智慧高速公路技術(shù)體系構(gòu)建

岑晏青，宋向輝，王東柱，孫 玲，劉 楠

(交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088)

0 引言

1988年，我國第一條高速公路上海滬嘉高速公路正式通車。隨后的30多年我國的高速公路建設(shè)得到迅猛發(fā)展，截至2019年底，我國高速公路總里程已達(dá)到15萬km，建成了一張全世界規(guī)模最大的國家高速公路網(wǎng)，對我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展起到了至關(guān)重要的支撐作用[1]。受人口密度、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等因素影響，我國不同地區(qū)的高速公路交通量差異較大。2018年，全國高速公路平均交通量為2.55萬pcu/d，擁擠度為0.42，而北京、上海和廣東的高速公路交通量達(dá)到6.54，7.79和4.36萬pcu/d，擁擠度為0.92，1.08和0.66，是全國高速公路擁擠度的2.2倍，2.6倍和1.6倍[2]，可以說已經(jīng)處于擁擠甚至堵塞的狀態(tài)。按照我國全面建設(shè)社會主義現(xiàn)代化國家的戰(zhàn)略部署，從目前到2035年，我國的客貨運(yùn)輸需求仍將保持2%～3%的年均增長速度，長三角、珠三角和京津冀等東部地區(qū)的增長速度將會更高。如何防止我國東部地區(qū)交通運(yùn)輸對社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展再次出現(xiàn)“瓶頸制約”，是整個交通運(yùn)輸行業(yè)需要面對的重大戰(zhàn)略課題。而受限于土地供給、環(huán)保要求等剛性約束條件，我國東部地區(qū)已不可能再繼續(xù)采用大規(guī)模建設(shè)高速公路的發(fā)展模式。因此，建設(shè)智慧高速公路，有效提升高速公路的通行能力，成為當(dāng)前和今后一個階段我國高速公路建設(shè)的必然選擇和重要方向。

國外在高速公路的主動交通管理、車路協(xié)同技術(shù)應(yīng)用、出行和物流信息共享服務(wù)等方面開展了大量試驗(yàn)驗(yàn)證，主要包括：美國的智慧通道(Smart Corridor)[3]建設(shè)和互聯(lián)車輛(Connected Vehicle)計劃，歐洲的Easyway[4]項(xiàng)目和跨國智能交通走廊(ITS Corridor)示范工程，日本的ETC2.0[5]戰(zhàn)略和韓國的智慧公路(Smart Highway)[6]項(xiàng)目。“十三五”期間，交通運(yùn)輸部組織開展了“新一代國家交通控制網(wǎng)和智慧公路試點(diǎn)”，在全國9個省市進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化、路運(yùn)一體化、北斗高精度定位綜合利用等6大主題的試點(diǎn)[7]。2017年底，浙江省按照“現(xiàn)有技術(shù)用足、未來技術(shù)預(yù)留”的原則，啟動了全長170 km的杭紹甬智慧高速公路建設(shè)工程，標(biāo)志著智慧高速公路技術(shù)研究和工程實(shí)踐已從點(diǎn)狀的技術(shù)試點(diǎn)驗(yàn)證向系統(tǒng)化的技術(shù)集成示范轉(zhuǎn)變。

1 智慧高速公路概念及主要特征

1.1 智慧高速公路概念

在我國，“智慧高速公路”這個名詞來源于智慧城市。2011年，浙江省開展智慧城市建設(shè)試點(diǎn)工作，將智慧高速公路建設(shè)作為2012年首批啟動的13個示范試點(diǎn)項(xiàng)目之一[8]。2014年初，交通運(yùn)輸部黨組提出加快推進(jìn)“四個交通”發(fā)展，即綜合交通、智慧交通、綠色交通、平安交通的發(fā)展，各地的智慧高速公路建設(shè)試點(diǎn)項(xiàng)目明顯增多，比如，湖南和云南都是在省政府領(lǐng)導(dǎo)的直接要求下，于2014年啟動智慧高速公路試點(diǎn)工程。

