广西沙吴智慧高速公路架构设计及应用分析

李东毅 苏爱斌 谢茜茜 汪子睿

摘要：文章以广西南宁沙井至吴圩智慧高速公路建设为背景，在总体建设目标和建设原则的指导下，提出了涵盖感知层、计算层、通信层、数据层、控制层和发布层的智慧高速公路技术架构，并阐述了智慧高速公路典型应用场景，对我国智慧高速公路的设计和建设具有借鉴意义。

关键词：智慧高速公路；建设目标；技术架构；应用场景

中图分类号：U412.36+6A501703

0引言

随着我国城镇化进程不断加快，机动车数量急速增长，交通运输需求个性化精细化要求不断提升，环境污染治理、高效运输服务、汽车产业升级和地区发展协同等问题日益突现，交通智慧化成为了交通发展重点突破的对象［1-3］。以车路协同、智能驾驶为代表的新一代智慧交通，正在重新塑造国际社会经济生活与全球产业格局，成为世界范围内各国争先推进的战略方向［4］。

高速公路网是国家公路网的骨干网络，是国家和社会经济发展的全局性和战略性基础设施［5］。高速公路运行环境相对简单、主体权责清晰、路侧机电设施齐全，具备开展智能感知、综合调度及车路协同创新示范的良好条件。目前，全国有超过4 000 km的高速公路且即将开展智慧高速公路创新示范工作，建设内容分布在车端、路端和云端，主要实现“感知、通信、计算”三大功能。智慧高速公路逐渐成为我国高速公路建设热点，智能感知、综合调度、超高速无线通信技术及车路协同是未来智慧高速公路建设的核心内容［6-9］。

本文面向智能网联汽车发展趋势，结合我国智慧高速公路发展中“车路一体”的战略选择，立足广西建设东盟国际大通道的定位，重点解决了广西沙吴智慧高速公路建设的关键技术问题。

1智慧高速公路建设总体思路

1.1总体建设目标

广西南宁沙井至吴圩智慧高速公路（沙吴智慧高速）车路协同一期示范工程，主线路线长为27 km，采用六车道高速公路标准建设，设计速度为120 km/h。示范工程服务范围覆盖如图1所示的高速全驾驶场景，包括高速沿线行驶路段、施工区、救援区、交通事件区、拥堵区以及事故多发路段（枢纽区、弯道区、合流区、匝道区）、智能网联测试区等。示范工程按照“目标导向、模块推进、示范引领”的思路，依托北斗、物联网、5G、大数据、云计算等系列技术的集成创新应用，服务于高速公路的建设、养护、运营、管理等业务，探索具有广西特色的智慧公路建设与运营管理新模式。

沙吴智慧高速公路的总体建设目标包括：（1）提升高速公路安全保障能力，降低出行事故率，提供安全通暢行驶环境；（2）提升高速公路管理科学决策水平，提升高速公路综合运输效率；（3）提升营运管理科技含量，有效降低营运成本；（4）提升高速公路创新应用能力，提供智能网联场景；（5）打造广西智慧高速公路样板，形成自治区智慧高速公路标准。

1.2总体建设原则

1.2.1创新设计、标准引领

综合利用GNSS/GIS/RS、物联网、云计算、5G、大数据、边缘计算、人工智能等新一代信息技术，构建高度智能化的交通基础设施状态感知和智慧的交通综合管理技术体系，通过高速公路“建管养运”全生命周期的创新应用，形成具有广西特色、支持车路协同并适应网联车的智慧高速公路建设标准体系。

1.2.2跨域设计、开放兼容

针对项目所在北部湾经济区的独特区位优势和战略地位，在高速公路高精度卫星定位信号服务、高精度地理空间数据服务、无线数据传输链路等方面采用国际通用标准和数据格式，以北斗服务为主并兼容GPS、GLONASS信号体制，确保可在境内外推广应用。

