作者：付增輝1,2，侯曉青1,3（1.河北省交通規劃設計研究院有限公司；2.交通運輸部自動(dòng)駕駛技術(shù)交通行業(yè)研發(fā)中心；3.河北省車(chē)路云網(wǎng)工程研究中心）

摘要：智慧公路的概念從提出到試點(diǎn)示范到應用落地，短短幾年時(shí)間已成為交通運輸行業(yè)便民服務(wù)的重要手段之一，作為一項系統工程，頂層設計十分重要，本文從設計角度介紹延崇高速河北段智慧公路的試點(diǎn)建設方案的總體架構。

S3801延崇高速河北段作為北京冬奧會(huì )陸路交通保障項目，按照部廳試點(diǎn)建設要求，建設內容包括基礎設施數字化、路運一體化車(chē)路協(xié)同和北斗高精度定位綜合應用3項試點(diǎn)內容。另外，根據實(shí)際需求增加了基于大數據的路網(wǎng)綜合管理和“互聯(lián)網(wǎng)+”綜合服務(wù)的建設內容。本文對延崇高速河北段智慧公路總體架構設計方案進(jìn)行探討。

一、項目背景

2018年2月28日，交通運輸部下發(fā)《交通運輸部加快推進(jìn)新一代國家交通控制網(wǎng)和智慧公路試點(diǎn)》的通知。為推動(dòng)新一代國家控制網(wǎng)及智慧公路試點(diǎn)有序開(kāi)展，防止試點(diǎn)同質(zhì)化、碎片化，按照交通運輸部的統一部署，北京、河北、吉林、江蘇、浙江、福建、江西、河南、廣東等九個(gè)省份重點(diǎn)開(kāi)展了六個(gè)試點(diǎn)主題，如下表所示。

新一代國家控制網(wǎng)及智慧公路試點(diǎn)主題及開(kāi)展省份

2018年5月，河北省交通運輸廳下發(fā)《關(guān)于推進(jìn)全省交通運輸“大智移云”發(fā)展的實(shí)施意見(jiàn)》文件，確定由延崇高速承擔建設智慧公路試點(diǎn)項目，完成基礎設施數字化、路運一體化車(chē)路協(xié)同、北斗高精度定位及綜合應用試點(diǎn)任務(wù)，并根據需求在基于大數據的路網(wǎng)綜合管理與服務(wù)方面進(jìn)行試點(diǎn)建設。

延崇高速河北段起點(diǎn)在松山特長(cháng)隧道內與北京段順接，終點(diǎn)與張承高速公路張家口段相連，通過(guò)北京市興延高速，連接至北京西六環(huán)，形成河北省北部與北京市的快速通道，有力促進(jìn)京津冀協(xié)同發(fā)展和扶貧攻堅戰略實(shí)施。同時(shí)，其也是2022年北京冬奧會(huì )延慶海坨山賽場(chǎng)與崇禮太子城賽場(chǎng)重要的陸路轉場(chǎng)通道。

延崇高速河北段分為主線(xiàn)工程、赤城支線(xiàn)工程和延伸線(xiàn)工程，智慧公路工程在主線(xiàn)實(shí)施。延崇高速主線(xiàn)工程長(cháng)81.552km，跨越懷來(lái)、赤城、崇禮三縣區。采用雙向四車(chē)道高速公路標準，路基寬度26m。主線(xiàn)起點(diǎn)至赤城服務(wù)區段設計時(shí)速100km，赤城服務(wù)區至終點(diǎn)段設計時(shí)速80km。橋梁共計18.5km/38座，其中特大橋10.6km/8座，鋼橋占比48.5%，隧道總計49.495km/8座，其中特長(cháng)隧道5座。延崇高速河北段沿線(xiàn)設施示意如圖1所示。

圖1 延崇高速河北段沿線(xiàn)設施示意圖

二、路段特點(diǎn)

