G65高速重慶巴南至武隆段智慧高速公路總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

朱 湧, 羅 建, 夏衛(wèi)國, 李茂華(.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司, 重慶 400067; 2.自動(dòng)駕駛技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心, 重慶 400067;

3.重慶高速公路集團(tuán)有限公司南方營運(yùn)分公司, 重慶 401121)

智慧高速公路是我國交通強(qiáng)國戰(zhàn)略實(shí)施的重要著力點(diǎn),是新型交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要組成部分,也是未來高速公路發(fā)展的重點(diǎn)方向。目前國內(nèi)浙江、河北、廣西、山東等20多省有40余條高速公路開展了智慧高速公路建設(shè)工作,進(jìn)行了一系列創(chuàng)新應(yīng)用探索與實(shí)踐。浙江杭紹甬高速公路是國內(nèi)首條智慧高速公路,建設(shè)了智慧高速云控平臺,通過智能系統(tǒng)、車輛管控,提升高速公路運(yùn)行速度,并全面支持自動(dòng)駕駛[1]。河北省以高速公路大數(shù)據(jù)挖掘與綜合利用為核心,以“準(zhǔn)全天候、精準(zhǔn)化”的出行服務(wù)和“科學(xué)決策、智能管控”的綜合管理為主線,打造京雄智慧高速公路[2]。廣西沙吳智慧高速公路以車路協(xié)同測試示范為核心,建設(shè)一段智能示范路、一張綜合感知網(wǎng)絡(luò)、一張5G通信網(wǎng)絡(luò)、一個(gè)云控平臺、一個(gè)運(yùn)控中心、一套數(shù)字孿生系統(tǒng)等六大內(nèi)容[3]。我國智慧高速公路發(fā)展經(jīng)歷了基礎(chǔ)研究、技術(shù)驗(yàn)證、試點(diǎn)示范等階段,已形成了較成熟的智慧高速公路技術(shù)體系,當(dāng)前正處于由試點(diǎn)示范向全面布局的關(guān)鍵階段[4-7]。

《重慶市推動(dòng)交通強(qiáng)國建設(shè)試點(diǎn)實(shí)施方案(2021—2025年)》提出:推動(dòng)智慧高速公路建設(shè),充分運(yùn)用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等前沿技術(shù),建設(shè)覆蓋“人、車、路、環(huán)境”的智慧高速公路網(wǎng),在重慶高速集團(tuán)、招商公路、中國鐵建等單位實(shí)施項(xiàng)目中選取1～2條高速公路,建設(shè)基于5G技術(shù)的車路協(xié)同試驗(yàn)段[8]。G65高速重慶巴南至武隆段智慧高速公路建設(shè)項(xiàng)目是重慶市首個(gè)運(yùn)營高速公路智慧化提升改造示范工程,將為重慶市運(yùn)營高速公路智慧化提升改造打造一套可復(fù)制、可推廣、可應(yīng)用的方案,引領(lǐng)全市高速公路數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級,形成我國山區(qū)智慧高速公路的樣板工程、品牌工程。

1 G65高速巴南至武隆段概況

G65高速公路重慶段為重慶高速公路網(wǎng)規(guī)劃“四環(huán)二十二射六十聯(lián)線”中的射線高速公路,是重慶主要的省際大通道之一[9]。G65高速巴南至武隆段全長約135 km,包括界石至水江段(界水路)、水江至武隆段(水武路),全線共有界石、大觀、水江、武隆4處服務(wù)區(qū),線路如圖1所示。

圖1 G65高速巴南至武隆段線路

2007年,界水路建成投運(yùn),全長約85 km,隧道共7座,其中特長隧道1座、長隧道3座、中隧道及短隧道3座,隧道全長總計(jì)11.03 km。2009年,水武路建成投運(yùn),全長約50 km,隧道共7座,其中特長隧道5座、長隧道1座、中隧道1座,隧道全長總計(jì)25.6 km,隧道占比達(dá)50%。G65高速巴南至武隆段隧道情況如表1所示。

目前G65高速重慶巴南至武隆段日均車流量約6萬輛,貨車日均車流量占比約為30%,交通流量較大,過境交通多,貨車出行需求集中。沿線途經(jīng)仙女山、芙蓉洞、小南海地質(zhì)公園等多個(gè)旅游景區(qū),重大節(jié)假日旅游交通客流增長明顯。全線橋隧比例高,特長隧道數(shù)量多,山區(qū)高速公路氣象條件復(fù)雜,交通事故頻發(fā)。

