寧夏智慧高速公路技術體系構建

劉大海 郭亞中 張易辰 楊 丁 韓東海

（1.寧夏交投高速公路管理有限公司,寧夏 銀川 750001；2.華設設計集團股份有限公司,江蘇 南京 210000；3.寧夏公路勘察設計院有限責任公司,寧夏 銀川 750001；4.寧夏公路數字信息化工程技術研究中心,寧夏 銀川 750001；5.北京交科公路勘察設計研究院有限公司,北京 100080）

2018年交通運輸部開始在九省（市）試點新一代國家交通控制網和智慧公路[1-2]，涵蓋了基礎設施數字化、路運一體化車路協同、北斗高精度定位綜合應用、基于大數據的路網綜合管理、“互聯網+”路網綜合服務、新一代國家交通控制網6個方向重點內容。據不完全統計，目前全國已有超過20個省份開展了智慧公路建設的試點或示范，被稱作“智慧高速公路”的數量已超過50條。

在“十三五”時期，《推進“互聯網+”便捷交通促進智能交通發展的實施方案》《智慧交通讓出行更便捷行動方案（2017—2020年）》等文件中，已經對智能交通技術體系與發展方向提出了框架概要[3]。《交通強國建設綱要》《數字交通發展規劃綱要》等對精準掌握路網、車、構造物狀態，路網管理具備較高的智慧水平，實現路網精準預測和快速應急等提出了更高要求，推進數字化采集體系、網絡化傳輸體系和智能化應用體系構建等成為建設的主要目標。從技術框架的層面上看，《交通運輸部 科學技術部關于科技創新驅動加快建設交通強國的意見》立足交通運輸多學科交叉與應用為主的特點，提出促進新一代信息技術與交通運輸融合發展、促進先進制造技術與交通運輸融合發展、促進安全綠色技術與交通運輸融合發展，智慧公路示范工程是交通運輸部在《交通運輸信息化“十三五”發展規劃》中明確提出的建設內容，成為智慧高速公路建設的基礎[3]。

隨著新基建、綜合立體交通網、數字中國的不斷發展，智慧高速公路的技術體系框架不斷變化，“十四五”以來，《交通運輸領域新型基礎設施建設行動方案（2021—2025年）》《數字交通“十四五”發展規劃》《“十四五”交通領域科技創新規劃》《數字中國建設整體布局規劃》等文件的陸續出臺，極大地豐富了智慧高速公路的技術體系。

對應新基建、綜合立體交通網、數字中國的建設，智慧高速公路的技術體系框架目前并不完備，迫切需要結合地域特點，建立適用于寧夏的相對完備的智慧高速公路技術體系。

1 寧夏智慧高速公路現狀分析

根據《寧夏回族自治區綜合立體交通網規劃（2021—2035年）》，到2035年，實現全區縣縣通雙高速，縣城90分鐘到達運輸機場，中心城區30分鐘到達綜合客運樞紐，鄉鎮基本30分鐘上高速公路。全區高速公路約3 200千米，以服務重大戰略，暢通國家大通道為基礎，按照暢通省際、強化都市、擴大覆蓋、優化銜接的思路，對全區高速公路網進行補充完善，形成周邊暢通、區內互通、布局平衡、可靠高效的高速公路網絡，形成“三環四縱六橫六聯”高速公路網布局。目前，全區高速公路已設置84個收費站，擁有77臺清障救援車輛，寧夏高速公路服務區改建提升工程不斷推進。

寧夏高速公路的特色突出，有黃河大橋、長大隧道、山嶺重丘，還有沙漠、易水毀、大風等路段，具有橋隧比高、重大邊坡多、交通組成復雜、立交密度高等特色。資料表明，寧夏旅游資源具有多樣性、古老性、獨特性和現代性，需要交通運輸支撐的特色突出。

寧夏高速公路建設有數據中心和災備中心，分別部署在銀川和吳忠，已上線的運行監測與應急指揮系統涵蓋了運行監測、路網環境監測、設備運行監測、清障救援、應急指揮調度、信息上報、信息發布、客服等功能。

寧夏在智慧高速建設方面不斷探索，首條5G全覆蓋高速公路——京藏高速公路銀川河東國際機場至銀川市區路段智慧化提升改造工程已完成，依托5G技術，通過對所有通行車輛的通行特征、行駛行為進行360度畫像，實現對在途車輛全方位多角度監控。

目前全區正在圍繞智慧高速公路建設，率先建設黃河流域規劃高速公路新通道，以省級高速跨河通道和省界出口為重點，推動快速網互通互聯，全面推動交通運輸數字化、網絡化、智能化改造，以新基建賦能交通運輸發展。寧夏智慧高速公路、智慧服務區已有相關成果體現，但在技術體系框架方面尚未形成具體方案。

