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摘 要：智慧化是未来高速公路的发展趋势，“新基建”的提出更是为智慧高速的建设增加了引擎，本文在近几年国内智慧高速技术探索和试点示范的基础上，对智慧高速的内涵进行了解读，提出“全要素感知、全方位服务、全天候通行、全过程管控、全数字运营”五位一体的智慧高速总体框架和具体内容，最后结合在智慧高速规划设计中遇到的问题，提出若干智慧高速实施建议，为后续智慧高速的建设提供一定的指导。
关键词：交通信息工程与控制;智慧高速;总体框架;建设内容;实施建议
中图分类号：U495 文献标识码：A
0 引言
截止2018年底，我国公路总里程达485万公里，其中高速公路总里程14.3万公里，位列世界第一，高速公路网的规模效应已经显现，网络化交通运行特征明显[1]。随之而来的是小汽车保有量不断激增，传统交通拥堵、交通事故、环境污染等交通问题凸显，依托智慧化手段提升公路管理和服务能力逐步成为发展重点。2018年初，交通运输部办公厅发布《关于加快推进新一代交通控制网和智慧公路试点的通知》[2]，将智慧公路建设推向一个全新的高度，国内各省份积极开展智慧高速试点，智慧高速建设如火如荼。
1 智慧高速内涵理解
智慧高速是在土地资源趋近饱和条件下，为了满足公众日益增长的交通需求而衍生出的公路发展的高阶形态，是智慧交通的重要组成部分。目前，对于智慧高速的定义和内涵还未形成统一共识，百度百科中给“智慧”的解释是：包含有感知、记忆、理解、计算、分析、判断、决策等多种能力。本研究提出由“智慧”的定义，衍生出“智慧高速”的内涵和外延，其本质为具有感知、思考、理解、分析、执行等聪慧能力，涵盖人、载运工具、基础设施、环境等要素[3]，实现各要素协同运行的公路。目标为实现公路的提质增效，具体表现为安全、高效、便捷。相对于传统的以机电三大系统为支撑的普通高速公路，智慧高速公路具备如下特征：
感知能力更强：更加注重异常状态的极速感知，通过立体化、多维度的感知設备，如事件检测摄像机、毫米波雷达、物联网传感器、无人机、巡检机器人等，从各个角度全要素获取交通环境信息。
服务能力更强：更加注重公众出行体验，在高速公路路段沿线、服务区、隧道，通过采用5G、车路协同、互联网信息服务等，提供公众出行前、出行中、出行后，个性化、主动式、伴随式的全方位服务。
管控能力更强：将现有高速公路管控由道路级上升为车道级，提供包括车道级精准管控、快速应急处置、智能养护作业等功能，提高路网畅通水平和运行效率。
决策能力更强：利用大数据、知识图谱、人工智能、数字孪生等技术，实现决策的更加科学。
2 智慧高速总体框架
在智慧高速现状分析和内涵理解的基础上，提出“全要素感知、全方位服务、全天候通行、全过程管控、全数字运营”五位一体的智慧高速总体框架，通过新一代信息技术与高速公路感知、服务、管控、决策等的深度融合，完成传统机电三大系统在新时代背景下的升级完善，打造智慧高速公路大脑，创建若干智慧高速应用场景，最终实现安全提升、服务提升和效率提升。
从图1中可以看出，全要素感知是智慧高速的基础，基于全要素感知采集到的公路主体及附属设施信息、交通运行状态信息和公路气象环境信息，通过光纤、4G/5G、LTE-V等多模式通信传输至外场和后台，支撑各项具体应用以及整体决策支持;全天候通行、全方位服务、全过程管控则是面向“安全提升、服务提升和效率提升”的具体举措，其产生的数据可进一步传输至后台支撑整体决策，同时全天候通行和全过程管控的信息也可通过全方位服务中的各种手段对外发布;全数字运营作为整个智慧高速的核心，充当着指挥大脑的作用，其产生的信息可反馈用于整个智慧高速的协同优化运行。
3 智慧高速建设内容
3.1 全要素感知