2 智慧高速建設(shè)需求分析

1) 交通安全問題

G65高速重慶巴南至武隆段橋隧比高,存在特長隧道、隧道群、橋隧相接段以及長大縱坡路段,氣象條件復(fù)雜,交通安全隱患突出。為實(shí)現(xiàn)智能管控、主動(dòng)防護(hù)、安全預(yù)警、快速救援,最大限度保障公路行車安全,應(yīng)利用數(shù)字化技術(shù)手段、科學(xué)合理的安全設(shè)施設(shè)置、切實(shí)有效的救援預(yù)案。

2) 誘導(dǎo)管控問題

路段主線部分與互通之間、服務(wù)區(qū)與互通、隧道與互通間距較近,同時(shí)本路段與多條國省道、高速公路相交。為提高道路交通通行效率,需強(qiáng)化互通式立交、服務(wù)區(qū)出入口信息提示,完善區(qū)域路網(wǎng)交通誘導(dǎo)與控制。

表1 G65高速巴南至武隆段隧道情況

3) 品質(zhì)服務(wù)問題

G65高速重慶巴南至武隆段是渝東南跨省大通道,沿線人文旅游資源極為豐富,是重要的交通旅游干線,旅游交通量占比較高,但現(xiàn)有交通信息發(fā)布手段單一,無法為公眾出行提供精確、及時(shí)的出行前信息服務(wù)。按照“交旅融合”發(fā)展理念,需強(qiáng)化出行信息服務(wù)系統(tǒng),開展服務(wù)區(qū)數(shù)字化智能化升級,充分利用移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)智能終端等信息發(fā)布載體,增強(qiáng)出行體驗(yàn)并提升高速公路引流效果[10]。該路段智慧化升級將有助于整合跨區(qū)旅游資源,促進(jìn)重慶與其他地區(qū)旅游資源的優(yōu)勢互補(bǔ)、協(xié)同發(fā)展。

4) 節(jié)能降碳問題

沿線14座隧道,其中特長隧道6座,機(jī)電工程規(guī)模大,運(yùn)營期耗電量大、運(yùn)維成本高。按照“綠色公路”建設(shè)理念,應(yīng)提升智慧節(jié)能手段,實(shí)現(xiàn)運(yùn)營期的智能控制、高效養(yǎng)護(hù),在滿足行車安全條件的基礎(chǔ)上,最大程度地實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排,降低運(yùn)營成本[11]。

5) 管理決策問題

現(xiàn)有管養(yǎng)系統(tǒng)服務(wù)面較窄,主要側(cè)重于基礎(chǔ)信息采集和日常業(yè)務(wù)處理,缺少輔助管理決策、應(yīng)急指揮調(diào)度等綜合性業(yè)務(wù)功能,且應(yīng)急處置手段較落后,缺乏高科技手段支持。因此,需建設(shè)基于云計(jì)算、大數(shù)據(jù)技術(shù)的智慧高速公路云控平臺,通過智能感知與監(jiān)測構(gòu)建路段級基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫,依托可視化管理平臺實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測、態(tài)勢評估、自動(dòng)化事件檢測與預(yù)警以及突發(fā)事件下的應(yīng)急指揮調(diào)度。

3 智慧高速公路建設(shè)思路

3.1 建設(shè)原則

1) 系統(tǒng)重構(gòu)、流程再造

引入物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、數(shù)字孿生等新一代信息技術(shù),對傳統(tǒng)高速公路機(jī)電設(shè)施(收費(fèi)、通信、監(jiān)控、隧道機(jī)電、供配電等)進(jìn)行系統(tǒng)重構(gòu)和業(yè)務(wù)流程再造[12]。

2) 需求導(dǎo)向、深化應(yīng)用

以需求為導(dǎo)向,在新的技術(shù)架構(gòu)下強(qiáng)化運(yùn)行監(jiān)測、分析研判、安全預(yù)警、應(yīng)急指揮、養(yǎng)護(hù)管理、出行服務(wù)等功能[13]。

3) 統(tǒng)籌兼顧、協(xié)同推進(jìn)

