市政道路工程的智能化設計思路

胡曉宇

（太原市政建設集團有限公司，山西太原 030000）

0 引言

市政道路智能化設計重在提高城市道路的信息感知能力，通過設置在道路上的視頻監控系統、智慧路燈、電子站牌采集道路交通信息、城市空氣質量信息，并將這些信息返回到管理后臺，用于指揮交通，避免道路擁堵問題。

1 道路發展現狀

在城市道路區域不斷擴大的過程中，道路信息也變得越來越復雜，許多十字路口匯聚了不同方向的行人、機動車以及非機動車混合交通流，由于缺少信息采集、數據分析、信息指示為一體的道路標牌設計，不能對混合交通流實現正確的引導和分流，容易造成交通事故。目前80%以上的道路標牌采用了非智能系統，所面臨的主要問題如下。

（1）道路信息更新較慢，導致駕駛員和行人對路況的感知性降低。

（2）維護頻率較高，標牌字體的夜間反光性隨著時間的久遠而變差，導致駕駛員和行人對標牌的可觀性降低。

（3）LED 點陣式電子標牌通常循環顯示固定的道路信息，智能化水平不高，當道路施工或指向信息變動時，標牌沒有及時顯示，會在高峰通行期間受到較大影響[1]。

2 市政道路基礎工程智能化設計內容和要求

道路的基本參數涵蓋內容非常廣泛，主要包括設計使用年限、設計最大時速、車道數量、載重能力等一系列內容。由于是市政道路，車輛通行非常頻繁，并且施工、檢修、維護、改造等都要占用城市空間，對交通造成極大的不便。在設計市政道路工程時應該充分考慮這些因素，盡量延長道路的設計使用年限，車道數量要滿足城市在當前以及未來的交通需求，尤其是長遠的需求。道路工程改造的成本非常高，并且耗時耗力，設計單位應該運用大數據等技術判斷城市未來幾十年內的人口及交通變化趨勢，設計出具備前瞻性的道路工程。在選用施工材料時應該優先考慮工程性能更加優異的新型道路施工材料，借此全面提升市政道路工程的各項基礎參數，使其滿足城市發展的長期需求。

3 各地區政策差異化分析

通過對比全國各省市最新的智能網聯汽車道路測試與示范管理規范相關政策發現，各地政府執行情況相同點如下：①各地區均授權了第三方機構（深圳除外）負責自動駕駛車輛測試的全過程監管，包含測試車輛的申請受理、專家評審、測試監管、數據采集等工作。②在智能網聯汽車道路測試申請流程及遞交的申請材料大致相同。差異性主要體現在以下方面：①各地區開放的測試場景不同。北京等地優先開放高速及無人化測試場景，重慶則依托山地環境開展山地道路測試場景。差異化的測試環境，使得智能網聯汽車自動駕駛功能需要有更強的適應性。②地方政府對測試車輛及測試駕駛員的要求有所不同。針對申請應用示范的測試車輛，深圳提出每臺車輛需要在申請示范應用所在區域完成不低于1000km 的測試里程，面向示范運營車輛，上海要求駕駛員應具備道路運輸行業從業資質[2]。

4 市政道路規劃影響因素

為防止鄉村建設“千村一面”，市政道路規劃必須要因地制宜、突出地域特色。基于前瞻性、可持續發展、通達性、歷史文化保護等原則，充分考慮市政生活特點、鄉村振興要求以及自然環境約束等，保證道路規劃的安全性、實用性和系統性。結合中國鄉村道路實際情況，分析影響市政道路規劃的主要因素，主要包括自然因素、工程因素、社會和人口因素及其他因素等。

（1）自然因素。市政道路規劃要考慮環境要素的影響，重點考慮地形地貌對道路交通安全性和舒適性的影響，如坡度、高程、起伏度。

（2）工程因素。道路建設對市政耕地、林地、居民地和水體等土地利用類型會產生不同的占用成本、拆遷成本和建設成本，市政道路規劃要集約節約利用土地資源，避免破壞生態環境。

（3）社會和人口因素。市政道路不僅服務于當地村民的日常需要，也是帶動市政區域經濟發展的關鍵。為更好地服務當地村民的交通出行和農業生產，不僅要充分考慮對內對外交通的聯系和出行的便利程度，還要考慮市政各區域的人口規模，明確道路起止點與等級，確保整個市政路網的通達性，更好地服務于村民[3]。

