5G+智慧公路关键技术研究及应用示范

李俊涛

摘要：为贯彻落实交通强国建设任务及智慧公路建设总体要求，抢抓“新基建”机遇，甘肃省以G312线清水驿至傅家窑公路工程为载体建设“5G+智慧公路”，建立具有全面感知、主动服务等功能的实时动态交通信息服务体系；以高精度导航、道路动态感知和多模通信融合等技术为依托，开展基于车路协同的智能网联汽车开放道路测试与应用，推动智慧公路发展。同时“5G+智慧公路”的实施，对于甘肃省加快推动交通试点任务落地实施，助推甘肃交通高质量发展，提升公路安全管理、通行效率及服务水平，打造环兰智慧路网等具有重要意义。

关键词：5G  智慧公路  高精度导航  道路動态感知  车路协同

中图分类号：U495

Research and Application Demonstrations of the Key Technologies of 5G+ Smart Highways

LI Juntao

Gansu Highway Traffic Construction Group Co. ， Ltd.，  Lanzhou， Gansu Province， 730000 China

Abstract： In order to implement the task of developing Chinas transportation strength and the general requirements of the construction of smart highways， and seize the opportunity of "New Infrastructure"， Gansu Province built the "5G+ Smart Highway" with the Qingshuiyi-Fujiayao highway project of the G312 Line as the carrier， and established a real-time dynamic traffic information service system with comprehensive perception， active services and other functions. It relied on technologies such as high-precision navigation， dynamic road perception and multi-mode communication integration， and carried out the open road testing and application of intelligent connected vehicles based on vehicle-road collaboration， so as to promote the development of smart roads. At the same time， the implementation of the "5G+ Smart Highway" is of great significance for Gansu Province to accelerate the implementation of traffic pilot tasks， boost the high-quality development of transportation in Gansu， improve the safety management， traffic efficiency and service level of roads， and build the smart road network around Lanzhou.

Key Words： 5G；Smart highway；High-precision navigation；Dynamic road perception；Vehicle-road coordination

随着高速公路的快速发展，交通量急剧增加，对于公路运营养护的需求和运营养护的质量要求越来越高。传统高速公路的信息传递具有滞后性、建设的粗放性以及管理的模糊性，不仅为驾驶者的安全驾驶带来较多隐患，也对公路进行建设管养造成很大难题。随着经济的发展、科技的进步，数据挖掘、云计算等技术在交通領域得到较大的发展，智慧公路理念得到进一步的发展，建设具有实时、智能、安全的智慧公路为道路建设者所青睐[1]。

目前，多地针对智慧公路这一课题进行深入研究和实际应用。北京市、河北省依托京雄高速、延崇高速[2]，结合冬奥会需求，探索自动驾驶及车路协同服务，并建设面向冬奥会的智能化服务区；浙江省则依托绕城西复线、杭绍甬高速[3]等，重点开展伴随式信息服务、主动预防的交通安全管控等方面的研究，为浙江省后续智慧公路的建设奠定了基础；依托深圳外环、南沙大桥、乐广高速[4]，广东省打造“一中心、五应用”的智慧交通体系。

为解决高速公路信息分散、信息化系统自我封闭以及建养分离等问题，本文基于5G+智慧公路详细阐述其所需的关键技术，并以依托清傅公路探索5G在公路行业的应用。

1. 5G+智慧公路的关键技术

建设“5G+智慧公路”，以智慧公路服务于“安全、管理、服务”为总体目标，定位为解决实际问题及引领未来智慧公路发展，充分研究前沿技术如云服务、大数据、北斗、车路协同、5G、数字孪生、高精地图等，在总结交通部前期九省试点智慧公路建设经验的基础上，按照功能提出“数字化基础设施平台+多元通信网络+路段级智慧管理中心+智慧服务系统+车路协同测试+网络安全”六大类为一体的智慧公路建设框架[5]。

