基于全生命周期管控的智慧高速建设探究

作者：袁航，王豫炜（中国交通信息科技集团有限公司）

摘要：结合国内外对高速公路智能化、自动化的应用探索，立足高速公路运营企业，分析智慧高速发展中存在的问题及其建设的必要性和紧迫性，提出通过“边-云”计算、物联网、GIS+BIM、4G/5G、卫星导航等新兴技术，构建以公路全生命周期管理为主线的智慧高速体系，明确其建设目标、架构、内容及预期效果。通过“智慧+”促进企业盘活自有公路资产，提高管养效能和服务质量，降低运营成本和安全风险，推进企业管理模式的转型升级。

所谓智慧高速，简言之，是为充分发挥高速公路各功能属性，集成应用多维感知、信息传输、信息处理及控制技术，形成的开放共享的支撑平台，在传统智能公路“感知-控制”基础上，实现各关键要素间的“协同”运转。以“安全、高效、便捷、绿色”为目标，结合开放的运管模式，为高速公路运营企业提供全生命周期一体化建、管、养服务，为高速公路中人、货的快速通行提供网络化服务，为“车-车”“车-路”“人-路”“人-车”的交互提供更加灵活的通信渠道，为应急事件提供全时可响应的应急服务，为出行者提供精细化、定制化的出行服务，从而实现“人-车-路-云-环境”的高度协同。

近年来，我国高速公路路网趋于饱和，其基础建设需求正逐年降低，而管养需求却逐年增强。如何利用“智慧+”盘活自有资产，提高管养效能和服务质量，降低运维成本及安全风险，正逐步成为高速公路运营企业自身的迫切需求。随着“数字交通”“交通强国”等交通行业宏观政策指导文件的陆续发布，高速公路运营企业管理模式智慧化转型升级已迫在眉睫。

一

智慧高速发展存在的问题

（一）数据交互缺乏长效机制

目前，高速公路的数据很难与其他行业形成交互，难以与已有的智慧城市（交通）、智慧海运体系产生数据联动，以达到“1+1＞2”的衍生效应，信息孤岛问题仍较为明显。同时，高速公路领域的数据与相关产业上下游行业间仍缺乏数据协作，行业与行业之间有效的数据挖掘和分析存在障碍，无法为多维度联动的协同发展提供有效的数据支撑。此外，如气象、地质、旅游等由政府部门掌握的相关数据，目前由于体制机制的原因，并未对企业完全开放，作为企业端，很难获得低成本、高质量的数据。

（二）专业人才培养体系薄弱

智慧高速是一个系统性概念，涉及云计算、物联网、无线通信、自动控制等诸多学科领域，要实现智慧高速就必须对涉及的各类数据进行分类整合，充分挖掘数据之间的关联性，这需要大量的复合型技术人才作为支撑。但智慧高速作为一门新兴的科技前沿学科，人才存量和增量均严重不足。此外，复合型人才的培育往往需要社会化培训力量作为补充，但我国在该领域和发达国家仍有差距，人才的制约在一定程度上限制了智慧高速产业的成长。

（三）智慧高速行业标准缺失

精确地获得有效数据是建立智慧高速相关应用的前置条件，直接影响到数据的可用性。目前，由于高速公路的建设营运单位不同，机制体制、管理制度均有所不同，所选用的工艺工法以及前端传感器也有差异，由于缺少行业标准，体系中各部分数据格式不统一，其存储、传输方式也不尽相同，这为整合数据带来了很大障碍。

（四）应急处置能力亟待提升

提升应急处置能力是“十三五”交通行业信息化的工作重点之一。目前，应急指挥调度系统仍无法联网联控，主要实现方式仍为分路段监控模式，其实用性较差。当有突发情况发生时，需要人工处理，缺乏信息化的管理手段，难以实现高效统一部署和跨部门的统一协作，突发事件的响应、处置和救援均得不到保障。

（五）公众出行服务水平不高

当前服务区的机电设备设施仅面向基本的业务管理需要，实现外场的监控、网络服务等，而作为对外服务和对外宣传的重要窗口，目前机电信息化设备设施的应用，尚不能满足服务区运营管理和道路驾乘人员使用的需要，不符合当前行业智慧化运营和品质提升的发展要求。

（六）网络安全隐患逐渐增多

目前高速公路机电系统的网络系统基本独立，与外部网络的联系很少，受到攻击的可能性较小。而随着智慧高速的建设，互联网技术的应用越来越普遍，内部系统与外部网络信息的交互将更加密切，遭受到的网络攻击几率将大大增加，造成的损失也将更为严重。

