基于全要素感知的智慧公路信息化工程设计方案探讨

作者：朱玉萍1，朱春生2，冶金辉2，陈宇2（1.新疆维吾尔自治区公路工程造价管理局；2.新疆维吾尔自治区交通规划勘察设计研究院）

摘要：本文依托S21阿勒泰至乌鲁木齐高速公路，梳理了传统公路信息化建设存在的主要问题，提出了基于全要素感知功能的智慧公路专项信息化工程设计方案思路，并从监控、通信、收费3个方面提供了重点设计方案，为智慧化公路建设探讨了思路方案，可为类似工程提供借鉴。

近年来，智慧公路是公路现代化的重要标志和高质量发展的演进形态。我国拥有世界上最庞大的高速公路网络、最复杂的车路应用场景和超大规模的公路线网，发展智慧公路具有巨大潜力和广阔空间，新疆地广人稀，公路项目线长点少，交通出行对沿线的智慧化服务和信息化需求显得更为重要，积极探索适应当地特点的智慧公路建设方案也成为新疆公路交通建设运营的一项重要任务。为了实现自主、实时掌握全路段的运行情况，需要完善的智能化感知信息工程体系作为基础，全要素感知设计便是针对此类智能化感知信息工程进行的专项信息化工程设计，也是实现智慧公路运营、服务、平安三大体系设施基础的基本技术手段。所谓全要素感知，包含公路主体及附属设施监测、交通运行状态监测和公路气象环境监测，主要是融合应用多种监测设备实现人、车、路、环境的状态感知，拓展感知内容和精细化程度，从而实现高速公路交通事件和气象环境的自动识别，全面提升路段的感知与监测能力。

一

项目概况

S21线阿勒泰至乌鲁木齐公路建设项目，是首府乌鲁木齐市与北疆尤其是阿勒泰地区沟通联系最便捷通道之一，起于乌鲁木齐市，止于阿勒泰市，依次经过乌鲁木齐市、五家渠市、福海县、北屯市，全长395km，全线按设计速度120km/h的高速公路标准建设。项目路线全长353.56km。主线布设互通式立体交叉8处（枢纽互通2处，一般互通6处），分离立交12处，U型弯3处；全线设置服务区5处，停车区3处，养护工区3处，路段管理中心1处，收费站6处。项目通道功能明显且旅游功能突出，为体现现代化公路服务水平、提升项目智慧化服务能力、打造智慧公路成为本项目的重要功能定位之一。

二

现状问题

在传统的高速公路建设运营中，也按照智能化、信息化的理念开展了相关机电工程的实施运营，使高速公路机电系统初步具备一定的信息化采集服务的功能，但在信息网络互联共享、快速分析实时处理、出行者的精细化信息服务、通信基础设施粗放使用和高昂维修成本、日常监测检测和应急抢险的人工作业落后低效等问题均不同程度存在，使高速公路体现智慧化功能还有一定差距，具体有如下几个方面。
（1）监控体系网络化、智能化不足，效率低下。在传统的高速公路中，视频监测体系也初步具备监控、服务功能，但由于尚未完成视频监测全联网、全覆盖与智能化，难以满足路网高效运行、及时处置突发事件和提供优质出行服务的需求。
（2）公众出行信息化服务需求越来越高，“孤立、单一”的信息化服务不能适应新需求。近年来我国旅游行业快速发展，高速出行需求不断增加。在移动互联网的普及应用下，公众对高速公路出行引导、停车、服务区查询、道路状况查询等需求不断增加。在视频技术的快速发展下，公众视频查阅需求也在逐步提高。随着高速公路视频数字化的快速发展，“孤立、单一”的路段视频管理模式越来越难以适应为服务公众和智能化运营管理的需求。
（3）传统光缆信息存储不足，不利于光缆线路整治及硬件管理。传统光缆纤芯的质量数据保存在仪表中，由于仪表存储空间有限，经过一段时间后，自动删除了原始的光纤曲线记录，历史数据得不到很好的存储管理，不利于了解光缆线路质量变化趋势，难于进行部署规划与光缆整治决策。
（4）通信光缆衰耗损坏维修工作繁琐、维护成本高。光缆使用过程中不断出现新接续，也造成衰耗点参差不齐，影响机电系统的正常运行。在运营维护中，信号阻断或者出现大的衰耗时，无法第一时间判断故障原因，也无法快速精准定位故障位置。传统做法是通过维护人员现场通过仪表测试定位故障点，加之光缆线路纤芯数量庞大，维修方式耗时、耗力、易出错，维护工作量大、成本高。
（5）传统高速公路检测作业效率低下，应急抢险人工成本高、安全风险大。传统高速公路的检测工作依赖人工作业，面对庞大的道路质量检测工作，往往力不从心，且在突发状况应急处理时，还可能面临人工检测作业难以实施的问题，存在安全生产风险，亟需辅以智能化装备提升应急抢险、检测作业能力。
（6）传统无线网络效率低下，维护困难。传统 WDM 网络存在无波长/子波长业务调度难、组网能力差、保护能力弱等问题。普通SDH设备实际能采用的最高速率仅为10G，交叉颗粒偏小、调度较复杂、不适应大颗粒业务传送需求，WDM系统故障定位困难，组网方式以点到点连接为主，组网能力较弱。
基于上述问题，需要开展基于全要素感知功能的智慧公路专项信息化工程设计，利用视频监测大数据支撑路网状态感知、事件识别与应急响应等工作，与视频云联网工程协同配合，建立视频云联网智慧监测与管控体系，同时开展云系统计算，对大数据统计功能细化，生成实时报表，提供交通分析的基础数据，建立自动预警程序，辅以智能化抢险设备和通畅的网络通信基础设施，提升运行效率和服务效能。

