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智慧高速 乘風破浪——聚焦數字化浪潮下智慧高速的建設與發展

發布時間:2021-10-12 13:57

(原文刊載于2021年第8期《中國交通信息化》)

“新基建”東風勁吹之下,“數字化”浪潮迅猛來襲?!笆奈濉遍_局之年,我國智慧高速的建設按下了加速鍵。


 “十四五”提出打造數字中國,意味著我國高速公路的發展邁入了數字化轉型新時代。隨著《數字交通發展規劃綱要》《交通強國建設綱要》《推進綜合交通運輸大數據發展行動綱要(2020-2025年)》等指導文件相繼發布,高速公路的數字化轉型迎來了前所未有的發展機遇。在此背景下,如何乘“新基建”之風,破“數字化”之浪,聚焦新時代智慧高速的建設與發展,在第二十三屆中國高速公路信息化大會上,與會專家們對此進行了分析探討。

從基礎設施數字化著手

公路基礎設施數字化是未來智慧公路發展的方向和基礎。2021年國務院印發的《國家綜合立體交通網規劃綱要》明確,到2035年,我國交通基礎設施的數字化率要達到90%,在開展新興基礎設施建設的同時,也要求加快既有設施的智能化改造。我國現有高速公路里程為16.1萬公里,路網體系龐大,如何開展這項難度大的工作,交通運輸部公路科學研究院智能交通研究中心主任汪林發表了看法。

數字化內涵

高速公路基礎設施數字化即在公路交通系統中深入運用數字技術,在計算機系統中構建一個全感知、全聯接、全場景、全智能的數字公路世界,進而優化再造公路交通系統的各項業務,對傳統公路交通系統的運營管理模式、服務模式、商業模式進行創新和重塑,實現行業的轉型升級。其內涵如下。


 第一,將交通基礎設施和信息技術進行深度融合,通過信息技術改變現有交通基礎設施功能,提升設施運營效率,并將其融合到日常業務中,更好地為交通服務。

針對設施的不同屬性信息進行數字化。將空間屬性、功能屬性、狀態屬性等復雜多變的信息轉變為可以度量的特征數據。

對不同的設施層次建立與其需求相適應的數字化模型。對包括路、橋、隧以及一些附屬設施的交通設施,根據其特點和應用場景建立相應的數字化模型,在現實中進行計算處理,并采取相應措施。

公路基礎設施數字化就是要推動公路交通基礎設施從他感知、被感知向可感知、自感知轉變,更便捷、更精準地獲取前段數據,再通過數字化平臺和車路協同系統進行發布,讓道路使用者知道“路上有什么”,讓管理決策者知道“車在干什么”。

數字化需求

公路基礎設施數字化要滿足很多需求,如公路網運行監測與服務暫行技術需求、公路基礎設施統計分析需求、公路養護及資產管理數據需求、自動駕駛車輛環境識別需求、精細化管理與服務業務需求、車路協同基礎設施數據交通需求等。其中,構建面向自動駕駛、精細化管理服務的特征數據集是所有需求中的最高目標。

數字化體系

公路交通基礎設施數字化體系如下圖所示。從全要素角度來看,在體系建設中應重點考慮進行要素的全覆蓋,如道路基礎設施、附屬設施、臨時設施、狀態信息等內容;從全周期角度來說,要從規劃,到設計,再到建造、養護、運營,通過數字化鏈條把整個周期串聯起來;對于全業務,不僅要支持全功能應用,還要對應用的開發進行梳理排序。

數字化實施

勘察設計數字化:以勘察設計數字化交付為核心,提升地質勘察和各專業設計的自動化水平,打通不同設計軟件之間的數據壁壘,實現各專業協同設計,從單一圖紙交付方式向“圖紙、模型和數據”融合交付轉變,推動設計建造一體化。


施工建造數字化:以施工建造自動化、智能化為核心,推動新一代信息技術與現代工程管理融合,將數字化技術滲透至施工生產和管理各個環節,提升施工資源優化配置能力,提升行業數字化監管能力,優化建設市場信用評價體系,推動交竣工資料數字化。

