寧夏智慧高速公路技術(shù)體系構(gòu)建

劉大海 郭亞中 張易辰 楊 丁 韓東海

（1.寧夏交投高速公路管理有限公司,寧夏 銀川 750001；2.華設設計集團股份有限公司,江蘇 南京 210000；3.寧夏公路勘察設計院有限責任公司,寧夏 銀川 750001；4.寧夏公路數(shù)字信息化工程技術(shù)研究中心,寧夏 銀川 750001；5.北京交科公路勘察設計研究院有限公司,北京 100080）

2018年交通運輸部開始在九省（市）試點新一代國家交通控制網(wǎng)和智慧公路[1-2]，涵蓋了基礎(chǔ)設施數(shù)字化、路運一體化車路協(xié)同、北斗高精度定位綜合應用、基于大數(shù)據(jù)的路網(wǎng)綜合管理、“互聯(lián)網(wǎng)+”路網(wǎng)綜合服務、新一代國家交通控制網(wǎng)6個方向重點內(nèi)容。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前全國已有超過20個省份開展了智慧公路建設的試點或示范，被稱作“智慧高速公路”的數(shù)量已超過50條。

在“十三五”時期，《推進“互聯(lián)網(wǎng)+”便捷交通促進智能交通發(fā)展的實施方案》《智慧交通讓出行更便捷行動方案（2017—2020年）》等文件中，已經(jīng)對智能交通技術(shù)體系與發(fā)展方向提出了框架概要[3]?！督煌◤妵ㄔO綱要》《數(shù)字交通發(fā)展規(guī)劃綱要》等對精準掌握路網(wǎng)、車、構(gòu)造物狀態(tài)，路網(wǎng)管理具備較高的智慧水平，實現(xiàn)路網(wǎng)精準預測和快速應急等提出了更高要求，推進數(shù)字化采集體系、網(wǎng)絡化傳輸體系和智能化應用體系構(gòu)建等成為建設的主要目標。從技術(shù)框架的層面上看，《交通運輸部 科學技術(shù)部關(guān)于科技創(chuàng)新驅(qū)動加快建設交通強國的意見》立足交通運輸多學科交叉與應用為主的特點，提出促進新一代信息技術(shù)與交通運輸融合發(fā)展、促進先進制造技術(shù)與交通運輸融合發(fā)展、促進安全綠色技術(shù)與交通運輸融合發(fā)展，智慧公路示范工程是交通運輸部在《交通運輸信息化“十三五”發(fā)展規(guī)劃》中明確提出的建設內(nèi)容，成為智慧高速公路建設的基礎(chǔ)[3]。

隨著新基建、綜合立體交通網(wǎng)、數(shù)字中國的不斷發(fā)展，智慧高速公路的技術(shù)體系框架不斷變化，“十四五”以來，《交通運輸領(lǐng)域新型基礎(chǔ)設施建設行動方案（2021—2025年）》《數(shù)字交通“十四五”發(fā)展規(guī)劃》《“十四五”交通領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》《數(shù)字中國建設整體布局規(guī)劃》等文件的陸續(xù)出臺，極大地豐富了智慧高速公路的技術(shù)體系。

對應新基建、綜合立體交通網(wǎng)、數(shù)字中國的建設，智慧高速公路的技術(shù)體系框架目前并不完備，迫切需要結(jié)合地域特點，建立適用于寧夏的相對完備的智慧高速公路技術(shù)體系。