延崇高速河北段是典型的高寒山嶺重丘區高速公路，具有以下特點(diǎn)。

（1）海拔落差大、隧道橋梁多。起終點(diǎn)地面高差達到1210m，全線(xiàn)橋隧占比達到56%，金家莊隧道位于螺旋展線(xiàn)上，迂回360度后路線(xiàn)高程提升112m，是目前世界上建成并投入運營(yíng)的最長(cháng)螺旋隧道。

（2）氣候環(huán)境惡劣，易受雨雪和冰霧影響。崇禮太子城段極限低溫為-32℃，冬季平均最低氣溫-28.3℃，平均日最大溫差19.1℃，年最大溫差將近70℃，易受雨霧和冰雪影響，對行車(chē)安全極為不利。

（3）地勢起伏大，存在長(cháng)下坡路段，運營(yíng)安全要求高。路線(xiàn)存在約30km的連續下坡路段，3處連續下坡路段縱坡超過(guò)3%，韓莊至棋盤(pán)梁螺旋展線(xiàn)段縱坡達到2%～2.6%。橋梁全長(cháng)近20km，隧道單洞長(cháng)49.495km。

（4）調頻廣播、無(wú)線(xiàn)通信、衛星定位條件差。沿線(xiàn)調頻廣播信號覆蓋不完整，部分路段無(wú)法接收到正常調頻廣播信號；移動(dòng)無(wú)線(xiàn)通信信號以3G信號為主，通信質(zhì)量較差；衛星定位信號較差。

（5）服務(wù)冬奧會(huì )，智能交通要求高。作為2022年冬奧會(huì )賽場(chǎng)間的轉場(chǎng)通道，轉場(chǎng)時(shí)間不超過(guò)1h，向全世界展示我國高速公路的服務(wù)和智能化建設水平，提供全方位智能化服務(wù)。

三、需求分析

（一）用戶(hù)需求

1、公眾

目前，高速公路安全與運行效率的態(tài)勢依然十分嚴峻。高速公路事故突發(fā)及事故嚴重性等問(wèn)題突出，區域性擁堵、惡劣氣象等阻斷事件頻發(fā)，突發(fā)事件影響的時(shí)空范圍呈網(wǎng)絡(luò )化擴散態(tài)勢。高速和安全是高速公路的兩大特點(diǎn)，二者彼此關(guān)聯(lián)又相互制約。對公眾而言，道路的暢通度、安全度，信息發(fā)布的及時(shí)性、準確性以及服務(wù)區的便利性、舒適性都是他們比較關(guān)心的問(wèn)題，公眾最需要的是既能安全、便捷、高效地行駛，又能獲得針對性強、品質(zhì)高的出行服務(wù)。

2、冬奧會(huì )

延崇高速河北段作為北京冬奧會(huì )陸路交通保障項目，需要對道路的路面情況、車(chē)輛情況、人員情況、設備情況等進(jìn)行綜合監控、預警，確保專(zhuān)用通道安全、暢通；對冬奧轉場(chǎng)車(chē)輛要全程定位、全程跟蹤和全程可視化，確保轉場(chǎng)車(chē)輛安全；對冬奧保障物資進(jìn)行跟蹤和追溯，保證冬奧物資及時(shí)到位；對冬奧安保工作，要與河北省、張家口市TOCC對接，做到應急信息共享、通道共享，滿(mǎn)足奧運需求，可向奧運安保部門(mén)提供全線(xiàn)的道路視頻、應急事件和救援物資、救援力量等；對冬奧賽事信息，要支持中英文及時(shí)發(fā)布，確保路段可變信息標志、服務(wù)區內的可變信息發(fā)布屏、液晶顯示屏能夠實(shí)時(shí)提供奧運賽場(chǎng)的相關(guān)信息。

3、行業(yè)管理單位

行業(yè)管理單位需要準確掌握交通運輸宏觀(guān)信息，進(jìn)行交通行業(yè)運行監測與預警、綜合交通專(zhuān)題監測與預警、綜合交通運行協(xié)調與指揮、綜合交通方案決策、綜合交通公眾信息服務(wù)、交通信息資源管理、數據交換共享服務(wù)、行業(yè)信息化基礎條件集成、行業(yè)信息資源整合共享等。

