高速公路智慧化自動化設(shè)備與交通管理系統(tǒng)的深度集成架構(gòu)研究

摘要 基于智能交通系統(tǒng)的快速發(fā)展，高速公路智慧化自動化設(shè)備與交通管理系統(tǒng)的深度集成是提高道路安全、效率和可持續(xù)性的關(guān)鍵技術(shù)。基于此，文章提出了基于云計算、大數(shù)據(jù)分析和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的集成架構(gòu)，旨在提升高速公路自動化設(shè)備與交通管理系統(tǒng)之間的高效化、實時和智能的數(shù)據(jù)交換與處理。通過該架構(gòu)流程體系，可實現(xiàn)交通流量監(jiān)控、事故檢測、應(yīng)急響應(yīng)和交通預(yù)測等功能，進(jìn)而為高速公路的智慧化管理提供高質(zhì)量的技術(shù)支持，以期為同領(lǐng)域技術(shù)人員提供理論參考。

關(guān)鍵詞 智慧高速公路；自動化設(shè)備；交通管理系統(tǒng)；深度集成

中圖分類號 U415 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）04-0016-03

0 引言

高速公路是目前現(xiàn)代交通網(wǎng)絡(luò)的主要組成部分，其運(yùn)維管理效率及安全性會直接影響社會可持續(xù)發(fā)展質(zhì)量。在信息技術(shù)快速發(fā)展進(jìn)程中，傳統(tǒng)化交通管理系統(tǒng)已不能滿足現(xiàn)代交通的基本需求。鑒于此，針對高速公路智慧化自動化設(shè)備與交通管理系統(tǒng)的深度集成架構(gòu)設(shè)計及其流程，對提升社會交通管理水平及其智能化技術(shù)具有重要意義。

1 高速公路智慧化自動化設(shè)備與交通管理系統(tǒng)技術(shù)

1.1 云計算技術(shù)

云計算技術(shù)在高速公路智能化發(fā)展中起到了關(guān)鍵作用。它能收集并整合來自各路段和多種設(shè)備的數(shù)據(jù)，包含車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)、道路狀況以及天氣信息等，并將以上數(shù)據(jù)存儲于云端服務(wù)器[1]。利用云計算的強(qiáng)大處理能力，可高效地分析此類大規(guī)模且復(fù)雜的數(shù)據(jù)集，而不需要依賴本地有限的計算資源[2]。交通管理部門可通過云服務(wù)平臺實時監(jiān)控高速公路上的車輛流量和速度分布等重要參數(shù)，從而準(zhǔn)確評估道路擁堵狀態(tài)。尤其在節(jié)假日期間或其他出行高峰期，云服務(wù)平臺能夠快速分析不同路段的交通負(fù)荷，為制定有效的交通管理策略提供支持。云計算的靈活性和可擴(kuò)展性也保證系統(tǒng)可在數(shù)據(jù)量突然增加時依然保持高效穩(wěn)定的工作性能。

1.2 大數(shù)據(jù)分析

大數(shù)據(jù)分析技術(shù)為高速公路交通管理提供深入了解交通模式的新途徑。通過長時間積累的大量交通數(shù)據(jù)，如各時段的車流量、各路段的事故頻率以及各類車輛的駕駛行為等信息的收集與分析，可精準(zhǔn)化識別出高速公路交通運(yùn)行的內(nèi)在規(guī)律和未來趨勢。該分析結(jié)果有助于交通管理部門做出準(zhǔn)確的流量預(yù)測，并提前實施有效的管理措施，例如，調(diào)整信號燈的時間設(shè)置或根據(jù)需要開放應(yīng)急車道，進(jìn)而減輕交通擁堵。

1.3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對實現(xiàn)高速公路更加敏銳的感知能力提供了技術(shù)支持。沿線設(shè)計各種傳感器和攝像頭就像智能化信息，可實時收集環(huán)境與交通狀況的詳細(xì)數(shù)據(jù)。此可精準(zhǔn)監(jiān)測路面溫度、濕度和平整度等條件，為道路維護(hù)部門提供即時的路況信息，使其能夠在惡劣天氣或道路損壞時迅速響應(yīng)，確保行車安全[3]。攝像頭則用于記錄車輛行駛路徑、車牌號碼以及交通事故的發(fā)生過程，為交通管理和事故調(diào)查提供關(guān)鍵證據(jù)。

2 深度集成架構(gòu)設(shè)計

2.1 架構(gòu)總體框架

高速公路智慧化架構(gòu)主要由感知層、通信層、平臺層、應(yīng)用層和用戶層組成，各層緊密協(xié)作，實現(xiàn)從數(shù)據(jù)采集到智能決策支持的全流程閉環(huán)。總體架構(gòu)如下圖1所示。