依據(jù)交通運(yùn)輸部《關(guān)于實(shí)施綠色公路建設(shè)的指導(dǎo)意見》《促進(jìn)公路隧道提質(zhì)升級方案》《全國高速公路視頻聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測工作實(shí)施方案》等文件要求,將機(jī)電系統(tǒng)節(jié)能減排、全線隧道提質(zhì)升級、全程監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)和智慧高速公路體系有機(jī)結(jié)合,統(tǒng)籌實(shí)施,避免重復(fù)建設(shè)。

4) 總體設(shè)計(jì)、分期實(shí)施

根據(jù)智慧高速公路建設(shè)總體要求和G65高速重慶巴南至武隆段具體特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì),結(jié)合信息技術(shù)的持續(xù)演進(jìn),做到總體設(shè)計(jì)、分期實(shí)施[14-15]。

3.2 建設(shè)目標(biāo)

面向復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)高速公路,通過“智慧化提升+基礎(chǔ)設(shè)施升級”,實(shí)現(xiàn)路段運(yùn)行監(jiān)測實(shí)時(shí)準(zhǔn)確、應(yīng)急處置科學(xué)高效、養(yǎng)護(hù)管理智能先進(jìn)、信息服務(wù)及時(shí)便捷,大幅提高高速公路運(yùn)營管理和服務(wù)水平,實(shí)現(xiàn)G65高速重慶巴南至武隆段交通運(yùn)行安全暢通、管養(yǎng)手段豐富多元、公眾出行便捷愉快,打造成為安全型、高效型、低碳型和品質(zhì)型的智慧高速公路。

3.3 建設(shè)任務(wù)

結(jié)合建設(shè)需求及路段特點(diǎn),本文提出了G65高速重慶巴南至武隆段智慧高速公路的主要建設(shè)任務(wù),總體可概括為“1+5+5”,即建設(shè)1套智慧高速綜合云控平臺,打造智慧收費(fèi)站、智慧服務(wù)區(qū)、智慧車路協(xié)同、智慧隧道、智慧創(chuàng)新試點(diǎn)應(yīng)用等5大智慧化應(yīng)用場景,實(shí)施通信系統(tǒng)、全程監(jiān)控系統(tǒng)、隧道機(jī)電系統(tǒng)、收費(fèi)系統(tǒng)、主動(dòng)發(fā)光交通標(biāo)志等5項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施提質(zhì)升級工程。總體建設(shè)框架如圖2所示。

圖2 G65高速巴南至武隆段智慧高速公路總體建設(shè)框架

4 智慧高速公路總體方案

4.1 技術(shù)架構(gòu)

根據(jù)建設(shè)任務(wù)及智慧高速公路建設(shè)技術(shù)要求,本文提出了G65高速重慶巴南至武隆段智慧高速公路層級技術(shù)架構(gòu),包括基礎(chǔ)設(shè)施層、通信網(wǎng)絡(luò)層、基礎(chǔ)支撐層、數(shù)據(jù)資源層、應(yīng)用支撐層、應(yīng)用服務(wù)層和系統(tǒng)用戶層等,并形成管理機(jī)制、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、信息安全保障、運(yùn)維管理保障等體系,技術(shù)架構(gòu)如圖3所示。

1) 基礎(chǔ)設(shè)施層

基礎(chǔ)設(shè)施層是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和各類服務(wù)的基礎(chǔ),包括感知設(shè)施、發(fā)布設(shè)施、管控設(shè)施、服務(wù)設(shè)施、安全設(shè)施、養(yǎng)護(hù)設(shè)施等。

2) 通信網(wǎng)絡(luò)層

通信網(wǎng)絡(luò)層將構(gòu)建集光纖骨干網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)、無線局域網(wǎng)、DSRC專用短程通信網(wǎng)、無線傳感網(wǎng)、廣播網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等為一體的G65高速重慶巴南至武隆段基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò),為數(shù)據(jù)、語音、視頻圖像的傳輸提供強(qiáng)有力保障。

3) 基礎(chǔ)支撐層

基礎(chǔ)支撐層提供物理主機(jī)、存儲設(shè)備,為信息系統(tǒng)支撐環(huán)境提供所需的基礎(chǔ)硬件資源和虛擬化環(huán)境,包括計(jì)算設(shè)施、存儲設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、虛擬化設(shè)施及數(shù)算分離等。

