智慧高速发展路径探究

编者按：近日，在赛文研究院主办、长安大学信息工程学院协办的“2022年智慧高速技术与应用跨年分享会（敢问智慧高速路在何方）”上，山东高速集团有限公司工程管理部副部长张伟作了题为《场景驱动与技术迭代——智慧高速发展路径探究》的报告。

报告认为当前智慧高速还处于智慧场景的探索应用阶段，提出了智慧高速的发展路径，即智慧高速未来发展路径会朝着场景驱动和技术迭代两个维度展开。

接着以山东智慧高速建设为例，详细介绍了智慧高速的建设内容、目标，然后就智慧高速建设和智能管控体系构建过程中产生的问题进行分析，提供解决思路与方案，最后针对未来智慧高速发展建设提出了相关建议。

目前，智慧高速建设仍处于智慧场景的探索和应用阶段，以场景化的方式推动轻型智慧高速建设成为实践中的主流。

与此同时，“散装的智慧高速”也日益引起行业重视，使得对智慧高速的长期演进和基础架构问题的研究益发迫切。

由于智慧高速具有迭代演进的性质，因此在智慧高速逐渐成熟迭代的过程中，必然要求相应的技术路线和方案满足新技术迭代的要求。基于上述情况，本报告认为场景驱动与技术迭代两个维度综合在一起，形成了现阶段智慧高速的发展路径。

（1）智慧高速的时代问题

∎ 智慧高速是什么？智慧高速是在新时代交通高质量发展过程里面出现的新问题，它的核心的目的是创造业务价值。具体如何创造业务价值是另外一个值得思考的问题，从目前看主要依托场景的智慧化应用来实现。

∎ 智慧高速建什么？解决关键问题，管理水平升级，公众有体验。从现在智慧高速建设来说，主要还是通过解决业务的问题，实现管理水平的升级，让公众有体验，其中的体验感一直是制约智慧高速发展的另一个难题。上述这些问题，目前也多是在具体场景中去找答案。

∎智慧高速怎么建？智慧高速建设要落地，建设既包含了工程技术问题，也包含了管理问题，和组织结构、岗位职责等管理模式密切相关。同时要统筹路网整体，避免散装的智慧高速。

（2）山东智慧高速建设总体思路

①全业务融合，统筹建养、运营和支撑三大体系

山东的智慧高速建设规划了三个体系，分别是建养体系、运营体系和支撑体系。建设和养护体系主要面向建好路、修好路，智慧运营体系主要是运营好和服务好，这与“四好”公路的要求是一致的。

山东智慧高速建设遵循了全业务融合的思路，即统筹建养、运营和支撑的三大体系之间的关系，同时适应智慧公路场景化、多目标的实际情况，加强智慧化场景的构建，来解决具体的业务问题。其中包含的五大类建设场景为：

智慧建设：以基础设施数字化为基础，面向设计、生产、施工、运维全过程，实现以数据驱动、闭环管理为特征的管理可控可优化。提高建设过程中的自动化、工业化程度。

智慧养护：构建科学、适用的专业知识库和知识模型，实现知识从人类到机器的迁移，支撑全寿命周期养护决策和精细化养护。

智慧运营：构建面向路网调度、主动交通远距离管理、特殊路段精细化管控和恶劣天气交通保障的应用场景，使路侧设施设备智能协同联动，有效支持路网运营的可视、可测、可控、可服务要求。

智慧服务：拓展智慧化的全流程出行服务。加强出行前的主动交通需求管理，均衡路网流量、提高出行可靠性，逐步形成完整的出行服务体系和客户体系，增强对不同出行群体个性化、差异化服务能力。

智慧能源：面向碳达峰、碳中和发展趋势，构建低碳、节能、高效的高速能源管控体系。

②全过程覆盖，面向路网整体和业务全局

山东智慧高速建设还遵循了全过程覆盖的思路，面向路网整体和业务全局进行开展。

下图（右）是一个三维图，分别对应业务阶段、系统层级和智能特征。

业务阶段维度包括建管养运服等不同业务，系统层级维度主要面向管理层级展开，不同的管理层级承担着不同的职责岗位。

智能特征维度最体现智慧特点。在很多智慧高速建设项目中，可以看到有一些声光电的提醒、主动发光标志和雨夜标线等，这些建设可以提升人们出行的体验感和增强交通安全，却并不能完全代表智慧高速的智慧化水平。

从智慧的角度上看，智慧是要靠数据和算法去体现，数据算法要依托软件而存在。智慧作为智能的高级阶段，具有自感知、自适应、自学习、自实行、自决策的特征。

因此，智慧高速建设要注重形(新设备、技术)神(智能化)兼备、软硬一体。智慧高速使用了大量设备和新技术，但如果没有系统的整合，造成有形无神从而带来很强的堆砌感。那么在这两者的实践上，就必须在技术架构和解决方案上有新的特点和思路，以做到一种神形兼备和软硬一体的能力。

