作者：付增辉1,2，侯晓青1,3（1.河北省交通规划设计研究院有限公司；2.交通运输部自动驾驶技术交通行业研发中心；3.河北省车路云网工程研究中心）

摘要：智慧公路的概念从提出到试点示范到应用落地，短短几年时间已成为交通运输行业便民服务的重要手段之一，作为一项系统工程，顶层设计十分重要，本文从设计角度介绍延崇高速河北段智慧公路的试点建设方案的总体架构。

S3801延崇高速河北段作为北京冬奥会陆路交通保障项目，按照部厅试点建设要求，建设内容包括基础设施数字化、路运一体化车路协同和北斗高精度定位综合应用3项试点内容。另外，根据实际需求增加了基于大数据的路网综合管理和“互联网+”综合服务的建设内容。本文对延崇高速河北段智慧公路总体架构设计方案进行探讨。

一、项目背景

2018年2月28日，交通运输部下发《交通运输部加快推进新一代国家交通控制网和智慧公路试点》的通知。为推动新一代国家控制网及智慧公路试点有序开展，防止试点同质化、碎片化，按照交通运输部的统一部署，北京、河北、吉林、江苏、浙江、福建、江西、河南、广东等九个省份重点开展了六个试点主题，如下表所示。

新一代国家控制网及智慧公路试点主题及开展省份

2018年5月，河北省交通运输厅下发《关于推进全省交通运输“大智移云”发展的实施意见》文件，确定由延崇高速承担建设智慧公路试点项目，完成基础设施数字化、路运一体化车路协同、北斗高精度定位及综合应用试点任务，并根据需求在基于大数据的路网综合管理与服务方面进行试点建设。

延崇高速河北段起点在松山特长隧道内与北京段顺接，终点与张承高速公路张家口段相连，通过北京市兴延高速，连接至北京西六环，形成河北省北部与北京市的快速通道，有力促进京津冀协同发展和扶贫攻坚战略实施。同时，其也是2022年北京冬奥会延庆海坨山赛场与崇礼太子城赛场重要的陆路转场通道。

延崇高速河北段分为主线工程、赤城支线工程和延伸线工程，智慧公路工程在主线实施。延崇高速主线工程长81.552km，跨越怀来、赤城、崇礼三县区。采用双向四车道高速公路标准，路基宽度26m。主线起点至赤城服务区段设计时速100km，赤城服务区至终点段设计时速80km。桥梁共计18.5km/38座，其中特大桥10.6km/8座，钢桥占比48.5%，隧道总计49.495km/8座，其中特长隧道5座。延崇高速河北段沿线设施示意如图1所示。

图1 延崇高速河北段沿线设施示意图

二、路段特点

延崇高速河北段是典型的高寒山岭重丘区高速公路，具有以下特点。

（1）海拔落差大、隧道桥梁多。起终点地面高差达到1210m，全线桥隧占比达到56%，金家庄隧道位于螺旋展线上，迂回360度后路线高程提升112m，是目前世界上建成并投入运营的最长螺旋隧道。

（2）气候环境恶劣，易受雨雪和冰雾影响。崇礼太子城段极限低温为-32℃，冬季平均最低气温-28.3℃，平均日最大温差19.1℃，年最大温差将近70℃，易受雨雾和冰雪影响，对行车安全极为不利。

（3）地势起伏大，存在长下坡路段，运营安全要求高。路线存在约30km的连续下坡路段，3处连续下坡路段纵坡超过3%，韩庄至棋盘梁螺旋展线段纵坡达到2%～2.6%。桥梁全长近20km，隧道单洞长49.495km。

（4）调频广播、无线通信、卫星定位条件差。沿线调频广播信号覆盖不完整，部分路段无法接收到正常调频广播信号；移动无线通信信号以3G信号为主，通信质量较差；卫星定位信号较差。

（5）服务冬奥会，智能交通要求高。作为2022年冬奥会赛场间的转场通道，转场时间不超过1h，向全世界展示我国高速公路的服务和智能化建设水平，提供全方位智能化服务。

三、需求分析

（一）用户需求

1、公众

目前，高速公路安全与运行效率的态势依然十分严峻。高速公路事故突发及事故严重性等问题突出，区域性拥堵、恶劣气象等阻断事件频发，突发事件影响的时空范围呈网络化扩散态势。高速和安全是高速公路的两大特点，二者彼此关联又相互制约。对公众而言，道路的畅通度、安全度，信息发布的及时性、准确性以及服务区的便利性、舒适性都是他们比较关心的问题，公众最需要的是既能安全、便捷、高效地行驶，又能获得针对性强、品质高的出行服务。