三

总体设计

基于全要素感知功能的智慧公路专项信息化工程设计可以从交通运行大数据源、数据智能分析、数据库综合处理云平台、安全应急、运行监测、动态单兵监测、高效传输系统基础等方面着手，并针对互通立交区、服务区、U型转弯、停车区等重要节点、路段设置专门感知监测系统，包含视频监视、交通事件检测、交通量检测、环境信息检测、匝道控制，动态信息发布及交通诱导设施，提高感知系统智慧化覆盖能力。
（一）数据源采集及云联网系统
1、基于现场的道路全程可视化交通数据采集系统
智慧感知的第一要素是可靠的交通数据来源，可视化、全覆盖道路视频监控数据采集系统是基本前提。根据《全国高速公路视频联网监测工作实施方案》，考虑新疆交通建设项目资金筹措难度等因素，可依托视频联网监测建设专项工作实现道路全程的可视化交通运行数据采集系统，统筹建设、共享成果，实现成本节约，资源优化配置。通过全程道路感知可视化的建设，可以实现对每一辆通过监控点的车辆的录像记录，系统会对流量统计功能细化，自动生成交通报表，提供交通分析的基础数据。合理的确定监控点的布局密度，可以实现对高速公路全路段的智能监控，提升运行效率和服务效能。
2、基于后台的视频云联网数据库建设系统
2019年11月交通运输部办公厅关于印发交办公告路函【2019】（1659号）《全国高速公路视频联网工作实施方案》和《全国高速公路视频云联网技术要求》的通知，建设“可视、可测、可控、可服务”的高速公路运行监测体系建设，满足人民群众高品质出行需求，实现交通强国。基于云联网相关要求，通过将道路视频数据上传至部省级云平台，并利用省级云平台大数据，搭建公众服务数据库。其中，部省两级视频云平台具有用户权限管理、摄像机设备管理、视频上云管控、视频云端分发、视频调看、视频截图、云台控制、视频质量检测、智能分析、用户行为日志等主要功能，部级视频云平台还应具备跨省共享功能，可实现全国云数据库建设服务。
（二）云数据智能分析系统
基础的视频及数据材料能够提供一手、全面的基础信息，但距有效的智慧化服务还有差距，需要在全程可视化采集系统收集建立的数据库基础上，开展视频智能分析。即基于视频智能分析技术，围绕车像、人像、物象进行特征识别，提供交通流量、排队长度、异常事件数据，利用路段智能摄像机及视频云智能分析系统的视频、图像识别技术，并进行结构化数据存储，智能分析数据实时上传至云平台，由云平台对分析数据进行汇集、分类、整合、分析，形成各类分析图表，并对交通拥堵、交通流量、平均速度等进行预测及预警，并将各类分析数据上报至上一级（交通运输部）云平台，同时支撑自治区级路网中心的应急指挥及综合调度。通过提供实时分析与预警，助力路网科学高效管理。利用视频监测大数据支撑路网状态感知、事件识别与应急响应等工作，实现视频分析的智能化应用。
（三）基于重要节点高精度感知系统
项目全线采用A级监控，根据规范设置有完善的视频监视、动态信息发布及交通诱导设施，结合收费站、特大桥、隧道前、互通式立交、服务区等重点或有特殊需求路段，设置交通事件检测、交通量检测、环境信息检测、匝道控制设施。实现全线的全程监控、动态信息发布和交通诱导。在实现全线视频监控可视化的同时，辅以交通量检测、环境监测、智能光纤监测等各类交通感知设施、边缘计算设施，达到数据补充、点线结合的立体感知监测。包括了智能摄像机、毫米波广域雷达、光纤智能检测等内容。
