李 悅，周永濤

(中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710075)

0 引 言

近年來，中國高速公路建設(shè)發(fā)展迅速，極大地提高了運輸效率，也提高了客流、物流、信息流的運轉(zhuǎn)速度，使得社會效益和經(jīng)濟效益顯著提高。隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展，高速公路建設(shè)理論也歷經(jīng)了數(shù)字化、信息化與智能化時代的改造，進入了追求“智慧”的階段?！爸腔鄹咚佟惫こ淌瞧湓谶@一進程中最新的表現(xiàn)形態(tài)[1-5]，中國與美、日等在公路建設(shè)領(lǐng)域較為領(lǐng)先的國家都在努力推行這一領(lǐng)域的發(fā)展[6-16]。中國許多省份對智慧高速進行了實踐，建立了智慧高速公路服務(wù)區(qū)、智慧監(jiān)控系統(tǒng)、智慧標志等，通過這些實踐經(jīng)驗，開發(fā)了智慧高速公路配套的系統(tǒng)，為后續(xù)智慧高速的發(fā)展提供了寶貴的經(jīng)驗。國內(nèi)外學(xué)者針對智慧高速公路的內(nèi)涵、設(shè)計和實踐等進行了廣泛的探討，但世界范圍內(nèi)對于“智慧高速”的具體定義還沒有較為統(tǒng)一的認識，對“智慧高速”的設(shè)計方法也沒有形成較為成熟的理論?；诖耍疚膶Ρ本┬聶C場“智慧高速”工程的設(shè)計實踐進行探討。北京新機場高速公路“智慧高速”工程方案在京津冀協(xié)同發(fā)展戰(zhàn)略下，突破高速公路傳統(tǒng)“三大機電系統(tǒng)”設(shè)計方式，建立“6+1”系統(tǒng)體系框架，以大數(shù)據(jù)分析為支撐構(gòu)建運行管控中心，實現(xiàn)智慧決策，創(chuàng)新功能與服務(wù)，實現(xiàn)道路的“可視、可測、可控和可服務(wù)”。本文將結(jié)合北京新機場“智慧高速”工程實例，對智慧高速的基本內(nèi)涵進行探討，在與傳統(tǒng)高速公路進行對比的基礎(chǔ)上，提出智慧高速的發(fā)展和優(yōu)勢，為今后的智慧高速建設(shè)提供參考。

1 智慧高速的基本內(nèi)涵

智能交通(ITS)是未來交通發(fā)展的主要方向，它是將先進的信息技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊傳輸技術(shù)、電子傳感技術(shù)、控制技術(shù)及計算機技術(shù)等有效地集成運用于整個地面交通管理系統(tǒng)而建立的一種在大范圍、全方位發(fā)揮作用的綜合交通運輸管理系統(tǒng)，它具有實時、準確、高效等特點。智慧高速公路作為智慧交通的一部分，建立以大數(shù)據(jù)為核心的高速公路管控體系，并不斷發(fā)展創(chuàng)新,利用新的技術(shù)手段加上協(xié)同合作方式，提升高速公路的管理服務(wù)。目前，不同國家與組織對于“智慧高速”的理解不盡相同，但對這一概念認知的核心大致集中在使用先進的技術(shù)與設(shè)備進行信息感知、數(shù)據(jù)分析、動態(tài)管理與高水平服務(wù)方面[17]。

圖1 智慧高速綜合系統(tǒng)框架

在公路工程理論發(fā)展過程中，駕駛員、車輛與道路的協(xié)調(diào)設(shè)計一直是熱點課題，但在公路建設(shè)與運營中，道路設(shè)施往往難以配合駕駛員的心生理與感知特征、駕駛員的操作習(xí)慣以及車輛的性能與工況。同時，受技術(shù)條件的限制，道路運營部門難以快速、全面、正確地了解道路的使用狀況，進而不能及時決策、采取相應(yīng)的管理措施。這些現(xiàn)象，都暴露出傳統(tǒng)的駕駛員-車輛-道路-環(huán)境系統(tǒng)與道路管理體系內(nèi)部的耦合程度低、耦合效率差的問題，容易引起交通安全隱患，也會影響交通效率與服務(wù)質(zhì)量?！爸腔鄹咚佟惫こ袒谖锫?lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等較為成熟的新興技術(shù)，在提高道路系統(tǒng)與管理系統(tǒng)的耦合程度與耦合效率方面做出嘗試，以期能達到保障道路運營安全、保證交通運行效率，以及保持用路者舒適的目標。北京新機場高速公路“智慧高速”工程的總體設(shè)計是基于這一邏輯進行的一次實踐。

