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智慧高速 乘风破浪——聚焦数字化浪潮下智慧高速的建设与发展

发布时间:2021-10-12 13:57

(原文刊载于2021年第8期《中国交通信息化》)

“新基建”东风劲吹之下,“数字化”浪潮迅猛来袭。“十四五”开局之年,我国智慧高速的建设按下了加速键。


 “十四五”提出打造数字中国,意味着我国高速公路的发展迈入了数字化转型新时代。随着《数字交通发展规划纲要》《交通强国建设纲要》《推进综合交通运输大数据发展行动纲要(2020-2025年)》等指导文件相继发布,高速公路的数字化转型迎来了前所未有的发展机遇。在此背景下,如何乘“新基建”之风,破“数字化”之浪,聚焦新时代智慧高速的建设与发展,在第二十三届中国高速公路信息化大会上,与会专家们对此进行了分析探讨。

从基础设施数字化着手

公路基础设施数字化是未来智慧公路发展的方向和基础。2021年国务院印发的《国家综合立体交通网规划纲要》明确,到2035年,我国交通基础设施的数字化率要达到90%,在开展新兴基础设施建设的同时,也要求加快既有设施的智能化改造。我国现有高速公路里程为16.1万公里,路网体系庞大,如何开展这项难度大的工作,交通运输部公路科学研究院智能交通研究中心主任汪林发表了看法。

数字化内涵

高速公路基础设施数字化即在公路交通系统中深入运用数字技术,在计算机系统中构建一个全感知、全联接、全场景、全智能的数字公路世界,进而优化再造公路交通系统的各项业务,对传统公路交通系统的运营管理模式、服务模式、商业模式进行创新和重塑,实现行业的转型升级。其内涵如下。


 第一,将交通基础设施和信息技术进行深度融合,通过信息技术改变现有交通基础设施功能,提升设施运营效率,并将其融合到日常业务中,更好地为交通服务。

针对设施的不同属性信息进行数字化。将空间属性、功能属性、状态属性等复杂多变的信息转变为可以度量的特征数据。

对不同的设施层次建立与其需求相适应的数字化模型。对包括路、桥、隧以及一些附属设施的交通设施,根据其特点和应用场景建立相应的数字化模型,在现实中进行计算处理,并采取相应措施。

公路基础设施数字化就是要推动公路交通基础设施从他感知、被感知向可感知、自感知转变,更便捷、更精准地获取前段数据,再通过数字化平台和车路协同系统进行发布,让道路使用者知道“路上有什么”,让管理决策者知道“车在干什么”。

数字化需求

公路基础设施数字化要满足很多需求,如公路网运行监测与服务暂行技术需求、公路基础设施统计分析需求、公路养护及资产管理数据需求、自动驾驶车辆环境识别需求、精细化管理与服务业务需求、车路协同基础设施数据交通需求等。其中,构建面向自动驾驶、精细化管理服务的特征数据集是所有需求中的最高目标。

数字化体系

公路交通基础设施数字化体系如下图所示。从全要素角度来看,在体系建设中应重点考虑进行要素的全覆盖,如道路基础设施、附属设施、临时设施、状态信息等内容;从全周期角度来说,要从规划,到设计,再到建造、养护、运营,通过数字化链条把整个周期串联起来;对于全业务,不仅要支持全功能应用,还要对应用的开发进行梳理排序。

数字化实施

勘察设计数字化:以勘察设计数字化交付为核心,提升地质勘察和各专业设计的自动化水平,打通不同设计软件之间的数据壁垒,实现各专业协同设计,从单一图纸交付方式向“图纸、模型和数据”融合交付转变,推动设计建造一体化。


施工建造数字化:以施工建造自动化、智能化为核心,推动新一代信息技术与现代工程管理融合,将数字化技术渗透至施工生产和管理各个环节,提升施工资源优化配置能力,提升行业数字化监管能力,优化建设市场信用评价体系,推动交竣工资料数字化。

