基于全要素感知的智慧高速公路应用方案_刘安.pdf

-47-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2023中国科技信息 2023 年第 3 期两星推荐“十三五”末，我国公路通车总里程达 519.8 万公里，其中高速公路超过16万公里，成为名副其实的公路交通大国。随着公路网的逐渐完备，公路交通行业由传统的单一建设方案向综合型立体交通方式转变，向更快推进公路基础设施的数字化、信息化和智慧化方向发展。因此，随着新进技术的不断成熟和应用，智慧公路特别是智慧高速公路已成为建设交通强国、推动公路行业高质量发展的重要领域，智慧高速公路的建设将涵盖全要素感知、端侧边缘计算、自动驾驶等多个方面。江西省作为高速公路建设发展最快的省份之一，区位优势独特，高速公路通车里程达到 6234 公里，省内高速公路路网已经形成密集型路网结构。随着全省高速公路网的不断健全，对照交通强省建设目标和全省经济社会高质量跨越式发展要求，交通出行作为拉动经济的重要命脉，省内高速公路的建设向智慧高速公路数字化、信息化方向应用，结合当地特色旅游、文化等资源，探索江西省“交通+”新模式公路体系建设方案。为了实现实时、准确地掌握全路段的整体运行情况，加速对新型基础设施的建设建成，基于全要素的智能化感知体系是实现智慧高速公路的基础。基于全要素感知的智慧高速公路设计方案研究是通过系统性、全面的研究高速公路智能化感知应用方案，最终实现高速公路的智慧化基础设施建设。基于全要素的感知体系，包括道路交通状态感知、道路通行环境感知等，主要技术手段是通过融合多种高精度物联传感设备，实现对路段上人、车、路、环境的运行状态感知，通过物联网通信技术，实现对高速公路突发交通事件、特殊天气影响等的监测于管理，通过泛在感知的物联互通，全面提升高速公路运营的智慧化程度。项目概况德州至上饶高速公路赣皖界至婺源段新建工程（依托项目）是江西省高速公路网规划的重要路网线路，是贯通赣北地区的又一重要交通骨架，也是又一重要省际出口。项目的建设定位在于完善省内高速公路网布局，带动路线内旅游资源和经济发展，形成交通和旅游协同发展的趋势，从而进一步提高区域整体经济竞争力。本项目起点位于赣皖界处江西省内沱川乡，终点位于江西省婺源县婺源枢纽处，路线总长为 40.747 公里。项目设行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度刘 安1 杨 璐2 闵红文31.江西省交通投资集团有限责任公司;2.中交公路规划设计院有限公司;3.江西省交通咨询有限公司基于全要素感知的智慧高速公路应用方案刘 安 杨 璐 闵红文中国科技信息 2023 年第 3 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2023-48-两星推荐计规模为双向四车道，设计时速 100km/h，道路标准横断面为 0.75+3+23.75+0.75+2+0.75+23.75+3+0.75m，全线桥梁总长 17377m，隧道总长 5932m，互通总计 11 座，并设置服务区、停车区、管理站和收费站等。根据项目所处地理位置，连接起终点方向的交通走势，使得项目具有明显的陆域通道、功能连接的作用，结合当地丰富的旅游资源，本项目的建设将极大地带动沿线经济发展。因此，在项目建设之处，区别于传统的高速公路建设方案，本项目研究利用先进的技术手段建设具有智慧化、高品质、绿色美丽的高速公路建设方案，本文研究全要素感知技术，探讨智慧高速公路系统应用方案。道路交通状况感知研究道路交通状况感知是对判定道路交通运行状态指标的信息采集，道路交通运行状态一般由交通量特征来描述，我国道路关于交通状况描述的标准中将道路交通运行指标按级划分，可以分为 3 个级别，畅通：车辆在此种情况下，可以自由行驶，车流量低，道路利用率小，车辆之间的影响较小，可以不受影响通畅行驶；拥堵：车辆在此种情况下，行驶速度减缓，车流量值增大，车辆之间处于较近距离跟驰状态，此时道路占用率较高，对行驶车辆具有一定影响；严重拥堵：车辆在此种情况下，已经严重影响到车辆的行驶，通常这种情况车流量非常大，但是通行效率非常低，严重影响车辆的道路通行。道路交通状况的感知即通过路内、路侧等车流量、车速、交通事件等信息采集设备，实现对道路交通运行状况的感知，道路管理者可以根据采集信息对道路交通策略进行调整，保证道路行驶通畅。（一）技术路线道路交通状态感知内容，包括道路条件（路线长度、车道数、通行能力等）、车流（流量、速度、车型等）、人流（日常客流、假日客流等）、物流（货物种类、通关状态、仓储状态、运输状态等）、事件（道路设施故障、交通事故、恶劣天气等）等。上述感知数据分为两类，一类为静态数据，一类为动态数据，静态数据指道路固有属性信息，如路线长度、路口交叉、车道数等，在信息采集时初始录入即可；动态数据则指的是可以表征道路实时运行状态的数据信息，通过高精度采集传感器、动态图像等，应用有线、无线、自组网络等物联网通信传输技术获取，如车流量、车速等。道路交通状况感知体系对道路交通运行状况进行全要素的信息采集，数据采集设备通过物联网连接方式接入主干通信策略，数据采集信息均按照特定的协议格式统一进行传输，数据处理软件则对数据完成数据清洗和处理，最终上传至管理平台。