基于5G技術(shù)的高速公路運(yùn)營管理優(yōu)化研究

王 秋

（江蘇寧滬高速公路股份有限公司，南京，210049）

1 研究背景

5G技術(shù)具有革命性的顛覆作用，將驅(qū)動全社會的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。針對交通行業(yè)發(fā)展，將先進(jìn)的傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動控制技術(shù)、信息發(fā)布技術(shù)等有機(jī)地融合運(yùn)用于整個交通運(yùn)輸管理體系是關(guān)鍵，可以實(shí)現(xiàn)智慧管理、智慧服務(wù)、運(yùn)營管理、應(yīng)急管理，為公眾提供智慧化出行服務(wù)。高瑋陽等[1]基于5G技術(shù)趨勢與高速公路現(xiàn)階段的發(fā)展現(xiàn)狀，初步闡明5G技術(shù)在高速公路行業(yè)的主要應(yīng)用場景。吳冬升等[2]通過構(gòu)建“感知、通信、計(jì)算”的技術(shù)能力，提出高速公路5G智能網(wǎng)聯(lián)方案，典型的5G智能網(wǎng)聯(lián)應(yīng)用包括高速公路物流應(yīng)用和高速公路治堵。田芳等[3]針對高速公路精細(xì)化巡檢管養(yǎng)作業(yè)需要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離長滯空超高清視頻實(shí)時傳輸?shù)男枨螅O(shè)計(jì)一套基于5G網(wǎng)絡(luò)的無人機(jī)高速公路自動化巡檢管養(yǎng)系統(tǒng)。董明明[4]借助5G通信技術(shù)搭建空中與地面通信網(wǎng)絡(luò)，保證無人機(jī)遇到隨機(jī)障礙物時可以保持最小安全間距。文章分析滬寧高速公路的養(yǎng)護(hù)與清排障現(xiàn)狀，提出包括基于5G車載設(shè)備的路面病害巡查、基于5G的作業(yè)過程信息實(shí)時回傳應(yīng)用研究兩類應(yīng)用場景，保證滬寧高速安全暢通運(yùn)行，提高高速公路的服務(wù)水平、運(yùn)營能力和管理效率。

2 滬寧高速公路5G網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀及業(yè)務(wù)通信需求分析

2.1 滬寧高速公路5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)現(xiàn)狀

滬寧全線建設(shè)500多個基站，滬寧高速5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋率達(dá)96%，成功切換率達(dá)99%，平均下載速度達(dá)400 Mbps。為了滿足車路協(xié)同通信需求，在滬寧高速蘇州段示范工程的20 km范圍內(nèi)加密布設(shè)5G基站。陽澄湖服務(wù)區(qū)已實(shí)現(xiàn)5G信號全覆蓋，服務(wù)區(qū)管理人員可以使用5G技術(shù)獲取人流熱力圖、智慧安防監(jiān)控等情況，駕乘人員可以通過5G體驗(yàn)5G+VR游覽等活動。

滬寧高速已經(jīng)具備5G信號的布設(shè)要求。結(jié)合我國5G技術(shù)的研究和發(fā)展現(xiàn)狀，我國享有5G技術(shù)的自主知識產(chǎn)權(quán)，大力扶持5G技術(shù)應(yīng)用。面向5G技術(shù)發(fā)展的大好趨勢，面向交通強(qiáng)國建設(shè)要求，應(yīng)加快5G建設(shè)新步伐，將5G與高速公路業(yè)務(wù)相統(tǒng)一，為出行者提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

2.2 高速公路運(yùn)營管理通信需求分析

（1）養(yǎng)護(hù)業(yè)務(wù)需求。

養(yǎng)護(hù)管理業(yè)務(wù)場景主要包括路面、路基、橋涵、綠化、沿線設(shè)施五個部分，主要依靠人工檢查和人工養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)巡查過程中，病害上報(bào)、養(yǎng)護(hù)作業(yè)過程中的遠(yuǎn)程溝通采用移動電話或無線對講機(jī)等通信方式。

巡檢人員兩人一組駕乘巡查車上路檢測，一般行駛于外側(cè)車道或應(yīng)急車道，發(fā)現(xiàn)病害時，下車觀測確認(rèn)。行駛至重要結(jié)構(gòu)物或病害多發(fā)路段時，需要下車觀測，必要時與調(diào)度中心聯(lián)絡(luò)，進(jìn)行占道施工養(yǎng)護(hù)。管理單位每年安排外協(xié)單位進(jìn)行一次視頻檢測，通過攝像頭拍攝道路視頻進(jìn)行圖像處理，獲取病害檢測報(bào)表，安排相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)工作。

