基于全要素感知的智慧公路信息化工程設(shè)計分析

林奕俊

（廣東華路交通科技有限公司，廣東廣州510080）

0 引言

為了順應(yīng)公路工程的數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化、協(xié)同化以及智慧化發(fā)展趨勢，智慧公路基于數(shù)字化信息平臺，融合邊緣計算、物聯(lián)網(wǎng)以及AI 等信息化技術(shù)，以路網(wǎng)感知以及路網(wǎng)數(shù)字化技術(shù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建一張包括高速公路網(wǎng)、公共交通圖等解決方案，實現(xiàn)對于公路網(wǎng)的全程化可視、可管以及可控，打造安全暢通的公路交通網(wǎng)絡(luò)，使得公眾出行更加便捷愉快、交通管理更加高效智能、智慧道路的建設(shè)更加綠色經(jīng)濟，促進全要素感知的智慧公路信息化工程設(shè)計。隨著現(xiàn)代社會及科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，智慧公路成了公路現(xiàn)代化建設(shè)工程的重要標志及高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵演變形態(tài)，我國擁有全世界上最為復(fù)雜龐大的高速公路網(wǎng)絡(luò)、最復(fù)雜的公路應(yīng)用場景與超大規(guī)模的公路線網(wǎng)，因此，發(fā)展全要素感知的智慧公路信息化工程具有巨大的發(fā)展?jié)摿皬V闊的發(fā)展空間。智慧公路在實際應(yīng)用中，具有以下三個核心價值及優(yōu)勢：

首先，智慧公路具有精確感知的功能，通過全網(wǎng)智能、多元擬合，實現(xiàn)人、車、路以及環(huán)境因素的全天候精準感知。

其次，智慧公路具有實時處理的優(yōu)勢功能，通過邊緣智能技術(shù)對于路網(wǎng)感知數(shù)據(jù)進行實時化分析處理，迅速地對于各種業(yè)務(wù)進行實時更新處理。

最后，智慧公路具有云端協(xié)同的優(yōu)勢功能，通過云端化訓(xùn)練及邊緣推理等信息化技術(shù)功能，在線提升智慧公路的信息化能力，面向業(yè)務(wù)能力進行可持續(xù)演進[1]。

根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，在我國大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)生態(tài)聯(lián)盟聯(lián)合《軟件和集成電路》雜志社、賽迪顧問、工信部賽迪智庫共同編制的《2021 中國大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)生態(tài)地圖暨中國大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書》，據(jù)其中相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，截止2020年，我國新建高速公路智能系統(tǒng)市場規(guī)模約為24312 億元，較2019年增長了11% 左右，較2020年全面增長6.0%，據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院預(yù)測，到2023年年底，高速公路市場規(guī)模將接近25000 億元，復(fù)合年增長率約為5%，為保障我國智慧公路的健康發(fā)展，應(yīng)從加大資金投入、加強人才培養(yǎng)、加快技術(shù)創(chuàng)新三個方面入手，真正實現(xiàn)智慧公路的設(shè)計理念。

1 全要素感知的智慧公路信息化工程概念

全要素感知的智慧公路信息化工程是基于國土空間基礎(chǔ)信息平臺，為高速公路高效智能化監(jiān)測監(jiān)管提供影像智能識別、虛擬地理場景智能孿生、業(yè)務(wù)智能研判、空間智能分析等能力，實現(xiàn)對高速公路“天上看、空中探、地上查、網(wǎng)上管”的一體化的智能感知，全面支撐高速公路的規(guī)劃管控、開發(fā)利用、保護修復(fù)與災(zāi)害監(jiān)測監(jiān)管，為高速公路主管部門、督查部門等提供多尺度、多層級、全域覆蓋的智能感知監(jiān)測監(jiān)管手段。