4、路段運營(yíng)管理單位

路段運營(yíng)管理單位肩負著(zhù)全線(xiàn)路產(chǎn)路權維護、設備維護、交通運行狀態(tài)及時(shí)獲取、阻斷信息報送等責任，需要通過(guò)智慧公路建設，以信息化、智能化的手段輔助其開(kāi)展日常、應急條件下的各項工作；需要依托全路的實(shí)際交通情況輔助管理者決策；需要提供全路范圍的信息服務(wù)，包括實(shí)時(shí)路況信息、環(huán)境信息、交通管控信息、施工信息、重大交通事件、車(chē)道速度建議等。

（二）功能需求

1、感知需求

實(shí)時(shí)掌握高速公路的實(shí)際道路運行狀況是保證公路運營(yíng)管理和應急處置決策科學(xué)性和合理性的前提，延崇高速河北段需要掌握高速公路交通運行狀況（交通流量、平均速度、擁堵程度等）、突發(fā)事件情況、安全環(huán)境狀況（能見(jiàn)度、積雪、結冰、路面狀況等），能夠對路網(wǎng)交通運行狀態(tài)、惡劣天氣進(jìn)行初步分析，對可能造成的突發(fā)事件進(jìn)行預警，為公路應急處置管理機構提供及時(shí)、有效的報警信息。

2、傳輸需求

高速公路傳輸網(wǎng)將為信息感知、設備運維、應急處置、智能收費、車(chē)路協(xié)同等業(yè)務(wù)提供通信服務(wù)，確保高速公路前、后端信息對稱(chēng)，使得利用信息技術(shù)提高高速行駛安全性、管理效率和應急處置響應速度成為可能。

3、決策需求

隨著(zhù)感知體系的建立，將實(shí)時(shí)產(chǎn)生大量數據，如何對這些海量、多源、異構數據進(jìn)行管理、整合、處理，挖掘蘊含其中的有用信息，是高速公路管理和運營(yíng)部門(mén)面臨的普遍問(wèn)題。因此，迫切需要建立一個(gè)數據中心對海量數據進(jìn)行管理、分析和挖掘，開(kāi)發(fā)一套有效、實(shí)用的數據分析處理系統，形成支持管理決策制定的有用信息，全面提升高速公路運營(yíng)管理水平和應急處置能力。

4、服務(wù)需求

服務(wù)是智慧公路建設的最終目的，高速公路服務(wù)水平必須與人民群眾日益提高的生活品質(zhì)相適應，利用信息化手段，逐步提高高速公路智能化水平，豐富服務(wù)方式，整合服務(wù)資源，提高個(gè)性化、伴隨式綜合服務(wù)能力，為公眾提供安全、便捷、暢通的出行服務(wù)。

四、建設目標

延崇高速河北段以“智慧設施、智慧決策、智慧管控和智慧服務(wù)”為手段，以建設“三示范、三體驗、五亮點(diǎn)、三服務(wù)”的智慧公路為目標。

三示范：以智慧理念引領(lǐng)“綠色、科技、智慧公路”3項示范工程。

三體驗：打造“車(chē)路協(xié)同、智能誘導、高精定位”3種出行體驗。

五亮點(diǎn)：實(shí)現5個(gè)“國內第一條”。即第一條支撐奧運標準的智慧化高速公路、第一條實(shí)現全要素物聯(lián)網(wǎng)集群監測的數字化高速公路、第一條運營(yíng)開(kāi)放路段的車(chē)路協(xié)同示范高速公路、第一條基于視覺(jué)的隧道智能綜合誘導高速公路、第一條北斗衛星信號和5G信號全覆蓋的高速公路。

三服務(wù)：服務(wù)于公眾、服務(wù)于冬奧會(huì )、服務(wù)于管理者。

五、總體架構

延崇智慧公路總體架構在標準規范、安全保證和運營(yíng)保障的基礎上，以“三示范、三體驗、五亮點(diǎn)、三服務(wù)”為目標，構建智慧感知層、信息傳輸層、數據中心層和應用服務(wù)層，如圖2所示。

