新一代智慧高速公路系统架构设计

　　摘要：伴随我国高速公路的快速发展，智慧高速成为下一代公路系统技术形态演变的必然趋势。对其功能描述与架构解析能够有效指导未来高速公路的规划与建设，为智慧交通体系提供有力支撑。针对智慧高速的基本服务功能，结合车路耦合发展脉络，首先提出了以服务能力升级为导向的新一代智慧高速技术特征与系统内涵。面向不同服务对象与功能，明确了智慧高速系统的核心组分与技术板块：广域全息感知、数字孪生刻画、车路协同应用与实时通讯媒介。面向自动驾驶的发展需求，介绍了不同条件下各核心板块间的业务交互与数据交互。借鉴现有国内外典型智慧高速发展案例，重点阐述了新一代智慧高速公路的物理架构与应用架构，从精度、维度、鲜度三个层面探析了不同应用系统的数据模式与数字化要求。在此基础上，讨论了新一代智慧高速车路强耦合的推进路径，界定了从R0到R5的高速公路智慧化等级特征，揭示了不同车辆自动化等级与高速公路智慧化等级间的耦合作用，并总结了现阶段工程建设的关键问题与发展方向，从系统兼容性、设计场景、规范标准、通讯安全等四个角度研判了亟待解决的关键问题。研究成果可以指导设计可迁移、可持续的新一代智慧高速公路发展路径，对智慧高速的技术研究与建造应用具有重要参考意义。

　　关键词：交通工程;智慧高速公路;内涵架构;技术特征;耦合发展

　　0引言

　　高速公路是国家服务民生发展与经济建设的重要载体，也是推进国家战略目标的有力支撑。截止2018年底，我国高速公路里程已突破14万公里，居世界首位[1]。然而，随着高速公路里程的快速增长，如何利用先进的传感、计算、通讯技术与信息化手段提高其服务能力与自动化水平是下一代智慧高速亟待解决的关键问题。2014年交通部发布“四个交通”发展战略任务，提出了“智慧交通”的概念[2]。随后几年，智慧交通的概念不断丰富与细化，从而衍生了“智慧高速”、“智慧公路”、“智慧路面”等内涵。

　　公路工程评职知识：高速公路领域课题选题范围

　　近几年来，在《交通强国建设纲要》[3]、《推进智慧交通发展行动计划》[4]、《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》[5]等政策的助推下，以浙江、湖南、山东等省份为代表，全国各地区组织开展了大量的智慧高速公路建设探索性工作，取得了丰厚的成果。智慧高速公路的内涵与框架直接影响了其建设的功能与成效，明晰新一代智慧高速公路系统的战略定位，将智慧交通系统中车路耦合的发展路径考虑到智慧高速的规划与建设中，将有效提高智慧高速的先进性与适用性，对我国交通运输发展意义重大。智慧高速公路的概念早在上个世纪40年代就已在国际上提出[6]。

　　1991年美国《面上运输联运方式效率法案》(IntermodalSurfaceTransportationEfficiencyAct,ISTEA)推出了自动高速公路系统(AutomatedHighwaySystem,AHS)，搭建了基于DSRC短程通讯技术的车-车、车-路通讯模块，通过信息发布与纵向控制等降低通行时间，提高驾驶安全[7]。21世纪初期，在弗吉尼亚州开展的智慧公路项目(SmartRoad)是美国公路设施智能化的重要里程碑，其将设施性能监测、能源回收、自动驾驶等技术进行整合，打造了一段2.2英里的智慧道路[8]。SmartRoad项目主要从设施侧出发，通过预埋路内传感器、布设能见度、光照等多源环境传感装置，打造一条对驾驶环境与设施性能具有全面感知能力的智慧高速公路。

　　2016年美国推出智能交通走廊系统(SmartCorridor)[9]，其中最为代表性的就是加利福尼亚州推动的I-80SMART项目，其整合了多种信息感知与动态管理技术，通过电子标识、信息交互等方式提高安全性和通行时间可靠性[10]。日本自上世纪90年代开始开展大量智能交通系统研制工作[11]，2006年发布的Smartway公开测试成为了世界范围的智慧公路标杆，该系统集成了车辆信息与通信系统(VICS)、电子收费系统(ETC)以及先进安全车辆系统(ASV)等功能模块，从而提高用户出行体验[12]。Smartway的核心是将路侧设施端感知到的驾驶环境、交通状态以及其他相关的事件信息，通过车载终端(On-boardUnit,OBU)发送给用户，从而提高出行体验与驾驶安全性。