2 北京新機場“智慧高速”工程設(shè)計實踐

2.1 北京新機場“智慧高速”工程的基本構(gòu)架

在高速公路的傳統(tǒng)設(shè)計中，機電系統(tǒng)主要包括監(jiān)控系統(tǒng)、收費系統(tǒng)與通信系統(tǒng)，道路運營管理部門通過這3個系統(tǒng)對道路運營的具體情況進行管理與維護。實際上，傳統(tǒng)的“三大機電系統(tǒng)”受限于以往的技術(shù)條件，存在一定的缺陷，其運行模式機械割裂，功能性較差，管理者與用路者之間缺乏有效的交互與反饋，分析決策過分依賴管理者的主觀經(jīng)驗。

北京新機場“智慧高速”工程的總體設(shè)計突破了這種傳統(tǒng)設(shè)計方式，設(shè)計了“6+1”系統(tǒng)體系，如圖1所示。將傳統(tǒng)的3個機電系統(tǒng)進行了升級設(shè)計，引入了新的技術(shù)與理念；增加了管控系統(tǒng)、服務(wù)系統(tǒng)以及車路協(xié)同系統(tǒng)，補充傳統(tǒng)設(shè)計中的反饋與交互；基于大數(shù)據(jù)分析技術(shù)構(gòu)建了運行管控中心以實現(xiàn)智慧決策、功能創(chuàng)新與服務(wù)提升。

2.2 傳統(tǒng)機電系統(tǒng)的縱向升級

由于以往的信息技術(shù)發(fā)展局限與硬件水平限制，傳統(tǒng)的“三大機電系統(tǒng)”設(shè)計存在一些客觀缺陷，如監(jiān)控系統(tǒng)收集的信息單調(diào)、割裂且片面，在數(shù)量與質(zhì)量上都不足以作為管理決策的充分依據(jù)；收費系統(tǒng)運行效率低，收費站普遍存在交通瓶頸，嚴重影響交通效率，同時依賴人工的問題仍未得到徹底解決；通信系統(tǒng)對于信息的傳輸信道容量不足，傳輸不連續(xù)，安全性難以保證等問題一直存在。北京新機場“智慧高速”工程基于當下的技術(shù)條件，對傳統(tǒng)的“三大機電系統(tǒng)”固有模式進行了升級。

在機電系統(tǒng)方面，在傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了用于卡口群和移動終端定位等檢測方式的設(shè)備，可采集車輛行駛特征、車流運行特征以及交通事件信息；劃分檢測網(wǎng)格，并安裝多傳感器氣象監(jiān)控設(shè)備，增加探傷設(shè)備和傳感網(wǎng)絡(luò)，用于道路交通設(shè)施的健康監(jiān)測；利用私人通訊設(shè)備進行信令采集，收集駕駛員的實時交通狀態(tài)信數(shù)據(jù)及動態(tài)出行數(shù)據(jù)。這個系統(tǒng)會提供包括環(huán)境數(shù)據(jù)、交通數(shù)據(jù)、音視頻等多樣、全面且海量的信息，作為整個“智慧高速”體系的運行基礎(chǔ)，為大數(shù)據(jù)分析的工作提供保障，同時為管理部門的決策提供有力支持。

收費系統(tǒng)的升級主要體現(xiàn)在使用多方式自由流收費技術(shù)解決交通瓶頸問題。這一技術(shù)包含基于ETC、基于RFID和基于車牌識別3種技術(shù)手段?；贓TC的準自由流收費技術(shù)在傳統(tǒng)ETC技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過線上處理驗證無效事件的方式，將收費結(jié)算步驟置于放行之后[18](圖2)，使得ETC車輛可以僅進行小幅減速即完成收費通行，減小了通行效率折損。

