多维度论证

赛文交通网 智能交通 智慧公路

编者按：12月14日，在河北省智能交通协会联合赛文交通网举办“河北省高速公路智慧化探索与实践”线上研讨会上，石家庄铁道大学智能交通系副主任康学建作了《河北省智慧高速发展现状与技术发展趋势研究》主题报告。

该报告重点阐述了智慧高速的发展目标及建设重点，从数字孪生管控、路网运行精准感知、边缘云一体化稽核及全栈式车路协同等维度论证智慧高速的技术发展趋势。

1智慧高速发展现状

党的十九大报告提出建设交通强国，党中央、国务院先后印发《交通强国建设纲要》《国家综合立体交通网规划纲要》，把交通强国提升到了国家发展的战略角度，对交通行业的发展起到了巨大的推动作用。

在政策的助推下，河北、浙江、湖南、山东等省份结合自身特色，务实拓展试点内容，积极推进智慧公路试点建设工作，为智慧高速建设提供了新思路、新技术、新场景，为推动智慧高速落地实施加强了示范引领。

什么是智慧高速？智慧高速与高速的信息化、智能化有什么区别？这是我们首先需要弄清楚的问题。结合国内外的研究，新一代的智慧高速公路是利用先进的科技手段和管理模式来提升高速公路的运行效率，安全性和服务质量。

这里提到的先进技术手段，包括但不限于全息感知、自动驾驶和智能交通控制等相关技术，目的是为了实现高速公路的自动化管理和智慧化运营，为行车安全和交通流畅提供强有力支撑。

智慧高速的构建内涵主要分为四个层次，即广域全息感知、数字孪生刻画、车路协同应用和高效可信通讯。其中广域全息感知是基础，数字孪生刻画是途径，车路协同是应用，高效可信通讯是关键，四者缺一不可。

智慧高速的系统架构依据其包含逻辑功能、物理实体和应用类型可分为逻辑架构、物理架构和应用架构三部分。逻辑架构描述了智慧高速系统的功能模块和交互逻辑，是智慧高速系统的决策模块；物理架构解释了智慧高速系统的物理构成、数据模式和信息链路，是执行模块；应用架构解释了智慧高速系统的实际应用工程应用类型，是应用模块。

智慧高速的系统架构主要从三方面对传统的智能高速系统进行了提升。一是打通了底层感知数据链路，将离散化的数据采集方式转化为系统化的广域全息感知。依照数据属性对其进行分类与融合。

二是通过数字孪生技术连通底层感知与上层应用，建立面向功能需求的数字刻画与分析处理平台，从而可以依据不同阶段的需求调整与设计不同的功能模块提升系统的可持续性与普适性。

三是从车路协同、运营管理等角度展开智慧高速顶层应用，提高智慧高速管理的全面性与可靠性。

当前，世界各国对于智慧高速的研究和发展都十分重视。美国在21世纪初期就开展了相关工作，在弗吉尼亚州开展的智慧公路项目是美国公路设施智能化的重要里程碑，其将设施性能监测、能源回收自动驾驶等技术进行整合，打造了一段约3.54km的智慧道路，并在2016年提出了智慧交通走廊等概念。

日本自20世纪90年代开始开展大量智能交通系统研制工作，2006年发布的Smart Way公开测试成为了世界范围的智慧公路标杆。目前，日本已在全国范围内形成统一规范标准，明确了以车路通讯为基础的智慧公路建设方向。

欧洲强调跨国高速公路信息系统无缝对接及可持续发展，重点打造欧洲数字交通走廊。在20世纪中旬，欧洲开启智能道路基础设施研究，主要从绿色、安全、可持续角度出发，包括著名的“尤里卡”计划Easyway项目等。

中国当前智慧高速公路建设主要从伴随式信息服务、自动驾驶辅助以及精细化养护运营3个方面展开。2020年上海、江西、河北、湖北等多个省市加快推动新一代智慧高速公路、智慧高速特管区、5G智慧高速等项目，标志着中国智慧高速公路事业从探索期逐步迈向发展。