養護管理數字化:以數據驅動的養護管理為核心,基于勘察設計、施工建造期間沉淀的數據,與運營養護期的數據融合,實現自動化、數字化的基礎設施巡檢;病害檢測、質量溯源、跟蹤、處置全過程管理;技術狀況全程監控掌握;病害與評論結果對比跟蹤;科學管理養護維修。

運營管理數字化:以全息感知、精準研判、伴隨服務為核心,基于建管養全生命周期數據的高精度感知、實時可靠交互和深度挖掘分析,實現運營安全的數字化、應急調度的智能化,支持交通運輸組織形態和服務模式創新。

朝數字能源綠色化加速

為了應對全球變暖的氣候變化,我國正式提出2030年實現“碳達峰”、2060年實現“碳中和”的戰略目標。交通運輸行業是實現戰略目標的關鍵領域,在“新基建”推動基礎設施數字化轉型和“四網融合”交通強國戰略的大環境下,綠色、高效的高速能源網的建設提上了日程。


 智慧高速能源具有“點—線—面”多場景多模式、用電不均勻的供應特點,面臨用電需求規模劇增、市電供應資源有限、管控效率亟待提升、用電成本居高不下、能源應用復雜多變等多方面挑戰。據華為技術有限公司數字能源產品線副總裁彭建華介紹,基于以上現狀,華為提出建設“綠色可靠,降本增效”的高速能源網,一方面,充分利用高速公路沿線空間資源,布設太陽能、風能等發電設施;一方面,優化配置供配電系統,實現對傳感通信控制網綠色、可靠供電功能的能源供給設施設備網絡。以供電可靠性、用能經濟型、節能優化、方便運維為業務向導,打通從發電到用電的高速全鏈路瓦特流,通過云端協同,打造極簡、綠色、智慧、可靠的高速能源網。需要具備的主要特點如下。

①調度自動化:構建一個鏈式的微電網供電網絡,通過配電自動化,實現2個9到3個9的供電可靠性。

②分布式光儲:光伏自發自用,儲能削峰填谷,免市電增容。

③綠色節能服務:通過節能改造、能效監測來優化用電行為。

④微電網技術:為無市電、市電經常停電的路段提供可靠穩定電源。

⑤購售電一體化:負荷預測、需量管理,偏差考核、輔助生產計劃。

華為與業界客戶、伙伴聯合創新,共同發布了智慧高速能源網全場景解決方案,建設全場景光儲充能源一張網,通過能源網與基礎路網的融合實現高速業務節點能源互通,通過能耗可視實現供用調度,通過遠程托管保證智慧運行,服務于高速全路段業務場景,打造智慧高速、零碳高速、電動高速。華為智慧充電網絡以分布式光儲系統為核心,能夠提供極致TCO(Total Cost of Ownership,總擁有成本)與超快充電體驗,實現一朵云覆蓋從EV充換電到全場景充電的全智能無人自動快充,讓充電更綠色、更便捷。其具有以下優點。

①讓建站更容易:與傳統充電網相比,CAPES下降15%,占地下降20%,電力需求下降20%;極簡開站,極簡擴容升級。

②讓場站更賺錢:提升時間和功率利用率,極致高效;光儲充一體,無人營維。③讓體驗更極致:功率共享提升充電滿足度;云端協同使能超高在線率。

④讓演進更無憂:支持超大功率演進;支持高壓直流演進;支持V2X演進。

⑤對電網更友好:支持碳中和戰略,通過云端協同、V2X、光儲一體,使能綠色用電,電網零沖擊。

⑥讓安全更放心:電信級網絡安全,使能整網隱私性;3級防護設計,確保人、車、樁安全。

會上,由華為技術有限公司和北京中交國通智能系統技術有限公司聯合發起的“智慧高速數字能源產業聯盟”正式成立并發布,旨在將領先的數字能源技術在高速領域實現創新應用,共同踐行高速能源網的落地,助力“碳中和”。