（1）智能摄像机具备北斗定位、GPS定位功能和智能分析功能，能够在监控画面显示设备所在的经纬度信息，支持交通事故、停车、逆行、行人等事件检测，并且支持自动截图、人车分类等功能，实现对道路全线的智能监测，提升高速公路监管水平，满足路网高效运行，用以提高道路通行效率、降低事故率。
（2）毫米波广域雷达能够对道路沿线的各要素信息全面采集，以达到道路交通总量的精准把握、车辆轨迹的全面追踪、交通事件的快速定位以及拥堵状态的研判等。采集到的信息上传至中心平台，与平台的应急处置、协调指挥和交通控制等功能模块相结合，形成信息与控制管理的闭环反馈。
（3）光纤智能监测，为了实现光纤全寿命、高效率运营使用，建立光缆智能监测系统，建设统一管理平台，实现光纤资源可视化，对光缆进行在线监测、性能记录与预测、故障诊断定位，实现光缆线路自动化、智能化管理。实现光缆全生命周期检测预警故障定位管理，大大降低后期运营维护工作量。
（四）全天候环境条件及应急响应感知系统 
1、全天候环境条件感知系统
全天候环境条件感知系统包括：道路能见度监测、风速风向监测、温度湿度监测以及雨量监测等，用于提高本项目全时段、全天候特殊恶劣天气情况下的危险应对能力，系统可通过实时传送监测数据到后端控制中心的平台上，及时发出警示信息，通过多种方式告知管理人员和驾驶员，以提高高速公路安全行车水平。
2、快速响应的单兵检测支持系统
利用无人机、车载移动视频、单兵视频等机动监测手段，强化各类突发情况的应急监测和响应能力，打破传统固定点监控的思维，强化各类突发情况的应急监测和响应能力。在公路遇到冰雪雾、洪水、地震等自然灾害，在道路阻断人、车无法到达的情况下，利用无人机对存在危险或者受损路段进行作业。同时，远期可以制定无人机巡检路线轨迹，对关键构件设置相应的悬停拍摄识别，及时准确地采集相关信息，并实时回传至路面控制系统，以利于了解公路损坏的性质、范围、程度、高效地开展应急处置工作。
（五）硬件全生命周期在线监测及远程维护系统
针对数据中心、边缘计算场景的各类服务器、存储等IT设备，通过建设远程管理控制器，对各类数据服务器、视频服务器、存储等核心计算机类设备进行远程深度管控。通过健康监测、故障精准定位、远程接入、能耗管控、智能分析等功能，使其具备智能分析和风险预警，健康状态管控和硬件带外方式远程接入等功能，实现系统故障平均修复时间（MTTQ）小于15分钟。同时，依托本系统将可以大幅度降低系统停机风险，提早制定检修计划，提升监控、收费系统可靠性，实现自动运维和远程值守。
（六）先进高效的通信传输系统
先进高效的通信传输系统是上述智能化感知系统功能实现的基础条件，光传送网络以波分复用技术为基础、在光层组织网络的传送网，是下一代的骨干传送网。本项目采用了OTN系统，即通过G.872、G.709、G.798等一系列ITU-T的建议所规范的新一代“数字传送体系”和“光传送体系”。OTN技术将解决传统网络组网能力弱、保护能力弱等问题，可解决SDH 基于 VC-12/VC4的交叉颗粒偏小、调度较复杂、不适应大颗粒业务传送需求的问题，也部分克服WDM系统故障定位困难，以点到点连接为主的组网方式，提升了网络修复维保能力。