2河北省智慧高速发展现状

2.1河北省智能交通政策

河北省作为交通强国试点单位之一，全力推进智慧交通的相关建设。近年来，河北省委、省政府及交通厅等相关单位出台了一系列交通相关政策，加强政策引领，不断强化规则统筹，同时不断完善投资方式，强化智慧交通投入的渠道，涵盖中央车购置税资金、政府专项债券、政社会项目融资、企业自筹、企业投资等多种方式，从政策资金等角度对智慧交通行业的发展起到了有力的保障。

2.2 河北省智慧交通产业基础

河北省智慧交通系统行业逐渐从前期缓慢积累走向快速发展阶段，在系统集成和硬件开发上形成了一定的产业基础，在交通方面和材料工程领域取得的成就较多，但尚未形成完整的智慧交通产业链，数据算法、软件模型和咨询服务等方面仍有不足之处。

随着近年河北省从事智慧交通的企业不断增多，截止2022年年底，河北省智慧交通企业总数达2333家，其中石家庄市从事智慧交通的企业达到287家，形成了以数据传感为代表的智慧交通上游企业，以轨道交通为代表的中游企业和以市政安监为代表的下游企业，涵盖了智慧交通前期检测采集，中期施工监测，后期管理运营等不同环节。

目前，河北省智慧交通行业正处于创新融合发展的初级阶段，通过近几年的科研与技术创新，分别在智能交通领域的路测设备、管控技术、云控管理等技术上取得了突破性发展。

因上游存在较多的芯片制造商提供技术支持，中游存在一批实力较强的硬件制造商提供硬件保障与系统集成商以及下游有众多的运营服务商为产业链提供投资保障，使得产业链的发展具有强大动力。

又因产业发展的基础性较弱、动力不足、产业优势不明显等产业因素的影响，导致至今尚未形成全面共同发展、持续推动、深入推进的态势，暂未形成集需求、研发、生产、服务于一体的产业链条。

2.3 河北省智慧高速建设成果

河北省以交通强国和新一代国家交通控制网的试点项目为依托，坚持场景导向、技术驱动、融合创新的工作思路，建成了延崇、京雄、荣乌、京德成4条智慧高速，总里程达316公里。此外，秦唐高速、石太高速改扩建工程、邯港高速、衡昔高速、克承高速、荣乌改扩建等在建智慧高速工程都取得了丰硕的成果。

延崇高速是我国智慧高速示范性道路之一。延崇高速公路结合项目特点和需求，提出了“三示范、三体验、五亮点、三服务”的建设目标，涵盖了三个规定试点内容和两项自选动作。

延崇高速的主要建设内容包括基础设施和交通运行状态智能监测、路运一体化车路协同示范应用、基于北斗高精度定位的应急救援一体化管理服务和智慧化出行服务等，重点解决隧道行车安全、冰雪天气通行、兼顾原有系统升级等关键问题，打造山区智慧高速典型示范和奥运标准的智慧化高速公路。

京雄智慧高速的建设综合运用北斗高精定位、物联网、大数据、5G、云计算、人工智能、自动驾驶等新一代信息技术，构建“11456”智慧交通体系，即1个云计算数据中心、1个智慧管理服务平台、4方面智能感知、5种网络融合、6项智慧体验，打造新时代示范智慧高速。

其示范性主要体现在三方面，一是准全天候快速通行示范，提升恶劣气象条件下的通行能力，防止部分桥面比路面提前结冰；二是数字化交通基础设施示范，建成75公里数字化高精地图，并形成各类设备设施的准确数字资产；三是路运一体化车路协同与自动驾驶示范应用。

荣乌新线智慧高速建设以世界眼光对标高速公路管理控制，面向安全、效率、服务提升，实现车道级动态交通主动管控，探索车路协同，协同高速交警推进准全天候通行，打造高速公路智慧化建设样板。荣乌高速新线一期工程以车路云网一体化智慧高速公路解决方案为基础，建设全息化数字感知、车道化主动控制、一体化车路协同、精细化交通管理、智慧化交通服务五大系统。

京德智慧高速依托“一系统”安全风险预警系统，形成运行监控、交通态势、实时风险、风险应对等“四大板块”，建设具备“六大特征”的智慧高速公路，即感知信息全面性、风险判别准确性、控制策略有效性、协同联动统一性、管理处置及时性、服务公众通达性等六方面特征，实现项目的全维度、全过程、全要素数字化管理。

