沪武高速公路太仓至常州段扩建智慧化建设探究.pdf

现 代 交 通 技 术2024 年沪武高速公路太仓至常州段扩建智慧化建设探究阚有俊,曹 阳(江苏沿江高速公路有限公司,南京 210002)采用日期:2023 11 29第一作者:阚有俊(1969),男,教授级高级工程师,主要从事高速公路、长大桥建设及运营管理方面的工作。摘 要:在总结国内智慧高速公路发展与现状的基础上,基于“新基建”时代智慧高速公路的建设目标与建设需求,明确了上海武汉高速公路(下文简称“沪武高速”)太仓至常州段扩建智慧化建设的总体方向,提出了“五层三体系”总体构架,并就六大重点领域进行论述,为高速公路扩建与智慧赋能提供了方案和思路。关键词:智慧高速公路;顶层设计;数字感知;云控管理;智能决策中图分类号:U412.36+6;U418.8 文献标识码:A 文章编号:1672 9889(2024)01 0020 05Exploration on the Intelligent Construction of the Extension from Taicang to Changzhou Section of Shanghai-WuHan ExpresswayKAN Youjun,CAO Yang(Jiangsu Yanjiang Expressway Co.,Ltd.,Nanjing 210002,China)Abstract:On the basis of summarizing the development and current situation of smart expressways in China,and aiming at the construction goals and construction needs of smart expressways in the era of“new infrastructure”,the overall direction of the expansion and intelligent construction of the Taicang to Changzhou section of the Shanghai-Wuhan Expressway is clarified,and the overall framework of“five layers and three systems”is proposed,and six key areas are discussed,which provides solutions and ideas for the expansion of smart empowerment along the Yangtze River Expressway.Key words:smart expressway;top level design;digital perception;cloud control management;intelligent decision 在加快建设交通强国的进程中,数字化转型已成为推进交通领域改革的关键力量。智慧高速公路作为新型交通基础设施建设的核心场景之一,正经历前所未有的快速发展,已成为我国各省市落实交通强国战略中争相加快部署的热点和实现传统产业与数字技术深度融合发展的窗口。本文以江苏沿江高速公路有限公司开展的全国首条获批的整体式双向十车道高速公路 G4221 沪武高速(太仓至常州段)扩建工程为例,探讨如何打造全天候通行、全流程管控、全过程服务的智慧高速公路,以实现“物优其流、人悦其行”的美好愿景。1 智慧高速公路的发展与现状自 2018 年 2 月交通运输部办公厅关于加快推进新一代国家交通控制网和智慧公路试点的通知(交办规划函2018265 号)发布以来,各省份积极开展智慧公路试点建设,其中具有代表性的案例有延崇(延庆崇礼)高速公路、京雄(北京雄安新区)高速公路、浙江的沪杭甬高速公路。