、3000m及以上隧道宜按照300m～750m间距设置交通流检测设备。桥梁安全系统需加强路面附着系数感知，大型桥梁应设置路面状态监测设备，针对不同车型设置合理的速度控制策略。隧道安全系统需加强设施设备监测，3000m及以上隧道需设置设施状态监测设备，确保隧道通风照明、紧急呼叫、火灾报警、逃生诱导、消防及供电等应急设施的完好与正常使用。隧道安全系统需加强FM、LTE-V2X、4G/5G、NB-IoT、LoRa等无线通信技术应用，3000m及以上隧道需增设无线通信设施，实现隧道内出行服务、交通管理、应急救援、结构检测等业务全覆盖。隧道安全系统需提高隧道内卫星定位信号精度，5000m及以上隧道需设置隧道扩展定位系统。隧道安全系统需加强应急处置，1000m及以上隧道应设置入口管控、逃生设施。隧道安全系统需加强疲劳驾驶提醒，3000m及以上隧道应设置轮廓照明、警示诱导灯。

（六）智慧服务区

智慧服务区应设置较为完善的智能化服务功能体系，在普通服务区的基础上，配置服务平台，提供无线网络、多功能自助终端、服务区内导向、厕所革命智能化、新能源汽车补给、移动智能终端充电、客流车流检测、公共区域视频监视等基本的智能化服务；此外可结合服务区所在区域的自然资源、地理条件、人文景观和绿化设施，打造自然与科技结合的绿色环保生态架构，构建智慧化主题特色服务，对服务区服务和经营管理进行全面科学化、数字化、智能化提升。

（七）自由流收费系统

自由流收费采用ETC、辅以车牌识别、多种支付融合应用的技术路径，实现对多条车道上自由行驶车辆的收费，提高道路通行效率，降低车均运行延误。自由流收费系统总体架构由收费管理与计算平台、收费站车道系统、主线ETC门架系统等组成。自由流收费建设需充分利用高速公路已有主线ETC门架系统，ETC门架系统宜预留相关数据接口；应配备完备的检测、通信、供电等设备。收费管理与计算平台功能需求为：清分结算，支持通行费清分结算业务；系统参数管理，管理路段费率、黑名单等参数；数据传输管理；对账及结算；复合通行卡调拨管理；特情处理；稽查管理；客户服务；系统运行监测服务。

四 智慧高速服务目标展望

随着移动通信技术的发展，可通过构建路网综合运行监测与预警系统，形成行人、车辆、路网协调发展的综合泛知、感知体系，进而实现行驶车辆的自动、自由驾驶；利用新型的、可靠的收费和管理方式，营建通过车载终端设备进行收费的系统，从而实现完全开放的ETC收费，取消传统的匝道收费站，使全路段的通行率得到有效提高；利用客车和货车分开或将货车编排成车队等相关方式，可提高通行效率，减少路段拥堵情况；基于将车辆精准定位、人—车—路协调发展、公共出行服务系统等高新技术的全面发展，可有效克服极端天气对道路和行车的影响，确保车辆在特殊情况下的安全通行；在高速公路服务区、停车区及可设置充电设施路段等，设置综合一体化充电设施，给行驶车辆提供蓄能充电服务，实现高速公路的无线充电服务。形成完善的高速公路交通安全行驶体系，确保行车安全，需要有效系统作为支撑，更需要有利的安全管理系统和应急调度、指挥处理能力，从而减少事故发生率，实现“零事故”的美好愿望。

五 结束语

智慧高速公路作为智能交通领域的重要组成部分，在“十四五”期间将向高质量的发展方向迈进。本文分析了新基建模式下智慧高速公路的发展趋势和需求，提出了智慧高速总体架构设计思路、具体实施内容及展望，以期为“十四五”规划智慧高速公路的建设工作提供一定的借鉴。

参考文献

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[5] 董军,何军,温英杰,等.广州机场高速公路三元里智慧通道的设计与应用[J].中国交通信息化,2020(11):110-111.
[6] 翟泽,钟磊,王欣.高速公路智慧云平台安全架构研究[J].网络安全技术与应用,2020(11):127-128.（原文刊载于2021年第5期《中国交通信息化》）