浙江智慧高速公路建设顶层设计研究

作者：崔优凯1,周义程1,杜逸2,王华斌1,毛思捷1
（1.浙江省交通规划设计研究院有限公司；2.浙江省交通投资建设集团有限公司）
摘要：目前，我国高速公路建设已经进入追求高质量的发展阶段。智慧高速是未来高速公路发展的必然趋势，也是智能网联交通系统的重要组成部分，还是建设交通强国的重要载体。智慧高速顶层设计已成为高效、有序、科学地推进智慧高速公路建设工作的“先手棋”。本文基于浙江省在既有高速公路网内进行的“智慧高速建设需求调研”，从分析智慧高速顶层设计概念着手，立足需求导向和问题导向，提出了智慧高速公路建设总体目标及三个发展阶段，研究制定了“1+M+N”总体框架以及实现顶层设计的保障措施，为浙江智慧高速公路建设提供指导建议。
截至2018年底，全国高速公路通车里程已达14.26万公里[1]，居世界第一。高速公路建设已进入土地、资金、环境资源要素制约期，开始由高速增长阶段转向高质量发展阶段。
2019年9月，中共中央、国务院发布了《交通强国建设纲要》，将“交通基础设施网、运输服务网、能源网与信息网融合发展，构建泛在先进的交通信息基础设施”放在重点发展的位置；同年12月，印发了《长江三角洲区域一体化发展规划纲要》，明确率先推进杭绍甬智慧高速公路建设。由此可见，智慧高速公路建设已成为交通强国建设的重要内容之一，是实现高速公路从量向质转变的主要载体，也是实现高速公路在新时代高质量发展的重要抓手。
一、国内外研究现状
当前美、日、欧等发达国家和地区都在大力推进智能交通基础设施建设，如美国的CV项目[2]，日本ETC2.0[3]、欧洲CCAM项目[4]等；目前，国内也在积极开展智慧高速公路建设，2018年交通运输部在北京、河北、浙江、江苏等九省（市）开展了新一代国家交通控制网及智慧公路试点工作，并明确了基础设施数字化、路运一体化车路协同、北斗高精度定位综合应用、基于大数据的路网综合管理、“互联网+”路网综合服务和新一代国家交通控制网六个试点主题[5]。
近年来，国内外学者对智慧高速公路顶层设计、总体设计等方面进行了多角度的研究，并取得了一定的进展。H.Jallow等[6]基于英国M25高速公路案例，提出了智慧高速公路概念、技术方案，并对智慧高速公路应用的技术进行了分析；黄潮仪等[7]基于广东省智慧高速公路建设需求对智慧高速顶层设计开展了研究，并提出了顶层设计总体思路、架构、重点实施内容及保障措施等；张纪升[8]等采用了面向过程的方法，提出了智慧高速公路服务领域和服务列表，并提出了基于“端-管-云”思路的智慧高速公路的技术架构；王小军等[9]在高速公路发展现状及需求分析的基础上，从建设定位、建设目标、发展阶段、总体框架几个方面对智慧高速公路总体设计进行了研究。但上述研究大都是侧重于智慧高速公路技术架构研究，在发展阶段、总体框架、应用场景等方面研究较少。
本文在智慧高速顶层设计概念分析基础上，从需求分析出发，明确了智慧高速公路建设总体目标及三个发展阶段，提出了“1+M+N”总体框架，最终提出顶层设计实现的保障措施。
二、智慧高速顶层设计
（一）智慧高速顶层设计的概念
顶层设计的概念最初源于系统工程学领域的“自顶向下设计”，是领导者、决策者对某事物进行系统化、系统工程化的战略规划设计[10]。
智慧高速作为一项创新性、系统性工程，当前关于智慧高速建设顶层设计概念尚无明确定义，参考《智慧城市顶层设计指南》[11]对智慧高速顶层设计定义如下：从高速公路发展出发，运用体系工程方法，统筹协调高速公路“人、车、路、环境”各要素，开展智慧高速建设需求分析，对智慧高速总体目标、发展阶段、总体框架及保障措施等方面进行整体性规划和设计的过程。
（二）智慧高速顶层设计的意义
