北京新机场高速公路“智慧高速”工程设计实践与探讨

李 悦，周永涛

(中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710075)

0 引 言

近年来，中国高速公路建设发展迅速，极大地提高了运输效率，也提高了客流、物流、信息流的运转速度，使得社会效益和经济效益显著提高。随着物联网、大数据、云计算、移动互联网等新一代信息技术的蓬勃发展，高速公路建设理论也历经了数字化、信息化与智能化时代的改造，进入了追求“智慧”的阶段。“智慧高速”工程是其在这一进程中最新的表现形态[1-5]，中国与美、日等在公路建设领域较为领先的国家都在努力推行这一领域的发展[6-16]。中国许多省份对智慧高速进行了实践，建立了智慧高速公路服务区、智慧监控系统、智慧标志等，通过这些实践经验，开发了智慧高速公路配套的系统，为后续智慧高速的发展提供了宝贵的经验。国内外学者针对智慧高速公路的内涵、设计和实践等进行了广泛的探讨，但世界范围内对于“智慧高速”的具体定义还没有较为统一的认识，对“智慧高速”的设计方法也没有形成较为成熟的理论。基于此，本文对北京新机场“智慧高速”工程的设计实践进行探讨。北京新机场高速公路“智慧高速”工程方案在京津冀协同发展战略下，突破高速公路传统“三大机电系统”设计方式，建立“6+1”系统体系框架，以大数据分析为支撑构建运行管控中心，实现智慧决策，创新功能与服务，实现道路的“可视、可测、可控和可服务”。本文将结合北京新机场“智慧高速”工程实例，对智慧高速的基本内涵进行探讨，在与传统高速公路进行对比的基础上，提出智慧高速的发展和优势，为今后的智慧高速建设提供参考。

1 智慧高速的基本内涵

智能交通(ITS)是未来交通发展的主要方向，它是将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子传感技术、控制技术及计算机技术等有效地集成运用于整个地面交通管理系统而建立的一种在大范围、全方位发挥作用的综合交通运输管理系统，它具有实时、准确、高效等特点。智慧高速公路作为智慧交通的一部分，建立以大数据为核心的高速公路管控体系，并不断发展创新,利用新的技术手段加上协同合作方式，提升高速公路的管理服务。目前，不同国家与组织对于“智慧高速”的理解不尽相同，但对这一概念认知的核心大致集中在使用先进的技术与设备进行信息感知、数据分析、动态管理与高水平服务方面[17]。

图1 智慧高速综合系统框架

在公路工程理论发展过程中，驾驶员、车辆与道路的协调设计一直是热点课题，但在公路建设与运营中，道路设施往往难以配合驾驶员的心生理与感知特征、驾驶员的操作习惯以及车辆的性能与工况。同时，受技术条件的限制，道路运营部门难以快速、全面、正确地了解道路的使用状况，进而不能及时决策、采取相应的管理措施。这些现象，都暴露出传统的驾驶员-车辆-道路-环境系统与道路管理体系内部的耦合程度低、耦合效率差的问题，容易引起交通安全隐患，也会影响交通效率与服务质量。“智慧高速”工程基于物联网、大数据、云计算等较为成熟的新兴技术，在提高道路系统与管理系统的耦合程度与耦合效率方面做出尝试，以期能达到保障道路运营安全、保证交通运行效率，以及保持用路者舒适的目标。北京新机场高速公路“智慧高速”工程的总体设计是基于这一逻辑进行的一次实践。

2 北京新机场“智慧高速”工程设计实践

2.1 北京新机场“智慧高速”工程的基本构架

在高速公路的传统设计中，机电系统主要包括监控系统、收费系统与通信系统，道路运营管理部门通过这3个系统对道路运营的具体情况进行管理与维护。实际上，传统的“三大机电系统”受限于以往的技术条件，存在一定的缺陷，其运行模式机械割裂，功能性较差，管理者与用路者之间缺乏有效的交互与反馈，分析决策过分依赖管理者的主观经验。

北京新机场“智慧高速”工程的总体设计突破了这种传统设计方式，设计了“6+1”系统体系，如图1所示。将传统的3个机电系统进行了升级设计，引入了新的技术与理念；增加了管控系统、服务系统以及车路协同系统，补充传统设计中的反馈与交互；基于大数据分析技术构建了运行管控中心以实现智慧决策、功能创新与服务提升。

2.2 传统机电系统的纵向升级

由于以往的信息技术发展局限与硬件水平限制，传统的“三大机电系统”设计存在一些客观缺陷，如监控系统收集的信息单调、割裂且片面，在数量与质量上都不足以作为管理决策的充分依据；收费系统运行效率低，收费站普遍存在交通瓶颈，严重影响交通效率，同时依赖人工的问题仍未得到彻底解决；通信系统对于信息的传输信道容量不足，传输不连续，安全性难以保证等问题一直存在。北京新机场“智慧高速”工程基于当下的技术条件，对传统的“三大机电系统”固有模式进行了升级。