1.1 建设数字化基础设施

通过建设高精地图及三维实景地图，实现基础设施数字化管理；通过部署传感设备实现桥梁、隧道、高边坡结构监测；通过视频、雷达和气象环境设备实现交通态势感知[6]。

1.1.1 车道级高精度地图

车道级高精度地图具备精度高、地图元素更加详尽、属性更加丰富的特点，是数字感知基础设施、支持自动驾驶车辆感知环境不可或缺的技术内容。高精度地图结合车载传感器数据和智能算法能够实现车辆定位，并在此基础上为自动驾驶提供动态、实时的数据服务。车道级高精度地图作为智慧公路建设的基础在伴随式信息服务、重点车辆动态视频跟踪、车道级精细化管控及有道、应急指挥调度、交通运行状态监测以及路设资产精细化管理中均有应用。

车道级高精地图的制作可通过高精路网数据采集、内业制作以及渲染引擎三部分完成。采用高精度测绘仪器，如雷达、红外线测量等可获得各路段道路的具体信息（道路中心线、道路等级、道路长度宽度、通行方向等）、道路连接点、车道连接点、交通标牌信息等。图1（a）为道路采集路线样例，图1（b）为互通立交的采集路线样例。外业采集的内容需进行采集轨迹预处理、采集数据预处理、自动提取目标要素、人工核查及修正、自动化生产系统加工和成果质检。

1.1.2 建立高精度定位系统

目前，成熟应用的卫星定位导航系统有全球卫星定位系统（GPS）和北斗卫星导航系统（BD）。高精度时空精准服务系统由基准站网子系统、数据处理子系统、应用服务子系统组成。基准站网络子系统能够捕获、跟踪、采集、存储和发送卫星导航信号。将基础站网络子系统获得的原始数据及差分数据进行处理，生成精度增强和完好性增强的信息。在应用服务子系统中将接收的增强数据进行处理获得增强服务信息，并将服务数据进行推送。高精度时空精准服务系统的架构如图2所示。

1.1.3 建立全息感知网络

全息感知是支持各种交通应用系统、信息服务和车路协同的重要前提和支撑条件。全息感知网络即采用各种感知方式对交通信息、气象信息、基础设施状态以及车辆信息进行感知，为管理者和使用者提供及时有效的数据。全息感知网络的构建分为前端数据采集与运输、中心应用平台和公众信息发布三个部分。全息感知网络的构建首先建立前端数据采集与传输系统。明确监测内容、数据采集与传输的要求，通过监测方式最终确立监测方案，然后利用卫星、遥感技术、传感器以及互联网实现传感器数据的采集、信号调理与数据传输。中心应用平台对传回的数据进行处理分析，进而生成预警信息。最后利用电视媒体、广播电台、电子信息牌以及交通指引牌等将预警信息发布。

1.2 建设多元通信网络

多元通信网络是根据公路数据传输的接口要求、带宽要求、稳定性等实际需要，采用有线通信网络或无线通信网络方式，为实现公路的快速、安全、高效运行提供重要保障。

1.3 智慧服务系统

智慧服务系统根据其应用场景可细分为伴随式信息服务、准全天候通行服务、基于车路协同的重点营运车辆监测、智慧服务区建设、车道级交通控制系统以及智慧隧道六大分支。

1.3.1 伴随式信息服务

可变情报板、广播、高德等图商、公众号、车载终端、OBU共同构成伴随式信息服务系统。该系统可对沿线道路、车辆等进行综合分析，根据其动态提供实时、有效的信息，并通过多元手段发布给道路使用者，提高道路服务水平。伴随式信息服务系统根据应用场景可普通路段可隧道区段。根据使用车辆功能不同分为普通车辆、网联车路、自动驾驶车辆、两客一危车辆。表1是伴随式信息服务系统的推送场景及信息类型。

1.3.2 准全天候通行服务

准全天候通行服务包括常规气候条件、低能见度气候条件以及寒雪凝冰气象条件，如图3所示。气象数据实时检测，沿线设置气象检测设施，进行外场气象数据信息采集，掌握路段气象情况。同时实施道路天气灾害等级监测和预测预警，结合伴随式气象信息服务及时对预警信息进行发布。在低能见度的气象条件下，通过对重点区域布设智慧路桩系统对经过车辆进行安全诱导。

1.3.3 基于车路协同的重点营运车辆监测

重点营运车辆主要包括大货车和“两客一危”车辆。货车超温容易引起火灾事故，对道路运行安全造成很大隐患；“两客一危”等类型车辆的超速行驶、不正当跟驰行为易造成侧翻碰撞继而引发二次灾害，造成人员伤亡及经济损失。

