大數(shù)據(jù)時(shí)代智慧公路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、特征及未來趨勢(shì)

李 想，張澤宇

（平頂山市公路交通勘察設(shè)計(jì)院，河南 平頂山 467000）

0 引 言

智慧公路（Intelligent Road，IR）是一個(gè)借助移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、區(qū)塊鏈、云平臺(tái)以及大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)，組成的智慧公路技術(shù)集及其性能要求，以實(shí)現(xiàn)協(xié)同管控與創(chuàng)新服務(wù)的公路系統(tǒng)[1]。智慧公路的決策與設(shè)計(jì)關(guān)系到我國(guó)公路運(yùn)輸事業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵，其對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重要的影響。電子通信技術(shù)、人工智能技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的快速發(fā)展，大大提高了城鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的信息化、智能化程度。在新一代城鎮(zhèn)智慧公路系統(tǒng)中，人工智能技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，在城鎮(zhèn)公路的便捷性和能耗降低方面發(fā)揮著積極作用。尤其是在解決公路事故、環(huán)境污染及公路擁堵方面，智能技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)及其他現(xiàn)代信息技術(shù)的應(yīng)用提供了重要的技術(shù)支撐，有效提高了公路管理水平、質(zhì)量和效率。智慧公路未來的發(fā)展趨勢(shì)是引入車路通信（LTE-V）技術(shù),從而構(gòu)成真正意義上的開放互聯(lián)的高速公路,實(shí)現(xiàn)人-車-路-環(huán)境智能協(xié)同[2]。

1 大數(shù)據(jù)時(shí)代智慧公路系統(tǒng)的特征

1.1 人工智能技術(shù)的特征

（1）精準(zhǔn)性是人工智能技術(shù)的重要特征之一。人工智能技術(shù)能夠依據(jù)設(shè)定的邏輯程序、軟件算法、芯片等載體開展工作，應(yīng)用數(shù)據(jù)算法對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行有效采集與加工，并對(duì)其進(jìn)行科學(xué)處理和挖掘分析，形成具有良好價(jià)值的數(shù)據(jù)信息，且建構(gòu)與之對(duì)應(yīng)的知識(shí)模型，為公路管理提供精準(zhǔn)服務(wù)。

（2）有效感知外界環(huán)境。人工智能技術(shù)能夠利用傳感器、控制系統(tǒng)等器件，有效感知外界環(huán)境。其能夠像人類一樣利用嗅覺、視覺、聽覺等感知器官快速接受外界環(huán)境中的各種信息，對(duì)外界輸入形成的語音、文字、表情等快速做出反應(yīng)，借助鍵盤、按鈕等方式實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器間的互動(dòng)，使各種機(jī)器設(shè)備更好地服務(wù)人類和理解人類，進(jìn)而形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

（3）具有較強(qiáng)的學(xué)習(xí)特性和適應(yīng)性。在理想狀態(tài)中，人工智能的自適應(yīng)性、學(xué)習(xí)能力都比較強(qiáng)。人工智能技術(shù)能夠依據(jù)外界環(huán)境、任務(wù)變化有效調(diào)節(jié)機(jī)器設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，快速更新數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，能利用與人、云端間的連接擴(kuò)展，使其學(xué)習(xí)特性和適應(yīng)性可以更好地應(yīng)對(duì)外界環(huán)境的不斷變化。

1.2 智慧公路系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)

（1）超高清晰度。大數(shù)據(jù)時(shí)代，智慧公路系統(tǒng)的技術(shù)特征非常突出，系統(tǒng)的視頻采集采用高清攝像機(jī)進(jìn)行搜集，像素超過百萬，視頻圖像更加清晰，可以高清晰、精細(xì)化地呈現(xiàn)所監(jiān)控的特殊細(xì)節(jié)。

（2）智慧公路系統(tǒng)的效能更強(qiáng)。三維電子地圖的應(yīng)用能夠超高清地再現(xiàn)三維化的公路信息，且在此基礎(chǔ)上制定相應(yīng)的安全策略，預(yù)測(cè)城鎮(zhèn)公路狀況，并對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控。同時(shí)，利用智慧公路系統(tǒng)技術(shù)可以進(jìn)一步優(yōu)化監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及監(jiān)控效果，降低監(jiān)控成本和工作人員的壓力，從而增強(qiáng)公路安全的防范能力。

（3）全方位監(jiān)控城鎮(zhèn)公路狀況。智慧公路系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了圖像抓拍、圖像識(shí)別、高清槍機(jī)和高清球機(jī)等的聯(lián)動(dòng)，進(jìn)而能夠?qū)`章車輛進(jìn)行迅速抓拍，并能通過攝像變位、變倍和變焦的方式，對(duì)違章車輛進(jìn)行全方位監(jiān)控。

