現有高速公路智慧化提升改造方案

摘要：智慧高速公路是新一代智能交通系統(tǒng)的重要組成部分和體現形式，基于現有高速公路進行智慧化提升改造是一種可行的智慧高速公路構建技術路線。本文圍繞智慧高速公路的建設問題，首先提出了高速公路智慧化提升改造目標，然后提出了一種智慧高速公路總體架構，最后闡述了以全息數字感知系統(tǒng)、無線通信網絡、高精度定位服務和高精度地圖等基礎能力建設為主的現有高速公路智慧化提升改造方案。

基金項目：國家重點研發(fā)計劃項目（2019YFB1600100）；浙江省重點研發(fā)計劃項目（2020C01057）

在當前世界范圍內，智慧高速公路正處于探索和發(fā)展階段，其概念和內涵沒有統(tǒng)一的定義。綜合國內外在智慧公路建設發(fā)展方面的探索，筆者認為：智慧高速公路是由道路基礎設施、道路感知設備、路側通信及邊緣計算設備、交通管理服務及控制設施等要素組成的，面向傳統(tǒng)汽車及不同等級的自動駕駛汽車，集成應用先進的感知技術、網聯(lián)技術、計算技術、控制技術等的新一代高速公路，是新一帶智能網聯(lián)交通運輸系統(tǒng)在高速公路應用的重要落腳點[2]。

目前我國智慧高速公路的建設主要有兩種可行性較強的思路：一種是直接面向不同等級的自動駕駛汽車與非智能化汽車的混合運行及管控需求，設計較為完善的智慧高速公路建設方案，基于新建高速公路開展智慧高速公路的建設；第二種是在已有高速公路的基礎上，面向低等級自動駕駛汽車與非智能化汽車的服務及控制需求，設計高速公路智慧化提升改造方案，逐步推進現有高速公路的智慧化提升工作，并開展新一代國家交通控制網和智慧公路試點?？紤]到目前智慧高速公路并沒有完善的體系架構，直接將待建高速公路建設為完善的智慧高速公路難度較大，因此利用現有高速公路進行逐步遞進的智慧化提升改造，同時為我國智慧高速公路建設探索出一條可行的技術路線成為目前的重要思路。

（1）基于車路協(xié)同技術、貨車編隊行駛技術、客貨分離管控技術等實現改造路段選路段道路通行效率提升；

（2）構建基于路側全息感知及遠、中、近程多模式車路融合通信的車輛自由流收費模式；

（3）基于高精度定位、輔助駕駛、車路協(xié)同技術的綜合應用，緩解冰雪雨霧等特殊天氣的影響，實現高速公路環(huán)境下的“全天候”快速通行；

（4）構建車車、車路協(xié)同式交通安全系統(tǒng)，建設路網運行安全云控平臺和應急指揮調度與處置系統(tǒng)，提高高速公路運行的安全性。

（一）完善智慧道路基礎設施的建設

面向智慧高速公路運行需求，擴容高速公路光纖通信網、供電網，充分預留網絡節(jié)點；建設面向多種用途的路側立桿、龍門架、戶外機柜；部署蜂窩通信基站、路側雷達、智能相機、LTE-V/5G-V2X/DSRC車聯(lián)網路側節(jié)點、路側邊緣計算服務器，以及各類交通流檢測器、氣象檢測器、北斗定位差分站、網聯(lián)可變交通標志及可變情報板、智能道釘及面向低能見度天氣的智能行車誘導裝置，最終形成全覆蓋的傳感、通信、誘導、控制網絡。

（二）構建智慧高速公路云控平臺

智慧道路基礎設施建設的推進將有效提高高速公路交通信息采集能力，并通過相關誘導設施、控制設備提升對行車車輛的誘導、管控水平，上述目標的實現依賴于一體化智慧高速公路云控平臺的建設，云控平臺匯聚、融合、分析處理高速公路全線各類交通服務對象及交通狀況形成的各類數據，實時面向交通不同層級和不同應用的控制決策，從而對高速公路本地、通道以及網絡不同層級交通運行系統(tǒng)實施精準控制，支持不同等級的自動駕駛汽車協(xié)同運行，保障自動駕駛專用道的可靠管控及模式切換，誘導傳統(tǒng)車輛“全天候”高效運行[4]。

（三）構建各類先進交通服務

面向公眾提供可靠的先進交通服務是對現有高速公路進行智慧化提升改造的首要目標，在智慧道路基礎設施和智慧高速公路云控平臺的基礎上，利用新技術、新手段，面向新用戶，實現并提供多種先進、無縫覆蓋的交通服務，包括貨車自動駕駛編隊行駛、多模式自由流收費、行車預警與控制、可靠交通信息服務、多模式精準道路感控、自動駕駛專用道管控等，此外可面向公安部門提供各類異常交通事件的快速處置服務等。