圖2 傳統(tǒng)ETC與基于ETC的準自由流收費的工作流程

RFID技術(shù)則是通過在道路主線上間隔設(shè)置RFID設(shè)備,實施分段開放式不停車收費。車輛無須減速,以正常行駛速度完成收費工作。車牌識別技術(shù)與RFID技術(shù)的設(shè)備布設(shè)方式相似，但不通過RFID設(shè)備，而是對車牌進行識別，并從車主的移動賬戶中扣除費用。3種方式均可以有效減少停車收費產(chǎn)生的通行效率損失，提高交通效率與用路者的舒適度。

通信系統(tǒng)的設(shè)計滿足了“智慧高速”工程對通訊方式、數(shù)據(jù)量及通信效率的更高要求，使用了增強型SDH干線傳輸系統(tǒng)和10GE等級的OLT設(shè)備與ONU設(shè)備的光纖數(shù)字系統(tǒng)技術(shù)方案；增加了可用于WEB網(wǎng)絡(luò)電話會議、應(yīng)用共享與電子白板等功能的軟、硬件。同時設(shè)計了網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)，包括流量監(jiān)控功能、可信認證功能、網(wǎng)絡(luò)割接功能、信令匯聚功能、雙鏈接自動切換功能等。通信系統(tǒng)的設(shè)計兼顧高效與安全兩個目標，為“智慧高速”系統(tǒng)的運行提供了良好的“容器”。

北京新機場“智慧高速”工程傳統(tǒng)的“三大機電系統(tǒng)”設(shè)計，利用了當下較為成熟的新理論技術(shù)與新型設(shè)備，在解決了傳統(tǒng)意義上本系統(tǒng)內(nèi)部存在的某些難題的基礎(chǔ)上，為“智慧高速”系統(tǒng)的整體運行提供了平臺與資料。

2.3 新型智慧系統(tǒng)的橫向增構(gòu)

管控系統(tǒng)、服務(wù)系統(tǒng)與車路協(xié)同系統(tǒng)，是北京新機場“智慧高速”工程在傳統(tǒng)機電系統(tǒng)之外橫向增構(gòu)的3個新型交互系統(tǒng)。

圖3 調(diào)度指揮子系統(tǒng)

管控系統(tǒng)利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)對前端感知設(shè)備采集的信息進行融合、處理、分析，從而給出管控指令或決策依據(jù)，包括指揮調(diào)度系統(tǒng)、動態(tài)限速系統(tǒng)、匝道控制系統(tǒng)、消冰除雪系統(tǒng)等子系統(tǒng)。指揮調(diào)度系統(tǒng)(圖3)主要應(yīng)對特殊交通事件的應(yīng)急處理，通過“智慧高速”相關(guān)設(shè)施進行資料收集、快速分析、準確決策與合理響應(yīng)，從而使應(yīng)急風(fēng)險降低，應(yīng)急效果增加；動態(tài)限速系統(tǒng)、匝道控制系統(tǒng)、消冰除雪系統(tǒng)3個系統(tǒng)可以在對交通環(huán)境評估后，快速發(fā)出管控指令，并直接通過物聯(lián)網(wǎng)執(zhí)行決策，以改善道路安全水平與通行條件。這一系統(tǒng)體系可以直接完成道路運行的“智慧”控制，或幫助管控人員高效地處理特殊復(fù)雜的交通事件，快速決策，減少誤判。

服務(wù)系統(tǒng)使用了較為先進的服務(wù)技術(shù)，如智能停車服務(wù)與新能源車服務(wù)等，并且在服務(wù)區(qū)建立了信息港，提供道路信息、機場航班信息與市內(nèi)交通信息等。就目前而言，服務(wù)系統(tǒng)的內(nèi)容仍不夠豐富，其主要原因在于“智慧高速”產(chǎn)業(yè)發(fā)展伊始，理論與實踐均需要進一步發(fā)展。服務(wù)系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)備補設(shè)難度較小、成本較低，在運營過程中根據(jù)服務(wù)需求與技術(shù)發(fā)展隨時補充是合理的辦法。