ETC聯網收費業務上發力

自2020年5月6日全國高速公路恢復收費以來,全國“一張網”收費系統逐步穩定。交通運輸部路網監測與應急處置中心聯網結算服務部副主任劉旭表示,智慧高速是“建管養運”全業務的智慧化,其建設目標是實現路網承載力倍增,現階段需要在以下兩件事上發力。

提升聯網收費業務的在線化和精準化

收費業務是高速公路的生產業務,也是高速公路運營服務最核心的業務,所以高速公路聯網收費業務的效率提高、服務提升是智慧高速重要的業務內容。收費業務效率的提高能夠提升路網通行效率。以廣州三元里收費站為例,其在改造之前每小時車流量大約是550輛,經常造成擁堵,改造后,每小時車流量達到830輛,通過收費效率的提高,實現了交通流的增長和通行效率的提升,從而實現了路網承載力的倍增。所以,以在線化和精準化為目標,對ETC收費業務進行優化提升是需要發力的第一件事,可具體分為四個方面的工作。


基礎信息一張圖。現在收費系統基本穩定,但基礎信息和費率管理并不完善。各省在新開通收費站時都會遇到很多問題,雖然客戶的投訴量已大大減少,但是“同路不同費”的投訴還時有發生?;A信息的準確、費率的準確,是收費精準、能夠現場跟客戶說清楚、提高通行效率最根本的一點。因此,首要工作是構建基礎信息一張圖,把基礎信息弄明白。

收費業務準在線。現在的收費業務是離線的,導致現場有大量收費特情要處理,所以要做收費業務的準在線。

服務有圖有真相。把所有收費信息都還原到一張圖上,結合在線收費技術的完善,能夠在收費現場有異議的時候,有圖給客戶看,現場告訴客戶全部通行路徑和計費依據,做到服務有圖有真相。

稽核聯動可追溯。以實現全網稽核聯動可追溯為目標,在全國范圍內開展通行費的稽核工作。

建立基于ETC的初步車路協同

收費系統和監控系統是高速公路兩個重要的業務系統,現在兩個系統獨立運轉,各自支撐日常的收費業務和監控業務。如果把他們融合打通,可以產生1+1>2的聚合效應。


 收費系統里有大量門架數據,這些數據除了用于收費,還可以服務于監控,為監控系統提供數據分析依據。

另一方面,可以把監控系統采集監測的事件安全預警信息推送給收費系統,借助ETC本身具有的通信功能,通過ETC門架發送給途徑車輛,起到安全預警的作用。目前,ETC的OBU雖然不具備特別強大的功能,但是具備基礎通信功能和蜂鳴功能,可以將接收到的交通事件信息通過蜂鳴為客戶提供安全提示?,F在ETC已經啟動汽車前裝工作,即在生產環節中將OBU模塊嵌入T-BOX終端內置系統,芯片與原件共用,集成為前裝一體化智能T-BOX。也就是說,用戶拿到手的新車將統一標配ETC,真正實現與汽車的相連。因此,可以通過導航和車載收音機,為客戶推送相關信息,提供相關出行信息服務。

未來,對于智能輔助駕駛和自動駕駛車輛,也可以將這些信息同時傳輸給汽車的計算單元和決策單元,以提供數據支撐。ETC本身具備車路通信能力,同時擁有路測2.6萬多個門架、2.26億的用戶基礎,在車路協同的技術路線中,ETC是目前成本最低、效率最高、基礎最廣、實現最快的一種技術路線。因此,可以同步探討其他新技術,與ETC共同推動車路協同的發展,推動智慧高速公路的建設。

 

向車路協同商業化邁進

 近年來,交通運輸部等國家相關部門連續出臺相應政策,以推動車路協同在智慧高速上的研發和應用。在政策指引下,車路協同建設正在全國范圍內如火如荼地進行,目前我國車路協同在部分智慧高速公路中的應用現狀如下表所示。中咨泰克交通工程集團有限公司副總工程師張艷在會上對有代表性的延崇高速(北京段)、京臺高速(泰安至棗莊段)、京滬高速(G2段)的車路協同應用著重進行了介紹。


