G65高速重庆巴南至武隆段智慧高速公路总体架构设计

朱 湧, 罗 建, 夏卫国, 李茂华(.招商局重庆交通科研设计院有限公司, 重庆 400067; 2.自动驾驶技术交通运输行业研发中心, 重庆 400067;

3.重庆高速公路集团有限公司南方营运分公司, 重庆 401121)

智慧高速公路是我国交通强国战略实施的重要着力点,是新型交通基础设施建设的重要组成部分,也是未来高速公路发展的重点方向。目前国内浙江、河北、广西、山东等20多省有40余条高速公路开展了智慧高速公路建设工作,进行了一系列创新应用探索与实践。浙江杭绍甬高速公路是国内首条智慧高速公路,建设了智慧高速云控平台,通过智能系统、车辆管控,提升高速公路运行速度,并全面支持自动驾驶[1]。河北省以高速公路大数据挖掘与综合利用为核心,以“准全天候、精准化”的出行服务和“科学决策、智能管控”的综合管理为主线,打造京雄智慧高速公路[2]。广西沙吴智慧高速公路以车路协同测试示范为核心,建设一段智能示范路、一张综合感知网络、一张5G通信网络、一个云控平台、一个运控中心、一套数字孪生系统等六大内容[3]。我国智慧高速公路发展经历了基础研究、技术验证、试点示范等阶段,已形成了较成熟的智慧高速公路技术体系,当前正处于由试点示范向全面布局的关键阶段[4-7]。

《重庆市推动交通强国建设试点实施方案(2021—2025年)》提出:推动智慧高速公路建设,充分运用大数据、云计算等前沿技术,建设覆盖“人、车、路、环境”的智慧高速公路网,在重庆高速集团、招商公路、中国铁建等单位实施项目中选取1～2条高速公路,建设基于5G技术的车路协同试验段[8]。G65高速重庆巴南至武隆段智慧高速公路建设项目是重庆市首个运营高速公路智慧化提升改造示范工程,将为重庆市运营高速公路智慧化提升改造打造一套可复制、可推广、可应用的方案,引领全市高速公路数字化转型升级,形成我国山区智慧高速公路的样板工程、品牌工程。

1 G65高速巴南至武隆段概况

G65高速公路重庆段为重庆高速公路网规划“四环二十二射六十联线”中的射线高速公路,是重庆主要的省际大通道之一[9]。G65高速巴南至武隆段全长约135 km,包括界石至水江段(界水路)、水江至武隆段(水武路),全线共有界石、大观、水江、武隆4处服务区,线路如图1所示。

图1 G65高速巴南至武隆段线路

2007年,界水路建成投运,全长约85 km,隧道共7座,其中特长隧道1座、长隧道3座、中隧道及短隧道3座,隧道全长总计11.03 km。2009年,水武路建成投运,全长约50 km,隧道共7座,其中特长隧道5座、长隧道1座、中隧道1座,隧道全长总计25.6 km,隧道占比达50%。G65高速巴南至武隆段隧道情况如表1所示。

目前G65高速重庆巴南至武隆段日均车流量约6万辆,货车日均车流量占比约为30%,交通流量较大,过境交通多,货车出行需求集中。沿线途经仙女山、芙蓉洞、小南海地质公园等多个旅游景区,重大节假日旅游交通客流增长明显。全线桥隧比例高,特长隧道数量多,山区高速公路气象条件复杂,交通事故频发。

2 智慧高速建设需求分析

1) 交通安全问题

G65高速重庆巴南至武隆段桥隧比高,存在特长隧道、隧道群、桥隧相接段以及长大纵坡路段,气象条件复杂,交通安全隐患突出。为实现智能管控、主动防护、安全预警、快速救援,最大限度保障公路行车安全,应利用数字化技术手段、科学合理的安全设施设置、切实有效的救援预案。

2) 诱导管控问题

路段主线部分与互通之间、服务区与互通、隧道与互通间距较近,同时本路段与多条国省道、高速公路相交。为提高道路交通通行效率,需强化互通式立交、服务区出入口信息提示,完善区域路网交通诱导与控制。

表1 G65高速巴南至武隆段隧道情况

3) 品质服务问题

G65高速重庆巴南至武隆段是渝东南跨省大通道,沿线人文旅游资源极为丰富,是重要的交通旅游干线,旅游交通量占比较高,但现有交通信息发布手段单一,无法为公众出行提供精确、及时的出行前信息服务。按照“交旅融合”发展理念,需强化出行信息服务系统,开展服务区数字化智能化升级,充分利用移动互联网、移动智能终端等信息发布载体,增强出行体验并提升高速公路引流效果[10]。该路段智慧化升级将有助于整合跨区旅游资源,促进重庆与其他地区旅游资源的优势互补、协同发展。