養(yǎng)護(hù)過程中，巡查至作業(yè)的整個業(yè)務(wù)流程主要依靠人工，存在工作效率低、養(yǎng)護(hù)不及時等問題。視頻檢測能夠大幅度提升病害檢測效率。養(yǎng)護(hù)巡查過程中，需要對全線路面進(jìn)行拍攝，依靠圖像處理技術(shù)識別路面病害，需要樁號識別算法進(jìn)行位置匹配，對計(jì)算力具有較高的需求。結(jié)合4G技術(shù)應(yīng)用數(shù)據(jù)分析，在人力、算法均以最大效率工作的情況下，圖像識別處理將產(chǎn)生約20 min的時延。大范圍路段檢查范圍的情況下，需要0.5～1.0 d獲取病害報(bào)告。高速公路的車輛運(yùn)行速度快，路面病害、拋灑物等異常事件將對車輛通行安全造成影響。因此，應(yīng)采用5G手段處理圖像，縮短檢測時間，保障車輛通行安全。

（2）清排障業(yè)務(wù)需求。

①事故信息的接收。目前，調(diào)度中心主要依靠人工報(bào)警或監(jiān)控視頻巡視發(fā)現(xiàn)交通事故，調(diào)度中心利用駐點(diǎn)值班手機(jī)將事故信息告知清障人員，通過云調(diào)度系統(tǒng)手機(jī)APP（單兵設(shè)備或私人手機(jī)）告知清障人員，派送養(yǎng)護(hù)工單。

②清障現(xiàn)場作業(yè)過程全記錄。清障執(zhí)勤人員將清障車剛到達(dá)現(xiàn)場時的照片、作業(yè)過程中的照片、作業(yè)完成后撤離現(xiàn)場的照片、到達(dá)收費(fèi)站后的車輛照片上傳至手機(jī)APP，核實(shí)駕駛員身份、車輛、里程等信息，支付費(fèi)用。

③清障作業(yè)操作稽核。清障完成后，根據(jù)路側(cè)監(jiān)控視頻記錄下的操作過程進(jìn)行稽核。

分析整個清排障作業(yè)流程，保證業(yè)務(wù)的強(qiáng)機(jī)動性。在清排障作業(yè)過程中，對現(xiàn)場狀況拍攝視頻或圖片，記錄事故發(fā)生到處理的全過程，便于調(diào)度中心實(shí)時把控現(xiàn)場情況，采取相應(yīng)的管控措施，記錄清排障作業(yè)流程便于后期審核和優(yōu)化。

3 面向高速公路運(yùn)營管理優(yōu)化的5G應(yīng)用場景設(shè)計(jì)

3.1 基于5G車載設(shè)備的路面病害巡查應(yīng)用場景設(shè)計(jì)

（1）應(yīng)用場景介紹。

在高速公路巡查車上裝配車載高清高速相機(jī)，通過車載的高清高速相機(jī)采集路面情況，利用機(jī)器視覺及人工智能技術(shù)，對路面病害進(jìn)行智能識別，實(shí)現(xiàn)路面表觀病害的快速定位與定量檢測。高速公路巡查車通過5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)時傳輸高清視頻、圖像數(shù)據(jù)以及路面病害檢測結(jié)果至養(yǎng)護(hù)管理平臺。

①病害檢測。安裝的視頻攝像頭位于車頭，車輛按照正常速度行駛，拍攝沿線路面視頻。車輛視頻可以清晰檢測的范圍一般為3條車道，車輛行駛于中間車道，對中間車道和兩側(cè)車道路面進(jìn)行拍攝。系統(tǒng)實(shí)時上傳拍攝數(shù)據(jù)，通過遠(yuǎn)程PC端操作視頻角度。

②病害位置定位。攝像頭拍攝沿線道路路面視頻時，利用圖像識別技術(shù)對道路沿線的里程樁和百米樁進(jìn)記錄，利用圖像識別技術(shù)對道路識別樁號，利用差分法等計(jì)算方式，將病害與道路樁號進(jìn)行對應(yīng)。

③病害詳情。路面智能巡查數(shù)據(jù)包括路面平整度、破損、異常跳車、附屬設(shè)施完整性等信息，設(shè)備安裝于巡查車上，每天更新。數(shù)據(jù)需要進(jìn)行圖像識別運(yùn)算，最快可以在15～20 min形成檢測報(bào)告。考慮實(shí)際病害檢測任務(wù)的開展，一般可以在半個工作日后獲取報(bào)告。

④病害統(tǒng)計(jì)與跟蹤。根據(jù)業(yè)務(wù)需求對病害嚴(yán)重等級、類別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)梳理，對病害發(fā)育程進(jìn)行跟蹤。對常發(fā)性病害進(jìn)行重點(diǎn)跟蹤，輔助日常業(yè)務(wù)管理。

