智慧道路建運關鍵技術研究

陸慧澄 薛 驍 黃慰忠

上海市城市建設設計研究總院（集團）有限公司

0 引言

在新興技術不斷沖擊及新型城鎮化概念逐漸普及的當下，城市交通發展趨勢和人們對未來交通發展的愿景都發生了顯著變化。

然而，相較于綜合交通運輸領域的跨越式發展，城市交通已經成為城市發展中的薄弱環節，道路堵、污染高、地鐵擠、公共汽車慢、停車亂等問題嚴重制約城市運行效率，影響人居環境和生活質量的提升［1］。2019年，中共中央、國務院印發的《交通強國建設綱要》明確指出，建設交通強國是中國立足國情、著眼全局、面向未來作出的重大戰略決策，是全面建成社會主義現代化強國的重要支撐，是新時代做好交通工作的抓手，要推動交通發展由追求速度規模向更加注重質量效益轉變［2］。

數字決定命運，智慧引領未來。《中共中央關于制定國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和二〇三五年遠景目標的建議》明確指出:“分級分類推進新型智慧城市建設。”城市是推進經濟轉型的重要空間和行動單元，而城市道路則是城市的脈絡，是城市風貌與底蘊的直觀表現，城市道路的智慧建運是推動城市數字經濟發展的根本。

為加快推動國家智慧交通先導示范區、國家雙智試點建設，白銀路作為上海嘉定新城“一環三路”智慧交通項目的重要“一路”，東起滬宜公路，西至永盛路，全長1.5 km，以獨一份的智慧道路體系，率先實現智能網聯測試道路全域開放和商業化應用，為交通強國建設提供先行示范模板。

1 關鍵技術與實施方案

本項目針對智慧道路建設與運營，提出了智能全域感知道路建設、網聯車輛與智慧道路協同運營中心建設及智慧管養平臺建設三大智慧工程。打造出智慧管養、高峰通勤、健康診斷、公交優先、特車先行和低碳引導六大智慧交通使用場景，實現道路的智慧化通行。

通過車路協同設備解決了車輛定位、決策控制及行徑規劃的交通難題，將車輛性能與道路交通狀況進行融合分析，提高了交通管理效能和交通控制決策的時效性，并且充分利用5G（高帶寬、低時延、高可靠性、海量互聯）、北斗（高精度定位、精細化導航、精準度授時）和V2X（人、車、路、網融合）等領域的優勢［3］實現了網聯車輛的高精度自動駕駛。

通過智慧交通運管中心以及數字駕駛艙系統，實現包括智慧路口、車路協同、邊云管理、健康診斷等多個應用場景的智慧化管理，并引入先進算法，對道路及各類設施建立數字孿生模型，全方位實時監測并預測其運行狀態，從而達到道路全生命周期管養的目的，解決了傳統管養模式執行標準不一、養護效率低下、各權屬設施溝通滯后等問題［4］，有效實現流程的規范化和分工的明確化，也為后期的綜合養護介入提供服務，實現了全生命周期的城市道路設施一體化智慧管養模式。

1.1 基于智慧道路建設的交通網聯體系

智能網聯構建道路沿線“車路人云”高度協同的互聯環境，建設自動駕駛支撐環境，推動道路基礎設施、載運工具、運輸管理和服務、交通管控系統等互聯互通，提供安全、便捷、舒適的出行服務。

智慧道路的交通網聯體系在感知層面，通過道路基礎設施的更新，以及在路側布設智能設備，實現了道路各類交通數據的全息感知；在信息交互方面，通過先進通信技術如V2X 通信技術和網絡協議，實現傳感網、車聯網和各種無線網絡之間的互聯互通，保證數據的有效傳輸；在規劃決策方面，通過運管中心、邊緣計算的協同管理，實現“車路人云”數據的存儲、挖掘和輔助交通決策。

