淺談機(jī)電系統(tǒng)在智慧高速中的應(yīng)用

引言

黨的十九大提出了"建設(shè)交通強(qiáng)國(guó)",為新時(shí)代的交通發(fā)展指明了方向,在此前提下,中國(guó)高速公路的發(fā)展將向數(shù)字化、智能化的方向發(fā)展,高速公路的便捷性、安全性將進(jìn)一步得到提高。

在智慧高速建設(shè)過(guò)程中,機(jī)電系統(tǒng)圍繞著基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化、基于大數(shù)據(jù)的路網(wǎng)綜合系統(tǒng)、路運(yùn)一體化車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)等方面對(duì)道路進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理。

1總體設(shè)計(jì)思路

現(xiàn)有的高速公路建設(shè)存在道路感知不足、信息服務(wù)水平較為落后等方面的問(wèn)題,因此,新的智慧高速的建設(shè)設(shè)計(jì)要在前期考慮到近期和遠(yuǎn)期的發(fā)展問(wèn)題,加強(qiáng)信息服務(wù)系統(tǒng)部署:在前期建設(shè)中,要堅(jiān)持資源優(yōu)化、統(tǒng)籌兼顧的原則,可以選擇合適路段進(jìn)行試驗(yàn)部署,探索新技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景,通過(guò)多方協(xié)同、數(shù)據(jù)共享、服務(wù)租賃等方式,實(shí)現(xiàn)對(duì)高速公路的交通態(tài)勢(shì)、氣象情況等多方面的掌握,通過(guò)智能化系統(tǒng)對(duì)車(chē)輛和道路進(jìn)行交互式感知,實(shí)現(xiàn)對(duì)交通流的主動(dòng)控制,并在遠(yuǎn)期對(duì)車(chē)輛主動(dòng)駕駛系統(tǒng)提供全面和智慧化的信息接入。綜合現(xiàn)有的設(shè)計(jì)模型,除了原有的機(jī)電三大系統(tǒng)和供配電系統(tǒng)外,智慧高速的基本架構(gòu)大致如圖1所示。

數(shù)據(jù)感知層圍繞著"人、車(chē)、路、環(huán)境"獲取各方面的數(shù)據(jù),包含交通狀態(tài)、氣象信息、地理信息等,與其他平臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)行銜接,交互使用,形成用戶(hù)數(shù)據(jù)層。支撐層是對(duì)感知層的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和管理的硬件和軟件的結(jié)合,通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)的通信,把松散的數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化處理融合,為下一步的決策提供技術(shù)支撐。決策層是為處理后的數(shù)據(jù)作用于決策進(jìn)行服務(wù),包含預(yù)警服務(wù)、管控服務(wù)、仿真決策服務(wù)等。應(yīng)用層利用決策層的輸出結(jié)果,結(jié)合管理者的需要、出行服務(wù)的需求等個(gè)性化定制進(jìn)行開(kāi)發(fā),形成一套有效的智能高速公路機(jī)電管理軟件。

2機(jī)電系統(tǒng)的部署

機(jī)電系統(tǒng)的部署,大致可以圍繞著基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化、大數(shù)據(jù)系統(tǒng)、車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)這幾個(gè)方面來(lái)實(shí)施。

2.1基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化

基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化即重點(diǎn)構(gòu)建智能監(jiān)測(cè)傳感網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道、橋梁、匝道等重點(diǎn)部位的動(dòng)態(tài)管理?；A(chǔ)數(shù)據(jù)的建立,包含智慧道路、智慧隧道、智慧服務(wù)區(qū)等各個(gè)方面的數(shù)據(jù)采集:除了原本高速公路已有建設(shè)的視頻圖像、車(chē)檢器、交通信號(hào)燈、隧道Co/VI監(jiān)測(cè)、隧道照明監(jiān)測(cè)等,還可以根據(jù)車(chē)路協(xié)同的要求,部署氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、事件監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、邊坡橋梁高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)感應(yīng)系統(tǒng)等,實(shí)現(xiàn)監(jiān)控路段交通態(tài)勢(shì)的信息采集。具體如下:

