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中国智能交通协会

新基建下智慧公路实践与思考

2021-10-21   来源:交通工程与信息化分会


中咨集团智能交通事业部总经理 李红芳


  第一个是发展背景与实践。从党的十九大提出“交通强国”的重大决策部署以来,国家及各部委陆续出台了一系列政策支撑智慧公路的发展。2020年4月国家发改委首次明确了新基建的范围,同年8月份交通运输部出台了《交通运输部关于推动交通运输领域新型基础设施建设的指导意见》,明确提出要打造融合高效的智慧交通基础设施,提升公路基础设施的全要素、全周期的数字化水平,依托重要运输通道推进智慧公路示范区建设,这是我们部里的一些要求。
  从纲领性的规划角度来讲,今年2月份国务院出台了《国家综合立体交通网规划纲要》,提出要推进交通基础设施数字化和网联化。刚才我们几位专家也提到了数字化,数字转型是也重要的一方面,要全方位的布局交通感知系统,提升多维监测、精准管控、协同服务能力,推进自动驾驶、车路协同应用。构建综合交通大数据中心体系,完善综合交通运输信息平台。其中我们的重点还是基础设施建设,加强基础设施数字化。
  在一系列政策的推动下,智慧公路的建设从2018年9个试点省份开始,经过这两年的发展,至今已有20余个省市40余个项目开展了公路智慧化建设相关工作,建设内容也从最初6个方向的专项试点,逐渐转向整体综合性示范。中咨集团紧抓这个战略机遇,参与了10余个省份20多个智慧高速建设项目,这里面有新建的智慧高速,还有改扩建路段的智慧化提升,参与的环节包括咨询、设计、施工、EPC和产品供应。这个图里黑色字体的项目是中咨代部或代厅审查咨询项目,包括京雄河北段、深圳机荷高速等,红色字体的是中咨集团负责设计或施工的项目,有北京新机场、延崇、京雄、山东的京台、贵州的贵安线等等。