超温监测系统由前端测温采集系统和后台管理平台组成。前端测温采集系统采用双波段红外测温设备，有效检测出已经超过安全温度但并未达燃烧值的车辆车身、货箱及部分前轮和后轮的温度变化，系统边缘计算结合配以红外激光阵列车牌、数据库内对比车型及图像识别对通行车辆的基础信息展开采集和数据前端预处理，并将处理结果传输到数据前端分析仪进行分析，然后录入管理平台（采集信息除了车辆温度外，还有车辆号牌、车型、车系、撞损特征、车色、车速、车脸、主副驾驶人脸等相关信息备案）。前端还设置广播设施，当车辆存在火灾隐患等超温现场时，广播会播报车辆号牌及超温险情，用声音提示其下道或应急车道、服务区进行停车自检；如果车辆未停在前方情报板上会用文字显示车辆号牌及超温提示信息。通过对大货车整车的温度监测进行预警，避免超温车辆进入隧道。图4为超温监测示意图。

1.3.4 智慧服务区建设

在服务区能增设服务区数字孪生系统、投影预警系统、无人零售系统，有效提升服务区服务能力、监管能力、场区安全及商业经营能力等，打造“会思考、有智慧”的服务区，使整个服务区高效有序地运营。

高速服务区数字孪生系统基于3D实景建模、AI车辆监测、AI视频车位感知系统、AI人体姿态识别系统、大数据态势推演仿真系统、孪生演示系统、环境监测等多维度历史数据和实时数据，采用人工智能、大数据等多学科、多尺度、多维度、多概率的服务区全息数据还原和孪生过程。高速服务区数字孪生系统旨在虚拟数字空间中对现实服务区中（人、车、路等多元素）完成实时数据提取和映射，从而接近真实的反映服务区车位占有率、客流状态以及重点车辆的筛查和监测，是一种集合前端精确感知、平台全局宏观展示、后端联动信息发布及交通诱导的高科技服务区综合管理系统。

1.3.5 车道级交通控制系统

车道级交通控制系统通过沿线采集的主线交通信息、匝道交通信息、气象信息、事件信息、施工占道信息等进行分析，提出有效的道路管控措施，并通过多种方式，如车载广播发布控制信息提示，合理規划道路交通，提高交通安全。

车道级交通控制系统通过合理设置智能道钉、智慧平安花等设施，能够对货车车道功能管控、主线及匝道大客流管控、事故预警管控、施工区预警管控和恶劣天气预警管控。

1.3.6 智慧运维管理

由于公路沿线及机房都配备了大量的机电设备，且机电设备种类复杂、时间空间分布广泛、工作状况和所处环境复杂、管理难度较大。保障机电设备的全天候正常运行，直接关系到公路的运营质量和交通服务水平，因此有必要对高速公路机电设备进行统一的智慧运维管理。

智慧运维管理以前端感知为基础、运维智库为支撑、管理平台为核心，构建公路机电设备的“三位一体”智慧运维管理体系。首先利用前端感知设备完成公路内外场机电设备信息的采集和传输，然后通过从属于运维管理的智库系统为其提供各种支持和知识类一站式服务，并依靠平台实现各个环节的智能化管理，提高管理水平。高速公路机电智慧运维管理系统构成图如图5所示。

1.3.7 智慧隧道建设

隧道运营管理对于保障隧道安全畅通运营和突发事件应急处置能力十分重要，隧道集群地形复杂，部分路段事故发生率较高；隧道机电系统繁杂，人工巡检工作量巨大，养护机制不健全，使得隧道区域运行安全性问题突出。因而，构建隧道及隧道集群标准化管理协同运营系统，对隧道内的机电设施和系统进行综合监控，有效降低隧道安全运行风险，切实提高系统设施使用效率和运行可靠性，明显提高隧道营运管理的智能化和自动化水平，降低隧道运营及维护管理成本，充分使隧道养护管理工作规范化、制度化、标准化，实现“立足当前、规范完善、品质创优、突出亮点、示范引领”的目标。