（4）公路的整體調(diào)度更加高效。智慧公路系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控前端狀況，精準(zhǔn)獲取前端信息，且對(duì)其進(jìn)行整理和分析，而后依據(jù)信息應(yīng)用公路系統(tǒng)信號(hào)等對(duì)整個(gè)城鎮(zhèn)的公路狀況進(jìn)行調(diào)度，以保障城鎮(zhèn)公路運(yùn)轉(zhuǎn)的暢通。

（5）識(shí)別能力更強(qiáng)。在數(shù)據(jù)技術(shù)和人工智能技術(shù)的應(yīng)用下，城鎮(zhèn)智慧公路系統(tǒng)在高技術(shù)的加持下，其車輛自動(dòng)識(shí)別能力和智能化水平都顯著提高，對(duì)公路信息的判斷更加精準(zhǔn)，能夠依據(jù)公路實(shí)際狀況高效地調(diào)度城鎮(zhèn)公路。

2 城鎮(zhèn)智慧公路系統(tǒng)的技術(shù)設(shè)計(jì)

2.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)

新世紀(jì)以來物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)蓬勃發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可通過搭建虛擬專用網(wǎng)絡(luò)彌補(bǔ)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的缺陷，即在公共網(wǎng)絡(luò)體系內(nèi)建構(gòu)與其匹配的專用網(wǎng)絡(luò)體系[3]。此專用網(wǎng)并非獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，而是借助公共網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的一種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，屬于公共網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的重要組成。搭建虛擬專用網(wǎng)離不開計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，且借助此網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在物體與物聯(lián)網(wǎng)間構(gòu)建多協(xié)議的虛擬專用網(wǎng)絡(luò)線路，以有效連接物聯(lián)網(wǎng)與物品，通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)自身處理屏蔽的通信，檢測(cè)物品安全性，從而有效防止數(shù)據(jù)泄露和干擾物聯(lián)網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)。

2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)是智慧公路系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，處于核心地位，其技術(shù)設(shè)計(jì)為數(shù)據(jù)庫(kù)Oracle、數(shù)據(jù)校驗(yàn)、數(shù)據(jù)庫(kù) SQL Server等。其中SQL Server系統(tǒng)為數(shù)據(jù)庫(kù)的管理模塊，是信息數(shù)據(jù)與服務(wù)器、客戶、客戶與服務(wù)器間通信的橋梁。

客戶軟件利用自動(dòng)處理、手動(dòng)處理的交互方式提供數(shù)據(jù)服務(wù)工作。服務(wù)器為計(jì)算機(jī)程序、計(jì)算機(jī)、裝置等按客戶端的信息要求進(jìn)行處理。服務(wù)器的主從結(jié)構(gòu)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的一種，響應(yīng)客戶端請(qǐng)求和接受主計(jì)算機(jī)服務(wù)，且將服務(wù)器輸送的結(jié)果顯示出來。數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)在理想狀態(tài)中，透明界面通過服務(wù)器傳輸給客戶端，而客戶端也無需知道服務(wù)系統(tǒng)的具體數(shù)據(jù)。當(dāng)前，客戶端常安置于個(gè)人計(jì)算機(jī)和工作站上，網(wǎng)絡(luò)另一處安裝服務(wù)器。

服務(wù)器也支持?jǐn)?shù)據(jù)恢復(fù)、搜索、排序、更新、重組及分析等，通過服務(wù)器可以訪問數(shù)據(jù)，但不能直接訪問物理數(shù)據(jù)，并且客戶和服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)狀況決定著服務(wù)器和客戶之間的通信效果，而Server數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)能夠在最短時(shí)間內(nèi)識(shí)別邏輯級(jí)別和物理級(jí)別的通信。Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)為組合型軟件，可以向網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供分布式數(shù)據(jù)。常用的客戶/服務(wù)器、瀏覽器/服務(wù)器（Browser/Server，B/S）就是Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)的融合，從而極大地提升了數(shù)據(jù)庫(kù)的管理功能，以及其分布式的處理效果，相關(guān)產(chǎn)品得到全面完善。將此數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用到智慧公路系統(tǒng)中，能夠有效緩解公路擁堵問題，并可降低汽車尾氣污染、噪音污染指數(shù)。