車路協(xié)同系統(tǒng)主要包括合流預(yù)警系統(tǒng)、交通事件預(yù)警以及霧區(qū)引導(dǎo)系統(tǒng)。合流預(yù)警系統(tǒng)通過在合流段埋設(shè)地磁傳感器收集交通數(shù)據(jù)，分析潛在的事故，并設(shè)置LED顯示屏進行預(yù)警；交通事件預(yù)警技術(shù)通過信息顯示系統(tǒng)對事故上游車輛進行預(yù)警，引導(dǎo)其提前減速避險；霧區(qū)引導(dǎo)系統(tǒng)通過車載傳感器、衛(wèi)星定位系統(tǒng)，采集車輛運行軌跡，提供預(yù)警與引導(dǎo)功能。車路協(xié)同技術(shù)正處于實踐的初步階段，受當下車輛功能的限制，其發(fā)展空間仍需進一步拓寬。

在傳統(tǒng)高速公路運營管理工作中，受技術(shù)條件的限制，道路設(shè)施對與駕駛員的引導(dǎo)是靜態(tài)、脫節(jié)的，管理部門對交通事件的管控與道路安全隱患的處理嚴重依賴人工，反應(yīng)滯后且效率較低。而橫向增購的3個新型智慧系統(tǒng)，可以高效輔助管理人員決策，快速進行管控指令的擬定與執(zhí)行，動態(tài)調(diào)整管控措施與信息引導(dǎo)，增強了道路系統(tǒng)與管理系統(tǒng)的內(nèi)外耦合，體現(xiàn)出相對傳統(tǒng)公路運管模式的較大優(yōu)越性。

2.4 大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的技術(shù)支撐

大數(shù)據(jù)處理中心是整個“智慧高速”體系的核心，其主要工作分為數(shù)據(jù)匯集與數(shù)據(jù)處理2個步驟。數(shù)據(jù)匯集通過收集內(nèi)部數(shù)據(jù)與外部數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)清洗與整理，形成規(guī)范的數(shù)據(jù)目錄。數(shù)據(jù)處理方面根據(jù)實際選取的數(shù)據(jù)存儲技術(shù)，對數(shù)據(jù)進行深度挖掘，實現(xiàn)批量與實時的數(shù)據(jù)處理分析，用以提取對高速公路運管工作有幫助的資料。大數(shù)據(jù)處理中心同時具備交通仿真能力，用以輔助制定決策?！爸腔鄹咚佟斌w系的基本邏輯，即 “感知、分析、管理、服務(wù)”中，大數(shù)據(jù)中心幾乎承擔(dān)了“分析”這個核心階段的所有任務(wù)。

北京新機場“智慧高速”工程設(shè)計，縱向上升級了傳統(tǒng)高速公路機電系統(tǒng)，使其有解決傳統(tǒng)高速交通難題與承擔(dān)“智慧高速”運營需求的能力，橫向增構(gòu)了3個具有強大交互能力、快速反應(yīng)能力和自動執(zhí)行能力的新型智慧運管系統(tǒng)，同時設(shè)計了承擔(dān)分析任務(wù)的大數(shù)據(jù)中心作為驅(qū)動。這一總體設(shè)計作為中國智慧高速的一次實踐是非常有價值的，投入運營后，將為智慧高速理論研究提供寶貴資料。

2.5 監(jiān)控系統(tǒng)

新機場高速作為北京市未來重要的交通干線動脈，在新機場建成以后將承擔(dān)迅猛增加的交通量。本次監(jiān)控系統(tǒng)通過完善信息采集，在傳統(tǒng)的監(jiān)控手段基礎(chǔ)上，通過卡口群和移動終端定位檢測等方式實現(xiàn)面向個體特征及道路交通狀態(tài)的系統(tǒng)監(jiān)控，通過給傳統(tǒng)氣象檢測系統(tǒng)加裝傳感器網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)道路運行環(huán)境的全面采集，通過探傷車的周期巡檢和傳感網(wǎng)絡(luò)長期檢測實現(xiàn)道路交通設(shè)施的健康監(jiān)測，并且可以實現(xiàn)斷面交通流量、車輛信息、手機信令、交通環(huán)境、橋梁健康的自動采集和檢測，如圖4所示。

3 關(guān)于“智慧高速”工程設(shè)計的探討

3.1 “智慧高速”工程設(shè)計的內(nèi)在邏輯

“智慧高速”工程設(shè)計的內(nèi)在邏輯是借助新技術(shù)與新手段，解決傳統(tǒng)高速運營管理過程中觀測、分析、決策、執(zhí)行與服務(wù)的時效性與有效性難題。

