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孟春雷:新基建背景下智慧高速公路研究与实践

机电系统-智慧公路-广义车路协同的协调统一

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编者按:在2022年智慧高速技术与应用跨年分享会(中国智能交通年终盛典)中,北京中交国通智能交通系统技术有限公司董事长孟春雷作了关于《新基建背景下智慧高速公路研究与实践》报告。

该报告首先从国家和省市层面分别介绍了智慧公路的相关政策和建设情况,然后针对智慧高速的研究和建设现状,提出了相关的三个问题和八点思考,并在智慧公路的宏观架构和技术架构方面列举出所需要处理的四个关系和六个问题,接着说明智慧公路产业化实现路径为机电系统-智慧公路-广义车路协同协调统一,最后详细介绍了该路径的相关内容。

一、各省智慧公路的进展情况

(1)各省智慧高速建设

2017年交通运输部推进了新一代国家交通控制网和智慧公路的试点,选择广东、江西、吉林、江苏、浙江、河南、北京、河北、福建9省市开展了6个方面的智慧公路建设试点,主要包括基础设施数字化、陆运一体化的车路协同、北斗高精度定位服务应用、基于大数据的路网管理、互联网+路网服务以及新一代国家交通控制网一体化的实验验证。在9个省市结合其经济、路网、交通、地理等各方面的特点,选择不同的建设试点内容。

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随着交通部新一代交通控制网和智慧公路示范试点的推进,各省也加快推进了智慧高速公路的建设,2020年后各省陆续发布了智慧高速公路的建设指南,其中既有文件形式也有地方标准。

自浙江发布《智慧高速公路建设指南(暂行)》到现在,江苏、宁夏(公路网智能感知设施建设指南)、山东、川渝、北京、云南、甘肃、河南等十个省市相继发布了相应的智慧高速建设指南。

综合分析各省智慧公路建设指南的编制体例结构,可分为以下几种典型类型:山东省的智慧建养体系、智慧运营体系和支撑体系;浙江省的“快、试、新”,9大基本应用、4大创新应用(准全天候通行、货车编队行驶、全寿命周期智能养护、自动驾驶支持);江苏省的全要素感知、全方位服务、全业务管理、车路协同与自动驾驶、支撑及保障、新技术应用;云南省的丰富感知手段融合、车路协同应用和交旅融合服务。

(2)各省智慧高速指南的定义和内容

首先是对智慧高速公路的定义、总体框架都还相对较为宏观。

其次是各省指南的体例结构,通过对体例结构的研究分析,未来各省具体项目层面的智慧公路的落地实践,主要从建、管、养、运的角度进行分解,智慧建设同前期的勘察设计过程,管理、养护和运营按照工程阶段来组织编制。此外关于数字交通的体例,从采集感知到网络数据处理分析,支撑管理和服务的发布,组成采处发三段式的结构。

最后是基本功能加创新功能,把日常监测、安全、风险感知和运维等作为基本功能,再加上如车路协同、特殊天气的支撑服务、自动驾驶的支撑能力以及人工智能大数据的应用等创新功能,按照基本功能和创新功能体例结构来划分。

总体来说,从建设内容的角度做了许多探索和尝试,各省在具体工程层面的建设措施和建设内容中相对较为宏观。在新的应用中,对于建设方法上的具体建设内容、审批技术方案和审批设计预算等方面,还需继续深化探索。

(3)国家相关政策

主要政策脉络:总体来说,智慧公路建设的政策环境主要脉络为2017年党的十九大提出建设交通强国的重大决策部署,2019年交通运输部发布《数字交通规划发展纲要》,党中央和国务院发布《交通强国建设纲要》,2020年加强推进新基建,2020年8月份交通运输部发布了《关于推动交通运输领域新型基础设施建设的指导意见》,2021年党中央国务院印发了《国家综合立体交通网规划纲要》,并且在国家十四五规划和全国两会中,代表们围绕着智慧交通提出了许多议案和建议,11月发布了《现代综合交通体系“十四五”发展规划》。

在《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中提出,建设现代化综合交通运输体系,构筑交通运输方式一体化融合发展,提高网络效应和运行效率。

