全面剖析

赛文交通网 智能交通 智慧高速 准全天候通行

编者按：8月23日，在赛文交通网主办的“2023年高速公路准全天候通行系统建设实践线上研讨会”中，湖北交投科技发展有限公司智慧高速技术创新中心总经理罗如意作了《鄂州机场高速准全天候通行系统建设思路及实践》报告。

鄂州机场高速主要服务于鄂州花湖机场货物转运，对于全天候通行的要求极高。作为首条基于光栅阵列传感网络技术的全时全域全天候可感知智慧高速，鄂州机场高速具备准全天候通行的先天优势。

报告从鄂州机场高速前期规划设计时的思路着手，完整介绍了其在设计准全天候通行系统时的需求分析、技术路线选择、设计思路、开发过程、存在问题及解决方案、最终结果等，为业内在智慧高速准全天候通行方面的探索分享了宝贵经验。

1、鄂州机场智慧高速目标定位

鄂州花湖机场是亚洲第一、世界第四的专业货运机场，与武汉天河机场共同定位为“货客双枢纽”。

而鄂州机场高速则是连接鄂州花湖机场的唯一高速通道，全长13公里，双向六车道，始于鄂州花湖机场，连通汉鄂高速和武黄高速，服务于鄂州花湖机场与高速路网的公空联运，货物转运高峰集中在夜间，且一年中有30—40天因恶劣天气影响正常通行，具有全时通行时间需求长、物流集散速度要求快、紧急状况下应急处置效率要求高等需求特点。

整个高速运输的痛点在于交通流以货运车辆为主、大部分集中在夜间通行，且所处区域为团雾、强对流等恶劣天气多发路段，对机场物流吞吐效率和区域经济发展存在不利影响。

针对这样的定位和特点，我们在开始设计鄂州机场高速智慧高速时，将需求归纳为以下三点，即恶劣天气物流不受阻、货物集散速度要求快以及应急处置效率要求高，最终实现一般情况下不封路、特殊情况下少封路，实现公空联运高效运作的主要建设目标。

在这个目标下，我们将湖北省第一条智慧高速项目目标定为基于光栅光纤、雷达和视频的多源融合传感系统，打造一条全时、全域、全天候可感知、可触达的智慧高速公路，这也是全省第一条智慧高速，示范工程。

同时，要实现两大功能目标，一是通过光栅光纤的全域感知能力，全时、全域、全天候采集和监测道路运营状态，二是通过光栅光纤的波形的变化，全时、全域、全天候采集和监测道路结构健康状态。

我们在全线设置了7套激光雷达为主的智慧基站，18套雷视一体机和96公里的光栅阵列振动传感缆，同时设置了9处高清卡口，9处图文式情报板，以及372处智慧路灯。

在此基础上，我们将光栅光纤感知能力进行提升，并围绕其独有的感知能力进行应用场景的拓展，最终建设了鄂州机场智慧高速一体化管控平台，通过系统管控算法策略，探索通过可变情报板、北斗服务平台、ETC拓展服务平台、高警预警平台、专用预约通行APP、基于车辆画像的出行服务平台、导航图商等多种方式实现用户精准触达。

此外，为满足物流车辆高效通行需求，我们设置了入口预称重、出口预交易系统等，在省内首次真正意义上实现了对收费站的入口预称重和出口预交易。

鄂州机场高速一体化管控平台的界面

2、准全天候通行系统建设思路

鄂州机场智慧高速准全天候通行系统在建设之处就定下了两个目标，一是要满足恶劣天气下高速公路通行需求，二是适应特定场景和各种车辆，具备一定的可推广性。

在确定好目标后，我们对准全天候通行系统进行了分析，主要可分为五个环节和一个协同管控体系。

要实现准全天候通行，首先实现车道级的精准感知。精准感知有两个路线，一种是通过雷达、摄像头等高精定位设施实现车辆自身对周边环境的感知，另一种是路侧感知能力。

基于鄂州机场高速的通行特点，我们在确定好路线后，联合武汉理工大学姜德生院士团队将光栅阵列传感技术首次应用到高速公路道面上，形成业内真正意义上第一条具备全时、全域、全天候，“触觉+视觉+听觉”能力的多源感知智慧高速。

鄂州花湖机场高速将整个光栅光纤铺设在高速公路路面以下38公分，依靠振动技术和振动数据感知车辆的位置，在光线、能见度很低、团雾、暴雨等恶劣天气情况下也不受任何影响，为整个全天候通行提供了很好的技术基础。