　　2015年东京汽车展览会推出的ETC2.0以基于DSRC的车路交互技术为核心，通过路侧热点实现了收费、信息服务和V2X交互等功能，建立了面向安全管理和服务的开放平台[13]。目前，日本已在全国范围内形成统一规范标准，明确了以车路通讯为基础的智慧公路建设方向[14]。欧洲在上个世纪中旬开启智能道路基础设施研究，其主要以绿色、安全、可持续角度出发，包括著名的“尤里卡”计划[15]、Easyway项目[16]等。2013年由沃尔沃主导的哥德堡环城公路Driveme计划将路侧感知信息实时提供给车辆，实现了全自动泊车、自适应巡航等功能[17]。

　　2016年挪威的E8高速公路利用车路协同与CellularVehicle-to-Everything(C-V2X)打造了卡车编队自动驾驶的特殊场景应用[18]。从国际典型国家与地区的智慧高速公路应用来看，主要是利用设施传感等技术实现路域环境的精准感知，并结合不同的通讯载体进行信息交互，从而实现限定场景的自动驾驶、安全保障与可持续发展等功能。我国当前智慧高速公路建设主要从伴随式信息服务、自动驾驶辅助以及精细化养护运营三个方面展开。浙江省集合自由流收费、无线充电、自动驾驶、设施管养等技术于一体打造全程161公里的超级高速，驾驶时速有望超过120公里[19]。湖南以长沙绕城高速等项目为基础建设共113公里的5G+智慧高速，通过5G通讯等技术实现对每段路、每辆车状态的精准掌握，从而满足无人驾驶的路况要求[20]。

　　广西以北斗高精度位置网为依托打造具备车辆引导、安全监控、设施数字化等功能的智慧高速体系[21]。山东开展了国内首个基于自动驾驶的智慧高速公路测试路段项目：齐鲁交通智能网联高速公路测试基地，利用先进的激光雷达、微波雷达、全景监控、分布式传感等技术赋能路侧基础设施，为自动驾驶编队行驶提供信息保障[22]。2020年上海、江西、河北、湖北等多个省份加快推动新一代智慧高速公路、智慧高速特管区、5G智慧高速等项目[23,24]，标志着我国智慧高速公路事业从探索期逐步迈向发展期。

　　虽然我国在智慧高速功能应用与建设上取得了突飞猛进的成就，但在智慧高速的内涵与定义上仍未产生一个统一的、客观的、全面的且具有指导意义的理解，导致不同地区省份开展的智慧高速公路缺乏统一的建设标准与模式，从而影响了智慧高速在全国范围进行大规模的推广与应用。作为一种新型的公路发展技术形态，新一代智慧高速公路建设将成为解决交通拥堵与驾驶安全等问题的重要手段，其功能架构的明晰与探讨能够有效指导智慧高速的规划与建设，为智慧交通体系建设提供有力支撑。本文基于对我国现有智慧高速建设工作的凝练与总结，从车路耦合系统出发，探索具有指导意义的新一代智慧高速公路的体系架构，结合我国的发展现状，讨论智慧高速的推进路线，为国内外智慧高速公路的建设与研发提供参考。

　　1新一代智慧高速公路内涵

　　1.1公路系统车路耦合发展路径

　　传统的智慧高速案例主要依托不同制式的通讯媒介将路侧及车辆感知到的广域驾驶环境信息与驾驶员/自动驾驶车辆进行交互，从而提高交通安全与效率。大多数智慧高速功能板块建设主要以“离散性”的信息化服务为主，数据采集与管理具有较强的单一性，缺乏数据的互通性与融合性。由于不同功能板块对于数据的精度、维度与鲜度的要求不同，仅基于设计功能的智慧高速数据应用方案的可持续较低，难以进行产品迭代，从而导致其无法满足快速发展的自动驾驶产业要求。另一方面，诸多现有智慧高速的设计方案与自动驾驶技术的发展阶段不耦合，大多仅作为试点应用，难以有效发挥智慧高速的优势。

