智慧高速公路技术体系构建及应用
来源：第十五届中国智能交通年会演讲实录
# 宋向辉
交通运输部公路科学研究院
01
智慧高速公路技术体系的出现符合基本规律
一个新体系的出现，往往会发生在由传统向现代变迁的特定历史时期。近几年我们研究提出智慧高速公路技术体系，有几个原因。第一，传统三大系统支撑的现行高速公路技术体系是以管理为导向的体系，而现在民众出行对精细服务的需求突出。现行技术体系在从管理型向服务型转变时表现出了不适应性。其二，新技术的冲击，以及可见的智能车、电动车要上路，给现行技术体系的开放性、包容性提出了要求。第三，全国各地积极探索高速公路智慧化建设，百花齐放，但缺乏统一的、稳定的顶层指导。所以我们认为研究提出一个稳定、开放、兼容的智慧高速公路顶层技术体系是十分必要和迫切的，对于指导构建更安全、高效、绿色的高速公路，指导打造具有服务创新能力的高速公路具有重要意义。
我们研究提出的智慧高速公路的技术体系是对原来体系的升级和演变，这符合事物的发展规律。因为从科学范式来看，随着常规科技的发展，一个旧体系是一定要被一个新体系去替代的，当然这个替代的过程是一个争论的过程，也是一个演进的过程，是要经过技术萌芽期和发展期，以及积累期和逐渐完善期，是一个S型的发展过程。
从我们国家智慧高速公路发展过程看，2010年以前，基本上是在做单项技术和单项应用试点，是智慧高速公路的前期探索期。2017年交通部推动9省市示范工程， 2018年后各个纷纷开展智慧公路典型示范工程。2017年到现在这个阶段，是我们国家做智慧高速公路集成化应用探索的时期，这个时期也是我们总结和梳理我们国家下一步智慧高速公路体系如何发展的一个好时期。
总体来看，我们国家的智慧高速公路体系框架现在处于一个提出后的逐渐完善期。
02
我国智慧高速公路技术体系构建
美国ARC-IT产生的启示
中国的智慧高速公路现在正处于产学研用联合积极探索，政府也在做顶层规划的时候。我们也一直在思考智慧高速公路体系架构到底怎么建，有关体系的发展，给我们启发较大的是美国的ITS8.3体系的发布。美国从1993年提出了其ITS框架，它最初的出发点是为智能交通系统的规划以及集成提供一个结构化的方法。到2017年时，美国提出网联车辆ITS参考体系结构，是因为考虑到未来10至20年，80%的机动车辆将会搭载相关的网联设备，在网联功能整合的过程中会产生大量新的应用，美国交通部ITS联合发展办公室制定相关的参考框架。2018年，美国发布了协作式智能交通参考框架（ARC-IT），这个框架是对美国ITS框架的重大升级，涵盖了美国ITS框架7.1版和网联车辆ITS参考体系结构2.2版的所有范围和内容，并把美国ITS体系结构中的8个服务领域调整成了12个服务领域，而且服务包由原来的97个升级到139个。同时为了支撑它的这些服务的实现，ARC-IT又有两个大的特点，一是凸显了基础设施的作用，把基础设施放在了整个架构的最中心，打破了原来的人车路均衡的架构，同时强调信息安全、高精定位、高精地图这些技术的共性支撑能力，把这些技术都纳入了基础设施侧做共性支撑。
智慧高速公路技术体系构建思路
构建智慧高速公路技术体系一定要从服务出发，交通是一个应用行业，必须考虑好民众需求、运营要求、行业管理要求等。构建这个体系时，我们先是从用户的需求出发，根据用户需求梳理服务的要求，然后进一步提出它的逻辑框架和物理框架。当然提出这个框架的目的是指导我们提出高速公路建设过程中对技术性能和指标的要求。
用户新需求及服务创新需求分析
高速公路用户构成在变，用户需求也在发生变化，我先简单举几个例子：
以人开的车为例。人开的车在高速公路的服务需求会变，会有更多的车道级位置精细化服务新需求出现。