4) 节能降碳问题

沿线14座隧道,其中特长隧道6座,机电工程规模大,运营期耗电量大、运维成本高。按照“绿色公路”建设理念,应提升智慧节能手段,实现运营期的智能控制、高效养护,在满足行车安全条件的基础上,最大程度地实现节能减排,降低运营成本[11]。

5) 管理决策问题

现有管养系统服务面较窄,主要侧重于基础信息采集和日常业务处理,缺少辅助管理决策、应急指挥调度等综合性业务功能,且应急处置手段较落后,缺乏高科技手段支持。因此,需建设基于云计算、大数据技术的智慧高速公路云控平台,通过智能感知与监测构建路段级基础数据库,依托可视化管理平台实现交通运行状态的实时监测、态势评估、自动化事件检测与预警以及突发事件下的应急指挥调度。

3 智慧高速公路建设思路

3.1 建设原则

1) 系统重构、流程再造

引入物联网、人工智能、数字孪生等新一代信息技术,对传统高速公路机电设施(收费、通信、监控、隧道机电、供配电等)进行系统重构和业务流程再造[12]。

2) 需求导向、深化应用

以需求为导向,在新的技术架构下强化运行监测、分析研判、安全预警、应急指挥、养护管理、出行服务等功能[13]。

3) 统筹兼顾、协同推进

依据交通运输部《关于实施绿色公路建设的指导意见》《促进公路隧道提质升级方案》《全国高速公路视频联网监测工作实施方案》等文件要求,将机电系统节能减排、全线隧道提质升级、全程监控系统建设和智慧高速公路体系有机结合,统筹实施,避免重复建设。

4) 总体设计、分期实施

根据智慧高速公路建设总体要求和G65高速重庆巴南至武隆段具体特点进行设计,结合信息技术的持续演进,做到总体设计、分期实施[14-15]。

3.2 建设目标

面向复杂艰险山区高速公路,通过“智慧化提升+基础设施升级”,实现路段运行监测实时准确、应急处置科学高效、养护管理智能先进、信息服务及时便捷,大幅提高高速公路运营管理和服务水平,实现G65高速重庆巴南至武隆段交通运行安全畅通、管养手段丰富多元、公众出行便捷愉快,打造成为安全型、高效型、低碳型和品质型的智慧高速公路。

3.3 建设任务

结合建设需求及路段特点,本文提出了G65高速重庆巴南至武隆段智慧高速公路的主要建设任务,总体可概括为“1+5+5”,即建设1套智慧高速综合云控平台,打造智慧收费站、智慧服务区、智慧车路协同、智慧隧道、智慧创新试点应用等5大智慧化应用场景,实施通信系统、全程监控系统、隧道机电系统、收费系统、主动发光交通标志等5项基础设施提质升级工程。总体建设框架如图2所示。

图2 G65高速巴南至武隆段智慧高速公路总体建设框架

4 智慧高速公路总体方案

4.1 技术架构

根据建设任务及智慧高速公路建设技术要求,本文提出了G65高速重庆巴南至武隆段智慧高速公路层级技术架构,包括基础设施层、通信网络层、基础支撑层、数据资源层、应用支撑层、应用服务层和系统用户层等,并形成管理机制、标准规范、信息安全保障、运维管理保障等体系,技术架构如图3所示。

1) 基础设施层

基础设施层是实现数据采集和各类服务的基础,包括感知设施、发布设施、管控设施、服务设施、安全设施、养护设施等。

2) 通信网络层

通信网络层将构建集光纤骨干网、移动通信网、无线局域网、DSRC专用短程通信网、无线传感网、广播网、互联网等为一体的G65高速重庆巴南至武隆段基础网络,为数据、语音、视频图像的传输提供强有力保障。

3) 基础支撑层

基础支撑层提供物理主机、存储设备,为信息系统支撑环境提供所需的基础硬件资源和虚拟化环境,包括计算设施、存储设施、网络设施、虚拟化设施及数算分离等。

4) 数据资源层

数据资源层将建设智慧高速公路基础数据库、业务数据库、中间件及大数据存储,并建设决策分析、应急管理、养护管理、信息服务、增值服务等主题数据库,为应用系统提供数据支撑。形成私有云和公共云相结合的架构体系,集约使用服务器、存储等各类信息化基础设施。

