0 引言
表1 2018—2023年智能交通世界大会关注的领域 |
| 2018年（25届） | 2019年（26届） | 2021年（27届） | 2022年（28届） | 2023年（29届） | |
|---|---|---|---|---|---|
| 地点 | 丹麦哥本哈根 | 新加坡 | 德国汉堡 | 美国洛杉矶 | 中国苏州 |
| 主题 | 智能交通与生活品质 | 智慧出行，赋能城市 | 体验未来出行， 就是现在 | 交通驱动变革 | 智能交通，美好生活 |
| 主要 领域 | ①从交通到出行的出行服务 ②智能交通与环境 ③交通互联、协作与自动化 ④未来货运 ⑤应用于出行的卫星技术 ⑥运输网络的演变 ⑦跨境流动解决方案 | ①智能互联和无人驾驶汽车 ②众包与大数据分析 ③信息安全与数据保护 ④客货多模式运输 ⑤政策标准及协调 ⑥驾驶员和弱势群体安全 ⑦创新定价与出行需求管理 ⑧可持续发展的智慧城市 | ①自动驾驶和车联网 ②出行即服务 ③数字港口和物流方案 ④智能基础设施 ⑤来自新技术的新服务 ⑥可持续城市交通 | ①数字基础设施 ②公平和无缝出行 ③智能网联与自动驾驶汽车 ④政策、治理、商业模式及国际合作 ⑤零死亡愿景 ⑥可持续和韧性 ⑦最初/最后一公里 | ①交通可持续与转型 ②协同自主交通 ③智能数字交通基础设施 ④综合交通体系 ⑤先进技术提升服务 ⑥智慧城市与交通行业的未来发展 ⑦交通服务需求的价值与管理 ⑧政策、标准与协调 |
截至2023年底，我国建设完成、在建和拟建的智慧公路累计超过100条，共16个省（市）出台了智慧公路建设指导性文件。本文将在阐释智慧公路建设的内涵与技术路线基础上，梳理我国智慧公路建设现状及成效，总结智慧公路建设存在的不足，并针对性地提出对策建议。
1 智慧公路建设的内涵与技术路线
智慧公路是指以安全、高效、创新、可持续发展为目标，融合应用大数据、云计算、物联网、人工智能等新一代信息技术和智能装备、新能源等技术，具有全域感知、泛在互联、融合计算、自主决策、智能协同、服务触达等能力的新一代公路系统[3]。传统公路基础设施和机电系统是在物理实体上实现“硬联通”，而智慧公路是在传统公路基础设施和机电系统的基础上加入智能感知、云计算、大数据、物联网、人工智能等信息科技实现信息的互联互通。因此，智慧公路是“软联通”。智慧公路通过科技创新和理念创新的驱动，有效推动了传统公路基础设施的转型升级，催生了公路基础设施的新形态，为公路的数字化发展提供了坚实的支撑，使其更紧密地融入经济社会发展大局。与传统公路相比，智慧公路的建设不仅追求公路体系现代化水平的提升，更加重视绿色低碳和可持续发展的理念，而且深刻体现了人文关怀和服务至上的宗旨。基于智能交通系统理论体系框架，本文提出“四梁、四柱、一基础”的智慧公路建设框架，通过数字基础设施，支撑智慧建造、智慧养护、智慧运营、智慧服务等核心支柱业务，实现将全链条赋能的数据要素资源融入公路服务产业链，建立迭代式演进的新型体系，推进一体化运行的智慧公路网络，结构框架如图1所示。
1.1 基本原则—“四梁”
1）数据赋能
通过清除数据壁垒、应用开放场景，全面挖掘和利用数据要素资源，充分发挥数据要素在智慧公路建设中的关键核心作用。针对数据缺失、信息孤岛等问题，采用集成性策略，促进建设、管理、养护、运营等业务间的数据应用互联互通，通过数据清洗、处理、转换等手段，提升数据利用效率，发挥数据的最大效用。提炼设备故障诊断、设备资产管理和评估等阶段的业务需求及关键场景应用，驱动数据与业务紧密结合。同时，建立公路数据共享机制，通过选择性地对外开放共享数据，积极发挥社会效能，为公路交通管理单位发展提供新动力。
2）创新驱动
通过创新商业模式、建设模式、运维模式等，构建一个迭代式演进的新型体系。该体系利用数字孪生、大数据等技术，致力于研发智能化载运工具和关键专用装备，逐步推进以智能网联汽车为代表的智能化载运工具的大规模应用，在智能交通系统取得突破性进展，并且在信息服务、公路管理、养护运维等新型业务与服务场景实现创新性应用；通过管理方式、服务手段等机制创新推进机电系统的新一轮变革。
3）网络运营
