基于5G技术的高速公路运营管理优化研究

王 秋

（江苏宁沪高速公路股份有限公司，南京，210049）

1 研究背景

5G技术具有革命性的颠覆作用，将驱动全社会的数字化转型。针对交通行业发展，将先进的传感器技术、通信技术、数据处理技术、网络技术、自动控制技术、信息发布技术等有机地融合运用于整个交通运输管理体系是关键，可以实现智慧管理、智慧服务、运营管理、应急管理，为公众提供智慧化出行服务。高玮阳等[1]基于5G技术趋势与高速公路现阶段的发展现状，初步阐明5G技术在高速公路行业的主要应用场景。吴冬升等[2]通过构建“感知、通信、计算”的技术能力，提出高速公路5G智能网联方案，典型的5G智能网联应用包括高速公路物流应用和高速公路治堵。田芳等[3]针对高速公路精细化巡检管养作业需要实现远距离长滞空超高清视频实时传输的需求，设计一套基于5G网络的无人机高速公路自动化巡检管养系统。董明明[4]借助5G通信技术搭建空中与地面通信网络，保证无人机遇到随机障碍物时可以保持最小安全间距。文章分析沪宁高速公路的养护与清排障现状，提出包括基于5G车载设备的路面病害巡查、基于5G的作业过程信息实时回传应用研究两类应用场景，保证沪宁高速安全畅通运行，提高高速公路的服务水平、运营能力和管理效率。

2 沪宁高速公路5G网络现状及业务通信需求分析

2.1 沪宁高速公路5G网络建设现状

沪宁全线建设500多个基站，沪宁高速5G网络覆盖率达96%，成功切换率达99%，平均下载速度达400 Mbps。为了满足车路协同通信需求，在沪宁高速苏州段示范工程的20 km范围内加密布设5G基站。阳澄湖服务区已实现5G信号全覆盖，服务区管理人员可以使用5G技术获取人流热力图、智慧安防监控等情况，驾乘人员可以通过5G体验5G+VR游览等活动。

沪宁高速已经具备5G信号的布设要求。结合我国5G技术的研究和发展现状，我国享有5G技术的自主知识产权，大力扶持5G技术应用。面向5G技术发展的大好趋势，面向交通强国建设要求，应加快5G建设新步伐，将5G与高速公路业务相统一，为出行者提供更优质的服务。

2.2 高速公路运营管理通信需求分析

（1）养护业务需求。

养护管理业务场景主要包括路面、路基、桥涵、绿化、沿线设施五个部分，主要依靠人工检查和人工养护。养护巡查过程中，病害上报、养护作业过程中的远程沟通采用移动电话或无线对讲机等通信方式。

巡检人员两人一组驾乘巡查车上路检测，一般行驶于外侧车道或应急车道，发现病害时，下车观测确认。行驶至重要结构物或病害多发路段时，需要下车观测，必要时与调度中心联络，进行占道施工养护。管理单位每年安排外协单位进行一次视频检测，通过摄像头拍摄道路视频进行图像处理，获取病害检测报表，安排相应的养护工作。

养护过程中，巡查至作业的整个业务流程主要依靠人工，存在工作效率低、养护不及时等问题。视频检测能够大幅度提升病害检测效率。养护巡查过程中，需要对全线路面进行拍摄，依靠图像处理技术识别路面病害，需要桩号识别算法进行位置匹配，对计算力具有较高的需求。结合4G技术应用数据分析，在人力、算法均以最大效率工作的情况下，图像识别处理将产生约20 min的时延。大范围路段检查范围的情况下，需要0.5～1.0 d获取病害报告。高速公路的车辆运行速度快，路面病害、抛洒物等异常事件将对车辆通行安全造成影响。因此，应采用5G手段处理图像，缩短检测时间，保障车辆通行安全。

（2）清排障业务需求。

①事故信息的接收。目前，调度中心主要依靠人工报警或监控视频巡视发现交通事故，调度中心利用驻点值班手机将事故信息告知清障人员，通过云调度系统手机APP（单兵设备或私人手机）告知清障人员，派送养护工单。

②清障现场作业过程全记录。清障执勤人员将清障车刚到达现场时的照片、作业过程中的照片、作业完成后撤离现场的照片、到达收费站后的车辆照片上传至手机APP，核实驾驶员身份、车辆、里程等信息，支付费用。

③清障作业操作稽核。清障完成后，根据路侧监控视频记录下的操作过程进行稽核。

分析整个清排障作业流程，保证业务的强机动性。在清排障作业过程中，对现场状况拍摄视频或图片，记录事故发生到处理的全过程，便于调度中心实时把控现场情况，采取相应的管控措施，记录清排障作业流程便于后期审核和优化。