从建养、运营、保障三大体系的角度上来说，目前是智慧高速最关心的重点是运营体系，下面将重点介绍路网运营。

（3)路网运营“智慧”的目标

路网运营“智慧”的目标为：从传统机电向智慧高速的跨越，纲举目张的目标引领，及场景化、多形式的“散装”探索。

我们将可以对照类比下高速铁路的发展过程。速度在高铁的发展中起到了核心目标的引领作用，通过不停的提速，促进了信号与控制系统、通信系统、动车组、 牵引供电系统、基础设施等一系列技术进步，可谓“牵一发动全身”。

在高速公路中，安全畅通是智慧高速现在的核心需求，但还并不是一个具有纲领性引领作用的量化目标，目前关于安全和畅通的量化还有一定的难度，所以我们现在对于智慧高速的探索是场景化和多形式散装的探索。

但毫无疑问，从传统机电向智慧高速的跨越过程中，需要有一个引领性的目标，这一目标应该是易理解、可量化、有纲举目张的牵引性的。场景化的探索是不同场景有不同的布设要求和不同的解决方案。场景化也因为不同形式的变化，而容易产生散装式现象。

那么，从智慧高速的新技术来看，车路协同和数字孪生是否会为纲举目张的目标提供一种机会？

应当说，车路协同和数字孪生带来了很多新的能力，尤其是数字孪生技术，在今年的整个行业的探索里面受到广泛的关注，多个厂家提出了丰富的解决方案。目前数字孪生技术提供了多种新场景能力，包括：

∎ 基于位置面向特定用户的伴随式信息服务(精准服务)；

∎ 更高准确性的全要素感知能力(精准感知)，使得交通工程和AI算法可用性提高(精准分析)；路网监测与调度指挥更智能(精细管理)；

∎ 随着数字孪生对精细感知能力的提升，具备了中微观一体化的能力，支持多系统间的协同联动(自动化vs半自动化)，由传统机电的以人工操作为主，向着半自动化乃至自动化的操作为主进行转变，在主动交通管控能力更强。

此外，随着数字孪生和车路协同技术，混合发展可以在全天候通行方面带来更好的解决方案，能够更好地服务于快速通行，区分不同车辆群体的通行服务，提升道路运输资源利用率，使得我们有可能提出高速公路的服务质量QoS指标，并进一步通过该指标来提供一个纲举目张式的目标引领。

这种可能性是否具备，是目前我们值得认真思考的问题。

（1)智慧高速运营体系建设内容

智慧高速运营体系建设内容主要是集中在感知能力的建设、平台能力的建设和终端服务能力建设三个方面。

感知能力建设主要包括雷达视频融合等新型能力和边缘路计算的设备设施，这是智慧高速目前投入最大的地方；平台能力建设主要是智慧高速里存在类似云控平台的建设内容，而传统机电则没有这一内容，这是相对于传统机电一个大变化；终端能力建设方面，主要是达到车路协同要求。其具体内容如下：

感知能力建设：形成数字化全路网感知能力，建设高精度地图、高精度定位、形成全网精准时空底座，实现车辆轨迹跟踪、车辆微行为和交通事件精细化感知等应用。对应雷达、视频感知提升等技术。

平台能力建设：进行态势评估、诱导管控、车道级动态限速、车道资源动态分配、路网交通流动态分配等分析，支撑自动驾驶和辅助驾驶(编队行驶)、自动预警和报警、路径规划、决策控制等数据综合应用。

终端服务能力：打通与车辆的通信传输和数据链路，提供及时、可靠、稳定通信途径和信息链路手段，并提供相应服务，乃至支撑自动驾驶服务。对应车路协同RSU和OBU。

（2)智慧高速VS传统机电

智慧高速与传统机电既有联系又有区别，是一个巨大的提升。由此产生的一个变化问题，就是传统机电和智慧高速在集成内容、要求和指标方面出现了一个复杂性的提高。

从内容建设来看，智慧高速和传统机电的区别是：在传统机电里面，不同的系统之间是相互割裂的，没有互联互通，代表了一堆设备和一堆系统的堆砌，对计算和分析的要求较低。

而且相应的软件系统基本上是由硬件厂家的来提供，彼此分散和孤岛化，需要人在不同的系统之间起到连接和串接的作用，实现不同系统的协同。

而在智慧高速中，由于各类机电设备协同联动，完成信息采集、传输、计算，对边缘计算、智慧化分析、业务算法模型等要求高，相对于传统机电，增加了软件平台建设内容(半自动/自动，具有一定智能化)，使得智慧高速中的算法分析和由人工向半自动化、自动化等智能化发展上提出新的要求。

