未來智慧公路體系構(gòu)想

王 淼，于加晴，王 宇

中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京 100010

1 智慧公路發(fā)展背景

從中國第一條公路的建成通車（1921年長潭公路），到中國高速公路通車?yán)锍谭€(wěn)居世界第一，每一次變遷都是一次歷史性的突破，每一次突破都是技術(shù)的革新。隨著智能感知、物聯(lián)網(wǎng)、高性能計算等新一代信息技術(shù)與交通運輸行業(yè)融合腳步的加快，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命正在積聚力量。新一代信息技術(shù)的發(fā)展，正改變著人們的出行方式，也使道路發(fā)展的新常態(tài)由密集、高強度路網(wǎng)建設(shè)階段向科學(xué)化、信息化方向轉(zhuǎn)變。新基建時代下，公路因人車分離、交通運行環(huán)境相對簡單，具有新技術(shù)落地最廣泛的應(yīng)用場景，智慧公路將為未來交通賦能。

2 智慧公路發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

從國家政策層面分析，2018年交通運輸部發(fā)布《關(guān)于加快推進(jìn)新一代國家交通控制網(wǎng)和智慧公路試點的通知》，不僅明確了九個試點省份，還提出了基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化、北斗高精度定位、車路短程通信技術(shù)、輔助駕駛、大數(shù)據(jù)分析與預(yù)警、“互聯(lián)網(wǎng)+”等關(guān)鍵技術(shù)在智慧公路系統(tǒng)中的探索與應(yīng)用，為智慧公路的建設(shè)提供了政策及技術(shù)支撐。2019年交通運輸部發(fā)布《數(shù)字交通發(fā)展規(guī)劃綱要》，前瞻性地提出了數(shù)字化的采集體系、網(wǎng)絡(luò)化的傳輸體系和智能化的應(yīng)用體系，為未來智慧公路體系的建設(shè)提供了架構(gòu)支撐。

從技術(shù)層面分析，2020年《智慧高速公路建設(shè)指南（暫行）》指出了信息采集、傳輸、控制以及智慧設(shè)施的布設(shè)要求，為智慧公路建設(shè)提供了規(guī)范性指導(dǎo)文件。

從公路試點層面分析，延崇高速、杭紹甬高速、京雄高速等以政策為導(dǎo)向，分別從基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化、自動駕駛專用車道及廣域感知、貨車編隊行駛與分等級車路協(xié)同等不同智慧應(yīng)用角度，將智慧化技術(shù)手段與出行者的服務(wù)需求緊密結(jié)合，成為具備行業(yè)影響力的先行示范工程。

智慧公路系統(tǒng)的主流技術(shù)目前集中在智能感知、車路信息交互及多源異構(gòu)交通大數(shù)據(jù)分析技術(shù)等，發(fā)展中存在如下問題：

（1）交通基礎(chǔ)設(shè)施感知精度和數(shù)據(jù)傳輸速度受限。

（2）載運工具與基礎(chǔ)設(shè)施間海量數(shù)據(jù)的可靠交互仍存在技術(shù)難點。

（3）各種數(shù)據(jù)相互孤立，尚未從動態(tài)變化的海量道路基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)與交通狀態(tài)信息中獲取準(zhǔn)確的決策分析依據(jù)。

智慧公路系統(tǒng)的主要發(fā)展趨勢：第一，泛在感知與互聯(lián)的數(shù)字化基礎(chǔ)設(shè)施；第二，I2X融合通信；第三，基于移動互聯(lián)及大數(shù)據(jù)分析的綜合智能與出行定制化服務(wù)；第四，基于全域最優(yōu)化的國家交通控制。

3 未來智慧公路體系

3.1 應(yīng)用場景

以提升交通系統(tǒng)的效率、安全和服務(wù)水平為導(dǎo)向，面向未來路和車的智能化發(fā)展趨勢，充分吸納正在研究中的國家交通控制網(wǎng)、國家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要等階段性成果，分析梳理涵蓋人、車、路、環(huán)境、能源等交通要素的應(yīng)用需求，從創(chuàng)新道路基礎(chǔ)設(shè)施、效率提升、安全運營和綜合管理四個方面，進(jìn)行未來智慧公路系統(tǒng)的應(yīng)用場景研究。

3.2 架構(gòu)體系

瞄準(zhǔn)未來交通“零擁堵、零管制、零死亡、零排放”的愿景，充分將北斗、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、邊緣計算、5G等新一代信息技術(shù)與未來智慧公路的安全管理、效率提升和信息服務(wù)等應(yīng)用場景進(jìn)行深度融合，按照信息流向和能源流向兩個維度，構(gòu)建開放性、兼容性、模塊化、一體化的未來智慧公路系統(tǒng)架構(gòu)體系。

3.3 內(nèi)容組成

以交通大數(shù)據(jù)挖掘與綜合利用為核心，突破傳統(tǒng)的交通感知、傳輸、處理與應(yīng)用的理念束縛，重點研究公路智能管控中樞系統(tǒng)、基礎(chǔ)設(shè)施和交通安全設(shè)施的數(shù)字化、人車路環(huán)境能源的物聯(lián)化、感知與傳輸?shù)娜诤匣⒊鲂行枨笈c交通控制的定制化等關(guān)鍵技術(shù)，提出面向數(shù)字化、物聯(lián)化、融合化和定制化的未來智慧公路系統(tǒng)內(nèi)容組成。未來智慧公路體系框架如圖1所示。