在机电系统方面，在传统监控系统的基础上，增加了用于卡口群和移动终端定位等检测方式的设备，可采集车辆行驶特征、车流运行特征以及交通事件信息；划分检测网格，并安装多传感器气象监控设备，增加探伤设备和传感网络，用于道路交通设施的健康监测；利用私人通讯设备进行信令采集，收集驾驶员的实时交通状态信数据及动态出行数据。这个系统会提供包括环境数据、交通数据、音视频等多样、全面且海量的信息，作为整个“智慧高速”体系的运行基础，为大数据分析的工作提供保障，同时为管理部门的决策提供有力支持。

收费系统的升级主要体现在使用多方式自由流收费技术解决交通瓶颈问题。这一技术包含基于ETC、基于RFID和基于车牌识别3种技术手段。基于ETC的准自由流收费技术在传统ETC技术的基础上，通过线上处理验证无效事件的方式，将收费结算步骤置于放行之后[18](图2)，使得ETC车辆可以仅进行小幅减速即完成收费通行，减小了通行效率折损。

图2 传统ETC与基于ETC的准自由流收费的工作流程

RFID技术则是通过在道路主线上间隔设置RFID设备,实施分段开放式不停车收费。车辆无须减速,以正常行驶速度完成收费工作。车牌识别技术与RFID技术的设备布设方式相似，但不通过RFID设备，而是对车牌进行识别，并从车主的移动账户中扣除费用。3种方式均可以有效减少停车收费产生的通行效率损失，提高交通效率与用路者的舒适度。

通信系统的设计满足了“智慧高速”工程对通讯方式、数据量及通信效率的更高要求，使用了增强型SDH干线传输系统和10GE等级的OLT设备与ONU设备的光纤数字系统技术方案；增加了可用于WEB网络电话会议、应用共享与电子白板等功能的软、硬件。同时设计了网络安全系统，包括流量监控功能、可信认证功能、网络割接功能、信令汇聚功能、双链接自动切换功能等。通信系统的设计兼顾高效与安全两个目标，为“智慧高速”系统的运行提供了良好的“容器”。

北京新机场“智慧高速”工程传统的“三大机电系统”设计，利用了当下较为成熟的新理论技术与新型设备，在解决了传统意义上本系统内部存在的某些难题的基础上，为“智慧高速”系统的整体运行提供了平台与资料。

2.3 新型智慧系统的横向增构

管控系统、服务系统与车路协同系统，是北京新机场“智慧高速”工程在传统机电系统之外横向增构的3个新型交互系统。

图3 调度指挥子系统

管控系统利用大数据分析技术对前端感知设备采集的信息进行融合、处理、分析，从而给出管控指令或决策依据，包括指挥调度系统、动态限速系统、匝道控制系统、消冰除雪系统等子系统。指挥调度系统(图3)主要应对特殊交通事件的应急处理，通过“智慧高速”相关设施进行资料收集、快速分析、准确决策与合理响应，从而使应急风险降低，应急效果增加；动态限速系统、匝道控制系统、消冰除雪系统3个系统可以在对交通环境评估后，快速发出管控指令，并直接通过物联网执行决策，以改善道路安全水平与通行条件。这一系统体系可以直接完成道路运行的“智慧”控制，或帮助管控人员高效地处理特殊复杂的交通事件，快速决策，减少误判。

服务系统使用了较为先进的服务技术，如智能停车服务与新能源车服务等，并且在服务区建立了信息港，提供道路信息、机场航班信息与市内交通信息等。就目前而言，服务系统的内容仍不够丰富，其主要原因在于“智慧高速”产业发展伊始，理论与实践均需要进一步发展。服务系统的软、硬件设备补设难度较小、成本较低，在运营过程中根据服务需求与技术发展随时补充是合理的办法。

车路协同系统主要包括合流预警系统、交通事件预警以及雾区引导系统。合流预警系统通过在合流段埋设地磁传感器收集交通数据，分析潜在的事故，并设置LED显示屏进行预警；交通事件预警技术通过信息显示系统对事故上游车辆进行预警，引导其提前减速避险；雾区引导系统通过车载传感器、卫星定位系统，采集车辆运行轨迹，提供预警与引导功能。车路协同技术正处于实践的初步阶段，受当下车辆功能的限制，其发展空间仍需进一步拓宽。

在传统高速公路运营管理工作中，受技术条件的限制，道路设施对与驾驶员的引导是静态、脱节的，管理部门对交通事件的管控与道路安全隐患的处理严重依赖人工，反应滞后且效率较低。而横向增购的3个新型智慧系统，可以高效辅助管理人员决策，快速进行管控指令的拟定与执行，动态调整管控措施与信息引导，增强了道路系统与管理系统的内外耦合，体现出相对传统公路运管模式的较大优越性。

