大數(shù)據(jù)時(shí)代基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧高速公路思考

摘要 智慧高速公路是未來交通發(fā)展的重要趨勢，其主要設(shè)計(jì)理念和功能構(gòu)想是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)高速公路道路狀況、行駛車輛狀況等信息的采集，系統(tǒng)平臺針對數(shù)據(jù)進(jìn)行交通情況分析和預(yù)判，并得出最佳行駛決策反饋至車輛終端，以期提升高速公路的交通運(yùn)載能力和交通安全系數(shù)。基于此，文章簡要闡述了當(dāng)前智慧高速公路建設(shè)上存在的問題，介紹了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)現(xiàn)狀、框架體系和特點(diǎn)，最后分析了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧高速公路建設(shè)上的應(yīng)用場景。

關(guān)鍵詞 智慧高速公路；物聯(lián)網(wǎng)；大數(shù)據(jù)

中圖分類號 U495 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）05-0189-03

0 引言

智慧高速公路，是指在高速公路的建設(shè)和運(yùn)營中采用信息化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對道路車流的引導(dǎo)和指揮，提升交通運(yùn)輸能力，保障車輛安全。隨著信息技術(shù)的飛躍式發(fā)展，高速公路的智能化已經(jīng)成為必然趨勢，尤其是在5G時(shí)代和大數(shù)據(jù)時(shí)代，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高速率的數(shù)據(jù)傳遞、共享和實(shí)時(shí)分析[1]。與此同時(shí)，大數(shù)據(jù)云計(jì)算等智能技術(shù)可以精準(zhǔn)分析海量的數(shù)據(jù)信息，模擬可能出現(xiàn)的場景，實(shí)現(xiàn)智能化的決策制定。這一系列的數(shù)據(jù)支撐，使得物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，通過傳感設(shè)備，實(shí)現(xiàn)物與物之間的有效連接和信息傳遞。這些技術(shù)使得智慧高速公路從構(gòu)想逐步成為現(xiàn)實(shí)。由于高速公路的運(yùn)營是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，其龐大的數(shù)據(jù)和復(fù)雜的情況分析仍然需要強(qiáng)大的技術(shù)支撐，但目前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相關(guān)的工程理論和核心技術(shù)仍然較為匱乏。因此，要真正意義上實(shí)現(xiàn)智慧化的交通圖景，還需進(jìn)行大量的思考和探索。

1 當(dāng)前智慧高速公路建設(shè)面臨的問題

1.1 道路設(shè)施落后

目前高速公路的道路設(shè)施較為落后，很多高速公路并沒有搭載智能化的物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)備，因此難以實(shí)現(xiàn)智能化的監(jiān)測體系、服務(wù)體系和道路養(yǎng)護(hù)體系[2]。除此之外，智能化道路設(shè)施的重點(diǎn)主要集中在外場的設(shè)備體系，對于交通運(yùn)輸和搭載能力的相關(guān)管理尚不成熟，無法真正實(shí)現(xiàn)高效的車流管理，提升運(yùn)輸力。

1.2 聯(lián)網(wǎng)狀況不佳

我國國土面積幅員遼闊，地理環(huán)境復(fù)雜，以目前的技術(shù)水平尚不能實(shí)現(xiàn)全國高速公路系統(tǒng)的全面聯(lián)網(wǎng)。聯(lián)網(wǎng)情況是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)保障，這一現(xiàn)狀會導(dǎo)致物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在應(yīng)用上呈現(xiàn)無以為繼的局面。如果不能夠?qū)崿F(xiàn)車路全面聯(lián)網(wǎng)，就難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的交通信息收集和危險(xiǎn)預(yù)警。