2 寧夏智慧高速公路內涵思考

智慧高速公路的內涵是建立技術體系的前提和基礎。2020年4月國家發改委首次明確新型基礎設施包括信息基礎設施、融合基礎設施、創新基礎設施三個方面的內容，為智慧高速公路的內涵提供了參考。交通運輸部科技司在2020年12月的《我國智慧公路發展概述》報告中給出了智慧高速公路的內涵，即借助移動通信和互聯網、云計算、大數據、人工智能等新一代信息技術，實現公路運輸系統的協同管控與創新服務，促進路網科學管理、高效運行和優質服務的新理念和新模式[1,3,9-13]。羅華松等[14]界定了智慧高速公路的含義，即在土地資源趨近飽和的條件下，為滿足日益增長的交通需求，充分利用現代技術，以大數據為核心，提升多源感知、融合分析、決策支持能力，實現人、車、路、環境的深度融合，儲誠贊等[15]指出隨著新一代信息技術在高速公路領域的快速應用和交通新基建的統籌推進，基于智慧感知、多網融合通信、基本業務應用提升、創新型場景應用建設、數字化技術應用等，從建設管理、運營管理、養護管理和用戶體驗等方面分析了未來智慧高速公路的建設理念需求，推進實現建設、管理、養護、運營、服務全過程數字化和智能化的高速公路。目前智慧高速公路的內涵并未統一。

智慧高速公路圍繞滿足交通出行者、交通管理者、道路運營方三者需求，為交通出行者提供安全、暢通、經濟、全天候的通行條件，及時準確的路況信息服務，周到舒適的娛樂、餐飲、旅游等出行服務，為交通管理者提供實時和周期性交通數據信息，用于道路交通管制及優化決策，降低安全風險、提高運行效率，為道路運營方提供科學數據進行分析預判，提供智能化的處理控制手段，及時消除異常風險，保障路網安全暢通，提供量化分析指標支撐長期運營決策。

基于上述內容，結合寧夏高速公路現狀，本文提出寧夏智慧高速公路的內涵，即利用智慧技術推進安全、快速、綠色、經濟、協同的高速公路建設，實現人、車、路、環境融合。

寧夏智慧高速公路的內涵對應技術、管理和需求三方面：技術層面以“智慧”為關鍵詞，涵蓋大數據、北斗、云計算、“互聯網+”等新一代信息技術；管理層面以“安全”“快速”為關鍵詞，突出管理和服務；需求層面以“綠色”“經濟”“協同”為關鍵詞，旨在推進人、車、路、環境的協同。

寧夏智慧高速公路的內涵界定了技術層面與管理、需求兩個層面的關系，明確了技術體系框架的建設范圍。

3 寧夏智慧高速公路技術體系

借鑒行業技術體系的發展，智慧高速公路屬智能交通行業，從智能交通戰略的發展可見智慧高速公路的技術框架。美國2010年之前全面推進多模式車聯網綜合運輸一體化發展，到2015年強調交通的連通性，再到2019年重視車輛自動化和基礎設施互聯互通，之后美國ITS JPO協同美國交通部聯合發布《智能交通系統戰略規劃2020—2025》，基本實現了從新興技術研發到具體技術應用部署，從數據權限共享到網絡安全保障，從自動駕駛推廣到完整出行的全鏈條出行服務，完善了基于技術生命周期的智能交通發展策略。

事實上，技術體系的建立是我國智能交通領域的研究重點，“綜合交通運輸與智能交通”重點專項將建成高風險交通行為數據庫，研制嵌入基于自主研發的人工智能算法、集成視覺與雷達一體化的傳感裝置，建成高風險交通行為自助矯正與運行風險自主評估系統，應用綜合運輸網運行風險主動防控裝備等列入重點研究內容，大數據、北斗、云計算、“互聯網+”等在高速公路的應用，極大地豐富了智慧高速公路的技術體系。

智慧公路以提供全面實時感知能力、快速預測、有效保障、全面服務為目標，具有協同化、智能化、綠色化、實用化等特征，面向寧夏高速公路，需要深化需求分析，圍繞安全、服務、管理等設定智慧高速公路的具體建設目標。

結合寧夏智慧高速公路技術、管理和需求三個層面的內涵，本文提出的寧夏智慧高速公路技術體系框架如圖1所示。

圖1 寧夏智慧高速公路技術體系框架

除了交通運輸部發布了智慧高速公路相關的技術標準外，各省份也不斷探索完善建設范圍、積極開展試點，目前已有14個省份出臺對應的智慧高速公路建設指南或技術指南[4-10]。

從寧夏智慧高速公路建設指南編制的角度出發，寧夏智慧高速公路的建設，技術層面涉及高精度位置感知技術、5G傳輸技術、信息交互技術、集成服務技術等；管理層面包括路網運行、設施運行、養護、應急、能源等內容；需求層面不僅包括傳統的安全、高效、綠色，還有全息感知、充分融合、泛在協同等外場、傳輸、應用等內容。基于復雜的技術體系框架，本文提出簡化后的寧夏智慧高速公路建設內容，如圖2所示。

圖2 寧夏智慧高速公路建設內容

對應寧夏智慧高速公路的建設內容，綜合分析智慧高速公路的功能和性能，按數據流向從底層采集、傳輸、匯聚、處理、展現等各個環節對智慧公路功能展開分析，獲得設備基本參數，確定單個設備、單一傳輸鏈路、獨立系統響應時間，結合現行規范對設備性能提出明確的技術要求，這構成了寧夏智慧高速公路建設指南編制的主線。