根據(jù)工程實(shí)踐，不少專家學(xué)者對智慧高速公路的概念和內(nèi)涵進(jìn)行了研究探討。王少飛等[9]提出，智慧高速公路就是要構(gòu)建以數(shù)據(jù)為核心的高速公路協(xié)同管控與創(chuàng)新服務(wù)體系，利用“人的智慧思維+先進(jìn)的技術(shù)手段+協(xié)同的運(yùn)行機(jī)制+創(chuàng)新的模式”實(shí)現(xiàn)對高速公路管理與服務(wù)的提升，認(rèn)為智慧高速公路是持續(xù)利用新理念、新技術(shù)、新機(jī)制、新模式，實(shí)現(xiàn)管理和服務(wù)更加智慧的高速公路。張紀(jì)升等[10]認(rèn)為，智慧高速公路概念尚沒有統(tǒng)一的定義，與傳統(tǒng)智能交通定義相比，更加強(qiáng)調(diào)平臺性、互聯(lián)性以及終端化概念。在服務(wù)功能上，智慧高速公路是為充分發(fā)揮高速公路的功能屬性，集成應(yīng)用先進(jìn)的感知技術(shù)、傳輸技術(shù)、信息處理技術(shù)、控制技術(shù)等，形成開放共用的基礎(chǔ)平臺；它以安全、高效、便捷、綠色為目標(biāo)，結(jié)合多樣、開放的運(yùn)營管理與服務(wù)模式，為人和貨物的快速運(yùn)輸提供可靠的網(wǎng)絡(luò)化通行服務(wù)，為車車/車路交互提供自由的通信管道服務(wù)，為應(yīng)急事件提供全時可響應(yīng)的應(yīng)急服務(wù)，為出行者提供精細(xì)化、自主化的出行服務(wù)。

由此可見，智慧高速公路已有多年的試點(diǎn)工程建設(shè)實(shí)踐，積累了不少研究成果和工程經(jīng)驗(yàn)。本研究根據(jù)杭紹甬智慧高速公路建設(shè)工程可行性研究和工程設(shè)計過程中的深入思考，認(rèn)為智慧高速公路概念的提出需要遵循以下兩條原則：

(1)智慧高速公路的基礎(chǔ)和本質(zhì)是高速公路。我國現(xiàn)行《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B01—2014)對高速公路進(jìn)行了明確定義，高速公路是專供汽車分向行駛、分車道行駛，全部控制出入的多車道公路。智慧高速公路是突出了數(shù)字化、信息化和智能化特征的高速公路，但其基礎(chǔ)和本質(zhì)仍是高速公路。因此，提出智慧高速公路概念，必須首先堅(jiān)持其基礎(chǔ)和本質(zhì)，即智慧高速公路,是具有智慧化特征的高速公路，而不能將智慧高速公路表述為一個管理控制系統(tǒng)或者一套管理服務(wù)體系。

(2)從技術(shù)支撐和功能實(shí)現(xiàn)兩個角度明確智慧高速公路的智慧化水平。智慧高速公路不同于普通高速公路的核心特征是“智慧”，但僅表述為“更加智能”或“更加智慧”的高速公路，顯然不是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹腔鄹咚俟犯拍睢Ｌ岢鲋腔鄹咚俟犯拍睿枰獜募夹g(shù)支撐和功能實(shí)現(xiàn)兩個角度，對高速公路的智慧化水平給出明確的表述。

據(jù)此，本研究對智慧高速公路給出如下定義：

智慧高速公路，是在高速公路沿線布設(shè)相應(yīng)設(shè)施設(shè)備并建有交通運(yùn)行控制中心，集成應(yīng)用感知、通信、控制和綠色能源等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)汽車更加安全、快速和綠色行駛的高速公路。

1.2 智慧高速公路主要特征

本研究認(rèn)為智慧高速公路有以下3個主要特征：

(1)強(qiáng)調(diào)對現(xiàn)有先進(jìn)技術(shù)的集成應(yīng)用。智慧高速公路的智慧能力(或智慧化水平)都需要幾種技術(shù)集成后才能體現(xiàn)出來，比如：高速公路車道級管控能力(包括對車輛的車道級導(dǎo)航能力)需要應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化、高精度電子地圖、厘米級高精度定位、低時延無線通信、大數(shù)據(jù)實(shí)時分析和云控制系統(tǒng)等多項(xiàng)技術(shù)，且涉及在路側(cè)設(shè)備、車輛側(cè)終端和云控中心側(cè)數(shù)據(jù)信息和控制指令的處理傳遞邏輯。自由流收費(fèi)、準(zhǔn)全天候通行、危險路段安全預(yù)警等功能實(shí)現(xiàn)都需要多項(xiàng)技術(shù)集成應(yīng)用。因此，通過集成應(yīng)用感知、通信、信息、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能和綠色能源等先進(jìn)技術(shù)，來實(shí)現(xiàn)其整體智慧能力，是智慧高速公路在技術(shù)支撐方面的最顯著特征。