总结来看，延崇、京雄、荣乌、京德智慧高速的主要建设成效主要表现在以下几个方面，一是全量全要素数字融合感知；二是具备时空特性的数字孪生；三是公里级的分车道主动控制；四是安全风险预警；五是智慧高速大脑；六是全寿命资产管理。

2.4 河北省智慧高速公路发展面临的挑战

延崇、京雄、荣乌、京德4条已建成的智慧高速涵盖了感知、通信、控制、决策、预警管理等全过程，在取得成果的同时，也存在一定的不足之处。

第一是感知弱的问题。从深度上来说，目前还没有达到对高速基础设施运行环境，以及交通运行状况深层次的全面感知；从广度上来说，目前距离全国17.7万高速公路的全覆盖还有很远的一段距离，现在只覆盖了很少的一些路段。

第二是管控难的问题。目前只有很少的手段能够对这些高速的出行状态进行干预，或者是优化管控；且需要进一步去研究如何根据当前高速运行的状态或者是突发事件处置过程中的状态，来及时调整对高速公路的管控。

第三是触达少的问题。面临的一个主要问题就是老百姓普遍反应对于智慧高速的实施效果感知不强，老百姓没有很明显的体会到智慧高速与传统高速到底区别在哪里。

3智慧高速技术发展趋势

3.1 智慧公路建设发展趋势

智慧公路的发展趋势可以分为以下六方面，一是提升公路设施设计施工数字化水平，推动智慧建造。推动公路勘察、设计、施工、验收交付等数字化实现不同环节间数字化流转，促进基于数字化的勘察设计流程、施工建造方式和工程管理模式变革。

二是提升公路养护业务数字化水平，推动智慧养护。依托工程建设数字化成果，以业务应用场景提质增效为抓手，结合大中修工程和路况检测等，逐步实现在役公路数字化，切实提升公路养护智能化水平。

三是提升路网管理服务数字化水平，推动智慧出行。以“可视、可测、可控、可服务”为目标，依托建设、养护等数据资源，完善部省站三级监测调度体系，提升路网智能感知、决策、调度、服务能力。

四是提升公路政务服务数字化水平，推动智慧治理。汇聚完善公路市场主体数据资源，以公路数字化推动完善公路管理规则与政策体系，助力形成充满活力、统一开放有序的全国公路大市场。

五是提升公路标准数字化水平，推动标准升级。建立健全适应数字化的公路标准体系，搭建公路标准数字化成果共享服务系统，加快既有标准的数字化呈现，提升标准服务信息化水平。

六是提升公路数字化基础支撑水平，筑牢数字底座。夯实智慧公路高质量发展基础，加快构建行业大数据应用和网络数据安全保障体系与生态。

3.2 智慧高速技术发展趋势

智慧高速技术的发展趋势可以分为4类，一是全面数字化，未来，高速公路的运营将实现全面的数字化。从车辆通行到路况监控，再到应急救援，所有的工作都将通过数字化设备来完成。

二是人工智能的应用，人工智能将在高速公路的数字化运营中发挥越来越重要的作用。通过人工智能技术对路况数据进行实时分析，可以更加准确地预测交通拥堵和事故风险，从而提前采取措施进行疏导和救援

三是数据的共享与利用，数字化运营将产生大量的数据，这些数据对于优化道路建设和规划、预测交通趋势等都具有重要的价值。未来，这些数据将实现跨部门、跨地区的共享和利用，为政府和企业提供更加全面的决策支持。

四是法律制度的完善，为了保障高速公路数字化运营的顺利进行相关的法律制度也将不断完善。包括个人信息保护、数据安全、税收征管等多个方面，为数字化运营提供坚实的法律保障。

3.3智慧高速关键技术

“端”侧关键技术包括车辆高精度定位技术、车载网络技术和路侧设备协同感知与优化技术。

车辆高精度定位技术是实现智慧公路系统的基础，有助于交通流精细化特性的精准控制，同时还可为车辆提供面向位置服务的伴随式交通信息。

车载网络技术辅助汽车控制单元做出相应决策，在部分场景代替驾驶人对汽车进行操作，减少因驾驶人操作失误而引发交通事故。车载网络通过汽车电子单元状态信息的传输，感知各电子单元的状态是否正常，从而实现故障诊断功能。