养护管理数字化:以数据驱动的养护管理为核心,基于勘察设计、施工建造期间沉淀的数据,与运营养护期的数据融合,实现自动化、数字化的基础设施巡检;病害检测、质量溯源、跟踪、处置全过程管理;技术状况全程监控掌握;病害与评论结果对比跟踪;科学管理养护维修。

运营管理数字化:以全息感知、精准研判、伴随服务为核心,基于建管养全生命周期数据的高精度感知、实时可靠交互和深度挖掘分析,实现运营安全的数字化、应急调度的智能化,支持交通运输组织形态和服务模式创新。

朝数字能源绿色化加速

为了应对全球变暖的气候变化,我国正式提出2030年实现“碳达峰”、2060年实现“碳中和”的战略目标。交通运输行业是实现战略目标的关键领域,在“新基建”推动基础设施数字化转型和“四网融合”交通强国战略的大环境下,绿色、高效的高速能源网的建设提上了日程。


 智慧高速能源具有“点—线—面”多场景多模式、用电不均匀的供应特点,面临用电需求规模剧增、市电供应资源有限、管控效率亟待提升、用电成本居高不下、能源应用复杂多变等多方面挑战。据华为技术有限公司数字能源产品线副总裁彭建华介绍,基于以上现状,华为提出建设“绿色可靠,降本增效”的高速能源网,一方面,充分利用高速公路沿线空间资源,布设太阳能、风能等发电设施;一方面,优化配置供配电系统,实现对传感通信控制网绿色、可靠供电功能的能源供给设施设备网络。以供电可靠性、用能经济型、节能优化、方便运维为业务向导,打通从发电到用电的高速全链路瓦特流,通过云端协同,打造极简、绿色、智慧、可靠的高速能源网。需要具备的主要特点如下。

①调度自动化:构建一个链式的微电网供电网络,通过配电自动化,实现2个9到3个9的供电可靠性。

②分布式光储:光伏自发自用,储能削峰填谷,免市电增容。

③绿色节能服务:通过节能改造、能效监测来优化用电行为。

④微电网技术:为无市电、市电经常停电的路段提供可靠稳定电源。

⑤购售电一体化:负荷预测、需量管理,偏差考核、辅助生产计划。

华为与业界客户、伙伴联合创新,共同发布了智慧高速能源网全场景解决方案,建设全场景光储充能源一张网,通过能源网与基础路网的融合实现高速业务节点能源互通,通过能耗可视实现供用调度,通过远程托管保证智慧运行,服务于高速全路段业务场景,打造智慧高速、零碳高速、电动高速。华为智慧充电网络以分布式光储系统为核心,能够提供极致TCO(Total Cost of Ownership,总拥有成本)与超快充电体验,实现一朵云覆盖从EV充换电到全场景充电的全智能无人自动快充,让充电更绿色、更便捷。其具有以下优点。

①让建站更容易:与传统充电网相比,CAPES下降15%,占地下降20%,电力需求下降20%;极简开站,极简扩容升级。

②让场站更赚钱:提升时间和功率利用率,极致高效;光储充一体,无人营维。③让体验更极致:功率共享提升充电满足度;云端协同使能超高在线率。

④让演进更无忧:支持超大功率演进;支持高压直流演进;支持V2X演进。

⑤对电网更友好:支持碳中和战略,通过云端协同、V2X、光储一体,使能绿色用电,电网零冲击。

⑥让安全更放心:电信级网络安全,使能整网隐私性;3级防护设计,确保人、车、桩安全。

会上,由华为技术有限公司和北京中交国通智能系统技术有限公司联合发起的“智慧高速数字能源产业联盟”正式成立并发布,旨在将领先的数字能源技术在高速领域实现创新应用,共同践行高速能源网的落地,助力“碳中和”。

