宋向辉交通运输部公路科学研究院

一、智慧公路技术系统的出现符合基本规律

新制度的产生往往发生在传统向现代转变的特定历史时期。近年来，我们研究并提出智能高速公路技术系统有几个原因。首先，目前三大传统系统支撑的高速公路技术体系是管理型体系，人们出行时对精细化服务的需求突出。当前的技术体系在从管理向服务转型时表现出不兼容。其次，新技术的冲击以及智能汽车、电动汽车的明显到来，对现有技术体系的开放性和包容性提出了要求。三是全国各地积极探索高速公路智能化建设，百花齐放，但缺乏统一稳定的顶层指导。因此，我们认为，研究和提出一个稳定、开放、兼容的智慧高速公路顶层技术体系是非常必要和紧迫的。对于引导建设更安全、更高效、绿色的高速公路，引导创建具有服务创新能力的高速公路具有重要意义。

我们研究提出的智慧高速公路技术体系是对原有体系的升级和演进，符合物联网发展规律。因为从科学范式来看，随着常规科学技术的发展，旧的体系必然被新的体系所取代。当然，这个替代过程是一个争论的过程，也是一个进化的过程。它必须经历技术的萌芽。发展期、积累期和逐步完善期是一个S形的发展过程。

从我国智慧高速公路的发展历程来看，2010年之前，我们基本上都是在试点单一技术、个别应用，是智慧高速公路的早期探索期。 2017年，交通运输部在9个省市推进示范项目，2018年以后，各省市都推出了智慧高速公路典型示范项目。 2017年至今这段时间是我国探索智慧高速公路综合应用的时期。这个时期也是我们总结和梳理下一步我国智慧公路系统如何发展的好时期。

总体来看，我国智慧公路系统框架提出后，目前正处于逐步完善期。

2、我国智慧公路技术体系建设

1、美国ARC-IT的启示

目前，我国智慧高速公路正在通过产学研合作积极探索，政府也在进行顶层规划。我们也一直在思考如何构建智慧高速公路的系统架构。关于系统的发展，给我们最大的启发就是美国ITS8.3系统的发布。美国于1993年提出了ITS框架，其最初的出发点是为智能交通系统的规划和集成提供结构化的方法。到2017年，美国提出了车联网ITS参考架构，因为认为未来10到20年，80%的机动车辆将配备相关车联网设备，期间将产生大量产品。连接功能的集成。对于新的应用，美国交通部智能交通系统联合开发办公室制定了相关参考框架。 2018年，美国发布了协作智能交通参考框架（ARC-IT），这是对美国ITS框架的重大升级，涵盖了美国ITS框架7.1版和车联网ITS参考架构的所有范围和范围2.2 版。内容，将美国ITS架构中的8个服务区调整为12个服务区，服务包由原来的97个升级为139个。同时，为了支持这些服务的实施，ARC-IT两大特点。首先，突出了基础设施的作用，将其置于整个建筑的中心，打破了人、车、路原有的平衡。架构，同时强调信息安全、高精度定位、高精度地图等技术的共同支撑能力，将这些技术纳入基础设施侧进行共同支撑。

2、智慧公路技术体系建设思路

智慧公路技术体系建设必须从服务抓起。交通运输是应用行业，必须考虑公众需求、运营要求、行业管理要求等。在构建这个系统时，我们首先从用户的需求出发，根据用户的需求梳理服务需求，然后进一步提出其逻辑框架和物理框架。当然，提出这个框架的目的是为了指导我们提出公路建设过程中的技术性能和指标要求。

3、新用户需求及服务创新需求分析

高速公路用户构成在变化，用户需求也在变化。让我举几个例子：

以人驾驶的汽车为例。高速公路上有人驾驶汽车的服务需求将发生变化，对车道级位置精细化服务将产生更多新需求。

以智能汽车为例。未来几年，不同级别的智能汽车必将走上高速公路（只是时间问题）。需要为智能车辆提供有组织的运行管控服务，如自动驾驶排队管控服务，提高交通运行效率和安全性。