(2)以實(shí)現(xiàn)更加安全、快速、綠色的人員出行和貨物運(yùn)輸為根本目標(biāo)。交通運(yùn)輸?shù)某踔允菍?shí)現(xiàn)人和物的位移，高速公路作為交通運(yùn)輸過程的組成要素，其核心功能必須服從和服務(wù)于交通運(yùn)輸?shù)某踔浴Ｖ腔鄹咚俟肥切乱淮咚俟罚涔δ苣繕?biāo)不僅是實(shí)現(xiàn)人和物的位移，而是要在確保安全的前提下，能夠?qū)崿F(xiàn)更加快速、綠色的人員出行和貨物運(yùn)輸，這是智慧高速公路在功能實(shí)現(xiàn)方面的最顯著特征，也是智慧高速公路的根本性特征。

智慧高速公路的首要目標(biāo)是更加安全，以“零死亡”為愿景，在同等條件下比普通高速公路的安全性有顯著性提高。智慧高速公路的核心目標(biāo)是更加快速，表征為在同等條件下比普通高速公路上的車輛平均行駛速度有顯著性提高，或者在同等條件下人員出行和貨物運(yùn)輸時間比使用普通高速公路有明顯縮短。智慧高速公路的剛性約束目標(biāo)是更加綠色，表征為與普通高速公路相比，在同等條件下單位人員出行量和貨物運(yùn)輸量的環(huán)境影響程度有顯著性下降，或者資源綜合利用率有明顯提高。

(3)對正在發(fā)生的道路交通顛覆性變革具有先導(dǎo)和引領(lǐng)作用。具體表現(xiàn)為智慧高速公路支持自動駕駛技術(shù)應(yīng)用落地，探索“聰明的車+智能的路”這種未來公路交通模式的實(shí)現(xiàn)路徑。從社會發(fā)展史來看，人類經(jīng)歷了農(nóng)業(yè)革命、工業(yè)革命，正在經(jīng)歷信息革命。與之相對應(yīng)，人類交通發(fā)展史也已經(jīng)歷了兩次革命，第1次交通革命是以馬車、牛車出現(xiàn)為標(biāo)志，人類利用畜力，并隨后出現(xiàn)了土夯石筑的馬路，我國的秦馳道就是當(dāng)時的高速路；第2次交通革命是以火車和汽車出現(xiàn)為標(biāo)志，人類利用機(jī)械力，并隨后出現(xiàn)了鐵路和公路，以及目前我們熟悉的高速公路和高速鐵路。前兩次交通革命的特點(diǎn)是：新的運(yùn)載工具先發(fā)明，并隨后帶動形成與之相適應(yīng)的交通基礎(chǔ)設(shè)施。在目前的信息革命階段，以自動駕駛車輛出現(xiàn)為標(biāo)志的第3次交通革命(顛覆性變革)正在發(fā)生，人類利用信息通信、大數(shù)據(jù)和人工智能等技術(shù)，正在帶動智慧道路的出現(xiàn)。

當(dāng)前，全球范圍已形成廣泛共識的是：未來道路交通的基本形態(tài)是“聰明的車+智能的路”，將深刻改變車輛擁有、交通組織、人員出行和貨物運(yùn)送等方面的道路交通模式和方式。智慧高速公路具備的車路協(xié)同能力，目前已能夠支持自動駕駛車輛在專用車道上開展車輛編隊(duì)行駛(自動駕駛L3級)。積極支持自動駕駛技術(shù)應(yīng)用落地，探索“聰明的車+智能的路”這種未來公路交通模式的具體實(shí)現(xiàn)路徑是對智慧高速公路的時代性要求，也是智慧高速公路表現(xiàn)出具有先導(dǎo)和引領(lǐng)道路交通顛覆性變革的鮮明特征。