ETC联网收费业务上发力

自2020年5月6日全国高速公路恢复收费以来,全国“一张网”收费系统逐步稳定。交通运输部路网监测与应急处置中心联网结算服务部副主任刘旭表示,智慧高速是“建管养运”全业务的智慧化,其建设目标是实现路网承载力倍增,现阶段需要在以下两件事上发力。

提升联网收费业务的在线化和精准化

收费业务是高速公路的生产业务,也是高速公路运营服务最核心的业务,所以高速公路联网收费业务的效率提高、服务提升是智慧高速重要的业务内容。收费业务效率的提高能够提升路网通行效率。以广州三元里收费站为例,其在改造之前每小时车流量大约是550辆,经常造成拥堵,改造后,每小时车流量达到830辆,通过收费效率的提高,实现了交通流的增长和通行效率的提升,从而实现了路网承载力的倍增。所以,以在线化和精准化为目标,对ETC收费业务进行优化提升是需要发力的第一件事,可具体分为四个方面的工作。


基础信息一张图。现在收费系统基本稳定,但基础信息和费率管理并不完善。各省在新开通收费站时都会遇到很多问题,虽然客户的投诉量已大大减少,但是“同路不同费”的投诉还时有发生。基础信息的准确、费率的准确,是收费精准、能够现场跟客户说清楚、提高通行效率最根本的一点。因此,首要工作是构建基础信息一张图,把基础信息弄明白。

收费业务准在线。现在的收费业务是离线的,导致现场有大量收费特情要处理,所以要做收费业务的准在线。

服务有图有真相。把所有收费信息都还原到一张图上,结合在线收费技术的完善,能够在收费现场有异议的时候,有图给客户看,现场告诉客户全部通行路径和计费依据,做到服务有图有真相。

稽核联动可追溯。以实现全网稽核联动可追溯为目标,在全国范围内开展通行费的稽核工作。

建立基于ETC的初步车路协同

收费系统和监控系统是高速公路两个重要的业务系统,现在两个系统独立运转,各自支撑日常的收费业务和监控业务。如果把他们融合打通,可以产生1+1>2的聚合效应。


 收费系统里有大量门架数据,这些数据除了用于收费,还可以服务于监控,为监控系统提供数据分析依据。

另一方面,可以把监控系统采集监测的事件安全预警信息推送给收费系统,借助ETC本身具有的通信功能,通过ETC门架发送给途径车辆,起到安全预警的作用。目前,ETC的OBU虽然不具备特别强大的功能,但是具备基础通信功能和蜂鸣功能,可以将接收到的交通事件信息通过蜂鸣为客户提供安全提示。现在ETC已经启动汽车前装工作,即在生产环节中将OBU模块嵌入T-BOX终端内置系统,芯片与原件共用,集成为前装一体化智能T-BOX。也就是说,用户拿到手的新车将统一标配ETC,真正实现与汽车的相连。因此,可以通过导航和车载收音机,为客户推送相关信息,提供相关出行信息服务。

未来,对于智能辅助驾驶和自动驾驶车辆,也可以将这些信息同时传输给汽车的计算单元和决策单元,以提供数据支撑。ETC本身具备车路通信能力,同时拥有路测2.6万多个门架、2.26亿的用户基础,在车路协同的技术路线中,ETC是目前成本最低、效率最高、基础最广、实现最快的一种技术路线。因此,可以同步探讨其他新技术,与ETC共同推动车路协同的发展,推动智慧高速公路的建设。

 

向车路协同商业化迈进

 近年来,交通运输部等国家相关部门连续出台相应政策,以推动车路协同在智慧高速上的研发和应用。在政策指引下,车路协同建设正在全国范围内如火如荼地进行,目前我国车路协同在部分智慧高速公路中的应用现状如下表所示。中咨泰克交通工程集团有限公司副总工程师张艳在会上对有代表性的延崇高速(北京段)、京台高速(泰安至枣庄段)、京沪高速(G2段)的车路协同应用着重进行了介绍。


