智慧化路橋管理與技術(shù)研究

張徐杏

（重慶市城投路橋管理有限公司）

1 引言

“十三五”時(shí)期，我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展從高速發(fā)展向高質(zhì)量發(fā)展轉(zhuǎn)型，交通運(yùn)輸發(fā)展的方向也在根據(jù)人民對(duì)美好生活的向往進(jìn)行不斷調(diào)整升級(jí)。在擁有龐大數(shù)量的道路、橋梁等交通基礎(chǔ)設(shè)施的情況下，路橋的運(yùn)營管理已經(jīng)成為了重要的部分，但相較于其他民生領(lǐng)域，路橋智慧化管理仍然存在著一定的滯后性。此外，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展，未來公路將擁有越來越豐富的數(shù)據(jù)資源，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)分析軟件體現(xiàn)出了滯后性特點(diǎn)，道路橋梁信息化與智慧化水平的提升迫在眉睫。因此必須基于信息化技術(shù)促進(jìn)現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系的完善化建設(shè)。

2 智慧路橋發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 浙江

早在2012年，浙江省政府就出臺(tái)了《關(guān)于務(wù)實(shí)推進(jìn)智慧城市建設(shè)示范試點(diǎn)工作的指導(dǎo)意見》，該意見的出臺(tái)預(yù)示著“智慧路橋”建設(shè)正式被提上了日程，浙江省也成為了全國范圍內(nèi)首個(gè)開展智慧路橋建設(shè)的城市。2017年，浙江啟動(dòng)了全長170km的杭紹甬智慧高速公路建設(shè)工程，標(biāo)志著智慧路橋的研究已從點(diǎn)狀的技術(shù)試驗(yàn)向系統(tǒng)化的集成示范轉(zhuǎn)變[1]。

在具體建設(shè)過程中“智慧路橋”采用“8141”的總體思路，由智慧服務(wù)、數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)處理中心等各個(gè)部分共同構(gòu)成，該項(xiàng)目通過智能終端設(shè)備，采用有線網(wǎng)和無線網(wǎng)相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)交通事件、圖像以及交通環(huán)境等動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的采集。同時(shí)，浙江省充分利用省內(nèi)擁有多家科技企業(yè)的優(yōu)勢(shì)，通過各項(xiàng)合作構(gòu)建起良好的“智慧路橋”研究生態(tài)。如與阿里云合作，利用云計(jì)算技術(shù)在杭州試點(diǎn)構(gòu)建了“阿里云城市大腦”，通過建設(shè)數(shù)據(jù)智慧化處理和服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)將采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯聚、處理和交互，為高速交警部門、公路管理部門提供協(xié)同管理和智慧服務(wù)[1]；推出公眾出行服務(wù)APP，智能視頻以及車聯(lián)網(wǎng)等各項(xiàng)應(yīng)用，一方面為市民的安全順暢出行提供服務(wù)，另一方面能幫助軟件開發(fā)商、廣播媒體以及網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商等通過提供增值服務(wù)從中獲利。因此，在商業(yè)模式、技術(shù)應(yīng)用以及優(yōu)質(zhì)服務(wù)的交融下，“智慧路橋”建設(shè)成效明顯，處于全國領(lǐng)先水平。

2.2 重慶

在近幾年的發(fā)展中，重慶一直都致力于數(shù)字路橋體系的建設(shè)，在提高行業(yè)服務(wù)智能水平的同時(shí)構(gòu)建路政治理、路面橋面養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)。首先是打通各業(yè)務(wù)系統(tǒng)，建立了數(shù)據(jù)資源共享機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了全市范圍聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行。市級(jí)公路網(wǎng)管理與應(yīng)急處置平臺(tái)在實(shí)現(xiàn)全過程監(jiān)控的基礎(chǔ)上，又集成了普通公路、特大橋梁、重要路段以及交調(diào)站等在內(nèi)的上千條路監(jiān)控信號(hào)，所建有的移動(dòng)視頻終端和手持智能終端上百套、LED信息發(fā)布終端30余塊，基本實(shí)現(xiàn)了全過程、全路段的可視化與動(dòng)態(tài)化監(jiān)控。

基于“集中管理、分級(jí)控制”這一管理理念，重慶市成功在構(gòu)建“聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控、區(qū)域管理”的創(chuàng)新型管理模式基礎(chǔ)上形成了一個(gè)較完整的監(jiān)控管理體系，并基于該系統(tǒng)達(dá)到了路網(wǎng)監(jiān)控信息互聯(lián)互通的效果。此外重慶市還發(fā)布了《城市道路物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)導(dǎo)則》，針對(duì)山區(qū)公路運(yùn)營管理的難點(diǎn)痛點(diǎn)，開展了“物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的公路網(wǎng)的管理與監(jiān)測(cè)”等重大專項(xiàng)研究，擬通過物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代信息化技術(shù)，增強(qiáng)山區(qū)公路的管理能力和信息服務(wù)能力，促進(jìn)了智慧化路橋的建設(shè)與發(fā)展。