2 智慧高速公路的技術(shù)內(nèi)涵

我國的高速公路沿線是建有通信、監(jiān)控和收費(fèi)等設(shè)施設(shè)備的，統(tǒng)稱為機(jī)電系統(tǒng)。機(jī)電系統(tǒng)與路基、路面、橋隧等主體工程是一體化規(guī)劃、設(shè)計和建設(shè)的，是高速公路的重要組成部分。高速公路機(jī)電系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)營積累了大量經(jīng)驗(yàn)，也形成了完整的工程技術(shù)規(guī)范和相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，為實(shí)現(xiàn)智慧高速公路技術(shù)能力奠定了良好基礎(chǔ)。但現(xiàn)有高速公路機(jī)電系統(tǒng)在技術(shù)架構(gòu)、功能設(shè)計及運(yùn)維管理等方面也都面臨著挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)為：系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)的開發(fā)性不夠，協(xié)同性不足；系統(tǒng)功能設(shè)計上信息交互與控制方式相對單一，精準(zhǔn)及時的信息服務(wù)功能較弱，數(shù)據(jù)智能匯聚、分析及應(yīng)用能力亟待提高，智能決策控制能力尚未建立；在運(yùn)維管理方面，硬件系統(tǒng)資源利用率不高、部分設(shè)備設(shè)施存在閑置，數(shù)據(jù)中心設(shè)備過于陳舊、兼容性和擴(kuò)展性不強(qiáng)[11-13]。

與現(xiàn)有普通高速公路相比，智慧高速公路主要升級改造的就是其機(jī)電系統(tǒng)。目前高速公路機(jī)電系統(tǒng)面臨的上述挑戰(zhàn)，就是智慧高速公路需要重點(diǎn)解決的問題。從智慧高速公路的技術(shù)能力來看，其核心內(nèi)容是高速公路的智慧化系統(tǒng)。因此，本研究認(rèn)為，智慧高速公路的技術(shù)內(nèi)涵，集中體現(xiàn)為如何建設(shè)“三網(wǎng)合一”智能基礎(chǔ)設(shè)施和云邊端協(xié)同的云控平臺[14-15]。具體為：

(1)“三網(wǎng)合一”智能基礎(chǔ)設(shè)施。即高速公路網(wǎng)、感知通信控制網(wǎng)、綠色能源網(wǎng)3個網(wǎng)絡(luò)化基礎(chǔ)設(shè)施疊加融合所形成的高速公路基礎(chǔ)設(shè)施，其組成如圖1所示。

圖1 智慧高速公路“三網(wǎng)合一”智能基礎(chǔ)設(shè)施組成示意圖Fig.1 Schematic diagram of composition of “three networks in one” intelligent infrastructure of smart expressway

高速公路網(wǎng)是指承載汽車行駛、完成客貨運(yùn)輸功能的高速公路土木結(jié)構(gòu)物網(wǎng)絡(luò)(包括路基、路面、橋隧等)，即目前普通高速公路網(wǎng)絡(luò)。

感知通信控制網(wǎng)是指在高速公路沿線布設(shè)的通信設(shè)施、感知設(shè)備和監(jiān)控設(shè)備所組成的，完成人、車、路協(xié)同控制功能的設(shè)施設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。

綠色能源網(wǎng)是指充分利用高速公路沿線空間資源，布設(shè)太陽能、風(fēng)能等發(fā)電設(shè)施，以及優(yōu)化配置供配電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對傳感通信控制網(wǎng)綠色、可靠供電功能的能源供給設(shè)施設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。

(2)云邊端協(xié)同的云控平臺。是指由端設(shè)備、邊子系統(tǒng)、云子系統(tǒng)組成，具有自下而上逐級數(shù)據(jù)處理與管控指令傳遞邏輯架構(gòu)的高速公路云控制系統(tǒng)，其總體架構(gòu)如圖2所示。所謂端設(shè)備是指高速公路上有穩(wěn)定可靠網(wǎng)絡(luò)連接、能實(shí)時在線的終端設(shè)備，主要包括路側(cè)終端設(shè)備和車輛側(cè)智能終端設(shè)備。所謂邊子系統(tǒng)是指高速公路沿線部署的具有邊緣計算能力的設(shè)施，主要包括兩類：路側(cè)邊緣計算控制站(Edge Computing & Control Station, ECCS)和路段云控中心(Cloud Control Center-Road Section, CCC-RS)，ECCS部署在高速公路沿線路側(cè)，路段云控中心可簡稱為路段云，根據(jù)實(shí)際功能需求一般部署在路段管理處機(jī)房。所謂云子系統(tǒng)，是指云計算技術(shù)架構(gòu)的高速公路運(yùn)行控制中心，即云控中心。按照所管理的高速公路路網(wǎng)數(shù)量多少、所屬行政區(qū)劃不同或運(yùn)營管理層級差別，云控中心可分為3級，分別為路段云控中心(CCC-RS)、區(qū)域云控中心(Cloud Control Center-Roads Regional，CCC-RR)、路網(wǎng)云控中心(Cloud Control Center-Road Network，CCC-RN)，簡稱為路段云、區(qū)域云和路網(wǎng)云。

