現(xiàn)有高速公路智慧化提升改造方案

摘要：智慧高速公路是新一代智能交通系統(tǒng)的重要組成部分和體現(xiàn)形式，基于現(xiàn)有高速公路進(jìn)行智慧化提升改造是一種可行的智慧高速公路構(gòu)建技術(shù)路線(xiàn)。本文圍繞智慧高速公路的建設(shè)問(wèn)題，首先提出了高速公路智慧化提升改造目標(biāo)，然后提出了一種智慧高速公路總體架構(gòu)，最后闡述了以全息數(shù)字感知系統(tǒng)、無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)、高精度定位服務(wù)和高精度地圖等基礎(chǔ)能力建設(shè)為主的現(xiàn)有高速公路智慧化提升改造方案。

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2019YFB1600100）；浙江省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2020C01057）

在當(dāng)前世界范圍內(nèi)，智慧高速公路正處于探索和發(fā)展階段，其概念和內(nèi)涵沒(méi)有統(tǒng)一的定義。綜合國(guó)內(nèi)外在智慧公路建設(shè)發(fā)展方面的探索，筆者認(rèn)為：智慧高速公路是由道路基礎(chǔ)設(shè)施、道路感知設(shè)備、路側(cè)通信及邊緣計(jì)算設(shè)備、交通管理服務(wù)及控制設(shè)施等要素組成的，面向傳統(tǒng)汽車(chē)及不同等級(jí)的自動(dòng)駕駛汽車(chē)，集成應(yīng)用先進(jìn)的感知技術(shù)、網(wǎng)聯(lián)技術(shù)、計(jì)算技術(shù)、控制技術(shù)等的新一代高速公路，是新一帶智能網(wǎng)聯(lián)交通運(yùn)輸系統(tǒng)在高速公路應(yīng)用的重要落腳點(diǎn)[2]。

目前我國(guó)智慧高速公路的建設(shè)主要有兩種可行性較強(qiáng)的思路：一種是直接面向不同等級(jí)的自動(dòng)駕駛汽車(chē)與非智能化汽車(chē)的混合運(yùn)行及管控需求，設(shè)計(jì)較為完善的智慧高速公路建設(shè)方案，基于新建高速公路開(kāi)展智慧高速公路的建設(shè)；第二種是在已有高速公路的基礎(chǔ)上，面向低等級(jí)自動(dòng)駕駛汽車(chē)與非智能化汽車(chē)的服務(wù)及控制需求，設(shè)計(jì)高速公路智慧化提升改造方案，逐步推進(jìn)現(xiàn)有高速公路的智慧化提升工作，并開(kāi)展新一代國(guó)家交通控制網(wǎng)和智慧公路試點(diǎn)?？紤]到目前智慧高速公路并沒(méi)有完善的體系架構(gòu)，直接將待建高速公路建設(shè)為完善的智慧高速公路難度較大，因此利用現(xiàn)有高速公路進(jìn)行逐步遞進(jìn)的智慧化提升改造，同時(shí)為我國(guó)智慧高速公路建設(shè)探索出一條可行的技術(shù)路線(xiàn)成為目前的重要思路。

（1）基于車(chē)路協(xié)同技術(shù)、貨車(chē)編隊(duì)行駛技術(shù)、客貨分離管控技術(shù)等實(shí)現(xiàn)改造路段選路段道路通行效率提升；

（2）構(gòu)建基于路側(cè)全息感知及遠(yuǎn)、中、近程多模式車(chē)路融合通信的車(chē)輛自由流收費(fèi)模式；

（3）基于高精度定位、輔助駕駛、車(chē)路協(xié)同技術(shù)的綜合應(yīng)用，緩解冰雪雨霧等特殊天氣的影響，實(shí)現(xiàn)高速公路環(huán)境下的“全天候”快速通行；

（4）構(gòu)建車(chē)車(chē)、車(chē)路協(xié)同式交通安全系統(tǒng)，建設(shè)路網(wǎng)運(yùn)行安全云控平臺(tái)和應(yīng)急指揮調(diào)度與處置系統(tǒng)，提高高速公路運(yùn)行的安全性。

（一）完善智慧道路基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)

面向智慧高速公路運(yùn)行需求，擴(kuò)容高速公路光纖通信網(wǎng)、供電網(wǎng)，充分預(yù)留網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；建設(shè)面向多種用途的路側(cè)立桿、龍門(mén)架、戶(hù)外機(jī)柜；部署蜂窩通信基站、路側(cè)雷達(dá)、智能相機(jī)、LTE-V/5G-V2X/DSRC車(chē)聯(lián)網(wǎng)路側(cè)節(jié)點(diǎn)、路側(cè)邊緣計(jì)算服務(wù)器，以及各類(lèi)交通流檢測(cè)器、氣象檢測(cè)器、北斗定位差分站、網(wǎng)聯(lián)可變交通標(biāo)志及可變情報(bào)板、智能道釘及面向低能見(jiàn)度天氣的智能行車(chē)誘導(dǎo)裝置，最終形成全覆蓋的傳感、通信、誘導(dǎo)、控制網(wǎng)絡(luò)。