3 智慧化路橋建設(shè)與管理中主要存在的問題

3.1 專項(xiàng)政策規(guī)劃缺位

目前智慧化與信息化路橋建設(shè)已經(jīng)成為了各個(gè)省份城市發(fā)展的重要技術(shù)，但是多數(shù)省份雖然在路橋信息化與智能化建設(shè)方面存在迫切的需求，但是仍然沒有將路橋智慧化建設(shè)提上日程，尤其是在缺乏綱領(lǐng)性文件的指導(dǎo)下缺乏具體的建設(shè)方向與目標(biāo)，省級(jí)人民政府與公路管理部門也缺乏關(guān)于各地市智慧化路橋建設(shè)的指導(dǎo)[2]。

3.2 專業(yè)機(jī)構(gòu)人員不穩(wěn)定

受各項(xiàng)因素的影響，道路、橋梁等管理單位現(xiàn)有的工作人員多數(shù)為非專業(yè)性人員，他們通常由行政調(diào)動(dòng)臨時(shí)組建或由其他處室人員兼任，而這部分群體無論專業(yè)性還是工作經(jīng)驗(yàn)都是明顯不足的，體現(xiàn)出了顯著的滯后性特點(diǎn)，其業(yè)務(wù)能力尚不能滿足公路信息化與智慧公路建設(shè)的需求。

3.3 系統(tǒng)建設(shè)水平不高

雖然目前我國江蘇、重慶和浙江等地在智慧路橋建設(shè)方面已經(jīng)取得了一定的成效，而且在信息采集設(shè)備布設(shè)、應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)等方面所取得的效果也值得其他省份效仿，但是從實(shí)際應(yīng)用上來說仍存在著一定的局限性和不足。具體體現(xiàn)在智能化管理以及智慧化建設(shè)等方面，同時(shí)面向公眾的服務(wù)也有待進(jìn)一步的加強(qiáng)。此外，國內(nèi)的其他省份在智慧化路橋建設(shè)方面的成果仍然處于突破政務(wù)處理無紙化以及自動(dòng)化辦公等低端領(lǐng)域，各業(yè)務(wù)系統(tǒng)仍未實(shí)現(xiàn)高度的統(tǒng)一與協(xié)調(diào)，在技術(shù)與數(shù)據(jù)等缺乏的情況下未滿足頂層設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4 智能化路橋管理與技術(shù)應(yīng)用方面

4.1 決策智慧化

決策智慧化是基于“安全、高效、綠色、經(jīng)濟(jì)”運(yùn)營目標(biāo)的基礎(chǔ)上[3]，針對(duì)現(xiàn)階段交通發(fā)展?fàn)顩r以及未來的發(fā)展趨勢(shì)，提出安全合理的措施?？偟膩碚f智慧化路橋管理實(shí)現(xiàn)仍然需要從以下三個(gè)方面著手。

1）目標(biāo)選擇

安全、經(jīng)濟(jì)、高效以及綠色這四個(gè)目標(biāo)中，處于第一層級(jí)的為安全，其他處于第二層級(jí)。第二層次各目標(biāo)間存在顯著的相關(guān)性關(guān)系，雖然從度量上來說似乎各個(gè)層級(jí)都是通過經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)其進(jìn)行度量的，但是因?yàn)楦饔绊懸蛩亻g的定量關(guān)系獲取難度較高，所以尚未確定有效的評(píng)價(jià)方法。比如在提升通行效率的情況下有可能會(huì)解除車輛限速，但可能會(huì)使得事故風(fēng)險(xiǎn)也隨著速度的增加而增加，這些目標(biāo)之間的關(guān)系均有待進(jìn)行深入的探究。

2）狀態(tài)評(píng)判

狀態(tài)評(píng)判主要是針對(duì)車輛流通狀態(tài)以及道路橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)施等展開的，通常需要基于宏觀和微觀兩個(gè)層面對(duì)車輛與交通流的狀態(tài)進(jìn)行評(píng)判?；谖⒂^層面著重評(píng)判的是每輛車與障礙物的距離以及跟車距等，基于宏觀層面需要著重判斷是否需要根據(jù)目標(biāo)進(jìn)行調(diào)整或者交通流的形態(tài)是否合理等。

3）狀態(tài)推演

智慧交通相對(duì)于傳統(tǒng)狀態(tài)推演其主要目的是有效預(yù)測(cè)每輛車的時(shí)空位置以及交通參數(shù)等。

4.2 關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

1）泛在無線通信技術(shù)