3 智慧高速公路技術(shù)體系構(gòu)建方法

智慧高速公路技術(shù)體系構(gòu)建需要兼顧穩(wěn)定性及開放性，以適應(yīng)不斷演進(jìn)的技術(shù)形態(tài)及不變升級的服務(wù)要求。從結(jié)構(gòu)視角看，智慧高速公路是由智能交通系統(tǒng)(ITS)傳統(tǒng)的采集、傳輸、處理、應(yīng)用等自下而上的各種系統(tǒng)組成，各個系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)系、相互作用，以達(dá)到最優(yōu)的協(xié)同運(yùn)行效果。因此，智慧高速公路技術(shù)體系構(gòu)建方法可借鑒國內(nèi)外ITS體系框架構(gòu)建方法[16]。

3.1 體系構(gòu)建方法比較

構(gòu)建體系框架主要有兩種方法：面向過程的結(jié)構(gòu)化分析方法和面向?qū)ο蠓治鰳?gòu)建方法[17]。面向過程的結(jié)構(gòu)化分析方法是20世紀(jì)70年代由美國的Yourdon提出[18]，主要利用抽象模型的概念，按照系統(tǒng)內(nèi)部信息的傳輸關(guān)系、變換的關(guān)系，以數(shù)據(jù)為中心，按照自頂向下逐步求精的原則進(jìn)行系統(tǒng)功能的分解與設(shè)計，最終找到并設(shè)計出滿足用戶需求的可實(shí)現(xiàn)的物理模型。面向?qū)ο蠓治龇椒ㄊ窃诿嫦驅(qū)ο蟪绦蛟O(shè)計語言的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，最早出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代，主要是從系統(tǒng)的組成上來進(jìn)行建模，將系統(tǒng)的各個功能抽象成具體事例、屬性和行為對象，通過這些對象之間的協(xié)調(diào)工作實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能[19]。

圖2 智慧高速公路云邊端協(xié)同的云控平臺總體架構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of overall architecture of cloud control platform of smart expressway for cloud-edge-terminal collaboration

面向過程的結(jié)構(gòu)化分析方法和面向?qū)ο蠓治龇椒ū举|(zhì)上并無優(yōu)劣之分。由于結(jié)構(gòu)化分析方法采用面向過程的分析思路，符合人們的思維習(xí)慣，易于理解和接受，本研究選用面向過程的結(jié)構(gòu)化分析方法開展智慧高速公路技術(shù)體系的構(gòu)建。

3.2 智慧高速公路技術(shù)體系構(gòu)建過程

采用結(jié)構(gòu)分析方法，從分析高速公路用戶需求入手，明確高速公路服務(wù)功能，建立智慧高速公路邏輯框架和物理框架，并最終提出智慧高速公路技術(shù)集。

第1步：確定用戶服務(wù)。從用戶需求的角度，對智慧高速公路應(yīng)能提供的服務(wù)內(nèi)容進(jìn)行描述，得到智慧高速公路應(yīng)提供的服務(wù)功能，牽引智慧高速公路邏輯框架和物理框架構(gòu)建。

第2步：建立智慧高速公路邏輯框架。以實(shí)現(xiàn)用戶服務(wù)為目標(biāo)，提出智慧高速公路邏輯框架。將智慧高速公路視為一個系統(tǒng)，通過設(shè)計邏輯數(shù)據(jù)流圖，分層描繪各功能域間、功能間，及各元素與終端間的數(shù)據(jù)流聯(lián)系，構(gòu)建其邏輯框架。再通過對智慧高速公路邏輯框架圖的分析，抽取邏輯框架圖中各個連接關(guān)系中共性的元素，進(jìn)行數(shù)據(jù)流聯(lián)系及數(shù)據(jù)內(nèi)容的定義。

