未來智慧公路體系構想

王 淼，于加晴，王 宇

中交公路規劃設計院有限公司，北京 100010

1 智慧公路發展背景

從中國第一條公路的建成通車（1921年長潭公路），到中國高速公路通車里程穩居世界第一，每一次變遷都是一次歷史性的突破，每一次突破都是技術的革新。隨著智能感知、物聯網、高性能計算等新一代信息技術與交通運輸行業融合腳步的加快，新一輪科技革命和產業革命正在積聚力量。新一代信息技術的發展，正改變著人們的出行方式，也使道路發展的新常態由密集、高強度路網建設階段向科學化、信息化方向轉變。新基建時代下，公路因人車分離、交通運行環境相對簡單，具有新技術落地最廣泛的應用場景，智慧公路將為未來交通賦能。

2 智慧公路發展現狀及趨勢

從國家政策層面分析，2018年交通運輸部發布《關于加快推進新一代國家交通控制網和智慧公路試點的通知》，不僅明確了九個試點省份，還提出了基礎設施數字化、北斗高精度定位、車路短程通信技術、輔助駕駛、大數據分析與預警、“互聯網+”等關鍵技術在智慧公路系統中的探索與應用，為智慧公路的建設提供了政策及技術支撐。2019年交通運輸部發布《數字交通發展規劃綱要》，前瞻性地提出了數字化的采集體系、網絡化的傳輸體系和智能化的應用體系，為未來智慧公路體系的建設提供了架構支撐。

從技術層面分析，2020年《智慧高速公路建設指南（暫行）》指出了信息采集、傳輸、控制以及智慧設施的布設要求，為智慧公路建設提供了規范性指導文件。

從公路試點層面分析，延崇高速、杭紹甬高速、京雄高速等以政策為導向，分別從基礎設施數字化、自動駕駛專用車道及廣域感知、貨車編隊行駛與分等級車路協同等不同智慧應用角度，將智慧化技術手段與出行者的服務需求緊密結合，成為具備行業影響力的先行示范工程。

智慧公路系統的主流技術目前集中在智能感知、車路信息交互及多源異構交通大數據分析技術等，發展中存在如下問題：

（1）交通基礎設施感知精度和數據傳輸速度受限。

（2）載運工具與基礎設施間海量數據的可靠交互仍存在技術難點。

（3）各種數據相互孤立，尚未從動態變化的海量道路基礎設施數據與交通狀態信息中獲取準確的決策分析依據。

智慧公路系統的主要發展趨勢：第一，泛在感知與互聯的數字化基礎設施；第二，I2X融合通信；第三，基于移動互聯及大數據分析的綜合智能與出行定制化服務；第四，基于全域最優化的國家交通控制。

3 未來智慧公路體系

3.1 應用場景

以提升交通系統的效率、安全和服務水平為導向，面向未來路和車的智能化發展趨勢，充分吸納正在研究中的國家交通控制網、國家綜合立體交通網規劃綱要等階段性成果，分析梳理涵蓋人、車、路、環境、能源等交通要素的應用需求，從創新道路基礎設施、效率提升、安全運營和綜合管理四個方面，進行未來智慧公路系統的應用場景研究。

3.2 架構體系

瞄準未來交通“零擁堵、零管制、零死亡、零排放”的愿景，充分將北斗、物聯網、人工智能、邊緣計算、5G等新一代信息技術與未來智慧公路的安全管理、效率提升和信息服務等應用場景進行深度融合，按照信息流向和能源流向兩個維度，構建開放性、兼容性、模塊化、一體化的未來智慧公路系統架構體系。

3.3 內容組成

以交通大數據挖掘與綜合利用為核心，突破傳統的交通感知、傳輸、處理與應用的理念束縛，重點研究公路智能管控中樞系統、基礎設施和交通安全設施的數字化、人車路環境能源的物聯化、感知與傳輸的融合化、出行需求與交通控制的定制化等關鍵技術，提出面向數字化、物聯化、融合化和定制化的未來智慧公路系統內容組成。未來智慧公路體系框架如圖1所示。

