G65高速重慶巴南至武隆段智慧高速公路總體架構設計

朱 湧, 羅 建, 夏衛國, 李茂華(.招商局重慶交通科研設計院有限公司, 重慶 400067; 2.自動駕駛技術交通運輸行業研發中心, 重慶 400067;

3.重慶高速公路集團有限公司南方營運分公司, 重慶 401121)

智慧高速公路是我國交通強國戰略實施的重要著力點,是新型交通基礎設施建設的重要組成部分,也是未來高速公路發展的重點方向。目前國內浙江、河北、廣西、山東等20多省有40余條高速公路開展了智慧高速公路建設工作,進行了一系列創新應用探索與實踐。浙江杭紹甬高速公路是國內首條智慧高速公路,建設了智慧高速云控平臺,通過智能系統、車輛管控,提升高速公路運行速度,并全面支持自動駕駛[1]。河北省以高速公路大數據挖掘與綜合利用為核心,以“準全天候、精準化”的出行服務和“科學決策、智能管控”的綜合管理為主線,打造京雄智慧高速公路[2]。廣西沙吳智慧高速公路以車路協同測試示范為核心,建設一段智能示范路、一張綜合感知網絡、一張5G通信網絡、一個云控平臺、一個運控中心、一套數字孿生系統等六大內容[3]。我國智慧高速公路發展經歷了基礎研究、技術驗證、試點示范等階段,已形成了較成熟的智慧高速公路技術體系,當前正處于由試點示范向全面布局的關鍵階段[4-7]。

《重慶市推動交通強國建設試點實施方案(2021—2025年)》提出:推動智慧高速公路建設,充分運用大數據、云計算等前沿技術,建設覆蓋“人、車、路、環境”的智慧高速公路網,在重慶高速集團、招商公路、中國鐵建等單位實施項目中選取1～2條高速公路,建設基于5G技術的車路協同試驗段[8]。G65高速重慶巴南至武隆段智慧高速公路建設項目是重慶市首個運營高速公路智慧化提升改造示范工程,將為重慶市運營高速公路智慧化提升改造打造一套可復制、可推廣、可應用的方案,引領全市高速公路數字化轉型升級,形成我國山區智慧高速公路的樣板工程、品牌工程。

1 G65高速巴南至武隆段概況

G65高速公路重慶段為重慶高速公路網規劃“四環二十二射六十聯線”中的射線高速公路,是重慶主要的省際大通道之一[9]。G65高速巴南至武隆段全長約135 km,包括界石至水江段(界水路)、水江至武隆段(水武路),全線共有界石、大觀、水江、武隆4處服務區,線路如圖1所示。

圖1 G65高速巴南至武隆段線路

2007年,界水路建成投運,全長約85 km,隧道共7座,其中特長隧道1座、長隧道3座、中隧道及短隧道3座,隧道全長總計11.03 km。2009年,水武路建成投運,全長約50 km,隧道共7座,其中特長隧道5座、長隧道1座、中隧道1座,隧道全長總計25.6 km,隧道占比達50%。G65高速巴南至武隆段隧道情況如表1所示。

目前G65高速重慶巴南至武隆段日均車流量約6萬輛,貨車日均車流量占比約為30%,交通流量較大,過境交通多,貨車出行需求集中。沿線途經仙女山、芙蓉洞、小南海地質公園等多個旅游景區,重大節假日旅游交通客流增長明顯。全線橋隧比例高,特長隧道數量多,山區高速公路氣象條件復雜,交通事故頻發。

2 智慧高速建設需求分析

1) 交通安全問題

G65高速重慶巴南至武隆段橋隧比高,存在特長隧道、隧道群、橋隧相接段以及長大縱坡路段,氣象條件復雜,交通安全隱患突出。為實現智能管控、主動防護、安全預警、快速救援,最大限度保障公路行車安全,應利用數字化技術手段、科學合理的安全設施設置、切實有效的救援預案。

2) 誘導管控問題

路段主線部分與互通之間、服務區與互通、隧道與互通間距較近,同時本路段與多條國省道、高速公路相交。為提高道路交通通行效率,需強化互通式立交、服務區出入口信息提示,完善區域路網交通誘導與控制。

表1 G65高速巴南至武隆段隧道情況

3) 品質服務問題

G65高速重慶巴南至武隆段是渝東南跨省大通道,沿線人文旅游資源極為豐富,是重要的交通旅游干線,旅游交通量占比較高,但現有交通信息發布手段單一,無法為公眾出行提供精確、及時的出行前信息服務。按照“交旅融合”發展理念,需強化出行信息服務系統,開展服務區數字化智能化升級,充分利用移動互聯網、移動智能終端等信息發布載體,增強出行體驗并提升高速公路引流效果[10]。該路段智慧化升級將有助于整合跨區旅游資源,促進重慶與其他地區旅游資源的優勢互補、協同發展。