第3步：建立智慧高速公路物理框架。以邏輯框架為基礎(chǔ)，提出智慧高速公路物理框架。考慮邏輯框架中各邏輯元素數(shù)據(jù)流關(guān)系，從如何具體實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能的角度對各邏輯元素進(jìn)行組合形成物理元素，得到物理元素框架流，從而構(gòu)建其物理框架。

第4步：提出智慧高速公路技術(shù)集。通過對智慧高速公路邏輯架構(gòu)和物理架構(gòu)的分析，凝練出實(shí)現(xiàn)用戶服務(wù)所必需的、且有技術(shù)指標(biāo)約束的智慧高速公路技術(shù)集。

4 智慧高速公路技術(shù)體系

智慧高速公路技術(shù)體系是智慧高速公路建設(shè)、養(yǎng)護(hù)和運(yùn)營中所需的各種主要技術(shù)，以及它們相互作用和聯(lián)系來實(shí)現(xiàn)用戶服務(wù)的一個技術(shù)整體。

(1)用戶服務(wù)

智慧高速公路能夠提供的創(chuàng)新服務(wù)主要包括：高精準(zhǔn)信息服務(wù)、自由流收費(fèi)服務(wù)、自動駕駛貨車編隊(duì)服務(wù)、車路協(xié)同安全預(yù)警服務(wù)、準(zhǔn)全天候通行服務(wù)、電動車?yán)m(xù)航服務(wù)、應(yīng)急處置服務(wù)、車道精準(zhǔn)管控服務(wù)，以及智慧隧道和智慧服務(wù)區(qū)，詳見表1。智慧高速公路的用戶可按照使用者和管理者分類。使用者是指使用高速公路通行的用戶，按照車輛駕駛者的不同，使用者可分為人工駕駛車輛用戶和自動駕駛車輛用戶(智能網(wǎng)聯(lián)車輛用戶)；按照車輛使用燃料的不同，使用者可分為傳統(tǒng)能源車用戶和新能源車用戶。按照管理監(jiān)督職責(zé)，管理者可分為政府監(jiān)管部門、高速公路運(yùn)營企業(yè)、社會媒體和運(yùn)輸企業(yè)等。

表1 智慧高速公路用戶服務(wù)內(nèi)容列表Tab.1 List of smart expressway user service contents

(2)智慧高速公路邏輯框架

根據(jù)用戶服務(wù)內(nèi)容和具體服務(wù)功能需求，建立的智慧高速公路邏輯框架圖如圖3所示，用于描述用戶服務(wù)內(nèi)容與技術(shù)支撐能力兩兩之間的對應(yīng)和連接關(guān)系。

通過對智慧高速公路邏輯框架的分析，抽取其各個連接關(guān)系中共性的元素，進(jìn)行數(shù)據(jù)流聯(lián)系及數(shù)據(jù)內(nèi)容的定義，形成以智慧高速公路云控中心、邊緣控制中心、智能路側(cè)終端、智能車載終端等4個部分為典型組成要素的數(shù)據(jù)流關(guān)系和數(shù)據(jù)內(nèi)容定義，如圖4所示。

(3)智慧高速公路物理框架

智慧高速公路物理框架是上述智慧高速公路邏輯要素的實(shí)體表達(dá)。以邏輯元素為基礎(chǔ)，考慮各邏輯元素數(shù)據(jù)流關(guān)系，從如何具體實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)邏輯功能的角度對各邏輯元素進(jìn)行組合形成物理元素，得到物理元素框架流。智慧高速公路將在路側(cè)建設(shè)集感知、通信、邊緣計算及決策于一體的智能路側(cè)系統(tǒng)，在中心側(cè)部署與智能路側(cè)系統(tǒng)對接的云端管理與計算平臺，并針對車路協(xié)同、自動駕駛、自由流收費(fèi)、準(zhǔn)全天候通行、車道精準(zhǔn)管控等智慧高速公路的創(chuàng)新服務(wù)設(shè)計具體的物理框架，如圖5所示。