圖4 監(jiān)控系統(tǒng)框架

在傳統(tǒng)高速的運管工作中，存在觀測對象與指標單一，觀測區(qū)域覆蓋面不足，對交通事件的觀測有時需要依靠報警與非事件地的交通流異常等問題，管理部門難以及時得到全面、有效的信息。由于缺乏有效、快速的分析工具，管理人員的決策缺乏充分依據(jù)，其決策水平易受個人能力、經(jīng)驗與主觀因素的影響。由于道路系統(tǒng)的功能限制，決策執(zhí)行幾乎完全依賴路政隊伍與交管隊伍，人力、物力及時間成本較高，且在處理過程中對道路通行效率產(chǎn)生不可忽視的影響。在服務(wù)過程中，往往僅考慮用路者的必要需求，供給結(jié)構(gòu)僵化。上述的幾項工作存在從前到后的邏輯關(guān)聯(lián)，前序工作會影響到后續(xù)工作的水平，從而使得整個運營管理工作存在不及時、效果差的問題，這與以安全性與通過性為運營要求的高速公路設(shè)施的運營目標是相悖的。如何通過前沿的理論與技術(shù)手段，提高這一工作序列的時效性與有效性，從而保證高速公路運營安全、通行高效、服務(wù)到位，是“智慧高速”工程設(shè)計應(yīng)該著重思考的邏輯問題。

3.2 “智慧高速”工程設(shè)計的時代要求

當下對于“智慧高速”工程設(shè)計而言是較為特殊的時代，信息科學(xué)發(fā)展進入了新的階段，大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等大批新技術(shù)方興未艾，利用這些技術(shù)，高速公路設(shè)施的交通貢獻與服務(wù)能力可以得到質(zhì)的提升。如何盡可能融合新技術(shù)、新設(shè)備，以利于高速公路設(shè)施的“智慧化”，是對于“智慧高速”工程設(shè)計先進性的時代要求。

同時，智慧高速公路系統(tǒng)是基于交通工程、人因工程、車輛工程、通訊工程等多學(xué)科共同發(fā)展的成果，并且與這些學(xué)科共處于一個不斷的完善與發(fā)展的進程中。在這個進程中，新的“智慧高速”技術(shù)的可能性十分廣泛，例如將基于剎車轂性能的安全預(yù)警理論[19]嵌入駕駛輔助系統(tǒng)引導(dǎo)安全駕駛、利用基于速差的通行效率與安全的關(guān)系理論對交通流進行監(jiān)控與管理等，新的綜合理論將會更加智慧，能夠更好地融入“智慧高速”的設(shè)計。而為這些理論預(yù)留空間，使進一步的智慧改造和智慧升級具備可操作性，是對于“智慧高速”工程設(shè)計前瞻性的時代要求。

4 結(jié) 語

智慧交通是交通行業(yè)發(fā)展的引擎，加快運用現(xiàn)代科學(xué)和信息技術(shù)、提升交通運輸現(xiàn)代化水平，是發(fā)展“智慧高速”的必要條件。高速公路作為交通運輸行業(yè)信息化、智能化發(fā)展程度最高的領(lǐng)域之一，率先運用智能交通手段，踐行“四個交通”發(fā)展，實現(xiàn)智慧高速系統(tǒng)是行業(yè)信息化的必然?！爸腔鄹咚佟惫こ痰脑O(shè)計理論與方法尚處于摸索階段，但其設(shè)計核心仍然集中在融合新型的信息技術(shù)，增強道路系統(tǒng)與運管系統(tǒng)的各部耦合，使得道路運營信息可以被全面掌握、準確分析、正確決策、高效執(zhí)行以及為用路者提供高水平服務(wù)。

北京新機場“智慧高速”工程建立了“6+1”系統(tǒng)體系框架，并以大數(shù)據(jù)分析為支撐構(gòu)建運行管控中心實現(xiàn)智慧決策，實現(xiàn)道路的“可視、可測、可控和可服務(wù)”，這一設(shè)計是智慧高速理論發(fā)展過程中的一次有益的探索，可為后續(xù)智慧高速公路的發(fā)展和建設(shè)提供重要參考。未來，將結(jié)合國家對智慧交通發(fā)展的政策、標準和技術(shù)研發(fā)等方面對智慧高速公路設(shè)計、實踐進行更加深入的研究，以期為智慧高速公路的全面推廣提供強有力的支撐。