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國際觀察|數字時代的智慧高速公路全球趨勢


老徐說交通編者按:智慧高速作為新一代信息技術與交通運輸深度融合的重要載體,在提升高速公路運輸效能、培育新興產業等方面戰略作用明顯,世界各國爭...

- 2020年10月21日21時55分
- 科學文摘 / 老徐說交通

編者按:智慧高速作為新一代信息技術與交通運輸深度融合的重要載體,在提升高速公路運輸效能、培育新興產業等方面戰略作用明顯,世界各國爭先加快技術研發與應用。

本文在深入分析全球智慧高速建設現狀的基礎上,梳理研判智慧高速發展趨勢,提出智慧高速建設的相關建議,為行業發展提供參考。

一、全球智慧高速總體發展情況

以5G、雲計算、人工智能等數字技術主導的世界新一輪科技革命方興未艾,智慧高速作為智能交通領域的新型數字基礎設施,已成為世界交通強國爭相加快部署的熱點。

當前國內外在智慧高速方面的推進主要關注無人駕駛、車路協同、自動化監測、智慧化運營管控和出行誘導服務等方面,但總體上行業對智慧高速內涵理解不同,尚未形成統一的共識。

世界各國結合新興技術發展趨勢及發展訴求,積極推進高速公路傳統機電系統升級,例如開展基於多傳感器融合的超視距感知、交通流運行規律挖掘及短時預測、智能主動管控、車路協同、長壽命新型道路材料、無線充電等技術研究及試點應用,加快探索智慧高速發展路徑,搶占新技術融合應用和智慧高速發展的制高點。

圖1 全球範圍智慧高速公路探索

(一)美國:以高速公路為載體開展車路協同、自動駕駛新技術探索

通過730萬起交通事故的分析和統計, 美國高速公路管理局(NHTSA)預測車聯網系統部署能夠減少近80%的車輛碰撞事故。

為著力強化高速公路運行安全,美國持續開展基於5.9GHz短程無線通信技術的車聯網產品研究,尤其是惡劣環境條件下的大載重貨物運輸車輛防碰撞應用。

重點推進專用無線通信帶寬設置、路測RSU及車載OBU設備、超視距感知協同等技術研究,當前開展車輛網設備部署應用的州已超過50%,並在相關高速公路開展智能網聯汽車測試。

圖2 聚焦車輛碰撞防護,美國積極布設車路協同設備

(截止2019年5月,已覆蓋50%的州)

作為高速公路車聯網重點試點項目之一,懷俄明州交通部針對I-80州際高速公路重型卡車流量大,冬季暴雪大風碰撞事故高發等問題,開展車車交互、車地通信部署,提供行進前方碰撞警告、道路運行態勢感知、事故區域警告、天氣影響分析、險情通知等5項功能應用,當前已完成400輛高頻卡車(包括150輛高頻重型運營卡車、100輛交通局車隊、150輛掃雪車及巡邏車)以及75個路側節點布設。

圖3 美國主要貨物運輸廊道

(俄懷明州南部I-80高速公路)車聯網試點方案

圖 4 I-80高速公路車聯網試點功能

(二)日本:依托ETC2.0,推進高速公路智能化管理服務

日本圍繞智慧公路(SMART WAY)建設目標,推進車路設備有序迭代,逐步構建高速公路車路協同體系。

在融合道路交通信息通信系統(VICS)和ETC不停車收費系統功能基礎上,推出世界首款DSRC大容量雙向通信設備ITS Spot,提供擁堵預測及路徑規劃、特殊車輛運行規律及軌跡追溯、動態費率調整、異常駕駛行為識別等智能出行引導及運營管理服務。

2016年正式提供ETC2.0服務,全國高速公路累計完成1700個路側設備部署。

以高速公路動態費率為例,面向城市擁堵緩解,通過接入ETC車輛軌跡數據分析路網通行態勢,主動引導車輛繞行外環高速,並結合擁擠情況提供約50%的通行費用折扣,有效疏解城市內部道路擁擠情況。

同時支持高速公路運行規律分析,通過車速變化特征精准識別路網瓶頸節點,為及時有效的應急救援、基礎設施優化提供指導。

圖5 日本車路設備演進

(三)歐洲:以主動交通管控為基本路徑推進智慧高速建設

聚焦高速公路主動交通管控,歐洲注重出行需求及運行態勢的智能發現,面向多國互通的基本特征,強調跨國高速公路信息系統無縫對接及可持續發展,重點打造歐洲數字交通走廊。

積極推進標准化DSRC車路通信、綜合交通信息服務、新型長壽命道路材料、極端天氣預警及智能誘導等技術研究及部署。

建設應用方面,以奧地利高速公路主動管理系統為例,圍繞交通流主動式引導,注重對擁堵、事故、天氣等異常情況的動態監測與及時響應,基於在線可編輯的全自動控制策略庫以及高密度部署的可變電子情報板,開展了分車道動態限速、臨時路肩使用、基於交通狀態的動態繞行引導、擁堵響應處理、動態貨車管理、車距保持警示、極端惡劣天氣監測預警等智能應用。