(4)智慧高速公路技術(shù)集

根據(jù)智慧高速公路邏輯框架中云控中心、邊緣控制中心、智能路側(cè)終端、智能車載終端四要素及相互之間的數(shù)據(jù)流關(guān)系，凝練出數(shù)據(jù)傳輸與發(fā)布、信息交互兩個技術(shù)子集。通過對智慧高速公路物理框架的分析，凝練出路側(cè)技術(shù)子集和中心側(cè)技術(shù)子集，并形成面向創(chuàng)新應(yīng)用的集成技術(shù)子集。再進(jìn)一步對每個技術(shù)項(xiàng)進(jìn)行能力需求分析，形成有技術(shù)指標(biāo)約束的智慧高速公路技術(shù)集，詳見表2。

5 應(yīng)用案例

杭紹甬高速公路經(jīng)杭州、紹興、寧波三地，是橫貫杭州灣南岸的主要通道，全線長約175 km，雙向6車道，是《長三角都市圈高速公路網(wǎng)規(guī)劃方案》中杭州灣地區(qū)“十橫七縱”路網(wǎng)布局中的組成部分。2017年底，浙江省政府提出要將杭紹甬高速公路建設(shè)成一條全線智慧高速公路，并隨后開展了系統(tǒng)性的智慧高速公路建設(shè)方案研究、工程可行性研究和工程設(shè)計,是我國智慧高速公路工程實(shí)踐走向系統(tǒng)化技術(shù)集成示范的標(biāo)桿性工程。2019年12月，中共中央、國務(wù)院印發(fā)的《長江三角洲區(qū)域一體化發(fā)展規(guī)劃綱要》明確提出“率先推進(jìn)杭紹甬智慧高速公路建設(shè)”。杭紹甬智慧高速公路采用了本研究提出的智慧高速公路技術(shù)體系，主要內(nèi)容包括：

圖3 智慧高速公路邏輯框架簡要示意圖Fig.3 Schematic diagram of logical framework of smart expressway

圖4 智慧高速公路頂層邏輯數(shù)據(jù)流圖Fig.4 Diagram of top layer logical data flow of smart expressway

圖5 智慧高速公路總體物理框架Fig.5 Overall physical framework of smart expressway

(1)構(gòu)建了“三網(wǎng)合一”智能基礎(chǔ)設(shè)施與“云邊端”協(xié)同云控平臺組成的智慧高速公路體系。通過全線部署全要素感知設(shè)施和車路協(xié)同設(shè)施、全覆蓋的無線通信網(wǎng)絡(luò)、高精定位系統(tǒng)，定制高精地圖系統(tǒng)等，提升智慧高速感知控制能力。為滿足感知通信控制網(wǎng)的部署及設(shè)備能源供給要求，杭紹甬智慧高速公路主體工程建設(shè)時，同步建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施預(yù)留條件：沿高速公路全線路段每隔2～4 km(與自由流收費(fèi)門架復(fù)用)布設(shè)1增強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)，每隔0.2 km布設(shè)1普通型節(jié)點(diǎn)，增強(qiáng)性節(jié)點(diǎn)較普通型節(jié)點(diǎn)的區(qū)別在于增加了邊緣計算與控制能力。沿途以0.2 km為間隔對光纜及電纜接入點(diǎn)進(jìn)行全線預(yù)留。如圖6所示。

感知通信控制網(wǎng)部分，為用戶提供 ETC-DSRC、LTE-V、4G/5G 等可按需選擇的融合通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，具備集成路側(cè)交通信息采集、發(fā)布等系統(tǒng)的能力，根據(jù)管理需要全線具備北斗地面增強(qiáng)等位置信息服務(wù)功能，結(jié)合車路交互中響應(yīng)速度快、時延小的要求，具備本地邊緣計算能力，即能實(shí)現(xiàn)本地小區(qū)域范圍動態(tài)感知和反饋信息的計算、處理與指令自動化執(zhí)行功能。綠色能源網(wǎng)方面，充分利用路域新能源資源，在服務(wù)區(qū)設(shè)置動態(tài)及靜態(tài)充電設(shè)施，創(chuàng)新高速公路電動車能源供給服務(wù)。

表2 智慧高速公路技術(shù)集列表Tab.2 List of technology set of smart expressway

續(xù)表2

圖6 杭紹甬智慧高速基礎(chǔ)條件預(yù)留示意圖Fig.6 Schematic diagram of basic conditions reserved for Hangzhou-Shaoxing-Ningbo smart expressway

采用“云邊端”協(xié)同控制的邏輯架構(gòu)，建設(shè)云控平臺，實(shí)現(xiàn)感知信息處理、智能決策分析和分級協(xié)同管控等功能，支撐智慧高速公路各項(xiàng)創(chuàng)新服務(wù)的實(shí)際落地。