公路信息化施工其實是繼工程建設(shè)數(shù)字化建設(shè)、智能化應(yīng)用之后的新型公路管理模式和組織形式，是先進信息技術(shù)、工業(yè)技術(shù)與管理技術(shù)的深度融合。通過智慧公路信息工程建設(shè)，不僅能促進工程建設(shè)管理單位內(nèi)部生產(chǎn)關(guān)系的轉(zhuǎn)型升級，完成與互聯(lián)網(wǎng)社會生產(chǎn)力的和諧連接，還能進一步釋放公路管理企業(yè)員工的創(chuàng)新和效率活力，為智慧公路信息工程建設(shè)管理單位提供可持續(xù)發(fā)展的動力。全要素感知的智慧公路信息化工程有助于實現(xiàn)自主、實時的全路段運行情況掌握，實現(xiàn)對于智慧公路的運營、服務(wù)以及平安三大體系設(shè)施基礎(chǔ)的技術(shù)手段管理。全要素感知主要包含公路主體及其附屬設(shè)施監(jiān)測、交通運行狀態(tài)監(jiān)測以及公路氣象環(huán)境監(jiān)測等，將多種檢測設(shè)備進行融合感知，實現(xiàn)了對于人、車、路以及環(huán)境的狀態(tài)感知及管理程度，從而實現(xiàn)對于高速公路的交通事件以及氣象環(huán)境的自動識別，全面提升智慧公路路段的感知及監(jiān)測能力。全要素感知的智慧公路信息化工程設(shè)計，體現(xiàn)了現(xiàn)代化公路的服務(wù)水平，提升了智慧公路項目的服務(wù)能力。

2 傳統(tǒng)的公路信息化工程設(shè)計過程中存在的主要問題

在全要素感知的智慧公路信息化工程的設(shè)計過程中，按照智能化、信息化理念設(shè)計全要素感知的智慧公路，有助于使高速公路具備一定的信息化采集服務(wù)功能，在信息網(wǎng)絡(luò)之中實現(xiàn)互聯(lián)共享、迅速地分析處理相關(guān)數(shù)據(jù)及問題，但是，在全要素感知的智慧公路信息化工程的設(shè)計過程中，還存在以下幾個方面的問題。

2.1 智慧公路運營工作體系不夠合理

隨著公路基礎(chǔ)設(shè)施的逐步形成，公路信息化也進入了人們的視野。但是，公路管理的職能部門還不夠明確，權(quán)責(zé)劃分仍然不太清晰，這就會導(dǎo)致出現(xiàn)無人管理及管理部門相互推脫職責(zé)，或者幾個管理部門共同管理，但處理意見不一致的情況，在一定程度上不僅使責(zé)任劃分不清，還導(dǎo)致人力、物力、財力的浪費。

2.2 保障體系不完善

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人們需求的增加，路網(wǎng)規(guī)模不斷擴大，隨之而來的是公路信息化建設(shè)的壓力，日益繁重的工作使得相關(guān)部門無法及時應(yīng)對具體的施工情況，在一定程度上影響了施工的效率和合理性，從而使施工得不到應(yīng)有的保障。

目前高速公路信息化建設(shè)管理基本上是以自身經(jīng)濟利益為原則，服務(wù)內(nèi)部群眾，嚴重阻礙了其社會化的全面發(fā)展，也增加了統(tǒng)籌管理和保障建設(shè)的難度。

2.3 缺乏機電系統(tǒng)技術(shù)方面的專業(yè)人才

機電系統(tǒng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用加速了高速公路的信息化，但目前缺乏機電系統(tǒng)技術(shù)方面的專業(yè)人才，導(dǎo)致了技術(shù)和管理兩方面的問題，不僅在技術(shù)上存在基本的技術(shù)建設(shè)問題，也影響了相關(guān)方面的發(fā)展規(guī)劃。

2.4 信息資源沒有得到充分利用

高速公路擁有龐大的網(wǎng)絡(luò)資源和實時信息資源，但是就目前的情況來看，對這些資源的挖掘和利用力度遠遠不夠，因此在高速公路信息上存在著嚴重的資源浪費。

目前，對高速公路信息化最關(guān)心的是信息采集，但為了實現(xiàn)高效的信息現(xiàn)代化，更有必要對信息進行處理和利用。

信息收集的最終目的是為決策服務(wù)，即對信息進行處理和整理，產(chǎn)生合理的分析結(jié)果，使決策者做出更科學(xué)的、可行的、可預(yù)測的決策。如果停留在信息收集階段，不僅會使信息失去應(yīng)有的意義，還會在信息收集中造成不必要的經(jīng)濟損失[2]。