1 寧夏智慧高速公路現(xiàn)狀分析

根據(jù)《寧夏回族自治區(qū)綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃（2021—2035年）》，到2035年，實現(xiàn)全區(qū)縣縣通雙高速，縣城90分鐘到達運輸機場，中心城區(qū)30分鐘到達綜合客運樞紐，鄉(xiāng)鎮(zhèn)基本30分鐘上高速公路。全區(qū)高速公路約3 200千米，以服務重大戰(zhàn)略，暢通國家大通道為基礎(chǔ)，按照暢通省際、強化都市、擴大覆蓋、優(yōu)化銜接的思路，對全區(qū)高速公路網(wǎng)進行補充完善，形成周邊暢通、區(qū)內(nèi)互通、布局平衡、可靠高效的高速公路網(wǎng)絡，形成“三環(huán)四縱六橫六聯(lián)”高速公路網(wǎng)布局。目前，全區(qū)高速公路已設置84個收費站，擁有77臺清障救援車輛，寧夏高速公路服務區(qū)改建提升工程不斷推進。

寧夏高速公路的特色突出，有黃河大橋、長大隧道、山嶺重丘，還有沙漠、易水毀、大風等路段，具有橋隧比高、重大邊坡多、交通組成復雜、立交密度高等特色。資料表明，寧夏旅游資源具有多樣性、古老性、獨特性和現(xiàn)代性，需要交通運輸支撐的特色突出。

寧夏高速公路建設有數(shù)據(jù)中心和災備中心，分別部署在銀川和吳忠，已上線的運行監(jiān)測與應急指揮系統(tǒng)涵蓋了運行監(jiān)測、路網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測、設備運行監(jiān)測、清障救援、應急指揮調(diào)度、信息上報、信息發(fā)布、客服等功能。

寧夏在智慧高速建設方面不斷探索，首條5G全覆蓋高速公路——京藏高速公路銀川河東國際機場至銀川市區(qū)路段智慧化提升改造工程已完成，依托5G技術(shù)，通過對所有通行車輛的通行特征、行駛行為進行360度畫像，實現(xiàn)對在途車輛全方位多角度監(jiān)控。

目前全區(qū)正在圍繞智慧高速公路建設，率先建設黃河流域規(guī)劃高速公路新通道，以省級高速跨河通道和省界出口為重點，推動快速網(wǎng)互通互聯(lián)，全面推動交通運輸數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化改造，以新基建賦能交通運輸發(fā)展。寧夏智慧高速公路、智慧服務區(qū)已有相關(guān)成果體現(xiàn)，但在技術(shù)體系框架方面尚未形成具體方案。

2 寧夏智慧高速公路內(nèi)涵思考

智慧高速公路的內(nèi)涵是建立技術(shù)體系的前提和基礎(chǔ)。2020年4月國家發(fā)改委首次明確新型基礎(chǔ)設施包括信息基礎(chǔ)設施、融合基礎(chǔ)設施、創(chuàng)新基礎(chǔ)設施三個方面的內(nèi)容，為智慧高速公路的內(nèi)涵提供了參考。交通運輸部科技司在2020年12月的《我國智慧公路發(fā)展概述》報告中給出了智慧高速公路的內(nèi)涵，即借助移動通信和互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)，實現(xiàn)公路運輸系統(tǒng)的協(xié)同管控與創(chuàng)新服務，促進路網(wǎng)科學管理、高效運行和優(yōu)質(zhì)服務的新理念和新模式[1,3,9-13]。羅華松等[14]界定了智慧高速公路的含義，即在土地資源趨近飽和的條件下，為滿足日益增長的交通需求，充分利用現(xiàn)代技術(shù)，以大數(shù)據(jù)為核心，提升多源感知、融合分析、決策支持能力，實現(xiàn)人、車、路、環(huán)境的深度融合，儲誠贊等[15]指出隨著新一代信息技術(shù)在高速公路領(lǐng)域的快速應用和交通新基建的統(tǒng)籌推進，基于智慧感知、多網(wǎng)融合通信、基本業(yè)務應用提升、創(chuàng)新型場景應用建設、數(shù)字化技術(shù)應用等，從建設管理、運營管理、養(yǎng)護管理和用戶體驗等方面分析了未來智慧高速公路的建設理念需求，推進實現(xiàn)建設、管理、養(yǎng)護、運營、服務全過程數(shù)字化和智能化的高速公路。目前智慧高速公路的內(nèi)涵并未統(tǒng)一。