圖2 延崇智慧公路方案總體架構圖

智慧感知層：采集各類(lèi)數據并上傳數據中心，包括公路基礎設施固有靜態(tài)數據、外場(chǎng)各類(lèi)檢測設施的動(dòng)態(tài)數據、養護和路政部門(mén)的數據、社會(huì )其他行業(yè)共享的實(shí)時(shí)及預測數據等。

信息傳輸層：負責信息傳輸，包括光纖傳輸網(wǎng)絡(luò )、無(wú)線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò )以及將信息傳遞給用戶(hù)的前端系統。沿線(xiàn)建設20Ge帶寬的PTN分組傳送網(wǎng)，實(shí)現了5G信號的全線(xiàn)覆蓋（含隧道）。

數據中心層：實(shí)現公路靜態(tài)數據、動(dòng)態(tài)數據、業(yè)務(wù)管理數據、應用主題數據、異構多元數據的匯集、清洗、整合、存儲、分析、計算和利用，以及數據中心的軟件支撐平臺、硬件支撐平臺、數據共享交流平臺、內部處理平臺和外部對接平臺。

應用服務(wù)層：通過(guò)數據中心之上的應用系統實(shí)現人、車(chē)、路、環(huán)境的信息交互和應用場(chǎng)景實(shí)現，為管理者、出行者、冬奧會(huì )提供智慧服務(wù)，為奧運安保、省TOCC提供對接服務(wù)，包括高速公路綜合業(yè)務(wù)管理、應急處置、智能化輔助決策、高速公路出行信息服務(wù)、冬奧會(huì )安保服務(wù)及其他需求對接以及省市TOCC對接等服務(wù)。

六、建設內容

延崇智慧公路試點(diǎn)項目是在常規機電工程的基礎上進(jìn)行升級，項目完成后，將常規機電工程納入到智慧公路系統中統一運行。延崇智慧公路建設內容如圖3所示。

圖3 智慧公路試點(diǎn)項目總體結構圖

智慧公路試點(diǎn)項目包括基礎設施數字化、路運一體化車(chē)路協(xié)同、北斗高精度定位綜合應用、基于大數據的路網(wǎng)綜合管理和“互聯(lián)網(wǎng)+”路網(wǎng)綜合服務(wù)系統。

（一）基礎設施數字化

基于3DGIS+BIM技術(shù)建設數字延崇，疊加物聯(lián)網(wǎng)集群監測信息，實(shí)現基礎設施全生命周期的充分信息表達、三維顯示以及協(xié)同作業(yè)，為路段設施資產(chǎn)動(dòng)態(tài)管理、安全狀態(tài)自動(dòng)監測、養護管理智能決策提供支撐。全線(xiàn)建設3座大橋、3座特大橋和3座特長(cháng)隧道典型構造物的健康監測系統，以點(diǎn)帶線(xiàn)，運用集群監測與大數據推理技術(shù)，實(shí)現全線(xiàn)特殊構造物健康狀況的監測、分析和預警。

（二）路運一體化車(chē)路協(xié)同

基于路側智能基站、車(chē)載終端等硬件設施，構建車(chē)路協(xié)同出行服務(wù)系統和智能交通管控系統，形成管控與信息一體化的新一代智能交通解決方案。在韓莊樞紐互通至太子城互通區間建設C-V2X車(chē)路協(xié)同系統示范路段，構建安全、高效、可預測的交通運行環(huán)境，滿(mǎn)足車(chē)輛駕駛等級自動(dòng)化分級不低于4級的測試和運營(yíng)。車(chē)路協(xié)同路段覆蓋互通、橋梁、服務(wù)區、隧道（含金家莊螺旋隧道）、收費站等設施，重點(diǎn)驗證效率類(lèi)和安全類(lèi)13項應用場(chǎng)景，探索車(chē)路協(xié)同在隧道內的輔助定位和具體應用。