2、冬奥会

延崇高速河北段作为北京冬奥会陆路交通保障项目，需要对道路的路面情况、车辆情况、人员情况、设备情况等进行综合监控、预警，确保专用通道安全、畅通；对冬奥转场车辆要全程定位、全程跟踪和全程可视化，确保转场车辆安全；对冬奥保障物资进行跟踪和追溯，保证冬奥物资及时到位；对冬奥安保工作，要与河北省、张家口市TOCC对接，做到应急信息共享、通道共享，满足奥运需求，可向奥运安保部门提供全线的道路视频、应急事件和救援物资、救援力量等；对冬奥赛事信息，要支持中英文及时发布，确保路段可变信息标志、服务区内的可变信息发布屏、液晶显示屏能够实时提供奥运赛场的相关信息。

3、行业管理单位

行业管理单位需要准确掌握交通运输宏观信息，进行交通行业运行监测与预警、综合交通专题监测与预警、综合交通运行协调与指挥、综合交通方案决策、综合交通公众信息服务、交通信息资源管理、数据交换共享服务、行业信息化基础条件集成、行业信息资源整合共享等。

4、路段运营管理单位

路段运营管理单位肩负着全线路产路权维护、设备维护、交通运行状态及时获取、阻断信息报送等责任，需要通过智慧公路建设，以信息化、智能化的手段辅助其开展日常、应急条件下的各项工作；需要依托全路的实际交通情况辅助管理者决策；需要提供全路范围的信息服务，包括实时路况信息、环境信息、交通管控信息、施工信息、重大交通事件、车道速度建议等。

（二）功能需求

1、感知需求

实时掌握高速公路的实际道路运行状况是保证公路运营管理和应急处置决策科学性和合理性的前提，延崇高速河北段需要掌握高速公路交通运行状况（交通流量、平均速度、拥堵程度等）、突发事件情况、安全环境状况（能见度、积雪、结冰、路面状况等），能够对路网交通运行状态、恶劣天气进行初步分析，对可能造成的突发事件进行预警，为公路应急处置管理机构提供及时、有效的报警信息。

2、传输需求

高速公路传输网将为信息感知、设备运维、应急处置、智能收费、车路协同等业务提供通信服务，确保高速公路前、后端信息对称，使得利用信息技术提高高速行驶安全性、管理效率和应急处置响应速度成为可能。

3、决策需求

随着感知体系的建立，将实时产生大量数据，如何对这些海量、多源、异构数据进行管理、整合、处理，挖掘蕴含其中的有用信息，是高速公路管理和运营部门面临的普遍问题。因此，迫切需要建立一个数据中心对海量数据进行管理、分析和挖掘，开发一套有效、实用的数据分析处理系统，形成支持管理决策制定的有用信息，全面提升高速公路运营管理水平和应急处置能力。

4、服务需求

服务是智慧公路建设的最终目的，高速公路服务水平必须与人民群众日益提高的生活品质相适应，利用信息化手段，逐步提高高速公路智能化水平，丰富服务方式，整合服务资源，提高个性化、伴随式综合服务能力，为公众提供安全、便捷、畅通的出行服务。

四、建设目标

延崇高速河北段以“智慧设施、智慧决策、智慧管控和智慧服务”为手段，以建设“三示范、三体验、五亮点、三服务”的智慧公路为目标。

三示范：以智慧理念引领“绿色、科技、智慧公路”3项示范工程。

三体验：打造“车路协同、智能诱导、高精定位”3种出行体验。

五亮点：实现5个“国内第一条”。即第一条支撑奥运标准的智慧化高速公路、第一条实现全要素物联网集群监测的数字化高速公路、第一条运营开放路段的车路协同示范高速公路、第一条基于视觉的隧道智能综合诱导高速公路、第一条北斗卫星信号和5G信号全覆盖的高速公路。

三服务：服务于公众、服务于冬奥会、服务于管理者。

五、总体架构

延崇智慧公路总体架构在标准规范、安全保证和运营保障的基础上，以“三示范、三体验、五亮点、三服务”为目标，构建智慧感知层、信息传输层、数据中心层和应用服务层，如图2所示。

图2 延崇智慧公路方案总体架构图

智慧感知层：采集各类数据并上传数据中心，包括公路基础设施固有静态数据、外场各类检测设施的动态数据、养护和路政部门的数据、社会其他行业共享的实时及预测数据等。

信息传输层：负责信息传输，包括光纤传输网络、无线传输网络以及将信息传递给用户的前端系统。沿线建设20Ge带宽的PTN分组传送网，实现了5G信号的全线覆盖（含隧道）。

数据中心层：实现公路静态数据、动态数据、业务管理数据、应用主题数据、异构多元数据的汇集、清洗、整合、存储、分析、计算和利用，以及数据中心的软件支撑平台、硬件支撑平台、数据共享交流平台、内部处理平台和外部对接平台。