5 市政道路附屬設施智能化設計思路

5.1 人工智能技術

傳統的標牌只能靜態顯示當前交通道路信息，無法對交通運行調度起更多的幫助作用，基于人工智能技術的標牌打破了這種局限性。在智能標牌系統中加入高清攝像頭，并放置在城市中的重大路段樞紐，利用深度學習和圖像識別技術對道路上的各個區域進行實時交通流量監控和預測，在信號控制、交通引導、路線規劃等各種應用中發揮著基礎性作用。將采集到的信息上傳至數據管理中心，經分析評估后再下發到各個標牌單元，使駕駛員和行人更清楚地掌握前方道路狀況，從而減少出行時間，提高道路利用率，建立起人工智能指揮交通通行網絡。

5.2 智能道路照明系統

智能道路照明系統包括以下模塊。①LED 單燈控制器主要作用是使用UWB 通信模塊形成自組網實現數據通信，測量其與智能配電柜之間的距離，同時使用傳感器采集路燈的電能信息、周邊亮度等環境信息，輸出0～10V 調光信號控制LED 燈具的亮度。②智能配電柜是現場控制核心，主要作用是作為UWB 定位的已知參考點，同時作為單燈控制器的通信網關。③路燈管理中心運行在云服務器上，主要作用是根據各個單燈控制器上傳的距離信息對其進行定位，提供實時路面狀態監控、路燈狀態監控、路燈資產管理、人員管理、實時告警等功能，實現路燈智能管理工作。道路照明系統中LED 單燈控制器、智能配電柜必須形成通信網絡才能實現數據傳輸進行智能控制，實際測試表明道路機動車、天氣、道路形狀、周邊建筑高度等環境因素以及路燈工作狀態都會影響該通信網絡的穩定性和實時性，必須根據各種影響因素實時地調整網絡結構，形成健壯的自組網，才能提高通信質量，實現道路照明系統智能化[4]。

另外，在復雜道路或者城市立體交通的場景下，基于地理位置的貪婪周邊無狀態路由協議（GPSR）應用非常廣泛，GPSR 協議是將要傳輸的數據盡量轉發給最靠近的鄰居中繼節點，不僅可以減少轉發跳數，提高轉發效率減輕網絡的負載，而且其協議簡單，可以有效降低LED 單燈控制器的成本。但是GPSR 協議只考慮了目標節點的位置信息，所以存在局部最優、路由空洞等弊端，容易造成丟包率過高、延時過大等問題。此外，傳統的基于測距無線定位技術未考慮接收的信號強度指示值（RSSI）的分布特性也容易造成室內定位效果欠佳。針對以上的不足，本文在實施過程加入了由應答時延、處理器使用率、接收信號強度與歐拉距離4 個參數共同構成節點的節點狀態信息，源節點根據周邊節點狀態向量選擇最佳轉發節點，從而提高了數據發送成功率。

5.3 基于視頻監控的遠程監測管理系統

城市中的交通擁堵一直受到詬病，隨著城市家庭購車需求的不斷上升，私家車保有量逐年升高，進而導致各大城市不得不采取限號出行的管理方案，即便如此，交通擁堵的問題依然非常突出。在智慧道路的建設中，提高道路交通指揮能力成為設計重點，為了達到這一目標，應該積極引入信息化技術，提高道路的信息感知能力。視頻監控是實現這一功能的重要手段，監控探頭可直接觀察到某一具體路段的車流情況，并且通過網絡通信功能將這些數據傳輸到交通管理部門的大數據平臺，該平臺可實時顯示出城市道路當前的交通大數據，數據平臺可直觀顯示哪些路段存在擁堵，哪些路段通行壓力較小，然后便可通過各種通信手段向過往車輛發出擁堵預警，及時提醒其轉換通行線路。

智慧交通是智慧城市的重要組成部分，而道路的智能化設計是實現智慧交通的大前提，各種先進的傳感器是采集道路運行數據的主要手段。除了視頻監控之外，還要設計噪聲監控，然后將這些數據匯總起來，作為城市交通指揮的依據。實踐表明，這些由遠程視頻監控系統采集到的交通大數據顯著提高了城市交通效率，減少了交通擁堵的情況。