（三）北斗高精度定位綜合應用

建設北斗地基增強系統和隧道北斗導航信號擴展定位系統，一般路段定位精度為亞米級；隧道內北斗衛星信號全覆蓋，一般車(chē)輛不丟星，特殊車(chē)輛定位精度為5～8m，服務(wù)于“兩客一危一重”等特殊車(chē)輛，實(shí)現隧道內車(chē)輛軌跡的連續，具有普世惠眾效果；構建基于北斗的高速公路應急救援一體化管理系統，實(shí)現事故情況下車(chē)輛人員的迅速定位與救援力量的動(dòng)態(tài)調度和區域協(xié)同。隧道北斗導航信號擴展定位系統結構示意如圖4所示。

圖4 北斗隧道定位信號擴展位系統結構示意圖

（四）基于大數據的路網(wǎng)綜合管理

大數據是智慧公路的靈魂。建設面向服務(wù)的彈性云數據中心，結合業(yè)務(wù)需求構建隨需擴展的私有云和隨需租用的公有云，在保證數據安全可控的前提下，盡可能利用公有云以降低后期運營(yíng)成本；通過(guò)數據賦能的綜合管理平臺向公眾、管理者和冬奧會(huì )提供不同應用場(chǎng)景的服務(wù)；通過(guò)大數據展示平臺，構建集監控、應急、指揮和調度為一體的視覺(jué)體驗；利用四維實(shí)景仿真技術(shù)，將道路的靜態(tài)數據和實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)數據相結合，以場(chǎng)景化展示方式構建靈活多樣的監控模式；綜合運用環(huán)境采集與監測手段，實(shí)現高寒地區路面結冰的實(shí)時(shí)監測與道路保暢；在應急狀態(tài)下，通過(guò)大數據的自學(xué)習功能，構建閉環(huán)管理模式，不斷完善控制方案和應急預案，滿(mǎn)足智慧應急的建設要求。延崇高速混合云架構系統構成示意如圖5所示，延崇高速“智慧大腦”構成示意如圖6所示。

圖5 延崇高速混合云架構系統構成示意圖圖

6 延崇高速“智慧大腦”構成示意圖

（五）“互聯(lián)網(wǎng)+”路網(wǎng)綜合服務(wù)

“互聯(lián)網(wǎng)+”路網(wǎng)綜合服務(wù)利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，打破了傳統機電工程以路段自建信息采集與服務(wù)為主的自用服務(wù)模式，以開(kāi)放思維，主動(dòng)對接互聯(lián)網(wǎng)，構建了更加廣泛的信息采集渠道和服務(wù)受眾。建設內容主要包括智慧隧道綜合誘導系統、精準氣象分析預警及應用、迭代升級的5G創(chuàng )新應用，智慧服務(wù)區和持續優(yōu)化的公眾、冬奧會(huì )和管理者服務(wù)。延崇高速“三服務(wù)”構成示意如圖7所示。

圖7 延崇高速“三服務(wù)”構成示意圖

七、結束語(yǔ)

智慧公路建設應以項目實(shí)際需求為導向、以公眾出行服務(wù)為指引、以道路綠色通行安全為根本、以管理提質(zhì)增效為抓手、以設施自建自用為基礎、以信息共享互聯(lián)為突破，打破傳統定勢，擁抱互聯(lián)網(wǎng)+開(kāi)放思維，構建數據互通、共融、共享的信息交互、服務(wù)體系。在探索智慧公路建設的務(wù)實(shí)應用場(chǎng)景和商業(yè)閉環(huán)模式實(shí)踐中，切忌貪大求全、貪新求尖，堅持求真務(wù)實(shí)、重抓落地、持續完善，建設人民滿(mǎn)意的交通運輸體系。同時(shí)，還應清醒認識到，智慧公路建設只有起點(diǎn)，沒(méi)有終點(diǎn)，“智慧大腦”中的數據、算法、模型、預案、知識體系等將持續迭代升級并日臻完善，逐步接近類(lèi)腦智能。

（原文刊載于2022年第3期《中國交通信息化》）