1.4 车路协同测试

1.4.1 车路协同式安全预警与控制服务

车路协同式安全预警与控制服务是基于协同平台的安全风险管理服务，其目的是提高交通出行的安全性。安全、高效的通行和实时、准确的出行信息服务是人工驾驶车辆用户和自动驾驶车辆用户对车路协同安全预警服务的共同需求。通过对道路基础设施智能化建设，集成传感系统、通信系统和高精度数字地图等模块，使其拥有先进的感知通信能力，通过车路之间的信息交互，向车辆发送各种重要信息，实现车路协同式安全预警与控制，从而提高公路的行驶速度和交通运行效率，减少能源消耗和交通安全事故。

1.4.2 自动驾驶专用车道服务

自动驾驶汽车是依靠人工智能、视觉计算、测距雷达、高精度地图和全球卫星定位系统的协同合作，自动安全地操作机动车辆。自动驾驶技术在可见的未来可以提高驾驶的安全性、舒适性和通行效率。

1.5 路段级智慧管控中心

路段级智慧管控中心主要包括云计算监控中心、闭路电视系统、综合管理平台、机房配套设施等。

路段级智慧管理中心主要是通过省级自动驾驶测试中心车路协同管控平台和路段管控平台，实现智慧公路场景化应用的数据共享、数据处理和分析及各业务功能。管理中心示意图如图6所示。

1.6 网络安全

智慧高速公路是智慧交通领域的重要核心分支之一，近年来随着信息化、智能化与交通行业的快速融合，智能交通产业整体发展迅速。但与此而来的网络安全问题也在不断增多。智能交通领域聚合了海量的高价值数据，且由于智能交通产业链的复杂、各类应用和系统架构的异构性，各方面因素都会导致智能交通面临的威胁面剧增。

2. 工程实例分析

2.1 项目背景

清傅公路起于榆中县清水驿乡，与G312线顺接，途经夏官营镇、金崖镇、定远镇、桑园子村、什川镇、止于皋兰县忠和镇，与已建兰秦快速路相接，全长62.41 km。同步建设兰州大学连接线1.9 km。清傅公路主线采用双向六、四车道一级公路技术标准，设计速度80 km/h。兰州大学连接线采用双向六车道一级公路技术标准，设计速度60 km/h。全线设置夏官营机场、榆中生态创新城、金崖、定远、什川、北绕城、兰秦平交立交共7处，主线收费站1处、服务区1处、养护工区1处、收费管理所1处、隧道管理站1处、公路管理所1处。清傅公路共有特大桥2座、大桥30座、中桥4座、小桥11座、分离式立交桥6座，涵洞60道，通道36道，隧道10座。

本项目处于青藏高原东北部与黄土高原西部过渡地带，也是祁连山支脉东延与陇西沉降盆地间交错的过渡地区，海拔在 1 570～2 200 m之间，气候寒冷，处于黄河流域。本项目建设多座跨河桥梁，其中桑园子黄河大桥横跨黄河，水域路段气象条件变化多端，常伴有大雾和凝冰。

为贯彻落实智慧交通建设的相关要求，甘肃省在分析建设、运营、公众、上级管理部门需求以及路段本身的地理位置、交通流特点基础上，提出了以需求为导向、以试点为基础、以创新为引领、以“安全、管理、服务”为目标的智慧公路建设方案。

2.2 打造数字化清傅路

通过高精地图+三维GIS的制作，构建三维可视的数字化孪生平台，整合桥梁健康监测、边坡健康监测、机电设施状态检测等，实现全线基础设施状态的数字化表达，打造全线统一的基础设施数字化基座，为各项智慧服务及应用提供基础。

本项目在G312线清水驿至傅家窑段夏官营机场立交（K5+433）至生態创新城立交（AK13+780）之间，约8.347 km段建设车道级高精度地图，利用高精度地图测绘数据，对拟建公路路段地图数据进行加工处理，形成高精度地图。实景地图成果需满足车道级驾驶引导管控系统地图以及全局动态交通管理平台使用，满足轻量化需求，以尽量小的文件实现厘米级的精度。

2.3 结合智慧产业港项目，打造车路协同示范路

在本项目中，高清摄像机部署在道路沿线两侧及道路沿线互通每间隔500 m处。道路沿线服务区布设高清全景监控摄像机，实时监测服务区内实时交通态势，摄像机被安装于新建的30m高的杆件上。服务区汇入汇出匝道处布设高清卡口监控摄像机，道路沿线匝道汇入处同样增设匝道汇入预警场景监测高清固定摄像机。

