作者：付增輝1,2，侯曉青1,3（1.河北省交通規(guī)劃設計研究院有限公司；2.交通運輸部自動駕駛技術交通行業(yè)研發(fā)中心；3.河北省車路云網工程研究中心）

摘要：智慧公路的概念從提出到試點示范到應用落地，短短幾年時間已成為交通運輸行業(yè)便民服務的重要手段之一，作為一項系統工程，頂層設計十分重要，本文從設計角度介紹延崇高速河北段智慧公路的試點建設方案的總體架構。

S3801延崇高速河北段作為北京冬奧會陸路交通保障項目，按照部廳試點建設要求，建設內容包括基礎設施數字化、路運一體化車路協同和北斗高精度定位綜合應用3項試點內容。另外，根據實際需求增加了基于大數據的路網綜合管理和“互聯網+”綜合服務的建設內容。本文對延崇高速河北段智慧公路總體架構設計方案進行探討。

一、項目背景

2018年2月28日，交通運輸部下發(fā)《交通運輸部加快推進新一代國家交通控制網和智慧公路試點》的通知。為推動新一代國家控制網及智慧公路試點有序開展，防止試點同質化、碎片化，按照交通運輸部的統一部署，北京、河北、吉林、江蘇、浙江、福建、江西、河南、廣東等九個省份重點開展了六個試點主題，如下表所示。

新一代國家控制網及智慧公路試點主題及開展省份

2018年5月，河北省交通運輸廳下發(fā)《關于推進全省交通運輸“大智移云”發(fā)展的實施意見》文件，確定由延崇高速承擔建設智慧公路試點項目，完成基礎設施數字化、路運一體化車路協同、北斗高精度定位及綜合應用試點任務，并根據需求在基于大數據的路網綜合管理與服務方面進行試點建設。

延崇高速河北段起點在松山特長隧道內與北京段順接，終點與張承高速公路張家口段相連，通過北京市興延高速，連接至北京西六環(huán)，形成河北省北部與北京市的快速通道，有力促進京津冀協同發(fā)展和扶貧攻堅戰(zhàn)略實施。同時，其也是2022年北京冬奧會延慶海坨山賽場與崇禮太子城賽場重要的陸路轉場通道。

延崇高速河北段分為主線工程、赤城支線工程和延伸線工程，智慧公路工程在主線實施。延崇高速主線工程長81.552km，跨越懷來、赤城、崇禮三縣區(qū)。采用雙向四車道高速公路標準，路基寬度26m。主線起點至赤城服務區(qū)段設計時速100km，赤城服務區(qū)至終點段設計時速80km。橋梁共計18.5km/38座，其中特大橋10.6km/8座，鋼橋占比48.5%，隧道總計49.495km/8座，其中特長隧道5座。延崇高速河北段沿線設施示意如圖1所示。

圖1 延崇高速河北段沿線設施示意圖

二、路段特點

延崇高速河北段是典型的高寒山嶺重丘區(qū)高速公路，具有以下特點。

（1）海拔落差大、隧道橋梁多。起終點地面高差達到1210m，全線橋隧占比達到56%，金家莊隧道位于螺旋展線上，迂回360度后路線高程提升112m，是目前世界上建成并投入運營的最長螺旋隧道。

（2）氣候環(huán)境惡劣，易受雨雪和冰霧影響。崇禮太子城段極限低溫為-32℃，冬季平均最低氣溫-28.3℃，平均日最大溫差19.1℃，年最大溫差將近70℃，易受雨霧和冰雪影響，對行車安全極為不利。

（3）地勢起伏大，存在長下坡路段，運營安全要求高。路線存在約30km的連續(xù)下坡路段，3處連續(xù)下坡路段縱坡超過3%，韓莊至棋盤梁螺旋展線段縱坡達到2%～2.6%。橋梁全長近20km，隧道單洞長49.495km。

（4）調頻廣播、無線通信、衛(wèi)星定位條件差。沿線調頻廣播信號覆蓋不完整，部分路段無法接收到正常調頻廣播信號；移動無線通信信號以3G信號為主，通信質量較差；衛(wèi)星定位信號較差。