延崇高速(北京段)

延崇高速(北京段)全长约33km,车路协同测试段约18km,2019年底已建成通车,是2019年世园会和2022年冬奥会的重要交通保障通道,也是交通运输部绿色公路、智慧公路、品质工程的示范路。为满足延崇高速主线路段、服务区、互通区以及隧道群区等多个应用场景的使用需求,中咨集团在设计中采用了拥有低延时、高可靠性以及高安全性的LTE-V车用无线通信技术,使车路协同与自动驾驶技术的落地应用成为可能,且已在延崇高速进行封闭环境下L4级车路协同与自动驾驶演示,为打造智慧高速提供了真实的参考数据。

京台高速(泰安至枣庄段)

京台高速(泰安至枣庄段)是山东省第一条智慧高速,全程189km,其中单向20km车路协同示范路段,预计2021年10月建成通车。该路段全线由双向4车道改扩为双向8车道;服务区、匝道分合流、桥梁等车路协同场景丰富;货车占比高达40%,最外侧建设自动驾驶专用车道,支持货车编队行驶;对于团雾多发路段,通过气象方案与车路协同方案结合来提升团雾气象下的通行安全和效率。

京沪高速(G2段)

京沪高速(G2段)是车联网先导应用环境构建及场景测试验证平台建设项目,该项目省域跨度大、应用场景多、覆盖范围长、终端体量大,预计2022年7月建成。


 在技术路线方面,以“高清摄像机+毫米波雷达融合”为主实现路测环境感知;采用“C-V2X”通信技术实现“车—路、车—云”实时通信(本阶段采用“LTE-V2X”通信技术,支持未来向5G-V2X平滑演进);遵循“路测信息实时触达(PCS)、云端信息及时下发(Uu)”的协同策略;实现高速公路及城市道路典型场景下的车路协同应用。

在建设内容方面,构建基于C-V2X的“车端大规模改造、路测全方位部署、云端一体化服务”的“人、车、路、云”协同的规模化车联网先导应用环境,实现京沪高速(G2段)车路协同跨省域应用。云端的车路协同业务有:用户出行服务、交通态势可视、交通主动管控、精准协调调度、算法训练、智能OBU发行、设备运行监测、路测软件管理、高精度地图管理等。路测的高速应用场景有:分合流安全预警及诱导场景、隧道安全预警及诱导场景、准全天候辅助通行场景、车道级差异化服务场景等。车端的建设模块有:通信模块(Uu、PC5、4G)、V2X应用模块、ETC应用模块、卫星定位模块、MCU实时处理模块、预警模块(声音和图像预警)、Wi-Fi&BT模块、硬件加密模块等。

成果与局限

各个车路协同示范项目均取得了宝贵的实践经验,验证了技术路线的可行性,为车路协同的实现提供了一定的示范效果。但分省分路段建设的示范工程仍存在局限,路线短,终端规模小,应用场景少;相互割裂,不同路段之间难以连通应用,推广难度大。


 目前车路协同在智慧高速上的应用还处于试点阶段,向真正的商业化落地阶段跨越任重道远。张艳指出,车路协同还有很多问题值得进一步探索,如云平台侧车路协同业务不明确;与现有高速收费、监控、养护业务割裂;车路协同业务对高速公路通信性能要求还不明确;路测设备产品性能各异,缺乏统一的布设原则;车路协同运营、管理、服务机制尚未建立等。

以浙苏两省建设为样板

浙江——数字化改革赋能高速公路一张网

“1+7+X”交通数字化改革总体框架
 2012年,浙江省率先提出智慧高速,从此一直走在建设智慧高速的前列。2021年3月29日,浙江省交通运输厅印发《浙江省交通数字化改革行动方案》,提出“1+7+X”总体框架,赋能高速公路“一张网”建设。