主要建设内容包含主体及附属设施监测、交通运行状态监测和公路气象环境监测，实现交通要素的全息感知。主体及附属设施监测：针对路面、桥梁、边坡、交通标志标线异常状态，如裂缝、坑塘、车辙、结构变形、环境腐蚀等，通过在高速公路沿线布设物联网传感器、视频检测器、微波检测器等，对异常状态进行实时感知和及时预警，保障高速公路安全通行;交通运行状态监测：基于事件检测摄像机、全景摄像机、微波检测器、毫米波雷达等各类检测设备，实现交通流要素、交通运行状态的全方位监测，实现交通事件10s级极速感知;公路气象环境监测：通过气象监测站，针对团雾、道路积水结冰等进行及时检测，有助于开展交通诱导和采取管养措施，减少道路交通事故发生概率。
3.2 全方位服务
主要建设内容包含传统信息发布、车路协同信息发布和“互联网+”信息发布、智慧服务区、智慧隧道、自由流收费，实现“出行前”、“出行中”及“出行后”全方位信息服务，提升交通信息发布的覆盖面和及时性。传统信息发布方式：包括可变情报板、交通服务热线、电台广播、服务出行网站等，发布路况信息、预警信息等;车路协同信息发布：依托DSRC、LTE-V、5G等通信技术，选择关键路段进行试点布设，实现道路危险状况提示、限速预警、前方拥堵提醒、车辆汇流碰撞预警、匝道分合流预警等典型场景;“互联网+”信息服务：通过手机应用软件/小程序、微信公众号等自建或第三方出行信息服务系统，通过发布疫情、交通管制、交通事故等信息，提醒驾乘人员谨慎驾驶;智慧服务区：主要建设内容包含智慧停车、集约型灯杆、服务区管理平台、智慧高速展厅，实现服务区公众服务能力提升;智慧隧道：主要建设内容包含隧道融合拼接投影系统、5G+北斗网络全覆盖和智能综合信息管理平台等，实现“安全优先、舒适出行”;自由流收费：基于ETC门架系统的建设，提升出行品质。
3.3 全天候通行
主要建设内容包含雾天行车诱导、智能消冰除雪、匝道分合流预警、新型标志标线。雾天行车诱导：在车道两侧安装诱导灯，恶劣天气下，通过在车辆后方形成行驶拖曳轨迹，提醒后方车辆保持跟车距离;智能消冰除雪：通过采用自动喷淋系统，当检测到路面积雪，通过喷洒融雪剂，达到除雪的效果;匝道分合流预警：在分合流区域布设诱导灯，实现分流区智慧诱导、合流区智能警示，强化夜间效果;新型标志标线：通过采用雨夜标线，反光标志，提升驾驶员在恶劣环境下的既视感。 3.4 全过程管控
主要建设内容包含主线车道级管控、匝道智能管控、快速应急救援和智能养护作业。主线车道级管控：通过设置车道控制器、可变限速标志，结合道路流量，对道路进行分车道、分级控制;匝道智能管控：通过在匝道区域布设信号灯或者车道控制器，根据主线交通量，适当调整匝道区域的控制流量，减少主线的压力;快速应急救援：应急人员、车辆和资源的快速匹配和有效调度，备勤点和临时驻点的布局优化，设置智慧应急驿站;智能养护作业：结合高精度地图自动生成装置布设方案，基于可穿戴设备、占道预警设备等进行异常预警。
3.5 全数字运营
主要建设内容包括：云平台、业务协同工作平台、大数据平台和数字孪生系统。云平台：针对现有硬件资源实现虚拟化，实现云基础设施、数据、服务、应用等资源的一体化、协同化管理;业务协同工作平台：实现基础设施监测、路网管理与应急指挥、养护管理、办公自动化等业务功能;大数据平台：提升辅助决策支撑能力，包含路面长期性能预测模型、日常养护评价模型、事件影响分析模型、路面病害识别模型等;数字孪生系统：基于BIM、交通仿真、电子沙盘等方式展示高速公路沿线设施、业务流程以及统计分析结果。
4 智慧高速实施建议
4.1 公路业务人员和管理者需加强对智慧公路建设的认识
随着公路基础设施逐步完善，智慧公路将成为“新基建”背景下的发展重点，公路业务人员和管理者，由于自身职责和业务的差异，尚不能真正理解智慧公路建设的必要性和意义[4]。因此需加强智慧公路相关技术专题交流，以及开展示范工程效果评估，深化相关部门对智慧公路实施效果的认识。
4.2 智慧公路建设需结合技术成熟度分阶段分期建设
智慧公路是一个全新的理念，包含成熟技术推广应用和前沿技术试点探索，部分关键技术如5G、车路协同等，尚处于研究阶段，为确保项目兼具先进性、适用性和可落地性，要充分考虑技术的发展和迭代，如5G技术，在当前标准尚未冻结、信道编码、多天线等技术尚未成熟的阶段[5]，如果轻易推广应用，容易造成资源浪费和重复建设。需特别注意相关设施建设的时机，对于前瞻性强、迭代更新快的技术，可开展分期建设，先期重点开展基础预留和试点建设，远期根据技术成熟度确定是否推广。