　　因此，在进行智慧高速的框架设计时，必须综合考虑公路系统与车辆系统的发展阶段，从而建立具有工程指导意义与推广价值的可持续智慧高速发展体系。道路是车辆的载体，从公路系统的发展与演变历程来看，其呈现出明显的“耦合”发展趋势，每一次公路技术形态的升级转变都受到汽车行业进步与用户需求激增的影响。因此，在设计新一代智慧高速公路的体系架构时，须充分考虑汽车行业的发展现状。

　　1886年燃油汽车诞生以来[25]，汽车工业已经逐步实现了平民化，然而道路设施本身的性能不足限制了燃油汽车效率优势的发挥。在此需求下，1901年柏油碎石路的推广促进了汽车产业的流水线生产[26]。随着人类社交范围与出行距离不断拓展，其对车辆的行驶速度、距离产生了更高的要求，具备集中路权与优质驾驶环境的高速公路应用而生，1911年世界第一条高速公路建成后[27]，被国际范围广泛采纳，1988年中国第一条高速公路建成标志了我国公路发展迈入新阶段[28]。

　　21世纪以来，车辆发展的“新四化”特征对现有高速公路体系提出了新要求，网联化、自动化等发展趋势更加增强了车路之间的耦合关系，促进了车路协同等技术的发展，车路系统从以往的发展“弱耦合”到功能“强耦合”逐渐过渡。因此，新一代智慧高速的技术内涵与体系框架需充分考虑汽车产业的发展趋势与功能需求。

　　1.2新一代智慧高速的技术特征

　　用户需求是带动公路系统技术形态升级的根本动力，公路系统的技术形态升级从物理与数字特性出发，主要可以分为三个阶段：普通公路阶段、高速公路阶段，以及智慧高速阶段。20世纪初，第一次公路技术形态升级以普通公路路面硬化为代表，该阶段由于燃油汽车的快速发展，车辆对通行能力和行驶速度的要求进一步提高。

　　在该阶段，通过路面硬化使得普通公路单车道的通行能力提升至600~800pcu/h，行驶速度可达40~60km/h[29]，其技术特征主要以路面硬化与路幅拓宽等物理特性为主，旨在通过结构增强等方法提升已有公路的服役能力，而未对路权特性进行明确划分，多数公路仍以多种交通方式混合为代表。随着土地资源不断扩张，人们的活动范围进一步扩大，其对城市间交通的通行时间产生了更高的要求。因此，20世纪30年代，高速公路系统应运而生[27]。在此阶段，公路单车道通行能力扩大到1800~2400pcu/h，并将车速提升至80~120km/h[30]。

　　其技术特征主要以车道分离、路权集中、全线封闭与固定匝道等物理特性为主，旨在通过建立专属、高质的车辆高速驾驶环境大幅度提高道路的通行能力。高速公路自产生以来，在世界范围快速推广，我国历经30多年建立了“9纵18横7放射”的高速公路网体系。随着土地资源逐渐饱和以及车辆性能的不断提高，其对公路的通行能力、信息感知、节能减排等方面产生了新的需求。基于新兴的全要素感知技术与低时延的通讯技术可以进一步缩小车头时距，并保证车辆队列行驶安全稳定。据估算，智慧高速的通行能力可跃迁式地提升至3000~3500pcu/h，行驶速度超过120km/h[31]。

　　其技术特征主要以全息传感、数字孪生、车路协同等数字特性为主，旨在在现有设施条件下利用信息化手段充分发挥道路的供能潜力。因此，与单纯的公路设施智慧化不同，新一代智慧高速公路是在土地资源趋近饱和的条件下，为满足日益增长的交通需求，通过智能化的传感、分析、通讯等手段，提高高速公路通行能力，满足新一代载运工具设施要求的全新技术形态。