智慧高速公路圍繞滿足交通出行者、交通管理者、道路運營方三者需求，為交通出行者提供安全、暢通、經(jīng)濟、全天候的通行條件，及時準確的路況信息服務，周到舒適的娛樂、餐飲、旅游等出行服務，為交通管理者提供實時和周期性交通數(shù)據(jù)信息，用于道路交通管制及優(yōu)化決策，降低安全風險、提高運行效率，為道路運營方提供科學數(shù)據(jù)進行分析預判，提供智能化的處理控制手段，及時消除異常風險，保障路網(wǎng)安全暢通，提供量化分析指標支撐長期運營決策。

基于上述內(nèi)容，結(jié)合寧夏高速公路現(xiàn)狀，本文提出寧夏智慧高速公路的內(nèi)涵，即利用智慧技術(shù)推進安全、快速、綠色、經(jīng)濟、協(xié)同的高速公路建設，實現(xiàn)人、車、路、環(huán)境融合。

寧夏智慧高速公路的內(nèi)涵對應技術(shù)、管理和需求三方面：技術(shù)層面以“智慧”為關(guān)鍵詞，涵蓋大數(shù)據(jù)、北斗、云計算、“互聯(lián)網(wǎng)+”等新一代信息技術(shù)；管理層面以“安全”“快速”為關(guān)鍵詞，突出管理和服務；需求層面以“綠色”“經(jīng)濟”“協(xié)同”為關(guān)鍵詞，旨在推進人、車、路、環(huán)境的協(xié)同。

寧夏智慧高速公路的內(nèi)涵界定了技術(shù)層面與管理、需求兩個層面的關(guān)系，明確了技術(shù)體系框架的建設范圍。

3 寧夏智慧高速公路技術(shù)體系

借鑒行業(yè)技術(shù)體系的發(fā)展，智慧高速公路屬智能交通行業(yè)，從智能交通戰(zhàn)略的發(fā)展可見智慧高速公路的技術(shù)框架。美國2010年之前全面推進多模式車聯(lián)網(wǎng)綜合運輸一體化發(fā)展，到2015年強調(diào)交通的連通性，再到2019年重視車輛自動化和基礎(chǔ)設施互聯(lián)互通，之后美國ITS JPO協(xié)同美國交通部聯(lián)合發(fā)布《智能交通系統(tǒng)戰(zhàn)略規(guī)劃2020—2025》，基本實現(xiàn)了從新興技術(shù)研發(fā)到具體技術(shù)應用部署，從數(shù)據(jù)權(quán)限共享到網(wǎng)絡安全保障，從自動駕駛推廣到完整出行的全鏈條出行服務，完善了基于技術(shù)生命周期的智能交通發(fā)展策略。

事實上，技術(shù)體系的建立是我國智能交通領(lǐng)域的研究重點，“綜合交通運輸與智能交通”重點專項將建成高風險交通行為數(shù)據(jù)庫，研制嵌入基于自主研發(fā)的人工智能算法、集成視覺與雷達一體化的傳感裝置，建成高風險交通行為自助矯正與運行風險自主評估系統(tǒng)，應用綜合運輸網(wǎng)運行風險主動防控裝備等列入重點研究內(nèi)容，大數(shù)據(jù)、北斗、云計算、“互聯(lián)網(wǎng)+”等在高速公路的應用，極大地豐富了智慧高速公路的技術(shù)體系。

智慧公路以提供全面實時感知能力、快速預測、有效保障、全面服務為目標，具有協(xié)同化、智能化、綠色化、實用化等特征，面向?qū)幭母咚俟罚枰罨枨蠓治?，圍繞安全、服務、管理等設定智慧高速公路的具體建設目標。