固定统一的数据传输格式、标准的数据传输协议、安全的数据通信链路组成了道路交通状况感知的实现路线，实现基于全要素的智慧高速公路交通基础数据的获取。（二）技术方案1.道路交通状况感知系统工作原理道路交通状态感知系统是一套基于视频的交通智能分析技术，系统检测主体为道路交通状况、车辆行驶状态，检测手段为高精度视频，通过对视频图像中车辆信息的识别，应用道路交通状况分析算法，计算出道路一段长度范围内的车辆数和车辆排队数，从而得到拥堵情况和排队情况。系统在地理信息系统（GIS）的数字化地图基层下，叠加各类道路交通状况感知信息，形成立体区域立体交通状态模型，最后再根据各类交通状况信息，反馈形成道路交通运行状况检测与控制系统应用，如交叉口信号配时、违法监控、事件检测、信息发布等。2.道路交通状况感知系统组成道路交通状况感知系统由前端感知设备、中心管理服务器和系统平台应用三个部分组成。前端感知设备：前端感知设备包括高清网络摄像机、算法分析盒及其他配件等，其中高清网络摄像机像素点高，可以进行视频、图像等信息的采集，算法分析盒对视频、图像数据等进行图像识别、信息提取等。中心管理服务器：中心管理服务器由各类服务器设备组成，分别实现数据库存储、视频流解组码、应用程序部署等功能，服务器用于搭载和运行视频网络管理控制软件、交通状况感知客户端软件等，通过级联的方式形成服务器群组，应用负载平衡策略，保证系统运行。系统平台应用：系统平台应用是界面化的信息化应用平台，该平台包括地理信息位置地图点位描述，实时视频流、实时道路交通状况信息等。道路通行环境状况感知研究道路通行环境影响因素分为气象因素和路况因素，气象因素包括大风、暴雨、浓雾、团雾、积雪和结冰等，路况因素包括路面状况、路面温度和路面湿滑等。道路通行环境对交通安全的影响至关重要，据统计交通事故中有近 30的是在恶劣天气环境中发生的，因此研究恶劣天气环境下和一般路况道路对道路的通行能力影响。（一）技术路线道路通行环境状态感知体系采用“前端采集+云端应用”技术方法，利用路上布置的各类数据采集传感器，将道路通行环境影响因素集成于一体式的移动或固定监测站点，形成道路通行环境监测采集站，利用分布式技术方案，每个站点作为采集单元，采用无线通信的方式，转发至可配置的云服务器上，云服务器部署各类数据处理与应用软件，对采集的数据进行进一步的加工与应用，最终实现对道路通行环境的感知。云服务器部署的应用还可以加载对用户手机端的附属应用，使得用户可以通过移动端设备随时了解道路通行环境状况，为用户出行提供准确的数据。-49-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2023中国科技信息 2023 年第 3 期两星推荐（二）技术方案道路通行环境状况主要受气象因素影响，高速公路尤其是山区高速公路道路交通环境状况研究集中包括大雾、降水、大风、雨雪、高温等气象环境因素，这些道路通行环境因素会给道路通行带来能见度差、摩擦系数低、车辆行驶不稳定等影响。全要素气象监测站集成了对各类气象因素的信息采集，在道路沿线及重点环境变化区域，布设气象监测站，实时采集道路通行环境状况参数，系统会自动采集并上传道路通行环境状况信息，系统管理员即可以查看当前道路通行环境状态，当有特殊天气发生时，系统还可以及时做出判断和预警，甚至可以联动其他交通管控措施，实现智慧交通系统的应用。全要素气象监测站包括的传感器有能见度、温湿度、风速风向、雨量、路面状况传感器等，输出包括温度、湿度、降水、风速、风向和路面温度、湿滑、融雪、结冰等在内的多类环境气象因素。1.全要素气象监测站的工作原理全要素气象监测站通过各类传感器采集气象环境信息，位于全要素气象监测站的控制板内的数据采集模块将采集的气象环境信息，通过无线传输模块传送给数据采集处理软件。用户在监管中心即可查看实时气象监测数据，尤其可以查看特殊天气环境下道路通行环境状况，并根据道路通行环境影响因素作出交通管控措施，此外系统还可以将实时道路通行环境感知通过客户端发送给驾驶司机，提醒驾驶司机安全行驶，达到安全、高效、智慧高速公路出行的目的。2.全要素气象监测站的组成部分全要素气象监测站五个组成部分包括：数据采集传感器、采集控制器、数据传输与通信模块、环境监测云平台及其他配件等。数据采集传感器：数据采集传感器主要的作用就是用来采集道路通行环境的数据信息，如环境温湿度、pH 酸碱度，雨量值，风速风向值、能见度等，这些传感器集成于一体化的全要素气象监测站，采集各类道路通行环境感知数据。采集控制器：采集控制器是监测站的核心控制元件，数据采集传感器采集的各类道路环境感知数据通过采集控制器经由数据传输通行模块转发至环境监测云控平台，管理员也可以在管理中心直接下发对监测站的远程控制指令，采集控制器接受控制指令。数据传输与通信模块：全要素气象监测站的数据与通信传输模块是实现数据通信传输的必要模块，远端监测站与中心监测平台的互通互联以及控制信息的发布反馈等都必须由数据传输与通信模块实现。环境监测云平台：环境监测云平台主要的作用就是用于道路通行环境数据的展现和存储，并根据实时情况发出告警信息等。结束语本文依托德州至上饶高速公路赣皖界至婺源段新建工程，探讨了基于全要素感知的“智慧高速”系统建设，从道路交通状况和道路通行环境等影响道路通行的关键因素入手，应用最新的智慧高速系统感知技术，研究基于全要素的高速公路感知系统建设方案。