特别在“十四五”规划中,两个篇章提及了交通领域建设,一是第三篇中指出加快发展现代产业体系,巩固壮大实体经济,“十四五”规划明确加强实体经济的建设,提出工业互联网和车联网新型基础设施建设以及公、铁、水、空的建设;

二是在第五篇指出要加强数字化发展、建设数字中国,提出建设智慧交通,推进交通出行的场景数字化,具体为发展自动驾驶和车路协同的出行服务,推广公路智能管理、交通信号联动和公交优先通行的控制,其中需要注意,主要是发展自动驾驶和车路协同的出行服务,不是为了自动驾驶而自动驾驶、为了协同而协同,而是为了出行服务才建设自动驾驶。

在《国家综合立体交通网规划纲要》中指出要推进综合交通统筹融合发展和综合交通高质量发展。具体为推动车联网智能交通跨行业标准的协同、推进交通与相关产业融合、推进智能交通的产业化、推进综合交通高质量发展和推进智慧发展。

“十二五”、“十三五”和“十四五”规划原则理念对比:将国民经济发展“十四五”规划和“十二五”、“十三五”规划中关于国家顶层规划的原则理念进行对比分析;“十二五”在国民经济规划的原则上,提出了五条理念,分别是经济结构战略性调整、科技进步和创新、保障改善民生、资源节约和改革开放;“十三五”规划提出了六条规划原则,分别是坚持人民主体、科学发展、深化改革、依法治国、统筹国内国际和坚持党的领导。

而“十四五”规划提出了五条规划原则。其中从产业和技术的角度最有借鉴意义,且以未来的角度去思考和研究智慧交通、智慧公路产业化落地是第五条坚持系统观念,加强前瞻性思考、全局性谋划、战略性布局、整体性推进,实现发展的质量、结构、规模、速度、效益、安全六个统一。

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“十九大”与“二十大”报告对比分析:“十九大”报告总结了“十八大”以来的相关经验,指出要供给侧结构性改革深入推进,经济结构不断优化,数字经济蓬勃发展,基础设施快速推进。在分析问题时,提出目前发展不平衡不充分的突出问题尚未解决,发展的质量效益还不高,创新能力不强,实体经济水平有待提高。

在布局“十九”大往后发展时,指出坚持现代化的经济体系,必须把发展经济的着力点放在实体经济上,把提高供给体系质量作为主攻方向,加快建设制造强国,发展先进制造业,推动互联网大数据人工智能和实体经济融合,此外还有围绕新技术、互联网技术、数字技术的发展相关问题。

对于“二十大”报告,报告中指出我国经济实力实现历史性跃升,一些关键核心技术实现突破,战略性新兴产业发展状况,探月、深海、超级计算机、导航、量子核电、大飞机制造和生物制药取得重大成果,更加聚焦于核心技术,布局未来建设现代化产业体系,坚持把发展经济的着力点放在实体经济上,推进新型工业化,加快建设制造强国、质量强国、航天强国、交通强国、网络强国,建设数字中国。

此外还有加快实现高水平科技自立自强,实现创新驱动发展战略,以国家战略需求为导向,聚焦力量,进行原创性、引领性科技攻关,坚决打赢关键核心技术攻坚战,加快实施一批具有战略性、全国性、前瞻性的国家重大课题。

从“十九大”到“二十大”,针对当前国际国内面临的环境形势,继续脱虚向实,未来更加坚定地围绕解决具体问题来开展研究,充分应用新技术。

数字经济实体化发展重点:后工业化时代经济呈现结构性减速,数据日益成为产业发展的核心要素,数据的应用使得三次产业的边界日益模糊;产业结构升级更多表现为数据要素投入带来的边际效益的改善。

如今的数据化、数字化、信息化、智能化的应用获得感不强,实际上是因为没有带来边际效益;另外数字化是全流程,要从研发设计、生产加工、经营管理到销售服务;数字化需要产业的供需精准对接,突破时空的约束,缓解资源压力,实现全要素生产率的提高;数字化还需解决基础软件、高端芯片和核心元器件。