基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合與頻譜資源共享的基礎(chǔ)，泛在網(wǎng)基本上可以實(shí)現(xiàn)百分百的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，達(dá)到隨時(shí)隨地獲取、存儲(chǔ)、分享、使用信息的效果。在智慧化路橋管理中，泛在無線通信各種技術(shù)的互補(bǔ)性更加的顯著，針對(duì)人、車、路等不同終端引入各類技術(shù)應(yīng)用，涵蓋了各個(gè)不同的區(qū)域和領(lǐng)域，不同技術(shù)特點(diǎn)與不同接入速率推動(dòng)組合網(wǎng)絡(luò)一體化進(jìn)程與多元化融合具有十分重要的意義和作用。作為智能化路橋管理中的重要應(yīng)用技術(shù)，泛在無線通信技術(shù)主要目標(biāo)是為路橋設(shè)施和車輛通信網(wǎng)絡(luò)問題提供有效的解決方案。

在車輛和基礎(chǔ)設(shè)施互聯(lián)方面，V2I（Vehjcle to Infrastructure）協(xié)作系統(tǒng)可以發(fā)揮基礎(chǔ)設(shè)施通信最大化作用，既有助于實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化駕駛情景感知性能的提升，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了環(huán)境感知范圍的進(jìn)一步拓展。但是在智能路橋設(shè)施上部署通信設(shè)施直接影響著支持IEEE802.11p協(xié)議的V2I，尤其是車輛在受到交通干擾情況下不穩(wěn)定影響更加嚴(yán)重。

雖然目前V2X的研究與應(yīng)用已經(jīng)得到了迅速的發(fā)展，但是在中國該領(lǐng)域仍然存在諸多有待解決的問題，比如信道劃分與頻率資源分配、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)垂直切換技術(shù)以及DSRC新標(biāo)準(zhǔn)制定等各個(gè)方面[4]。目前，中國華為、大唐等企業(yè)推行的車間通信長期演進(jìn)技術(shù)可以說是國內(nèi)泛在無線通信技術(shù)應(yīng)用的成功代表，相對(duì)于DSRC技術(shù)來說，該技術(shù)在向5G系統(tǒng)過渡以及兼容車載互聯(lián)網(wǎng)等各個(gè)方面均擁有顯著的優(yōu)勢(shì)。

2）大規(guī)模連續(xù)高精度定位與導(dǎo)航技術(shù)

高精度定位技術(shù)是車輛安全應(yīng)用與個(gè)性化交通信息服務(wù)實(shí)現(xiàn)重要的基礎(chǔ)與前提，尤其是在北斗系統(tǒng)亞米級(jí)精度定位技術(shù)以及道路WLAN信號(hào)定位、射頻無線標(biāo)簽定位等無線定位技術(shù)不斷成熟的背景下，有效的促進(jìn)了車輛安全、智慧化路橋建設(shè)以及智能出行等各個(gè)方向與領(lǐng)域的迅速發(fā)展，對(duì)城市智能化交通管理與規(guī)劃以及對(duì)智慧化路橋建設(shè)與技術(shù)升級(jí)等各方面均起到了重要的作用。在該研究領(lǐng)域，通常是在車輛網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中引入廣域精準(zhǔn)定位技術(shù)，以滿足城市環(huán)境中車道級(jí)定位的需求。如在車道中安裝不同色溫與光學(xué)聚焦的LED路燈，通過對(duì)色度點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行分析的方式明確車輛位置，基于模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的地圖匹配法構(gòu)建了低成本的GPS接收器與微控制器芯片的汽車導(dǎo)航系統(tǒng)等。

但是GPS以及慣性導(dǎo)航等設(shè)備在具體的應(yīng)用過程中仍然可能因?yàn)榄h(huán)境等因素的影響難以實(shí)現(xiàn)高精準(zhǔn)度定位，無法滿足智慧化路橋的實(shí)際管理與應(yīng)用需要。因此，大規(guī)模的實(shí)時(shí)高精度定位必然是未來智慧化路橋管理中的重要技術(shù)應(yīng)用。未來智慧化路橋建設(shè)過程中，可以通過路側(cè)設(shè)施提供的定位信息，融合無線定位技術(shù)、高精度地圖以及衛(wèi)星定位等各項(xiàng)技術(shù)，彌補(bǔ)衛(wèi)星定位應(yīng)用過程中存在的不足，實(shí)現(xiàn)智能路橋上大規(guī)模車輛的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)定位，為交通事故預(yù)測(cè)和處理、交通管理以及路橋設(shè)施維護(hù)檢查等方面提供充分的依據(jù)和參考。

