智慧高速公路关键技术路径分析与示范应用

吴会彩

（河北省交通规划设计研究院有限公司，河北 石家庄 050000）

0 引言

高速公路是现代科技的产物，目前，我国经济社会发展越来越快，高速公路的总路程越来越长，但是面对不断增长的车辆数量，道路资源有限的矛盾日益突出。一些高速公路仍然使用以往的设备，各种信息数据没有及时更新，全面感知能力较差，交通设备和软件的联通性不足，导致交通系统的智能水平不高，不利于道路网络的顺利通行，还会降低大众的出行感受。

为更好地开展动态、全面的交通运输网络运营管理，优化大众出行服务，我国出台了相关文件以支撑交通强国建设的推进。因此，相关部门要审时度势，把握时代红利，不断创新和完善各种交通技术与手段，建立数字与网络一体化交通信息网，促进交通设施的数字化转型发展。

1 国内智慧高速公路的发展情况

当下，我国越来越多地区推行智慧高速公路建设，全新的智慧高速公路总长度已超过4000km。通过丰富的实践活动，智慧高速公路的理论成果越来越饱满。一些地区考虑到当地的恶劣天气，在安全事故多发地区建立了主动的防冰融雪预警平台，能够及时预警灾难天气，便于做好相关的预防工作；有些地区考虑到重大国际活动的开展，采取车路协同与道路智慧服务，更加科学地管控车道级交通流；还有些地区的智慧高速公路可以全天候高速运行，且具有自动驾驶功能，以及分车道、分时段的车辆控制系统，能够更加全面地监督车辆的运行情况。例如，山西某地区结合当地重载货运交通繁忙的实际情况，应用全道路汽车轨迹跟踪系统，在关键路段记录车辆信息，充分发挥其交互作用。不同地区的智慧高速公路都合理地使用信息化技术与智能化手段，使公路的建设、运行和服务得到优化，从而更好地帮助道路管理人员开展工作，大幅度降低交通事故的发生概率，有效提升高速公路的运行效率。

2 智慧高速公路的建设

2.1 智慧高速公路的建设需要

智慧高速公路的建设包括新建高速公路、改建和扩建高速公路、提高高速公路智慧化水平等多个内容。为了进一步达到全过程智慧化高速公路的运行要求，高速公路智慧化建设要围绕不同情况进行设计。

例如，在事故多发地区、人口流动较大地区、交通枢纽地区、重点风险地区，相关部门要考虑其不同的交通管控与安全防控需要，进一步提升道路交通安全水平、通行效率和运输能力，建设智慧的高速公路。

2.2 智慧高速公路体系

智慧高速公路，顾名思义，需要在传统的公路交通系统中纳入智能科学技术，使高速公路更加科学和智能灵动。要正确地使用人工智能技术、大数据技术和云计算技术，将多种信息元素组建成为巨大的信息化网络，从而更加全面地分析和观察高速公路运行情况，实现高速公路智慧化。围绕传统的公路系统，建设智慧的公路运营模式、道路养护管理模式以及商业服务体系。智慧高速公路体系是一个庞大的架构，相关部门要厘清智慧安全、智慧管理和智慧服务等要素的权重，更好地实现高速公路的智能网联和自动化驾驶目标。道路管理部门和交通运输部门要深入了解交通管控需求，积极做好安全防控工作，大幅度提高高速公路网的调度与管控水平，推动高速公路的转型发展。

2.2.1 智慧安全

智慧安全需要具备全息感知和准确研判的功能。通过全生命周期数据来感知以及各种交互系统的配合，深入分析高速公路的安全状况，使道路施工更加顺畅，关键风险地区的管控更加安全，关键运输车辆的管控更加精准，大幅度提高道路交通的安全性及运行效率[1]。

