廣西沙吳智慧高速公路架構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用分析

李東毅 蘇愛斌 謝茜茜 汪子睿

摘要：文章以廣西南寧沙井至吳圩智慧高速公路建設(shè)為背景，在總體建設(shè)目標(biāo)和建設(shè)原則的指導(dǎo)下，提出了涵蓋感知層、計(jì)算層、通信層、數(shù)據(jù)層、控制層和發(fā)布層的智慧高速公路技術(shù)架構(gòu)，并闡述了智慧高速公路典型應(yīng)用場景，對我國智慧高速公路的設(shè)計(jì)和建設(shè)具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：智慧高速公路；建設(shè)目標(biāo)；技術(shù)架構(gòu)；應(yīng)用場景

中圖分類號：U412.36+6A501703

0引言

隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷加快，機(jī)動車數(shù)量急速增長，交通運(yùn)輸需求個性化精細(xì)化要求不斷提升，環(huán)境污染治理、高效運(yùn)輸服務(wù)、汽車產(chǎn)業(yè)升級和地區(qū)發(fā)展協(xié)同等問題日益突現(xiàn)，交通智慧化成為了交通發(fā)展重點(diǎn)突破的對象［1-3］。以車路協(xié)同、智能駕駛為代表的新一代智慧交通，正在重新塑造國際社會經(jīng)濟(jì)生活與全球產(chǎn)業(yè)格局，成為世界范圍內(nèi)各國爭先推進(jìn)的戰(zhàn)略方向［4］。

高速公路網(wǎng)是國家公路網(wǎng)的骨干網(wǎng)絡(luò)，是國家和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的全局性和戰(zhàn)略性基礎(chǔ)設(shè)施［5］。高速公路運(yùn)行環(huán)境相對簡單、主體權(quán)責(zé)清晰、路側(cè)機(jī)電設(shè)施齊全，具備開展智能感知、綜合調(diào)度及車路協(xié)同創(chuàng)新示范的良好條件。目前，全國有超過4 000 km的高速公路且即將開展智慧高速公路創(chuàng)新示范工作，建設(shè)內(nèi)容分布在車端、路端和云端，主要實(shí)現(xiàn)“感知、通信、計(jì)算”三大功能。智慧高速公路逐漸成為我國高速公路建設(shè)熱點(diǎn)，智能感知、綜合調(diào)度、超高速無線通信技術(shù)及車路協(xié)同是未來智慧高速公路建設(shè)的核心內(nèi)容［6-9］。

本文面向智能網(wǎng)聯(lián)汽車發(fā)展趨勢，結(jié)合我國智慧高速公路發(fā)展中“車路一體”的戰(zhàn)略選擇，立足廣西建設(shè)東盟國際大通道的定位，重點(diǎn)解決了廣西沙吳智慧高速公路建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)問題。

1智慧高速公路建設(shè)總體思路

1.1總體建設(shè)目標(biāo)

廣西南寧沙井至吳圩智慧高速公路（沙吳智慧高速）車路協(xié)同一期示范工程，主線路線長為27 km，采用六車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)速度為120 km/h。示范工程服務(wù)范圍覆蓋如圖1所示的高速全駕駛場景，包括高速沿線行駛路段、施工區(qū)、救援區(qū)、交通事件區(qū)、擁堵區(qū)以及事故多發(fā)路段（樞紐區(qū)、彎道區(qū)、合流區(qū)、匝道區(qū)）、智能網(wǎng)聯(lián)測試區(qū)等。示范工程按照“目標(biāo)導(dǎo)向、模塊推進(jìn)、示范引領(lǐng)”的思路，依托北斗、物聯(lián)網(wǎng)、5G、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等系列技術(shù)的集成創(chuàng)新應(yīng)用，服務(wù)于高速公路的建設(shè)、養(yǎng)護(hù)、運(yùn)營、管理等業(yè)務(wù)，探索具有廣西特色的智慧公路建設(shè)與運(yùn)營管理新模式。