数字化目前还存在着许多卡脖子问题,因此从生产研发系统来看,在数字经济的底层应用中还存在很多问题需要解决,要从“有没有”走到“好不好”,再继续审视“有没有”的问题,最后踏踏实实地解决问题。

二、对智慧公路的研究思考

(1)智慧高速建设中的几个困惑

在智慧公路的推进过程中,普遍存在着几个困惑,首先是如何避免概念回答概念。国家包括部级的顶层政策提出了“干什么”,而具体到各省尤其是到工程层面,就需要去回答“如何干”,而不是仅仅继续再停留在提出“干什么”。

第二是要注意如何避免数字化应用的不足。虽然各省都涉及数据中心、云计算,但大多是作为平台和数据仓库,对数据的深度挖掘和利用,以及数字化带来体系、管理、服务的变革考虑不充分。

最后是如何避免信息反馈的时效性不足,虽然路上建了很多信息感知和发布设备,但是信息触达到用户的手段和方式还不够,无论是面向管理用户还是社会用户,信息反馈的时效性不足。

(2)对智慧高速建设中几个问题的思考

对于全天候/准全天候通行,从公路运行的角度,包括恶劣气象和全天候的气象服务支撑,还有在特殊路段如易结冰、山区隧道出入口等地进行工程支撑的出行服务能力提升,一般不建议将局部路段的能力代表整个路段甚至整个路网的能力,需要对全天候通行能力进行细分再加以区别开。

对于自动驾驶和货车队列,被认为是典型的实验与工程层面,应积极探索和研究。此外还需要思考基础设施数字化率即分子分母的比例、车路协同和信息服务及智能驾驶之间的关系问题。

各省都提到的伴随式服务、5G以及智慧隧道等,其中从5G通信的基础行业(如电信运营商领域)角度看问题,包括智慧隧道,其范围目标和内容还需要进一步细化。

(3)智慧公路

综上分析所关注的困惑和问题后,需要思考智慧公路的宏观架构。

无论建管养运、采处发等基本功能亦或是其他创新功能,智慧公路的宏观架构都已达成共识,但其中依旧存在困惑,智慧公路从需求、功能、逻辑和技术4个架构上,存在相当的难度和挑战,不能从概念层面解决问题。

目前在工程层面上已达成共识,但共识中也存有差距,因此需要处理好几个关系:要注意处理好技术理论路线和可行工程实践路线的问题,注意新技术的应用和实效性决策之间的关系,处理好交通不同主体市场之间的关系,处理好点线面之间的关系。

此外对于智慧公路建设还要处理好几个方面的问题,首先需要注意可闭合的封闭环境和不能闭合的环境,第二是客观真实存在的社会普遍需求与通过科研处于引导期的需求之间的差异性,第三要协调好科学研究示范验证工程与标准化工程推广之间的区别,第四是技术的理论路线和落地的工程路线的关系,第五是交通与电信领域的客观主责,最后考虑高速动态控制与真实高速或低速精准控制的关系。

2019年4月份《公路交通科技》,我们首次提出基于广义车路协同的智慧公路概念,个人认为是未来在智慧公路的工程实践路线中较为可行的思路。

基于广义车路协同的概念的提出,中交国通发布了基于广义车路协同的智慧公路建设的技术方案,主要将系统最大化服务于智能化车辆,既服务于实验无人驾驶车辆,也服务于半智能化即有一定智能功能的商业车辆,甚至是无智能化车辆,包括目前大量在路网上行驶的存量车辆,为管理用户和社会用户提供了最广泛的服务,因此针对重点路段的不同场景进行了多终端互联、多车辆适配和跨平台协同。

广义车路协同的智慧公路建设思路和方案如下图。

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三、智慧公路产业化实现路径

(1)机电系统-智慧公路-广义车路协同协调统一

将广义车路协同的理念在工程层面往前推进一步,形成智慧公路产业化的实现路径,即机电系统和智慧公路通过广义车路协同相协调统一。

主要目标是传承、交互、融合和实效,其中传承为未来的智慧公路能够传承当前在建智慧公路和以往建成开通的公路和机电系统,交互是用户、数据、服务对象和管理对象进行交互,融合是功能数据系统支撑多个功能,一个功能也源于多个系统,实效是所提出的智慧公路的建设目标是要给管理者和社会用户带来具体的实效。