1.3 車輛設(shè)備不足

目前我國的機(jī)動車保有量超過4億，但現(xiàn)有車輛的智慧設(shè)備裝載量嚴(yán)重不足。這也就是說，目前我國絕大部分車輛即使行駛在智慧高速公路上，也無法實(shí)現(xiàn)車路聯(lián)網(wǎng)和車車聯(lián)網(wǎng)，更無法享受到智慧高速公路所帶來的智能化、便捷化和安全化的行車體驗(yàn)。如何讓普通汽車也能搭上智慧高速公路的快車，仍是一個(gè)亟待解決的問題。

2 物聯(lián)網(wǎng)在高速公路應(yīng)用上的現(xiàn)狀

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的核心在于萬物互聯(lián)，主要指的是通過傳感器采集物體的各種信息，通過網(wǎng)絡(luò)的接入形成一個(gè)巨大的網(wǎng)絡(luò)體系，實(shí)現(xiàn)人與物、物與物之間的連接，從而對物體進(jìn)行識別和管理。當(dāng)前，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在了工業(yè)、物流、家居、交通等多個(gè)行業(yè)，有效推動了這些行業(yè)的智能化發(fā)展，促進(jìn)了資源的優(yōu)化配置。

在2021年9月，工信部等八部門印發(fā)了《物聯(lián)網(wǎng)新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)三年行動計(jì)劃》，計(jì)劃在國內(nèi)的主要城市初步建立起物聯(lián)網(wǎng)新型基礎(chǔ)設(shè)施。這標(biāo)志著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將廣泛滲透進(jìn)人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)方面，提升生活質(zhì)量和社會現(xiàn)代化治理水平。

當(dāng)前，物聯(lián)網(wǎng)在高速公路上的應(yīng)用包括很多方面，例如多功能智慧路燈、邊坡預(yù)警、路況監(jiān)測等等，但總體來說，智慧化的水平仍然較低。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)預(yù)期和智慧交通的規(guī)劃藍(lán)圖來看，目前所實(shí)現(xiàn)的功能距離真正的智慧高速公路還有很大差距。

3 物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)分析

3.1 技術(shù)構(gòu)成

在智慧高速公路的建設(shè)和應(yīng)用上，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要的構(gòu)成分為5個(gè)部分：

感知層：通過各類傳感技術(shù)獲取整個(gè)運(yùn)營場景中所有物體的全部信息。

承載層：利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將所有感知到的物體的信息聯(lián)合成為一張巨大的網(wǎng)路。

平臺層：智能化管理系統(tǒng)和大數(shù)據(jù)云計(jì)算功能，用于分析所有獲取的數(shù)據(jù)和信息，并根據(jù)分析原則進(jìn)行場景模擬，從而得出相應(yīng)的決策和指令。

應(yīng)用層：各類智能化應(yīng)用，例如交通狀況預(yù)判、危險(xiǎn)源規(guī)避，以及其他應(yīng)用場景的所需功能。

門戶層：各類終端接收設(shè)備如車輛接收設(shè)備、道路交通大屏等的信息顯示功能（如圖1所示）。

3.2 技術(shù)特征

3.2.1 道路設(shè)施智能化

在智慧高速公路的建設(shè)和物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)際應(yīng)用中，道路基礎(chǔ)設(shè)施的智能化是其關(guān)鍵核心。針對物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)特點(diǎn)和運(yùn)行模式，只有道路設(shè)施實(shí)現(xiàn)了感知和信息傳遞的功能，智慧高速公路上的物物相連才有實(shí)現(xiàn)的前提。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和大數(shù)據(jù)云計(jì)算，收集道路基礎(chǔ)設(shè)施如照明系統(tǒng)、路牌系統(tǒng)等的交通信息，然后進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的分析，高速公路運(yùn)營工作人員就能夠迅速了解發(fā)生在道路中的任何情況，例如車輛擁堵、交通事故以及其他問題，實(shí)現(xiàn)快速反應(yīng)和及時(shí)處理，保證道路運(yùn)輸能力不受干擾[3]。