（一）高速公路全息數字感知系統(tǒng)建設

面向人車路環(huán)境的智慧高速公路全息數字感知能夠為管理部門和各類交通參與者提供道路、交通、車輛、氣象等各類交通狀態(tài)信息，健全高速公路基礎設施基礎數據，進而實現高速公路全路段、多層次的數字化建設，是實現智慧高速公路高精準行車管控、道路基礎設施全生命周期監(jiān)管及養(yǎng)護服務的關鍵。

具體內容應包括以下方面：

1、車輛運行狀態(tài)感知，利用運行車輛車載終端與路側設備V2I通信傳輸及路側攝像機/雷達采集各類車輛運行狀態(tài)數據，如車輛身份信息、位置信息、速度信息、異常行為等；

2、交通環(huán)境狀態(tài)感知，利用遙感路面狀態(tài)檢測器、道路氣象站、氣象傳感器感知路面積水、積雪、結冰厚度等路面狀況和檢測路段內的溫度、濕度、風速降雨、降雪、霧霾等氣象狀況；

3、道路健康狀態(tài)感知，利用裂縫、振動、溫度、位移、應變等傳感器，構建道路及橋梁健康狀態(tài)感知子系統(tǒng)，實現對道路、橋梁全段的健康狀態(tài)的感知。

滿足上述感知需求的設備有交通流檢測器、交通事件檢測器、路面檢測器、氣象檢測器、路側雷達等，一般部署于高速公路兩側立桿或橫跨道路的龍門架上。提升改造過程中應充分利用現有設備進行合理化的增量增配，完成原有系統(tǒng)和新建系統(tǒng)的一致化融合，系統(tǒng)地完成高速公路全息數字感知系統(tǒng)地構建。

（二）泛在互聯(lián)的無線通信網絡建設

為滿足高速公路全息數字感知、精準行車管控、網聯(lián)自動駕駛車輛及車路協(xié)同應用的實際需求，在高速公路智慧化提升改造過程中，除需要對高速公路沿線全程覆蓋骨干光纖通信網絡進行擴容、增配外，應著力建設多模式、全覆蓋的無線通信系統(tǒng)，包括5G-V2X、LTE-V、DSRC等各種標準化的車聯(lián)網通信技術和5G、4G-LTE、Wi-Fi等移動通信/無線通信技術，在相關通信基站、車載終端、路側設備的支持下，為高速公路上的車輛、人員和設備設施等提供具有可靠質量保證的網聯(lián)通信服務[5]。其中不同類型的無線通信網絡設備的部署應根據不同交通服務可靠運行所需傳輸的數據類型、體量及其無線傳輸要求來開展，以在盡量減少相關設備部署數量的情況下，發(fā)揮最大效用；此外應適當預留節(jié)點、空間，滿足系統(tǒng)演進、升級的需求，同時提升基礎設施的復用率。

（三）高精度定位服務系統(tǒng)建設

高精度定位服務是為各類路側設備、運行車輛及乘客提供高精度定位信息與授時功能、可靠導航定位服務的基礎系統(tǒng)，如面向自動化道路養(yǎng)護車輛提供厘米級的高精度定位服務，面向不同等級的自動駕駛車輛提供不同定位精度的定位信息，采集“兩客一?！避囕v的實時高精度軌跡信息，支持面向自動駕駛應用的高精度地圖的實時生成，支持高速公路全息數字感知數據的精準采集等。

考慮到智慧高速公路各類業(yè)務系統(tǒng)運行的安全性與可靠性，應主要在高速公路部署我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)地面增強站，此外應充分利用部署的各類V2X基站構建基于V2X的多模式定位服務，同時在云控平臺內構建、部署定位數據處理系統(tǒng)和定位服務應用系統(tǒng)，針對不同的用戶對象提供不同精度與頻率的定位服務。

（四）高精度地圖系統(tǒng)建設

除普通導航地圖可以提供的二維地圖信息外，高精度地圖可以為自動駕駛車輛提供路面坡度、護欄高度及標志/標線/立桿的位置、顏色等更豐富的三維地圖信息和更加精確的定位信息，是自動駕駛汽車、各種車路協(xié)同應用和先進交通信息管理與服務應用可靠運行的重要保障[6]。此外，可靠的高精度地圖可以有效提升道路管理部門對道路及各類附屬交通設施的養(yǎng)護管理水平，實現道路的精細化管理。

基礎高精度地圖的制作應由具有測繪和地圖制作資質的第三方單位完成，并在智慧高速云控平臺、高速公路邊緣計算機、路側設備等分層次部署地圖數據。然而高精度地圖數據由動態(tài)和靜態(tài)數據構成，動態(tài)數據由實時路況數據、交通事件數據等組成，靜態(tài)數據包括交通設施數據、道路數據以及車道數據等。因此可靠的高精度地圖數據有賴于基于高速公路動態(tài)變化數據的高精度地圖數據實時維護，相關的動態(tài)維護數據由高速公路全息數字感知系統(tǒng)采集的數據作為支撐，由邊緣計算機整合處理，再由路側設備或云控平臺發(fā)布。