城市快速路智慧化設計與研究

吳 平，賈雯麗

（1.中國市政工程西北設計研究有限公司，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅省土木建筑學會，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

2019 年7 月，交通運輸部印發的《數字交通發展規劃綱要》指出：加快交通運輸信息化向數字化、網絡化、智能化發展，為交通強國建設提供支撐。《數字交通發展規劃綱要》規劃：到2025 年，交通運輸基礎設施和運載裝備全要素、全周期的數字化升級邁出新步伐，數字化采集體系和網絡化傳輸體系基本建成；到2035 年，交通基礎設施完成全要素、全周期數字化，天地一體的交通控制網基本形成，按需獲取的即時出行服務廣泛應用[1]。2019 年9 月，國務院印發的《交通強國建設綱要》提出要大力發展智慧交通。具體提出：推動大數據、互聯網、人工智能、區塊鏈、超級計算等新技術與交通行業深度融合；推進數據資源賦能交通發展，加速交通基礎設施網、運輸服務網、能源網與信息網絡融合發展，構建先進的交通信息基礎設施[2]。2020 年8 月，交通運輸部印發的《推動交通運輸領域新型基礎設施建設的指導意見》進一步明確，到2035 年，交通運輸領域新型基礎設施建設取得顯著成效。先進的信息技術深度賦能交通基礎設施，精準感知、精確分析、精細管理和精心服務能力全面提升，成為加快建設交通強國的有力支撐[3]。

由此可見，道路交通的數字化、信息化、智慧化已成為城市“新基建”的重要內容。本文將從城市快速路智慧化設計方面進行分析和研究。

1 國內外研究現狀

1.1 國外研究現狀

城市道路交通安全和智能化道路受到國外學者的廣泛關注，由于國情和城市道路發展階段的不同，研究方向和重點有所不同。

2016 年，Bushra R[4]將無線傳感器應用于城市道路，車路協同有了初步嘗試；2017 年，L Janu?ová 和S ?i?mancová[5]提出交通設施對道路交通的通暢性和安全性同樣重要，如電子警察、視頻監控和GPS 動態路徑引導均可減少道路交通擁堵；2021 年，Ai Y[6]提出采用深度學習方法對無基座共享單車系統進行短期時空分布預測。

1.2 國內研究現狀

智能交通領域在我國起步較晚，但發展較為迅速。2011 年，清華大學主持了科技部的道路交通課題，對車車交互協同系統、車路交互協同系統、車路協同系統等關鍵技術進行研究，并順利通過課題驗收。

2018 年，張玉輝[7]結合蘭州的實際情況，提出適宜未來蘭州發展的智慧交通措施，努力打造“高效暢通、安全便捷、綠色低碳”的智慧化大交通體系，實現道路交通管理精細化、交通信號控制智能化、交通信息服務人性化、交通規劃決策科學化；2019 年，楊平等[8]指出，蘭州市通過智慧交通建設，提高了城市交通擁堵疏解能力，為市民出行帶來了極大的便利；2021 年，劉興璐[9]認為，蘭州的城市交通應大力發展智慧交通建設，協同共治，提升道路交通服務水平。

2 工程概況

本文研究的蘭州市西固區T018#+T020# 道路位于西固區東部，工程南起南山路，北至南濱河西路，全長約5 km。工程采用“高架主線+地面輔道”的建設形式。主線建設標準為城市快速路，設計車速60 km/h，采用雙向6 車道；輔道建設標準為城市主干路，設計車速40 km/h，采用雙向4 車道。

3 智慧化系統總體設計

3.1 建設內容

該工程快速路智能化系統的建設內容主要包括交通監控中心、監控子站、高架快速路智能化系統、地面智能化系統的外場設施、通信網絡設備及相關附屬設施。

遵循高架集中管控的原則，統籌考慮智慧快速路相關工程。新建1 處市級快速路交通監控中心，采用云架構，租用蘭州城市云平臺（IaaS），面向蘭州全市快速路建設、管理、運行監測和應急指揮，支撐不間斷全天候路網實時監控、路網誘導、交通管控、快速路養護運行管理等業務。

高架快速路智能化系統重點設計高架交通管控系統、高架視頻監控系統、入口匝道控制系統、（高架）交通信息采集系統、（高架）交通信息發布系統、橋梁結構監測系統、橋梁防撞預警系統以及快速路自動駕駛測試環境支撐系統。

3.2 智慧平臺框架

根據蘭州市快速路智慧監測管控及運營養護平臺實際業務特點和相關需求，實現全面物聯、充分整合，強化交通信息匯集、融合、分析和服務功能，構建交通實時感知、資源充分整合、系統協同運作、信息全面服務、交通智能監管的快速路交通監控和服務系統。

