数字时代全球智慧高速公路发展趋势及建设思考

guoxiongxin 2023-11-05 发布于广西

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孙超黄愉文张永捷

深圳市城市交通规划设计研究中心股份有限公司深圳市交通信息与交通工程重点实验室

摘要：数字经济正加速成为全球经济发展的新引擎，智慧高速公路作为新技术与交通运输深度融合的重要载体，对于提升高速公路运输效能、培育新兴产业、带动新型数字经济发展意义重大。首先对美、日、欧及国内智慧高速公路发展路径及主要特征进行深入分析，其次围绕全息感知、主动管控、伴随服务、新技术集成、多方协同等技术升级方向研判智慧高速公路发展趋势，最后结合行业发展趋势、既有基础及未来需求，从完善顶层设计、筑牢技术支撑、培育产业生态、支持协同共融、推进绿色集约等五大方面，系统性提出智慧高速公路建设策略。

关键词：智慧高速公路;趋势研判;建设策略;数字驱动;协同共融;

基金：国家重点研发计划“综合交通运输与智能交通”重点专项，项目编号2018YFB1601100;

新一轮科技革命和产业变革深入发展，数字技术与传统行业加速融合，数据驱动的数字化基础设施、数字化精准管控、数字化精细服务成为未来经济发展转型、行业治理升级的必然方向。智慧高速公路作为交通运输领域新型基础设施的关键场景，集5G、北斗、大数据、人工智能等数字化主流技术于一体，是数字化变革、智能化变革的集中展示场地，更是未来交通服务、未来交通产业、新型经济增长动能的策源地，已成为世界交通强国争相加快部署的热点[1,2]。因而，面向发展早期试验探索的阶段性特征，系统性分析智慧高速公路发展方向、建设思路、重点建设领域、关键模式创新必不可少且势在必行。

当前国内外智慧高速公路基本以试点建设为主，主要关注无人驾驶、车路协同[3]、自动化监测、智慧化运营管控和出行诱导服务等方面创新探索，智慧高速公路内涵理解存在较大差异，尚未形成统一的共识，存在为智慧而智慧的乱象[4]。我国高度重视智慧高速公路的建设，围绕2018年智慧公路试点示范及2020年进一步提出的交通领域新型基础设施工作部署，依托高速公路新建或改扩建工程全国纷纷开展智慧化升级并取得较好成效，但盲目跟随热点、新技术应用场景不成熟、新业态产业生态不协同等问题较为突出，亟待成体系研究完善智慧高速公路发展建设策略。本文通过系统梳理全球智慧高速公路发展概况，分析研判智慧高速公路发展形势趋势，从完善顶层设计、筑牢技术支撑、培育产业生态、支持协同共融、推进绿色集约等五大方面，提出智慧高速公路发展策略，以期为高质高效的高速公路信息化、智慧化建设提供参考。

1 全球智慧高速公路发展概况

总体上，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，持续开展基于多传感器融合的超视距感知、智能主动管控、车路协同、长寿命新型道路材料等新技术研究及试点应用，着力推进智慧高速公路发展路径探索及完善。如表1。

1.1美国：力推车路协同探索，谋求安全运行水平跃升

在重视交通管理信息化建设的基础上，美国横向拓展基于车路协同的安全驾驶辅助，通过车路数据交互直接提升车辆末端的安全驾驶水平，推进高速公路整体运行安全的跃升。

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。因此，为着力强化高速公路运行安全，美国持续开展基于5.9 GHz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，当前开展车辆网联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。以怀俄明州I-80州际高速公路为例，针对重型卡车流量大，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，当前已完成400辆车辆，以及75个路侧节点布设，具体包括150辆重型卡车、100辆交通局车队及150辆扫雪车及巡逻车。如图1。

表1 全球智慧高速公路发展概况

国家	主要特点	试点内容
美国	力推车路协同探索，谋求安全运行水平跃升	车路协同设备部署已超过50% I-80高速公路400辆车辆改造 I-80高速公路75个路侧节点布设
日本	聚焦ETC创新应用，强化精细精准运行控制	ETC普及率93.1% ETC2.0普及率25.5% 累计完成1 700个路侧设备部署
欧盟	注重主动管控建设，打造全连接的交通走廊	内嵌C-ITS的智能基础设施带奥地利高速公路主动管理系统荷兰安全预警“自发光”智能公路英国硬路基动态控制
国内	强调数据赋能决策，统筹开展智慧公路示范	河南机西高速公路智慧物流通道浙江杭绍台智慧高速公路广东深圳外环智慧高速公路江西北斗高精度应用福建大数据综合路网管理吉林季冬区气象服务和能源利用北京车路协同和自动驾驶示范河北高速公路交通设施数字化江苏自动驾驶示范