应用服务层：通过数据中心之上的应用系统实现人、车、路、环境的信息交互和应用场景实现，为管理者、出行者、冬奥会提供智慧服务，为奥运安保、省TOCC提供对接服务，包括高速公路综合业务管理、应急处置、智能化辅助决策、高速公路出行信息服务、冬奥会安保服务及其他需求对接以及省市TOCC对接等服务。

六、建设内容

延崇智慧公路试点项目是在常规机电工程的基础上进行升级，项目完成后，将常规机电工程纳入到智慧公路系统中统一运行。延崇智慧公路建设内容如图3所示。

图3 智慧公路试点项目总体结构图

智慧公路试点项目包括基础设施数字化、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和“互联网+”路网综合服务系统。

（一）基础设施数字化

基于3DGIS+BIM技术建设数字延崇，叠加物联网集群监测信息，实现基础设施全生命周期的充分信息表达、三维显示以及协同作业，为路段设施资产动态管理、安全状态自动监测、养护管理智能决策提供支撑。全线建设3座大桥、3座特大桥和3座特长隧道典型构造物的健康监测系统，以点带线，运用集群监测与大数据推理技术，实现全线特殊构造物健康状况的监测、分析和预警。

（二）路运一体化车路协同

基于路侧智能基站、车载终端等硬件设施，构建车路协同出行服务系统和智能交通管控系统，形成管控与信息一体化的新一代智能交通解决方案。在韩庄枢纽互通至太子城互通区间建设C-V2X车路协同系统示范路段，构建安全、高效、可预测的交通运行环境，满足车辆驾驶等级自动化分级不低于4级的测试和运营。车路协同路段覆盖互通、桥梁、服务区、隧道（含金家庄螺旋隧道）、收费站等设施，重点验证效率类和安全类13项应用场景，探索车路协同在隧道内的辅助定位和具体应用。

（三）北斗高精度定位综合应用

建设北斗地基增强系统和隧道北斗导航信号扩展定位系统，一般路段定位精度为亚米级；隧道内北斗卫星信号全覆盖，一般车辆不丢星，特殊车辆定位精度为5～8m，服务于“两客一危一重”等特殊车辆，实现隧道内车辆轨迹的连续，具有普世惠众效果；构建基于北斗的高速公路应急救援一体化管理系统，实现事故情况下车辆人员的迅速定位与救援力量的动态调度和区域协同。隧道北斗导航信号扩展定位系统结构示意如图4所示。

图4 北斗隧道定位信号扩展位系统结构示意图

（四）基于大数据的路网综合管理

大数据是智慧公路的灵魂。建设面向服务的弹性云数据中心，结合业务需求构建随需扩展的私有云和随需租用的公有云，在保证数据安全可控的前提下，尽可能利用公有云以降低后期运营成本；通过数据赋能的综合管理平台向公众、管理者和冬奥会提供不同应用场景的服务；通过大数据展示平台，构建集监控、应急、指挥和调度为一体的视觉体验；利用四维实景仿真技术，将道路的静态数据和实时的动态数据相结合，以场景化展示方式构建灵活多样的监控模式；综合运用环境采集与监测手段，实现高寒地区路面结冰的实时监测与道路保畅；在应急状态下，通过大数据的自学习功能，构建闭环管理模式，不断完善控制方案和应急预案，满足智慧应急的建设要求。延崇高速混合云架构系统构成示意如图5所示，延崇高速“智慧大脑”构成示意如图6所示。

图5 延崇高速混合云架构系统构成示意图图

6 延崇高速“智慧大脑”构成示意图

（五）“互联网+”路网综合服务

“互联网+”路网综合服务利用互联网技术，打破了传统机电工程以路段自建信息采集与服务为主的自用服务模式，以开放思维，主动对接互联网，构建了更加广泛的信息采集渠道和服务受众。建设内容主要包括智慧隧道综合诱导系统、精准气象分析预警及应用、迭代升级的5G创新应用，智慧服务区和持续优化的公众、冬奥会和管理者服务。延崇高速“三服务”构成示意如图7所示。

图7 延崇高速“三服务”构成示意图

七、结束语

智慧公路建设应以项目实际需求为导向、以公众出行服务为指引、以道路绿色通行安全为根本、以管理提质增效为抓手、以设施自建自用为基础、以信息共享互联为突破，打破传统定势，拥抱互联网+开放思维，构建数据互通、共融、共享的信息交互、服务体系。在探索智慧公路建设的务实应用场景和商业闭环模式实践中，切忌贪大求全、贪新求尖，坚持求真务实、重抓落地、持续完善，建设人民满意的交通运输体系。同时，还应清醒认识到，智慧公路建设只有起点，没有终点，“智慧大脑”中的数据、算法、模型、预案、知识体系等将持续迭代升级并日臻完善，逐步接近类脑智能。

（原文刊载于2022年第3期《中国交通信息化》）