2.4 大数据分析系统的技术支撑

大数据处理中心是整个“智慧高速”体系的核心，其主要工作分为数据汇集与数据处理2个步骤。数据汇集通过收集内部数据与外部数据，进行数据清洗与整理，形成规范的数据目录。数据处理方面根据实际选取的数据存储技术，对数据进行深度挖掘，实现批量与实时的数据处理分析，用以提取对高速公路运管工作有帮助的资料。大数据处理中心同时具备交通仿真能力，用以辅助制定决策。“智慧高速”体系的基本逻辑，即 “感知、分析、管理、服务”中，大数据中心几乎承担了“分析”这个核心阶段的所有任务。

北京新机场“智慧高速”工程设计，纵向上升级了传统高速公路机电系统，使其有解决传统高速交通难题与承担“智慧高速”运营需求的能力，横向增构了3个具有强大交互能力、快速反应能力和自动执行能力的新型智慧运管系统，同时设计了承担分析任务的大数据中心作为驱动。这一总体设计作为中国智慧高速的一次实践是非常有价值的，投入运营后，将为智慧高速理论研究提供宝贵资料。

2.5 监控系统

新机场高速作为北京市未来重要的交通干线动脉，在新机场建成以后将承担迅猛增加的交通量。本次监控系统通过完善信息采集，在传统的监控手段基础上，通过卡口群和移动终端定位检测等方式实现面向个体特征及道路交通状态的系统监控，通过给传统气象检测系统加装传感器网络，实现道路运行环境的全面采集，通过探伤车的周期巡检和传感网络长期检测实现道路交通设施的健康监测，并且可以实现断面交通流量、车辆信息、手机信令、交通环境、桥梁健康的自动采集和检测，如图4所示。

3 关于“智慧高速”工程设计的探讨

3.1 “智慧高速”工程设计的内在逻辑

“智慧高速”工程设计的内在逻辑是借助新技术与新手段，解决传统高速运营管理过程中观测、分析、决策、执行与服务的时效性与有效性难题。

图4 监控系统框架

在传统高速的运管工作中，存在观测对象与指标单一，观测区域覆盖面不足，对交通事件的观测有时需要依靠报警与非事件地的交通流异常等问题，管理部门难以及时得到全面、有效的信息。由于缺乏有效、快速的分析工具，管理人员的决策缺乏充分依据，其决策水平易受个人能力、经验与主观因素的影响。由于道路系统的功能限制，决策执行几乎完全依赖路政队伍与交管队伍，人力、物力及时间成本较高，且在处理过程中对道路通行效率产生不可忽视的影响。在服务过程中，往往仅考虑用路者的必要需求，供给结构僵化。上述的几项工作存在从前到后的逻辑关联，前序工作会影响到后续工作的水平，从而使得整个运营管理工作存在不及时、效果差的问题，这与以安全性与通过性为运营要求的高速公路设施的运营目标是相悖的。如何通过前沿的理论与技术手段，提高这一工作序列的时效性与有效性，从而保证高速公路运营安全、通行高效、服务到位，是“智慧高速”工程设计应该着重思考的逻辑问题。

3.2 “智慧高速”工程设计的时代要求

当下对于“智慧高速”工程设计而言是较为特殊的时代，信息科学发展进入了新的阶段，大数据、物联网、云计算等大批新技术方兴未艾，利用这些技术，高速公路设施的交通贡献与服务能力可以得到质的提升。如何尽可能融合新技术、新设备，以利于高速公路设施的“智慧化”，是对于“智慧高速”工程设计先进性的时代要求。

同时，智慧高速公路系统是基于交通工程、人因工程、车辆工程、通讯工程等多学科共同发展的成果，并且与这些学科共处于一个不断的完善与发展的进程中。在这个进程中，新的“智慧高速”技术的可能性十分广泛，例如将基于刹车毂性能的安全预警理论[19]嵌入驾驶辅助系统引导安全驾驶、利用基于速差的通行效率与安全的关系理论对交通流进行监控与管理等，新的综合理论将会更加智慧，能够更好地融入“智慧高速”的设计。而为这些理论预留空间，使进一步的智慧改造和智慧升级具备可操作性，是对于“智慧高速”工程设计前瞻性的时代要求。

4 结 语

智慧交通是交通行业发展的引擎，加快运用现代科学和信息技术、提升交通运输现代化水平，是发展“智慧高速”的必要条件。高速公路作为交通运输行业信息化、智能化发展程度最高的领域之一，率先运用智能交通手段，践行“四个交通”发展，实现智慧高速系统是行业信息化的必然。“智慧高速”工程的设计理论与方法尚处于摸索阶段，但其设计核心仍然集中在融合新型的信息技术，增强道路系统与运管系统的各部耦合，使得道路运营信息可以被全面掌握、准确分析、正确决策、高效执行以及为用路者提供高水平服务。

北京新机场“智慧高速”工程建立了“6+1”系统体系框架，并以大数据分析为支撑构建运行管控中心实现智慧决策，实现道路的“可视、可测、可控和可服务”，这一设计是智慧高速理论发展过程中的一次有益的探索，可为后续智慧高速公路的发展和建设提供重要参考。未来，将结合国家对智慧交通发展的政策、标准和技术研发等方面对智慧高速公路设计、实践进行更加深入的研究，以期为智慧高速公路的全面推广提供强有力的支撑。