以智能车为例。未来几年一定有不同等级的智能车辆陆续走上高速公路（只是迟早的事情），需要能够对智能车进行有组织的运行管控服务，比如自动驾驶队列管控服务，以提高交通运行效率和安全。
以电动车为例。现在大量的电动车在上路，高速公路长途出行时电动充电需求明显。
再者，当路上的技术能力足够的时候，应该考虑如何在新条件下进一步提升交通的运输安全和效率等，比如做准全天候的通行服务，毕竟封路对管理者和民众都是损失。
判断用户及其服务需求演变趋势对于构建出稳定、可升级扩展的体系是很重要的。
智慧高速逻辑框架及物理框架的提出
除了用户的构成在变，路上的设备也已经不只是交安设备、收费设备等传统设备，一定会增加无限通讯设备、云控平台等，甚至是自动驾驶专用车道设置；而且原来系统集成时跟系统供应商做好衔接就可以，下一步云服务提供商等都要纳入体系范畴内，高速公路的逻辑边界是在变的。另外，如果支撑精细化服务、自动驾驶服务等，需要把协同控制的策略放进来，一些实时性要求高的控制策略必须下沉到路上，对路网、通道、关键节点需要有分布式协同控制能力，即现行数据逐级上传服务管理平台的形式，会向分布式控制架构支撑的管控平台演进，所以整个逻辑架构也在变化。
智慧高速公路技术集的提出
我们在研究提出的智慧高速的物理架构和逻辑架构基础上，总结提出了支撑智慧高速公路建设的33项关键技术集。
03
技术体系作用下智慧高速公路内涵与特征分析
智慧高速公路本质目标
我们认为不管技术怎么演进，高速公路智慧化的本质诉求一定还是要让人和货物安全高效的到达他们该到达和想到达的地方，只是现在和30年前比，解决问题的条件和手段在变化，我们能够用来集成应用的技术在演变。
智慧高速公路内涵
智慧高速公路是随着技术、经济、政策不断发展而演进的。从物理形态上看，是在传统土木结构的道路上，集成应用传感、通信、信息、计算等先进技术，沿线融合传感通信控制设备，并建有交通运行控制中心；从功能上看，是要实现建设、管理、养护、运营、服务全周期更加安全、快速和绿色的高速公路；从建设角度来看，智慧高速公路是各要素相互作用、共享开放的系统性工程。
智慧高速公路特征分析
概括而言，智慧高速公路集中体现在“三网合一的基础设施”+“云边端协同云控平台”。
三网融合的基础设施
三网合一的基础设施是由高速公路网、感知通行控制网、绿色能源网三个网络设施融合叠加形成的高速公路基础设施。与传统的高速公路系统比，除了有通信、监控、收费系统外，还涉及感知、高精地图、高精定位、边缘计算等支撑技术。高速公路沿途会有功能综合型节点，可以面向安全沿途做本地的决策控制服务。三网合一的基础设施构建时要注意考虑好三个核心问题。一是，设施布设优化问题。一方面要考虑它们的覆盖度、复用性，另一方面要考虑经济性，而且必须结合实际道路结构、线性、服务目标等才能具体提出优化方案；二是，能源供给网与传感通信控制网的匹配问题。原来的高速公路对能源供给需求并不是突出，但如果要建立传感通信控制网，加上电动车要上路，则能源供给要求就高了。能源分布网络要和基础设施网络匹配。传感通信控制网和能源供给网络匹配问题也是要在具体工程中根据优化后的设备布局情况去设计；三是，交通基础设施的全新设计的问题。因为高速公路服务用户群体构成变了，人开的车和自动驾驶的车，或者机器开的车，在路上的行驶特征是不一样的，他们混行在一起时对交通流的平稳性、交通运行的安全和效率都会有影响，我们要考虑对不同特征的运载工具做道路资源分配，让特质一样的运载工具到同一个车道上去行驶，这也是提高混行交通安全和高效的基本方法，那么就面临车道功能重新定义的问题。这个问题也是要根据具体道路结构线型、交通流特征、混行交通构成比例、交通交织区及关键节点分布模型、引导控制策略等去设计。