以电动汽车为例。如今，大量电动汽车上路，在长途高速公路上行驶时对充电的需求明显。

此外，当道路上的技术能力足够的时候，我们应该考虑如何进一步提高新条件下的交通安全和效率，比如提供准全天候的交通服务。毕竟封路会给管理者和公众带来损失。

确定用户及其服务需求的演变趋势对于构建稳定、可扩展、可扩展的系统非常重要。

4、智慧高速公路逻辑框架和物理框架提出

除了用户构成发生变化之外，道路上的设备也不再只是交通安全设备、收费设备等传统设备。肯定会增加无线通讯设备、云控制平台等，甚至自动驾驶专用车道设置；而原来的系统集成只需与系统供应商做好对接即可。下一步，必须将云服务提供商等纳入体系范围。高速公路的逻辑边界正在发生变化。另外，如果支持精细化服务、自动驾驶服务等，就需要纳入协同控制策略。一些实时性要求较高的控制策略必须部署在道路上。路网、通道、关键节点需要分布式协同控制。能力，也就是现在的数据逐步上传到服务管理平台的形式，将会演变成分布式控制架构支持的管控平台，所以整个逻辑架构也在发生变化。

5、智慧高速公路技术方案建议

基于对智慧高速公路物理架构和逻辑架构的研究，我们总结并提出了一套支撑智慧高速公路建设的33项关键技术。

3、技术系统影响下智慧高速公路的内涵及特征分析

1. 智慧高速公路的基本目标

我们相信，无论技术如何发展，公路智能化的本质要求仍然是让人和货物安全、高效地到达他们应该到达、想要到达的地方。但与30年前相比，现在解决问题的条件和手段正在发生变化。我们可以用来集成应用程序的技术正在不断发展。

2.智慧高速公路的内涵

智慧高速公路随着技术、经济和政策的不断发展而发展。从物理角度看，它集成了传感、通信、信息、计算等先进技术在传统土木结构道路上的应用，集成沿线传感、通信和控制设备，建设交通运行控制中心；从功能上看，是实现建设、管理、养护、运营、服务全周期的更安全、更快捷、更绿色的高速公路；从建设角度看，智慧高速公路是一个各要素互动、共享、开放的系统工程。

3、智慧高速公路特点分析

综上所述，智慧高速公路具体体现为“三网合一基础设施”+“云边端协同云控平台”。

3.1 三网融合基础设施

三网合一基础设施是由高速公路网、感知交通控制网、绿色能源网三种网络设施融合叠加而成的高速公路基础设施。与传统高速公路系统相比，除了通信、监控、收费系统外，还涉及感知、高精度地图、高精度定位、边缘计算等支撑技术。高速公路沿线将设置功能集成节点，为沿线安全提供本地决策和控制服务。建设三网基础设施，需要考虑三个核心问题。一是设施布局优化问题。一方面必须考虑它们的覆盖范围和可重用性，另一方面必须考虑它们的经济性。另外，还要结合实际的道路结构、直线度、服务目标等具体提出优化方案；二是能源供应网络与传感器通信控制网络的匹配问题。原来的高速公路对能源供应的需求并不突出，但如果建立传感器通信控制网络，让电动汽车上路，能源供应要求就会很高。能源分配网络必须与基础设施网络相匹配。传感器通信控制网络与供能网络的匹配问题还必须根据具体项目中的优化设备布局来设计；三是交通基础设施新设计问题。由于高速公路服务用户群体的构成发生了变化，人类驾驶汽车与自动驾驶汽车或机器驱动汽车在道路上的驾驶特性有所不同。当它们混合在一起时，就会对交通流和车流量的顺畅产生影响。运行的安全性和效率都会受到影响。我们必须考虑将道路资源分配给不同特征的车辆，并允许相同特征的车辆在同一车道上行驶。这也是提高混合交通安全性和效率的基本方法。那么我们就面临着重新定义车道功能的问题。该问题还需要根据具体的道路结构线形、交通流特征、混合交通构成比例、交通交叉口面积和关键节点分布模型、引导控制策略等进行设计。