(1）智慧道路:可以通過(guò)全景攝像機(jī)自動(dòng)巡航、事件監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)道路匝道進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻全覆蓋:通過(guò)氣象站采集路面結(jié)冰、能見(jiàn)度等數(shù)據(jù),為大數(shù)據(jù)平臺(tái)提供最直接的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

(2）智慧隧道:對(duì)隧道的火災(zāi)、擁堵等突發(fā)事件進(jìn)行檢查并預(yù)警,實(shí)現(xiàn)隧道照明亮度的自動(dòng)調(diào)節(jié):對(duì)設(shè)備運(yùn)行情況和能耗進(jìn)行監(jiān)測(cè),在保證安全行車(chē)的前提下達(dá)到節(jié)能減排的效果。

(3）智慧服務(wù)區(qū):智慧服務(wù)區(qū)的建設(shè)包含無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)全覆蓋、信息發(fā)布系統(tǒng)、停車(chē)及誘導(dǎo)系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、汽車(chē)管控系統(tǒng)、智能公廁、電動(dòng)車(chē)充電、太陽(yáng)能系統(tǒng)等,從而為車(chē)主提供一個(gè)清潔、舒適、便捷的休息環(huán)境。

(4）智慧收費(fèi)系統(tǒng):通過(guò)主線(xiàn)ETC門(mén)架、收費(fèi)站區(qū)互聯(lián)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)高效快捷的收費(fèi)流程,并對(duì)超載、逃費(fèi)等違規(guī)行為進(jìn)行有效監(jiān)控和追蹤。

2.2大數(shù)據(jù)系統(tǒng)

基于大數(shù)據(jù)的路網(wǎng)綜合管理,即構(gòu)建智慧高速公路運(yùn)營(yíng)與服務(wù)智能化管理決策平臺(tái),實(shí)現(xiàn)區(qū)域路段綜合信息采集、運(yùn)營(yíng)調(diào)度、應(yīng)急指揮、公眾出行信息管理等服務(wù)。交通大數(shù)據(jù)平臺(tái)主要由底層的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和頂層應(yīng)用構(gòu)成,基礎(chǔ)數(shù)據(jù)由攝像機(jī)、智能卡口、ETC門(mén)架系統(tǒng)等設(shè)備提供,通過(guò)5G、wi-Fi、Internet等網(wǎng)絡(luò)傳送到數(shù)據(jù)中心。平臺(tái)的數(shù)據(jù)處理是關(guān)鍵技術(shù),可通過(guò)MysOL、Hbase分布式數(shù)據(jù)庫(kù)等數(shù)據(jù)分析方法對(duì)信息進(jìn)行融合、分類(lèi),針對(duì)不同的數(shù)據(jù)模型采用不同的存儲(chǔ)模式,進(jìn)而與頂層應(yīng)用進(jìn)行數(shù)據(jù)分享。

2.3車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)

智慧高速公路的建設(shè)最主要的是建設(shè)一套智能的車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)。車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)是指車(chē)輛、道路基礎(chǔ)設(shè)施、服務(wù)系統(tǒng)等各個(gè)子系統(tǒng)組成的一個(gè)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換的復(fù)雜系統(tǒng),系統(tǒng)、車(chē)輛、道路可以根據(jù)實(shí)時(shí)的交通狀態(tài)、氣象條件、車(chē)流趨勢(shì)等各方面因素進(jìn)行各種調(diào)節(jié),使交通系統(tǒng)處于依據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整和尋優(yōu)的過(guò)程中,具有較高的可靠性、安全性和應(yīng)變性。

高速公路的車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)主要由外場(chǎng)的RsU路側(cè)通信基站、智能車(chē)載終端、分中心系統(tǒng)控制平臺(tái)、高精度地圖組成?；谌珖?guó)高速公路主線(xiàn)ETC門(mén)架系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成,可通過(guò)ETC系統(tǒng)進(jìn)行車(chē)輛感知和通信,如圖2所示。

圖2高速公路車(chē)路協(xié)同外傳設(shè)備構(gòu)成示意圖

2.3.1路側(cè)智能基站和智能終端

路側(cè)智能基站包含定位、通信和控制模塊,可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備與車(chē)輛的信息交互,向車(chē)輛發(fā)布路網(wǎng)信息、交通狀態(tài)等,同時(shí)通過(guò)終端設(shè)備采集車(chē)輛速度、軌跡等實(shí)時(shí)狀態(tài)并上傳大數(shù)據(jù)平臺(tái)。車(chē)載智能終端以成熟的移動(dòng)終端為核心,通過(guò)車(chē)載oBU與基站進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信,以視頻、廣播、圖片等方式接收高速公路運(yùn)行狀態(tài)等信息。