3 全要素感知智慧公路信息化工程總體設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)源采集及云聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

3.1.1 基于現(xiàn)場的道路全程可視化交通數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

智慧感知的第一要素是可靠的交通數(shù)據(jù)來源，可視化以及全覆蓋性是道路數(shù)據(jù)源采集系統(tǒng)的基本前提，因此，可以依托云聯(lián)網(wǎng)工作實現(xiàn)道路的全程可視化監(jiān)測，通過建設(shè)全程道路感知可視化建設(shè)，實現(xiàn)對于道路每輛車的監(jiān)控及錄像，并自動生成交通報表，為智慧公路信息化工程提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對于高速公路全程路段的全要素感知智能監(jiān)測，提升智慧公路信息化工程的運行效率及服務(wù)效能。

3.1.2 基于后臺的視頻云聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫建設(shè)系統(tǒng)

建設(shè)具有可視化、可測性、可控性以及可服務(wù)性的高速公路運行監(jiān)測體系建設(shè)，以滿足人民群眾高品質(zhì)的出行需求，有助于實現(xiàn)交通強國戰(zhàn)略的落實?；谠坡?lián)網(wǎng)系統(tǒng)的輔助，通過升級云平臺將道路視頻進行上傳，搭建公眾服務(wù)數(shù)據(jù)庫，此外，還可以通過部省兩級云平臺實現(xiàn)對于高速公路的全程監(jiān)測管理，打造云聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫的跨省共享功能，為全國范圍內(nèi)云數(shù)據(jù)庫的建設(shè)服務(wù)[3]。

3.2 閉環(huán)數(shù)字孿生智慧交通管理系統(tǒng)的設(shè)計

智慧交通信息化建設(shè)是數(shù)字孿生技術(shù)的天然沃土，充分利用數(shù)字孿生技術(shù)的特性搭建數(shù)字孿生智慧交通管理系統(tǒng)是智慧交通信息化建設(shè)的有效途徑。充分利用現(xiàn)有系統(tǒng)中視頻、雷達、氣象、情報板等各類傳感器的全息數(shù)據(jù)，將所有數(shù)據(jù)信息采集到數(shù)字孿生系統(tǒng)中，搭建智慧交通管理數(shù)字模型進行仿真、預(yù)測及控制，并在高精度地圖上進行展示，最終完成對交通路網(wǎng)實時全息感知、態(tài)勢展示、擁堵研判、指揮調(diào)度、路網(wǎng)評價等功能，從而實現(xiàn)“實時感知—虛擬空間映射—仿真推演—智能決策—實時控制—再感知”的閉環(huán)智慧交通管理系統(tǒng)。需要通過建立閉環(huán)數(shù)字孿生智慧交通管理系統(tǒng)，支撐智慧公路信息化工程的運行，實現(xiàn)對于高速公路的智能化應(yīng)用。

3.3 毫米波廣域雷達系統(tǒng)的設(shè)計

毫米波雷達是一種在毫米波波段探測的雷達，毫米波是指在30～300GHz 頻域、波長為1～10mm 的電磁波，毫米波的波長介于微波和厘米波之間，因此毫米波雷達兼具微波雷達和光電雷達的優(yōu)點。毫米波廣域雷達系統(tǒng)具備車輛狀態(tài)監(jiān)測功能、交通參數(shù)監(jiān)測功能、交通事故檢測功能、自動存儲功能、故障自動診斷和報警功能以及時鐘同步功能等，將其用于高速公路現(xiàn)代化感知系統(tǒng)的建設(shè)之中，有助于實現(xiàn)對于道路全線的智能監(jiān)測，提升高速公路的監(jiān)督管理水平，滿足道路交通網(wǎng)絡(luò)的高效運行，提升道路的通行效率，降低高速公路事故的發(fā)生率。毫米波廣域雷達能夠?qū)τ诟饕匦畔⑦M行采集、把控、追蹤、定位及研判等，并將采集到的信息上傳至中心平臺，將應(yīng)急處理平臺、協(xié)調(diào)指揮部門及交通控制部門等功能進行結(jié)合，形成信息與控制管理的閉環(huán)反饋。毫米波廣域雷達還具有天線口徑小、窄波束、大帶寬、多普勒頻率高，反隱身性能好等優(yōu)勢，通過建立毫米波廣域雷達系統(tǒng)對于全平臺進行高效率運營及統(tǒng)一建設(shè)管理，大大降低全要素感知智慧公路信息化工程設(shè)計的后期運營維護工作量[4]。