“云边端”协同的云控平台
云边端协同的云控平台是一个分布式控制架构支撑的管控平台，跟原来的高速公路数据逐级上传数据的服务管理平台相比，它可以实施边缘安全控制服务，也可以对路网实施点线面相结合的协同联动控制。
数据驱动下的协同控制逻辑及控制策略
智慧化的高速公路一定不是匝道堵了，就在匝道做管控疏导的事情，实际它将行使的是一套在数据驱动下的协同联动控制策略集。举个例子，比如重大事故发生后，中心控平台要实施公路应急救援服务。这时，在中心，我们要实时地预测事故影响蔓延态势，并针对事故蔓延影响到的所有道路上的用户进行路线选择，需要调用路线选择策略；对救援车辆要实施紧急车辆调度策略；在靠近事故的边缘控制节点上，我们要调用车道控制策略，还要实施分析由于事故可能引发的二次碰撞潜在风险，要调用实施速度协同策略；在事故相关的匝道上调用入口管控策略。这个策略集不简单是是个技术问题，需要和配套的管理结合起来，我们公路院也研究提出了结合场景的控制策略集。
策略集作用的目的是让智慧高速公路交通变得更有序，寻求局部最优或全局最优。把交通运行控制系统抽象成这么一个模型时，我们可以看到智慧高速公路系统上的数据维度增加了。除了原来的气象状态、交通状态、车辆微观状态、用户OD等数据，多了传感通信控制设施层状态数据，以及能源供给设施层状态数据。及时动态掌握这个设施状态是很必要的，因为只有清楚些设备的状态，才能有效借助这些设备把控制真正反馈到路上。当事故发生的时候，如果想在一公里处下发前方事故引导信息，相应位置没有设备信息是发不出去，这时候如果我们能准确掌握路上每一个设备的分布位置及其健康状态，就可以根据传感通信控制网模型自动匹配出信息下发节点，并基于信息下发位置预测对交通诱导的效果。
智慧高速公路特征归纳
我们也在总结智慧高速公路的一些典型特征或者是代级特征，认为表现在一下几个方面，供大家批判。
第一，传统的两大服务向多极服务转变。原来的收费和监控管理服务，在向自由流收费、高精准的信息服务、车路协同式安全服务、车道级精准管控服务、车辆自动驾驶服务的方向走。也就是说由重管理向重服务转变。
第二，支撑体系地向多元、融合支撑体系发展。在将来智慧高速公路建设支撑体系中，不只是要对通信、监控、收费系统提出建设要求，也会涉及对感知、高精地图、高精定位、边缘计算等支撑条件的技术要求。
第三，服务的系统边界也不再那么清晰可区分了，尤其是数据的隶属边界，这其实隐含的是需要升级数据应用架构和管理模式。
第四，现行数据逐级上传的管理平台会向分布式控制架构支撑的管控平台演进。
第五，实体关系在演变。尤其是高速公路业主，会由原来的管道运营商向信息服务商转变。
04
技术体系对工程应用的指导
技术体系提出源于工程实践，也需要在工程中被检验。前期通过对省市示范工程的总结分析，凝练出了今天跟大家汇报的智慧高速公路技术体系。当然按照科学范式规律，这个体系现在处于完善期，下一步我们会结合交通强国的试点工程也进一步去验证体系架构的合理性，并逐步完善体系。
在这个技术体系指导下，我们也研究提出了高速公路智慧化标准化体系，并根据标准需求的急迫性，在积极推进完成一些标准，主要包括国标《车路协同系统智能路侧一体化控制设备技术要求及测试方法》、行标《公路工程适应自动驾驶附属设施技术规范》和《公路智能化数字技术规范》等，同时充分利用团标发布快速灵活等特点推进系列团标标志，为智慧高速公路建设更加健康有序提供技术支撑。
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