2.3.2分中心的控制平臺(tái)

控制平臺(tái)由軟件和硬件組成,硬件包括系統(tǒng)服務(wù)器、各應(yīng)用終端服務(wù)器、安全網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證設(shè)備等,實(shí)現(xiàn)設(shè)備監(jiān)控、車(chē)輛誘導(dǎo)、信息發(fā)布、數(shù)據(jù)共享等功能,可匯聚路側(cè)設(shè)備采集的車(chē)輛行駛信息和發(fā)布信息,同時(shí)將外部平臺(tái)傳輸?shù)目刂浦噶畎l(fā)送給路側(cè)設(shè)備,對(duì)高速公路上行駛的車(chē)輛形成集車(chē)、路、云平臺(tái)于一體的監(jiān)管系統(tǒng),確保行車(chē)的安全高效。

2.3.3高精度地圖

高精度地圖與普通地圖的區(qū)別在于:普通導(dǎo)航地圖是供駕駛員使用的,而高精度地圖則是供自動(dòng)駕駛車(chē)輛使用的。自動(dòng)駕駛車(chē)輛安裝高精度地圖或從云端分段獲得高精度地圖可以幫助車(chē)輛預(yù)知路面復(fù)雜信息,如坡度、曲率等,以更好地規(guī)避車(chē)輛行駛過(guò)程中潛在的風(fēng)險(xiǎn)。此外,高精度地圖支持自動(dòng)駕駛等新技術(shù)的應(yīng)用,為將來(lái)自動(dòng)駕駛以及更精確的位置服務(wù)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。高速公路建設(shè)、運(yùn)營(yíng)管理單位采用高精度地圖,可以有效提高道路及其附屬設(shè)施的養(yǎng)護(hù)管理水平,建立科學(xué)、規(guī)范的基礎(chǔ)設(shè)施管理養(yǎng)護(hù)體系,實(shí)現(xiàn)道路可視化、信息化和精細(xì)化管理,為車(chē)主提供高精準(zhǔn)的信息服務(wù)。

車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)在設(shè)計(jì)構(gòu)成上大致可分為五大模塊,分別為:

(1）設(shè)備監(jiān)管模塊,主要負(fù)責(zé)接收設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù):

(2）安全輔助模塊,主要對(duì)接入的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理,同時(shí)接入高精度地圖信息,并為其他模塊發(fā)送數(shù)據(jù):

(3）分車(chē)道定制模塊,處理車(chē)道特殊事件數(shù)據(jù)并進(jìn)行信息發(fā)布:

(4）定制服務(wù)模塊,可根據(jù)事件結(jié)果信息形成不同場(chǎng)景的控制策略,并上傳相關(guān)平臺(tái);

(5）信息安全模塊,對(duì)各種信息流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)和安全分析,實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)安全隱患、漏洞的及時(shí)預(yù)警。

系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示。

3結(jié)語(yǔ)

在當(dāng)代"建設(shè)交通強(qiáng)國(guó)"的背景下,智慧高速既是未來(lái)交通發(fā)展的新理念,也是國(guó)家重要的發(fā)展戰(zhàn)略。智慧高速的建設(shè)理念也慢慢融入了機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,越來(lái)越多地體現(xiàn)出"以人為本"的設(shè)計(jì)新思路。智慧高速公路中的機(jī)電系統(tǒng)構(gòu)成較為龐大和復(fù)雜,前期投入巨大,在前期設(shè)計(jì)中可以分為多個(gè)階段來(lái)實(shí)施,前期可以利用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、北斗高精定位等逐漸提升高速公路的智慧化水平和服務(wù)水平,并為今后的發(fā)展提前布設(shè)好接口;后期可以建設(shè)自己的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋系統(tǒng)、高精度定位差分站等,真正實(shí)現(xiàn)"人、車(chē)、路"一體協(xié)同發(fā)展的智慧化、智能化高速公路。