沙吳智慧高速公路的總體建設(shè)目標(biāo)包括：（1）提升高速公路安全保障能力，降低出行事故率，提供安全通暢行駛環(huán)境；（2）提升高速公路管理科學(xué)決策水平，提升高速公路綜合運(yùn)輸效率；（3）提升營運(yùn)管理科技含量，有效降低營運(yùn)成本；（4）提升高速公路創(chuàng)新應(yīng)用能力，提供智能網(wǎng)聯(lián)場景；（5）打造廣西智慧高速公路樣板，形成自治區(qū)智慧高速公路標(biāo)準(zhǔn)。

1.2總體建設(shè)原則

1.2.1創(chuàng)新設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)引領(lǐng)

綜合利用GNSS/GIS/RS、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、5G、大數(shù)據(jù)、邊緣計(jì)算、人工智能等新一代信息技術(shù)，構(gòu)建高度智能化的交通基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)感知和智慧的交通綜合管理技術(shù)體系，通過高速公路“建管養(yǎng)運(yùn)”全生命周期的創(chuàng)新應(yīng)用，形成具有廣西特色、支持車路協(xié)同并適應(yīng)網(wǎng)聯(lián)車的智慧高速公路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)體系。

1.2.2跨域設(shè)計(jì)、開放兼容

針對項(xiàng)目所在北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)的獨(dú)特區(qū)位優(yōu)勢和戰(zhàn)略地位，在高速公路高精度衛(wèi)星定位信號服務(wù)、高精度地理空間數(shù)據(jù)服務(wù)、無線數(shù)據(jù)傳輸鏈路等方面采用國際通用標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)格式，以北斗服務(wù)為主并兼容GPS、GLONASS信號體制，確保可在境內(nèi)外推廣應(yīng)用。

1.2.3亮點(diǎn)突出、注重實(shí)效

在沙吳智慧高速公路建設(shè)過程中，既要突出格網(wǎng)狀北斗高精度服務(wù)、5G高通量低延時通信、道路數(shù)字孿生、高速公路網(wǎng)聯(lián)車等最新亮點(diǎn)技術(shù)，還要通過道路智慧監(jiān)測、視頻智能分析、三維實(shí)景化道路資產(chǎn)管理等技術(shù)提高高速公路建管養(yǎng)運(yùn)的智能化水平，降低運(yùn)營成本，提升通行體驗(yàn)，提高企業(yè)收益。

2智慧高速公路技術(shù)架構(gòu)

沙吳智慧高速公路以車路協(xié)同測試示范為核心，采用分階段建設(shè)、分層次運(yùn)行的推進(jìn)模式，規(guī)劃實(shí)施一段智能示范路、一張綜合感知網(wǎng)絡(luò)、一張 5G 通信網(wǎng)絡(luò)、一個云霧平臺、一個運(yùn)控中心、一套數(shù)字孿生系統(tǒng)等六大內(nèi)容。實(shí)現(xiàn)“聰明的車” 在“聰明的路”上智能、安全、高效行駛。沙吳智慧高速公路的總體架構(gòu)建設(shè)分為感知層、計(jì)算層、通信層、數(shù)據(jù)層、控制層和發(fā)布層，如圖2所示。

感知層通過雷達(dá)感知系統(tǒng)、視頻感知系統(tǒng)、動態(tài)稱重感知系統(tǒng)、水膜感知系統(tǒng)、氣象感知系統(tǒng)獲得沿線交通及道路環(huán)境參數(shù)信息。其中，雷達(dá)感知系統(tǒng)和視頻感知系統(tǒng)可以獲得聯(lián)系車輛軌跡及交通事件信息；動態(tài)稱重系統(tǒng)配建視頻感知系統(tǒng)可以獲得車輛輪廓及動態(tài)車重；水膜感知系統(tǒng)可以獲取路面水膜厚度、冰層厚度、積雪厚度；氣象感知系統(tǒng)可以獲得沿線氣象情況（包括溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、能見度等）。

計(jì)算層通過邊緣計(jì)算單元在路側(cè)實(shí)現(xiàn)視頻信息處理及雷達(dá)數(shù)據(jù)信息處理，形成結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，同時降低云端數(shù)據(jù)處理量，提高數(shù)據(jù)處理效率。