2.2.2 智慧管理

智慧管理需要利用数字化技术。高速公路在施工作业期间要使用智慧工地管理功能与资产管理功能，以全方面地调配资源，促进资源的优化配置；高速公路在运行维护过程中要建设综合管理平台，确保信息管理的安全性，大幅度提升道路网络的调度能力；同时，要利用数字化技术促进各项决策的科学性，并更好地评估高速公路的机电设备状况[2]。

关于选择权的典型条款如：项目单位同意购买方以与本协议相同的条件行使额外减排量的购买选择权。这种排他性的条款使得项目业主对于额外减排量或2012年之后的减排量失去了自由选择第三方交易对象的权利。如果届时市场价格上扬，业主只能以既定的价格执行交易；如果减排交易市场不景气，购买方不愿意购买选择权部分的CERs，就会造成项目业主剩余的CERs卖不出去，导致浪费的严重后果。这也对项目业主向其他购买方出售CERs产生实质性的影响，导致项目业主在履行与其他购买方协议时受到制约，从而增加了项目业主违约风险。要慎重对待此类选择权条款的约定。

2.2.3 智慧服务

智慧服务需要将多源数据驱动放在重要位置，通过智慧服务全时段地为大众提供各种信息和资料，更好地保障高速公路上车辆的顺利、安全运行，并通过建设智慧服务区帮助运行车辆解决紧急问题。相关部门可以应用智能设备检测高速公路路面、桥梁、隧道等结构的病害，进一步提高公路的质量，真正达成出行服务与科学养护的一体化管理[3]。

2.2.4 全要素支撑

高速公路的智慧化建设要从基本设施出发，结合道路网络的实际情况，考虑通信和供电需求，做好道路基础设施的建设。同时，使用智能设备收集和保存信息数据，确保各种数据传输的安全和顺畅，使物理系统和信息系统得以贯通发展，促进路网、人流、车辆、云平台的联动，进一步提高高速公路的智慧水平[4]。

3 智慧高速公路关键技术路径分析

3.1 多源感知组网的信息联动

高速公路智慧化建设使用LTE-V2X 通信技术能够更好地实现车路信息的双向传递，还可以为交通运输管理部门提高信息的准确度。LTE-V2X 通信系统还配置了地图信息及道路静态信息，能够实现实时监控和及时报警，围绕车路协同和系统储备的关系，有效协调系统的负载与吞吐量，测量车路协同路段的V2X 带宽。高速公路的运行车辆能够利用上行空口发送V2X 信息到RSU，然后由RSU 利用下行空口传递信息给对应地区的车辆；利用传感器可以实时监测所在地区的全部车辆，确保车辆远程控制和信息发布的及时有效[5]。

3.2 交通行为和车辆荷载智能技术

高速公路的智慧化建设需要把握道路交通行为和车辆荷载，从而更好地开展道路路面的设计和做好高速公路的管理和养护工作。相关部门可以应用智能称重感知系统，在车辆正常运行时监测轴载重量。动态的智能称重感知系统具有动态称重系统、视频监控系统与环境感知系统。视频监控系统与环境感知系统需要使用1 台摄像机，动态称重系统的传感器安装在行车道与超车道上，车辆运行过程中其轴载重量及行驶轨迹会有变化，智能称重感知系统根据车辆轴载重量及行驶轨迹能够及时地播报车速与跟车间距，实现自动化驾驶，并将各种信息上传给监管部门，然后结合视频监控来识别车辆，帮助交通运输管理部门更好地管理道路交通，确保车辆安全[6]。

3.3 路面湿滑状态感知技术

如果高速公路存在湿滑路段，则容易引发交通事故，故相关部门应在该路段安装水膜感知系统，根据水膜厚度更好地化解湿滑风险。水膜感知系统含有1个遥感器和2 个嵌入式水膜厚度传感器。遥感器安装在K361+550 立柱高6m 的横臂上，嵌入式水膜厚度传感器安装在K361+900 和K362+250 外部车道右方轮迹带上。当路面处于湿滑状态时，高速公路路面会覆盖一层水膜，水膜能够润滑轮胎和路面连接处，从而增加车辆的刹车距离，降低车辆的行驶稳定性。对此，工作人员应采用路面湿滑状态感知技术以获取湿滑状态下轮胎、路面和水膜的运动信息，从而采取相应的预警对策，更好地消除湿滑风险，提升道路交通运输体系的安全高效性[7]。