2.3 移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)可以通過各種智能終端、無線網(wǎng)絡(luò)完成數(shù)據(jù)交換，進(jìn)而獲得有價(jià)值的服務(wù)與信息。在大數(shù)據(jù)時(shí)代，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)得到高速發(fā)展且被廣泛應(yīng)用，這為公路管理部門發(fā)行和公布、分享公路信息提供了更為便捷、迅速的途徑。在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)中，信息共享方式更加豐富而多元，信息內(nèi)容更加全面，為用戶決策提供了輔助性的數(shù)據(jù)依據(jù)。

2.4 圖像識(shí)別抓拍與車輛自動(dòng)識(shí)別技術(shù)

除移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)之外，智慧公路系統(tǒng)也離不開圖像識(shí)別與抓拍技術(shù)。此技術(shù)主要是通過數(shù)字圖像處理系統(tǒng)去識(shí)別車輛及車牌，對(duì)其數(shù)字圖像、數(shù)字視頻等進(jìn)行全面采集。通常而言，識(shí)別車輛主要是通過車牌號(hào)這一重要標(biāo)記，車牌號(hào)的特別性與重要性直接決定了圖像識(shí)別與抓拍的性質(zhì)。如車輛在經(jīng)過不停車收費(fèi)（Electronic Toll Collection，ETC）車道時(shí)，車輛識(shí)別系統(tǒng)會(huì)對(duì)車輛車牌進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，并精準(zhǔn)抓拍車輛，而后將車牌、車輛圖片和視頻信息存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)內(nèi)，形成流水?dāng)?shù)據(jù)，以此綜合判斷車輛行為是否存在違規(guī)。

但是，如果要了解和掌握車輛的詳細(xì)數(shù)據(jù)信息，那么離不開車輛自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，此技術(shù)能夠精準(zhǔn)識(shí)別車輛重量、大小、輪胎與軸型等基本信息。車輛自動(dòng)識(shí)別技術(shù)主要紅外線掃描儀、軌道接觸器、激光掃描器、電感環(huán)線圈以及動(dòng)態(tài)稱重等設(shè)備裝置設(shè)計(jì)。當(dāng)前車輛自動(dòng)識(shí)別技術(shù)可以通過電子標(biāo)簽對(duì)車輛車型、座位數(shù)、尺寸等信息進(jìn)行精準(zhǔn)識(shí)別，且以數(shù)據(jù)信息方式寫入智慧公路系統(tǒng)中。

2.5 大數(shù)據(jù)及云計(jì)算技術(shù)設(shè)計(jì)

大數(shù)據(jù)技術(shù)能夠?qū)χ腔酃废到y(tǒng)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行深度挖掘和分析。云計(jì)算設(shè)計(jì)的應(yīng)用，使系統(tǒng)可以通過網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)分拆計(jì)算機(jī)的處理程序，使其形成多個(gè)小型的子程序，并整理、分析此子程序，將其交付于服務(wù)器，在分析和計(jì)算后，把處理結(jié)果提供給用戶。當(dāng)前，云計(jì)算技術(shù)處理海量數(shù)據(jù)僅需幾秒的時(shí)間，該設(shè)計(jì)可以快速而精準(zhǔn)地向公路管理系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

3 大數(shù)據(jù)時(shí)代智慧公路系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用

3.1 視頻監(jiān)控實(shí)現(xiàn)了超高清

在智慧公路管理中，合理應(yīng)用高清視頻技術(shù)能夠獲得精準(zhǔn)的監(jiān)控效果。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能及大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代信息技術(shù)的支持下，穩(wěn)定連接智能計(jì)算機(jī)與攝像頭，通過圖像監(jiān)測(cè)、識(shí)別等監(jiān)測(cè)技術(shù)，能夠準(zhǔn)確掌握區(qū)域內(nèi)道路的實(shí)際運(yùn)行狀況，合理分析公路狀況，為公路警察提供更加全面的公路運(yùn)行狀態(tài)和信號(hào)燈的應(yīng)用狀況，進(jìn)而科學(xué)調(diào)整道路信號(hào)等，有效降低城鎮(zhèn)道路的擁堵。

同時(shí)，在公路擁堵路段及停車場(chǎng)，可以應(yīng)用智能化公路系統(tǒng)為管理人員提供車輛資源信息，通過電子顯示屏等動(dòng)態(tài)化地為駕駛員提供停車信息，以免車輛停車時(shí)浪費(fèi)更多的時(shí)間，提高了車輛管理效率，從而降低了車輛尾氣排放量。