为推进新型基础设施建设,2020 年后交通运输部又先后发布交通运输部关于推动交通运输领域新型基础设施建设的指导意见(交规划发202075 号)、公路工程设施支持自动驾驶技术指南(JTG/T 24302023),提出先进信息技术应深度赋能交通基础设施,提升精准感知、精确分析、精细管理和精心服务能力,成为加快建设交通强国的有力支撑1。具有代表性的实例有京沪“1 号”高速公路车联网先导性应用示范、济潍高速(济青高速中线济潍段)车路协同示范、苏台(苏州台州)高速公路 S17 上的满足车路协同式自动驾驶等级的全息感知路段等。现阶段,我国高速公路在“设施数字化、运输自第 21 卷 第 1 期2024 年 2 月现 代 交 通 技 术Modern Transportation Technology Vol.21 No.1Feb.2024第 1 期阚有俊,等.沪武高速公路太仓至常州段扩建智慧化建设探究动化、管理主动化、服务个性化”理念的推动下,正积极推进数字化建设。与传统高速公路相比,智慧高速公路呈现思维认识上的“六大转变”及应用技术的“十大进步”。1.1 六大转变(1)技术思维方面,正从传统的技术堆砌向高度集成的新技术、新应用、新模式转变。特别是智能网联、自动驾驶、云控平台、自由流收费、智能养护等新技术与平台的落地和应用,大幅提升了高速公路的通行能级与安全水平。(2)全域数字化方面,由碎片化的信息采集向全域数字化感知转变。高质量的数据采集、高可靠的通信传输、深层次的多元融合已经形成共识。(3)运营管理方面,由被动管理向主动管控转变。通过实施主动管控策略和大数据分析,实现对车流的提前引导及控制。(4)服务方面,由粗放型服务向个性化的伴随式服务转变。成熟的高精度地图、北斗高精度定位系统、5G(第五代移动通信技术)远程控制等信息技术为伴随式信息服务的加快落地提供了有力支撑。(5)管理协同化方面,由单一主体的独立管理向多方部门协同联动转变。(6)经济效能方面,由传统经济向数字经济转变。推进核心数字技术攻关,补齐数字化改建短板,加快新型数字基础设施建设,夯实产业数字化转型基础已刻不容缓。1.2 十大进步(1)智慧高速公路的建设指南、方案纷纷出台。目前,已有 10 余个省市公开发布了智慧高速公路建设指南或意见,为智慧高速公路的发展提供了引领和依据。(2)云控平台百花齐放。以大数据、云计算为主导的云控平台是智慧高速公路发展的落脚点,包括百度、阿里巴巴、腾讯在内的很多知名企业,依靠自身的技术优势,纷纷推出以 BIM+GIS(建筑信息模型+地理信息系统)或高精地图为“数字底座”的智慧高速公路云控平台,来助力高速公路运营管理水平的提升。(3)数字化感知设备(边、端)发展迅猛。交通基础设施的数字化转型和智能化升级有力促进了以视频、雷达为代表的数字感知设备的快速发展。(4)交通环境检测日趋活跃。交通环境与高速公路事故息息相关,及时、快速、精准、可靠的交通环境检测和应用已经成为提高高速公路通行效率、减少交通事故发生的重要抓手。(5)智慧管养闪亮登场。以“苏式养护”为代表的智慧管养,通过路况数据自动采集、病害自动检测、车道荷载分布计算等智慧手段,实现无人化巡检养护,能有效降低管养成本、提高效率。(6)收费稽核系统风光无限。通过云网边端协同,精准识别通行车辆特征信息,同时依托多维数据融合,还原真实行车路径,为高速公路收费稽核业务提供数据支撑,确保通行费“应征不漏、应免不征”。(7)自由流收费呼之欲出。随着 ETC(电子不停车收费系统)用户的增加,为满足驾乘人员对无感通行的美好向往,自由流收费、无人收费站已经开始试点运行。(8)称重治超顺势而动。在治理车辆超限超载运输领域,大力推广非现场治超和源头检测,以机器代替人工,实现实时监督、源头治理。(9)伴随式精细化服务纷至沓来。精细化服务成为高速公路智慧化发展的必由之路和重要组成环节。(10)数字化转型势在必行。