大数据时代智慧公路系统的设计、特征及未来趋势

李 想，张泽宇

（平顶山市公路交通勘察设计院，河南 平顶山 467000）

0 引 言

智慧公路（Intelligent Road，IR）是一个借助移动互联网、物联网、人工智能、区块链、云平台以及大数据等新一代信息技术，组成的智慧公路技术集及其性能要求，以实现协同管控与创新服务的公路系统[1]。智慧公路的决策与设计关系到我国公路运输事业发展的关键，其对我国经济发展有着重要的影响。电子通信技术、人工智能技术和大数据技术的快速发展，大大提高了城镇基础设施建设的信息化、智能化程度。在新一代城镇智慧公路系统中，人工智能技术得到广泛应用，在城镇公路的便捷性和能耗降低方面发挥着积极作用。尤其是在解决公路事故、环境污染及公路拥堵方面，智能技术、大数据技术及其他现代信息技术的应用提供了重要的技术支撑，有效提高了公路管理水平、质量和效率。智慧公路未来的发展趋势是引入车路通信（LTE-V）技术,从而构成真正意义上的开放互联的高速公路,实现人-车-路-环境智能协同[2]。

1 大数据时代智慧公路系统的特征

1.1 人工智能技术的特征

（1）精准性是人工智能技术的重要特征之一。人工智能技术能够依据设定的逻辑程序、软件算法、芯片等载体开展工作，应用数据算法对大量数据进行有效采集与加工，并对其进行科学处理和挖掘分析，形成具有良好价值的数据信息，且建构与之对应的知识模型，为公路管理提供精准服务。

（2）有效感知外界环境。人工智能技术能够利用传感器、控制系统等器件，有效感知外界环境。其能够像人类一样利用嗅觉、视觉、听觉等感知器官快速接受外界环境中的各种信息，对外界输入形成的语音、文字、表情等快速做出反应，借助键盘、按钮等方式实现人与机器间的互动，使各种机器设备更好地服务人类和理解人类，进而形成优势互补。

（3）具有较强的学习特性和适应性。在理想状态中，人工智能的自适应性、学习能力都比较强。人工智能技术能够依据外界环境、任务变化有效调节机器设备的运行参数，快速更新数据。在此基础上，能利用与人、云端间的连接扩展，使其学习特性和适应性可以更好地应对外界环境的不断变化。

1.2 智慧公路系统的技术特点

（1）超高清晰度。大数据时代，智慧公路系统的技术特征非常突出，系统的视频采集采用高清摄像机进行搜集，像素超过百万，视频图像更加清晰，可以高清晰、精细化地呈现所监控的特殊细节。

（2）智慧公路系统的效能更强。三维电子地图的应用能够超高清地再现三维化的公路信息，且在此基础上制定相应的安全策略，预测城镇公路状况，并对其进行监控。同时，利用智慧公路系统技术可以进一步优化监控系统结构以及监控效果，降低监控成本和工作人员的压力，从而增强公路安全的防范能力。

（3）全方位监控城镇公路状况。智慧公路系统中，实现了图像抓拍、图像识别、高清枪机和高清球机等的联动，进而能够对违章车辆进行迅速抓拍，并能通过摄像变位、变倍和变焦的方式，对违章车辆进行全方位监控。

（4）公路的整体调度更加高效。智慧公路系统可以实时监控前端状况，精准获取前端信息，且对其进行整理和分析，而后依据信息应用公路系统信号等对整个城镇的公路状况进行调度，以保障城镇公路运转的畅通。

（5）识别能力更强。在数据技术和人工智能技术的应用下，城镇智慧公路系统在高技术的加持下，其车辆自动识别能力和智能化水平都显著提高，对公路信息的判断更加精准，能够依据公路实际状况高效地调度城镇公路。