智慧高速公路顶层设计是介于智慧高速总体规划和具体建设之间的关键环节，是高效、有序、科学推进智慧高速公路建设工作的“先手棋”，是指导智慧高速建设工作的重要基础，具有重要的承上启下作用。服务对象主要为智慧高速建设领导、决策层及相关建设参与人员等。
（三）智慧高速顶层设计的要点
智慧高速建设顶层设计既要放眼未来，又要立足当下，应以提升人民群众的获得感和幸福感、提供便民交通服务、改善出行环境为出发点，着眼于解决当前高速公路运行管理及出行服务中的热点、难点问题及实际需求，充分利用先进科学技术和理念，全面、系统地规划设计智慧高速公路建设总体框架，有效提高交通管理部门与使用者之间相互联动、道路高效运转水平，实现人、车、路、环境高度协同，以及管理和出行效率双提升。
三、智慧高速建设需求分析
人、车、路、环境是高速公路交通系统的四个基本因素，四者在交通系统中有着相互协调、相互依赖、相互作用的密切关系，其中任何一个要素失调，都会导致交通事件以某种形态发生。
智慧高速公路建设应以人的需求为导向，统筹协调四大因素之间的相互关系，利用信息技术将四者进行智慧化耦合，为高速公路使用者提供安全、快速、经济、舒适的通行服务，为高速公路管理者建立智能、高效的管理方式和精准、全面的服务方式，为其他行业用户构建实时、准确、开放、共享的信息平台。
基于此，智慧高速建设需求有以下四个角度。
1、高速公路使用者角度
高速公路使用者是智慧高速的主要服务对象，经调研，高速公路使用者需求主要包括快速、准确地获取出行信息，以及安全、安心地在高速公路上行驶[12-13]。出行过程中，司乘人员通过获取多源化的出行信息、精准化的道路信息、个性化的服务信息以提高出行效率，并结合秒级化的事件传递、便捷化的特情服务和人性化的驾驶辅助，实现快速又安全的通行。
2、高速公路管理者角度
高速公路管理者的需求主要体现在提升“一路三方”对交通的管控能力及对高速公路使用者的服务水平上，确保高速公路通行的安全、快速、高效。例如，道路运营管理人员的需求在于构建道路安全、畅通、有序的良好通车环境，减少交通事件发生频次，减少环境对交通的影响，提升精准服务水平。
3、高速公路相关部门角度
相关部门人员需要获取实时信息以支持工作的快速开展，例如，消防部门人员通过信息共享平台实时获取火灾、爆炸险情、危化品泄漏等事件信息，从而快速采取应急措施，防止二次事故的发生。
4、其他行业人员角度
其他行业人员需求主要体现在通过参与智慧高速公路建设，更好地推动自身行业、产业发展，例如，互联网行业人员通过信息共享平台获取服务信息，以O2O模式向公路用户提供个性化、互动式服务。
四、智慧高速总体设计
（一）总体目标
智慧高速建设应以“人、车、路、环境”为基础，以“增安全、提效率、优服务”为中心，建设“智能、快速、绿色、安全”的智慧高速公路网，努力实现道路交通“零伤亡”“零伤害”“零堵塞”和“极限通行能力”。
智慧高速建设总体目标为“智能、快速、绿色、安全”。
（1）智能：充分利用新一代信息技术，形成车路协同的智能道路交通环境。（2）快速：提高路网运行平均速度，积极创造突破120公里/小时设计速度的条件，最大限度提高路网通行能力。（3）绿色：全面应用节能技术和绿色环保设施，全面覆盖新能源供给设施，明显提高资源利用率。（4）安全：极大程度消除路网安全隐患，最大限度降低事故危害，实现高速公路全天候通行。
（二）发展阶段
智慧高速公路是由道路基础设施、车辆和支撑运行与服务系统组成的一个边界开放复杂系统[14]。根据系统控制延迟时间，可将智慧高速公路分为L1、L2、L3三个等级，分别对应道路主动管理控制、网联辅助信息控制、网联协同感知控制三个发展阶段。智慧高速公路发展阶段，如下表所示。
（1）L1级：道路主动管理控制阶段是智慧高速公路控制发展的初级阶段。该阶段实现的核心思想是主动，手段主要是诱导，主要依靠道路路侧多源自主感知、车辆位置信息辅助，实现交通动态感知及管控策略生成，可变限速和路肩行驶是道路主动交通管理控制的主要措施，其他措施（排队警告、匝道控制和动态车道分配等）起到辅助支持作用。
