智慧公路与机电工程融合发展模式探讨

作者：许辉1，陈忱2，宿增强2，贾彦党2（1.云上甘肃科技有限责任公司；2.甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司）

摘要：随着交通强国战略的有力推进，数字交通、智慧公路等理念已成为公路建设的主要发展方向。目前，智慧公路理念尚在发展阶段，与此同时国内各地区交通环境、基础设施和社会经济差异性大，难以形成统一标准规范和建设模式。本文通过分析智慧公路发展理念和体系框架，以整合重构公路机电工程设计为切入点，提出智慧公路与机电工程融合发展的模式，为交通环境相对单一、经济基础相对薄弱的西部地区智慧公路发展提供思路。

智能交通是人工智能与交通运输深度融合的新型业态，是综合交通发展的未来趋势，是推动交通运输高质量发展的必由之路，也是抢占新一轮科技革命和产业变革先机的重要力量。智慧公路是智能交通的重要组成部分，也是智能交通的思想和技术在高速公路管理中的应用。

一

国内外研究背景

目前国内外对智慧公路的定义和发展方向尚未形成普遍的共识，也没有明确的产业边界，大多处于概念设计阶段。美国“ITS战略计划”、欧洲“地平线2020”、日本“自动驾驶战略性创造促进计划”均从不同角度，结合本国交通环境提出了智能交通和智慧公路的发展方向。我国已在北京、河北、吉林、江苏、浙江、福建、江西、河南以及广东九个地区开展智慧公路试点建设，围绕某个或某几个应用领域以试点和科研方式探索推进。《交通强国发展战略》《数字交通建设纲要》《智能交通发展进行行动方案》等文件的发布，为我国交通信息化和公路机电系统带来了新的发展契机，也给行业技术创新和建设资金筹集带来新的挑战。
智慧公路的实现要以公路机电工程为载体，对公路机电工程设计提出更高要求。目前，传统的公路机电工程主要包括监控、收费、通信三大系统，还包括隧道机电系统，以上各系统提供了公路运营管理、通行费收取等基本功能，但与智慧公路的发展理念还有一定差距，不足以支撑智慧公路的实现。
基于以上背景，本文通过分析智慧公路发展理念和体系框架，以整合重构公路机电工程设计为切入点，提出智慧公路与机电工程融合发展的模式，为交通环境相对单一、经济基础相对薄弱的西部地区智慧公路发展提供思路。

二

智慧公路发展理念与体系框架

智慧公路的理念是以高精度、广覆盖、低延时、全网联的传感系统和信息发布系统，为汽车驾驶员或者自动驾驶汽车提供超视距、全方位的道路交通感知信息，旨在消除各类交通行为的不确定因素，避免交通拥堵和事故，降低交通能耗和污染水平。
鉴于业界尚未对智慧公路的定义形成广泛共识及未明确产业边界的现状，相关学术机构在深入研究美国“ITS战略计划”、欧洲“地平线2020”、日本“自动驾驶战略性创造促进计划”和国内相关规划试点的基础上，提出了智能网联交通系统（ICTS）和智能网联高速公路（ICE）的概念，并进行了大量研究和测试验证。智能网联高速公路（ICE）主要由具备感知计算能力的智能网联车辆、具备交互能力的智能路侧设施和面向泛在服务的大数据平台三部分构成，各部分之间依赖多模互联通信进行信息交互和协同工作。
结合智能网联交通系统（ICTS）和智能网联高速公路（ICE）的概念，以及业界近年来的探索、实践经验，围绕《交通强国发展战略》《数字交通建设纲要》和《智能交通发展进行行动方案》要求，智慧公路建设大致包括以下几方面内容，如图1、图2所示。
图1 智慧高速公路网络结构示意图
图2 智慧高速公路物理结构示意图
图1和图2分别从网络结构和物理结构，表述了智慧公路“云端”“路端”“车端”的功能构成和逻辑关系，主要包括智慧公路管理与服务、感知与监测、通信与传输、地理信息与定位等功能模块。
1、管理与服务设施
智慧公路管理与服务设施实现车—路协同管理，为道路交通用户提供及时、准确、可靠的出行信息，以及交通诱导、安全救援和通行费收取等服务。主要包括可变标志、交通信号控制、交通诱导与服务信息发布、不停车收费、服务区信息化等设施。
2、感知与监测设施
智慧公路感知与监测设施实现公路（网）运行状态、交通环境和道路结构安全的自动感知和智能监测功能。主要包括交通运行、视频图像、气象与环境、基础设施、工程过程质量、应急物资等全方位的感知与监测设施。
3、通信与传输设施
智慧公路通信与传输实施通过“公网/专网结合、有线/无线结合、地面/空天结合”的多模融合通信系统，为公路管理机构和道路出行者（路侧信息发布设施或车载终端）提供全方位信息发布和传输通道。
4、地理信息与定位设施
智慧公路地理信息与定位设施实现公路信息模型、高精度定位导航服务等功能，为公路设施监测、车路协同、自动驾驶等提供高精度空间位置信息服务。