2 城镇智慧公路系统的技术设计

2.1 物联网技术设计

新世纪以来物联网技术蓬勃发展，其应用领域更加广泛。物联网技术可通过搭建虚拟专用网络弥补计算机网络系统中的缺陷，即在公共网络体系内建构与其匹配的专用网络体系[3]。此专用网并非独立网络系统，而是借助公共网络架构的一种网络系统，属于公共网络系统的重要组成。搭建虚拟专用网离不开计算机网络通信协议，且借助此网络系统在物体与物联网间构建多协议的虚拟专用网络线路，以有效连接物联网与物品，通过网络系统自身处理屏蔽的通信，检测物品安全性，从而有效防止数据泄露和干扰物联网检测系统。

2.2 数据库系统设计

数据库技术是智慧公路系统的关键技术，处于核心地位，其技术设计为数据库Oracle、数据校验、数据库 SQL Server等。其中SQL Server系统为数据库的管理模块，是信息数据与服务器、客户、客户与服务器间通信的桥梁。

客户软件利用自动处理、手动处理的交互方式提供数据服务工作。服务器为计算机程序、计算机、装置等按客户端的信息要求进行处理。服务器的主从结构是计算机网络架构的一种，响应客户端请求和接受主计算机服务，且将服务器输送的结果显示出来。数据库系统设计在理想状态中，透明界面通过服务器传输给客户端，而客户端也无需知道服务系统的具体数据。当前，客户端常安置于个人计算机和工作站上，网络另一处安装服务器。

服务器也支持数据恢复、搜索、排序、更新、重组及分析等，通过服务器可以访问数据，但不能直接访问物理数据，并且客户和服务器的实现状况决定着服务器和客户之间的通信效果，而Server数据库设计能够在最短时间内识别逻辑级别和物理级别的通信。Oracle数据库为组合型软件，可以向网络系统提供分布式数据。常用的客户/服务器、浏览器/服务器（Browser/Server，B/S）就是Oracle数据库的融合，从而极大地提升了数据库的管理功能，以及其分布式的处理效果，相关产品得到全面完善。将此数据库应用到智慧公路系统中，能够有效缓解公路拥堵问题，并可降低汽车尾气污染、噪音污染指数。

2.3 移动互联网设计

移动互联网设计可以通过各种智能终端、无线网络完成数据交换，进而获得有价值的服务与信息。在大数据时代，移动互联网得到高速发展且被广泛应用，这为公路管理部门发行和公布、分享公路信息提供了更为便捷、迅速的途径。在移动互联网平台中，信息共享方式更加丰富而多元，信息内容更加全面，为用户决策提供了辅助性的数据依据。

2.4 图像识别抓拍与车辆自动识别技术

除移动互联网技术之外，智慧公路系统也离不开图像识别与抓拍技术。此技术主要是通过数字图像处理系统去识别车辆及车牌，对其数字图像、数字视频等进行全面采集。通常而言，识别车辆主要是通过车牌号这一重要标记，车牌号的特别性与重要性直接决定了图像识别与抓拍的性质。如车辆在经过不停车收费（Electronic Toll Collection，ETC）车道时，车辆识别系统会对车辆车牌进行自动识别，并精准抓拍车辆，而后将车牌、车辆图片和视频信息存储于计算机内，形成流水数据，以此综合判断车辆行为是否存在违规。

但是，如果要了解和掌握车辆的详细数据信息，那么离不开车辆自动识别技术，此技术能够精准识别车辆重量、大小、轮胎与轴型等基本信息。车辆自动识别技术主要红外线扫描仪、轨道接触器、激光扫描器、电感环线圈以及动态称重等设备装置设计。当前车辆自动识别技术可以通过电子标签对车辆车型、座位数、尺寸等信息进行精准识别，且以数据信息方式写入智慧公路系统中。