摒弃目前以路段为单位分散建设的模式，转向以省公路网为单位统筹平台、数据、设施设备、算力资源等，实现一体化统筹设计、运行。通过一体化建设运营的规模效应和网络效应，提高组织化程度并有效降低安全风险。同时，进一步推动载运工具与其他交通参与者以及基础设施之间的互联互通，加强网联化技术在出行服务、物流运输、交通管控等方面的应用，推动智能交通系统的持续发展。
4）价值导向
促进信息化、数字化、智能化和网联化技术的应用，以优化交通运输系统中的时空资源配置，发挥“软联通”作用，重视以人为本提升公众出行体验感和获得感，提升建设运营主体的投资价值回报率，实现既有交通时空资源最优利用，推动公路融入全局的服务产业链。推动智慧公路从改变交通载运工具向全面改变交通的运营模式、管理模式和服务模式转变，实现交通运输系统更加安全高效、绿色低碳，并促进其质量提升和效能升级。
1.2 主要建设内容—“四柱、一基础”
1）四柱
智能建造：采用“基础层-应用基础层-应用层”3层结构体系。其中，基础层为传统单一学科的工程行业基础性支撑技术；应用基础层为多学科交叉融合的工程技术；应用层为工程全产业链智能化技术应用与实施。
智慧养护：在“建养并重”的发展理论指导下致力于公路养护管理科学化、规范化和标准化。通过提高路面养护质量，延长路面使用寿命，攻坚长寿命公路养护技术体系，破解规模化公路养护难题，推进基础设施数字化、养护管理智慧化、养护作业绿色化和养护市场产业化。智慧养护工作可从数字化管养、智慧化巡检、智能监测、结构类智慧养护、无人化养护等多层次场景开展，加速人工智能与大数据等技术在智慧养护中的深度融合与应用。其中，巡检作为日常管养的第一要务，需针对养护对象、养护目的进行精细化分类，实现采集便捷化、精准化、可视化。此外，采集的数据应具有代表性、实时性、可追溯性，为智慧养护提供基础数据支撑。
智慧运营：由智慧感知、智慧分析、智慧管理等关键应用构成。可通过高速公路运管机构、第三方高速公路状态监测机构、公众互动交通状况数据、行业及社会重大经济活动关联数据、人工接报数据等实现多源智慧感知。依托大数据分析技术与人工智能技术等，利用多源异构交通数据构建算法模型，开展智慧分析，实现监测与预警管理、应急事件管理、机电运维管理、自由流收费管理、路政养护管理等智慧管理。
智慧服务：主要包括“互联网+”出行服务、行车安全智能诱导服务、智慧服务区、车路协同服务等。结合传统高速公路检测技术及互联网技术信息，构建基于多源数据融合的、高度可靠的路网运行状态智慧感知体系，并依托智慧分析结果提供交通运输的精准管控决策支持，最大限度发挥大数据在交通运输业的价值。利用“互联网+”技术，整合信息并进行分类、分析及处理，获得精准度更高、时效性更强的信息，为高速公路管理单位提供决策依据。
2）一基础
数字基础设施：实现基于“互联网+”的高速公路运营与服务智能化管理生态系统的数据集成、功能集成与应用集成等协同管理。以知识决策型智慧高速公路运营与服务管理生态系统为建设理念，在接入流量、环境、事件、视频等数据后进一步记录数据的使用行为，使数据具备可追溯性。人工智能、数据挖掘、计算机视觉、深度学习、大数据分析等先进技术与交通行业深度融合，加强了数据深度利用和智能分析，实现由传统的需人工干预与判断的内容向可对数据作深度挖掘与智能分析的内容转变，整体提升平台的自动化水平。结合场景的智能高分可视化和三维GIS的虚拟现实可视化技术，增强多源数据的融合贯通及可视化展示能力。
1.3 关键技术与应用架构
随着数智技术与公路领域的深度融合，以公路基础设施全要素全周期的数字化为基础，依托车辆及作业装备的智能化和网联化，以现代信息技术赋能公路建设、养护、运营、服务、治理等全业务、全周期的数字化转型、智能化升级，推动了技术、模式、业态和制度联动创新。因此，本文提出了智慧公路的关键技术与应用架构，如图2所示。
1）融合感知
针对基础设施、交通运行、路域环境3类交通要素进行全域数字化感知，采用雷视一体机、智慧诱导灯、无人机、门架系统等智慧化设备，结合传统外场设备实现车辆运行轨迹、基础设施健康状况、交通事件、车辆信息、路面状态、气象环境等全域精细化信息感知。
2）传输与支撑