4) 節能降碳問題

沿線14座隧道,其中特長隧道6座,機電工程規模大,運營期耗電量大、運維成本高。按照“綠色公路”建設理念,應提升智慧節能手段,實現運營期的智能控制、高效養護,在滿足行車安全條件的基礎上,最大程度地實現節能減排,降低運營成本[11]。

5) 管理決策問題

現有管養系統服務面較窄,主要側重于基礎信息采集和日常業務處理,缺少輔助管理決策、應急指揮調度等綜合性業務功能,且應急處置手段較落后,缺乏高科技手段支持。因此,需建設基于云計算、大數據技術的智慧高速公路云控平臺,通過智能感知與監測構建路段級基礎數據庫,依托可視化管理平臺實現交通運行狀態的實時監測、態勢評估、自動化事件檢測與預警以及突發事件下的應急指揮調度。

3 智慧高速公路建設思路

3.1 建設原則

1) 系統重構、流程再造

引入物聯網、人工智能、數字孿生等新一代信息技術,對傳統高速公路機電設施(收費、通信、監控、隧道機電、供配電等)進行系統重構和業務流程再造[12]。

2) 需求導向、深化應用

以需求為導向,在新的技術架構下強化運行監測、分析研判、安全預警、應急指揮、養護管理、出行服務等功能[13]。

3) 統籌兼顧、協同推進

依據交通運輸部《關于實施綠色公路建設的指導意見》《促進公路隧道提質升級方案》《全國高速公路視頻聯網監測工作實施方案》等文件要求,將機電系統節能減排、全線隧道提質升級、全程監控系統建設和智慧高速公路體系有機結合,統籌實施,避免重復建設。

4) 總體設計、分期實施

根據智慧高速公路建設總體要求和G65高速重慶巴南至武隆段具體特點進行設計,結合信息技術的持續演進,做到總體設計、分期實施[14-15]。

3.2 建設目標

面向復雜艱險山區高速公路,通過“智慧化提升+基礎設施升級”,實現路段運行監測實時準確、應急處置科學高效、養護管理智能先進、信息服務及時便捷,大幅提高高速公路運營管理和服務水平,實現G65高速重慶巴南至武隆段交通運行安全暢通、管養手段豐富多元、公眾出行便捷愉快,打造成為安全型、高效型、低碳型和品質型的智慧高速公路。

3.3 建設任務

結合建設需求及路段特點,本文提出了G65高速重慶巴南至武隆段智慧高速公路的主要建設任務,總體可概括為“1+5+5”,即建設1套智慧高速綜合云控平臺,打造智慧收費站、智慧服務區、智慧車路協同、智慧隧道、智慧創新試點應用等5大智慧化應用場景,實施通信系統、全程監控系統、隧道機電系統、收費系統、主動發光交通標志等5項基礎設施提質升級工程?？傮w建設框架如圖2所示。

圖2 G65高速巴南至武隆段智慧高速公路總體建設框架

4 智慧高速公路總體方案

4.1 技術架構

根據建設任務及智慧高速公路建設技術要求,本文提出了G65高速重慶巴南至武隆段智慧高速公路層級技術架構,包括基礎設施層、通信網絡層、基礎支撐層、數據資源層、應用支撐層、應用服務層和系統用戶層等,并形成管理機制、標準規范、信息安全保障、運維管理保障等體系,技術架構如圖3所示。

1) 基礎設施層

基礎設施層是實現數據采集和各類服務的基礎,包括感知設施、發布設施、管控設施、服務設施、安全設施、養護設施等。

2) 通信網絡層

通信網絡層將構建集光纖骨干網、移動通信網、無線局域網、DSRC專用短程通信網、無線傳感網、廣播網、互聯網等為一體的G65高速重慶巴南至武隆段基礎網絡,為數據、語音、視頻圖像的傳輸提供強有力保障。

3) 基礎支撐層

基礎支撐層提供物理主機、存儲設備,為信息系統支撐環境提供所需的基礎硬件資源和虛擬化環境,包括計算設施、存儲設施、網絡設施、虛擬化設施及數算分離等。

4) 數據資源層

數據資源層將建設智慧高速公路基礎數據庫、業務數據庫、中間件及大數據存儲,并建設決策分析、應急管理、養護管理、信息服務、增值服務等主題數據庫,為應用系統提供數據支撐。形成私有云和公共云相結合的架構體系,集約使用服務器、存儲等各類信息化基礎設施。