其本質是數據采集端、邊緣計算終端以及各類道路使用者移動端之間的數據傳遞，智慧道路數據傳遞路線如圖1所示。

圖1 智慧道路數據傳遞路線

要實現上述的數據傳遞，必須完成數據上傳、數據分析以及數據下放的流程。首先，通過在路側部署毫米波雷達、激光雷達以全方位采集道路交通三維信息，配合高清攝像機的全域實時監控、抓拍數據，在數字層實現車輛時空數據、違法抓拍數據、按車道流量數據、信號燈狀態數據、交通事件信息等交通實況數據的三維映射。其次，將數據量化并匯總至路側的智能終端進行邊緣分析計算，包括高精度動靜態三維道路模型的實時更新、區域車輛測試指數評價、交通態勢與交通規律的實時分析等，形成對車流量、車速、車輛運行軌跡等道路交通“生命體征”的多維度實時感知，可輔助交通組織決策以及空間優化建議。最后，通過多種通訊手段，向自動駕駛車輛、行人移動端APP、綜合設備控制箱等設備推送交通態勢評估信息、交通信號燈控制決策等，真正實現車、路、人、云互通互聯的智慧網聯交通體系（見圖2）。多方數據通過網聯體系進行實時交互，實現了道路交通的靈活把控。

圖2 智慧網聯交通體系

1.2 智慧道路的全生命周期預測技術

智慧道路“生命體征”感知一定程度上實現了數據驅動的道路交通態勢和規律的分析，以此為基礎，引入數字孿生技術，實現了全方位的道路數字化建模，將道路以及相關功能設施的健康診斷、道路全生命周期把控納入了道路管養的范疇。初步建設了數字孿生道路，為智慧道路的深入發展奠定了實踐基礎。

道路與相關功能設施的智慧管養可通過道路運營管理中心的核心平臺實現，該平臺結合GIS 與BIM 技術對交通道路、市政管網和設施設備進行高精度的動態三維建模，可一屏顯示道路交通信息、道路健康指數、功能設施運行狀況等數據，極大地提升了管理效能（如圖3 所示）。此外，運營管理中心平臺搭載了數字駕駛艙管理系統，將包括交通信號燈、智能斑馬線、路燈、智慧車列、綠化、道路、公交站臺等在內的道路交通設施設備數據，進行加工和統計處理，以圖表可視化的方式全面直觀地展示整個交通道路運營管理的情況。

圖3 (b) BIM三維可視化應用

圖3 (a) GIS三維可視化應用

三維建模系統以及數字駕駛艙系統極大程度地降低了道路數據的分析難度，提升了道路管控效率。在此基礎上，平臺在底層引入數字孿生技術，深入挖掘道路數據的延伸價值，同步建立路口、地下管網、路橋、土壤及綠化的數字孿生模型，實現道路以及相關設施的健康診斷和壽命預測。例如，通過道路橋梁的振動響應，預測其可能發生的沉降、開裂；通過綜合桿的三軸加速度，預測其可能發生的斷裂、彎折；通過土壤的溫濕度、酸堿度，預測地下管線可能發生的銹蝕和漏損等等，并將其轉化為三維模型及數據圖表的形式進行可視化處理，從而幫助工作人員明確掌握道路發展態勢、全方位協同管理道路健康狀況，規范化后期綜合養護，預防嚴重災害，減小維護成本。

2 實施效果

打造智慧交通新高地是嘉定新城建設上海新城樣板的一項重要任務。白銀路作為“一環三路”智慧交通建設項目的重要“一路”，對標國際一流城市的成功案例，充分體現了智慧道路在治理模式、產業模式、服務模式和發展理念上的突破。實施效果如下：

1）結合合桿整治，打造高隱蔽性規范化的道路全域監控及數據采集系統（如圖4所示）。

圖4 多類數據采集設備綜合桿

通過基于智慧道路交通網聯體系的交通組織和空間優化，提升了白銀路的通行效率，降低了交叉口延誤以及交通事故率。

2）白銀路運營管理平臺已整合所有功能模塊，用一張圖、一個平臺進行全要素的實時監控和分析（如圖5 所示）。實現功能包含：地下管網精細化管理與故障風險評估、道路設施設備的遠程運維指揮與統籌、運維資源的統一調配與管控、移動端智能巡檢以及維修決策下放等功能，極大地提升了道路維護的效率。

圖5 白銀路智慧管養中心

3 結語

智慧道路將通過更多的數據匯聚，包括經驗匯聚、方法匯聚，來實現更好的感知、協同、洞察和創新。本文以上海市嘉定新城白銀路全要素整治工程為例，統籌考慮行人、非機動車、機動車、交叉路口管理、道路及相關功能設施維護等因素，從智慧交通建設與全生命周期管養兩個方面，詳述了智慧道路建運技術，為國家智慧交通體系建設做出先行探索。有關城市“數字化”與“綠色化”的協同發展以及基于道路數字孿生模型的交通狀況動態預測有待進一步研究。