延崇高速(北京段)

延崇高速(北京段)全長約33km,車路協同測試段約18km,2019年底已建成通車,是2019年世園會和2022年冬奧會的重要交通保障通道,也是交通運輸部綠色公路、智慧公路、品質工程的示范路。為滿足延崇高速主線路段、服務區、互通區以及隧道群區等多個應用場景的使用需求,中咨集團在設計中采用了擁有低延時、高可靠性以及高安全性的LTE-V車用無線通信技術,使車路協同與自動駕駛技術的落地應用成為可能,且已在延崇高速進行封閉環境下L4級車路協同與自動駕駛演示,為打造智慧高速提供了真實的參考數據。

京臺高速(泰安至棗莊段)

京臺高速(泰安至棗莊段)是山東省第一條智慧高速,全程189km,其中單向20km車路協同示范路段,預計2021年10月建成通車。該路段全線由雙向4車道改擴為雙向8車道;服務區、匝道分合流、橋梁等車路協同場景豐富;貨車占比高達40%,最外側建設自動駕駛專用車道,支持貨車編隊行駛;對于團霧多發路段,通過氣象方案與車路協同方案結合來提升團霧氣象下的通行安全和效率。

京滬高速(G2段)

京滬高速(G2段)是車聯網先導應用環境構建及場景測試驗證平臺建設項目,該項目省域跨度大、應用場景多、覆蓋范圍長、終端體量大,預計2022年7月建成。


 在技術路線方面,以“高清攝像機+毫米波雷達融合”為主實現路測環境感知;采用“C-V2X”通信技術實現“車—路、車—云”實時通信(本階段采用“LTE-V2X”通信技術,支持未來向5G-V2X平滑演進);遵循“路測信息實時觸達(PCS)、云端信息及時下發(Uu)”的協同策略;實現高速公路及城市道路典型場景下的車路協同應用。

在建設內容方面,構建基于C-V2X的“車端大規模改造、路測全方位部署、云端一體化服務”的“人、車、路、云”協同的規?;嚶摼W先導應用環境,實現京滬高速(G2段)車路協同跨省域應用。云端的車路協同業務有:用戶出行服務、交通態勢可視、交通主動管控、精準協調調度、算法訓練、智能OBU發行、設備運行監測、路測軟件管理、高精度地圖管理等。路測的高速應用場景有:分合流安全預警及誘導場景、隧道安全預警及誘導場景、準全天候輔助通行場景、車道級差異化服務場景等。車端的建設模塊有:通信模塊(Uu、PC5、4G)、V2X應用模塊、ETC應用模塊、衛星定位模塊、MCU實時處理模塊、預警模塊(聲音和圖像預警)、Wi-Fi&BT模塊、硬件加密模塊等。

成果與局限

各個車路協同示范項目均取得了寶貴的實踐經驗,驗證了技術路線的可行性,為車路協同的實現提供了一定的示范效果。但分省分路段建設的示范工程仍存在局限,路線短,終端規模小,應用場景少;相互割裂,不同路段之間難以連通應用,推廣難度大。


 目前車路協同在智慧高速上的應用還處于試點階段,向真正的商業化落地階段跨越任重道遠。張艷指出,車路協同還有很多問題值得進一步探索,如云平臺側車路協同業務不明確;與現有高速收費、監控、養護業務割裂;車路協同業務對高速公路通信性能要求還不明確;路測設備產品性能各異,缺乏統一的布設原則;車路協同運營、管理、服務機制尚未建立等。

以浙蘇兩省建設為樣板

浙江——數字化改革賦能高速公路一張網

“1+7+X”交通數字化改革總體框架
 2012年,浙江省率先提出智慧高速,從此一直走在建設智慧高速的前列。2021年3月29日,浙江省交通運輸廳印發《浙江省交通數字化改革行動方案》,提出“1+7+X”總體框架,賦能高速公路“一張網”建設。