圖3 技術架構

5) 應用支撐層

應用支撐層為實現信息共享、應用功能、業務協同工作提供技術支撐,主要包括高精地圖、數字孿生引擎、物聯網底座、AI底座、車路協同引擎、高速公路數據大腦等。

6) 應用服務層

應用服務層包括綜合應用、基礎應用和展現應用等內容。綜合應用依托智慧高速綜合云控平臺,建設安全提升、效率提升、服務提升、品質示范四大業務應用系統?；A應用包括G65高速重慶巴南至武隆段視頻接入平臺、路段監控分中心及隧道管理所視頻會議系統、辦公自動化系統等基礎應用。展現應用包括業務系統門戶(內網)、公眾出行信息服務系統門戶(互聯網)、客服電話、高速公路可變情報板、高速公路廣播、移動智能終端APP等多種信息發布渠道,是面向G65高速重慶巴南至武隆段智慧高速公路用戶提供信息服務的窗口。

7) 系統用戶層

系統用戶對象包括重慶高速集團、南方公司、社會公眾、外部企業/部門等。

4.2 數據架構

智慧高速公路數據資源中心是以高速公路資源統籌管理、集約建設、共享利用為目標,以數據資源共享系統為核心,形成智慧高速公路數據資源共享體系架構。按照統一的標準規范對原始數據進行篩選、清洗、治理,最終形成可共享交換的高速公路數據資源池。G65高速重慶巴南至武隆段智慧高速公路數據架構設計如圖4所示。

智慧高速公路數據資源中心的數據來源主要包括監控數據(監控網)、收費數據(收費網)、養護數據(辦公網)、路政數據(路政部門)、互聯網交通數據(互聯網)以及其余數據,各類數據內容如表2所示。G65高速重慶巴南至武隆段智慧高速公路將實現融合共享各類數據資源,數據共享交換機制設計如圖5所示。

圖4 數據架構

4.3 智慧高速綜合云控平臺

智慧高速綜合云控平臺是G65高速重慶巴南至武隆段智慧高速公路建設的核心內容之一,平臺邏輯架構設計如圖6所示,其中SaaS層包括安全類、效率類、服務類和示范類等業務應用,PaaS層包括高精地圖采集、數字孿生引擎、物聯網底座、AI底座服務、高速公路數據大腦、車路協同引擎等支撐系統建設,IaaS層打造分布式云服務平臺、分布式存儲系統等基礎設施。

4.4 智慧化應用場景

為提升智慧高速公路應用體驗,本文提出打造智慧收費站、智慧服務區、智慧車路協同、智慧隧道、智慧創新試點應用等5大智慧化應用場景。

表2 高速公路數據來源

圖5 數據共享交換機制示意

智慧收費站:包括匝道自由流、車道布局優化、出入口自助車道建設、基于ETC的車路協同等。

智慧服務區:包括服務區綜合管理平臺、無線網絡系統、智能監控系統、環境監測系統、公眾服務信息發布及自助查詢系統、戶外大屏展示系統、廣播系統、商業經營管理系統、智慧照明系統、巡更系統、光伏發電系統等應用系統。

智慧車路協同:包括4張網——光纖通信網、V2X通信網、高精定位服務(北斗衛星網)、5G多網應用;3個端——多源融合感知終端、邊緣側處理端、信息發布端;2個基礎——數字底座和數據中臺;1個應用——云控平臺車路協同應用。

圖6 智慧高速綜合云控平臺邏輯架構

智慧隧道:包括隧道基礎結構物監測、隧道車輛熱源監測、隧道智能照明控制、隧道全息數字孿生、隧道行車安全管控等應用。

智慧創新試點應用:包括數字孿生、隧道洞口主動交通管控、硬路肩動態管控、無人機試點應用等內容。

4.5 基礎設施提質升級

基礎設施升級是保障智慧高速公路實現智慧化運營管理的重要內容,根據前期調研情況,本文提出實施通信系統、全程監控系統、隧道機電系統、收費系統、主動發光交通標志等5項基礎設施提質升級工程。

通信系統升級改造:包括水界路、水武路的通信系統80 G/100 G接入網升級改造。

全程監控系統升級改造:包括沿線全程視頻監控點位、全要素氣象監測點位、LED信息發布屏升級改造。

機電系統升級改造:包括隧道視頻監控系統、交通誘導及控制系統、緊急電話及廣播系統、消防系統、電光標志等設施升級改造、區域控制系統、火災報警系統、環境監測系統等。

收費設施升級改造:包括14套隧道洞口ETC門架增補、南彭收費站UPS及視頻監控、巴南收費站視頻監控、接龍收費站視頻監控、石龍收費站視頻監控升級改造等。

5 結束語

本文通過梳理G65高速重慶巴南至武隆段智慧高速公路建設需求,開展智慧高速公路總體架構設計研究,提出建成1套智慧高速綜合云控平臺、打造5大智慧化應用場景、實施5項基礎設施提質升級的智慧高速公路“1+5+5”總體建設框架,明確了智慧高速公路總體技術架構、數據架構、數據交換機制和智慧高速綜合云控平臺架構等總體設計內容,可為智慧高速公路建設施工提供技術參考。