（5）服務冬奧會，智能交通要求高。作為2022年冬奧會賽場間的轉場通道，轉場時間不超過1h，向全世界展示我國高速公路的服務和智能化建設水平，提供全方位智能化服務。

三、需求分析

（一）用戶需求

1、公眾

目前，高速公路安全與運行效率的態(tài)勢依然十分嚴峻。高速公路事故突發(fā)及事故嚴重性等問題突出，區(qū)域性擁堵、惡劣氣象等阻斷事件頻發(fā)，突發(fā)事件影響的時空范圍呈網絡化擴散態(tài)勢。高速和安全是高速公路的兩大特點，二者彼此關聯又相互制約。對公眾而言，道路的暢通度、安全度，信息發(fā)布的及時性、準確性以及服務區(qū)的便利性、舒適性都是他們比較關心的問題，公眾最需要的是既能安全、便捷、高效地行駛，又能獲得針對性強、品質高的出行服務。

2、冬奧會

延崇高速河北段作為北京冬奧會陸路交通保障項目，需要對道路的路面情況、車輛情況、人員情況、設備情況等進行綜合監(jiān)控、預警，確保專用通道安全、暢通；對冬奧轉場車輛要全程定位、全程跟蹤和全程可視化，確保轉場車輛安全；對冬奧保障物資進行跟蹤和追溯，保證冬奧物資及時到位；對冬奧安保工作，要與河北省、張家口市TOCC對接，做到應急信息共享、通道共享，滿足奧運需求，可向奧運安保部門提供全線的道路視頻、應急事件和救援物資、救援力量等；對冬奧賽事信息，要支持中英文及時發(fā)布，確保路段可變信息標志、服務區(qū)內的可變信息發(fā)布屏、液晶顯示屏能夠實時提供奧運賽場的相關信息。

3、行業(yè)管理單位

行業(yè)管理單位需要準確掌握交通運輸宏觀信息，進行交通行業(yè)運行監(jiān)測與預警、綜合交通專題監(jiān)測與預警、綜合交通運行協調與指揮、綜合交通方案決策、綜合交通公眾信息服務、交通信息資源管理、數據交換共享服務、行業(yè)信息化基礎條件集成、行業(yè)信息資源整合共享等。

4、路段運營管理單位

路段運營管理單位肩負著全線路產路權維護、設備維護、交通運行狀態(tài)及時獲取、阻斷信息報送等責任，需要通過智慧公路建設，以信息化、智能化的手段輔助其開展日常、應急條件下的各項工作；需要依托全路的實際交通情況輔助管理者決策；需要提供全路范圍的信息服務，包括實時路況信息、環(huán)境信息、交通管控信息、施工信息、重大交通事件、車道速度建議等。

（二）功能需求

1、感知需求

實時掌握高速公路的實際道路運行狀況是保證公路運營管理和應急處置決策科學性和合理性的前提，延崇高速河北段需要掌握高速公路交通運行狀況（交通流量、平均速度、擁堵程度等）、突發(fā)事件情況、安全環(huán)境狀況（能見度、積雪、結冰、路面狀況等），能夠對路網交通運行狀態(tài)、惡劣天氣進行初步分析，對可能造成的突發(fā)事件進行預警，為公路應急處置管理機構提供及時、有效的報警信息。

2、傳輸需求

高速公路傳輸網將為信息感知、設備運維、應急處置、智能收費、車路協同等業(yè)務提供通信服務，確保高速公路前、后端信息對稱，使得利用信息技術提高高速行駛安全性、管理效率和應急處置響應速度成為可能。

3、決策需求

隨著感知體系的建立，將實時產生大量數據，如何對這些海量、多源、異構數據進行管理、整合、處理，挖掘蘊含其中的有用信息，是高速公路管理和運營部門面臨的普遍問題。因此，迫切需要建立一個數據中心對海量數據進行管理、分析和挖掘，開發(fā)一套有效、實用的數據分析處理系統，形成支持管理決策制定的有用信息，全面提升高速公路運營管理水平和應急處置能力。