“1”是全面融入省一体化智能化公共数据平台,同时根据交通运输领域需求实际,建设一个统一的数字交通基础平台。

“7”是围绕党政机关整体智治、数字政府、数字社会、数字经济、数字法治五大方面,以业务为牵引,抓好公路、港航、机场三个条线以及工程管理、法治信用、机关智治、安全应急等四个跨条线综合业务板块的数字化改革。

“X”是在全面推进基础上,围绕重大任务进行重点突破,打造“行有所畅”“浙运安重点营运车辆智控”“智慧高速”“海上交通智控”“四港联动”“重点桥隧动态安全监测”“宁波舟山港自动化码头”“机场智慧出行”等牵一发而动全身的数字化改革集成应用。

“1+4”高速公路“一张网”总体框架

浙江省利用数字化手段搭建数据“一张网”,支撑高速公路“一张网” 业务应用,打造数字孪生公路“一张网”。高速公路“一张网”采用“1+4”总体架构,面向人、车、路、钱、事5个方向开展业务应用。

一体化数据平台:集成基础设施数据、交通信息感知数据、运营业务数据、外部接入数据等,为“一张网”业务应用提供支撑。

路网运行管控:搭建“1+N”智慧高速云控平台,基于全省高速公路网交通运行数据的实时分析,实现全省路网运行的统一管控。

出行全程服务:“浙里畅行”App提供出行信息一站式查询;省ETC中心提供费率查询;智能车载终端、手机端、路侧端多终端实现信息发布/预警;智慧服务区提供数字化导航;智慧高速App实现施救一体化;“智在行—畅行码”提供非管控路段通行证;路产赔付系统实现路产理赔一体化。

重点车辆管理:利用ETC门架、激光雷达等技术跟踪车辆行驶轨迹,获取车辆实时位置信息,可进行非法营运车辆自动识别,危化品车辆主动管理、闯入禁行路段管理,危化品车行驶集中路段分析等;通过“浙运安全码”,对驾驶员实行“亮码上岗”“扫码作业”。

通行收费稽查:自由流收费后,通行费收益的测算更加快速精准,可实现T+1的营收测算,即第二日可知上一日的通行费收益,可以产生精准的准实时车辆行驶路径,对各类异常逃费行为进行稽查。

 

江苏——数智营运打造路网数字化转型新引擎

在数字化转型成为必然趋势的新时代,高速营运业务亟需进行数字化重构。江苏路网以数智营运建设为总抓手,初定“1+7”三年数字化转型架构。其中,“1”为数智运营建设抓手,“7”为安全数字化基础建设、收费稽核数字化建设、调度智慧决策驾驶舱、出行服务数字化体验、服务区智慧化管理、新基建数字化迭代、营运数据信息化应用7个具体工作内容。建设思路为:统一一个架构——云、网、边、端一体的DT架构;打造两个平台——营运数据中台、营运业务中台;培育三大能力——数据能力、算法能力、生态能力;提优四类业务——收费稽核、调度指挥、出行服务、智能运维。

大数据平台

大数据平台即营运数据中台,实现对收费数据、路况数据、手机信令数据、ETC门架数据、两客一危等多源大数据采集的全范围、全周期、全要素覆盖,再经实时融合处理、优势互补,得到精度、覆盖率、实时性最优的数据结果,及时共享给各路桥公司或营运管理系统。其中,大数据平台处理的原始信令数据达144亿条/天、ETC门架数据2千万条/天,能够按需共享给指定的路桥公司、外部单位和营运管理系统。

收费稽核类业务

收费稽核类业务以车辆行为的精准画像(车牌搞清楚)、车辆路径的精确还原(路径搞清楚)、省界电子围栏的精确捕获(“省门”搞清楚)为三大关键点,数智赋能实时路网通行大数据获取与计算能力、车辆实时“体检”算法、逃费行为“侦查”模型三大着力点。今年,江苏开展了百日稽核专项活动,稽查逃费车辆近18万辆,核查金额1.27亿,追缴金额8132万余元。