結(jié)合寧夏智慧高速公路技術(shù)、管理和需求三個層面的內(nèi)涵，本文提出的寧夏智慧高速公路技術(shù)體系框架如圖1所示。

圖1 寧夏智慧高速公路技術(shù)體系框架

除了交通運輸部發(fā)布了智慧高速公路相關(guān)的技術(shù)標準外，各省份也不斷探索完善建設范圍、積極開展試點，目前已有14個省份出臺對應的智慧高速公路建設指南或技術(shù)指南[4-10]。

從寧夏智慧高速公路建設指南編制的角度出發(fā)，寧夏智慧高速公路的建設，技術(shù)層面涉及高精度位置感知技術(shù)、5G傳輸技術(shù)、信息交互技術(shù)、集成服務技術(shù)等；管理層面包括路網(wǎng)運行、設施運行、養(yǎng)護、應急、能源等內(nèi)容；需求層面不僅包括傳統(tǒng)的安全、高效、綠色，還有全息感知、充分融合、泛在協(xié)同等外場、傳輸、應用等內(nèi)容。基于復雜的技術(shù)體系框架，本文提出簡化后的寧夏智慧高速公路建設內(nèi)容，如圖2所示。

圖2 寧夏智慧高速公路建設內(nèi)容

對應寧夏智慧高速公路的建設內(nèi)容，綜合分析智慧高速公路的功能和性能，按數(shù)據(jù)流向從底層采集、傳輸、匯聚、處理、展現(xiàn)等各個環(huán)節(jié)對智慧公路功能展開分析，獲得設備基本參數(shù)，確定單個設備、單一傳輸鏈路、獨立系統(tǒng)響應時間，結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范對設備性能提出明確的技術(shù)要求，這構(gòu)成了寧夏智慧高速公路建設指南編制的主線。

與新基建、交通強國、數(shù)字中國等國家發(fā)展戰(zhàn)略相對應，技術(shù)體系通過簡單累加的方式體現(xiàn)智慧高速公路的功能響應，規(guī)范了智慧高速公路建設目標實現(xiàn)的技術(shù)路徑，并可對應轉(zhuǎn)換為量化的硬件指標以及應用系統(tǒng)與前瞻技術(shù)的具體內(nèi)容，一定意義上解決了寧夏高速公路感知設施與智慧應用的融合問題。

4 智慧高速公路改擴建設計實踐

面向?qū)幭牡母咚俟犯臄U建，結(jié)合智慧高速公路的技術(shù)架構(gòu)和建設內(nèi)容，可分為三種情形：

第一，局部路段改擴建的智慧高速公路設計。該種情形的設計重點是在智慧高速整體技術(shù)框架下，分析路段特征，有針對性地開展系統(tǒng)設計，對新技術(shù)開展試點應用。

第二，已通車高速公路改擴建的智慧化設計。該種情形的設計思路是分析運營路段，梳理項目運營中存在的問題及其原因。例如大流量路段被交路與主線合流匝道處經(jīng)常發(fā)生車輛碰擦事故，分析原因為主線道路流量已趨于飽和，高峰時段被交路匯流車輛增加，涌入主線，導致匝道合流處車輛相互擠壓引發(fā)碰擦事故，車輛滯留處理事故，造成匝道合流處更大程度的擁堵。針對這類問題，考慮設置匝道流量管控系統(tǒng)，保障主線交通運行，高峰時段控制匯入車流量，減小合流處車輛碰擦的風險。

第三，由低等級公路升級為高速公路的智慧公路設計。該種情形下的設計思路是分析道路的功能定位、車流組成，安全評價中提到的風險點等內(nèi)容，梳理需求，常規(guī)交通工程設計方案對這類需求的滿足提升有限，設計可以考慮超視距信息發(fā)布技術(shù)的應用，提升駕乘者信息獲取能力。

在高速公路改擴建設計中，應結(jié)合主線站撤除、治超設施等新需求，研究沿線設施獨立設置，在設計中引入全過程動態(tài)數(shù)字化模型等，對接BIM、GIS等技術(shù)及養(yǎng)護管理平臺。