針對收集到的信息，還能夠?qū)崿F(xiàn)云計(jì)算的決策制定能力，根據(jù)所做決策下達(dá)指令，實(shí)現(xiàn)高速公路的智慧化管理。例如通過相關(guān)監(jiān)測和感應(yīng)設(shè)備，對道路設(shè)施和路面狀況所可能導(dǎo)致的交通問題進(jìn)行推演，從而生成交通指揮決策，并通過高速公路上的智能設(shè)備，如智能路牌等進(jìn)行展示，以提醒行駛中的車輛。

最后，道路設(shè)施的智能化還能應(yīng)用在后期的道路養(yǎng)護(hù)和維修上，通過道路相關(guān)信息的收集，及時(shí)對道路可能出現(xiàn)的隱患進(jìn)行排查，或是對于道路故障問題進(jìn)行第一時(shí)間的維修和養(yǎng)護(hù)，以提升道路使用周期，協(xié)助交通運(yùn)輸?shù)母咝院桶踩浴?/p>

3.2.2 車輛設(shè)備智慧化

車輛作為高速公路的主要使用者，其設(shè)備的智慧化是道路智慧化的核心。只有在高速公路上行駛的車輛能夠隨時(shí)接收到物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)所下達(dá)的交通情況判斷指令，才能夠協(xié)助車主做出正確的駕駛操作，真正意義上實(shí)現(xiàn)安全高效出行。

具體來說，進(jìn)入高速公路的車輛需要搭載傳感器以便于物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行信息收集和數(shù)據(jù)接收，從而根據(jù)道路信息和車輛信息進(jìn)行交通引導(dǎo)和路況預(yù)判；另外還需搭載車載顯示終端用于接收決策和指令。一方面，通過車輛搭載的信號接收設(shè)備，物聯(lián)網(wǎng)傳遞交通信息和指令，車主根據(jù)終端顯示的信息來避讓危險(xiǎn)源，保證安全駕駛，或切換行車路線繞開擁堵點(diǎn)。另一方面，通過物聯(lián)網(wǎng)對車輛數(shù)據(jù)的收集，也便于智慧系統(tǒng)判斷該車輛的行駛狀態(tài)，推演出其是否存在成為交通隱患的可能。

3.2.3 指令決策科學(xué)化

智慧高速公路的建設(shè)藍(lán)圖，是希望通過信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)對車輛的引導(dǎo)和指揮，這也就意味著基于大數(shù)據(jù)云計(jì)算的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，承載著實(shí)現(xiàn)交通指令和行車決策科學(xué)化的重任。通過物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行車、路、環(huán)境等全方位的數(shù)據(jù)收集，再將數(shù)據(jù)運(yùn)用云計(jì)算進(jìn)行綜合分析和模型推演，從而下達(dá)指令和決策。

智慧高速公路所傳遞給車輛的指令必須以安全和高效為主要原則，充分評判和推演后給出最優(yōu)解，即通過分析車況和路況，判斷可能存在的交通隱患因素，并對尚未發(fā)生的交通擁堵和交通事故做出預(yù)判，通過指令下達(dá)實(shí)現(xiàn)意外情況的消除和規(guī)避。

4 物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場景

4.1 智慧高速公路運(yùn)營系統(tǒng)

要構(gòu)建智慧高速公路的運(yùn)營系統(tǒng)，首先需要滿足公路基礎(chǔ)設(shè)施和車輛的智慧化，以滿足物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使用的基本條件，其核心在于數(shù)據(jù)的收集和分析。通過傳感技術(shù)收集道路和車輛的全部信息并傳輸至分析平臺，然后對這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，判斷有可能出現(xiàn)的各類情況，針對其可能性制定行車決策方案，最后將方案傳輸給車輛接收終端設(shè)備，提示車主可能出現(xiàn)的問題，為車輛的安全駕駛提供預(yù)警和保障。