第二个环节是传输通道。在有了前端感知设备后，需要将前端的感知数据和云控平台数据进行传输，将信息来下达给最终的司乘人员和相关的用户。

5G传输具备高带宽、低延时的优点，但要实现全覆盖成本很高，因此没有采用。最终采用4G网络，技术较为成熟且成本较低。

第三个环节是云控平台。云控平台是整个准全天候通行系统的核心，通过云控平台可以实现所有数据的采集整理、控制算法、下达控制指令，涉及到车辆驾驶时，考虑时延性可以采用边缘计算。

第四个环节是信息下达。信息触达有各种各样的方式，下文会详细阐述。

第五个环节是车辆控制。目前除自动驾驶外，更多的还是通过人工辅助驾驶的方式达到对车辆控制的目的。

要实现准全天候通行的闭环流程，除技术外，还需要和高警、路政等相关部门形成协同管控体系，真正做到在恶劣天气下，保证车辆在减少封站的情况下上路。

在对整个体系进行了初步分析后，每个环节形成了相应的路线。

在感知层面，我们以光栅阵列传感网络为核心，沿车道行车方向，将光栅光纤铺设在路面以下38公分的位置，光栅传感器间距5米，全路段共计铺设16000个，形成车道网格化感知能力，提供及时可靠、全域连续、定位准确的交通参量计算数据。为实现全时全域全天候的高速公路智能化提供信息基础，在能见度低、无法识别车牌的情况下，仍然可以精准跟踪前后左右的车辆位置和轨迹。

为使光栅阵列传感网络的数据与卡口、雷达等数据实时融合，我们自主研发了多源数据时空同步融合算法。以分布式光栅光纤振动传感数据的时空信息为基准，标定雷达视频等感知数据的时空信息：一是基于北斗授时，对振动传感数据和路侧感知数据中的时间信息进行校准和同步；二是在空间上采集高精度地图，对公里桩定位系和绝对坐标建立矫正映射集，完成空间信息同步。

在时空同步的基础上，进一步融合振动传感数据和路侧感知数据，从而精确获取每台车辆的多维信息数据集。将光纤光栅、车牌识别、激光雷达、毫米波雷达等多源感知数据进行有效融合，攻克了一系列技术难题，最终实现了200ms一帧的融合数据推送，形成可应用的“车路运行一张图”。从而实现对车牌号，车速，车距，以及车辆运动轨迹、驾驶行为等多种信息的全时、全域、全天候跟踪。

不额外增加过高成本的传输体系

上图是湖北交投在鄂州机场高速准全天候通行的核心技术基础。在此基础上，整个传输体系在设计时也是尽量利用现有的传输体系，而不去再去增加更高的成本。

以算法为核心的云控平台

下图是鄂州花湖机场高速一体化平台的建设架构图，建设总体思路的核心在于一体化智能网联平台。一体化智能网联平台重点聚焦运行监测、指挥调度、公众出行和智慧运营四个版块，与国内的其他智慧高速建设有所区别。

项目建设过程中，没有采用北斗高精定位、5G通信等新技术，而是希望探索一种基于非网联汽车的信息服务和触达方式，为其他路段的推广提供可能。

以APP、人工辅助驾驶为主的信息触达和车辆控制

我们在设计全天候通信系统时，在信息触达和车辆控制方面涉及到最终以什么样的方式将辅助驾驶信息推送给司乘和最终用户的问题。

自动驾驶汽车本身具备一定的探知能力，效果好，但成本最高，路侧需要RSU设备车辆也必须具备高等级自动驾驶能力；智能网联汽车有一定的车路、车车通信和感知能力辅助人工驾驶，但成本也较高，且目前还未大范围普及，我们在鄂州机场高速布设了一公里车路协同试验段用于技术验证。

但我们更多希望在全路段针对任何车辆都能够实现车路协同的功能，对此我们前期做了很多的研究工作，发现车载终端路侧需要RSU设备，车辆需加装对应的OBU终端 (V2X、ETC2.0)，有路段试点过车载终端租借方式，但管理相对麻烦，且成本较高，难以普及。

移动终端的优点在于容易普及，适用于普通车辆，而问题在于信息的及时性、时延、安全等问题以及如何推广，与导航软件的关系等。我们将移动终端和车载终端作为主要方式(管控平台) 进行尝试，拟通过APP而不是小程序降低时延。