目前該系統已覆蓋800多公裏高速公路,運行效果顯著,實現車輛事故減少35%、受傷公眾數量減少30%。

前沿探索方面,開展內嵌C-ITS的智能基礎設施帶研究,創新性提出高速公路路內智能監測體系,不依賴傳統的路側掛靠設施,通過短程通信及LTE蜂窩技術融合應用,支持基於位置的車載終端及手機端無線交互,集成交通流監測、指引體系及管控信息虛擬化、基礎設施健康狀態實時感知等功能,集約化理念突出。

圖6 奧地利高速分車道動態限速(左)及臨時路肩使用(右)

(四)國內:以數據鏈為核心,差異化開展智慧公路示範建設

我國高度重視高速公路智能化建設工作, 2018年交通運輸部印發《關於加快推進新一代國家交通控制網和智慧公路試點的通知》,面向北京、浙江、廣東等9個省市差異化開展新一代國家交通控制網和智慧公路試點示範,提出基礎設施數字化、路運一體化車路協同、北鬥高精度定位綜合應用、基於大數據的路網綜合管理、“互聯網+”路網綜合服務、新一代國家交通控制網六大試點方向,北京延崇智慧高速、廣東廣樂智慧高速、江西昌九智慧高速等工程被列入示範項目重點推進。

圍繞交通強國示範建設和新型基礎設施建設部署,全國紛紛以智慧公路作為融合基礎設施的重要抓手(如浙江推出杭紹台、杭紹甬智慧高速,江蘇推出五峰山高速、滬寧高速,廣東推出機荷智慧高速等),大力開展5G、人工智能、雲計算等新一代信息技術在高速公路的深度融合應用。

以杭紹台智慧高速為例,基於高橋隧比、大霧冰雪等極端天氣易發等基礎特征,著重打造准全天候運行、智慧隧道、車路協同以及智慧服務區等4類特色應用場景,搭建智慧高速雲控平台,支持隧道主動應急救援及自動駕駛,實現高精度駕駛輔助及智能管理。

廣東廣樂高速智慧化試點,以控制服務雲中心為核心,科學部署邊緣計算節點、車路協同、高清視頻及毫米波雷達等設備,形成北鬥高精度應急指揮、路網綜合分析決策、路運一體化車路協同等5類應用。

圖7 杭紹台智慧高速

二、智慧高速未來發展趨勢研判

總體上,當前智慧高速依然處於探索階段,尚未形成標准化定義及功能框架,但“設施數字化、運輸自動化、管理主動化、服務個性化”的智慧高速發展理念基本建立並加速邁向成熟,隨著新一代無線通信、自動駕駛、人工智能等技術進一步發展,未來5年智慧高速公路將進入規模化建設階段。

(一)由單一碎片采集轉向全要素、全時空感知

高速公路基本建成較為完整的交通運行、基礎設施監測體系,但主要覆蓋分合流區、關鍵橋梁等部分點位,監測區域不足、設備功能單一、信息融合不夠等缺陷明顯,在支持路網-路段-路口多層次監測、人-車-路-環境多要素分析等方面能力不足。

通過科學布設高清視頻、北鬥定位、專用傳感器等多類型監測設備,搭建以5G為核心的高速公路通信網絡系統,建立基於多源傳感耦合、新型通信組網結構的全要素、全時空感知體系,將實現高速公路數據高質量采集、高可靠傳輸,是推動伴隨式信息服務、實時交通管理等應用的關鍵舉措。

(二) 由被動型事後處置轉向主動式精細化管控

高速公路運行環境相對封閉,以事後處置、經驗研判為主的管控模式,極易導致異常事件受影響範圍擴大、受影響程度加深,難以適應新時期高質量出行體驗、高效能業務處置的需要。

主動管控模式,基於高速公路動靜態運行數據分析,對宏觀及局部運行態勢進行多時間尺度預測,精准識別或預判關鍵匝道、瓶頸路段、主流量通道,將有力賦能動態匝道控制、路肩控制、車道控制、費率調整等主動控制策略,實現車流提前引導及管控,極大提升高速公路通行及事件應急處置能力,是高速公路智能決策及控制的基本發展方向。

(三) 由間斷式推送轉向基於位置的伴隨式個性服務

當前以靜態交通標識、第三方地圖平台為主的高速公路信息指引體系,無法滿足基於高速公路動態運行形勢的車道級實時指引,難以提供貼合公眾出行習慣的精准服務。

北鬥高精度定位、知識圖譜、5G遠程控制等信息技術的快速成熟,將有力支持可變信息情報板-廣播-手機信息-網絡平台等多方式信息及時發布,進而促進伴隨式信息服務加快落地,將逐步實現出行前-出行中-出行後全過程精細化引導。