三

智慧公路建设面临问题与思路

由于发展理念、社会环境、经济基础的不同，国内外智慧公路建设模式差异较大。我国智慧公路主要以独立筹资立项建设和依托新建公路机电系统设计实施两种模式为主。北京、河北、吉林、江苏、浙江、福建、江西、河南以及广东九个地区相继开展了智慧公路的试点建设，围绕一个或几个应用领域以试点和科研方式探索推进。上述地区探索和研究成果，主要体现在解决大交通量、复杂交通环境的通行效率问题。
智慧公路技术集成度高、资金需求量大、项目管理复杂。对于路网结构单一、交通量小、地域分布偏远，功能需求以长距离交通安全、路况感知和事故应急处置为主，同时建设资金压力大、技术人才和装备匮乏的广大西部地区，以整合重构机电工程设计为切入点，研究提出智慧公路与机电工程融合发展模式，将更有利于较快落实智慧公路建设任务，实现以新型机电系统承载智慧公路理念的目标。

四

智慧公路与机电工程融合模式

传统的公路机电工程主要包括监控、收费、通信三大系统，同时包括隧道机电系统。要承载智慧公路管理与服务、感知与监测、通信与传输、地理信息与定位等功能，需要将传统公路机电工程进行升级，与信息化、云计算、智能感知等技术有机结合，实现智慧化目标。结合西部地区路网结构、交通组成、经济基础和交通信息化建设实际，采用跟进中东部省市试点成果的方式难以取得成果（基于资金、路网结构、交通量等因素）。本文提出以需求为导向、挖掘差异性优势的思路，将智慧公路理念与机电工程设计深度融合（如图3、图4所示），以智能化的机电系统承载智慧公路理念，实现西部地区公路网运行监测与应急处置、基础设施在线检测与资产管理、通行费收缴稽查及运营节能等智慧公路建设目标。
图3 智慧公路与机电工程融合方案示意图
图4 智慧公路与机电工程融合设计方法示意图
根据西部地区地域特征、交通环境、经济基础及公路网运营需求，本文以“路网运行监测与应急处置”“构造物健康监测、设施设备在线检测与资产管理”“自由流电子收费与通行费用稽查追缴”“绿色交通与隧道运营节能精准测控”等智慧公路理念为核心，以此统领机电工程各系统设计，完成对传统机电工程各系统的整合重构，承载智慧公路建设目标。
1、路网运行监测与应急处置
传统监控系统主要面向路段管理，以视频监控、交通检测、信息发布为手段，实现以人工为主的监控和调度。以智慧公路联网监测与应急处置为目标，可在传统监控系统基础上，充分利用视频云联网监测、智能交通感知、收费系统主线ETC门架等设施，通过多模融合通信系统，提供公路网运行状态信息、交通流量数据、道路实时状态等信息，实现路网运行监测自动化。同时通过路侧信息发布设施、隧道交通控制设施和智能网联设施发布路网应急处置信息，实现路网应急处置信息化。以智慧化的机电系统，承载路网运行监测与应急处置功能。
2、自由流电子收费与通行费用稽查追缴
传统收费系统以MTC和ETC结合的方式，实现高速公路封闭式半自动或全自动电子收费；通行卡流失和逃缴通行费的车辆，主要依靠人工方式管理。按智慧公路开放式自由流收费和信用信息稽查追缴的目标，可在ETC不停车收费系统和入口超限检测系统的基础上，利用道路主线ETC门架、沿线监控摄像机和高清卡口系统，准确、实时、完整记录路网内所有车辆的行驶路径、位置、缴费等信息，为自由流电子收费与通行费用稽查追缴提供技术支撑和执法依据。
3、设施设备在线检测与资产管理
传统公路机电系统与道路设施结构监测系统独立建设、独立运行，且机电设施状态监测与资产管理功能缺失。按照智慧公路目标，应实现智能感知与监测一体化。可通过采集机电工程各系统设备的运行状态和重要构造物结构安全监测数据，实现道路基础设施运行状态全收集和大数据分析，为在线检测、资产管理和精准维护提供技术支持。
4、绿色交通与隧道运营节能精准测控
隧道运营能耗占山区公路运营成本比重较高。实施隧道运营节能与精准测控，是实现绿色交通的重要手段。传统隧道机电工程各系统独立运行，兼顾运营安全与节能的难度较大。按照智慧公路精准测控的目标，通过隧道照明动态无级调光控制、隧道环境在线监测与通风精细化控制，可有效减少隧道运营能耗和费用。

五

结束语

按照智慧公路的发展理念，结合公路信息化技术，将公路机电工程进行整合重构，作为公路信息化应用系统的基础设施。通过机电工程的整合重构，把智慧公路发展理念和公路信息化技术落实到公路机电工程设计当中，既有效提高了机电工程的设计理念，又可有效承载智慧公路和公路信息化的业务发展。这种融合发展和整合重构，可作为甘肃省等路网结构相对单一、交通量相对较小、经济基础相对薄弱的西部地区智慧公路和公路信息化发展的一种探索。结合智慧公路发展理念及公路机电系统设计实际，实现其融合发展需开展以下两方面的工作。
一方面，持续完善智慧交通与机电工程人才队伍建设，广泛、深入研究智慧公路发展方向和技术成果，合理精确对接机电工程设计，全面引领、整合、重构机电工程设计专业划分与方案构成。
另一方面，加强机电工程各系统设计创新与整合重构，在现行标准规范基础上准确承接智慧公路配套设施设计和配置要求，合理、系统地落实智慧公路与机电设施方案设计。

（原文刊载于2021年第6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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