站在长远的规划角度考虑，我们希望鄂州机场高速开发的APP能够进一步拓展成为整个湖北交投集团通用的公众出行APP。既能够站在特定人群、特定路段提供个性化出行服务，同时面向交投集团的各种拓展场景、路衍经济形成统一的服务平台。

多方配合、预约通行、前车引导的协同管控体系

准全天候通行系统要真正投入使用，必须形成多方配合、预约通行、前车引导的协同管控体系。高速公路的运营主体通过和高警、路政合作，司机在恶劣天气下，在高速公路收费站要关闭时，在手机APP上进行预约，预约后由高警进行审核，审批通过后集中到收费站等候，高警或运营公司提引导车，带队行驶。引导车实际上起到三个作用，一是作为头车引导后方车辆；二是“排雷”，保证后车安全；三是通过自身的探知能力，弥补短板。

编队上路后，在整个行驶过程中，借助光栅光纤的全天候感知能力实时对车队的行驶状况进行监管，并将信息实时共享，如将车辆发生的异常行为及时告知各方；并根据前车行驶行为变化及时给后车提供驾驶建议，最终形成完整的准全天候通行协同管控体系。

如下图所示，在恶劣现象下，经过预约后，前车负责引导整个编队车辆行驶到高速上，后面的货车全部是人工来驾驶的，通过下载APP，可以实时看到它在整个车队中的位置。引导车由高警或运营主体提供，它本身具备一定的感知能力以及车路协同交互能力。

引导车由高警或运营公司提供，加装车载终端设备，具备毫米波雷达、北斗高精度定位、语音交互、车辆前方视频传输功能。

在传输上，采用移动终端采用4G传输，不需要单独布设5G基站，OBU直接与RSU通信，实时采集路侧光栅光纤和其他来源的数据，形成路段的综合态势通过监控内网到云控平台。

云控平台通过APP、RSU、OBU等设备对全域车辆进行精准跟踪，在云控平台下发时携带毫秒级时间戳，手机APP收到后进行时钟对比，如果时差超过特定值，则发出警告，不允许该车辆进入高速，或者要求降低速度拉开与前车的间距。

引导车和后续车辆均采用人工驾驶，自动驾驶后续考虑。恶劣天气下，云控平台的所有车辆信息都均可与高警、路政实时共享，实时进行跟踪保障。其他跟在引导车后方驶入恶劣天气下高速公路的车辆，只需使用APP或者微信小程序，或者智能OBU终端(V2X或ETC)。

系统建设关键问题及技术

我们对准全天候通行系统进行梳理，整理出以下六方面关键技术及问题。首先是基于阵列光栅增强感知的多源数据融合和全域车辆跟踪技术，基于阵列光栅技术，实现全域全时空的车辆跟踪和态势感知。

第二是在不良气象条件下混合车辆编队的场景和技术路线，保证多种类型车辆在不良气象条件下持续运行场景。

第三是基于全域感知的伴随式智能网联平台及其交互终端技术，以较低成本使传统车辆基本具备准全天候通行能力。

第四是基于信用评价和多方协同的预约通行和行驶管控体系，通过车辆信用评估，准予其预约后编队行驶准全天候通行。

第五是智能网联平台主动安全防范及预警技术，重点保证连接到准全天候通行系统所有车辆的安全行驶。

第六是基于智能网联平台的自主报警与区域联动预警技术，重点关注紧急事态下预案响应与通行保障。

编队行驶异常状况及策略示例

我们针对整个编队行驶异常的状况进行梳理。针对主动管控、服务异常等不同情况，形成一套处理逻辑，在算法的控制下，可将相关信息推送给最终用户，从而保证驾驶安全。

鄂州花湖机场高速在设计准全天候通行系统的目标定位，也就是既要做到准确通行，同时要具备一定的普适性和推广性。我们围绕准全天候通行的各个环节和具体需求，对整个业务场景进行思考，最终制定下相关技术，并按照前期设计整体方案及关键技术进行研究，该平台在2022年7月正式上线，现在也在正常运行。

3、初步成效及存在不足

恶劣天气能上路。第一个成效是真正实现恶劣天气下，鄂州花湖机场高速真正实现恶劣天气下物流车辆能够上路。通过与高速交警协作，在恶劣天气或重大事故时，已经注册使用本APP的车辆预约上高速。系统根据收费站开启关闭状态、沿途天气情况判断是否允许驶入高速。预约成功后，上高速前出示预约码。确认驶入高速后，系统根据车辆行驶情况推送和展示车路协同相关信息。