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  下面我简单汇报一下中咨集团参与的几个典型的示范项目。京沪高速(1号公路)是路网中心牵头,工信部和交通部在高速公路场景车路协同领域进行的全方位部署,具有重要的战略意义。项目贯穿北京、天津、河北、山东、江苏等5个省市,将建成全国第一条跨省市、跨区域的交通干线车路协同示范路。以前只是一个省,一个路段在做车路协同示范,这次强调跨省市跨区域。通过这个项目,对车路协同进行大规模的验证,形成一批国际领先的技术、产品、标准、运营模式、管理机制,带动产业发展。
  京雄高速北京段,除了智能感知、融合通信、大数据中心等智慧化内容,最大亮点是将最内侧车道划为智慧专用车道,可实现以通勤车辆为主的车路协同。
  昭阳西环是中咨集团承建的智慧高速EPC项目,这个项目的主要亮点,一是针对山区隧道路段,通过数字孪生、车路协同等实现隧道路段的精准管控;二是引入AR技术用于应急情况下的实景指挥调度。
  第二部分,中咨集团参与了20多个智慧高速项目的建设,在这个过程中我们对智慧高速建设产生了一些思考。
  第一个是我们智慧公路的建设原则是什么?最开始我们是按照做专项示范开展的,但是目前很多智慧高速的建设方案都是围绕安全、效率、服务和管理提升进行智慧高速建设,开展了车道级管控、伴随式出行服务、全天候通行等系统的建设。智慧公路、智慧高速的建设也逐步变得“大而全”,甚至有些路段通过“名词创新”等形式为了智慧而智慧。未来我们如何理智的、务实的开展智慧高速建设?我认为应该按照从需求出发、以问题为导向、分步实施的建设原则,前面几位专家也都提到了这个原则。分析需求,要从管理者、出行者和通行车辆的角度进行分析。比如对于管理者而言,需要能够全面的了解道路基础设施和交通运行状态的信息,能够提高应急处置、道路管控和资产管理等水平;对于出行者而言,需要安全畅通的行车环境,及时准确地获取出行服务信息;对于通行车辆而言,需要实现车与路的协同应用,远期要能够支持自动驾驶。
有了需求以后,结合路段的特点梳理高速公路运营过程中存在的一些问题。是路况不好?还是说交通量特别大?针对这些问题开展分布实施。
  目前来讲,基础设施建设仍然是我们最重要的工作,我认为智慧高速可以分为三个阶段进行实施:第一个是数字化、信息化的阶段。推进基础设施数字化,完善路网感知设施,提升公路管理信息化水平、提升应急处置能力,才有能力提升用户出行服务水平。其次才是网联化阶段,打造车路协同的智能道路交通环境,提供准全天候通行、车道级管控等服务,具备支持面向网联车的服务能力。第三是智能化阶段,强化AI技术应用,建设具有自主控制、自我诊断、自我修复功能的新型设施,支持高效率的完全自动驾驶。
  第二个问题就是如何发挥新技术架构中“边”的作用?中咨集团原来做设计和集成,高速公路传统机电系统技术架构一般采用树型+星型结构。智慧高速中“云-网-边-端”逐渐成为新一代技术架构。其实,边缘计算区域控制这个理念由来已久,只是原来没有提边缘计算的概念。比如机电系统中隧道控制系统,都是采用了边缘计算的理念,将隧道内信息在洞口控制室或就近的隧道管理站进行分析处理形成控制方案,这个是我们最早沿用边缘计算的理念。现在大力发展的智慧公路建设,边缘计算的作用将更加突出,其应用场景也越来越广泛。首先,边缘计算具有一定的计算能力,能够支撑交通状态的精准感知,实现高可靠的事件检测,车辆轨迹的精准刻画等功能;其次是具有低延时特性,可以为高速分合流区预警、隧道分级管控等时效性强的场景提供一个“感知-决策-发布”自闭环的低时延、高可靠应用环境;同时,能通过有效的边云协同,提供更加全面的服务。例如超视距预警,团雾预警等为车辆提供伴随式的服务。目前来讲在智慧高速公路的建设中,边的作用更加突出。