通信传输采用有线、无线通信相融合的传输方式提供数据传输、信息发布和互联互通的通信基础条件，传输方式包括光纤传输网、4G/5G、融合通信，北斗卫星导航系统等。
3）数据中枢
数据中枢层设计内容包括全生命期数据底座、全时全域融合算法、共性工具，其中全生命期数据底座实现设计、建设、管理、养护、运营、服务全阶段数据连接；全时全域融合算法主要为实现智慧化应用提供基础类、管控类和决策类算法支撑；共性工具包括数字底座和数字服务。
4）智慧应用
智慧应用层包括数字孪生平台、智慧养护运维和智慧运行管理，将既有系统接入智慧服务区、智慧收费站等。智慧应用以通行效率提升、安全运行管控、运营降本增效和美好出行服务为目标，针对具体需求、结合业务场景，依托融合感知、传输保障和数据中枢，实现管理、养护、运营和服务等全业务、全周期智慧化。
5）网络安全系统
加强网络安全系统建设，确保智慧公路系统的稳定运行，以提高交通运营效率。网络安全系统建设涉及网络部署方案、网络安全设计、网络通信安全、安全管理中心、云平台安全等内容，共同为智慧公路系统提供更加坚实的技术支撑和保障。
6）数智化标准规范与制度
完善数智化标准规范与制度建设，为数据采集、传输、治理、挖掘等提供统一的标准，保障数据互联互通和共享交换，最大限度发挥数据潜在价值。
2 我国智慧公路建设现状
近年来，为了支撑车辆自动驾驶、公路运行管理服务，对智慧公路建设展开了新一轮的探索实践，通过引入先进的理念和技术，推动了我国公路数字化转型，为公路领域带来了新的发展机遇。智慧公路试点应用有效提高了我国公路交通运行管理与服务的能力和水平，形成了适合国内发展实际的应用技术体系，提高了人民群众出行的获得感。
2.1 基础设施建设进展
2018年交通运输部发布了《关于加快推进新一代国家交通控制网和智慧公路试点的通知》（交办规划函〔2018〕265号）[19]，率先在北京、河北、吉林等九省市开展试点建设。自2019年中共中央、国务院印发《交通强国建设纲要》以来，各省市积极开展智慧公路试点、示范项目建设。截至2023年12月，全国建成、在建和拟建的智慧公路达到113条，项目分布及依托道路情况如图3所示。其中，建设完成的智慧公路为65条，总里程约8 232公里，主要集中在江苏、浙江两省；西南地区的智慧公路集中在四川省；华北地区的智慧公路集中在北京市、河北省、山东省。在建和拟建的智慧公路近50条，主要集中在云南、浙江、江苏、广东等省。
从建设内容看，主要涉及基础设施数字化、匝道分/合流区预警、准/全天候通行安全预警、伴随式出行信息服务、机电设备智慧资产管理与智能运维系统建设、智慧服务区、智慧隧道、智慧桥梁、智慧收费站、特殊路段全天候通行、主动交通流管控、车路协同系统、消冰除雪系统等。从投资规模看，不同智慧公路项目的造价存在较大差异，有的造价不足100万/公里，有的造价则超过1 000万/公里，但大部分项目造价在100万元/公里~300万元/公里。从建设类型看，主要覆盖东、中、西部不同地区的高速公路、普通公路、长大桥隧和服务区。其中，依托高速公路开展的新基建项目占比为84%，依托普通干线公路开展的新基建项目占比为12%。在依托高速公路和普通干线公路开展的新基建项目中，75%的项目开展了多方向、多领域的探索实践，14%专注于长大桥隧结构健康监测和安全应急响应，11%致力于智慧服务区的建设。
2.2 试点工程
通过对智慧公路试点项目的调研发现，目前在基础设施数字化、云控平台、车路协同系统、智慧服务区等方面有较为成熟的应用。其中，基础设施数字化主要集中在路面、桥梁和隧道的健康监测及路网运行监测，实施率约为90%；云控平台主要集成了运营管理、交通监控、应急响应和数据分析功能，实施率超过90%；车路协同系统主要包括智能交通管理系统和紧急响应系统，已在多数智慧高速公路试点项目中应用，实施率为76%；智慧服务区通过提供综合信息服务，有效提升了用户体验，在新建或改建的高速公路服务区中较为普遍，实施率为71%。各地智慧公路的建设内容各有侧重，如图4所示，总体而言建设成果显著，提升了公路服务质量和运营管理的现代化水平。
2.3 技术指南