3.4 智慧運維管控平臺系統(tǒng)的設(shè)計

智慧運維管控平臺系統(tǒng)指的是通過先進的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及大數(shù)據(jù)平臺，實現(xiàn)對于用戶信息的采集、處理及遠程監(jiān)測，全面掌握道路的整體運行情況，通過標準化的運維服務(wù)流程，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的被動運維方式，建立智慧化運維管控平臺的設(shè)計。

首先，智慧運維管控平臺具有操作簡單、入門快、多種業(yè)務(wù)集成、支持移動端工作以及滿足多角色需求等優(yōu)勢，將其用于全要素感知智慧公路信息化工程設(shè)計之中，可以助力高速收費平穩(wěn)運行。通過設(shè)計新收費模式，保障大量智能設(shè)備的正常運行，助力高速收費業(yè)務(wù)平穩(wěn)運行。

其次，有助于提升運維工作效率。使運維工作更加統(tǒng)一、直觀、便捷，避免了傳統(tǒng)運維方式中操作難、耗時長的弊端，有效提升運維工作的效率。

最后，有助于提升通行率。有效提高高速設(shè)施的通行效率和應(yīng)急保障效率，對于智慧運維管控平臺而言，實現(xiàn)了對于高速公路全程的數(shù)字化管理，一旦出現(xiàn)故障及問題，可以通過移動端快速報修，接單人員全程定位跟蹤，從而高效地開展智慧公路應(yīng)急處置工作[5]。

3.5 硬件生命周期在線監(jiān)測及遠程維護系統(tǒng)設(shè)計

通過硬件生命周期健康監(jiān)測、故障精準定位、遠程接入、能耗管控以及智能分析等功能，使全要素感知智慧公路信息化工程具備智能分析、風(fēng)險預(yù)警、健康狀態(tài)管控以及硬件帶外方式遠程接入等功能，保證全要素感知智慧公路信息化工程對于系統(tǒng)故障的平均修復(fù)時間保持在15min 之內(nèi)，通過建設(shè)遠程管理控制器對于各類數(shù)據(jù)服務(wù)器、視頻服務(wù)器和存儲核心計算機等設(shè)備進行遠程深度控制，水平形變精度為2mm，高程形變精度為5mm，此外，還可以依托全要素感知智慧公路信息化工程硬件生命周期在線監(jiān)測及遠程維護系統(tǒng)大幅度降低系統(tǒng)的停機風(fēng)險，提早制定系統(tǒng)檢修計劃，提升硬件生命周期在線監(jiān)測及遠程維護系統(tǒng)的可靠性，實現(xiàn)全要素感知智慧公路信息化工程的自動運維及遠程維護工作質(zhì)量[6]。

4 結(jié)語

綜上所述，立足全要素感知智慧公路信息化工程建設(shè)工作，探討了基于全要素感知的智慧公路信息化工程的設(shè)計方案，并對于傳統(tǒng)的高速公路信息化建設(shè)監(jiān)控體系存在的網(wǎng)絡(luò)化及智能化水平不足、工作效率低下、公眾對于信息化服務(wù)的需求越來越高、光纜信息儲備不足、通信光纜的維修工作煩瑣、維修成本高、公路檢修效率較低、安全風(fēng)險大以及傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)效率較低、維護較為困難等問題，指出了全要素感知的智慧公路信息化工程的設(shè)計方案，為全要素感知的智慧公路信息化工程的建設(shè)提供了檢驗指導(dǎo)及思路方案，以期為相關(guān)類似工程提供經(jīng)驗指導(dǎo)及借鑒。