（2）L2级：网联辅助信息控制阶段是智慧高速公路发展的深化阶段。该阶段实现的核心思想是辅助，手段主要是预警，主要依靠道路路侧自主感知和路车、车车之间通信，实现车车、路车预警信息交互。实时预警信息是该阶段的主要控制手段，车间时距将压缩；当智能网联车辆达到一定比例时，将出现专用车道；辅助驾驶信息作为交通参与者、交通工具控制系统的信息输入，车辆控制权限逐渐由人主系辅向人辅系主转变。
（3）L3级：网联协同感知控制阶段是智慧高速公路发展的高级阶段。该阶段实现的核心思想是协同，主要手段是控制，主要依靠路车、车车全面的智能协同与配合，形成车辆和道路共同促进自动驾驶实现的一体化发展途径[15]。实时车辆控制信息是该阶段的主要控制手段，车间时距将进一步压缩，车辆将成队列行驶，道路通行能力、路网承载能力都将翻倍。
五、智慧高速总体框架
基于对智慧高速建设需求、总体目标、发展阶段的理解，本文提出智慧高速建设“1+M+N”总体框架，其中“1”为基础支撑，“M”为配套体系，“N”为应用场景。应用场景“N”是建立在“1+M”之上的。智慧高速公路总体框架图如下图所示，应用场景为列举，包括但不限于图中所述场景。
（一）基础支撑
基础支撑是建设智慧高速所必须具备的设施条件，以“数据链”为主线，分为数字化采集体系、网络化传输体系和智能化应用体系三部分。
1、数字化采集体系
数字化采集体系由数字化基础设施和道路综合感知设施组成。数字化基础设施包含应用GIS、BIM、三维可测实景、倾斜摄影、高精地图等技术，实现基础设施的数字化，建立“一张图”，并建设设施状态信息感知、新能源供给、自动驾驶专用车道等新型道路基础设施。道路综合感知设施包括沿高速公路设置的交通运行状态、交通气象、基础设施状态、车辆微观行为状态、设备运行状态等数据采集设施。
2、网络化传输体系
网络化传输体系由专用传输通信设施和位置信息服务设施组成。专用传输通信设施包含沿道路基础设施部署全程覆盖的有线通信、无线通信（DSRC/LTE-V2X/5G-V2X等），提供超低时延、超高可靠、超大带宽的通信服务。位置信息服务设施包含基于导航卫星、地基增强站、高精度地理信息服务平台等实现精度达到厘米级的低成本、高可靠定位。
3、智能化应用体系
智能化应用体系由智慧高速云控平台和出行服务与交通管控设施组成。智慧高速云控平台包含应用云计算、大数据、人工智能、边缘计算等技术，构建具备多源信息融合能力、强计算分析能力的数据中台及具备智慧管理控制能力、精准服务能力的综合业务应用平台。出行服务与交通管控设施包含提供道路/车载出行信息、服务区、道路交通管控及车路一体化控制信息等服务功能的设施。
（二）配套体系
配套体系是为完善智慧高速架构建设而提出，与基础支撑共同作用的部分，包含产业生态体系、网络安全体系、标准规范体系和管理制度体系，如下所示。
（1）产业生态体系：是由能够对智慧高速发展产生重要影响的设备供应商、软件开发商、系统集成商、消费者等产业的各类参与者以及智慧高速的基础支撑与外部环境等构成，通过产品研发、设计、生产并最终服务于用户。
（2）网络安全体系：是为了确保智慧高速硬件安全、软件安全及其系统中的数据不因偶然的或者恶意的原因而遭受到破坏、更改、泄露，使系统能够连续、可靠、正常地运行。
（3）标准规范体系：使智慧高速标准的构成更具完整性、统一性、科学性、实用性，是有序进行智慧高速建设及管理所需要。
（4）管理制度体系：通过对管理机制、管理原则、管理方法以及管理机构设置进行规范，确保智慧高速公路运营的正常顺利进行，是推动智慧高速发展的可靠保证。
（三）应用场景
