智慧高速信息化系统构成浅析

蔡权慧

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司;公路交通节能环保技术交通运输行业研发中心,安徽 合肥 230088)

1 智慧高速信息化系统建设的需求

随着高速公路建设里程的不断增加，路网化运营趋势越来越明显，作为交通运输行业主管部门，需要准确掌握交通运输宏观信息，如高速公路网的整体运行状况、交通运输系统中的结构特征等；作为道路运营管理部门，面临运营和安全的压力越来越大，肩负着全线路产路权维护、设备维护、交通运行状态及时获取、阻断信息报送等责任，需要为管理人员建设具有分析决策大脑作用的智慧信息化公路，有助于辅助其开展日常、应急条件下的各项工作；作为高速公路普通用户，在面对由于出行而增加交通压力的情况下，智慧信息化高速就是要保证高速公路正常运行的同时能够为人们提供安全、便捷、高效、人性化的出行服务。

2 智慧高速信息化系统建设的目标

智慧高速运用互联网+、人工智能等先进适用技术，实现高速公路高效管理，通行效率显著提升，公众信息服务更加便捷。主要实现：

智慧设施：包括公路、桥梁、隧道、交通工程及附属设施等基础设施具备多维感知能力，能够实现彼此间的信息交互、互联、互通和自动控制，并与载运工具、交通参与者实现协同联动，能够主动检测路网运行异常，及时上报道路拥堵、设备故障，为公路交通安全和高效通行提供数据支撑。

智慧决策：实现新一代信息新技术与高速公路行业的深度融合，围绕公路交通安全、舒适、高效的通行能力以及日常运维管理的智能化，实现主动预测、自动处置、快速响应、品质服务，全面提升以人为本的智慧高速公路决策水平。

智慧管控：基于路网运行的全面感知能力，实现人、车、路的一体化运行监测，第一时间发现公路通行异常，实现车路协同、区域路网协同管理等智能应用。

智慧服务：通过人、车、路互联互通，及时联网发布跨区域交通信息及事故信息，提高高速公路信息化服务水平和质量，包括动态路径导航、实时路况发布、个性化出行、交通分析等。

3 智慧高速信息化系统建设思路概况

在传统监控设施、收费设施、通信设施、照明设施的基础上，以高速公路大数据挖掘与综合利用为核心，以“准全天候、精准化”的出行服务和“科学决策、智能管控”的综合管理为主线，充分利用短程通信、5G、云计算、大数据、人工智能等新一代信息技术，以及北斗高精定位设施、路侧智能基站、智能设备机箱、高性能服务器、混闪存储、无人机、模块化机房、智能诱导边缘标等新装备，构建高速智慧信息化交通体系，提升高速公路行车速度、恶劣气象通行能力、车路协同、绿色节能四个方面的服务水平，并为远期做好预留。

构建全方位的智能监控系统、融合通信系统、无感知收费系统、数字化系统、协同系统、高效智能化服务系统、智慧照明系统7大系统+1个全局动态交通管理平台。

构建基于边缘计算的全方位跟踪检测雷达监测与事件分析、车速实时反馈及辅助车辆特征识别系统、运行环境监测感知、车载移动视频、基于互联网地图的公路实时路况信息采集系统、信息服务系统的全方位的智能监控系统体系，实现高速公路运行状态、环境状态、设备设施安全运行状态智能感知。

构建三维覆盖、多元一体、层级和作用有机结合的融合通信体系，实现光纤数字传输网、短程通信专网、无线宽带走廊3大网络融合，提供平战结合、车路协同、稳定可靠的传输通道。

构建基于电子不停车快捷收费(ETC)、辅以车牌图像识别、多种支付手段融合应用的收费体系。

构建高速公路基础设施、交通工程设施、交通管理设施的数字化体系,加强GIS数据的采集与更新维护，可实现公路管理业务与GIS的全面融合，GIS数据质量基本满足管理与公众服务需求。