实现原则,包括可设计、可实施、可检测和可评估。其中可设计是方案能够进入机电设计;可实施是设计文件能完成招标,让大家知道如何投资及组合软硬件;可检测是工程结束后,因为标准规范还不够完善,用现行的机电设施标准规范和检测规程能够验收工程,在运行一段时间之后,系统能够进行自评估,对系统稳定性和可靠性、数据的稳定性和可靠性以及数据的功能进行评估,帮助分析决策的效果,最后反馈于交通的安全畅通和效率提升。

此外智慧公路产业化的实现路径要从交通属性来驱动,思考传统和未来智能化的衔接。

(2)智慧公路总体解决方案

2018年中交国通在提供新一代交通控制网技术支持的过程中,将思路理念进行原型验证,提出智慧公路总体解决方案1.0版本,即广义车路协同版本,具体应用场景包括交通运行状态感知、交通的应急养护、信息发布、重点路段的监测、车路协同、能源互联网及物联网的资产安全等方面。同时探索基础设施网、运输服务网、能源网和信息网的四网合一方案。

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在2018年1.0版本的基础上,中交国通进行持续研究,提出智慧公路解决方案的2.0版本,即GOTEC2.0版本,从社会用户和管理用户的视角,基于交通的运营管理和服务属性,思考构建全时空数字孪生的智慧公路运营管理系统。

针对不同的场景,包括全息感知、风险研判、全息隧道和长大下坡等,其中关键路段通过伴随式服务和广义车路协同进行用户反馈,后台通过智能运维、低碳公路的系统和系统评估来支撑整个系统的运行,最后实现安全高效和节能的目标。

总而言之是注重“四可”工程的实现,建立成熟的软硬件体系,实现工程部署落地和互联互通。

全息感知:从全息感知实现多元异构数据关联融合,形成点线面的关联关系,再通过个体与群体用户画像进行反馈。将交通结构、气象设施、地理地图、终端、互联网紧密衔接在一起,形成一个全新的感知体系。

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重点路段管控-桥隧坡:重点针对全路线中的特殊路段、桥梁、隧道边坡,建模分析和融合分析进行预警预测,再优化控制。

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伴随式服务:伴随式服务是中交国通2018年原创提出并被广泛采纳。基于伴随式服务的系统和管控系统,核心是面向两种用户,让管理能够全方位触达到管理用户和社会用户,通过研判用户的位置,将信息发布后反馈终端。以服务的理念来提升运行效率、效果、安全性,如今形成了一系列工程化的解决措施以及软硬件产品。

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广义车路协同:将伴随式服务和广义车路协同融合在一起,通过多终端互联,如后装设备、前装设备,或车载、手持设备,目标是让所有的用户终端互联在一起,适配无智能化、部分智能化以及全智能化的车辆。但目前全智能化或是无人智能车辆还处于实验阶段。

跨平台协同是使公路运营机构、信息管理服务监控、养护运营决策巡查部门以及交通公路公安之间和气象信息及互联网信息之间进行跨平台协同。

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智能运维:通过智能运维构建预防性的健康管养,实现全寿命评估,进行设备故障的预测预警,并且通过安全防护来提升系统的可靠性。

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低碳公路:低碳公路的建设思路为内外物化,基于源、网、荷、储和管端的清洁化、网联化、高效化、便捷化和智慧化,从能源类型、能源控制和管理层面,将用户的传统能源和新能源进行结合,高效实现低碳公路的建设。

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提升赋能业务:通过智慧公路的扩功能、增效能和提智能来实现点线面。

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产业化实现:目前已推出一个系统平台和五大系列,包括位置系列、服务系列,网安系列、能源系列和协同系列的整个智慧公路的产业化落地。未来的智慧公路能够快速地向产业化落地来推进。总而言之,通过广义车路协同使得智慧公路能够发挥实效。

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智慧公路既要支撑未来的自动驾驶,更要服务于现在的人工驾驶,既要展望未来的发展,同时也要让当前的工程落地。因此,广义车路协同是可以让人工系统、智能系统、无人系统在智慧公路工程层面融合落地。

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