1.2.3亮点突出、注重实效

在沙吴智慧高速公路建设过程中，既要突出格网状北斗高精度服务、5G高通量低延时通信、道路数字孪生、高速公路网联车等最新亮点技术，还要通过道路智慧监测、视频智能分析、三维实景化道路资产管理等技术提高高速公路建管养运的智能化水平，降低运营成本，提升通行体验，提高企业收益。

2智慧高速公路技术架构

沙吴智慧高速公路以车路协同测试示范为核心，采用分阶段建设、分层次运行的推进模式，规划实施一段智能示范路、一张综合感知网络、一张 5G 通信网络、一个云雾平台、一个运控中心、一套数字孪生系统等六大内容。实现“聪明的车” 在“聪明的路”上智能、安全、高效行驶。沙吴智慧高速公路的总体架构建设分为感知层、计算层、通信层、数据层、控制层和发布层，如图2所示。

感知层通过雷达感知系统、视频感知系统、动态称重感知系统、水膜感知系统、气象感知系统获得沿线交通及道路环境参数信息。其中，雷达感知系统和视频感知系统可以获得联系车辆轨迹及交通事件信息；动态称重系统配建视频感知系统可以获得车辆轮廓及动态车重；水膜感知系统可以获取路面水膜厚度、冰层厚度、积雪厚度；气象感知系统可以获得沿线气象情况（包括温度、湿度、风速、风向、能见度等）。

计算层通过边缘计算单元在路侧实现视频信息处理及雷达数据信息处理，形成结构化数据，同时降低云端数据处理量，提高数据处理效率。

通信层通过光缆及5G基站，将感知层数据传输至数据层。

数据层位于高速交通指挥中心，利用服务器将前端雷达数据、视频数据及传感器数据落地存储，为交通调度决策提供决策依据，同时将沿线交通数据展现在指挥中心大屏上。

控制层通过构建云端平台，实现数据集成、信息集成、信号集成，通过云端平台获取高速全息交通信息及路侧控制设备信息，同时通过云雾融合对数据进行分析处理，根据交通实际情况发出控制信息。

发布层的RSU、可变信息发布系统、光带、智慧道钉将控制层处理的信息发出，实现交通管控，提高道路安全水平。

系统数据来源主要为路侧智能化感知设备，包括摄像机、毫米波雷达、以及路面水膜传感器、路面称重设备、微气象站及能见度仪等。一部分数据经路侧边缘计算单元处理后经超低时延发送至网联车辆。原始数据和经处理后的数据经自建光纤和已有专网链路传输至高速指挥中心，再经由运营商专网传输至云平台。总体数据架构如图3所示。

3智慧高速公路典型应用

智慧高速公路建设需要综合采用交通理论、结构材料、传感、物联网、云雾计算、大数据等技术，通过理论研究和试验分析，构建智慧高速公路的基础设施数字平台、全面的性状智能感知体系、可靠的通信保障体系、实時的信息服务体系、高效的应急保障体系、经济的维护管理体系和优质的运营服务体系。

3.1前方不良行车环境的预警、车速控制

当前方即将出现弯道、桥梁、路面积水等不良行车环境时，车道级可变限速板及LTE路侧终端设备为车载终端发出信号预警，并提出限速控制建议。其中，弯道、路面积水、车道级可变限速板及下游车道级可变限速板协同变速，降低路段交通流速度离散型，提高道路安全水平。

3.2车道级车速控制

利用雷视联动系统与车道级可变限速板的联动，实现车道级车速控制。其应用场景包括：（1）当某路段发生交通事件时，利用视频感知，反馈到平台，并由平台控制可变限速系统、可变信息发布系统、发光标线及智慧道钉对主线上行驶的车辆进行引导；（2）路段车道因施工封闭时，将信息反馈到平台，并由平台控制可变限速系统及发光标线对主线上行驶的车辆进行引导；（3）雷达系统检测到路段出现不良车流状态时，将信息反馈到平台，并由平台控制可变限速系统对主线上行驶的车辆进行引导。