3 面向高速公路运营管理优化的5G应用场景设计

3.1 基于5G车载设备的路面病害巡查应用场景设计

（1）应用场景介绍。

在高速公路巡查车上装配车载高清高速相机，通过车载的高清高速相机采集路面情况，利用机器视觉及人工智能技术，对路面病害进行智能识别，实现路面表观病害的快速定位与定量检测。高速公路巡查车通过5G网络实时传输高清视频、图像数据以及路面病害检测结果至养护管理平台。

①病害检测。安装的视频摄像头位于车头，车辆按照正常速度行驶，拍摄沿线路面视频。车辆视频可以清晰检测的范围一般为3条车道，车辆行驶于中间车道，对中间车道和两侧车道路面进行拍摄。系统实时上传拍摄数据，通过远程PC端操作视频角度。

②病害位置定位。摄像头拍摄沿线道路路面视频时，利用图像识别技术对道路沿线的里程桩和百米桩进记录，利用图像识别技术对道路识别桩号，利用差分法等计算方式，将病害与道路桩号进行对应。

③病害详情。路面智能巡查数据包括路面平整度、破损、异常跳车、附属设施完整性等信息，设备安装于巡查车上，每天更新。数据需要进行图像识别运算，最快可以在15～20 min形成检测报告。考虑实际病害检测任务的开展，一般可以在半个工作日后获取报告。

④病害统计与跟踪。根据业务需求对病害严重等级、类别进行统计梳理，对病害发育程进行跟踪。对常发性病害进行重点跟踪，辅助日常业务管理。

（2）5G应用可行性分析。

5G网络带宽高、低延时、传输速率大，能够支撑更高清晰度的视频、图片传输；高速公路病害分为不同类型、不同检测标准，在检测过程中生成海量数据，5G网络能够提高系统计算能力，降低系统处理海量病害数据的时间；能够保证车辆高速行驶状态下稳定的通信交互，实现动态采集检测数据。

不同无线通信技术指标对比如表1所示。

表1 不同无线通信技术指标对比

3.2 基于车载5G摄像机的清障实时视频获取

（1）应用场景介绍。为了保障清障过程中监测清障人员的工作规范与安全、恶劣天气和夜间等视线不良条件下事故情况的观测与作业监管、近距离清晰观测事故情况进行远程指挥，提出基于车载5G摄像机的实时视频获取应用场景。在清障车上安装5G高清红外摄像头，凭借移动5G网络“高速率、低时延”的优势，清障人员可以第一时间将事故现场高清图像传至后台指挥中心，为事故现场救援、清障提供即时、准确、高效的指挥和调度保障。无线车载终端支持实时视频远程浏览，监控中心远程实时监控高清车辆视频。

基于车载5G摄像机的实时视频获取如图1所示。

图1 基于车载5G摄像机的实时视频获取

（2）5G应用可行性分析。道路巡查车辆和清障车辆之间的网络通信需要具备实时性和便捷性。高速公路上现有的光纤通信无法满足这些特点，短程通信距离较短，不具备可行性。5G技术利用“宏基站+微基站”方式，传输稳定性好、传输距离长，能够较大限度地提高事故发现和处理效率，实施必要性强。不同通信方式对道路清障指挥调度要求如表2所示。

表2 不同通信方式对道路清障指挥调度要求

3.3 系统架构

基于高速公路运营管理优化需求及5G技术特点，提出基于5G车载设备的路面病害巡查应用场景设计、基于车载5G摄像机的清障实时视频获取应用场景。

系统网络架构如图2所示。

图2 系统网络架构

应用层主要包括路面病害养护、清障实时视频监控两部分功能。智能分析平台主要处理视频数据和结构化数据，结构化数据主要进入大数据算法平台。对数据进行清洗、处理、流式计算，调用模型。触发模型时，由其他系统处理。视频数据进入视频平台，对视频流进行处理、分析，包括视频流分析、视频解码和目标分析，存储相应的分析结果。物联网平台主要分为设备接入网关、设备注册中心、消息网关、规则引擎和管理配置中心。设备层支持2种类型设备，包括养护巡查车外置云台摄像机、清障车外置车载摄像机。

4 结语

文章探讨面向高速公路运营管理优化需求的5G应用场景建设，提出基于5G车载设备的路面病害巡查、基于车载5G摄像机的清障实时视频获取两种应用场景。随着5G技术的不断发展，将面向高速公路的5G+应用场景建设与大数据、云计算、数字孪生等技术融合运用，对高速公路的智慧化发展具有重要意义。