圖1 未來智慧公路體系框架

4 未來智慧公路場景構想

4.1 創新道路基礎設施

目前智能道路主要是路側主導，未來道路基礎設施將具有主動感知、自主適應、動態交互的能力，從道路基礎設施自身的結構、材料、交互能力創新的角度構想，場景如下。

（1）道路自感知：能夠通過先進的自感知混凝土材料層或內置于道路中的各種傳感器進行交通參數及道路結構狀態和安全的自感知。

（2）道路自供能：通過道路預留能源轉化接口，將太陽能、風能、車路振動產生的機械能轉化為電能，實現道路基礎設施和交通工具的能源供給和自融雪等場景。

（3）道路自排水：通過采用吸水混凝土和特定道路結構，實現路面積水的快速滲透和夏日路面降溫。

4.2 效率提升

可以預見，未來交通參與者（包括駕駛員、乘客、行人等）、交通管理者、交通工具、道路管理設施之間的交互和協同將更加緊密，以提升出行效率為目標，從云端與路端協同控制角度構想，場景如下。

（1）云端和路端智能調度：根據路網流量和交通狀態云端生成全局最優出行路徑，路端獲取局部交通狀態后生成瓶頸處的限速、限流控制策略，通過路況預測、擁堵提示、匝道口關閉等信息預報，緩解擁堵，實現暢通出行環境。

（2）動態可變車道：通過精確獲取路面交通流和特殊車輛或緊急場景的通行需求，將專用車道的管理由時間和空間的靜態轉變為柔性可動態調整，如潮汐車道、可移動式護欄等。

（3）無感收費：車輛進入收費虛擬標志區域，通過路端定位及云端身份認證，完成車輛身份識別，行駛路徑實時發送至云平臺，全程自動無感繳費，提高車輛通行效率。

（4）自動事故認定：路端對多體交通駕駛行為進行識別和跟蹤，全面檢測交通違法責任判定關聯數據因素，云端實現分析、判斷及交通違法的自動責任認定。

4.3 安全運營

以提升出行安全性為構想出發點，場景如下。

（1）全天候通行：通過強化道路邊界誘導和碰撞風險提示，實現低能見度環境下的安全通行。

（2）伴隨式信息提示：事故多發路段、施工路段伴隨式語音提醒減速慢行、小心駕駛等。

（3）文明駕駛監管：路端進行駕駛行為記錄，通過云端統計與分析對違規變道超車、超速等不文明駕駛行為進行網聯信用記錄，并可與車輛保費動態關聯。

4.4 綜合管理

綜合考慮交通管理、道路運營、基礎設施管養等需求，通過構建綜合智能網聯、分析、預測及管控服務為一體的智慧應用系統，將形成業務融合的管理場景。

（1）預約出行：借助人工智能手段，搭建以預約為核心的交通信息實時感知系統，通過超級計算機系統和強大的交通云實現出行需求響應及動態最優化調配，實現錯峰、有序出行。

（2）路網監測管控：通過支持車車、車路通信等全面服務功能的云路網中心，實現全局路網監測管控及局地應急事件自動響應與救援。

（3）基礎設施管養：通過BIM與AR技術，將虛擬設施與物理設施融為一體，記錄并展示基礎設施全壽命周期的結構及運營數據態勢，實現安全預警及可視化管養。

5 應用技術展望

結合政策及技術現狀，綜合考慮未來智慧公路的通行與管理需求，展望未來智慧公路系統可突破的關鍵技術如下：支撐道路自感知、自供能及自排水的道路智能材料及建造技術；移動充電技術；支撐路端交通狀態識別與跟蹤的路側AI感知技術；支撐全局交通優化的邊云協同技術；基于衛星定位的無感收費技術；多源異構交通數據分析與處理技術。

6 結束語

綜上所述，文章主要從未來智慧公路的通行與管理需求與應用角度出發，提出了未來智慧公路的場景構想，后續將從未來智慧公路各類應用場景的系統組成、技術實現方式等方面進行深入研究，進而為智慧交通發展提供有力支撐。