新港高速公路智慧高速系统设计与应用研究

0引言

在新一代信息技术与交通运输行业深度融合的背景下,智慧高速已成为现代交通体系发展的核心方向。新港高速公路双柳长江大桥及接线工程作为湖北省“十三五”综合交通运输规划的重点项 目,被纳入《长江干线过江通道布局规划(2020—2035年)》,其智慧化建设对于完善武汉都市区交通环线、提升区域交通协同效率具有里程碑意义。

该项目全长35.04 km,跨长江主桥长1.43 km,连接武汉市新洲区与鄂州市华容区,串联起武英高速、黄鄂高速等多条干线公路,形成了武汉东部重要的过江通道。为应对长大桥梁运营安全、恶劣天气通行保障等核心难题,项目创新性地构建了多系统协同的智慧高速体系,通过融合感知、智能决策与主动服务,实现了高速公路管理从“被动响应”向“主动防控”的转型升级。本文系统梳理智慧高速系统的架构设计、关键技术及实施路径,深入剖析各子系统的协同机制与应用价值,可为智慧高速工程的规划与建设提供技术参考。

1项目概况与设计目标

1.1 项目区位与技术标准

项目起于武汉市新洲区刘大房湾附近,与汉新公路(S111)相交,向南跨越长江后,止于鄂州市华容区,与黄鄂高速相接。路线全长35.04 km,全线设置7座互通式立交、1处管理监控分中心及1处养护工区,采用差异化技术标准:长江大桥段(航天城互通至泥矶互通)为双向八车道,路幅宽度41.5 m,设计时速120 km;其他路段为双向六车道,路幅宽度34.0 m,设计时速120 km[1]。

1.2 设计目标与原则

1.2.1核心目标

监控系统旨在充分发挥高速公路“高速、安全、舒适、高效”的功能特性,具体目标包括:1)以交通安全为核心,有效管理交通流,最大限度减少二次事故发生;2)实时监视全路段交通运行状态,精准预警拥堵与阻塞路段;3)及时发布动态交通信息,为道路使用者提供精准出行指引;4)全面监测道路环境状况,构建安全舒适的行车环境;5)保障道路服务水平与通行能力,降低车辆延误率。

1.2.2设计原则

系统设计遵循六大原则:1)可靠性与安全性:确保设备与系统稳定运行,保障车辆安全高效通行;2)扩展性与兼容性:预留技术升级空间,支持多系统互联互通与未来功能扩展;3)先进性与实用性:平衡技术领先性与工程经济性,优先选用高性价比方案;4)系统性:统筹路网整体需求,避免设施重复与功能矛盾;5)协调性:与其他系统及相邻路段协同联动,发挥交通工程整体效益;6)规范性:严格遵循国家及行业现行标准与规范[2]。

2 智慧高速系统总体架构

2.1 系统架构设计

智慧高速的总体架构(图1)包括融合感知、通信传输、数据底座、智慧应用、信息服务设施等板块,充分对外场智慧感知的设施布设、支撑保障的数据资源和算法、智慧应用的应用场景等进行统筹协调,纵向贯通打造桥梁全周期全要素数字化,以数据驱动智慧化高质量建设与发展,真正实现行车安全管理和交通主动诱导管控,服务美好出行。

1)融合感知层:针对基础设施、交通运行、路域环境三类要素,采用光栅阵列、雷视融合、北斗定位、智能诱导灯等设备,结合传统感知手段,实现车辆轨迹、结构健康、交通事件等全域信息的精细化感知。

2)通信传输层:采用有线与无线通信融合的方式,构建数据传输、信息发布与互联互通的通信基础,保障数据实时交互。3)数据底座层:以大数据与人工智能算法为核心,构建智能分析决策中枢,实现多源异构数据的汇聚、存储与治理,支撑交通态势分析与主动管控。4)智慧应用层:涵盖全域运行融合感知、通行效率提升、主动安全管控、服务美好出行及孪生可视化五大模块,实现管理、养护、运营全周期智慧化。5)信息服务层:通过可变信息板、智能诱导灯、定向广播、APP等设施,实现信息多渠道触达,提升智慧化应用效果。

2.2 云控平台分级体系

系统采用“集团统筹、分级建设”的云控平台架构,分为两级:1)集团级云控平台:作为全省路网管控核心,汇聚各区域平台数据,实现跨路段、跨区域的数据分析、预警预测与协同控制,具备特殊情况下的直接管控权。2)区域/路段级云控平台:负责本路段数据汇总、治理与实时管控,通过与集团平台的数据共享,获取相邻路段信息,制定区域交通控制策略。