2.1.1 感知層

感知層作為集成架構(gòu)的核心組成部分，負(fù)責(zé)關(guān)鍵的數(shù)據(jù)收集工作。在高速公路環(huán)境中，廣泛部署了各種類型的傳感器和檢測設(shè)備，其主要扮演著敏銳信息采集者的角色，能夠精確監(jiān)測周圍環(huán)境和交通狀況。例如，高清攝像頭持續(xù)捕捉車輛行駛的影像，不僅能夠清晰地識別車牌號碼，還可精細(xì)分析車輛的速度、車型以及車道變換等行為，為交通流量監(jiān)控和違法行為檢測提供重要的數(shù)據(jù)支持。路面?zhèn)鞲衅鲃t用于測量溫度、濕度和壓力等參數(shù)，及時報告路面狀態(tài)，幫助道路維護(hù)部門做出決策，防止因路面問題引發(fā)的交通事故。

2.1.2 平臺層

平臺層在高速公路智能化架構(gòu)中扮演著核心樞紐的角色，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲、處理和分析。該層利用先進(jìn)的云計算和大數(shù)據(jù)技術(shù)，構(gòu)建高效化數(shù)據(jù)中心。云計算提供穩(wěn)定且安全的數(shù)據(jù)存儲解決方案，確保數(shù)據(jù)的完整性和安全性，并具有根據(jù)需求靈活擴(kuò)展的能力，可以有效應(yīng)對數(shù)據(jù)量的增長[4]。而大數(shù)據(jù)技術(shù)則用于深入挖掘和分析從感知層收集到的大量交通數(shù)據(jù)。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)

2.2.1 數(shù)據(jù)融合技術(shù)

在高速公路智能化體系中，平臺層作為核心樞紐，承擔(dān)著數(shù)據(jù)存儲、處理和分析的重要職責(zé)。該層借助云計算和大數(shù)據(jù)技術(shù)，構(gòu)建高效化的數(shù)據(jù)處理中心。通過云計算，平臺提供了穩(wěn)定且安全的數(shù)據(jù)存儲服務(wù)，保障了數(shù)據(jù)的完整性和安全性，并具備根據(jù)實際需求靈活擴(kuò)展的能力，進(jìn)而應(yīng)對不斷增長的數(shù)據(jù)量。大數(shù)據(jù)技術(shù)則被用來對感知層收集的大量交通信息進(jìn)行深度分析。平臺層不僅確保了海量數(shù)據(jù)的安全保存和快速檢索，還通過對這些數(shù)據(jù)的深入剖析，為交通管理提供高效化的洞察和決策支持。有助于交通管理部門更有效地監(jiān)控高速公路的運(yùn)行狀態(tài)，優(yōu)化交通流量管理，提高運(yùn)營效率和服務(wù)水平。以下是加權(quán)平均融合的計算公式（1）：

式中，F(xiàn)——數(shù)據(jù)融合后的最終結(jié)果；xi——第i個傳感器的觀測數(shù)據(jù)；wi——第i個傳感器的權(quán)重，反映其數(shù)據(jù)的重要性或可信度，滿足；n——數(shù)據(jù)源

（傳感器）的數(shù)量。

2.2.2 實時數(shù)據(jù)處理技術(shù)

實時數(shù)據(jù)處理技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)是在確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和一致性的同時，實現(xiàn)高并發(fā)處理和低延遲響應(yīng)。為解決以上難題，通常會采用多種優(yōu)化手段，如多級緩存、負(fù)載均衡以及邊緣計算等方法。例如，通過邊緣計算，可以將部分計算任務(wù)分配給傳感器節(jié)點或路側(cè)設(shè)備，從而減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t[5]。

2.2.3 智能決策支持系統(tǒng)

智能決策支持系統(tǒng)（IDSS）是高速公路智慧化架構(gòu)中的關(guān)鍵應(yīng)用模塊，其通過整合感知層收集的數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，提供自動化與智能化的決策建議，以優(yōu)化交通管理和資源分配。該系統(tǒng)基于大數(shù)據(jù)技術(shù)和人工智能算法，集成了預(yù)測分析、優(yōu)化決策和可視化工具等多項功能。預(yù)測分析是IDSS的一項核心能力，其結(jié)合歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)，構(gòu)建多種模型用于交通流量預(yù)測、事故風(fēng)險評估和路面狀況分析等。例如，選取長短期記憶（LSTM）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的交通預(yù)測模型能夠同時考慮時間序列特性，識別短期內(nèi)可能出現(xiàn)的交通擁堵趨勢。LSTM是一種特別適用于處理時間序列數(shù)據(jù)的模型，可高效進(jìn)行交通流量等動態(tài)變化變量的預(yù)測和分析。LSTM的基本計算公式（2）如下：

式中，ft——遺忘門，決定哪些信息被丟棄；σ——激活函數(shù)；bf——遺忘門的偏置；it——輸入門，決定哪些新信息被存儲；——候選記憶單元，生成新的候選信息；Ct——保持長期記憶；ot——輸出門，控制當(dāng)前時刻的輸出；ht——當(dāng)前時刻的交通流量（輛/h）。該模型通過訓(xùn)練歷史交通流量數(shù)據(jù)，預(yù)測未來的交通流量趨勢。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)檢測

3.1 系統(tǒng)實現(xiàn)