（二）構(gòu)建智慧高速公路云控平臺(tái)

智慧道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的推進(jìn)將有效提高高速公路交通信息采集能力，并通過(guò)相關(guān)誘導(dǎo)設(shè)施、控制設(shè)備提升對(duì)行車(chē)車(chē)輛的誘導(dǎo)、管控水平，上述目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)依賴(lài)于一體化智慧高速公路云控平臺(tái)的建設(shè)，云控平臺(tái)匯聚、融合、分析處理高速公路全線(xiàn)各類(lèi)交通服務(wù)對(duì)象及交通狀況形成的各類(lèi)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)面向交通不同層級(jí)和不同應(yīng)用的控制決策，從而對(duì)高速公路本地、通道以及網(wǎng)絡(luò)不同層級(jí)交通運(yùn)行系統(tǒng)實(shí)施精準(zhǔn)控制，支持不同等級(jí)的自動(dòng)駕駛汽車(chē)協(xié)同運(yùn)行，保障自動(dòng)駕駛專(zhuān)用道的可靠管控及模式切換，誘導(dǎo)傳統(tǒng)車(chē)輛“全天候”高效運(yùn)行[4]。

（三）構(gòu)建各類(lèi)先進(jìn)交通服務(wù)

面向公眾提供可靠的先進(jìn)交通服務(wù)是對(duì)現(xiàn)有高速公路進(jìn)行智慧化提升改造的首要目標(biāo)，在智慧道路基礎(chǔ)設(shè)施和智慧高速公路云控平臺(tái)的基礎(chǔ)上，利用新技術(shù)、新手段，面向新用戶(hù)，實(shí)現(xiàn)并提供多種先進(jìn)、無(wú)縫覆蓋的交通服務(wù)，包括貨車(chē)自動(dòng)駕駛編隊(duì)行駛、多模式自由流收費(fèi)、行車(chē)預(yù)警與控制、可靠交通信息服務(wù)、多模式精準(zhǔn)道路感控、自動(dòng)駕駛專(zhuān)用道管控等，此外可面向公安部門(mén)提供各類(lèi)異常交通事件的快速處置服務(wù)等。

（一）高速公路全息數(shù)字感知系統(tǒng)建設(shè)

面向人車(chē)路環(huán)境的智慧高速公路全息數(shù)字感知能夠?yàn)楣芾聿块T(mén)和各類(lèi)交通參與者提供道路、交通、車(chē)輛、氣象等各類(lèi)交通狀態(tài)信息，健全高速公路基礎(chǔ)設(shè)施基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高速公路全路段、多層次的數(shù)字化建設(shè)，是實(shí)現(xiàn)智慧高速公路高精準(zhǔn)行車(chē)管控、道路基礎(chǔ)設(shè)施全生命周期監(jiān)管及養(yǎng)護(hù)服務(wù)的關(guān)鍵。

具體內(nèi)容應(yīng)包括以下方面：

1、車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)感知，利用運(yùn)行車(chē)輛車(chē)載終端與路側(cè)設(shè)備V2I通信傳輸及路側(cè)攝像機(jī)/雷達(dá)采集各類(lèi)車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，如車(chē)輛身份信息、位置信息、速度信息、異常行為等；

2、交通環(huán)境狀態(tài)感知，利用遙感路面狀態(tài)檢測(cè)器、道路氣象站、氣象傳感器感知路面積水、積雪、結(jié)冰厚度等路面狀況和檢測(cè)路段內(nèi)的溫度、濕度、風(fēng)速降雨、降雪、霧霾等氣象狀況；

3、道路健康狀態(tài)感知，利用裂縫、振動(dòng)、溫度、位移、應(yīng)變等傳感器，構(gòu)建道路及橋梁健康狀態(tài)感知子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)道路、橋梁全段的健康狀態(tài)的感知。

滿(mǎn)足上述感知需求的設(shè)備有交通流檢測(cè)器、交通事件檢測(cè)器、路面檢測(cè)器、氣象檢測(cè)器、路側(cè)雷達(dá)等，一般部署于高速公路兩側(cè)立桿或橫跨道路的龍門(mén)架上。提升改造過(guò)程中應(yīng)充分利用現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行合理化的增量增配，完成原有系統(tǒng)和新建系統(tǒng)的一致化融合，系統(tǒng)地完成高速公路全息數(shù)字感知系統(tǒng)地構(gòu)建。