例如,結合前方道路事故信息,主動提供車道級行駛方案或引導公眾從最近高速公路出口繞行;利用知識圖譜,構建公眾駕駛行為、出行路線等個人出行畫像,提供車道級動態路線規劃、安全駕駛風險提示等伴隨式個性服務。

(四) 由傳統機電系統轉向新技術集成、新模式探索

以收費、通信、監測為核心的傳統機電系統,對高速公路數字化管理及服務發揮了非常關鍵的作用,但面向當前全球新一輪科技革命和產業變革加速演進的發展環境,高速公路信息化在更複雜智能的運行控制、更精准可靠的多元服務等方面仍然存在極大的發展空間。

大數據、AI、融合感知、自動駕駛、車路協同等新興技術在高速公路領域的集成應用迅速推進,編隊駕駛、遠程駕駛、無線充電等新模式探索逐漸落地,將進一步延展高速公路管理及服務內涵,大幅提升高速公路通行能級與安全水平。

圖8 新技術適度超前研究布局

(五) 由單一主體轉向多方協同、跨界融合

智慧高速建設涉及管理部門、運營單位、運輸企業、開發企業、出行公眾等多方參與主體,建立智慧高速產業聯盟,充分結合多類型用戶需求、發揮各方優勢,是加速推進有關技術研發及應用的必然趨勢。

例如車路協同發展,不僅需要路側智能設備布設,更需要運輸企業車輛、出行公眾車輛安裝必備的車載終端才能完全發揮效能;跨區域無縫銜接,支持不同運營單位的服務信息融合應用,實現跨路段的智慧高速公路連續服務。

三、智慧高速建設若幹建議

8月6日,《交通運輸部關於推動交通運輸領域新型基礎設施建設的指導意見》提出打造融合高效的智慧交通基礎設施。

智慧高速作為智慧公路的重要組成部分加速邁入發展快車道,應堅持頂層設計、創新引領、新舊共融等發展思路,切實有效引領交通強國建設。

(一) 開展智慧高速總體規劃編制,完善頂層設計

遵循需求導向、適度超前的基本發展理念,在全面分析高速公路交通運行規律、地理環境特征、未來發展需求的基礎上,結合新模式、新技術賦能高速公路智慧化提質增效的內在機理,提出各階段建設目標,明確智慧高速核心功能體系、實施時序、建設重點等頂層設計方案,注重與傳統機電系統的融合發展,強調功能當下適用、體系框架兼容未來拓展。

(二)開展智慧高速核心技術研究,築牢技術支撐

針對當前智慧高速技術尚處於探索完善階段的發展現狀,圍繞高速公路虛擬平行系統構建、智能決策及主動控制、個性化精准誘導等核心功能,分層次、分類別開展基礎理論、軟件系統、硬件設備等關鍵環節的技術研究及應用,包括交通運行態勢實時監測及態勢推演、基於線網協同的匝道控制、基於在線仿真的應急救援、車路協同、異常駕駛行為識別等,為開展智慧高速建設提供核心技術支持。

(三)開展智慧高速標准規範研究,支持協同共融

在充分開展智慧高速總體功能框架、技術路線、產品性能等核心要素研究的基礎上,制定智慧高速標准規範,明確多源感知體系前端設備布設原則、應用系統功能、主動管控策略、車路協同設備性能及安裝、數據格式及接口等標准要求,形成覆蓋高速公路全息感知、智能決策、綜合服務等核心環節的完備功能體系,推動智慧高速公路複制推廣、功能協同。

(四) 開展智慧高速試點示範建設,引領成熟應用

當前智慧高速建設尚無成熟經驗可借鑒,智能化應用系統及設備相關技術成熟度、運行可靠性依然有待進一步驗證,應在總體規劃的統一部署下,結合高速公路運行管理特征,在預留拓展空間的基礎上,優先選擇需求較迫切的場景開展智慧高速先行試點布局,驗證技術成效及可靠度,再逐步向其它路段、路網推廣應用。

(五) 開展智慧高速建設與運營模式研究,踐行集約建設

與高速公路傳統機電建設相比較,智慧高速涉及的信息基礎設施更多、系統架構更複雜、對前沿技術的充分預留要求更高,如何實現集約式建設、功能體系持續可拓展、運營綠色高效,是智慧高速高質量建設運營的關鍵。

一是研究新建高速智慧應用體系配建方案,推進道路基礎設施與信息基礎設施同步規劃、同步設計、同步建設,提前預留空間布局。

二是研究改擴建高速智慧應用體系新建方案,在充分發揮既有設備功能的基礎上,統籌新建設施與既有設施協同共融。

三是創新運營模式,引導市場主體轉變角色,推進智慧高速信息化系統建設運營一體化。

四是細化行業分工及角色,著力培育智慧高速運維領域專業咨詢機構,為打造智慧高速行業產業鏈閉環提供支撐。


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