4.3 智慧公路建设需结合实际情况建立分级建设标准
目前智慧公路示范工程考虑了各类前瞻技术的试点应用，往往工程投资额相对较高，后续或难以在所有的公路上大范围推广。因此建议进一步依托智慧公路示范工程建设效果，结合不同等级公路的建设需求和关注重点，开展深入研究分析，建立健全智慧公路分级建设标准，从而使智慧公路具有大范围下的可推广性。
4.4 智慧公路建设需自上而下推动打通数据壁垒
数据为战略性资源，也是实现数字孪生及科学决策的重要基础，与外行业进行必要的数据交换共享可进一步扩大公路行业的数据源，同时实现外场设备的集约利用，减少工程建设成本。经验表明，依托单个工程自下而上尝试打通数据壁垒难度很大，由于缺乏体制机制的保证，数据共享往往停留在意识层面，得不到真正的落地。智慧公路是一项系统性工程，建议自上而下推动打通数據壁垒，明确各方职责，促进必要数据的行业间交换共享。
5 小结
新基建时代，智慧高速公路将有力带动智能制造和互联网相关产业的发展，是我国在经济转型发展期促进新一轮经济增长的重要抓手。高速公路作为交通运输行业信息化、智能化发展程度最高的领域之一，发展智慧高速公路，率先运用新一代信息技术来提升服务水平是行业发展的必然。本研究基于对智慧高速内涵的理解，提出了“全要素感知、全过程管控、全天候通行、全方位服务、全数字运营”的智慧高速的总体框架，给出了各部分的具体建设内容，最后针对智慧高速的建设提出了若干建议，以期对未来智慧高速公路的规划、设计和建设提供一定的参考。
参考文献：
[1]张纪升，李斌，王笑京，等.智慧高速公路架构与发展路径设计[J].公路交通科技，2018，35（01）：88-94.
[2]交通运输部.交通运输部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[R].北京：交通运输部，2018.
[3]王小军，王少飞，涂耘.智慧高速公路总体设计[J].公路，2016，61（04）：137-142.
[4]张维苏.智慧高速设计技术探讨[J].中国交通信息化，
2019，21（11）：93-94+109.
[5]王少飞，祖晖，付建胜，等.智慧高速公路初探[J].中国交通信息化，2017，19（S1）：10-17.
关键词：交通信息工程与控制;智慧高速;总体框架;建设内容;实施建议
中图分类号：U495 文献标识码：A
0 引言
截止2018年底，我国公路总里程达485万公里，其中高速公路总里程14.3万公里，位列世界第一，高速公路网的规模效应已经显现，网络化交通运行特征明显[1]。随之而来的是小汽车保有量不断激增，传统交通拥堵、交通事故、环境污染等交通问题凸显，依托智慧化手段提升公路管理和服务能力逐步成为发展重点。2018年初，交通运输部办公厅发布《关于加快推进新一代交通控制网和智慧公路试点的通知》[2]，将智慧公路建设推向一个全新的高度，国内各省份积极开展智慧高速试点，智慧高速建设如火如荼。
1 智慧高速内涵理解
智慧高速是在土地资源趋近饱和条件下，为了满足公众日益增长的交通需求而衍生出的公路发展的高阶形态，是智慧交通的重要组成部分。目前，对于智慧高速的定义和内涵还未形成统一共识，百度百科中给“智慧”的解释是：包含有感知、记忆、理解、计算、分析、判断、决策等多种能力。本研究提出由“智慧”的定义，衍生出“智慧高速”的内涵和外延，其本质为具有感知、思考、理解、分析、执行等聪慧能力，涵盖人、载运工具、基础设施、环境等要素[3]，实现各要素协同运行的公路。目标为实现公路的提质增效，具体表现为安全、高效、便捷。相对于传统的以机电三大系统为支撑的普通高速公路，智慧高速公路具备如下特征：
感知能力更强：更加注重异常状态的极速感知，通过立体化、多维度的感知設备，如事件检测摄像机、毫米波雷达、物联网传感器、无人机、巡检机器人等，从各个角度全要素获取交通环境信息。
服务能力更强：更加注重公众出行体验，在高速公路路段沿线、服务区、隧道，通过采用5G、车路协同、互联网信息服务等，提供公众出行前、出行中、出行后，个性化、主动式、伴随式的全方位服务。