  第三智慧高速实施中应该注意哪些方面?我们做了好多设计和建设以后,我们也在考虑要充分利用现有的机电系统,挖掘新的应用价值。前面几位专家也讲到了,要利用现有的技术、现有的数据,比如2019年撤站工程的实施,以及2020年启动的视频云联网工程,目前高速公路有大量的门架数据和视频数据,我们可以充分利用这些数据开展一些应用。二是要充分发挥云架构的优势,打通不同垂直业务的数据,实现多场景应用服务。目前云控中心一般采用Iass、Pass、Saas三大层次,即基础设施层,数字平台层和应用系统层。我们利用云计算和大数据平台,打通不同垂直业务的数据,通过对多源数据的汇聚、融合,形成统一的数据体系。同时在云架构下,进行大数据的挖掘和人工智能的分析,支撑多场景的应用服务。三是数据运用方面要加强与外部系统联动,提升服务水平。在公众出行服务方面,我们可以更多的依托高德、百度等图商平台来进行伴随式的信息服务,把我们分析的高速公路数据通过图商导航平台展现出来。同时,我们应该加强与气象、运政、交警等部门的协商合作,通过数据共享获取相关信息,实现重点营运车辆的动态监管实现多方应急联动,提高应急处置能力。第四方面是实践中的思考,在建设工作过程中,中咨集团一直在思考,同时也希望引起我们行业的思考。一是关于云控中心建设规模的思考。目前,各省都在大力推进省级或路段级云控中心的建设,那么如何根据需求和应用来合理的规划云控中心的建设规模,保证一定的先进性、可扩充性,但又不造成资源浪费。比如一个厂家为一条100公里的路做路段云控中心建设方案,服务器采购量达到150多台,云控中心造价就达到了1.5亿。目前我们高速公路还没有那么多数据,等到有了数据之后,服务器、电子产品隔几年以后又该升级了。我们在建设的时候,这个规模、需求和应用的匹配问题是我们要注意的一个点,这个也是需要我们整个行业思考。
  另外传统架构下的收费网络、监控网络、以及其它业务网络是相对独立的,甚至是物理隔离的,从上到下基本是封闭的。新技术架构会打破各系统网络的边界,强调多系统、多数据的共享互通和业务联动,因此面临不少信息安全方面的挑战。比如传统安全防护方案如何向零信任等更高安全防护方案过渡?像高精地图等关键敏感数据如何在新架构中保证其安全性?这些问题有待大家共同探索和思考。
  中咨集团非常重视科技创新能力建设,拥有“四级三类”科技创新平台,与智能交通领域相关的有高分、大数据、自动驾驶、养护、BIM等技术研发中心。依托研发中心的科技研究,我们在智慧公路建设领域已经形成了一套完整的解决方案,也形成了多个专项解决方案,下面我主要围绕着车路协同、智慧隧道、云控中心管养运应用平台、智慧服务区、基础设施数字化五个专项解决方案跟大家进行交流分享。
  第一个是面向混合交通流的多场景的车路协同,我们通过云控平台、路侧设备和车载设备,构建了“端-边-云”一体化架构,结合高速公路应用场景,针对不同智能水平车辆提供车路协同安全类、效率类、信息服务类的功能。特别针对安全类场景,能够在高速公路的隧道、合流区、团雾等事故多发路段提供全方位的安全防护。
  下面我围绕安全类的三个场景,给大家做一个分享和汇报:
  首先是隧道入口安全保护场景,针对隧道入口区域的黑洞效应等问题,通过隧道内的感知设备采集交通状态,当检测到事件发生时,利用MEC设备形成管控方案,通过情报板、智能道钉为非网联车提供信息,通过RSU为网联车提供信息。系统可以实现隧道内事件预警、隧道影响区分级管控、危险车道提示和车速引导等功能。
  第二个合流区的安全保护,也是针对合流区容易发生安全事故的问题,中咨集团提出了合流区安全解决方案。通过在主线和匝道布设感知设备获取途径车辆运动轨迹与交通流信息,利用MEC进行感知融合和车辆轨迹预测,通过情报板、智能道钉为非网联车提供预警信息,通过RSU为网联车提供预警信息和车速建议。
  第三个是针对恶劣天气,例如团雾多发路段的通行保障的场景。通过在团雾多发路段布设气象传感器,实时监测能见度变化,当发生团雾时,利用智能道钉,形成防追尾提示和车道示廓,通过RSU发布速度和车道信息,保障车辆的安全通行。像之前刘旭主任提到的包括施工安全、车路协同的场景中咨集团都有。
  除了外场我们路上的场景以外,围绕着车路协同场景,中咨集团也开发了完整的中咨高速公路车路协同服务平台。可将边侧与端侧上传的数据进行统一的管理、储存以及分析,并将管理与控制信息下发到相应位置的路侧计算设施,通过与路侧计算设施连接的RSU将信息进行下发。中咨集团研制了成熟的MEC边缘计算终端和智能道钉等智能路侧设备,智能道钉这个设备是基于信息采集和发布为一体,可以支撑多种安全管控方案。