（2）5G應(yīng)用可行性分析。

5G網(wǎng)絡(luò)帶寬高、低延時、傳輸速率大，能夠支撐更高清晰度的視頻、圖片傳輸；高速公路病害分為不同類型、不同檢測標(biāo)準(zhǔn)，在檢測過程中生成海量數(shù)據(jù)，5G網(wǎng)絡(luò)能夠提高系統(tǒng)計(jì)算能力，降低系統(tǒng)處理海量病害數(shù)據(jù)的時間；能夠保證車輛高速行駛狀態(tài)下穩(wěn)定的通信交互，實(shí)現(xiàn)動態(tài)采集檢測數(shù)據(jù)。

不同無線通信技術(shù)指標(biāo)對比如表1所示。

表1 不同無線通信技術(shù)指標(biāo)對比

3.2 基于車載5G攝像機(jī)的清障實(shí)時視頻獲取

（1）應(yīng)用場景介紹。為了保障清障過程中監(jiān)測清障人員的工作規(guī)范與安全、惡劣天氣和夜間等視線不良條件下事故情況的觀測與作業(yè)監(jiān)管、近距離清晰觀測事故情況進(jìn)行遠(yuǎn)程指揮，提出基于車載5G攝像機(jī)的實(shí)時視頻獲取應(yīng)用場景。在清障車上安裝5G高清紅外攝像頭，憑借移動5G網(wǎng)絡(luò)“高速率、低時延”的優(yōu)勢，清障人員可以第一時間將事故現(xiàn)場高清圖像傳至后臺指揮中心，為事故現(xiàn)場救援、清障提供即時、準(zhǔn)確、高效的指揮和調(diào)度保障。無線車載終端支持實(shí)時視頻遠(yuǎn)程瀏覽，監(jiān)控中心遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)控高清車輛視頻。

基于車載5G攝像機(jī)的實(shí)時視頻獲取如圖1所示。

圖1 基于車載5G攝像機(jī)的實(shí)時視頻獲取

（2）5G應(yīng)用可行性分析。道路巡查車輛和清障車輛之間的網(wǎng)絡(luò)通信需要具備實(shí)時性和便捷性。高速公路上現(xiàn)有的光纖通信無法滿足這些特點(diǎn)，短程通信距離較短，不具備可行性。5G技術(shù)利用“宏基站+微基站”方式，傳輸穩(wěn)定性好、傳輸距離長，能夠較大限度地提高事故發(fā)現(xiàn)和處理效率，實(shí)施必要性強(qiáng)。不同通信方式對道路清障指揮調(diào)度要求如表2所示。

表2 不同通信方式對道路清障指揮調(diào)度要求

3.3 系統(tǒng)架構(gòu)

基于高速公路運(yùn)營管理優(yōu)化需求及5G技術(shù)特點(diǎn)，提出基于5G車載設(shè)備的路面病害巡查應(yīng)用場景設(shè)計(jì)、基于車載5G攝像機(jī)的清障實(shí)時視頻獲取應(yīng)用場景。

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

應(yīng)用層主要包括路面病害養(yǎng)護(hù)、清障實(shí)時視頻監(jiān)控兩部分功能。智能分析平臺主要處理視頻數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)主要進(jìn)入大數(shù)據(jù)算法平臺。對數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、處理、流式計(jì)算，調(diào)用模型。觸發(fā)模型時，由其他系統(tǒng)處理。視頻數(shù)據(jù)進(jìn)入視頻平臺，對視頻流進(jìn)行處理、分析，包括視頻流分析、視頻解碼和目標(biāo)分析，存儲相應(yīng)的分析結(jié)果。物聯(lián)網(wǎng)平臺主要分為設(shè)備接入網(wǎng)關(guān)、設(shè)備注冊中心、消息網(wǎng)關(guān)、規(guī)則引擎和管理配置中心。設(shè)備層支持2種類型設(shè)備，包括養(yǎng)護(hù)巡查車外置云臺攝像機(jī)、清障車外置車載攝像機(jī)。

4 結(jié)語

文章探討面向高速公路運(yùn)營管理優(yōu)化需求的5G應(yīng)用場景建設(shè)，提出基于5G車載設(shè)備的路面病害巡查、基于車載5G攝像機(jī)的清障實(shí)時視頻獲取兩種應(yīng)用場景。隨著5G技術(shù)的不斷發(fā)展，將面向高速公路的5G+應(yīng)用場景建設(shè)與大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、數(shù)字孿生等技術(shù)融合運(yùn)用，對高速公路的智慧化發(fā)展具有重要意義。