與新基建、交通強國、數字中國等國家發展戰略相對應，技術體系通過簡單累加的方式體現智慧高速公路的功能響應，規范了智慧高速公路建設目標實現的技術路徑，并可對應轉換為量化的硬件指標以及應用系統與前瞻技術的具體內容，一定意義上解決了寧夏高速公路感知設施與智慧應用的融合問題。

4 智慧高速公路改擴建設計實踐

面向寧夏的高速公路改擴建，結合智慧高速公路的技術架構和建設內容，可分為三種情形：

第一，局部路段改擴建的智慧高速公路設計。該種情形的設計重點是在智慧高速整體技術框架下，分析路段特征，有針對性地開展系統設計，對新技術開展試點應用。

第二，已通車高速公路改擴建的智慧化設計。該種情形的設計思路是分析運營路段，梳理項目運營中存在的問題及其原因。例如大流量路段被交路與主線合流匝道處經常發生車輛碰擦事故，分析原因為主線道路流量已趨于飽和，高峰時段被交路匯流車輛增加，涌入主線，導致匝道合流處車輛相互擠壓引發碰擦事故，車輛滯留處理事故，造成匝道合流處更大程度的擁堵。針對這類問題，考慮設置匝道流量管控系統，保障主線交通運行，高峰時段控制匯入車流量，減小合流處車輛碰擦的風險。

第三，由低等級公路升級為高速公路的智慧公路設計。該種情形下的設計思路是分析道路的功能定位、車流組成，安全評價中提到的風險點等內容，梳理需求，常規交通工程設計方案對這類需求的滿足提升有限，設計可以考慮超視距信息發布技術的應用，提升駕乘者信息獲取能力。

在高速公路改擴建設計中，應結合主線站撤除、治超設施等新需求，研究沿線設施獨立設置，在設計中引入全過程動態數字化模型等，對接BIM、GIS等技術及養護管理平臺。

引入5G技術，開展面向安全的設計，補充引入地質災害監測、極端天氣感知與檢測等手段；開展面向服務的設計，補充多目標微波雷達、智慧視頻、無人機、北斗/GPS等手段，提供具有邊緣計算能力的傳感設備，豐富基礎設施健康狀態感知手段，積極引入橋梁和路面健康狀態監測、無人機傾斜攝影、車載數字攝影、智能監控等技術；開展面向監管的設計，重點關注特殊車輛高精度定位、路網運行狀態、重點駕駛行為感知手段設計。

在技術體系、建設內容的基礎上，結合現有基礎設施發展“基本適應”的基礎上“適度超前”，改擴建的實例形成寧夏智慧高速公路的示范。與首條5G全覆蓋的高速公路相對應，青銀高速公路銀川至河東機場段全程覆蓋5G信號，路段是從京藏高速公路銀川至河東國際機場，包括繞城高速從銀川南收費站到銀川東收費站、銀川東收費站到機場南收費站。整個項目路段全長31.358千米，每千米都將布設視頻監控攝像機和毫米波雷達。高速公路的“慧眼”系統不僅能時刻感知車流、車速，敏銳捕捉異常，還會把信息源源不斷發回后臺，實時分析道路運行狀況[13]。

5 寧夏智慧高速公路發展建議

5.1 技術路徑方面的建議

根據技術體系確定建設內容，并結合寧夏智慧高速公路改擴建的實踐，確定寧夏智慧高速公路建設的技術路線。已有的技術分級在寧夏應用并不實際，技術路徑擬從新建、改擴建、升級三方面展開，并圍繞這三部分進行分級、分類、分階段和分目標的實施。

根據技術升級理性規劃建設時序，打造可迭代、可擴展、可閉環的發展路徑。融合寧夏高速公路的數據中心和災備中心，可從寧夏高速公路的路網、高速公路片區入手，結合隧道、橋梁、互通、跨境等典型路段，兼顧智慧服務區、智慧收費站等智慧高速公路建設內容的試點。

5.2 建設模式方面的建議

寧夏智慧高速公路的建設應向上到頂，對應交通運輸部、寧夏交通運輸廳以及寧夏路網中心、寧夏執法等相關部門。

寧夏智慧高速公路的建設涉及寧夏交投、銀百、中鐵建寧夏院等多個運營管理單位，應進一步明確交通管理主權與事權，明確智慧高速公路的投資、產出，實現良性發展。

寧夏智慧高速公路的建設由寧夏高速公路建設、運營和管理單位主導，由自治區交通運輸主管部門審批、統籌，按照工程管理程序報批，并納入高速公路項目建設范疇。

6 結語

在新基建、綜合立體交通網、數字中國等建設背景下，本文分析建立了寧夏智慧高速公路技術體系，結合寧夏特色給出了簡化的寧夏智慧高速公路的建設內容，結合高速公路改擴建給出了設計理念和建設內容的示例，并提出了發展的具體建議，結合寧夏智慧高速公路技術體系設計理念的《寧夏智慧高速公路建設指南》將于近期發布，將為推動寧夏智慧高速公路建設提供強大動能。