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国际观察 | 数字时代的智慧高速公路全球趋势

2020-10-14 10:15:57 来源:城市交通研究院

智慧高速作为新一代信息技术与交通运输深度融合的重要载体,在提升高速公路运输效能、培育新兴产业等方面战略作用明显,世界各国争先加快技术研发与应用。

本文在深入分析全球智慧高速建设现状的基础上,梳理研判智慧高速发展趋势,提出智慧高速建设的相关建议,为行业发展提供参考。

一、全球智慧高速总体发展情况

以5G、云计算、人工智能等数字技术主导的世界新一轮科技革命方兴未艾,智慧高速作为智能交通领域的新型数字基础设施,已成为世界交通强国争相加快部署的热点。

当前国内外在智慧高速方面的推进主要关注无人驾驶、车路协同、自动化监测、智慧化运营管控和出行诱导服务等方面,但总体上行业对智慧高速内涵理解不同,尚未形成统一的共识。

世界各国结合新兴技术发展趋势及发展诉求,积极推进高速公路传统机电系统升级,例如开展基于多传感器融合的超视距感知、交通流运行规律挖掘及短时预测、智能主动管控、车路协同、长寿命新型道路材料、无线充电等技术研究及试点应用,加快探索智慧高速发展路径,抢占新技术融合应用和智慧高速发展的制高点。

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图1 全球范围智慧高速公路探索

(一)美国:以高速公路为载体开展车路协同、自动驾驶新技术探索

通过730万起交通事故的分析和统计, 美国高速公路管理局(NHTSA)预测车联网系统部署能够减少近80%的车辆碰撞事故。

为着力强化高速公路运行安全,美国持续开展基于5.9GHz短程无线通信技术的车联网产品研究,尤其是恶劣环境条件下的大载重货物运输车辆防碰撞应用。

重点推进专用无线通信带宽设置、路测RSU及车载OBU设备、超视距感知协同等技术研究,当前开展车辆网设备部署应用的州已超过50%,并在相关高速公路开展智能网联汽车测试。

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图2 聚焦车辆碰撞防护,美国积极布设车路协同设备

(截止2019年5月,已覆盖50%的州)

作为高速公路车联网重点试点项目之一,怀俄明州交通部针对I-80州际高速公路重型卡车流量大,冬季暴雪大风碰撞事故高发等问题,开展车车交互、车地通信部署,提供行进前方碰撞警告、道路运行态势感知、事故区域警告、天气影响分析、险情通知等5项功能应用,当前已完成400辆高频卡车(包括150辆高频重型运营卡车、100辆交通局车队、150辆扫雪车及巡逻车)以及75个路侧节点布设。

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图3 美国主要货物运输廊道

(俄怀明州南部I-80高速公路)车联网试点方案

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图 4 I-80高速公路车联网试点功能

(二)日本:依托ETC2.0,推进高速公路智能化管理服务

日本围绕智慧公路(SMART WAY)建设目标,推进车路设备有序迭代,逐步构建高速公路车路协同体系。

在融合道路交通信息通信系统(VICS)和ETC不停车收费系统功能基础上,推出世界首款DSRC大容量双向通信设备ITS Spot,提供拥堵预测及路径规划、特殊车辆运行规律及轨迹追溯、动态费率调整、异常驾驶行为识别等智能出行引导及运营管理服务。

2016年正式提供ETC2.0服务,全国高速公路累计完成1700个路侧设备部署。

以高速公路动态费率为例,面向城市拥堵缓解,通过接入ETC车辆轨迹数据分析路网通行态势,主动引导车辆绕行外环高速,并结合拥挤情况提供约50%的通行费用折扣,有效疏解城市内部道路拥挤情况。

同时支持高速公路运行规律分析,通过车速变化特征精准识别路网瓶颈节点,为及时有效的应急救援、基础设施优化提供指导。

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图5 日本车路设备演进

(三)欧洲:以主动交通管控为基本路径推进智慧高速建设

聚焦高速公路主动交通管控,欧洲注重出行需求及运行态势的智能发现,面向多国互通的基本特征,强调跨国高速公路信息系统无缝对接及可持续发展,重点打造欧洲数字交通走廊。

积极推进标准化DSRC车路通信、综合交通信息服务、新型长寿命道路材料、极端天气预警及智能诱导等技术研究及部署。

建设应用方面,以奥地利高速公路主动管理系统为例,围绕交通流主动式引导,注重对拥堵、事故、天气等异常情况的动态监测与及时响应,基于在线可编辑的全自动控制策略库以及高密度部署的可变电子情报板,开展了分车道动态限速、临时路肩使用、基于交通状态的动态绕行引导、拥堵响应处理、动态货车管理、车距保持警示、极端恶劣天气监测预警等智能应用。