1.2日本：聚焦ETC创新应用，强化精细精准运行控制

从VICS(道路交通信息通信系统)到ETC、ETC2.0,日本持续完善车辆个体实时出行数据采集及拓展基于此的分析决策应用，赋能高速公路精细化运行控制。

图1 俄怀明州南部I-80高速公路车联网试点方案

通过车辆前装的ETC终端信息回传，能够实现全路网交通运行时空分布、拥堵区域、拥堵长度等智能分析，并利用路侧设施进一步监测运行环境信息，进而实现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。推广模式上，实行ETC车载模块前装，公众仅需要办理ETC卡，应用流程简单便捷，目前已实现93.1%的装配率，其中ETC2.0为25.5%。设施配套上，自2016年正式提供ETC2.0服务，全国高速公路累计完成1 700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公路，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。如图2。

1.3欧盟：注重主动管控建设，打造全连接的交通走廊

聚焦高速公路主动交通管控，欧盟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。

图2 日本车路协同(ETC)发展概况

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km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。

1.4国内：强调数据赋能决策，统筹开展智慧公路示范

我国高度重视智慧高速公路的建设，2018年提出在北京、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，2020年进一步提出打造融合高效的智慧交通基础设施，加快建设智慧公路。围绕交通强国示范建设和新型基础设施建设部署[5],全国纷纷以智慧公路作为融合基础设施的重要抓手，加快推进新一代信息技术与高速公路深度融合，例如浙江推出杭绍台、杭绍甬智慧高速公路[6],江苏推出五峰山高速公路、沪宁高速公路，广东推出机荷智慧高速公路等。

以杭绍台智慧高速公路为例，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，搭建智慧高速公路云控平台，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。广东广乐高速公路智慧化试点，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。

2 全球智慧高速公路发展趋势

新技术、新经济、新基建加速迈入快车道已成为行业共识，未来5年智慧高速公路将进入规模化建设阶段，正着力由实现初步自动化的1.0阶段、注重系统集成的2.0阶段，向聚焦智能化的3.0阶段演进，“全要素感知、主动式精细管控、伴随式个性服务、新技术集成、多主体创新协同模式”的智慧高速公路发展理念基本建立并加速迈向成熟。如图3。

2.1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。

图3 智慧高速公路发展趋势

2.2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。

2.3由间断式无差别推送转向伴随式个性服务

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。

2.4由传统机电转向新技术集成、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关键作用，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。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，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。以加快迈向成熟的自动驾驶技术为例，基于高速公路相对封闭的通行环境，干线物流运输、编队驾驶等自动驾驶应用场景将率先在高速公路落地，并带动路侧融合感知、C-V2X、边缘计算及云控平台等车路协同设备设施推广应用，引领以自动驾驶车辆为载体的未来出行模式探索。

2.5由单一主体转向多方协同的跨界融合发展

智慧高速公路建设涉及管理部门、运营单位、运输企业、开发企业、出行公众等多方参与主体，建立智慧高速公路产业联盟，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公路连续服务。

3 智慧高速公路建设策略

当前交通运输领域新基建建设进程加速，全国高速公路收费一张网、视频云一张网引领的高速公路一网协同趋势渐显，应以数字互联支撑信息协同、以智能分析支撑决策协同、以新旧共融支撑设施协同，从顶层设计、技术突破、生态培育、标准支撑、模式创新等方面，系统性推进智慧高速公路建设，形成贯穿行业指导、研发建设、运行服务的行业生态共建模式，有力支撑高速公路规建管运养全生命周期、全业务环节的整体智能化绿色化转型升级。如图4。

图4 智慧高速公路建设策略

3.1完善顶层设计，编制智慧高速公路总体规划

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，明确智慧高速公路核心功能体系、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。

3.2筑牢技术支撑，突破智慧高速公路核心技术

针对当前智慧高速公路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，为开展智慧高速公路建设提供核心技术支持。

3.3培育产业生态，加快智慧高速公路试点示范

当前智慧高速公路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公路先行试点布局，验证技术成效及可靠度，再逐步向其他路段、路网推广应用。

3.4支持协同共融，研究制定智慧高速公路标准

在充分开展智慧高速公路总体功能框架、技术路线、产品性能等核心要素研究的基础上，制定智慧高速公路标准规范，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。

3.5推进绿色集约，创新探索建设运营模式

与高速公路传统机电建设相比较，智慧高速公路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，是智慧高速公路高质量建设运营的关键。一是研究新建高速公路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公路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，推进智慧高速公路信息化系统建设运营一体化。四是细化行业分工及角色，着力培育智慧高速公路运维领域专业咨询机构，为打造智慧高速公路行业产业链闭环提供支撑。

4 结语

面向新一轮科技革命和产业变革同我国转变发展方式的历史性交汇期，新技术与传统行业加速融合，智慧高速公路作为交通运输的信息化建设重要组成部分，实现高速公路传统机电系统功能性能拓展、整体管控及服务体系主动化精细化升级的同时，将有力带动5G、大数据、人工智能、信息电子等行业集中突破，加快研究智慧高速公路建设路径意义重大。本文在全面深入研究国内外智慧高速公路发展历程及主要特征的基础上，对智慧高速公路发展趋势进行前瞻性研判，形成了覆盖顶层设计、技术突破、生态建设、标准制定、模式创新的一整套建设策略，以期为智慧高速公路建设提供参考。