两级平台基于“即时、全量、全网”原则实现数据交互,形成“云端决策-边缘执行”的闭环体系,确保管控策略精准落地。

3 关键子系统设计与技术实现

3.1桥梁行车安全管理子系统

该系统通过“前端感知+边缘计算+后端平台”三层架构,实现桥梁交通状态的精准管控。

3.1.1 系统构成

1)前端子系统:由雷视拟合设备(毫米波雷达十长焦摄像机十短焦摄像机)及边缘计算终端组成,部署于双柳长江大桥1.4 km主桥范围,路侧感知杆与路灯合杆设置。其中,毫米波雷达覆盖300~500 m,长焦摄像机覆盖150~550m,短焦摄像机覆盖20~200m,实现车辆轨迹跟踪、特征提取、事件检测等功能。

2)传输子系统:依托高速公路视频专网与光纤网络,实现前端数据与后端平台的实时交互。3)后端平台:构建桥梁行车态势感知平台,实现数据汇聚、分析、展示与存储,支持桥梁资源展示、交通状况监控、异常行为报警等功能。

3.1.2核心功能

1)桥梁态势感知:雷视拟合设备持续获取车辆轨迹,映射至桥梁三维模型坐标系,实时显示交通状态与事件信息,夜间低照度环境下仍可有效识别车辆。2)交通事件检测:通过目标运动状态分析,精准定位异常事件(行人闯入、车辆违停、拥堵等),触发平台弹窗报警并联动监控画面。3)路段回溯重演:支持按时间、事件或车辆维度回放事件过程,实现交通事件全链条追溯。4)数字化虚拟再现:构建桥梁三维纹理模型,还原车辆真实轨迹与位置,实现事件高精度定位与回溯。

3.2 智能诱导灯子系统

针对项目沿线两处临湖路段及收费互通分合流区域,部署智能诱导灯系统,提升低能见度天气下的行车安全性。

3.2.1系统组成

1)太阳能智能雾灯:侧边设黄红双色LED闪烁区域,正面为黄橙光照明,内置红外/雷达感应装置,支持亮度、闪烁频率动态调节。2)协调器:每2 000 m设置1台,维护网络节点通信,保障设备协同工作。3)雾区检测仪:实时监测大气能见度、降雨、降雪等参数,判断能见度变化趋势。4)控制机:位于路侧智能控制箱,接收能见度数据,远程控制雾灯工作模式。

3.2.2工作模式

系统根据能见度自动切换工作模式,如表1所示。

3.2.3布设方案

1)道路两侧诱导雾灯安装间距20 m,通过无线链路通信。2)分合流区域加密布设,结合能见度监测仪实现自动调节。

3.3 光栅阵列智能道面系统

该系统基于光纤光栅传感技术,构建“触觉十视觉”融合的路面感知网络,是项目核心创新点之一。

3.3.1系统架构

采用“前端感知—分站处理—中心应用”三层架构:1)前端设备:光栅阵列传感网络,实现全路段覆盖,包括振动光缆与应变光缆。2)分站设备:光栅阵列解调仪、边缘计算服务器及交换机,负责数据采集与解析。3)中心设备:服务器、大数据平台及交换机,实现数据存储、智能分析与业务交互。

3.3.2监测原理

1)车辆定位:车道下方纵向埋设的光栅阵列振动光缆,感知车辆通过时的振动响应,通过响应分布定位车辆位置。2)路面损伤检测:路面结构开裂或破损会导致振动响应变化,利用传感缆的分布式布局,定位损伤部位。

3.3.3布设方案

1)振动光缆:在K16十690至K30十980主线路段,每车道纵向布设,路基段起终点及路桥交替处横向加密。2)应变光缆:桥梁段每车道布设,监测主梁沿程应变信息。3)特殊处理:跨江主桥段顶板布设4条应变缆十4条振动缆,底板布设2条应变缆十2条温度缆十2条振动缆,如图2所示。

3.3.4技术参数

1)普通型振动传感器:外径≤13 mm,抗拉强度短期≥3000 N,工作温度—40~十80℃ 。2)高耐受型振动传感器:外径≤10mm,抗压强度短期≥20 000N,工作温度—40~十200℃。3)应变传感器:光栅间距≤1m,测量范围±5 000 με,精度≤±2με。

3.4 北斗高精度定位服务

系统构建北斗卫星定位地基增强系统,提供高精度时空基准服务,支撑车辆定位与路网协同。

3.4.1系统架构

1)参考站子系统:沿线每10~15 km布设1套基准站,共3套,布设于郜城西互通、莲湖畈互通、华容互通。2)数据通信子系统:实时传输基准站观测数据至分中心。3)数据处理与控制中心:生成网络差分改正数,提供定位增强服务。4)用户应用子系统:实现用户授权管理、监控及定制服务。