目前该系统已覆盖800多公里高速公路,运行效果显著,实现车辆事故减少35%、受伤公众数量减少30%。

前沿探索方面,开展内嵌C-ITS的智能基础设施带研究,创新性提出高速公路路内智能监测体系,不依赖传统的路侧挂靠设施,通过短程通信及LTE蜂窝技术融合应用,支持基于位置的车载终端及手机端无线交互,集成交通流监测、指引体系及管控信息虚拟化、基础设施健康状态实时感知等功能,集约化理念突出。

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图6 奥地利高速分车道动态限速(左)及临时路肩使用(右)

(四)国内:以数据链为核心,差异化开展智慧公路示范建设

我国高度重视高速公路智能化建设工作, 2018年交通运输部印发《关于加快推进新一代国家交通控制网和智慧公路试点的通知》,面向北京、浙江、广东等9个省市差异化开展新一代国家交通控制网和智慧公路试点示范,提出基础设施数字化、路运一体化车路协同、北斗高精度定位综合应用、基于大数据的路网综合管理、“互联网+”路网综合服务、新一代国家交通控制网六大试点方向,北京延崇智慧高速、广东广乐智慧高速、江西昌九智慧高速等工程被列入示范项目重点推进。

围绕交通强国示范建设和新型基础设施建设部署,全国纷纷以智慧公路作为融合基础设施的重要抓手(如浙江推出杭绍台、杭绍甬智慧高速,江苏推出五峰山高速、沪宁高速,广东推出机荷智慧高速等),大力开展5G、人工智能、云计算等新一代信息技术在高速公路的深度融合应用。

以杭绍台智慧高速为例,基于高桥隧比、大雾冰雪等极端天气易发等基础特征,着重打造准全天候运行、智慧隧道、车路协同以及智慧服务区等4类特色应用场景,搭建智慧高速云控平台,支持隧道主动应急救援及自动驾驶,实现高精度驾驶辅助及智能管理。

广东广乐高速智慧化试点,以控制服务云中心为核心,科学部署边缘计算节点、车路协同、高清视频及毫米波雷达等设备,形成北斗高精度应急指挥、路网综合分析决策、路运一体化车路协同等5类应用。

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图7 杭绍台智慧高速

二、智慧高速未来发展趋势研判

总体上,当前智慧高速依然处于探索阶段,尚未形成标准化定义及功能框架,但“设施数字化、运输自动化、管理主动化、服务个性化”的智慧高速发展理念基本建立并加速迈向成熟,随着新一代无线通信、自动驾驶、人工智能等技术进一步发展,未来5年智慧高速公路将进入规模化建设阶段。

(一)由单一碎片采集转向全要素、全时空感知

高速公路基本建成较为完整的交通运行、基础设施监测体系,但主要覆盖分合流区、关键桥梁等部分点位,监测区域不足、设备功能单一、信息融合不够等缺陷明显,在支持路网-路段-路口多层次监测、人-车-路-环境多要素分析等方面能力不足。

通过科学布设高清视频、北斗定位、专用传感器等多类型监测设备,搭建以5G为核心的高速公路通信网络系统,建立基于多源传感耦合、新型通信组网结构的全要素、全时空感知体系,将实现高速公路数据高质量采集、高可靠传输,是推动伴随式信息服务、实时交通管理等应用的关键举措。

(二)由被动型事后处置转向主动式精细化管控

高速公路运行环境相对封闭,以事后处置、经验研判为主的管控模式,极易导致异常事件受影响范围扩大、受影响程度加深,难以适应新时期高质量出行体验、高效能业务处置的需要。

主动管控模式,基于高速公路动静态运行数据分析,对宏观及局部运行态势进行多时间尺度预测,精准识别或预判关键匝道、瓶颈路段、主流量通道,将有力赋能动态匝道控制、路肩控制、车道控制、费率调整等主动控制策略,实现车流提前引导及管控,极大提升高速公路通行及事件应急处置能力,是高速公路智能决策及控制的基本发展方向。

(三) 由间断式推送转向基于位置的伴随式个性服务

当前以静态交通标识、第三方地图平台为主的高速公路信息指引体系,无法满足基于高速公路动态运行形势的车道级实时指引,难以提供贴合公众出行习惯的精准服务。

北斗高精度定位、知识图谱、5G远程控制等信息技术的快速成熟,将有力支持可变信息情报板-广播-手机信息-网络平台等多方式信息及时发布,进而促进伴随式信息服务加快落地,将逐步实现出行前-出行中-出行后全过程精细化引导。