二

基于全生命周期管控的智慧

高速建设思路

（一）建设目标

近期目标：以精细化管理、个性化服务、信息化融合业务工作为目标，利用边-云计算、物联网、移动互联网、大数据、4G/5G、DSRC、北斗卫星导航、GIS+BIM、智能路侧终端等新兴技术，深度融合交通流、物资流的路网与承载信息流、数据流的互联网的“两网”体系，实现基础设施“数字孪生”，开展基于大数据技术实现跨区域、跨部门、跨路网、跨业务的数据分析和综合应用。根据智能网联汽车发展情况，适时建设支持自动驾驶的专用车道基础设施及车路通信基础设施。基于V2X技术实现车联网联控，建设支持无人驾驶和车队运行的专用道路/车道基础设施，为自动驾驶汽车试点应用提供路方基础。

中远期目标：基于V2X技术实现车联网联控，以大幅降低高速公路行驶风险，显著提升高速公路通行能力。建设支持无人驾驶和车队运行的专用道路/车道基础设施及车路通信（V2X）基础设施，以适应无人驾驶汽车的大规模应用。

（二）总体架构及建设内容

智慧高速总体架构示意如下图所示。

智慧高速总体架构示意图

1、智慧高速综合监管门户

统一门户主要是以统计数字、图表和地理信息的方式，集成展现建设期与运营期成就。以指挥大屏桌面的形式集成显示路网数据统计、交通设施统计、交通设备统计、道路养护统计、重点车辆统计等，显示方式为数字显示和统计图表显示。

搭建综合监管门户可把各类应用系统集成于一个桌面上，可通过统一身份认证的方式实现一次登录全局共享的管理需要。

2、感知层

基于加装路侧RSU的外场监控设备、数据采集终端、视频监控终端，收集本路段范围内多源、实时、海量数据，实现交通运行状态的全方位感知及车路交互。

3、传输层

传输层以传统光纤网络为基础，上层架构为4G/5G公网、北斗通信、无线专网，实现各类数据的实时传输。

4、基础设施层

基础设施含义由传统的实体基础设施转变为“实体+数据”，对数据中心的设备、供电、网络、环境提出新的要求，“云”作为数据、应用的硬件支撑，为平台提供基础。

5、数据资源层

数据层面标准统一、共建共享、高度可用，从数据资源采集接入、交换库建设、数据质量控制、共享库建设、数据全生命周期监控、数据服务共享管理6个维度进行本项目数据工程建设工作。

6、支撑层

根据政策对“数字孪生”的要求，依托GIS+BIM技术搭建基础支撑平台，以智慧高速体系中多源数据资源交换共享技术构建数据支撑平台，实现“一数一源，一数多用”，为项目前期建设、后期运营提供数据中台，支撑各种应用。

7、应用层

应用层基于统一的SOA技术架构，根据业务管理和服务的需要，对应用功能进行合理化划分，实现系统有效集成和信息共享。应用层全生命周期应用可分为设计、建设、管理、养护、运营5个阶段。

8、运营保障体系

运营保障体系包括三部分，根据业务流程及管理规定，应建立运行管理体系、安全保障体系和标准规范体系。

（三）预期效果

1、基础设施数字化

利用GIS+BIM 技术或激光雷达（LiDAR）技术，构建高速公路数字三维模型，构建动静态数据结合具有逻辑关系的基础设施信息库，实现基础设施质量、安全检查信息的数字化、可视化查询，助力“数字交通”建设。

2、感知领域全息化

在传统交通工程及沿线设施工程的基础上，基于卫星通信技术及云端多场耦合在线仿真分析技术、边-云计算技术等，实现从“点”信息收集到整体分析预判的跨越。构建经济可行性、高解析度、“人、车、路、云、环境”多维全覆盖的感知系统，通过多源感知数据信息融合，扩大感知范围，增加感知内容，提高感知精度，实现全面、智能、多维感知与监测。

3、数据中心云端化

从智慧管理、智慧服务角度出发，以路网运行综合监管和智慧服务为导向，综合运用云技术、大数据、边-云计算等技术手段，构建云上数据中心，实现高速业务场景的人、车、路、环境的数据收集、数据综合使用和数据智能应用，实现对交通个体行为、群体行为、宏观状态的精准分析，并通过数据智能应用破解高速公路管理难题，为社会公众出行提供个性化服务。

4、出行服务精准化

凭借高速公路规划设计、建设、管理及资产等方面优势与国内外领先的出行服务商形成战略合作，共同研发面向高速公路出行用户的连续性告知、强时序导航、个性化定制的综合信息服务系统。基于卫星导航技术，为社会车辆及管养车辆提供精准化定位服务，满足不同用户的个性化出行要求。

三

结束语

高速公路运营企业应在充分评估自身业务需求的基础上，围绕全生命周期建、管、养的一体化目标，从实际出发，整合资源，制定适合自身业务的智慧高速解决方案，促进企业转型升级，为新一代国家交通控制网和智慧公路融合创新发展提供动能。

（原文刊载于2021年第2期《中国交通信息化》）

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微信编辑 | 户利华

责任编辑 | 刘睿健