4) 數(shù)據(jù)資源層

數(shù)據(jù)資源層將建設(shè)智慧高速公路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫、中間件及大數(shù)據(jù)存儲,并建設(shè)決策分析、應(yīng)急管理、養(yǎng)護(hù)管理、信息服務(wù)、增值服務(wù)等主題數(shù)據(jù)庫,為應(yīng)用系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐。形成私有云和公共云相結(jié)合的架構(gòu)體系,集約使用服務(wù)器、存儲等各類信息化基礎(chǔ)設(shè)施。

圖3 技術(shù)架構(gòu)

5) 應(yīng)用支撐層

應(yīng)用支撐層為實(shí)現(xiàn)信息共享、應(yīng)用功能、業(yè)務(wù)協(xié)同工作提供技術(shù)支撐,主要包括高精地圖、數(shù)字孿生引擎、物聯(lián)網(wǎng)底座、AI底座、車路協(xié)同引擎、高速公路數(shù)據(jù)大腦等。

6) 應(yīng)用服務(wù)層

應(yīng)用服務(wù)層包括綜合應(yīng)用、基礎(chǔ)應(yīng)用和展現(xiàn)應(yīng)用等內(nèi)容。綜合應(yīng)用依托智慧高速綜合云控平臺,建設(shè)安全提升、效率提升、服務(wù)提升、品質(zhì)示范四大業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)?；A(chǔ)應(yīng)用包括G65高速重慶巴南至武隆段視頻接入平臺、路段監(jiān)控分中心及隧道管理所視頻會議系統(tǒng)、辦公自動(dòng)化系統(tǒng)等基礎(chǔ)應(yīng)用。展現(xiàn)應(yīng)用包括業(yè)務(wù)系統(tǒng)門戶(內(nèi)網(wǎng))、公眾出行信息服務(wù)系統(tǒng)門戶(互聯(lián)網(wǎng))、客服電話、高速公路可變情報(bào)板、高速公路廣播、移動(dòng)智能終端APP等多種信息發(fā)布渠道,是面向G65高速重慶巴南至武隆段智慧高速公路用戶提供信息服務(wù)的窗口。

7) 系統(tǒng)用戶層

系統(tǒng)用戶對象包括重慶高速集團(tuán)、南方公司、社會公眾、外部企業(yè)/部門等。

4.2 數(shù)據(jù)架構(gòu)

智慧高速公路數(shù)據(jù)資源中心是以高速公路資源統(tǒng)籌管理、集約建設(shè)、共享利用為目標(biāo),以數(shù)據(jù)資源共享系統(tǒng)為核心,形成智慧高速公路數(shù)據(jù)資源共享體系架構(gòu)。按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選、清洗、治理,最終形成可共享交換的高速公路數(shù)據(jù)資源池。G65高速重慶巴南至武隆段智慧高速公路數(shù)據(jù)架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。

智慧高速公路數(shù)據(jù)資源中心的數(shù)據(jù)來源主要包括監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)(監(jiān)控網(wǎng))、收費(fèi)數(shù)據(jù)(收費(fèi)網(wǎng))、養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)(辦公網(wǎng))、路政數(shù)據(jù)(路政部門)、互聯(lián)網(wǎng)交通數(shù)據(jù)(互聯(lián)網(wǎng))以及其余數(shù)據(jù),各類數(shù)據(jù)內(nèi)容如表2所示。G65高速重慶巴南至武隆段智慧高速公路將實(shí)現(xiàn)融合共享各類數(shù)據(jù)資源,數(shù)據(jù)共享交換機(jī)制設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖4 數(shù)據(jù)架構(gòu)

4.3 智慧高速綜合云控平臺

智慧高速綜合云控平臺是G65高速重慶巴南至武隆段智慧高速公路建設(shè)的核心內(nèi)容之一,平臺邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖6所示,其中SaaS層包括安全類、效率類、服務(wù)類和示范類等業(yè)務(wù)應(yīng)用,PaaS層包括高精地圖采集、數(shù)字孿生引擎、物聯(lián)網(wǎng)底座、AI底座服務(wù)、高速公路數(shù)據(jù)大腦、車路協(xié)同引擎等支撐系統(tǒng)建設(shè),IaaS層打造分布式云服務(wù)平臺、分布式存儲系統(tǒng)等基礎(chǔ)設(shè)施。