3）無線充電技術(shù)

無線充電技術(shù)指的是基于電磁場(chǎng)或者電磁波的應(yīng)用，在完全不需要任何實(shí)體電線連接的情況下滿足用電設(shè)備的充電需求。從實(shí)際應(yīng)用效果來看，在千瓦級(jí)功率條件下已經(jīng)將原本幾毫米的傳輸距離增加到了幾百毫米，并且電網(wǎng)負(fù)載效率也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于90%以上，這使得WCT在靜止與動(dòng)態(tài)充電場(chǎng)景中被更多電動(dòng)車輛青睞。目前典型的三種無線充電方式主要包括電磁感應(yīng)式、電磁共振式和無線電波式，

電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)是一種復(fù)雜的非線性磁電耦合系統(tǒng)，其中包括了A4WP、PMA等主流無線充電標(biāo)準(zhǔn)。目前Qualcomm Halo設(shè)備的電能轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)超過以上電磁感應(yīng)式和電磁共振式，大大提升了充電的效率。顯然安全性、可靠性以及便利性是無線充電技術(shù)相對(duì)于其他技術(shù)應(yīng)用擁有的顯著優(yōu)勢(shì)，不需要擔(dān)心設(shè)備維護(hù)或者機(jī)械磨損等方面的問題，在雨雪等惡劣天氣中的適應(yīng)性也相對(duì)較強(qiáng)。因此，在路橋設(shè)施上建設(shè)無線充電系統(tǒng)擁有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

4）主動(dòng)的路橋安全控制技術(shù)

基于智慧路橋系統(tǒng)層面，在智慧化建設(shè)過程中還應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)主動(dòng)的安全控制技術(shù)應(yīng)用。通過智能化預(yù)測(cè)路橋車流信息實(shí)現(xiàn)車路情境感知、事故通知、行人碰撞警示等，提前感知、提醒和規(guī)劃特殊運(yùn)營車輛的行車路徑和路權(quán)等級(jí)。特殊運(yùn)營車輛通過安裝特殊電子設(shè)備的方式達(dá)到可視化的監(jiān)控與跟蹤效果，加強(qiáng)路橋安全的智能化和安全性；在應(yīng)急管理方面，可使用無人機(jī)、機(jī)器人等措施實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)、周密指揮。

在主動(dòng)的路橋安全控制技術(shù)研究中，路橋狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以基于平板電腦中MEMS加速度傳感器和GPS接收器對(duì)設(shè)施異常點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)；基于激光測(cè)距技術(shù)下的預(yù)警系統(tǒng)能夠動(dòng)態(tài)化測(cè)量并預(yù)警路面狀況；道路太陽能系統(tǒng)可以結(jié)合所監(jiān)測(cè)到的太陽輻射熱、土壤儲(chǔ)存熱量以及道路橋面吸收的太陽能的基礎(chǔ)上，對(duì)其系統(tǒng)的傳熱機(jī)理和效果進(jìn)行探究與分析；阿里云開發(fā)的城市大腦可以對(duì)路況數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，在城市交叉路口通過傳感器數(shù)據(jù)智能分配交通燈時(shí)間，可減少行車延誤并大大提升道路安全。

顯然，未來智慧化路橋建設(shè)與發(fā)展中仍然需要以道路橋梁基礎(chǔ)設(shè)施為著手點(diǎn)，并通過實(shí)時(shí)監(jiān)控、自動(dòng)修復(fù)和提前預(yù)測(cè)等功能提升行車安全和穩(wěn)定，以及評(píng)估路橋設(shè)施安全狀態(tài)。主要技術(shù)體系如圖1所示。

圖1 現(xiàn)階段智慧路橋技術(shù)體系[5]

5 結(jié)語

智慧化路橋管理是一項(xiàng)集計(jì)算、系統(tǒng)集成技術(shù)等技術(shù)應(yīng)用在內(nèi)的道路綜合體[6]。本文在分析智慧路橋建設(shè)現(xiàn)狀和存在問題的基礎(chǔ)上從決策智慧化和關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用這兩個(gè)方面初步分析了虛實(shí)結(jié)合的平行智慧路橋管理體系。對(duì)于我國公路與橋梁建設(shè)與管理來說，智慧化必然是未來的主要發(fā)展趨勢(shì)，在人才、技術(shù)和資金投入等方面仍需進(jìn)一步突破，有待解決的問題還有很多。所以未來仍然需要結(jié)合實(shí)際需求和具體的情況進(jìn)行優(yōu)化與調(diào)整，在各方共同努力下加強(qiáng)智慧化路橋的建設(shè)與發(fā)展，共同營造良好的發(fā)展環(huán)境。