管控能力更强：将现有高速公路管控由道路级上升为车道级，提供包括车道级精准管控、快速应急处置、智能养护作业等功能，提高路网畅通水平和运行效率。
决策能力更强：利用大数据、知识图谱、人工智能、数字孪生等技术，实现决策的更加科学。
2 智慧高速总体框架
在智慧高速现状分析和内涵理解的基础上，提出“全要素感知、全方位服务、全天候通行、全过程管控、全数字运营”五位一体的智慧高速总体框架，通过新一代信息技术与高速公路感知、服务、管控、决策等的深度融合，完成传统机电三大系统在新时代背景下的升级完善，打造智慧高速公路大脑，创建若干智慧高速应用场景，最终实现安全提升、服务提升和效率提升。
从图1中可以看出，全要素感知是智慧高速的基础，基于全要素感知采集到的公路主体及附属设施信息、交通运行状态信息和公路气象环境信息，通过光纤、4G/5G、LTE-V等多模式通信传输至外场和后台，支撑各项具体应用以及整体决策支持;全天候通行、全方位服务、全过程管控则是面向“安全提升、服务提升和效率提升”的具体举措，其产生的数据可进一步传输至后台支撑整体决策，同时全天候通行和全过程管控的信息也可通过全方位服务中的各种手段对外发布;全数字运营作为整个智慧高速的核心，充当着指挥大脑的作用，其产生的信息可反馈用于整个智慧高速的协同优化运行。
3 智慧高速建设内容
3.1 全要素感知
主要建设内容包含主体及附属设施监测、交通运行状态监测和公路气象环境监测，实现交通要素的全息感知。主体及附属设施监测：针对路面、桥梁、边坡、交通标志标线异常状态，如裂缝、坑塘、车辙、结构变形、环境腐蚀等，通过在高速公路沿线布设物联网传感器、视频检测器、微波检测器等，对异常状态进行实时感知和及时预警，保障高速公路安全通行;交通运行状态监测：基于事件检测摄像机、全景摄像机、微波检测器、毫米波雷达等各类检测设备，实现交通流要素、交通运行状态的全方位监测，实现交通事件10s级极速感知;公路气象环境监测：通过气象监测站，针对团雾、道路积水结冰等进行及时检测，有助于开展交通诱导和采取管养措施，减少道路交通事故发生概率。
3.2 全方位服务
主要建设内容包含传统信息发布、车路协同信息发布和“互联网+”信息发布、智慧服务区、智慧隧道、自由流收费，实现“出行前”、“出行中”及“出行后”全方位信息服务，提升交通信息发布的覆盖面和及时性。传统信息发布方式：包括可变情报板、交通服务热线、电台广播、服务出行网站等，发布路况信息、预警信息等;车路协同信息发布：依托DSRC、LTE-V、5G等通信技术，选择关键路段进行试点布设，实现道路危险状况提示、限速预警、前方拥堵提醒、车辆汇流碰撞预警、匝道分合流预警等典型场景;“互联网+”信息服务：通过手机应用软件/小程序、微信公众号等自建或第三方出行信息服务系统，通过发布疫情、交通管制、交通事故等信息，提醒驾乘人员谨慎驾驶;智慧服务区：主要建设内容包含智慧停车、集约型灯杆、服务区管理平台、智慧高速展厅，实现服务区公众服务能力提升;智慧隧道：主要建设内容包含隧道融合拼接投影系统、5G+北斗网络全覆盖和智能综合信息管理平台等，实现“安全优先、舒适出行”;自由流收费：基于ETC门架系统的建设，提升出行品质。
3.3 全天候通行
主要建设内容包含雾天行车诱导、智能消冰除雪、匝道分合流预警、新型标志标线。雾天行车诱导：在车道两侧安装诱导灯，恶劣天气下，通过在车辆后方形成行驶拖曳轨迹，提醒后方车辆保持跟车距离;智能消冰除雪：通过采用自动喷淋系统，当检测到路面积雪，通过喷洒融雪剂，达到除雪的效果;匝道分合流预警：在分合流区域布设诱导灯，实现分流区智慧诱导、合流区智能警示，强化夜间效果;新型标志标线：通过采用雨夜标线，反光标志，提升驾驶员在恶劣环境下的既视感。 3.4 全过程管控
主要建设内容包含主线车道级管控、匝道智能管控、快速应急救援和智能养护作业。主线车道级管控：通过设置车道控制器、可变限速标志，结合道路流量，对道路进行分车道、分级控制;匝道智能管控：通过在匝道区域布设信号灯或者车道控制器，根据主线交通量，适当调整匝道区域的控制流量，减少主线的压力;快速应急救援：应急人员、车辆和资源的快速匹配和有效调度，备勤点和临时驻点的布局优化，设置智慧应急驿站;智能养护作业：结合高精度地图自动生成装置布设方案，基于可穿戴设备、占道预警设备等进行异常预警。