调度指挥类业务

实时监测、智能研判:利用数据融合、深度学习、流式计算等技术手段,实现“1km”级实时拥堵监测,达到管控级别的自动告警、提醒。拥堵预测、智能预警:通过建立复杂的人工智能算法模型,结合目标路段及上下游路段的实时交通流信息与环境信息,进行合理推演、分析判断,对路网未来15~120min拥堵情况进行精准预测、提前预警。仿真推演、智能管控:针对预测将要发生拥堵的路段,基于“高速大脑”强大算力,推算拥堵可能对上下游路段造成的影响,通过智能分析和仿真推演,给出科学合理的管控策略和建议。

出行服务类业

以线上融合+线下覆盖的方式,打通投诉处理“最后一公里”。驾乘人员可以通过电话、微信公众号、在线客服等多渠道反映诉求,利用大数据平台对投诉内容进行分析、分类,根据投诉处理数据,融合收费相关数据,生成客服知识库,更精准地回答问题。根据投诉内容进行有效信息挖掘、预判,改进升级客服系统,从根源上减少投诉量。2020年通过系统累计监测各舆情和热点问题171件,形成了运营管理和系统优化的良性循环和管理闭环。

智能运维类业务

运维平台通过大数据分析对收费系统、通信系统、监控系统、门架系统以及综合管理系统等全面实现智慧监测运维。对系统运行健康、设备质量、维护效率等进行评估、分析,对维护过程、设备全生命周期进行自动化管理、标准化考核管理。下一步,江苏省将在推动加快路网基础设施转型升级,发展智慧高速与车路协同,构建跨界协同生态等方面进行探索与建设。

对新时代智慧加以思考

交通运输部公路科学研究院北京交科设计院总工程师盛刚表示,从现在到2025年,是推进智慧高速标准规范编制,推进发展计划的智慧高速建设推动阶段。基础设施数字化能力大幅提高,实现路网监测、应急处置、信息服务等应用智慧化提升,实现信息互联互通、大数据挖掘效果初显、管理可视化、信息服务多元化等。全国联网收费高效运营,车路协同初步应用。


 但对于智慧高速的发展热点,存在一些思考误区。例如,智慧高速“喊得凶”“落地少”“不成熟”,发展还为时尚早;车路协同就是自动驾驶;智慧高速“内循环”“技术/产品主导应用”“纯大企业”是近期的出路等。对此,盛刚强调,智慧高速目前正处于爆发前夜的试点、示范时期,也是重要战略机遇期,车路协同、自动驾驶等前沿技术市场仍在酝酿中;车路系统只是我国实现自动驾驶的技术路径,但车路协同不等同于自动驾驶。非自动驾驶的车路协同在高速公路上一直存在应用,只是协同程度和效率不同而已;高速公路智慧化是高速公路机电、信息化的一次跨越式飞越,技术不是万能的,普遍模式和标准没有形成之前,要靠建设+管理+养护共同推进。

汪林也对智慧高速建设给出了几点认识和思考:智慧公路的建设已得到包括建设者、运营者、使用者及社会各界的关注和认可;智慧公路的内涵在不断的试点实践中得到了丰富和升华;智慧公路是未来车路协同及自动驾驶的重要支撑,但是不等同于车路协同及自动驾驶;智慧公路的发展应结合道路自身的技术等级、路段服务需求等因素,因地制宜地发展。

凡益之道,与时偕行。我国“十四五”规划和2035年远景目标为未来交通的发展指明了航向。在“新基建”风口下,各地区纷纷投入智慧高速试点建设,各地政企积极研究相应发展路径和产品技术,把握产业数字化、数字产业化赋予的机遇。我们有理由相信,智慧高速的建设与发展定能乘势而行,乘风破浪!



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