3.2“云边端”协同的云控平台

云边端协同的云控制平台是分布式控制架构支持的管控平台。与原来逐级上传高速公路数据的服务管理平台相比，它可以实现边缘安全控制服务，也可以在路网上实现实施。点、线、面结合的协同联动控制。

3.3 数据驱动的协同控制逻辑及控制策略

智慧高速公路不仅要对匝道堵塞进行管理和控制，实际上会采用一套数据驱动的协同联动控制策略。例如，发生重大事故后，中央控制平台要实施高速公路应急救援服务。这时，在中心，我们需要实时预测事故的蔓延情况，并为受事故蔓延影响的道路上的所有用户做出路线选择。我们需要调用路由选择策略；我们需要实施救援车辆的紧急车辆调度策略；在事故边缘控制节点，我们需要调用车道控制策略，分析事故可能引发二次碰撞的潜在风险，并调用速度协调策略；调用与事故相关的坡道入口控制策略。这个策略设定不仅仅是一个技术问题，它需要与支撑管理相结合。我们公路所也研究提出了一套结合场景的控制策略。

策略集的目的是让智慧公路交通更加有序，寻求局部最优或全局最优。当将交通运营控制系统抽象成这样的模型时，我们可以看到智慧高速公路系统的数据维度有所增加。除原有的气象状态、交通状态、车辆微状态、用户OD等数据外，还附加传感通信控制设施层状态数据、供能设施层状态数据。需要及时动态地掌握这个设施的状态，因为只有知道了一些设备的状态，我们才能有效地利用这些设备，真正将控制反馈到道路上。当发生事故时，如果我们想转发一公里外的事故引导信息，如果对应位置没有设备信息，则无法发送。此时，如果能够准确掌握道路上各设备的分布位置和健康状况，就可以基于传感器通信控制网络模型自动匹配信息传递节点，并根据交通诱导效果进行预测。信息传递地点。

3.4 智慧高速公路特点总结

我们也在总结智慧高速公路的一些典型特征或者代级特征，我们认为体现在以下几个方面，供大家批评指正。

一是传统两大服务向多极化服务转变。原有的充电和监控管理服务正朝着自由流动充电、高精度信息服务、车路协同安全服务、车道级精准控制服务、车辆自动驾驶服务等方向发展。换句话说，就是从注重管理转向注重服务。

二是支撑体系向多元化、综合化支撑体系发展。未来智慧公路建设支撑系统中，不仅有通信、监控、收费系统的建设需求，还有感知、高精度地图、高精度定位、边缘计算等支撑条件的技术要求。

第三，服务的系统边界不再那么清晰可辨，特别是数据的隶属边界。这实际上意味着数据应用架构和管理模式的升级。

第四，目前逐步上传数据的管理平台将演变成分布式控制架构支持的管控平台。

第五，实体关系不断发展。特别是高速公路业主将从管道运营商转变为信息服务商。

4、技术体系对工程应用的指导

技术体系是从工程实践中提出的，需要经过工程检验。前期通过对省市示范项目的总结分析，凝结了今天给大家带来的智慧公路技术体系。当然，根据科学范式的规律，这个体系现在正处于完善阶段。下一步，我们将结合交通强国试点，进一步验证系统架构的合理性，逐步完善系统。

在这个技术体系的指导下，我们还研究提出了高速公路智能化标准化体系，并基于标准需求的紧迫性，正在积极推动部分标准的完成，包括国家标准《车路协同系统智能路侧一体化控制设备技术要求及测试方法》、行业标准010- 30000、《公路工程适应自动驾驶附属设施技术规范》等，同时充分利用团体标签发布快速灵活的特点，推广一系列团体标签标志，为智慧高速公路建设更加健康提供技术支撑和有序的。