　　1.3新一代智慧高速的系统内涵

　　新一代智慧高速的系统内涵主要面向使用者与管理者两个维度。对于使用者而言，其服务功能随着自动驾驶等级也会有所差异。对于L2级自动化[32]及以下的人工主导的驾驶车辆，智慧高速主要为其提供可靠的信息服务支持，例如自由流收费、恶劣天气的安全预警、路径与速度诱导等;对于L3~L4级半自动驾驶车辆，智慧高速主要为其提供感知增强或感知冗余功能，从而保障车辆的行驶安全与效率;对于L5级的全自动驾驶车辆，智慧高速主要从宏观调度角度协同控制车队行驶，保障车辆在低时距、高速度下的行驶稳定性与可靠性。

　　2新一代智慧高速的系统架构

　　新一代智慧高速的系统架构依据其包含逻辑功能、物理实体和应用类型可分为逻辑架构、物理架构和应用架构。逻辑架构描述了智慧高速系统的功能模块和交互逻辑，物理架构解释了智慧高速的系统的物理构成、数据模式和信息链路，应用架构解释了智慧高速系统的实际的工程应用类型。

　　2.1新一代智慧高速的逻辑架构

　　基于新一代智慧高速的系统内涵，其核心在于依托全息感知网络和数字孪生平台实现智慧高速物理系统和信息系统的闭环、一体化协同管控。各类基础设施、交通运行以及环境的动态、静态数据通过底层感知网络采集后，在数字孪生管理平台中进行融合集成，形成标准化、规范化的数据仓库，并组建构成智慧高速的信息系统，以数据资源的形式服务智慧高速应用系统。

　　数字孪生平台具备虚拟模型搭建、大数据解析、平行仿真推演等功能，智慧高速应用系统可依据具体的实施场景，从数字孪生层中调取相应的数据资源和算法，实现特定的智慧高速功能，包括但不限于车路协同与自动驾驶、基础设施智慧管养、伴随式信息服务、交通精细化管控调度等。底层感知网络和数字孪生管理平台则需保证较好的兼容性和可移植性，有利于推动智慧高速的产业化发展。

　　3新一代智慧高速推进路径

　　3.1新一代智慧高速车路耦合发展路径

　　新一代智慧高速公路是一个车与路相互促进、相互协调的过程，需依赖车路耦合技术升级共同构筑，其成熟的时间既取决于车辆技术水平发展，也取决于公路设施技术的进步。先进的车与落后的路组合会导致效能提升成本昂贵，难以规模化应用;先进的路与落后的组合会严重限制道路效能优势的发挥。从数字孪生层出发，智慧高速公路的发展将经历数字化、网联化、全息化三个主要阶段。数字化阶段将实现对高速公路静态永久数据对象(道路几何特征、车道类型、车道连通性等)、静态临时数据对象(路域设施性能、交通安全设施完整性等)的高精度描述，形成高精度数字底板。

　　网联化阶段将实现对高速公路动态临时数据对象的收集和分享，如可变信息板、施工区和事故点、道路拥堵状态以及路面积雪结冰等，形成动态高精度地图。全息化阶段将实现对高速公路内高度动态数据对象的实时感知，如动态车辆的识别、轨迹追踪、短时行为预测等，形成局部高度动态地图。在智慧高速公路三个不同发展阶段可与智能网联汽车形成不同的协同化系统及应用。

　　4结语

　　本文梳理了公路系统的车路耦合发展脉络，诠释了新一代智慧高速公路内涵与框架，主要结论如下：(1)结合公路体系演变特征，明确了新一代智慧高速的基本技术特征，设计了满足发展要求的基本系统内涵与层次。(2)面向不同阶段发展要求，提出了新一代智慧高速的物理与应用架构，明晰了各板块间的交互关系。(3)考虑车路强耦合路线，研判了新一代智慧高速的推进路径，讨论了不同自动化等级与智慧高速等级间的组合服务范围。

　　参考文献：References：

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　　[2].《中国公路》编辑部.“四个交通”谋新篇[J].中国公路，2014，2014(1):21-21.EditorialdepartmentofChinaHighway."FourTransportation"SeekingNewChapters[J].ChinaHighway,2014,2014(1):21-21.

　　[3].焦蕴平.向交通强国奋进[J].中国公路，2019，2019(19):10-10.JIAOYun-ping.ForgetowardsaCountrywithStrongTransportationNetwork[J].ChinaHighway,2019,2019(19):10-10.

　　作者：杜豫川1，刘成龙1*，吴荻非1，赵聪1

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