经济数字化,让数字对内协助治理、对外产生效益,成为高速公路转型升级的助力器。2 沪武高速太仓至常州段改扩建概况2.1 沿江高速现状分析G4221 沪武高速太仓至常州段(以下简称“沿江高速”)总里程 135 km,地处苏锡常地区,与江阴大桥、沪苏通长江公铁大桥、苏通长江公路大桥等主要过江通道交互,是江苏省对接上海的主要高速通道之一。由于区域经济发展较快,交通需求较大,自建成通车以来,沿江高速总体流量较大,增长也较快,全线平均交通流量已超 6 万 pcu/d;且交通量以董浜枢纽为界呈现不均匀分布,交通需求分布也不均匀,在节假日及高峰大流量情况下,会对路网产生较大的压力。目前,沿江高速客货比通常维持在 7 3 左右,货车基本达到期望车速,但是受货车影响,小客车并未达到期望速度。2.2 扩建后智能化需求沿江高速改扩建工程中,太仓北枢纽至董浜枢纽段计划采用整体式断面双向十车道客货分离的扩建方案。项目将具有双向八车道和双向十车道两种断面形式,车道横断面拓宽,左侧车道车辆可能因变道不及时而错过出口;服务区和互通出入口12现 代 交 通 技 术2024 年处,内侧行驶的客车需要穿越多个车道进入出入口,客车换道冲突点多,易造成互通处的追尾事故;同时高等级交叉道路多,互通密度高、交织干扰严重。同时,扩建后的沿江高速将会面临更大车流量的考验。其总里程 135 km 会被 29 座匝道枢纽分割成 30 段,每段的平均长度约为 4.5 km,枢纽互通密集,极易造成拥堵,因此需要更高等级的交通安全及效率保障、更智慧高效的运营管理、更人性化的交通服务来满足日益增长的车流量和服务需要。沿江智慧高速公路建设应着力满足全息数字感知、安全智能提升、主动交通管控、智慧业务管理等业务需求,具体为:建设完善的路网交通运行感知体系,通过布局外场感知设备,对接外部单位、互联网平台等多种方式,实时采集基础设施信息、交通运行状态、交通事件信息、视频监控信息、交通气象信息等;在准确获取分析道路交通态势、气象态势、事故判别情形的基础上,采取可变限速、可变车道、诱导分流等主动交通管控措施以保证交通安全,提高通行效率;采用合理的事件分类分级预警机制,制订科学的应急预案与指挥调度流程,当发生交通事件时,通过自动化的事件处置与应急指挥系统做出有序、快速、有效的响应并进行全程跟踪2;采用先进的数字化技术实现高速公路主体及附属设施、智能设备等的可视化管理,并在基础设施数字化的基础上,实现养护决策制订与机电智能运维;满足用户全天候通行需求,提升其在恶劣气象环境与不良道路条件下的行车安全性,具体表现为雨雾天及夜间行车的视线改善、冰雪天气的路面消冰防滑、分合流区域的安全警示;打造一致、连贯的出行服务走廊,通过网站、手机 App、广播、布设于高速公路沿线的可变情报板、高速公路电话服务专线等多种途径,提供交通基础设施信息、交通运行状态信息、高速公路沿线周边生活服务设施信息、出行路径规划服务信息等。3 沪武高速太仓至常州段智慧化建设规划3.1 设计理念与建设目标(1)设计理念。秉持以人为本的理念进行顶层设计,聚焦运营管理、运行维护、安全畅行、系统兼容、可持续发展等多个维度,从建设、管理、养护、服务、运维五个方面,通过系统、业务融合来构建“数字感知”“互联融合”“云控管理”“智慧应用”体系,推动沿江高速的运营数字化、管控智能化、服务精细化和运维现代化。(2)建设目标。针对沿江高速公路宽幅、多车道的需求变化,围绕“安全、高效、便捷、绿色”的目标,提升其智慧化水平。一是将沿江高速公路打造成具有基于车路协同的辅助自动驾驶功能的安全可靠、系统稳定、救援及时、自主可控的安心之路。二是通过物联网、大数据、人工智能等先进技术手段,提高交通基础设施利用效率、衔接转换效率、运营管理效率和交通网运行通畅水平,打造设施利用充分、交通通畅、响应快速的畅通之路。