系統總體框架設計形成三層架構：

（1）由高架快速路各類智能化設備構建設備層，提供基礎數據采集。

（2）通過路側智能網關以及視頻專網、信號控制專網、信息發布專網構建系統通信層。

（3）核心平臺層采用1+N+M 的云平臺架構模式。

3.3 中心智能化集成平臺設計

該工程基于上述平臺架構，頂層建設中心智能化集成平臺，其職能定位是針對平臺轄區的全局智能化頂層監測和管控，并且部署大數據分析研判職能、總體運營及養護的監管、全流程業務監管和督查以及對外部的統一信息服務。

3.4 專項業務系統集成平臺設計

根據項目轄區，按照相應規范和規則劃分分管區域路段，并相應地建設專項業務系統集成平臺對其進行管理。該平臺是轄區信息采集及下層應用子系統的數據集成平臺。

3.5 應用支撐子系統設計

在專項業務子系統集成平臺下層建設應用支撐子系統，主要包括交通地理信息服務系統、數據分布式存儲和管理系統、視頻圖像存儲與管理系統、數據交換共享系統、機房及環境監控采集系統、統一化應用部署與管理系統、大數據與云計算環境開發、InSAR 數據購買及數據融合、BIM 協同接口開發、系統接口定制開發、動態仿真系統開發、三維激光掃描及傾斜攝影建模等。

4 高架快速路智能化系統

4.1 高架交通管控系統

4.1.1 系統架構

快速路交通管控系統采用“主線誘導、匝道控制”的交通監控策略，通過道路交通信息的采集和誘導信息的發布，可以誘導交通流避開擁擠的道路，選擇一條相對通暢的路徑到達目的地，從而實現對快速路主線、輔道及周邊主要地面道路間的道路資源整合，有效平衡市域路網的交通流量。

快速路出入口控制系統的功能主要包括信息的采集、多級策略的調控、信號的協調、信息的發布，以及與多系統的關聯等。快速路出入口控制系統在總體架構上從策略層、管控層和執行層3 個層次實現系統信息采集、多級調控、日常管理和系統關聯的功能。

4.1.2 系統功能

系統功能設計主要有快速路入口匝道控制系統、快速路交通違法監測系統和交通事件檢測系統。

快速路匝道控制采用在入口匝道處及出口匝道相連輔道上設置信號燈的方式，調節進出快速路的交通流，使匝道交通流進出有度、有序，避免快速路上形成交通瓶頸。為此，在進行匝道信號控制時，應從城市快速路的交通特性、控制策略、配時方法及協調效果等方面予以考慮。

4.1.3 建設內容

一是復合功能攝像機。在上匝道處匝道控制燈、交通標志等設備位置，以龍門架形式設置復合視頻攝像機，在主線距離匝道上下游0.5～1.5 km 的位置布置復合視頻攝像機，以采集匝道及主線上下游交通流量、車速及車輛特征等。二是匝道控制燈。在入口匝道前布置車道信號燈。三是在入口匝道匯入主線處的兩側防撞墻上，布置交通信號燈、誘導板、通信設備、管道、線纜等。

4.2 高架交通信息采集系統

4.2.1 系統架構

交通信息采集系統主要采集交通視頻信息、交通違章信息、交通流信息、道路環境信息和氣象信息等。上述信息經信息采集系統及其他系統采集后，依靠中心處理計算機進行綜合分析處理，通過數據交換平臺與其他系統如交通信號控制系統、交通信息發布誘導系統實現信息共享，為其他系統的控制運行提供決策依據和觸發條件。

采集系統構架見圖1。

圖1 高架快速路交通流信息采集系統架構示意圖

4.2.2 系統功能

交通信息采集系統是交通信息發布、交通信號控制等多個智能交通系統的基礎，用于為道路交通運行狀態的判別、交通信息的發布提供數據支持。其主要功能是對過往車輛計數、測速、車型分類，分析、計算斷面的交通流量、占有率、瞬時速度、區間速度等交通參數，以此判斷道路擁擠狀況，并通過通信接口把數據按預定的時間處理周期發送到中心平臺，檢測交通系統中多源、異構的信息，呈現給智慧交通系統，為交通調度和交通事件告警提供決策服務。

系統能夠自動采集氣象監測數據，通過GPRS 無線網絡平臺傳送至快速路監控中心服務器。工作人員可便捷地了解各監測站和監測儀表的實時環境監測數據。

4.2.3 建設內容

該工程高架主線主要采用預制拼裝的工法進行施工，橋梁結構多采用連續鋼箱梁，因此高架快速路主線的信息采集不選用環形感應線圈和地磁檢測器，采集和檢測手段以“視頻+微波”為主，以浮動車和移動互聯數據為輔，并按需采集環境和氣象數據。

該工程在高架主路直線段采用高清視頻車輛檢測器，在快速路匝道出入口處采用視頻車輛檢測器及微波檢測器。

4.3 高架交通信息發布系統

4.3.1 系統架構

交通信息發布系統由交通狀況信息探測采集、信息的平臺匯總處理、誘導信息的發布等幾方面組成。發布平臺實時采集前端各種動態交通流數據，進行系統匹配、融合、存儲，結合GIS 地理信息系統進行信息挖掘處理，生成可以應用的交通誘導、服務信息，再通過前端VMS 誘導屏和智慧中心大屏發布。信息發布系統架構見圖2。