“1”是全面融入省一體化智能化公共數據平臺,同時根據交通運輸領域需求實際,建設一個統一的數字交通基礎平臺。

“7”是圍繞黨政機關整體智治、數字政府、數字社會、數字經濟、數字法治五大方面,以業務為牽引,抓好公路、港航、機場三個條線以及工程管理、法治信用、機關智治、安全應急等四個跨條線綜合業務板塊的數字化改革。

“X”是在全面推進基礎上,圍繞重大任務進行重點突破,打造“行有所暢”“浙運安重點營運車輛智控”“智慧高速”“海上交通智控”“四港聯動”“重點橋隧動態安全監測”“寧波舟山港自動化碼頭”“機場智慧出行”等牽一發而動全身的數字化改革集成應用。

“1+4”高速公路“一張網”總體框架

浙江省利用數字化手段搭建數據“一張網”,支撐高速公路“一張網” 業務應用,打造數字孿生公路“一張網”。高速公路“一張網”采用“1+4”總體架構,面向人、車、路、錢、事5個方向開展業務應用。

一體化數據平臺:集成基礎設施數據、交通信息感知數據、運營業務數據、外部接入數據等,為“一張網”業務應用提供支撐。

路網運行管控:搭建“1+N”智慧高速云控平臺,基于全省高速公路網交通運行數據的實時分析,實現全省路網運行的統一管控。

出行全程服務:“浙里暢行”App提供出行信息一站式查詢;省ETC中心提供費率查詢;智能車載終端、手機端、路側端多終端實現信息發布/預警;智慧服務區提供數字化導航;智慧高速App實現施救一體化;“智在行—暢行碼”提供非管控路段通行證;路產賠付系統實現路產理賠一體化。

重點車輛管理:利用ETC門架、激光雷達等技術跟蹤車輛行駛軌跡,獲取車輛實時位置信息,可進行非法營運車輛自動識別,?;奋囕v主動管理、闖入禁行路段管理,?;奋囆旭偧新范畏治龅?;通過“浙運安全碼”,對駕駛員實行“亮碼上崗”“掃碼作業”。

通行收費稽查:自由流收費后,通行費收益的測算更加快速精準,可實現T+1的營收測算,即第二日可知上一日的通行費收益,可以產生精準的準實時車輛行駛路徑,對各類異常逃費行為進行稽查。

 

江蘇——數智營運打造路網數字化轉型新引擎

在數字化轉型成為必然趨勢的新時代,高速營運業務亟需進行數字化重構。江蘇路網以數智營運建設為總抓手,初定“1+7”三年數字化轉型架構。其中,“1”為數智運營建設抓手,“7”為安全數字化基礎建設、收費稽核數字化建設、調度智慧決策駕駛艙、出行服務數字化體驗、服務區智慧化管理、新基建數字化迭代、營運數據信息化應用7個具體工作內容。建設思路為:統一一個架構——云、網、邊、端一體的DT架構;打造兩個平臺——營運數據中臺、營運業務中臺;培育三大能力——數據能力、算法能力、生態能力;提優四類業務——收費稽核、調度指揮、出行服務、智能運維。

大數據平臺

大數據平臺即營運數據中臺,實現對收費數據、路況數據、手機信令數據、ETC門架數據、兩客一危等多源大數據采集的全范圍、全周期、全要素覆蓋,再經實時融合處理、優勢互補,得到精度、覆蓋率、實時性最優的數據結果,及時共享給各路橋公司或營運管理系統。其中,大數據平臺處理的原始信令數據達144億條/天、ETC門架數據2千萬條/天,能夠按需共享給指定的路橋公司、外部單位和營運管理系統。

收費稽核類業務

收費稽核類業務以車輛行為的精準畫像(車牌搞清楚)、車輛路徑的精確還原(路徑搞清楚)、省界電子圍欄的精確捕獲(“省門”搞清楚)為三大關鍵點,數智賦能實時路網通行大數據獲取與計算能力、車輛實時“體檢”算法、逃費行為“偵查”模型三大著力點。今年,江蘇開展了百日稽核專項活動,稽查逃費車輛近18萬輛,核查金額1.27億,追繳金額8132萬余元。