（3)运营体系带来的技术能力

智慧高速中新设备和新能力带来的是在线化、可计算和全时全域的特点。在线化是感知能力更精准更精细，可计算是进行全面的分析和感知，全时全域是不论任何条件、任何时间在连续的距离上都能够实现精细的感知。

这三者离不开网络条件的支撑、计算能力和融合处理的增强，其典型代表实际上就是数字孪生。

在线化：雷达、视频等技术带来的实时同步、时间粒度更细密的感知(毫秒级)；更可靠、更快速的传输和网络保障；为业务的全面在线化提供了前提。

可计算：对交通参与者和交通环境更全面的感知能力，所带来的位置、速度、事件、环境等要素全面的数字化，支撑更多的计算需求；多源感知融合应用更为广泛；为各类智能化算法提供了要素前提。

全时全域：基本实现7*24h的全时感知，感知精度大幅提升，可用性增强；可以实现大尺度空间范围的连续跟踪等能力。

（4）智慧高速建设中的问题

在智慧高速推进过程里面，我们发现一些基本但很重要的问题：

首先是面向“一张网”运行，构建智能路网，形成一致服务，避免智慧高速碎片化和技术堆砌。但如果是单纯的不考虑一张网运行的方式，很容易造成技术方案的碎片化和散装化。

第二是满足全生命周期迭代演进要求，能够降低开发、管理、维护的复杂度，有利于技术沉淀和发展。在智慧高速建设过程里面，大家普遍都认识到，智慧高速需要全生命周期进行迭代演进。

本身软件寿命与硬件设施寿命不匹配，硬件更新迭代快，软件理论寿命长，但实际上开发一个具有长寿命的软件挑战很大，且由于高速公路工程在招标时期和未来的维护阶段有不同的管理要求，在项目责任期结束后，进入到交付阶段，已有的软件如何进行迭代演进，又如何去保证新的维护厂家能够胜任演进任务，这都是现实且迫切的问题。

第三是适应外场设施不同规模、方式部署的实际情况，利于硬件设施的升级和部署规模的灵活调整。因为场景化的建设方式，会导致外场设施按场景特点在不同规模不同方式的实际部署，会因路而异、因地而异。

故前端的不同变化，对后端软件的建设和适应性会提出较多要求，若这个问题得不到解决，那么软硬件耦合过深就会影响未来的技术深化和引进。

最后是满足交通场景化、多目标的特征要求，支持基于业务的灵活定制，有利于业务沉淀和调整。

交通的运输管理本身就是场景化合作目标的一个技术要求，需要比较灵活地定制业务，才有利于智慧高速在运营层面产生真正的智慧作用，否则就是堆砌了很多技术，而在实际的应用里面也会存在问题。

解决思路：按照“场景驱动、快速迭代、架构统一、技术沉淀”的思路，来探索适应智慧路网规模化发展的标准、统一的技术方案。在场景应用中突出智能感知、智能决策、智能控制；在架构统一中突出业务与系统间的横向协调和纵向贯通。

（5）构建智能管控技术体系

目前，智慧高速实际落地所面临的复杂性很高，称之为系统工程毫不为过。智慧高速的管控体系——云边端体系如下图：

①对于智慧高速复杂性的根源分析有：

首先在边端，MEC计算、雷雷拟合和雷视拟合以及其他设备之间的整体集成方面，存在着大量的非标协议，不同采集频率时间不同，要满足低时延要求，且算力算法布设方案不一致，厂家需要多种适配协同以及外场设备的多种方式部署，这是智慧高速复杂的原因之一。

第二是在考虑智慧高速谁来用和由谁用时，由于交通具有的场景化、多目标特征，就涉及各管理层级的管理模式不固定，关注目标和岗位职责多样化，业务流程常调整、难固化等问题。

同时，由于存在大量的已有业务软件和“交通大脑”等综合平台，带来了不同软件的融合难题。所以在这方面就需要去研究软件的复杂度，它是多层级，且和场景目标以及业务需求不一致，如果考虑到期限责任期以后软件的迭代演进需求，就更为复杂了。

第三是智慧高速在算法理论上也有一定的应用难处。

首先是设备层信息的准确性、完整性、时空一致性等质量问题；其次是各类算法、数据融合的部署难题，交通工程理论的算法和人工智能的算法以及其他算法之间，所使用的数据源、数据的流向、数据模型的建设和算法质量的评估，都是在智慧高速里比较复杂的问题，各种算法如何部署、彼此关系如何，都会增加其复杂性。