3.3.1 智能水膜厚度的感知

感知技术的使用将帮助工作人员更好地测量高速公路路面的水膜厚度，将遥感器连接到嵌入式水膜厚度传感器，之后应用小波去噪与ARMA 序列算法获取降噪数值，进而科学地计算出路面相关位置的水膜厚度值[8]。

3.3.2 准确预估路面抗滑性

高速公路路面铺设有一层沥青，而沥青路面的湿滑状态容易受降雨因素、水膜厚度以及路面纹理等因素的影响，对此，可以通过分析沥青路面的湿滑状态来评价其整体抗滑性。从流体力学理论出发，构建坡面径流中流线水膜厚度的分布图，考虑模型的奇点原理以及水膜厚度时间的变化，不断完善流线水膜厚度分布模型。之后结合水膜厚度传感器所获取的信息，及时调整相关参数，将理论上的水膜分布要点与水膜测量参数进行融合，更好地感知水膜厚度的时间演变规律，使监测数据从点扩散至整个区域，便于准确预估路面的整体抗滑性[9]。

3.3.3 低延时预警抗滑风险

工作人员要结合水膜厚度区域估算具体数值，使用Lugre 摩擦模型，分析轮胎、路面和水膜的运动路径，计算出车辆行驶过程中的摩擦数值。之后，使用模糊PID 算法和可视化仿真软件，准确地模拟车辆在ABS 系统制动下的运行过程，从而可以知道车辆在湿滑状态下的制动距离。接着，工作人员要结合水膜的厚度、车速和轮迹等要素，借助风险理论模型和神经网络计算法，组建不同运动状态下关于车辆抗滑失效风险的评估模式，进而了解车辆在不同湿滑状态下的抗滑失效率，做好低延时抗滑风险的评估和预判[10]。

3.4 数字化综合管控云平台

数字化综合管控云平台包含人工系统、计算机以及平行系统三要素，相关部门在建设智慧高速公路时要考虑不同要素。人工系统包括人工车辆运行系统、路面系统、环境系统以及交通管理系统，这些系统都要基于人工环境下开展相关计算，进而更好地体现不同系统在道路通行中的重要性。计算机连接运行传感器，建立基于人工的高速公路运行体系。以往的平行系统是用于找到系统的最佳规划或管理办法，目前的平行系统需要进一步提升运行效率，确保高速公路安全运行[11]。

数字化综合管控云平台融合了雷达与视频等感知手段，借助道路旁边的毫米波雷达，准确地把握车辆的运行踪迹，工作人员在跟踪轨迹的过程中可以更好地了解高速公路路面通行状况，雷达系统可以检测目标、判断目标类型、计算车流量、检测车速、跟踪目标状况等，工作人员在判断交通风险状况时，可以更好地对道路风险问题进行预警，帮助交通管理人员针对道路通行状况进行合理的调度和指挥。高速公路的卡口地带应收集车辆的车牌信息，并促进雷达与视频卡口的联系，以更好地确定不同地区的交通状况，全面把握道路通行及交通状态[12]。

4 结语

总而言之，随着我国交通系统的不断变革，高速公路的通行及其管理模式也在全面升级，但是一些高速公路存在软件和硬件的协调性不足、交通服务和养护管理水平较低等问题，这些都会制约高速公路的建设发展。伴随着人工智能、大数据和云计算等高新技术的出现，国家也更加重视智慧交通建设，越来越多的地区致力提升道路通行质量和大众出行服务水平。本文深入分析了智慧高速公路的关键技术路径及其应用，希望能够对相关人员有所帮助，从而建设更加高质量的智慧高速公路，带给人们更加智能和高效的出行方式。