4、服務需求

服務是智慧公路建設的最終目的，高速公路服務水平必須與人民群眾日益提高的生活品質相適應，利用信息化手段，逐步提高高速公路智能化水平，豐富服務方式，整合服務資源，提高個性化、伴隨式綜合服務能力，為公眾提供安全、便捷、暢通的出行服務。

四、建設目標

延崇高速河北段以“智慧設施、智慧決策、智慧管控和智慧服務”為手段，以建設“三示范、三體驗、五亮點、三服務”的智慧公路為目標。

三示范：以智慧理念引領“綠色、科技、智慧公路”3項示范工程。

三體驗：打造“車路協同、智能誘導、高精定位”3種出行體驗。

五亮點：實現5個“國內第一條”。即第一條支撐奧運標準的智慧化高速公路、第一條實現全要素物聯網集群監(jiān)測的數字化高速公路、第一條運營開放路段的車路協同示范高速公路、第一條基于視覺的隧道智能綜合誘導高速公路、第一條北斗衛(wèi)星信號和5G信號全覆蓋的高速公路。

三服務：服務于公眾、服務于冬奧會、服務于管理者。

五、總體架構

延崇智慧公路總體架構在標準規(guī)范、安全保證和運營保障的基礎上，以“三示范、三體驗、五亮點、三服務”為目標，構建智慧感知層、信息傳輸層、數據中心層和應用服務層，如圖2所示。

圖2 延崇智慧公路方案總體架構圖

智慧感知層：采集各類數據并上傳數據中心，包括公路基礎設施固有靜態(tài)數據、外場各類檢測設施的動態(tài)數據、養(yǎng)護和路政部門的數據、社會其他行業(yè)共享的實時及預測數據等。

信息傳輸層：負責信息傳輸，包括光纖傳輸網絡、無線傳輸網絡以及將信息傳遞給用戶的前端系統。沿線建設20Ge帶寬的PTN分組傳送網，實現了5G信號的全線覆蓋（含隧道）。

數據中心層：實現公路靜態(tài)數據、動態(tài)數據、業(yè)務管理數據、應用主題數據、異構多元數據的匯集、清洗、整合、存儲、分析、計算和利用，以及數據中心的軟件支撐平臺、硬件支撐平臺、數據共享交流平臺、內部處理平臺和外部對接平臺。

應用服務層：通過數據中心之上的應用系統實現人、車、路、環(huán)境的信息交互和應用場景實現，為管理者、出行者、冬奧會提供智慧服務，為奧運安保、省TOCC提供對接服務，包括高速公路綜合業(yè)務管理、應急處置、智能化輔助決策、高速公路出行信息服務、冬奧會安保服務及其他需求對接以及省市TOCC對接等服務。

六、建設內容

延崇智慧公路試點項目是在常規(guī)機電工程的基礎上進行升級，項目完成后，將常規(guī)機電工程納入到智慧公路系統中統一運行。延崇智慧公路建設內容如圖3所示。

圖3 智慧公路試點項目總體結構圖

智慧公路試點項目包括基礎設施數字化、路運一體化車路協同、北斗高精度定位綜合應用、基于大數據的路網綜合管理和“互聯網+”路網綜合服務系統。

（一）基礎設施數字化

基于3DGIS+BIM技術建設數字延崇，疊加物聯網集群監(jiān)測信息，實現基礎設施全生命周期的充分信息表達、三維顯示以及協同作業(yè)，為路段設施資產動態(tài)管理、安全狀態(tài)自動監(jiān)測、養(yǎng)護管理智能決策提供支撐。全線建設3座大橋、3座特大橋和3座特長隧道典型構造物的健康監(jiān)測系統，以點帶線，運用集群監(jiān)測與大數據推理技術，實現全線特殊構造物健康狀況的監(jiān)測、分析和預警。