通信層通過光纜及5G基站，將感知層數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)層。

數(shù)據(jù)層位于高速交通指揮中心，利用服務(wù)器將前端雷達(dá)數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)及傳感器數(shù)據(jù)落地存儲，為交通調(diào)度決策提供決策依據(jù)，同時將沿線交通數(shù)據(jù)展現(xiàn)在指揮中心大屏上。

控制層通過構(gòu)建云端平臺，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集成、信息集成、信號集成，通過云端平臺獲取高速全息交通信息及路側(cè)控制設(shè)備信息，同時通過云霧融合對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，根據(jù)交通實(shí)際情況發(fā)出控制信息。

發(fā)布層的RSU、可變信息發(fā)布系統(tǒng)、光帶、智慧道釘將控制層處理的信息發(fā)出，實(shí)現(xiàn)交通管控，提高道路安全水平。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)來源主要為路側(cè)智能化感知設(shè)備，包括攝像機(jī)、毫米波雷達(dá)、以及路面水膜傳感器、路面稱重設(shè)備、微氣象站及能見度儀等。一部分?jǐn)?shù)據(jù)經(jīng)路側(cè)邊緣計(jì)算單元處理后經(jīng)超低時延發(fā)送至網(wǎng)聯(lián)車輛。原始數(shù)據(jù)和經(jīng)處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)自建光纖和已有專網(wǎng)鏈路傳輸至高速指揮中心，再經(jīng)由運(yùn)營商專網(wǎng)傳輸至云平臺。總體數(shù)據(jù)架構(gòu)如圖3所示。

3智慧高速公路典型應(yīng)用

智慧高速公路建設(shè)需要綜合采用交通理論、結(jié)構(gòu)材料、傳感、物聯(lián)網(wǎng)、云霧計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，通過理論研究和試驗(yàn)分析，構(gòu)建智慧高速公路的基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字平臺、全面的性狀智能感知體系、可靠的通信保障體系、實(shí)時的信息服務(wù)體系、高效的應(yīng)急保障體系、經(jīng)濟(jì)的維護(hù)管理體系和優(yōu)質(zhì)的運(yùn)營服務(wù)體系。

3.1前方不良行車環(huán)境的預(yù)警、車速控制

當(dāng)前方即將出現(xiàn)彎道、橋梁、路面積水等不良行車環(huán)境時，車道級可變限速板及LTE路側(cè)終端設(shè)備為車載終端發(fā)出信號預(yù)警，并提出限速控制建議。其中，彎道、路面積水、車道級可變限速板及下游車道級可變限速板協(xié)同變速，降低路段交通流速度離散型，提高道路安全水平。

3.2車道級車速控制

利用雷視聯(lián)動系統(tǒng)與車道級可變限速板的聯(lián)動，實(shí)現(xiàn)車道級車速控制。其應(yīng)用場景包括：（1）當(dāng)某路段發(fā)生交通事件時，利用視頻感知，反饋到平臺，并由平臺控制可變限速系統(tǒng)、可變信息發(fā)布系統(tǒng)、發(fā)光標(biāo)線及智慧道釘對主線上行駛的車輛進(jìn)行引導(dǎo)；（2）路段車道因施工封閉時，將信息反饋到平臺，并由平臺控制可變限速系統(tǒng)及發(fā)光標(biāo)線對主線上行駛的車輛進(jìn)行引導(dǎo)；（3）雷達(dá)系統(tǒng)檢測到路段出現(xiàn)不良車流狀態(tài)時，將信息反饋到平臺，并由平臺控制可變限速系統(tǒng)對主線上行駛的車輛進(jìn)行引導(dǎo)。

3.3不良天氣交通引導(dǎo)