圖1 未來智慧公路體系框架

4 未來智慧公路場景構(gòu)想

4.1 創(chuàng)新道路基礎(chǔ)設(shè)施

目前智能道路主要是路側(cè)主導(dǎo)，未來道路基礎(chǔ)設(shè)施將具有主動感知、自主適應(yīng)、動態(tài)交互的能力，從道路基礎(chǔ)設(shè)施自身的結(jié)構(gòu)、材料、交互能力創(chuàng)新的角度構(gòu)想，場景如下。

（1）道路自感知：能夠通過先進(jìn)的自感知混凝土材料層或內(nèi)置于道路中的各種傳感器進(jìn)行交通參數(shù)及道路結(jié)構(gòu)狀態(tài)和安全的自感知。

（2）道路自供能：通過道路預(yù)留能源轉(zhuǎn)化接口，將太陽能、風(fēng)能、車路振動產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)化為電能，實現(xiàn)道路基礎(chǔ)設(shè)施和交通工具的能源供給和自融雪等場景。

（3）道路自排水：通過采用吸水混凝土和特定道路結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)路面積水的快速滲透和夏日路面降溫。

4.2 效率提升

可以預(yù)見，未來交通參與者（包括駕駛員、乘客、行人等）、交通管理者、交通工具、道路管理設(shè)施之間的交互和協(xié)同將更加緊密，以提升出行效率為目標(biāo)，從云端與路端協(xié)同控制角度構(gòu)想，場景如下。

（1）云端和路端智能調(diào)度：根據(jù)路網(wǎng)流量和交通狀態(tài)云端生成全局最優(yōu)出行路徑，路端獲取局部交通狀態(tài)后生成瓶頸處的限速、限流控制策略，通過路況預(yù)測、擁堵提示、匝道口關(guān)閉等信息預(yù)報，緩解擁堵，實現(xiàn)暢通出行環(huán)境。

（2）動態(tài)可變車道：通過精確獲取路面交通流和特殊車輛或緊急場景的通行需求，將專用車道的管理由時間和空間的靜態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿嵝钥蓜討B(tài)調(diào)整，如潮汐車道、可移動式護(hù)欄等。

（3）無感收費：車輛進(jìn)入收費虛擬標(biāo)志區(qū)域，通過路端定位及云端身份認(rèn)證，完成車輛身份識別，行駛路徑實時發(fā)送至云平臺，全程自動無感繳費，提高車輛通行效率。

（4）自動事故認(rèn)定：路端對多體交通駕駛行為進(jìn)行識別和跟蹤，全面檢測交通違法責(zé)任判定關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)因素，云端實現(xiàn)分析、判斷及交通違法的自動責(zé)任認(rèn)定。

4.3 安全運營

以提升出行安全性為構(gòu)想出發(fā)點，場景如下。

（1）全天候通行：通過強化道路邊界誘導(dǎo)和碰撞風(fēng)險提示，實現(xiàn)低能見度環(huán)境下的安全通行。

（2）伴隨式信息提示：事故多發(fā)路段、施工路段伴隨式語音提醒減速慢行、小心駕駛等。

（3）文明駕駛監(jiān)管：路端進(jìn)行駕駛行為記錄，通過云端統(tǒng)計與分析對違規(guī)變道超車、超速等不文明駕駛行為進(jìn)行網(wǎng)聯(lián)信用記錄，并可與車輛保費動態(tài)關(guān)聯(lián)。

4.4 綜合管理

綜合考慮交通管理、道路運營、基礎(chǔ)設(shè)施管養(yǎng)等需求，通過構(gòu)建綜合智能網(wǎng)聯(lián)、分析、預(yù)測及管控服務(wù)為一體的智慧應(yīng)用系統(tǒng)，將形成業(yè)務(wù)融合的管理場景。

（1）預(yù)約出行：借助人工智能手段，搭建以預(yù)約為核心的交通信息實時感知系統(tǒng)，通過超級計算機系統(tǒng)和強大的交通云實現(xiàn)出行需求響應(yīng)及動態(tài)最優(yōu)化調(diào)配，實現(xiàn)錯峰、有序出行。

（2）路網(wǎng)監(jiān)測管控：通過支持車車、車路通信等全面服務(wù)功能的云路網(wǎng)中心，實現(xiàn)全局路網(wǎng)監(jiān)測管控及局地應(yīng)急事件自動響應(yīng)與救援。

（3）基礎(chǔ)設(shè)施管養(yǎng)：通過BIM與AR技術(shù)，將虛擬設(shè)施與物理設(shè)施融為一體，記錄并展示基礎(chǔ)設(shè)施全壽命周期的結(jié)構(gòu)及運營數(shù)據(jù)態(tài)勢，實現(xiàn)安全預(yù)警及可視化管養(yǎng)。

5 應(yīng)用技術(shù)展望

結(jié)合政策及技術(shù)現(xiàn)狀，綜合考慮未來智慧公路的通行與管理需求，展望未來智慧公路系統(tǒng)可突破的關(guān)鍵技術(shù)如下：支撐道路自感知、自供能及自排水的道路智能材料及建造技術(shù)；移動充電技術(shù)；支撐路端交通狀態(tài)識別與跟蹤的路側(cè)AI感知技術(shù)；支撐全局交通優(yōu)化的邊云協(xié)同技術(shù)；基于衛(wèi)星定位的無感收費技術(shù)；多源異構(gòu)交通數(shù)據(jù)分析與處理技術(shù)。

6 結(jié)束語

綜上所述，文章主要從未來智慧公路的通行與管理需求與應(yīng)用角度出發(fā)，提出了未來智慧公路的場景構(gòu)想，后續(xù)將從未來智慧公路各類應(yīng)用場景的系統(tǒng)組成、技術(shù)實現(xiàn)方式等方面進(jìn)行深入研究，進(jìn)而為智慧交通發(fā)展提供有力支撐。