智慧高速系统可以为自动驾驶汽车提供车路协同环境，将融合路侧多传感器实现道路信息全息感知并发送给车辆，形成车路云一体化的协同系统，有效增强车辆主动安全性，提高交通运行效率。

“网”侧关键技术包括异构网络融合技术、网络负载均衡技术和网络信息安全保障技术等。

智慧高速公路系统中，车辆在行驶过程中将通过多模式无线通信方式访问系统中的各种网络资源，从而实现安全预警、不停车收费、路径导航、娱乐与媒体资源访问等场景应用。

网络负载均衡技术通过某种负载分担技术，将外部发送来的请求均匀分配到对称结构中的某台服务器上，而接收到请求的服务器独立地回应客户的请求。

智慧高速公路系统为用户带来便捷服务的同时也存在一定的风险，特别是在网络信息安全方面。系统的安全至关重要通过网络信息安全保障技术维护系统的网络信息安全体系。

“云”侧关键技术包括基于大数据与人工智能的交通态势预测、组件式应用服务开发技术、车道级主动交通管理技术。

高速公路对于交通状况的管理和决策有时效性要求，所以短时流量预测在高速公路交通运行中能起到更好的作用，是交通诱导的关键。

采用组件式开发技术，降低了整个系统开发的耦合度，在保持接口不变的情况下，的组件快速完成多种需求成为可能使得替换不同。

通过控制交通需求以及布设先进的交通设施，以实现从以往的被动管理向主动管理过渡的目标通过实时掌握道路信息及状态，预测未来某个时间段的交通状况，并预先向道路使用者发布信息提前预防道路拥堵以及交通事故的发生。

端、网、云三个不同层面的技术涵盖了应用终端、网络通讯和决策的不同维度。从另外一个角度来看，可以分为高速公路智慧综合管控（AI云控“大脑”）、基于边缘计算的智慧高速数字孪生管控、路网运行精准感知、边缘云一体化智慧稽核、全站式车路协同等相关技术。

高速公路云控平台是智慧高速公路的大脑，能够实现全过程数字的管控和全方位立体服务，包括软件服务、平台服务和基础设施服务的服务层、传输网络层和基础信息服务层。

人工智能数字孪生技术架构包括综合管控应用层、计算仿真层和数据接入层。通过对动静态数据的导入，经过数据分析和仿真挖掘，为综合管控提供相关依据。

路网精准感知技术方面，感知是一切的基础，对交通安全的影响是十分重要的。公路运行精准感知和可视化技术可以分为车辆精准定位与轨迹监测技术、车辆特征信息识别与融合技术、高可靠交通边缘计算设备容错技术，公路运行状态精准感知与管理应用，高精度四维可视化地图构建等相关技术，可为进一步的技术提升提供技术支持。

高速公路收费稽核技术方面，基于道路的智慧感应网络及海量信息能够实现数据处理、特征提取及算法升级，持续挖掘不同应用场景重点集合对象，对于边云一体化进行智慧集合，产生重要的效益。

全站式车路协同方面，基于道路的智慧感知网络及海量信息实现数据处理、特征提取及算法升级。通过多种方式发布风险提示，能够满足行业管理和公共出行需求，实现全息感知和全天候车路协同，保证交通安全通行，提高通行效率，降低交通事故率。

3.4 智慧高速发展目标

根据相关统计和研究，到2027年，公路数字化转型取得明显进展。构建公路设计、施工、养护运营等“一套模型、一套数据”，基本实现全生命期数字化。基本建成“部省站三级监测调度”体系，公路运行效能、服务水平和保通保畅能力全面提升，打造公路出行服务新模式，提升公众满意度等。

到2035年，全面实现公路数字化转型，建成安全、便捷、高效、绿色经济的实体公路和数字孪生公路两个体系。公路建设、管理、养护、运行服务数字化技术深度应用，提升质量和效率、降低运行成本。助力公路交通与经济运行及产业链供应链深度融合，公路数字经济及产业生态充分发展为构建现代化公路基础设施体系、加快建设交通强国提供支撑。