智慧高速公路的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)會執(zhí)行不間斷的動態(tài)監(jiān)測，確保所有的交通路況和車輛行駛狀態(tài)的數(shù)據(jù)都能被收集和傳輸，以便云計(jì)算制定出最優(yōu)行車方案。車主在接收到智慧高速公路所給予的最佳行車方案后，既可以按照方案進(jìn)行駕駛，也可以以方案為參考自行判斷。而物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)又將根據(jù)車輛行駛狀態(tài)繼續(xù)采集信息，持續(xù)進(jìn)行可能發(fā)生的交通狀況的模擬計(jì)算，從而保證智慧高速公路一直處于健康的運(yùn)營狀態(tài)之中，最大限度地減少交通事故等情況的發(fā)生。

4.2 智慧高速公路監(jiān)測系統(tǒng)

智慧高速公路的監(jiān)測系統(tǒng)主要監(jiān)測道路基本狀況，借助智能化技術(shù)和云計(jì)算，分析道路感知設(shè)備所監(jiān)測到的交通信息，根據(jù)實(shí)時(shí)的交通信息進(jìn)行道路的動態(tài)監(jiān)控，確保交通運(yùn)輸狀況和道路承載力處于健康狀態(tài)。針對交通事故高發(fā)的路段、匝道、隧道和長坡等，將重點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測和控制，從而確保道路狀況穩(wěn)定。

通過智慧高速公路的監(jiān)測系統(tǒng)還能判定是否會對行車產(chǎn)生影響并提出適當(dāng)?shù)念A(yù)警措施。高速公路路況復(fù)雜，容易受自然因素影響，例如天氣、自然災(zāi)害等等。復(fù)雜多變的路況容易給行駛中的車輛帶來安全隱患，因此需要建立智慧監(jiān)控體系，對道路狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)的信息收集和反饋。例如突然出現(xiàn)大霧天氣或山體塌方等情況，通過系統(tǒng)化的監(jiān)測體系實(shí)現(xiàn)道路狀況的實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)和反饋，幫助車輛避開潛在的危險(xiǎn)。

4.3 智慧化車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)一言以蔽之，即是萬物互聯(lián)，因此可有效實(shí)現(xiàn)智慧化車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，構(gòu)建車車協(xié)同、車路協(xié)同全覆蓋網(wǎng)絡(luò)體系。主要實(shí)現(xiàn)路徑是依靠車輛上安裝的傳感設(shè)備和顯示終端設(shè)備。通過傳感設(shè)備讓物聯(lián)網(wǎng)感知并收集與車輛相關(guān)的所有信息。根據(jù)所獲取的信息物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以進(jìn)行車輛狀態(tài)的智能診斷，對運(yùn)行環(huán)境和運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，判定車輛本身的健康狀況和行駛狀況。一旦車輛本身有風(fēng)險(xiǎn)或可能造成對其他車輛的安全隱患，就會及時(shí)進(jìn)行智能預(yù)警，降低危險(xiǎn)發(fā)生的可能。此外，還能實(shí)現(xiàn)智能維修功能，例如故障報(bào)修、遠(yuǎn)程維修等服務(wù)。

在高速公路行駛過程中，通過車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，可以監(jiān)控車輛位置，判定其可能遭遇的交通事故情況，幫助車主進(jìn)行規(guī)避。尤其是在夜間行車或是路況復(fù)雜的事故多發(fā)地段，不僅能實(shí)現(xiàn)道路突發(fā)情況的判定，還能根據(jù)車距和車輛行駛狀態(tài)，判定其他車輛可能對該車產(chǎn)生的威脅（如圖2所示）。車主根據(jù)智能接收終端，可以獲取物聯(lián)網(wǎng)做出的最佳行駛方案，甚至可以成為無人駕駛技術(shù)的基礎(chǔ)和未來發(fā)展方向。

4.4 智慧高速公路服務(wù)系統(tǒng)