构建北斗高精度定位系统，为自动驾驶车辆提供高等级定位、授时服务，以及为普通用户提供精准定位与授时功能。

构建协同系统，实现人、车、路的信息交互，提供面向恶劣气象条件的准全天候通行条件。

构建高效智能化服务系统，打造服务区五位一体综合交通枢纽系统。

构建智慧照明系统，用于提高高速公路的行车环境，减少安全事故，同时能够为智能驾驶车辆夜间运行安全性提供保障。

构建1个全局动态交通管理服务平台，实现交通运行状态监测与态势评估、应急指挥调度、交通信息发布服务、公众信息对接、四维实景仿真。

4 系统详细介绍

4.1 全方位的智能监控系统

在统筹考虑监控设施设置的沿线监控设备基础上，构建地空天立体化的多元智能感知网，通过互联网共享周边路网运行状态、气象等信息，实现高速公路运行状态感知、路网环境状态感知和设备设施安全运行状态感知。建设智慧高速BIM模型，实现沿线机电设施(如摄像机、可变信息标志、智能路侧设备等)的信息化、数字化和可视化管理传统的感知体系以自建信息化设施为主，投入较大，但效果不能得到有效保证。为节约投资，同时获取最佳使用效果，自建高速的部分采集系统，并充分利用互联网地图和第三方数据资源，建立功能完善的智慧感知体系。自建系统以视频采集为主(包括路侧、车载等不同监控手段)，根据实际建设效果的需要，辅助以必要的卡口检测设备、气象检测设备、视频事件监测设备和交通流检测设备；互联网地图、来自第三方的气象信息及货运车辆轨迹信息同自建系统采集信息有效结合，实现对高速基础设施及沿线附属设备的基本信息、变化情况的全面掌握，实现对公路路网动态运行状况的全面监测。

4.2 融合通信

构建多网融合、三维覆盖、多元一体的融合网络体系，是指面向高速公路人、车、路或物、环境等多种元素通信需求，结合公、专网建设涵盖光纤数字传输网、短程通信专网、无线宽带走廊等3大网络，3大网络相互融合、互为补充、各施所长，构成层级和作用有机结合的体系，作为高速公路智能化运营的可靠基础，为海量数据稳定传输、车路协同式自动驾驶、设备(设施)互联互通和应急传输提供可靠保障，这便是融合通信中的网络接入及承载网建设。在控制管理层，通过整合信令及媒体格式，打造全媒体融合调度系统。

4.3 无感知收费系统

按照取消高速公路省界收费站总体技术方案的要求，高速公路原则上在每个互通立交、入/出口之间均设立ETC门架系统，实现ETC车辆和MTC车辆分段计费，对于ETC车辆生成交易流水、通信记录和抓拍图像信息，并及时上传至省联网中心；对于MTC车辆，通过读取CPC卡内车辆信息，计算费额并写入CPC卡内，形成通行记录，并同抓拍图像信息及时上传至省联网中心。可以实现基于ETC技术为主、车牌视频识别技术为辅的自由流收费。

为补充恶劣天气等对车牌识别的影响，在ETC门架设置车辆检测定位系统。

4.4 协同系统

车路协同与自动驾驶体验系统总体功能为:主要依托于车-路通信系统、北斗高精度时空服务系统及相应的后台功能软件或服务，辅以各类路侧智能感控、多网融合通信系统、云计算数据中心等系统，实现各类车路协同典型应用并支持自动驾驶体验，从而满足以提高安全与效率为目标的精准控制与信息服务需求，并支持高速公路智慧交通功能的后续升级与扩展。

车路通信系统将采用前端+后台的系统架构实现，车路通信系统的前端包括:车载通信设备、路侧通信设备和边缘计算设备。车载通信设备部署与车辆内部或其他移动载体上，与路侧通信设备通过LTE-V直连通信模式(即PC5模式)实现数据交互；路侧通信设备与边缘计算设备部署在高速公路两侧或中央隔离带区域，通过高速公路光纤接入网与后台系统连接。实际应用中,边缘计算设备主要负责其所协同管辖范围内的多个路侧通信设备，同时根据工程具体情况考虑并行接入监控系统部分路侧设备关键数据，辅助实现车路协同与自动驾驶体验服务。

车路协同应用系统是一套针对各项车路协同场景应用的软件功能模块集合。各个软件功能模块以车路通信系统、北斗高精度时空服务系统、高精度数字地图系统提供的数据为基础，辅助使用监控系统提供的部分信息数据，通过数据筛查、数据融合等信息处理技术，实现典型车路协同应用场景下面向行车安全与效率提升的车路协同应用，同时为更复杂的智能驾应用提供业务基础功能。

4.5 BIM+GIS+高精度数字地图数字化综合管理平台

BIM 是基础设施物理和功能特性的数字表达，可以实现从建设到养护到拆除全寿命周期的信息共享，GIS 是在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层(包括大气层)空间中的有关地理分布数据进行采集、存储、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统；BIM 专注于基础设施自身，而GIS 专注于基础设施外部环境信息。BIM+GIS 技术的组合，实现了基础设施内外部的整合。