图3 技术架构

5) 应用支撑层

应用支撑层为实现信息共享、应用功能、业务协同工作提供技术支撑,主要包括高精地图、数字孪生引擎、物联网底座、AI底座、车路协同引擎、高速公路数据大脑等。

6) 应用服务层

应用服务层包括综合应用、基础应用和展现应用等内容。综合应用依托智慧高速综合云控平台,建设安全提升、效率提升、服务提升、品质示范四大业务应用系统。基础应用包括G65高速重庆巴南至武隆段视频接入平台、路段监控分中心及隧道管理所视频会议系统、办公自动化系统等基础应用。展现应用包括业务系统门户(内网)、公众出行信息服务系统门户(互联网)、客服电话、高速公路可变情报板、高速公路广播、移动智能终端APP等多种信息发布渠道,是面向G65高速重庆巴南至武隆段智慧高速公路用户提供信息服务的窗口。

7) 系统用户层

系统用户对象包括重庆高速集团、南方公司、社会公众、外部企业/部门等。

4.2 数据架构

智慧高速公路数据资源中心是以高速公路资源统筹管理、集约建设、共享利用为目标,以数据资源共享系统为核心,形成智慧高速公路数据资源共享体系架构。按照统一的标准规范对原始数据进行筛选、清洗、治理,最终形成可共享交换的高速公路数据资源池。G65高速重庆巴南至武隆段智慧高速公路数据架构设计如图4所示。

智慧高速公路数据资源中心的数据来源主要包括监控数据(监控网)、收费数据(收费网)、养护数据(办公网)、路政数据(路政部门)、互联网交通数据(互联网)以及其余数据,各类数据内容如表2所示。G65高速重庆巴南至武隆段智慧高速公路将实现融合共享各类数据资源,数据共享交换机制设计如图5所示。

图4 数据架构

4.3 智慧高速综合云控平台

智慧高速综合云控平台是G65高速重庆巴南至武隆段智慧高速公路建设的核心内容之一,平台逻辑架构设计如图6所示,其中SaaS层包括安全类、效率类、服务类和示范类等业务应用,PaaS层包括高精地图采集、数字孪生引擎、物联网底座、AI底座服务、高速公路数据大脑、车路协同引擎等支撑系统建设,IaaS层打造分布式云服务平台、分布式存储系统等基础设施。

4.4 智慧化应用场景

为提升智慧高速公路应用体验,本文提出打造智慧收费站、智慧服务区、智慧车路协同、智慧隧道、智慧创新试点应用等5大智慧化应用场景。

表2 高速公路数据来源

图5 数据共享交换机制示意

智慧收费站:包括匝道自由流、车道布局优化、出入口自助车道建设、基于ETC的车路协同等。

智慧服务区:包括服务区综合管理平台、无线网络系统、智能监控系统、环境监测系统、公众服务信息发布及自助查询系统、户外大屏展示系统、广播系统、商业经营管理系统、智慧照明系统、巡更系统、光伏发电系统等应用系统。

智慧车路协同:包括4张网——光纤通信网、V2X通信网、高精定位服务(北斗卫星网)、5G多网应用;3个端——多源融合感知终端、边缘侧处理端、信息发布端;2个基础——数字底座和数据中台;1个应用——云控平台车路协同应用。

图6 智慧高速综合云控平台逻辑架构

智慧隧道:包括隧道基础结构物监测、隧道车辆热源监测、隧道智能照明控制、隧道全息数字孪生、隧道行车安全管控等应用。

智慧创新试点应用:包括数字孪生、隧道洞口主动交通管控、硬路肩动态管控、无人机试点应用等内容。

4.5 基础设施提质升级

基础设施升级是保障智慧高速公路实现智慧化运营管理的重要内容,根据前期调研情况,本文提出实施通信系统、全程监控系统、隧道机电系统、收费系统、主动发光交通标志等5项基础设施提质升级工程。

通信系统升级改造:包括水界路、水武路的通信系统80 G/100 G接入网升级改造。

全程监控系统升级改造:包括沿线全程视频监控点位、全要素气象监测点位、LED信息发布屏升级改造。

机电系统升级改造:包括隧道视频监控系统、交通诱导及控制系统、紧急电话及广播系统、消防系统、电光标志等设施升级改造、区域控制系统、火灾报警系统、环境监测系统等。

收费设施升级改造:包括14套隧道洞口ETC门架增补、南彭收费站UPS及视频监控、巴南收费站视频监控、接龙收费站视频监控、石龙收费站视频监控升级改造等。

5 结束语

本文通过梳理G65高速重庆巴南至武隆段智慧高速公路建设需求,开展智慧高速公路总体架构设计研究,提出建成1套智慧高速综合云控平台、打造5大智慧化应用场景、实施5项基础设施提质升级的智慧高速公路“1+5+5”总体建设框架,明确了智慧高速公路总体技术架构、数据架构、数据交换机制和智慧高速综合云控平台架构等总体设计内容,可为智慧高速公路建设施工提供技术参考。