  第二个专项解决方案,是基于数字孪生的智慧隧道解决方案,主要实现隧道交通运行状态的精准感知与隧道的精准管控。利用隧道内已有的摄像机安装条件,以前我们隧道是150米安装一个摄像机,现在我们提高相机像素。原来可能是200万像素的,我们现在把它提升到了400万像素。同时结合隧道出入口卡口系统来搭建隧道交通精准感知系统,可实现车辆信息识别、交通事件检测以及车辆全域跟踪和车道级定位。有了精准感知以后,我们同时搭建了数字孪生的隧道平台。可实现三维实景展示、事件诊断,以及隧道区域交通态势分析、预测形成辅助决策等,并通过RSU、情报板等多种发布手段,实现应急情况下的三级疏导。我们开发了基于数字孪生的智慧隧道管控平台,除了隧道交通监控、设备控制、应急事件处置等基础功能之外,可实现交通状态实时孪生展示、重点营运车辆全息监管、交通事故现场真实还原、管控措施精准推送等亮点功能。
  第三个专项解决方案是云控中心管、养、运应用平台。中咨高速公路交通综合管控平台,可以实现交通信息采集、路段监测,视频管理等基础功能,还可以实现交通运行状态监测评估、态势分析预测、突发事件应急主动管控等智慧化功能,实现路段交通的主动管控。另外还有中咨公路养护综合管理平台,为公路管养单位进行养护数据管理与挖掘、养护科学决策提供依据。尤其是针对养护决策,融入了基于全寿命周期的预养护理念和技术体系,可为用户提供多类型、多层级的养护规划决策服务。还有一个中咨机电设备资产智慧管理平台,我们机电设备特别多,我们这个资产管理平台围绕“全覆盖、自监测、精管控、慧决策”的全生命周期管理,重点功能包括设备资产数字化管理、设备运行监控指数分析、知识库管理、运维辅助决策等,同时系统具备移动端应用功能,这是在管养运的方面。
  第四个中咨集团智慧服务区解决方案,服务区是对外展示的重要窗口,通过在服务区设置全景视频监控、信息综合发布、智慧停车、VR体验等系统,实现服务区的智慧化管理、人性化服务和科技感体验。我们开发的中咨智慧服务区管理平台,通过打通不同子系统间的数据接口,可以实现安全视频监控、动态车辆监测、实时客流分析、停车位监测管理、信息联动发布等功能,达到服务区整体监测的可视化和集约化。昨天张总给我们讲了他们沿江高速公路的智慧服务区做的特别好,他等会就将给我们带来精彩的分享,我们拭目以待。
  第五个是中咨集团围绕基础设施数字化提供的解决方案,我们有“四级三类”将近10个研发平台,包括国家级的、包括省部级的研发平台,其中我们就有一个BIM研发中心。中咨集团这几年在BIM平台方面,我们开发了主体的BIM平台和交通工程的BIM平台。主体BIM平台对特殊的工程需求像互通式立交BIM设计、公路快速三维建模、公路项目安全性评价以及基于BIM的设计施工精益管理,都是有成熟的平台应用在我们建设项目里面。针对交通工程BIM,我们最大的亮点:一是我们是全国第一家可以采用正向设计,实现二维、三维的双向联动;二是交通工程BIM自成体系,不依赖于主体工程BIM。BIM平台通过轻量化后可以与资产管理平台结合,用于后期的运营管理。
  刚才讲了基础设施建设除了运行状态的感知以外,还有基础设施的感知。中咨集团在基础设施健康监测方面,也形成了专项的解决方案。我们目前在桥梁健康监测和高边坡健康监测方面都有成熟的解决方案。对于桥梁健康监测来说,我们方案的特点是采用基于北斗的精细姿态感知系统,并结合其他多种传感器,全方位监测桥梁结构健康指标。通过压电能量收集装置采集桥梁的振动能量,转换为电能为各类传感器供电。在桥梁健康监测平台上,能够及时发现桥梁结构损伤变化,实现智能化,信息化,自动化在线监测预警。
  另外高边坡健康监测,目前我们通过对边坡安装位移、应力和深部位移传感器,基于北斗定位对边坡姿态进行感知监测。我们方案最大的特点是结合高分和雷达卫星,形成对边坡的空天地一体化监测。
  围绕护栏健康监测,我们也开发了专项的解决方案。在护栏上设置高敏度传感器,采用无线自组网,对护栏受到撞击时采集的震动声波、倾斜角、瞬时加速度等信息分析处理,确定碰撞并进行报警。
  由于时间关系今天简短的跟大家分享了五个方向的中咨解决方案,希望今天的分享能够给大家带来更开阔的思路。我们中咨集团希望能够跟在座的各位加强合作、共同探索,为行业车路协同、智慧公路的发展做出一些贡献。

  本报告来源于2021WTC世界交通运输工程技术论坛“车路协同智慧交通”技术论坛,未经本人确认。

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