3.4.2功能指标

1)定位精度:高速运动实时分米级,动态测绘厘米级。2)可靠性:具备卫星导航完好性告警功能,应急救援车辆定位精度达分米级。

3.5 无人机巡检系统

部署5套无人机及自动起降机场,分布于各收费站场区,实现全路段智能化巡检。

3.5.1系统架构

1)物理层:包含无人机、机场、测绘相机、喊话器等设备。2)传输层:基于4G、无线电技术,构建高速数据传输通道。3)数据层:汇聚遥感影像、三维模型、飞行视频等数据。4)管理层:实现设备、人员、任务的一体化管理。5)应用层:覆盖施工监督、路况巡检、节假保障、应急处突四大场景。

3.5.2核心应用

1)施工监督:周期性巡查施工现场,实时回传进度与安全信息,支持夜间热成像监测。2)路况巡检:检测路面裂缝、坑槽等病害, 自动识别障碍物并预警。3)应急处突:快速抵达事故现场,回传高清影像,投放急救药品,引导车辆避让。

3.6 主动式路面积雪凝冰监测预警及处置系统

系统针对桥梁、匝道等易结冰路段,实现冰雪灾害的主动防控。

3.6.1系统组成

1)道路气象监测子系统:监测大气温度、湿度、路面状态等参数。2)融雪剂溶液喷洒子系统:包含泵站、储液罐(48 m³/28 m³)、喷洒终端及管线。3)控制及管理子系统:实现数据采集、结冰预警、自动喷洒控制。

3.6.2工作流程

1)传感器采集气象与路面数据。 2)系统预判结冰风险, 自动启动喷洒装置。3)精准撒布融雪剂,降低冰点,防止路面结冰。

4数据底座与智慧应用平台

4.1数据底座设计

数据底座作为系统核心支撑,包含四大平台:1)北斗时空底座:提供统一授时与空间基准,实现多源数据时空对齐,支撑路基监测、车路协同等服务。2)大数据平台:基于HDF5(HadoopDistributedFile5ystem,分布式文件系统)构建,支持数据采集(ETL抽取、文件传输等)、存储 (Hbase分布式存储)、计算 (实时sparkstreaming/离线spark)。3)物联网平台:实现设备接入、数据解析与联动控制,包含设备管理、任务调度等模块。4)车辆画像平台:整合车辆通行数据、特征信息,构建多维度标签库,支撑精准管控。

4.2核心智慧应用

4.2.1全域交通态势感知

1)融合视频、雷达、ETC数据,生成实时交通热力图。2)自动识别异常事件,响应时间<30 s,触发分级处置流程。

4.2.2数字孪生平台

1)构建K16十690至K30十980路段三维模型,叠加交通流、设备状态等数据。2)实现动态荷载管控、重点车辆监测等功能的可视化展示。

4.2.3 出行服务系统

1)开发小程序,提供路况查询、服务区导航、紧急救援等服务。2)整合ETC服务、优惠活动等信息,提升用户体验。

5 系统创新点与实施效益

5.1 技术创新点

1)多源融合感知技术:光栅阵列与雷视设备协同,实现“触觉十视觉”双重感知,突破单一设备在恶劣天气下的性能局限。2)桥梁全要素数字化:整合结构健康监测与交通管理数据,构建数字孪生体,实现桥梁全生命周期数字化管理。3)云边协同管控架构:边缘节点实现本地化快速响应(时延< 150 ms),云端负责全局优化决策,形成“秒级响应、分钟级处置”的闭环。4)主动安全防控体系:智能诱导灯、融雪除冰系统联动,实现低能见度、冰雪等场景下的主动风险规避。

5.2 预期实施效益

1)安全提升:交通事件检测率≥95%,雾天事故率降低60%,路面病害发现及时率提升80%。2)效率提升:应急处置响应时间缩短至15 min内,道路通行能力提升15%~20%,养护成本降低30%。3)服务优化:出行信息发布准确率≥98%,用户满意度提升25%。

6 结论与展望

新港高速公路双柳长江大桥智慧高速系统通过系统化设计,构建了覆盖“感知—传输—决策—服务”的全链条智慧化体系,其核心价值在于:1)创新采用光栅阵列传感技术,实现路面状态与车辆信息的同步感知,为智慧高速提供了全新的感知范式;2)构建多系统协同的主动安全防控机制,有效提升了复杂场景下的交通安全性;3)依托云边协同架构与数字孪生技术,实现了交通管理的精准化与可视化。

未来,系统可进一步拓展车路协同功能,通过C-V2X技术实现车辆与路侧设备的实时通信,为 自动驾驶提供支撑;同时深化人工智能算法应用,提升交通流预测与养护决策的智能化水平,推动智慧高速向“主动服务、智能自愈”的更高阶段演进。

[参考文献]

[1] 公路工程技术标准:JTGB01—2014[S].

[2] 高速公路监控技术要求:DB12/T 646—2016[S].

《机电信息》2025年第21期第10篇