个性化APP界面示意图

低速驾驶保安全。在编队的行驶过程中，我们利用光栅光纤独有的全域、全天候感知能力，实现在能见度很低情况下的超视距“盲驾”，且对每个车辆的驾驶行为作出及时判断，并将相应的辅助驾驶建议发送给每个车辆，从而保证整个编队行驶的安全。

多种信息触达方式落地实验。鄂州花湖机场高速除了自己的APP情报板外，也做了很多信息触达方式的实地验证。如C-V2X车路协同、百度地图推送、ETC终端以及“两客一危”北斗终端等。

我们基于在鄂州机场开发的预约通行APP，进一步将其拓展成以车辆画像和积分体系为基础的出行服务APP和小程序，目前处于准备上线的阶段。我们认为该的方案有以下三方面优势，一是成本相对较低。除原有路侧设备外，只需在引导车上加装一套车载终端，后续车辆只需下载APP或者微信小程序。

二是发挥智慧高速价值。提升了车路协同中“路侧”的价值和地位，将设备价值发挥出来。

三是服务质量提升会员体系建设。有利于出行服务质量提升和会员体系建设，与ETC发行和增值应用等有机结合起来。

整个方案虽然有一定成果，但也存在一些不足。我们总结为以下四点：

不足一：准全天候通行推广到路网成本较高

当前，单路段具备准全天候通行能力仍无法解决全路网通行问题，全部覆盖成本过高。此外，雾灯诱导灯、自动除雪融冰等设备设计时，评估认为存在问题较多，因此未进行布设。

要做到真正全路网全天候通行的能力，整体建设成本非常高，如何来解决这一问题也是我们正在思考的问题。

不足二：技术具备、但长效运转仍需多方协作

鄂州花湖机场高速在建设时，和高警路政等主管部门进行了联动，但要将其长效化进行推广，仍需多方进行协作。例如，广泛利用第三方信息服务资源（导航应用、通信运营商、“两客一危”监管平台等）进一步收集路网状态；固化与高警、路政等的联勤联动机制；探索与消防应急、救援清障、医疗救护、汽车服务、保险等建立协同机制。

不足三：信息触达的手段仍需要不断丰富和融合

信息触达手段需要具备一定的普适性，以应用为导向，在重点车辆跟踪及预警、分流诱导、出行服务、应急指挥调度、智慧运维、恶劣天气监测预警、全天候通行保障等方面进一步深化需求，结合新技术、新产品提升应用效果。

下表是各种信息触达手段的对比图，我们也在探讨哪种信息触达手段在在哪个场景下更加合适，如何将其进行有机结合。当然最主要的是通过一套灵活、全面的算法将各种信息触达手段进行有机融合，而不只是单纯的做设备控制，而是通过算法来自动调度，自动根据车辆信息、道路状况对每一个设备给出个性化的控制提示。

从表格中可以看到，车内移动设备受恶劣天气的影响整体上是低于道路固定设备的，但这也涉及到车内的成本问题。

不足四：需要建立基于车辆画像的信用评估体系

信用评价体系对于全天候通行，尤其是车辆预约管控是非常有价值的，目前还处于尝试阶段。我们拟基于现有的车辆画像和ETC数据建立起相应的信用体系，并与高警、路政、公路事业发展中心等部门互通互认，作为准全天候预约通行和差异化服务的依据。

4、思考及建议

一是部、省相关方提供必要的资源和政策支持。准全天候通行涉及道路的执法和安全管控等方面，仅靠高速公路主体单位是不够的，必须和高警、路政等行业主管部门共同协作，这样很多技术、方案才能落地，发挥出更大的效益。

建议统筹出台相应政策，支持推动部、省各相关业务系统数据共享、资源共用；建议高警、路政等部门在道路管理规范等方面提供更大支持，鼓励共建共享、提升平台能力。

二是构建生态圈，共同推动智慧高速产业化发展。准全天候通行在推广时必须面临成本和回报的平衡点这一问题，智慧告诉的示范路段有很多，但目前还无法做到全集团或全省覆盖的程度。

智慧高速要做成一个产业，构建成一个生态圈，不能仅是单个主体进行投资建设，而是需要管理部门推动智能网联汽车厂商、新能源车企、导航图商等与公路投资企业共投、共建、共营、共享。打通相关资源，集聚各方力量，发挥资源优势，逐步形成智慧高速产业生态圈，做好智慧高速产业化运营这篇大文章。