當(dāng)氣象監(jiān)測儀檢測到不良天氣（團(tuán)霧、雨霧）時，利用智能道釘及光帶對行駛車輛進(jìn)行速度引導(dǎo)。

3.4躲離事件

當(dāng)行車方向出現(xiàn)違停和施工作業(yè)場景、卡車編隊(duì)時，可實(shí)現(xiàn)危險區(qū)域車輛躲離。

3.5輪跡分布控制

在雷達(dá)檢測段，制造卡車編隊(duì)行駛發(fā)生橫向偏移的場景，通過雷達(dá)檢測車輛輪跡并由可變信息發(fā)布系統(tǒng)提醒司機(jī)控制車道保持，將車輛駛回道路中心線。

3.6交通調(diào)度指揮系統(tǒng)

在監(jiān)控中心演示通過平臺對路側(cè)設(shè)施（包括可變限速系統(tǒng)、可變信息發(fā)布系統(tǒng)、LTE路側(cè)設(shè)備、匝道控制系統(tǒng)）進(jìn)行調(diào)度。

3.7全息信息監(jiān)控

在監(jiān)控中心演示雷達(dá)檢測系統(tǒng)的可視化界面、視頻監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控界面、智能路面監(jiān)控的信息反饋情況。

3.8平行仿真、數(shù)字孿生

利用建立的測試與示范道路的數(shù)字模型與云控中心結(jié)合的數(shù)字孿生系統(tǒng)或位于遠(yuǎn)端的數(shù)字孿生系統(tǒng)演示路段運(yùn)營過程中車流行駛的平行仿真場景，并演示數(shù)字孿生系統(tǒng)的同步情況。

3.9匝道控制

當(dāng)主線匝道口進(jìn)入卡車編隊(duì)時，匝道紅綠燈顯示紅色，禁止車輛駛?cè)胫骶€。

3.10異常車輛預(yù)警

車輛距離異常車輛≤200 m時，會收到路側(cè)系統(tǒng)播發(fā)的異常車輛BSM消息，網(wǎng)聯(lián)車提示“X米第X車道車輛異常，請注意避讓”。

3.11車道級施工預(yù)警

車路協(xié)同路側(cè)設(shè)備能實(shí)時感知并播發(fā)高速道路上車道級施工信息，車輛提前在200 m外接受事件提醒，網(wǎng)聯(lián)車顯示“前方XX米第X車道施工，請注意避讓”。

3.12設(shè)備狀態(tài)檢測和關(guān)聯(lián)

路側(cè)設(shè)備之間的相互調(diào)度包括以下場景：（1）雷達(dá)檢測系統(tǒng)檢測到不良交通流狀態(tài)時通過可變信息發(fā)布系統(tǒng)對車流狀況進(jìn)行控制；（2）路面感知系統(tǒng)檢測到路段隱患時（包括不良天氣、不良路面情況等）對可變限速系統(tǒng)、可變信息發(fā)布系統(tǒng)及LTE-V系統(tǒng)的調(diào)度，提醒車輛小心慢行；（3）當(dāng)卡車編隊(duì)駛?cè)霑r，利用動態(tài)稱重系統(tǒng)檢測車輛重量，利用可變信息發(fā)布系統(tǒng)對卡車編隊(duì)間距提出建議值；（4）向社會車輛手機(jī)終端、車載終端遠(yuǎn)距離下發(fā)出車路協(xié)同環(huán)境及天氣異常預(yù)警，終端APP通過動畫及語音提示提醒駕駛?cè)藛T注意降速行駛，注意前方路面及天氣異常。

4結(jié)語

為打造運(yùn)行安全、管理高效、出行愉快、物流通暢的智慧化高速公路系統(tǒng)，本文針對沙吳智慧高速公路建設(shè)需求，提出了智慧高速公路架構(gòu)設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)，并闡述了智慧高速公路典型應(yīng)用場景。該成果可為智慧高速公路建設(shè)和智能網(wǎng)聯(lián)汽車的可靠運(yùn)行提供系統(tǒng)解決方案和工程示范。

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基金項(xiàng)目：廣西重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“智慧高速車路一體技術(shù)研究與示范項(xiàng)目”（編號：桂科AB21196008）

作者簡介：李東毅（1983—），碩士，高級工程師，研究方向：道路與橋梁工程。