2.5 大数据及云计算技术设计

大数据技术能够对智慧公路系统的数据信息进行深度挖掘和分析。云计算设计的应用，使系统可以通过网络自动分拆计算机的处理程序，使其形成多个小型的子程序，并整理、分析此子程序，将其交付于服务器，在分析和计算后，把处理结果提供给用户。当前，云计算技术处理海量数据仅需几秒的时间，该设计可以快速而精准地向公路管理系统提供数据服务。

3 大数据时代智慧公路系统技术的应用

3.1 视频监控实现了超高清

在智慧公路管理中，合理应用高清视频技术能够获得精准的监控效果。在物联网技术、人工智能及大数据等现代信息技术的支持下，稳定连接智能计算机与摄像头，通过图像监测、识别等监测技术，能够准确掌握区域内道路的实际运行状况，合理分析公路状况，为公路警察提供更加全面的公路运行状态和信号灯的应用状况，进而科学调整道路信号等，有效降低城镇道路的拥堵。

同时，在公路拥堵路段及停车场，可以应用智能化公路系统为管理人员提供车辆资源信息，通过电子显示屏等动态化地为驾驶员提供停车信息，以免车辆停车时浪费更多的时间，提高了车辆管理效率，从而降低了车辆尾气排放量。

3.2 精准获取公路信息且有效分析和预测，提升公路管理的主动力度

智慧公路设计系统中，高速监控系统主要由监控管控平台和各子系统实现，各子系统精准采集公路信息、环境信息和突发事件，并分析处理，判断公路的运行状态。而公路管理部门也可以利用此监控系统对异常、正常公路事件等进行事前判断，并根据研判结果制定处理方案，以控制事态的发展[4]。同时，调配资源和采取措施，提升了主动管理的力度，做到事前预防，有效降低事故发生率。

3.3 分析前段数据提高运维管理水平

如果发生突发事件，通信及监控系统便以现场前端设备对整个事件的数据信息进行分析，给事后分析处理、事故责任认定或追查等提供依据，为事件隐患的排除提供参考。同时，智慧公路技术的应用，能够协助公路工程部门的运维工作，为重构公路服务和防止事故的再次发生提供数据帮助。智慧公路系统设计中，物联网技术具有超强的自主学习能力，可以对公路系统的预案体系进行总结和完善，以持续完善和改进道路公路的运维管理，满足其实际需要。

3.4 快速处理安全问题，打造全新智慧公路网

智慧公路系统的通信系统、监控系统能够直观而快速地将前端设备采集的事件状态、视频图像、公路状态等迅速传入监控中心，帮助公路管理部门快速确认事态状况，启动相应的预案。智慧公路网设计中，如果发生突发事件及公路事故，公路管理部门、外部救援力量可联合行动，快速响应。

在ETC系统中，设计了物联网射频识别技术，可以提高收费效率及道路的通行能力，利用车牌识别技术和云存储技术的联动，能够在全国范围内对违法车辆进行追踪定位和打击逃费。通过传感信息和云存储搭建通信发布系统和服务系统，可以为出行者精准地提供出行信息，便于其确定出行时间，选择最佳的公路方式与出行路径。

4 大数据环境中智慧公路系统设计的发展方向

智慧公路系统设计发展可与各种技术、节能减排目标等相融合，既能够缓解公路拥堵问题，也能够缓解环境与公路运输的矛盾，使二者的关系得到平衡。智慧公路系统设计还要融合美化环境、以人为本、服务社会的发展及应用理念，研发出安保技术、智能技术相融合的技术产品，实现环境保护和公路安全维护的双重目标。同时，融合应用智慧公路技术和大数据技术，可以指导设计可迁移、可持续的新一代智慧高速公路发展路径，对智慧公路的技术研究成为下一代公路系统技术形态演变的必然趋势[5]。

5 结 论

在大数据时代，智慧公路系统的技术功能更强，系统的效能和清晰度更高。大数据时代智慧公路系统可以对公路范围内的周边环境进行全面监控，增强了识别能力，提高了公路整体的调度水平，符合智能化、数据化发展的时代趋势。