4.4 智慧化應(yīng)用場景

為提升智慧高速公路應(yīng)用體驗(yàn),本文提出打造智慧收費(fèi)站、智慧服務(wù)區(qū)、智慧車路協(xié)同、智慧隧道、智慧創(chuàng)新試點(diǎn)應(yīng)用等5大智慧化應(yīng)用場景。

表2 高速公路數(shù)據(jù)來源

圖5 數(shù)據(jù)共享交換機(jī)制示意

智慧收費(fèi)站:包括匝道自由流、車道布局優(yōu)化、出入口自助車道建設(shè)、基于ETC的車路協(xié)同等。

智慧服務(wù)區(qū):包括服務(wù)區(qū)綜合管理平臺、無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、智能監(jiān)控系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、公眾服務(wù)信息發(fā)布及自助查詢系統(tǒng)、戶外大屏展示系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)、商業(yè)經(jīng)營管理系統(tǒng)、智慧照明系統(tǒng)、巡更系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)等應(yīng)用系統(tǒng)。

智慧車路協(xié)同:包括4張網(wǎng)——光纖通信網(wǎng)、V2X通信網(wǎng)、高精定位服務(wù)(北斗衛(wèi)星網(wǎng))、5G多網(wǎng)應(yīng)用;3個(gè)端——多源融合感知終端、邊緣側(cè)處理端、信息發(fā)布端;2個(gè)基礎(chǔ)——數(shù)字底座和數(shù)據(jù)中臺;1個(gè)應(yīng)用——云控平臺車路協(xié)同應(yīng)用。

圖6 智慧高速綜合云控平臺邏輯架構(gòu)

智慧隧道:包括隧道基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)物監(jiān)測、隧道車輛熱源監(jiān)測、隧道智能照明控制、隧道全息數(shù)字孿生、隧道行車安全管控等應(yīng)用。

智慧創(chuàng)新試點(diǎn)應(yīng)用:包括數(shù)字孿生、隧道洞口主動(dòng)交通管控、硬路肩動(dòng)態(tài)管控、無人機(jī)試點(diǎn)應(yīng)用等內(nèi)容。

4.5 基礎(chǔ)設(shè)施提質(zhì)升級

基礎(chǔ)設(shè)施升級是保障智慧高速公路實(shí)現(xiàn)智慧化運(yùn)營管理的重要內(nèi)容,根據(jù)前期調(diào)研情況,本文提出實(shí)施通信系統(tǒng)、全程監(jiān)控系統(tǒng)、隧道機(jī)電系統(tǒng)、收費(fèi)系統(tǒng)、主動(dòng)發(fā)光交通標(biāo)志等5項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施提質(zhì)升級工程。

通信系統(tǒng)升級改造:包括水界路、水武路的通信系統(tǒng)80 G/100 G接入網(wǎng)升級改造。

全程監(jiān)控系統(tǒng)升級改造:包括沿線全程視頻監(jiān)控點(diǎn)位、全要素氣象監(jiān)測點(diǎn)位、LED信息發(fā)布屏升級改造。

機(jī)電系統(tǒng)升級改造:包括隧道視頻監(jiān)控系統(tǒng)、交通誘導(dǎo)及控制系統(tǒng)、緊急電話及廣播系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、電光標(biāo)志等設(shè)施升級改造、區(qū)域控制系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)等。

收費(fèi)設(shè)施升級改造:包括14套隧道洞口ETC門架增補(bǔ)、南彭收費(fèi)站UPS及視頻監(jiān)控、巴南收費(fèi)站視頻監(jiān)控、接龍收費(fèi)站視頻監(jiān)控、石龍收費(fèi)站視頻監(jiān)控升級改造等。

5 結(jié)束語

本文通過梳理G65高速重慶巴南至武隆段智慧高速公路建設(shè)需求,開展智慧高速公路總體架構(gòu)設(shè)計(jì)研究,提出建成1套智慧高速綜合云控平臺、打造5大智慧化應(yīng)用場景、實(shí)施5項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施提質(zhì)升級的智慧高速公路“1+5+5”總體建設(shè)框架,明確了智慧高速公路總體技術(shù)架構(gòu)、數(shù)據(jù)架構(gòu)、數(shù)據(jù)交換機(jī)制和智慧高速綜合云控平臺架構(gòu)等總體設(shè)計(jì)內(nèi)容,可為智慧高速公路建設(shè)施工提供技術(shù)參考。