該項目在某高速公路的應(yīng)用中，通過部署多種先進(jìn)傳感器和攝像頭，實現(xiàn)對交通流量、車速、路面狀況等關(guān)鍵數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測與分析。具體實施過程中，項目可使用高清晰度攝像頭、微波雷達(dá)、路面?zhèn)鞲衅?、氣象傳感器以及車載通信設(shè)備等多種設(shè)備。

交通流量監(jiān)測方面，在每個車道上安裝了高清晰度攝像頭和微波雷達(dá)，用于精確測量車輛的速度和流量。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡(luò)將此類數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)街行姆?wù)器，并利用數(shù)據(jù)融合技術(shù)處理來自不同傳感器的異構(gòu)數(shù)據(jù)，進(jìn)而生成準(zhǔn)確的交通流量、車速和道路狀況分析結(jié)果。

所有傳感器收集的數(shù)據(jù)最終匯總至云計算平臺，通過大數(shù)據(jù)處理和分析技術(shù)，為交通管理部門提供實時決策支持。這種方法不僅保證了數(shù)據(jù)的及時性和準(zhǔn)確性，也為提高道路交通的安全性和效率提供了堅實的基礎(chǔ)。該項目中采集的主要數(shù)據(jù)及相關(guān)參數(shù)見下表1。

3.2 檢測結(jié)果

通過對系統(tǒng)運(yùn)行的監(jiān)測和實際案例的分析，結(jié)果證明該集成架構(gòu)在提升交通管理智能化、降低交通事故發(fā)生率及提升道路通行效率方面取得顯著效果。在某高速公路項目中，該系統(tǒng)能夠在事件發(fā)生的早期階段準(zhǔn)確檢測到交通擁堵或事故情況，并立即將相關(guān)信息反饋給交通管理部門，使其能夠迅速采取措施進(jìn)行干預(yù)。即時響應(yīng)的能力不僅提高應(yīng)對突發(fā)事件的效率，還有效減少交通事故的影響，提升整體的道路安全性和通行能力[6]。通過該方式，該集成架構(gòu)為交通管理提供有力的技術(shù)支持，展示其在實際應(yīng)用中的價值和優(yōu)勢。高速公路系統(tǒng)應(yīng)用前后交通事故發(fā)生率與道路通行效率對比如下圖2所示。

結(jié)合圖2的數(shù)據(jù)，可看出系統(tǒng)在實際運(yùn)行中顯著減少交通事故的發(fā)生率，事故率相比應(yīng)用前降低大約15%。此外，通過優(yōu)化信號燈的配時、車道分配和應(yīng)急響應(yīng)策略，道路的整體通行效率提升約20%。具體到參數(shù)值方面，交通流量監(jiān)測系統(tǒng)的精度達(dá)到95%以上，能夠?qū)崟r獲取每個車道的車速和流量信息。對于事故檢測，系統(tǒng)利用實時數(shù)據(jù)分析，在事故發(fā)生后的2 min內(nèi)提供準(zhǔn)確預(yù)警，該時間比傳統(tǒng)系統(tǒng)平均提前30%以上。系統(tǒng)的平均響應(yīng)時間控制在3 s以內(nèi)，確保了數(shù)據(jù)的實時性和決策的及時性。該技術(shù)實現(xiàn)不僅顯著提高高速公路的運(yùn)行效率，而且在長時間的運(yùn)營過程中，系統(tǒng)表現(xiàn)出出色的穩(wěn)定性，得到了相關(guān)部門的高度評價。

4 結(jié)論

綜上所述，文章提出高速公路智慧化自動化設(shè)備與交通管理系統(tǒng)的深度集成架構(gòu)，通過云計算、大數(shù)據(jù)分析和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的綜合應(yīng)用，可實現(xiàn)對高速公路交通狀況的全面監(jiān)控和智能管理。未來隨著相關(guān)智慧化、自動化技術(shù)的協(xié)同發(fā)展，該架構(gòu)將為智慧交通系統(tǒng)的建設(shè)提供更加堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]王瑞鵬，申鐵軍.智慧化集成技術(shù)在公路工程的應(yīng)用[J].交通科技與管理， 2024（21）：124-126.

[2]朱凌玉，曹亞亮，廖金波，等.數(shù)字孿生技術(shù)在高速公路智慧化改造工程中的應(yīng)用[J].運(yùn)輸經(jīng)理世界， 2024（28）：62-64.

[3]劉鑫.高速公路收費到期后智慧化運(yùn)營新模式探索[J].交通節(jié)能與環(huán)保， 2024（4）：44-46+62.

[4]曹真真，張建弘.基于智慧化的高速公路機(jī)電工程建設(shè)[J].運(yùn)輸經(jīng)理世界， 2024（23）：144-146.

[5]陳碩.高速公路基礎(chǔ)設(shè)施賦能智能化運(yùn)營服務(wù)研究[J].交通科技與管理， 2024（13）：180-182.

[6]郝穎.高速公路服務(wù)區(qū)智慧化建設(shè)研究[J].智慧中國， 2024（6）：72-73.

收稿日期：2025-01-14

作者簡介：王剛（1979—），男，本科，高級工程師，研究方向：交通運(yùn)輸交通控制系統(tǒng)。