智慧高速公路除了提供路況查詢、車輛運(yùn)行監(jiān)控和決策等功能以外，還提供一系列的智慧化服務(wù)功能。從車輛準(zhǔn)備駛?cè)敫咚俟返杰囕v駛離高速公路，中間環(huán)節(jié)的一系列服務(wù)和應(yīng)用都可以通過智慧服務(wù)系統(tǒng)來協(xié)助完成。一套完善的智慧高速公路出行服務(wù)系統(tǒng)涵蓋了包括聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)、智慧停車、高速服務(wù)區(qū)服務(wù)、交通信息服務(wù)、旅游信息服務(wù)、故障申報(bào)及救援服務(wù)等等。借助車輛終端設(shè)備或手機(jī)App等方式，車主可以通過提前預(yù)約等方式輕松選擇所需要的服務(wù)。

除此之外，服務(wù)系統(tǒng)還能實(shí)現(xiàn)相關(guān)交管部門和車輛之間的信息聯(lián)動。例如，物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)會對道路基本情況進(jìn)行信息收集和監(jiān)測，以便發(fā)現(xiàn)道路狀況不佳而影響安全行駛等問題。同時(shí)，車輛在行駛過程中，如果發(fā)現(xiàn)道路出現(xiàn)故障和隱患，也可通過服務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行上傳申報(bào)，實(shí)現(xiàn)雙方的信息聯(lián)動。

4.5 智慧高速公路養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)

目前，智慧高速公路的養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)仍然不夠智能，還有很多短板需要完善。比如，當(dāng)前較大的問題在于只有當(dāng)?shù)缆烦霈F(xiàn)問題時(shí)才會采取養(yǎng)護(hù)和維修措施，對于潛在的風(fēng)險(xiǎn)和隱患難以及時(shí)排查，提前處理，導(dǎo)致路面使用周期縮短，在養(yǎng)護(hù)維修過程中造成交通運(yùn)輸力下降，影響車輛高效行駛。通過智慧高速公路養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)，能夠形成道路信息日常監(jiān)控，潛在隱患提前發(fā)現(xiàn)和盡早處理的運(yùn)行系統(tǒng)。因此，需要構(gòu)建智慧化的養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)，在施工前做好完善的路面養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)相關(guān)計(jì)劃，針對關(guān)鍵部位和重點(diǎn)區(qū)域預(yù)設(shè)傳感設(shè)備，從而形成一個(gè)完整的養(yǎng)護(hù)傳感體系。首先利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)道路基礎(chǔ)信息的全面收集，再通過大數(shù)據(jù)云計(jì)算來判定路面狀況，通過養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)收集到的道路和天氣的相關(guān)信息數(shù)據(jù)，可以分析和計(jì)算道路基本情況，是否會使道路產(chǎn)生開裂和變形的可能，提前提示交通管理部門及時(shí)對路面進(jìn)行維修和養(yǎng)護(hù)。此外，通過智慧化養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)收集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可以與初始狀態(tài)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對分析，判定道路和橋梁的整體狀況，是否有發(fā)生重大問題的可能，從而在問題初期就采取措施止損和修復(fù)，保證智慧高速公路的健康運(yùn)營。

5 結(jié)語

進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧高速公路行業(yè)將提供優(yōu)越的技術(shù)支撐，使得車路互聯(lián)、車車協(xié)同的愿景能夠得到實(shí)現(xiàn)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)憑借對路況、車況的全面信息采集和數(shù)據(jù)分析決策能力，將在智慧高速公路的建設(shè)和運(yùn)營中得到廣泛的應(yīng)用，并發(fā)揮重要價(jià)值。交通管理部門應(yīng)當(dāng)重視物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的價(jià)值，在道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、車輛終端設(shè)備搭載、物聯(lián)網(wǎng)體系搭建等方面著重發(fā)力，爭取建設(shè)智能、高效和安全的智慧高速公路體系，為實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸能力提升與交通安全的強(qiáng)化而努力。

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