調度指揮類業務

實時監測、智能研判:利用數據融合、深度學習、流式計算等技術手段,實現“1km”級實時擁堵監測,達到管控級別的自動告警、提醒。擁堵預測、智能預警:通過建立復雜的人工智能算法模型,結合目標路段及上下游路段的實時交通流信息與環境信息,進行合理推演、分析判斷,對路網未來15~120min擁堵情況進行精準預測、提前預警。仿真推演、智能管控:針對預測將要發生擁堵的路段,基于“高速大腦”強大算力,推算擁堵可能對上下游路段造成的影響,通過智能分析和仿真推演,給出科學合理的管控策略和建議。

出行服務類業

以線上融合+線下覆蓋的方式,打通投訴處理“最后一公里”。駕乘人員可以通過電話、微信公眾號、在線客服等多渠道反映訴求,利用大數據平臺對投訴內容進行分析、分類,根據投訴處理數據,融合收費相關數據,生成客服知識庫,更精準地回答問題。根據投訴內容進行有效信息挖掘、預判,改進升級客服系統,從根源上減少投訴量。2020年通過系統累計監測各輿情和熱點問題171件,形成了運營管理和系統優化的良性循環和管理閉環。

智能運維類業務

運維平臺通過大數據分析對收費系統、通信系統、監控系統、門架系統以及綜合管理系統等全面實現智慧監測運維。對系統運行健康、設備質量、維護效率等進行評估、分析,對維護過程、設備全生命周期進行自動化管理、標準化考核管理。下一步,江蘇省將在推動加快路網基礎設施轉型升級,發展智慧高速與車路協同,構建跨界協同生態等方面進行探索與建設。

對新時代智慧加以思考

交通運輸部公路科學研究院北京交科設計院總工程師盛剛表示,從現在到2025年,是推進智慧高速標準規范編制,推進發展計劃的智慧高速建設推動階段?;A設施數字化能力大幅提高,實現路網監測、應急處置、信息服務等應用智慧化提升,實現信息互聯互通、大數據挖掘效果初顯、管理可視化、信息服務多元化等。全國聯網收費高效運營,車路協同初步應用。


 但對于智慧高速的發展熱點,存在一些思考誤區。例如,智慧高速“喊得兇”“落地少”“不成熟”,發展還為時尚早;車路協同就是自動駕駛;智慧高速“內循環”“技術/產品主導應用”“純大企業”是近期的出路等。對此,盛剛強調,智慧高速目前正處于爆發前夜的試點、示范時期,也是重要戰略機遇期,車路協同、自動駕駛等前沿技術市場仍在醞釀中;車路系統只是我國實現自動駕駛的技術路徑,但車路協同不等同于自動駕駛。非自動駕駛的車路協同在高速公路上一直存在應用,只是協同程度和效率不同而已;高速公路智慧化是高速公路機電、信息化的一次跨越式飛越,技術不是萬能的,普遍模式和標準沒有形成之前,要靠建設+管理+養護共同推進。

汪林也對智慧高速建設給出了幾點認識和思考:智慧公路的建設已得到包括建設者、運營者、使用者及社會各界的關注和認可;智慧公路的內涵在不斷的試點實踐中得到了豐富和升華;智慧公路是未來車路協同及自動駕駛的重要支撐,但是不等同于車路協同及自動駕駛;智慧公路的發展應結合道路自身的技術等級、路段服務需求等因素,因地制宜地發展。

凡益之道,與時偕行。我國“十四五”規劃和2035年遠景目標為未來交通的發展指明了航向。在“新基建”風口下,各地區紛紛投入智慧高速試點建設,各地政企積極研究相應發展路徑和產品技術,把握產業數字化、數字產業化賦予的機遇。我們有理由相信,智慧高速的建設與發展定能乘勢而行,乘風破浪!



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