圖2 交通信息發布系統架構圖

4.3.2 系統功能

交通路網誘導信息屏是該項目信息發布的重要途徑，主要是通過路網實時路況的發布，誘導車輛分流，以達到車流均衡的目的。信息融合與處理平臺的應用功能，可通過指揮中心大屏進行展示，以輔助城市交通綜合管理、組織和應急調度。主要內容是通過指揮中心大平實時監測整個城市快速路的交通路網狀態。每條快速路的交通狀態通過GIS 地圖雙向顏色表示，可以設置1～5 min 內自動刷新以及其他功能的大屏幕操作。

4.3.3 建設內容

交通信息的發布是多元的，可以通過可變信息板、廣播、車載導航等進行發布。該工程重點落在安裝于道路上的可變LED 信息誘導板，主要包括廣域誘導可變信息板、出口匝道流出誘導可變信息板、入口匝道流入誘導可變信息板、快速路路側廣播系統等。

4.4 高架交通視頻監控系統

4.4.1 系統架構

高架視頻監控系統主要由外場攝像機、視頻通信網絡、視頻中心控制管理設備等組成，是快速路智能化管理和控制的基本系統，是智能交通信息發布人工確認的主要信息來源。監控中心各控制終端可對所有外場攝像機進行自動切換顯示、手動切換顯示、手動監視方位調整，自動監視方位定位。

4.4.2 系統功能

高架視頻監控系統具有視頻信息采集、傳輸、顯示和管理的功能。

4.4.3 建設內容

視頻攝像機的布設位置應合理選擇，除了綜合考慮道路的曲率半徑、縱向坡度，以及立交和匝道處的不同高度差外，還需要考慮交通事件的可能多發區域，做到主要地點重點監視，同時消除覆蓋盲區。

4.5 橋梁結構監測系統

4.5.1 系統架構

在高架快速路主線及立交節點按需設置橋梁結構健康監測系統。系統分為4 層架構：現場采集層、數據傳輸層、平臺處理層、應用展示預警層（用戶層）。監測系統架構見圖3。

圖3 快速路橋梁結構健康監測系統架構圖

4.5.2 系統功能

掌握在建或服役橋梁的技術狀況，提供準確和及時的基礎數據資料；掌握橋梁結構整體或部分的工作性能，提供狀態評估和診斷服務；為橋梁運營期的日常運維決策服務；為特定的待監控目標事件的出現與否提供觀測、預測或預警服務；滿足設計驗證和科學研究的需求。

4.5.3 建設內容

利用綜合傳感器、網絡通信、信息處理、橋梁工程監測等技術，形成一套軟硬件有機結合、適合橋梁結構特點、滿足橋梁監測需求的自動化監測系統。

橋梁結構健康監測系統的監測項目主要根據橋梁的結構特性、力學性能分析確定，同時兼顧橋址處環境狀況和項目經費限制等因素。

4.6 橋梁防撞預警系統

4.6.1 系統架構

橋梁安全預警監測系統由傳感器、控制器、主機、服務器、客戶機等部分組成，采用了多層C/S、B/S體系架構。系統架構見圖4。

圖4 高架橋梁防撞預警系統架構圖

系統還包括車輛高度檢測子系統、車輛動態稱重子系統、升降限高控制子系統、信息發布子系統、視頻抓拍子系統、后臺管理子系統等功能模塊。

4.6.2 系統功能

橋梁的實時安全健康監測主要集中在兩個方面：橋梁底面裂縫和車輛碰撞。

4.6.3 建設內容

為保證橋梁安全預警監測系統發揮應有的作用，在項目設計過程中遵循以下原則：

（1）統一規劃

系統的建設需要統一規劃，同時根據具體需求分步實施。所有系統的設備、功能都應留有充分擴展空間，以保證系統的升級、擴展和設備、網絡、數據庫的遷移平穩可靠。

（2）開放通用

系統采用開放式的網絡接口、計算機硬件、操作系統和數據庫管理系統，在軟件設計中采用C/S、B/S 以及面向服務的體系等的先進、通用的結構標準。

（3）穩定安全

為保證能長期穩定運行，保證監控中心軟件平臺和數據庫工作穩定，系統必須能夠定期對自身進行自診斷并形成報告，監視整個系統的工作狀態，以便對系統進行維護和維修。

5 結語

隨著科學技術的快速發展和城市信息化程度的不斷提高，智慧道路交通系統將逐步完善，在路側布設智能設備，將靜態基礎設施信息、動態基礎設施信息實現數字化和智能化，促進智慧化道路交通的建設和發展。

根據工程設計內容，該工程智慧道路還包括地面道路智能化系統、智慧路燈設計、智慧管線感知層設計、多桿合一設計等。受篇幅所限，本文僅從交通管控系統、交通信息采集系統、交通信息發布系統、交通視頻監控系統、橋梁結構監測系統、橋梁防撞預警系統等方面進行論述，以期為城市快速路智慧化設計提供思路和參考。