四

重点设置方案

为实现上述六大系统建设，在工程设计方面重点分解为监控、通信、收费3个部分具体实施。
（一）监控设施
1、管理体制及功能要求
本项目监控管理体制采用四级管理体制：交通运输厅路网监测与应急处置中心—交投片区分中心—路段中心—监控外场。监控系统具备如下功能：（1）信息采集功能；（2）数据处理功能；（3）信息显示与发布功能；（4）交通诱导功能；（5）出入口控制功能；（6）视频管理功能；（7）交通管理与应急处置功能；（8）报表及打印功能；（9）系统设备管理及自诊断功能功能；（10）系统安全功能；（11）数据备份及系统恢复功能；（12）上网行为管理和入侵检测功能。
2、监控设施设置方案
依托S21阿勒泰至乌鲁木齐高速公路信息化建设，确定监控设施设置方案如表1所示。
表1 S21阿勒泰至乌鲁木齐高速公路信息化监控设施设置方案
（二）通信设施
1、管理体制
本项目通信系统采用四级管理体制：新疆总中心—昌吉分中心—路段管理中心—沿线通信站。起点通过福海南枢纽互通与奎阿高速相接，通信系统借助奎阿高速通信系统与阿勒泰分中心互联互通，以此与昌吉分中心、路网中心、应急处置中心连通。另根据取消省界站要求配置有运营商备用传输链路，通过运营商公网进行部站、省站数据传输，与收费系统界面划分在运营商链路无线终端设备、路由终端设备业务接口处。
2、通信传输系统
本项目通信传输系统分干线传输与路段接入层组成。干线层分别在黄花沟匝道收费站设置OTN干线传输设备、克拉美丽服务区新建OTN干线中继设备、五家渠服务区新建OTN干线传输设备。干线向北与G3014奎阿高速福海渔场服务区OTN干线中继设备相接。干线层采用OTN技术，单波10G40波系统，采用光线路保护方式。自黄花沟至五家渠服务区开通1个波长业务，自五家渠服务区向阿勒泰分中心方向、路网中心方向各开通1个波长业务由一期工程统一配置。
接入层由福海南匝道收费站ONU、吉力湖匝道收费站ONU、黄花沟匝道收费站OLT组成SDH自愈环，传输等级为STM-16，并以STM-16光路业务接入黄花沟干线OTN设备。克拉美丽服务区通信站ONU、103团匝道通信站ONU、102团北匝道通信站ONU、102团主线通信站ONU以自愈环网形式接入五家渠服务区OLT，从而汇聚至路段管理中心，接入层传输等级为STM-16。
3、业务数据传输及基础设施
数据业务及其传输：所有通信站的业务通过接入层、干线层网络传送至路段中心及地州分中心，同时通过干线传输网络上传新疆总中心，采用以太网传输，接入网设备配置有以太网板，为各通信站数据接入提供标准以太网接口。
语音交换业务：在各无人通信站新建VoIP接入网关。接入路段中心建设的交换核心语音网关，核心网关与当地公网连接，处理路段内通信站的电话交换业务。
网管业务：在路段管理中心新建光传输网管、语音接入网网管，并管理沿线的光传输设备与语音设备。
通信硬件基础设施：为完成监控外场数据、图像传输和收费站语音、数据、图像传输，全线敷设1根24芯主干光缆及1根48芯辅助光缆。主线段落新建9孔Φ40/33硅芯管主干管道。
（三） 收费设施
1、总体规模
本项目设置1处主线站和5处匝道站，收费制式为开放式（保留入/出口收费站），采用MTC与ETC相结合的收费方案，设置ETC收费车道和ETC/MTC混合车道，设置ETC门架，同时，采用车型的收费方式，增加移动支付，实现联网收费非现金支付方式。拟采用新疆收费公路（联网）管理中心—片区分中心—路段管理中心—收费站管理体制。
2、收费站车道规模
各收费站车道规模如表2所示。
表2 收费站车道规模
3、ETC门架系统规模
ETC门架设置位置确定为距离互通立交0.25～1.5km范围内；并在吉拉沟U型转弯与克拉美丽服务区之间、黄花沟互通与黄花沟U型转弯之间（靠近黄花沟互通处）、黄花沟U型转弯与吉拉沟U型转弯之间（靠近黄花沟U型转弯处）各设置一处ETC门架，如表3所示。
表3 ETC门架系统规模

五

结束语

本文依托S21阿勒泰至乌鲁木齐高速公路探讨了基于全要素感知的“智慧公路”信息化工程设计方案，梳理了传统公路信息化建设存在监控体系网络化智能化不足、交通出行信息化需求越来越高、光缆衰耗损坏维修繁琐、成本巨大等主要问题，从数据源采集及云联网系统、云数据智能分析系统、基于重要节点高精度感知系统、全天候环境条件及应急响应感知系统、硬件全生命周期在线监测及远程维护系统、先进高效的通信传输系统等方面提出了基于全要素感知功能的智慧公路专项信息化工程设计思路，并从监控、通信、收费3个内容的提供了主要设置方案，为智慧化公路建设探讨了思路方案，可为类似工程提供借鉴。
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（原文刊载于2021年《中国交通信息化》增刊）

微信编辑 | 户利华

责任编辑 | 彭翔

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