(2)提出了智慧高速公路可實(shí)現(xiàn)的創(chuàng)新服務(wù)。基于上述“三網(wǎng)合一”智能基礎(chǔ)設(shè)施和“云邊端”協(xié)同的云控平臺，杭紹甬智慧高速公路可實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新服務(wù)主要包括：① 車路協(xié)同安全預(yù)警服務(wù)，在合流區(qū)、分流區(qū)、彎道、上下坡道等區(qū)域，通過部署的視頻、雷達(dá)、車路協(xié)同等路側(cè)感知設(shè)備，實(shí)施感知交通運(yùn)行狀態(tài)、交通氣象等信息，并在本地邊緣計算節(jié)點(diǎn)完成安全預(yù)警和控制決策服務(wù)。② 車道級交通控制服務(wù)，杭紹甬高速公路全線，基于高精度定位、高精地圖、全覆蓋的傳感及通信，實(shí)現(xiàn)車道車速管控、危險狀態(tài)下的車道級車輛運(yùn)行管控，以及自動駕駛專用車道管控服務(wù)等。③ 自由流收費(fèi)服務(wù)，根據(jù)《取消高速公路省界收費(fèi)站總體技術(shù)方案》要求，建設(shè)收費(fèi)子系統(tǒng)、ETC門架系統(tǒng)、收費(fèi)車道等系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)主線自由流收費(fèi)。④ 貨車編隊(duì)行駛服務(wù)，在杭紹甬高速公路上修建專用于自動駕駛汽車的智能車道，建立自動駕駛車路協(xié)同傳感通信控制系統(tǒng)，加密視頻監(jiān)控點(diǎn)，在自動駕駛專用道沿路段縱向間距0.03～0.05 km布設(shè)照明設(shè)施，結(jié)合貨車編隊(duì)控制策略，實(shí)現(xiàn)卡車編隊(duì)運(yùn)行服務(wù)。⑤ 準(zhǔn)全天候通行服務(wù)，基于沿途全線覆蓋的傳感通信控制網(wǎng)，在易出現(xiàn)團(tuán)霧和路面結(jié)冰路段增加布設(shè)路面狀態(tài)檢測器、氣象傳感器等感知設(shè)備；高速公路沿線中央分隔帶及路側(cè)設(shè)置智能誘導(dǎo)裝置，根據(jù)現(xiàn)場能見度和雨雪等氣象條件，調(diào)控智能誘導(dǎo)燈狀態(tài)，以誘導(dǎo)車輛安全行駛。⑥交通應(yīng)急指揮調(diào)度與處置服務(wù)，發(fā)生突發(fā)事件時，管理者通過先進(jìn)的感知系統(tǒng)及時發(fā)現(xiàn)事故，通過視頻監(jiān)控、公眾等移動視頻等方式及時數(shù)字孿生事故現(xiàn)場，基于現(xiàn)場情況和路網(wǎng)運(yùn)行演變態(tài)勢，實(shí)時判定事故等級并進(jìn)行事件處理，并基于知識決策進(jìn)入精細(xì)化服務(wù)推送場景提供相關(guān)交通誘導(dǎo)服務(wù)。

6 結(jié)論

本研究提出的智慧高速公路技術(shù)體系不僅應(yīng)用在杭紹甬智慧高速公路，也已應(yīng)用在幾條服務(wù)于國家重大戰(zhàn)略和國際重要活動高速公路，如京雄高速公路、延崇高速公路等。與高速公路傳統(tǒng)的機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)體系相比，該技術(shù)體系能更好地支撐互聯(lián)傳感、LTE-V/5G多模無線通信、高精定位和高精地圖、車路協(xié)同自動駕駛以及綠色能源等新技術(shù)應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)高速公路交通要素的泛在感知、實(shí)時交互、精準(zhǔn)控制；“云邊端”協(xié)同云控平臺促進(jìn)了信息跨系統(tǒng)、跨路段、跨區(qū)域的使用。

根據(jù)交通強(qiáng)國建設(shè)要求，智慧高速公路建設(shè)正在步入快速發(fā)展階段，本研究提出的智慧高速公路技術(shù)體系，也將隨著四川、山東等地智慧高速公路建設(shè)中的應(yīng)用和借鑒而進(jìn)一步完善。