3.5 全数字运营
主要建设内容包括：云平台、业务协同工作平台、大数据平台和数字孪生系统。云平台：针对现有硬件资源实现虚拟化，实现云基础设施、数据、服务、应用等资源的一体化、协同化管理;业务协同工作平台：实现基础设施监测、路网管理与应急指挥、养护管理、办公自动化等业务功能;大数据平台：提升辅助决策支撑能力，包含路面长期性能预测模型、日常养护评价模型、事件影响分析模型、路面病害识别模型等;数字孪生系统：基于BIM、交通仿真、电子沙盘等方式展示高速公路沿线设施、业务流程以及统计分析结果。
4 智慧高速实施建议
4.1 公路业务人员和管理者需加强对智慧公路建设的认识
随着公路基础设施逐步完善，智慧公路将成为“新基建”背景下的发展重点，公路业务人员和管理者，由于自身职责和业务的差异，尚不能真正理解智慧公路建设的必要性和意义[4]。因此需加强智慧公路相关技术专题交流，以及开展示范工程效果评估，深化相关部门对智慧公路实施效果的认识。
4.2 智慧公路建设需结合技术成熟度分阶段分期建设
智慧公路是一个全新的理念，包含成熟技术推广应用和前沿技术试点探索，部分关键技术如5G、车路协同等，尚处于研究阶段，为确保项目兼具先进性、适用性和可落地性，要充分考虑技术的发展和迭代，如5G技术，在当前标准尚未冻结、信道编码、多天线等技术尚未成熟的阶段[5]，如果轻易推广应用，容易造成资源浪费和重复建设。需特别注意相关设施建设的时机，对于前瞻性强、迭代更新快的技术，可开展分期建设，先期重点开展基础预留和试点建设，远期根据技术成熟度确定是否推广。
4.3 智慧公路建设需结合实际情况建立分级建设标准
目前智慧公路示范工程考虑了各类前瞻技术的试点应用，往往工程投资额相对较高，后续或难以在所有的公路上大范围推广。因此建议进一步依托智慧公路示范工程建设效果，结合不同等级公路的建设需求和关注重点，开展深入研究分析，建立健全智慧公路分级建设标准，从而使智慧公路具有大范围下的可推广性。
4.4 智慧公路建设需自上而下推动打通数据壁垒
数据为战略性资源，也是实现数字孪生及科学决策的重要基础，与外行业进行必要的数据交换共享可进一步扩大公路行业的数据源，同时实现外场设备的集约利用，减少工程建设成本。经验表明，依托单个工程自下而上尝试打通数据壁垒难度很大，由于缺乏体制机制的保证，数据共享往往停留在意识层面，得不到真正的落地。智慧公路是一项系统性工程，建议自上而下推动打通数據壁垒，明确各方职责，促进必要数据的行业间交换共享。
5 小结
新基建时代，智慧高速公路将有力带动智能制造和互联网相关产业的发展，是我国在经济转型发展期促进新一轮经济增长的重要抓手。高速公路作为交通运输行业信息化、智能化发展程度最高的领域之一，发展智慧高速公路，率先运用新一代信息技术来提升服务水平是行业发展的必然。本研究基于对智慧高速内涵的理解，提出了“全要素感知、全过程管控、全天候通行、全方位服务、全数字运营”的智慧高速的总体框架，给出了各部分的具体建设内容，最后针对智慧高速的建设提出了若干建议，以期对未来智慧高速公路的规划、设计和建设提供一定的参考。
参考文献：
[1]张纪升，李斌，王笑京，等.智慧高速公路架构与发展路径设计[J].公路交通科技，2018，35（01）：88-94.
[2]交通运输部.交通运输部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[R].北京：交通运输部，2018.
[3]王小军，王少飞，涂耘.智慧高速公路总体设计[J].公路，2016，61（04）：137-142.
[4]张维苏.智慧高速设计技术探讨[J].中国交通信息化，
2019，21（11）：93-94+109.
[5]王少飞，祖晖，付建胜，等.智慧高速公路初探[J].中国交通信息化，2017，19（S1）：10-17.