三是通过全数字综合智慧管理平台,建立出行预订和邀约系统,实现与城市道路交通的联网联控、大流量主动智能管控并提供道路的差异化服务,打造设施全覆盖、无障碍,信息易获取的舒适之路。四是提高资源集约节约利用水平,推动形成绿色交通发展方式,打造低碳营运、绿色施工的生态之路。沿江高速公路扩建项目目标如图 1 所示。图 1 沿江高速公路扩建项目目标3.2 建设总体思路与方案沿江高速扩建的总体方案是以“321”为基本框架,即在“安全、效率、服务”三大要素基础上,体现“首个落地车路协同示范应用”和“全国首条标准双向十车道智慧高速”两大特色,并通过点、面、线相结合的工作思路,将沿江高速打造为一条差异化自主管控的智慧高速公路。也就是基于高速公路传统机电系统和智慧化管理技术理论,针对沿江高速车流量大、交织区多及行驶车辆路径随机、模糊、不确定、复杂等特性,遵循“五层三体系”的系统总体架构,通过信息采集、数据融合、深度分析、控制优化、信息发布等功能对整个道路进行闭环管理,实时感知车、路、人、环境的状况,并精准预测其发展趋势3,实现道路全天候通行、全流程管控、全过程服务,最终达到“物优其流、人悦其行”。沿江智慧高速公路“五层三体系”架构如图 2 所示。22第 1 期阚有俊,等.沪武高速公路太仓至常州段扩建智慧化建设探究图 2 沿江智慧高速公路“五层三体系”架构 (1)五层系统架构。以数据链为主线,建立数字化采集、网络基础、数据融合、算力基础和应用展现五大体系4,完成“三网(能源网、交通网、信息网)融合”的智能基础设施建设,通过“云管边端”(云计算、管理、边缘计算、终端设备)协同主动管控,合力打造智慧高速公路“数据 业务”核心云平台。(2)三大支撑体系。包括标准规范体系、管理制度体系、信息安全体系。通过制定数据采集、数据交换、设施运维相关的技术标准规范,建立涵盖物理环境、通信网络、区域边界、计算环境的信息安全网络体系5 6,完善业务协同管理制度与信息共享服务机制,确保智慧高速公路的规范、安全、高效落地。3.3 重点建设内容沿江智慧高速公路建设将采用先进的信息技术与管理手段,构建集运行监测、交通管控、运维管养、出行服务于一体的智慧高速公路体系,提高管理服务数字化水平,全面提升出行品质。通过智慧化手段全面赋能沿江高速,重点建设内容如下:(1)智慧全息感知。采用视频、雷达、北斗等技术或系统,针对基础设施、交通运行、路域环境三类交通要素,实现沿江高速基础设施全数字诊断、交通运行全方位监测、路域环境全要素采集,做到人、车、路、环境的全息感知。充分利用 AI(人工智能)自动检测技术,实现高速公路交通事件的秒级发现与即时处理,为车路协同及自动驾驶提供辅助支撑。(2)智慧通信传输。安装专用传输通信设施,运用 有 线 通 信、SD-WAN(software-defined wide area network,软件定义的广域网)、DSRC(dedica-ted short range communication,专用短程通信)、LTE-V2X基于长期演进(long term evolution,LTE)技术空口,将蜂窝通信和直通通信相结合的车联网(ve-hicle to everything,V2X)通信技术、5G-V2X(基于5G 设计的车联网无线通信技术)等,结合卫星定位等,以实现低成本、高可靠的厘米级定位7。加强5G 基站应用,利用 5G 网络高带宽、低时延、大容量的特点,提供即时通信基础。(3)智慧交通管控。运用主动交通管理理念,基于检测的交通数据,对交通通行能力、事故风险进行预测研判,提前对交通流进行管理,保证车道交通流均衡,降低事故发生概率,提高通行效率。区别于目前高速公路上的“人工”智能管控系统,精细化主动管控系统依托可靠的算法、细颗粒度的仿真系统、实时效益反馈系统,以确保高速公路的安全和畅通。(4)智慧业务管理。树立高速公路全寿命周期理念,实现设施长效服役养护、机电设施智能运维、高速公路运行监测与出行服务等主要功能。