3.2 精準(zhǔn)獲取公路信息且有效分析和預(yù)測(cè)，提升公路管理的主動(dòng)力度

智慧公路設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，高速監(jiān)控系統(tǒng)主要由監(jiān)控管控平臺(tái)和各子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，各子系統(tǒng)精準(zhǔn)采集公路信息、環(huán)境信息和突發(fā)事件，并分析處理，判斷公路的運(yùn)行狀態(tài)。而公路管理部門也可以利用此監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)異常、正常公路事件等進(jìn)行事前判斷，并根據(jù)研判結(jié)果制定處理方案，以控制事態(tài)的發(fā)展[4]。同時(shí)，調(diào)配資源和采取措施，提升了主動(dòng)管理的力度，做到事前預(yù)防，有效降低事故發(fā)生率。

3.3 分析前段數(shù)據(jù)提高運(yùn)維管理水平

如果發(fā)生突發(fā)事件，通信及監(jiān)控系統(tǒng)便以現(xiàn)場(chǎng)前端設(shè)備對(duì)整個(gè)事件的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析，給事后分析處理、事故責(zé)任認(rèn)定或追查等提供依據(jù)，為事件隱患的排除提供參考。同時(shí)，智慧公路技術(shù)的應(yīng)用，能夠協(xié)助公路工程部門的運(yùn)維工作，為重構(gòu)公路服務(wù)和防止事故的再次發(fā)生提供數(shù)據(jù)幫助。智慧公路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具有超強(qiáng)的自主學(xué)習(xí)能力，可以對(duì)公路系統(tǒng)的預(yù)案體系進(jìn)行總結(jié)和完善，以持續(xù)完善和改進(jìn)道路公路的運(yùn)維管理，滿足其實(shí)際需要。

3.4 快速處理安全問題，打造全新智慧公路網(wǎng)

智慧公路系統(tǒng)的通信系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)能夠直觀而快速地將前端設(shè)備采集的事件狀態(tài)、視頻圖像、公路狀態(tài)等迅速傳入監(jiān)控中心，幫助公路管理部門快速確認(rèn)事態(tài)狀況，啟動(dòng)相應(yīng)的預(yù)案。智慧公路網(wǎng)設(shè)計(jì)中，如果發(fā)生突發(fā)事件及公路事故，公路管理部門、外部救援力量可聯(lián)合行動(dòng)，快速響應(yīng)。

在ETC系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了物聯(lián)網(wǎng)射頻識(shí)別技術(shù)，可以提高收費(fèi)效率及道路的通行能力，利用車牌識(shí)別技術(shù)和云存儲(chǔ)技術(shù)的聯(lián)動(dòng)，能夠在全國(guó)范圍內(nèi)對(duì)違法車輛進(jìn)行追蹤定位和打擊逃費(fèi)。通過傳感信息和云存儲(chǔ)搭建通信發(fā)布系統(tǒng)和服務(wù)系統(tǒng)，可以為出行者精準(zhǔn)地提供出行信息，便于其確定出行時(shí)間，選擇最佳的公路方式與出行路徑。

4 大數(shù)據(jù)環(huán)境中智慧公路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的發(fā)展方向

智慧公路系統(tǒng)設(shè)計(jì)發(fā)展可與各種技術(shù)、節(jié)能減排目標(biāo)等相融合，既能夠緩解公路擁堵問題，也能夠緩解環(huán)境與公路運(yùn)輸?shù)拿?，使二者的關(guān)系得到平衡。智慧公路系統(tǒng)設(shè)計(jì)還要融合美化環(huán)境、以人為本、服務(wù)社會(huì)的發(fā)展及應(yīng)用理念，研發(fā)出安保技術(shù)、智能技術(shù)相融合的技術(shù)產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)和公路安全維護(hù)的雙重目標(biāo)。同時(shí)，融合應(yīng)用智慧公路技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)，可以指導(dǎo)設(shè)計(jì)可遷移、可持續(xù)的新一代智慧高速公路發(fā)展路徑，對(duì)智慧公路的技術(shù)研究成為下一代公路系統(tǒng)技術(shù)形態(tài)演變的必然趨勢(shì)[5]。

5 結(jié) 論

在大數(shù)據(jù)時(shí)代，智慧公路系統(tǒng)的技術(shù)功能更強(qiáng)，系統(tǒng)的效能和清晰度更高。大數(shù)據(jù)時(shí)代智慧公路系統(tǒng)可以對(duì)公路范圍內(nèi)的周邊環(huán)境進(jìn)行全面監(jiān)控，增強(qiáng)了識(shí)別能力，提高了公路整體的調(diào)度水平，符合智能化、數(shù)據(jù)化發(fā)展的時(shí)代趨勢(shì)。