（二）泛在互聯(lián)的無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

為滿(mǎn)足高速公路全息數(shù)字感知、精準(zhǔn)行車(chē)管控、網(wǎng)聯(lián)自動(dòng)駕駛車(chē)輛及車(chē)路協(xié)同應(yīng)用的實(shí)際需求，在高速公路智慧化提升改造過(guò)程中，除需要對(duì)高速公路沿線(xiàn)全程覆蓋骨干光纖通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行擴(kuò)容、增配外，應(yīng)著力建設(shè)多模式、全覆蓋的無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)，包括5G-V2X、LTE-V、DSRC等各種標(biāo)準(zhǔn)化的車(chē)聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)和5G、4G-LTE、Wi-Fi等移動(dòng)通信/無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，在相關(guān)通信基站、車(chē)載終端、路側(cè)設(shè)備的支持下，為高速公路上的車(chē)輛、人員和設(shè)備設(shè)施等提供具有可靠質(zhì)量保證的網(wǎng)聯(lián)通信服務(wù)[5]。其中不同類(lèi)型的無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的部署應(yīng)根據(jù)不同交通服務(wù)可靠運(yùn)行所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類(lèi)型、體量及其無(wú)線(xiàn)傳輸要求來(lái)開(kāi)展，以在盡量減少相關(guān)設(shè)備部署數(shù)量的情況下，發(fā)揮最大效用；此外應(yīng)適當(dāng)預(yù)留節(jié)點(diǎn)、空間，滿(mǎn)足系統(tǒng)演進(jìn)、升級(jí)的需求，同時(shí)提升基礎(chǔ)設(shè)施的復(fù)用率。

（三）高精度定位服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)

高精度定位服務(wù)是為各類(lèi)路側(cè)設(shè)備、運(yùn)行車(chē)輛及乘客提供高精度定位信息與授時(shí)功能、可靠導(dǎo)航定位服務(wù)的基礎(chǔ)系統(tǒng)，如面向自動(dòng)化道路養(yǎng)護(hù)車(chē)輛提供厘米級(jí)的高精度定位服務(wù)，面向不同等級(jí)的自動(dòng)駕駛車(chē)輛提供不同定位精度的定位信息，采集“兩客一?！避?chē)輛的實(shí)時(shí)高精度軌跡信息，支持面向自動(dòng)駕駛應(yīng)用的高精度地圖的實(shí)時(shí)生成，支持高速公路全息數(shù)字感知數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)采集等。

考慮到智慧高速公路各類(lèi)業(yè)務(wù)系統(tǒng)運(yùn)行的安全性與可靠性，應(yīng)主要在高速公路部署我國(guó)自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)地面增強(qiáng)站，此外應(yīng)充分利用部署的各類(lèi)V2X基站構(gòu)建基于V2X的多模式定位服務(wù)，同時(shí)在云控平臺(tái)內(nèi)構(gòu)建、部署定位數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和定位服務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，針對(duì)不同的用戶(hù)對(duì)象提供不同精度與頻率的定位服務(wù)。

（四）高精度地圖系統(tǒng)建設(shè)

除普通導(dǎo)航地圖可以提供的二維地圖信息外，高精度地圖可以為自動(dòng)駕駛車(chē)輛提供路面坡度、護(hù)欄高度及標(biāo)志/標(biāo)線(xiàn)/立桿的位置、顏色等更豐富的三維地圖信息和更加精確的定位信息，是自動(dòng)駕駛汽車(chē)、各種車(chē)路協(xié)同應(yīng)用和先進(jìn)交通信息管理與服務(wù)應(yīng)用可靠運(yùn)行的重要保障[6]。此外，可靠的高精度地圖可以有效提升道路管理部門(mén)對(duì)道路及各類(lèi)附屬交通設(shè)施的養(yǎng)護(hù)管理水平，實(shí)現(xiàn)道路的精細(xì)化管理。

基礎(chǔ)高精度地圖的制作應(yīng)由具有測(cè)繪和地圖制作資質(zhì)的第三方單位完成，并在智慧高速云控平臺(tái)、高速公路邊緣計(jì)算機(jī)、路側(cè)設(shè)備等分層次部署地圖數(shù)據(jù)。然而高精度地圖數(shù)據(jù)由動(dòng)態(tài)和靜態(tài)數(shù)據(jù)構(gòu)成，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)由實(shí)時(shí)路況數(shù)據(jù)、交通事件數(shù)據(jù)等組成，靜態(tài)數(shù)據(jù)包括交通設(shè)施數(shù)據(jù)、道路數(shù)據(jù)以及車(chē)道數(shù)據(jù)等。因此可靠的高精度地圖數(shù)據(jù)有賴(lài)于基于高速公路動(dòng)態(tài)變化數(shù)據(jù)的高精度地圖數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)維護(hù)，相關(guān)的動(dòng)態(tài)維護(hù)數(shù)據(jù)由高速公路全息數(shù)字感知系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)作為支撐，由邊緣計(jì)算機(jī)整合處理，再由路側(cè)設(shè)備或云控平臺(tái)發(fā)布。