一是通过应用高精地图、北斗、无人机、机器人等,以公路资产基础信息为依托,结合江苏交控智慧养护平台的管理需求,聚焦养护业务,实现智能监测、快速巡检、科学诊断、辅助决策等,提高养护工作效率,延长高速公路使用寿命。二是围绕设备精细化管理需求,运用移动互联网、大数据等,构建设备运32现 代 交 通 技 术2024 年维管理平台,将设备、工单、考核管理集成在一个数据充分共享的信息系统中,实现设备的全生命周期管理。三是以全域融合感知和全方位大数据为支撑,构建以用户为中心的伴随式信息服务系统,提供事件/事故预警、交通管制信息发布、路网状态发布等服务,保障交通安全,提升交通效率,赋能绿色低碳出行。(5)智慧服务决策支撑。通过“高速大脑”的建设,实现各类数据统计分析功能,并在大数据挖掘和 AI 模型分析的基础上,实现建、管、养、运、服等各阶段数据的智能抽取和综合分析及关键指标与统计图表等的综合展示。一是通过综合分析支持,实现质量、安全、进度评价和相应决策的制订等。二是通过运行监测决策支持,实现设施设备性能评价、路网交通需求预测、路网交通风险分析等。三是通过应急调度指挥决策支持,实现应急事件核实与分级、应急预案制订、应急路径规划、应急物资及人员优化配置、应急处置评价等。四是通过养护管理决策支持,实现路面技术状况评价、预防性养护分析、路面长期性能预测等。五是通过收费管理决策支持,基于大数据、人工智能等技术实现缺失路径还原、收费稽核分析、多义路径收费分析,拓宽ETC 用户服务边界等。(6)车路协同辅助自动驾驶。结合车联网发展情况,积极开展车路协同辅助自动驾驶的顶层设计研究,通过高精定位、智能感知、智能控制、智能决策等功能,加强交通管控、规划服务、交通信息分析和智能网联系统的建设,同时充分兼容已有系统,实现 135 km 路段全覆盖,重点 25 km 双向十车道 MEC(multi-access edge computing,多接入边缘计算)部署,根据智能网联道路系统分级定义与解读报告中的智能道路等级划分,将沿江高速打造成I3 级智能网联道路系统。4 沿江高速改扩建的创新特色及面临的挑战沿江智慧高速公路要实现全国首条标准双向十车道智慧高速,可依靠视频云联网、雷视(雷达+视频)一体 AI 分析和运行态势分析研判,实现事件快速检测;在大数据挖掘和 AI 模型分析的基础上,为业务管理及智慧服务提供决策支撑;通过基础设施数字化为车路协同以及自动驾驶提供足够的路侧技术协同与支持,建成 I3 级智能网联道路系统。但这一过程同样面临着巨大的挑战:智慧高速公路目前还没有统一的认定标准,实现简单,实用、管用、用好、精用较难;整个生态不够完善,还有很多问题有待解决。主要问题如下:(1)缺乏统一的智慧高速公路建设规范和标准。虽然很多省市的主管部门先后发布了相关规范、指南、方案等,但如何“建”、如何“评”的问题并未从根本上得到解决。(2)平台、设备、解决方案同质化现象严重,基础数据和软件的难关还有待突破。很多企业推出的管控平台、智能中枢、云控平台等解决方案名称不一,但本质并没有太大区别;很多智能设备的底层软件、算法均掌握在他人的手中,是先天不足,需要后天扶正。(3)造价颇高,实际效果有待检验。目前在高造价的情况下,智慧高速公路建成后的实际效果面临较多质疑,其存在创新技术与业务需求之间有落差、项目落地过程中技术应用过度、系统维护成本高且实用性不强、客户体验感不好等问题。(4)建成后的智慧高速公路是否真的能提高交通安全水平、提升通行效率、实现个性化服务和绿色低碳,还有待时间去检验。综上,沿江高速公路扩建智慧化建设要做好顶层规划,规模化应用成熟技术,局部研究和试点创新技术,结合实际,在提高基础设施数字化水平、提高出行信息服务水平、缓解交通拥堵、提升运营指挥决策能力、孵化智慧高速公路产业等方面力求更大突破。参考文献 1 崔雪薇.智慧高速乘风破浪 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