引入5G技術(shù)，開展面向安全的設計，補充引入地質(zhì)災害監(jiān)測、極端天氣感知與檢測等手段；開展面向服務的設計，補充多目標微波雷達、智慧視頻、無人機、北斗/GPS等手段，提供具有邊緣計算能力的傳感設備，豐富基礎(chǔ)設施健康狀態(tài)感知手段，積極引入橋梁和路面健康狀態(tài)監(jiān)測、無人機傾斜攝影、車載數(shù)字攝影、智能監(jiān)控等技術(shù)；開展面向監(jiān)管的設計，重點關(guān)注特殊車輛高精度定位、路網(wǎng)運行狀態(tài)、重點駕駛行為感知手段設計。

在技術(shù)體系、建設內(nèi)容的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有基礎(chǔ)設施發(fā)展“基本適應”的基礎(chǔ)上“適度超前”，改擴建的實例形成寧夏智慧高速公路的示范。與首條5G全覆蓋的高速公路相對應，青銀高速公路銀川至河東機場段全程覆蓋5G信號，路段是從京藏高速公路銀川至河東國際機場，包括繞城高速從銀川南收費站到銀川東收費站、銀川東收費站到機場南收費站。整個項目路段全長31.358千米，每千米都將布設視頻監(jiān)控攝像機和毫米波雷達。高速公路的“慧眼”系統(tǒng)不僅能時刻感知車流、車速，敏銳捕捉異常，還會把信息源源不斷發(fā)回后臺，實時分析道路運行狀況[13]。

5 寧夏智慧高速公路發(fā)展建議

5.1 技術(shù)路徑方面的建議

根據(jù)技術(shù)體系確定建設內(nèi)容，并結(jié)合寧夏智慧高速公路改擴建的實踐，確定寧夏智慧高速公路建設的技術(shù)路線。已有的技術(shù)分級在寧夏應用并不實際，技術(shù)路徑擬從新建、改擴建、升級三方面展開，并圍繞這三部分進行分級、分類、分階段和分目標的實施。

根據(jù)技術(shù)升級理性規(guī)劃建設時序，打造可迭代、可擴展、可閉環(huán)的發(fā)展路徑。融合寧夏高速公路的數(shù)據(jù)中心和災備中心，可從寧夏高速公路的路網(wǎng)、高速公路片區(qū)入手，結(jié)合隧道、橋梁、互通、跨境等典型路段，兼顧智慧服務區(qū)、智慧收費站等智慧高速公路建設內(nèi)容的試點。

5.2 建設模式方面的建議

寧夏智慧高速公路的建設應向上到頂，對應交通運輸部、寧夏交通運輸廳以及寧夏路網(wǎng)中心、寧夏執(zhí)法等相關(guān)部門。

寧夏智慧高速公路的建設涉及寧夏交投、銀百、中鐵建寧夏院等多個運營管理單位，應進一步明確交通管理主權(quán)與事權(quán)，明確智慧高速公路的投資、產(chǎn)出，實現(xiàn)良性發(fā)展。

寧夏智慧高速公路的建設由寧夏高速公路建設、運營和管理單位主導，由自治區(qū)交通運輸主管部門審批、統(tǒng)籌，按照工程管理程序報批，并納入高速公路項目建設范疇。

6 結(jié)語

在新基建、綜合立體交通網(wǎng)、數(shù)字中國等建設背景下，本文分析建立了寧夏智慧高速公路技術(shù)體系，結(jié)合寧夏特色給出了簡化的寧夏智慧高速公路的建設內(nèi)容，結(jié)合高速公路改擴建給出了設計理念和建設內(nèi)容的示例，并提出了發(fā)展的具體建議，結(jié)合寧夏智慧高速公路技術(shù)體系設計理念的《寧夏智慧高速公路建設指南》將于近期發(fā)布，將為推動寧夏智慧高速公路建設提供強大動能。