本项目的夏官营机场立交（K5+433）至生态创新城立交（AK13+780）之间，约8.347 km的路段作为车路协同示范路段。

根据本项目的功能定位，搭建数据共享与交换平台，采购GIS软件，结合高精地图系统，并利用视频管理平台，选择可靠稳定的数据库管理软件、备份恢复软件打造车路协同系统。清傅路可为自动驾驶车辆用户提供特定条件下的协同式控制通行服务，且主要在极端天气条件下提供该项服务。

2.4 提升公路安全管理、通行效率及服务水平

本项目主要采用有线专网、5G、物联网、C-V2X 等方式，实现语音、收费数据、视频和智慧公路中的车路协同、全息感知、通行服务、智慧养护等多媒体业务的应用。通过路侧的全息感知能力，实现道路交通元素实时数字化；实现基于车路协同的信息交互，配合领先的人工智能算法提升高速公路监控管理云平台效果，从交通安全、通行效率、用户体验等方面提升高速公路管理服务水平。

清傅公路按照“甘肃省高速公路监控中心—路段管理中心—外场监控设备”三级管理体制。路段管理中心设置在生态创新城服务区，负责全线的日常交通管理，具体负责对道路沿线的交通运行状况进行监控，并配合救援、指挥人员直接制订控制方案，控制各外场设备工作，并预留出向甘肃省高速公路监控中心上传监控数据和视频的通道。生态创新城路段管理中心监控视频数据通过光缆与G30高速公路相接上传至甘肃省高速公路监控中心。管理中心示意图如图8所示。

2.5 结合“新基建”部署，探索5G在公路行业应用

5G 建设是完成“新基建”任务的重要抓手，也是实现智慧公路的重要手段。在本项目利用沿线5G通信网络“大带宽、低延时”的特性实现智慧化应用。清傅路是《国家公路网规划》中的重要组成路段，建设清傅5G+智慧公路是交通强国建设题中应有之意，是贯彻落实大力发展“新基建”的重要举措响，是支撑甘肃省智慧交通发展建设的重要抓手，是提高通行效率和公路高质量服务的重要手段。

3. 结语

依托G312线清水驿至傅家窑公路工程建设“5G+智慧公路”，是全面落实党中央、国务院、交通运输部及甘肃省关于智慧公路及新基建各项举措的需要。通过示范项目的方式探索智慧公路建设方案及新产品、新技术的示范应用，为甘肃省智慧交通发展水的平的提升、为安全、高效、环保的道路交通体系的建成积累经验。

结合此次“新基建”5G技术应用，将G312线清水驿至傅家窑公路建设成为本省首条“5G+智慧公路”示范路段，形成可复制、可推广的交通行业应用和产业融合的新模式，构建交通行业应用深度融合的新业态。

建设清傅“5G+智慧公路”项目，形成智慧公路建设的经验和标准，进一步提升公路交通创新能力，具有示范效应。建设清傅“5G+智慧公路”项目，让兰州主副城市之间大量的旅客使用快速、便捷的5G网络和体验智慧公路带来的高质量服务，可以提升社会效益和兰州城市形象，可以有效解决交通量增长与安全、通行效率提高的矛盾问题，提高交通管理的现代化内涵和品质，提升公路路网服务水平与品质。

参考文献

[1]. 中共中央  国务院印发《交通强国建设纲要》[C]//中国仓储与配送协会.2020中国仓储配送行业发展报告（蓝皮书）.中国商业出版社，2020：10.

[2] 唐小军，章立辉，兰凤民.以京雄、延崇高速公路为例谈智慧高速公路的发展对策[J].公路，2022，67（4）：250-255.

[3] 贾洪波，叶楠，宋涛，等.杭绍甬高速杭绍段智慧建设体系的构建与实践[J].浙江交通职业技术学院学报，2022，23（2）：12-17.

[4] 林健芳，林楚忠，欧阳征朝.乐广高速 让路会说话 慧眼识风险[N]. 中国交通报，2022-03-31（6）.

[5] 邹志宏. C市高速公路交通管理路径优化研究：以5G技术引用为例[D]. 重庆：西南政法大学，2020.

[6] 交通运输部印发《指导意见》推动交通运输领域新型基础设施建设[J].中国交通信息化，2020（9）：92.