②技术解决思路

按照“场景驱动、快速迭代，架构统一、技术沉淀”的思路，探索适应智慧路网规模化发展的标准、统一的技术解决方案。为了降低智慧高速技术上的复杂性，实现三个解耦：

∎ 在软硬件一体设计的前提下，实现软件与硬件的解耦，利于设备统一管理。

∎ 在面向业务目标和管理架构的前提下，实现各业务软件应用的解耦，明确不同管理层级、业务间的定位、使用用户和边界范围。

∎ 在具体业务软件层，实现业务和技术支撑(前后台软件)的解耦，提供给业务人员开发使用软件的能力。

③具体解决方案

具体解决方案为一个多层解耦的形式，首先看下图，从下往上看，从路侧设备设施向上就到路侧物联中台，在路侧物联中台实现软硬件的解耦，包括实现设备的注册、协议互通、设备配置等功能，数据接入和融合计算设备的联动协同控制，路侧业务中台，需增加路侧智能中台后台管理软件。

再往上到各业务软件，各业务软件之间要彼此解耦，相互协调配合来减少系统孤岛，形成一个面向不同的管理层级和管理业务的软件架构。

最后到智慧大脑，智慧大脑管理整个路网的应用，大脑负责路网监测、调度指挥和出行服务职能；展示操作层，面向各级用户操作以及大厅演示，宜利用专用VI、动画引擎等工具；作为企业级数据中台，实现其他业务系统到智慧大脑的数据归集与展示；作为企业级业务中台实现一系列算法和业务模型。

∎ 业务软件的解耦方法-TOGAF：业务架构是跨系统的业务架构蓝图，应用架构、数据架构、技术架构是解决方案的不同方面。彼此间环环相扣，上层驱动下层，下层支撑上层。

∎ 智慧高速软件架构：形成由路网层、路段/区域层、现场控制层构成的统一成套应用架构，用于持续沉淀，迭代演进，突出业务与系统间的横向协同、纵向贯通，服务于多部门协作和跨领域综合管理，注重适应智慧高速特点新技术、新装备集成应用。

每一个软件的边界范围比较清晰，在不同的软件模块之间，可以独立地维护和更新迭代，因此能够长期的迭代使用。

∎ 软件与硬件的解耦方法-路侧物联中台（OS）：相对传统机电的定制化开发，通过统一接入路侧物联中台实现设备集成能力中台化、场景化。

形成数据中台的边缘网关模块，具有丰富的设备协议集成能力，实现多种类设备的快速安全接入与监控。

具体功能包括：设备身份鉴权与授时、数据接入负载与路由分发、接口协议适配、实时数据融合与计算、指令下发及策略管理等，支撑精准时空构建。

可以满足设备端外场侧多场景应用，在不同的场景中具有普适性和一致性，实现场景与技术的解耦，实现外场设施侧各类设备孤岛、系统孤岛的整合，促进协同联动、能力共享与复用、统一管理和路侧的实时智能分析计算。

那么前端的硬件无论是按照不同场景怎样布设，都可以该软件体系进行统一的管理、接入、计算、服务。所以路侧物联中台可以实现设备能力的中台化和场景化，实现软硬件解耦。

∎ 业务软件的解耦方法-低（零）代码平台：在上层为了实现前后台软件结构和业务技术结构，可以将传统的开发模式变为低代码或零代码的开发模式，实现简化开发、经验复用、能力聚焦，以支持多场景动态化的部署。

适应业务场景化、多目标、难固化的实际，面向场景化设计形成灵活部署的能力，根据应用场景进行动态调整；

通过低(零)代码开发，大幅降低应用的运营和开发难度，使业务人员也可参与其中，并能以最简单、快捷的方式进行；

形成轻松获取数据资源的能力，借助数据中台和路侧智能物联中台能力，可以灵活调用各类数据；

提供丰富的互相解耦的通用开发组件，形成强大的开发工具支持，并可扩展；

业务流程执行可视化、设备设施和系统状态可查询，类似“所见即所得”；

促进上层应用软件信息孤岛的整合，形成标准一致、利于应用的数据规范。

（1)加快形成统一的解决方案乃至行业标准：智慧高速系统集成技术的关键共性基础性技术走产品化、开放化的路线，促进软硬件产业生态、行业标准、商业软件的形成。

（2)建立适应智慧高速项目特点的管理机制：加强技术方案把关，紧抓系统集成关键环节，在具体项目中设置技术总体组和集成控制组等专项管理小组。其中技术总体组负责开展项目深化设计和联合设计，按照软硬协同思路制定项目总体技术架构，深化业务需求分析，开展方案细节优化和设备选型验证测试、设计方案变更等工作。集成控制组主要对工程实施的效果进行把关，进行系统集成、性能验证、联调联试等项目实施的质量控制和效果验证、示范演示等工作。

（3)加强一张网统筹，做好软件规划设计、数据标准、技术迭代、业务沉淀：同步开展适应智慧高速的管理运营业务形态探索。技术的归技术，业务的归业务。

（4)制定阶段性目标，突出建设重点，打好基础，场景化探索，避免贪大求全：结合新设备、新装备、新技术应用，实现有体验、有效果、能落地的应用场景。