（二）路運一體化車路協同

基于路側智能基站、車載終端等硬件設施，構建車路協同出行服務系統和智能交通管控系統，形成管控與信息一體化的新一代智能交通解決方案。在韓莊樞紐互通至太子城互通區(qū)間建設C-V2X車路協同系統示范路段，構建安全、高效、可預測的交通運行環(huán)境，滿足車輛駕駛等級自動化分級不低于4級的測試和運營。車路協同路段覆蓋互通、橋梁、服務區(qū)、隧道（含金家莊螺旋隧道）、收費站等設施，重點驗證效率類和安全類13項應用場景，探索車路協同在隧道內的輔助定位和具體應用。

（三）北斗高精度定位綜合應用

建設北斗地基增強系統和隧道北斗導航信號擴展定位系統，一般路段定位精度為亞米級；隧道內北斗衛(wèi)星信號全覆蓋，一般車輛不丟星，特殊車輛定位精度為5～8m，服務于“兩客一危一重”等特殊車輛，實現隧道內車輛軌跡的連續(xù)，具有普世惠眾效果；構建基于北斗的高速公路應急救援一體化管理系統，實現事故情況下車輛人員的迅速定位與救援力量的動態(tài)調度和區(qū)域協同。隧道北斗導航信號擴展定位系統結構示意如圖4所示。

圖4 北斗隧道定位信號擴展位系統結構示意圖

（四）基于大數據的路網綜合管理

大數據是智慧公路的靈魂。建設面向服務的彈性云數據中心，結合業(yè)務需求構建隨需擴展的私有云和隨需租用的公有云，在保證數據安全可控的前提下，盡可能利用公有云以降低后期運營成本；通過數據賦能的綜合管理平臺向公眾、管理者和冬奧會提供不同應用場景的服務；通過大數據展示平臺，構建集監(jiān)控、應急、指揮和調度為一體的視覺體驗；利用四維實景仿真技術，將道路的靜態(tài)數據和實時的動態(tài)數據相結合，以場景化展示方式構建靈活多樣的監(jiān)控模式；綜合運用環(huán)境采集與監(jiān)測手段，實現高寒地區(qū)路面結冰的實時監(jiān)測與道路保暢；在應急狀態(tài)下，通過大數據的自學習功能，構建閉環(huán)管理模式，不斷完善控制方案和應急預案，滿足智慧應急的建設要求。延崇高速混合云架構系統構成示意如圖5所示，延崇高速“智慧大腦”構成示意如圖6所示。

圖5 延崇高速混合云架構系統構成示意圖圖

6 延崇高速“智慧大腦”構成示意圖

（五）“互聯網+”路網綜合服務

“互聯網+”路網綜合服務利用互聯網技術，打破了傳統機電工程以路段自建信息采集與服務為主的自用服務模式，以開放思維，主動對接互聯網，構建了更加廣泛的信息采集渠道和服務受眾。建設內容主要包括智慧隧道綜合誘導系統、精準氣象分析預警及應用、迭代升級的5G創(chuàng)新應用，智慧服務區(qū)和持續(xù)優(yōu)化的公眾、冬奧會和管理者服務。延崇高速“三服務”構成示意如圖7所示。

圖7 延崇高速“三服務”構成示意圖

七、結束語

智慧公路建設應以項目實際需求為導向、以公眾出行服務為指引、以道路綠色通行安全為根本、以管理提質增效為抓手、以設施自建自用為基礎、以信息共享互聯為突破，打破傳統定勢，擁抱互聯網+開放思維，構建數據互通、共融、共享的信息交互、服務體系。在探索智慧公路建設的務實應用場景和商業(yè)閉環(huán)模式實踐中，切忌貪大求全、貪新求尖，堅持求真務實、重抓落地、持續(xù)完善，建設人民滿意的交通運輸體系。同時，還應清醒認識到，智慧公路建設只有起點，沒有終點，“智慧大腦”中的數據、算法、模型、預案、知識體系等將持續(xù)迭代升級并日臻完善，逐步接近類腦智能。

（原文刊載于2022年第3期《中國交通信息化》）