3.3不良天气交通引导

当气象监测仪检测到不良天气（团雾、雨雾）时，利用智能道钉及光带对行驶车辆进行速度引导。

3.4躲离事件

当行车方向出现违停和施工作业场景、卡车编队时，可实现危险区域车辆躲离。

3.5轮迹分布控制

在雷达检测段，制造卡车编队行驶发生横向偏移的场景，通过雷达检测车辆轮迹并由可变信息发布系统提醒司机控制车道保持，将车辆驶回道路中心线。

3.6交通调度指挥系统

在监控中心演示通过平台对路侧设施（包括可变限速系统、可变信息发布系统、LTE路侧设备、匝道控制系统）进行调度。

3.7全息信息监控

在监控中心演示雷达检测系统的可视化界面、视频监控系统的监控界面、智能路面监控的信息反馈情况。

3.8平行仿真、数字孪生

利用建立的测试与示范道路的数字模型与云控中心结合的数字孪生系统或位于远端的数字孪生系统演示路段运营过程中车流行驶的平行仿真场景，并演示数字孪生系统的同步情况。

3.9匝道控制

当主线匝道口进入卡车编队时，匝道红绿灯显示红色，禁止车辆驶入主线。

3.10异常车辆预警

车辆距离异常车辆≤200 m时，会收到路侧系统播发的异常车辆BSM消息，网联车提示“X米第X车道车辆异常，请注意避让”。

3.11车道级施工预警

车路协同路侧设备能实时感知并播发高速道路上车道级施工信息，车辆提前在200 m外接受事件提醒，网联车显示“前方XX米第X车道施工，请注意避让”。

3.12设备状态检测和关联

路侧设备之间的相互调度包括以下场景：（1）雷达检测系统检测到不良交通流状态时通过可变信息发布系统对车流状况进行控制；（2）路面感知系统检测到路段隐患时（包括不良天气、不良路面情况等）对可变限速系统、可变信息发布系统及LTE-V系统的调度，提醒车辆小心慢行；（3）当卡车编队驶入时，利用动态称重系统检测车辆重量，利用可变信息发布系统对卡车编队间距提出建议值；（4）向社会车辆手机终端、车载终端远距离下发出车路协同环境及天气异常预警，终端APP通过动画及语音提示提醒驾驶人员注意降速行驶，注意前方路面及天气异常。

4结语

为打造运行安全、管理高效、出行愉快、物流通畅的智慧化高速公路系统，本文针对沙吴智慧高速公路建设需求，提出了智慧高速公路架构设计与关键技术，并阐述了智慧高速公路典型应用场景。该成果可为智慧高速公路建设和智能网联汽车的可靠运行提供系统解决方案和工程示范。

参考文献

［1］ 张纪升，李斌，王笑京，等.智慧高速公路架构与发展路径设计［J］.公路交通科技，2018，35（1）：88-94.

［2］ 王少飞，祖晖，付建胜，等.智慧高速公路初探［J］.中国交通信息化，2017（S1）：10-17.

［3］ 王东柱，杨琪.欧洲合作智能交通系统发展现状及相关标准分析［J］.公路交通科技，2018，30（9）：128-133.

［4］ 张一衡，李俊卫，沈刚，等.浅谈智慧高速公路的构建［J］.中国交通信息化，2017（S1）：18-19，22.

［5］ 王少飞，谯志，付建胜，等.智慧高速公路的内涵及其架构［J］.公路，2017，62（12）：170-175.

［6］ 陈超，吕植勇，付姗姗，等.国内外车路协同系统发展现状综述［J］．交通信息与安全，2011，29（1）：102-105，109.

［7］ 吴建清，宋修广.智慧公路关键技术发展综述［J］.山东大学学报（工学版），2020，50（4）：52-69.

［8］ 刘若微，施进，范佩庆.智慧高速公路标准体系建设研究［J］.信息技术与标准化，2016（Z1）：42-45.

［9］ 齐为.我国智慧高速公路建设标准化现状研究［J］.标准科学，2015（10）：47-49.

基金项目：广西重点研发计划“智慧高速车路一体技术研究与示范项目”（编号：桂科AB21196008）

作者简介：李东毅（1983—），硕士，高级工程师，研究方向：道路与桥梁工程。