5.4 GIS 技術的應用

所構建的GIS 分析模型打包固化后形成流程化工具。規劃生成的道路不僅能最大程度地避讓水體、古建筑等成本較高區域，而且能充分利用現有交通用地，在最大程度上減少對市政環境的破壞。利用GIS 規劃工具生成的港頭村規劃道路網，共5 類，7 個起點，16 個終點，自動生成多起點到多終點的4 級市政道路，包括主干道路4 條、次干道路2 條、生產型支路9 條、生活型支路13 條和環村路1 條。根據《鄉村道路工程技術規范》（GB/T 51224—2017）市政道路等級應該分級設置，可根據各要素權重確定各起止點的重要度，自動生成不同等級的市政道路。第一級為主干道路，承擔市政與城鎮區域之間的聯系，規劃生成與外部主干道連接的市政主干道路，其起止點重要度以現有道路要素權重衡量；第二級為次干道路，主要是市政內部各組團之間的聯系，其起止點重要度以地形要素權重衡量；第三級為支路，主要是滿足村民日常出行（生活型支路）和進行農業生產活動的需求（生產型支路，主要為機耕路），其起點終點重要度以土地利用要素權重衡量。此外，近幾年鄉村規劃所關注的環村路，以港頭村居住區及其周圍園地、耕地組團為單元，采用圖形緩沖的方式，規劃生成寬度為10m 的環村路，以加強市政內部的聯系，提高市政道路網的連通性。

5.5 嵌入式技術

嵌入式系統的日益成熟為智能道路標牌的發展提供了一個良好的技術基礎和開發環境。基于利用終端控制無線通信模塊與服務器通信的方法，提出一種μC/OS 嵌入式實時操作的數字標牌信息發布系統，其主要由發布管理系統和信息發布終端組成，發布管理系統負責管理信息和監控終端設備的運行狀態，信息發布終端負責發送服務器之間通信所獲取到的重要數據。將嵌入式系統應用在道路標牌中，能夠實現更強大的功能、精簡硬件設計成本、滿足需求定制。

基于X86 架構的嵌入式設計方法，研究了面對復雜的X86 嵌入式主板，PCB 布局布線如何在結構、散熱、電磁兼容、高速信號完整性等方面做權衡和綜合考慮的問題[5]。這種方法提高了基于X86 嵌入式架構的數字標牌在硬件設計方面的效率，保證主板一次性設計的成功率和工作時的穩定性，解決了從理論設計到實際硬件電路實現過程中的問題，為其他X86 嵌入式平臺的設計、調試、測試等工作提供了基礎模型，具有重要理論和實際意義。

5.6 前向碰撞預警系統

前向碰撞預警系統（FCW）的功能是當檢測并判斷車輛與前方同向行駛車輛存在碰撞可能性時，向駕駛員發出警告。前方同向行駛的車輛包含3 種情況：前方車輛靜止，前方車輛以低于本車的速度行駛或者車輛正在制動。該功能主要是依據本車到前方車輛的距離、前方車輛相對于本車的相對速度、前方車輛是否在本車行駛路徑上3 個方面的信息實現的。FCW 可以降低追尾碰撞的發生率，并在追尾碰撞發生之前提醒駕駛員做出反應，減輕事故嚴重程度。

不同傳感器獲得的數據可以相互融合，增加或增強現有的系統功能。基于多傳感器信息融合的防碰撞預警系統根據多傳感器接收到的車輛前方目標信息和本車的狀態信息，利用多源信息融合技術，識別出本車前方車輛的距離和速度等狀態信息，進行碰撞危險估計。從反應時間、距離、速度3 個角度優化控制，可減少駕駛員的負擔和錯誤判斷，對于提高交通安全性起到了至關重要的作用，是實現汽車自動駕駛的基礎。FCW系統對道路沒有特殊要求，在高速路、城市、國道、隧道、匝道、橋梁道路的直路和彎道上均可以工作，可以識別所有取得牌照、合法上路行駛的車輛和身高在0．8m 以上的行人。

6 結語

我國智能網聯汽車道路測試相關政策已為智能網聯汽車產業發展提供了方向，道路測試和示范應用是未來智能網聯汽車市場準入的先決條件和基礎要求。企業在進行道路測試申請前應加強自動駕駛功能測試，提高安全性和通過性，申報時注意地區政策的差異，結合自身企業發展需求，進行道路測試申報，為后期智能網聯汽車商業化運營和市場準入打下基礎。