例如,结合前方道路事故信息,主动提供车道级行驶方案或引导公众从最近高速公路出口绕行;利用知识图谱,构建公众驾驶行为、出行路线等个人出行画像,提供车道级动态路线规划、安全驾驶风险提示等伴随式个性服务。

(四) 由传统机电系统转向新技术集成、新模式探索

以收费、通信、监测为核心的传统机电系统,对高速公路数字化管理及服务发挥了非常关键的作用,但面向当前全球新一轮科技革命和产业变革加速演进的发展环境,高速公路信息化在更复杂智能的运行控制、更精准可靠的多元服务等方面仍然存在极大的发展空间。

大数据、AI、融合感知、自动驾驶、车路协同等新兴技术在高速公路领域的集成应用迅速推进,编队驾驶、远程驾驶、无线充电等新模式探索逐渐落地,将进一步延展高速公路管理及服务内涵,大幅提升高速公路通行能级与安全水平。

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图8 新技术适度超前研究布局

(五) 由单一主体转向多方协同、跨界融合

智慧高速建设涉及管理部门、运营单位、运输企业、开发企业、出行公众等多方参与主体,建立智慧高速产业联盟,充分结合多类型用户需求、发挥各方优势,是加速推进有关技术研发及应用的必然趋势。

例如车路协同发展,不仅需要路侧智能设备布设,更需要运输企业车辆、出行公众车辆安装必备的车载终端才能完全发挥效能;跨区域无缝衔接,支持不同运营单位的服务信息融合应用,实现跨路段的智慧高速公路连续服务。

三、智慧高速建设若干建议

8月6日,《交通运输部关于推动交通运输领域新型基础设施建设的指导意见》提出打造融合高效的智慧交通基础设施。

智慧高速作为智慧公路的重要组成部分加速迈入发展快车道,应坚持顶层设计、创新引领、新旧共融等发展思路,切实有效引领交通强国建设。

(一)开展智慧高速总体规划编制,完善顶层设计

遵循需求导向、适度超前的基本发展理念,在全面分析高速公路交通运行规律、地理环境特征、未来发展需求的基础上,结合新模式、新技术赋能高速公路智慧化提质增效的内在机理,提出各阶段建设目标,明确智慧高速核心功能体系、实施时序、建设重点等顶层设计方案,注重与传统机电系统的融合发展,强调功能当下适用、体系框架兼容未来拓展。

(二)开展智慧高速核心技术研究,筑牢技术支撑

针对当前智慧高速技术尚处于探索完善阶段的发展现状,围绕高速公路虚拟平行系统构建、智能决策及主动控制、个性化精准诱导等核心功能,分层次、分类别开展基础理论、软件系统、硬件设备等关键环节的技术研究及应用,包括交通运行态势实时监测及态势推演、基于线网协同的匝道控制、基于在线仿真的应急救援、车路协同、异常驾驶行为识别等,为开展智慧高速建设提供核心技术支持。

(三)开展智慧高速标准规范研究,支持协同共融

在充分开展智慧高速总体功能框架、技术路线、产品性能等核心要素研究的基础上,制定智慧高速标准规范,明确多源感知体系前端设备布设原则、应用系统功能、主动管控策略、车路协同设备性能及安装、数据格式及接口等标准要求,形成覆盖高速公路全息感知、智能决策、综合服务等核心环节的完备功能体系,推动智慧高速公路复制推广、功能协同。

(四) 开展智慧高速试点示范建设,引领成熟应用

当前智慧高速建设尚无成熟经验可借鉴,智能化应用系统及设备相关技术成熟度、运行可靠性依然有待进一步验证,应在总体规划的统一部署下,结合高速公路运行管理特征,在预留拓展空间的基础上,优先选择需求较迫切的场景开展智慧高速先行试点布局,验证技术成效及可靠度,再逐步向其它路段、路网推广应用。

(五) 开展智慧高速建设与运营模式研究,践行集约建设

与高速公路传统机电建设相比较,智慧高速涉及的信息基础设施更多、系统架构更复杂、对前沿技术的充分预留要求更高,如何实现集约式建设、功能体系持续可拓展、运营绿色高效,是智慧高速高质量建设运营的关键。

一是研究新建高速智慧应用体系配建方案,推进道路基础设施与信息基础设施同步规划、同步设计、同步建设,提前预留空间布局。

二是研究改扩建高速智慧应用体系新建方案,在充分发挥既有设备功能的基础上,统筹新建设施与既有设施协同共融。

三是创新运营模式,引导市场主体转变角色,推进智慧高速信息化系统建设运营一体化。

四是细化行业分工及角色,着力培育智慧高速运维领域专业咨询机构,为打造智慧高速行业产业链闭环提供支撑。