全线基础设施、附属设施、交安设施、机电设施等，建立LOD300级的精细化BIM 模型，通过倾斜摄影技术获得高速公路的地膜、工程主体250 m 范围内的建筑物及周边环境的三维实景GIS 模型，建立三维高精度地图，结合重点基础设施的健康监测、例行检查、视频监控等感知手段，搭建运营养护阶段的基础设施综合管理平台，可应用于电子沙盘、结构安全状态评价、智能预警、养护决策、养护资金管理、养护人员管理、大数据分析等功能。

高精度数字地图可覆盖主线全线，包括线路内的全部要素信息和线路周边与通行相关要素信息，为高速全线道路与基础设施装备的数字化提供支持。数据采集依赖于高精度时空精准服务系统，因此高精度数字地图的制作应在高速公路土建工程完工、高精度时空精准服务系统建设完成之后进行。

4.6 高效智能化服务系统

在服务区设罝各类传感器，收集停车位、厕位、加油车位、充电桩、周边地区实时及预祁气象等信息，依托物联网.通过分布在服备区内的指示牌、显示屏和液晶显示器等及时反馈给出行者；结合视频分折、大数据、人工智能，分折车辆、人员迸出服务区的统计和流向，针对出行者餐饮、加油、如厕等不同的目标和需求提前准备相应配套设施的资源，一旦出现客流车流高峰，自动生成调度方案，对出行者进行引导，确保服务区接待能力；根据不同的天气、时间段和基础设施的使用率，提供不同的亮化景观、智慧照明和背景音乐，同时服务区WIFI全覆盖，实现服务区场区和建筑内的人性化设置与节能控制。通过上述措施，打造出“会思考、有智慧”的服务区，使整个服务区高效有序的运营。

4.7 智慧照明

智慧照明三个核心的方式：LED 路灯的控制、巡检和调光，以智慧照明的角度对智慧高速做支撑。传统的智慧照明仅仅能实现高速公路照明的控制，巡检及调光，对于智慧城市建设所需要的物联网系统、大数据等的支撑能力有限。路灯和灯杆在高速公路上密集分布，具有方便组网、取电的优势，将来成为智慧高速建设的感知层的数据载体。

智慧路灯通过大范围连续获取关键电网运行参数，帮助高速公路管理部门评估供电质量。同时，通过这些公开数据，电网管理者能够快速获悉断电情况，加快故障恢复过程。

4.8 全局动态交通管理平台

路网综合管理系统：针对日常管理及应急指挥的需求，建设交通运行状态监测与态势评估系统，应急指挥调度系统，实现日常运行管理和协调调度，高速公路突发公共事件情况下的应急处置、应急事件查询、应急物资和应急人员指挥调度等功能网络安全系统：根据“一个中心”管理下的“三重保护”体系框架，构建安全机制和策略，形成本系统的安全保护环境。该环境分为四部分：安全计算环境、安全区域边界、安全通信网络、安全管理中心和安全智能终端。每部分由1个或若干个子系统(安全保护部件)组成，子系统具有安全保护功能独立完整、调用接口简洁、与安全产品相对应和易于管理等特征。安全计算环境可细分为节点子系统和典型应用支撑子系统；安全管理中心可细分为系统管理子系统、安全管理子系统和审计子系统。

软硬件支撑系统：智能高速公路的实施依托多方面的支撑，首先建设扁平化、分级授权和安全的数据链系统，包括由区域分布式云中心、本地小型数据中心联合组成智能高速公路云软硬件系统，云安全系统以及数据管理系统。

5 结束语

智慧高速信息化系统涉及范围广泛，并不仅仅局限于以上子系统，系统的完善还有赖于技术的发展和进步。目前智慧高速信息化系统的发展虽然仅是起步试验阶段，很多子系统也有待完善、补充、落地，但是这将是未来十年内的一个发展方向，因此目前正在建设项目在综合考虑近期机电工程建设的同时，应注重远期综合规划，按照“一次设计，分期实施”的原则进行综合规划。近期工程建设在土建、管线、光缆、供电等基础性设施上要为远期智慧交通信息化建设预留充足的发展空间，传输设备、数据中心平台建设需满足后期专项工程接入的需求，智慧交通信息化系统应结合远期规划，紧跟技术发展，成熟一个实施一个，对整体机电工程进行完善和提升。