应用场景包含在智慧高速总体架构下产生的具体应用，结合智慧高速建设总体目标，应重点开展但不限于以下八个场景：自由流收费服务、伴随式信息走廊、智慧服务区、货车编队行驶、车道级主动管控、自动派单救援、恶劣环境智能诱导预警、全寿命周期智能养护等；各场景描述如下所示。
1、自由流收费服务
利用无线通信、电子收费等技术，自动完成对多条车道上自由行驶车辆收费。
2、伴随式信息走廊
利用车辆定位、无线通信等技术，实现对定位设备出行辅助信息的精准推送，为行车用户及时提供综合路网服务。
3、智慧服务区
利用物联网、AI、大数据、云计算等技术，通过各类智能终端，实现为社会公众、管理人员提供高速公路服务区智能化和个性化信息服务。
4、货车编队行驶
利用传感探测、自动控制、无线通信等技术，通过车载和路侧传感装置的智能探测、车-车通信和车-路通信，以及车辆自动操纵控制装置的自动控制，实现3辆以上货车间近距离组队跟踪的自动驾驶运行。
5、车道级主动管控
利用计算机技术、通信技术、传感器技术、数据管理和融合技术，掌握高速公路各个车道交通流的状况，按照车道交通运行状况和特殊需求，生成车道交通管理及控制方案，通过信息发布设备进行车道交通流管理、调节和诱导。
6、自动派单救援
利用物联网、大数据、云计算、车路协同等技术，精准定位事故车辆，快速向“一路三方”应急保障人员发出应急救援指令，自动派出拖车、施救车、直升机等救援力量赶赴现场，同时为司乘人员提供全程救援进度智能查询服务，缩短黄金救援时间。
7、恶劣环境行车智能诱导预警
利用交通气象感知、路侧安全诱导、车路协同等技术，在恶劣天气条件下实现车辆智能诱导预警，避免事故的发生尤其是二次事故的发生，保证高速公路全天候交通运行的顺畅和安全。
8、全寿命周期智能养护
利用各种先进传感器技术、信息技术、网络技术、自动控制技术、计算机处理技术等，实现公路整个寿命周期内所发生的一切与建设、维护、管理等有关费用最低的养护。
六、保障措施
为确保智慧高速公路建设的顶层设计真正落到实处，需从政策、资金、科研、人才等方面入手，制定相应的保障措施：
（1）建立紧密配合的工作协调机制，明确任务分工，确保智慧高速公路建设工作有序进行。开展智慧高速公路专项规划，同步部署新建、在建、既有高速公路智慧化提升，交叉推进方案设计和建设实施；（2）积极争取财政性资金、专项资金等支持，探索公私合作（PPP）等市场机制，吸纳社会力量参与智慧高速建设；（3）联合国内外技术力量，开展专题联合，加强智能交通实用性技术研究和先进技术成果转化；充分发挥市场主体作用，打造“开放、包容、创新”的平台；积极与有影响力的创新型企业对接，吸纳社会力量参与，抓紧开展智慧高速领域关键技术课题研究和应用示范工作，培育壮大智慧交通产业；（4）加强专业人才引进和培育，补齐人才队伍短板。建立多层次专家库，发挥高端智库、院校等机构的智力支持作用。
七、结束语
本文从分析智慧高速顶层设计概念着手，立足需求导向和问题导向，确定智慧高速公路“安全、快速、绿色、智能”的建设总体目标，提出了道路主动管理控制（L1）、网联辅助信息控制（L2）、网联协同感知控制（L3）三个发展阶段，研究制定了“1+M+N”总体框架以及实现顶层设计的保障措施。
智慧高速公路建设是一项创新性、复杂性的系统工程，本文在浙江省既有高速公路网内进行“智慧高速建设需求调研”的基础上，通过研究提出的智慧高速顶层设计概念、总体设计及总体框架，可为智慧高速公路建设提供决策参考，保障智慧高速公路建设高效、有序、科学推进。
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[15] 中国公路学会.车路协同自动驾驶发展报告[R].2019.
（原文刊载于2020年第4期《中国交通信息化》）
微信编辑 | 户利华
责任编辑 | 彭翔
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