通过梳理智慧公路建设的指导文件发现，截至2023年12月，全国共16个省（市）和学会/协会出台了智慧公路建设的指导性文件，如表2所示，探索专业、精准地定义场景和要素，主要适用于高速公路。其中，江苏、芜湖等地单独编制指南指导国省道智慧化建设。指南类型分为政府文件与地方或团体标准两大类，其中政府文件方式占比超过60%。
表2 各地智慧公路建设指南特色 |
| 发布省市或单位 | 指南名称 | 发布时间 | 指南类型 | 指南特色 |
|---|---|---|---|---|
| 浙江省 | 智慧高速公路建设指南（试行） | 2020年3月 | 政府文件 | 首部指南 |
| 江苏省 | 智慧高速公路建设技术指南 | 2020年11月 | 政府文件 | 车路协同与自动驾驶 |
| 江苏省 | 普通国省道智慧公路建设技术指南 | 2021年1月 | 政府文件 | 针对国道 |
| 宁夏回族自治区 | 公路网指南感知设施建设指南（试行） | 2021年2月 | 政府文件 | 针对感知体系 |
| 山东省 | 智慧高速公路建设指南 | 2021年6月 | 政府文件 | 智慧建养、智慧运营 |
| 北京市 | 智慧高速公路建设指南（试行） | 2021年12月 | 政府文件 | 着重高速公路感知体系 |
| 云南省 | 智慧高速公路建设指南（试行） | 2022年1月 | 政府文件 | 分级表十分详细 |
| 甘肃省 | 智慧高速公路建设技术指南 | 2022年3月 | 政府文件 | 针对性检测设施布置 |
| 河南省 | 智慧高速公路建设技术指南 | 2022年6月 | 政府文件 | 创新场景、循环评估 |
| 上海市 | 上海市智慧高速公路建设技术导则 | 2022年9月 | 政府文件 | 上海及周边区域应用 |
| 吉林省 | 智慧高速公路建设技术指南 | 2023年1月 | 政府文件 | 层级相对简单 |
| 贵州省 | 智慧高速公路建设指南（试行） | 2023年2月 | 政府文件 | 绿色供能设施 |
| 广东省 | 广东省智慧高速公路建设指南（2023年版） | 2023年11月 | 政府文件 | 一般业务、创新业务场景 |
| 四川省、重庆市 | 智慧高速公路（川渝区域地方标准） | 2021年11月 | 地方标准 | 川渝区域联合发布 |
| 安徽省芜湖市 | 国省干线智慧公路建设技术指南 | 2021年12月 | 地方标准 | 由市级提出 |
| 河北省 | 智慧高速公路建设指南 | 2023年5月 | 地方标准 | 网级协同 |
| 广西壮族自治区 | 智慧高速公路建设总体技术指南 | 2023年11月 | 地方标准 | 数据规则 |
| 安徽省 | 智慧高速公路建设指南 | 2023年12月 | 地方标准 | 一般场景、专项场景 |
| 中国智能交通协会 | 智慧高速公路分级 | 2023年10月 | 团体标准 | 明确分级标准 |
通过对已发布的指南中涉及的建设内容进行统计分析，可以发现智能感知、多网融合通信、云控平台、伴随式信息服务、车道级交通控制、应急指挥、服务区智能化、车路协同、信息安全等受到普遍关注。此外，在多网融合通信、精准全天候通行、伴随式信息服务、车道级交通控制、应急指挥、信息安全、自由流收费、路网管控、智能供电、北斗导航、高精地图等领域已经形成相对统一的技术路径和指标。虽然各省对车路协同的实施细节不同，但利用车路协同技术减少交通事故并优化交通流的核心目标一致。
进一步研究指南中涉及的路径和指标可知，主要的差异集中在智慧感知、云控平台、服务区智能化、智慧化分级、自动驾驶支持等方面。同时，感知内容与设施布设要求是普遍关注的内容，但编写方式存在一定差异，有的指南仅给出感知指标和布设原则，有的则详细给出了感知指标精度、感知技术以及设施设备的布设方法。这些差异反映了不同省份对于智慧公路的个性化需求和实施策略。
3 我国智慧公路建设成效
近年来，在交通运输部指导下，各地积极布局建设智慧公路，应用新技术，引入新装备，打造新场景，构建新模式，强化数字赋能，建成了一批智慧公路试点工程、样板工程，取得了丰硕成果。总体来看，当前我国智慧公路建设取得了以下四大方面的成效。
3.1 公路基础设施数字化水平提升
积极推广桥梁、隧道、边坡等基础设施的健康监测与检测系统建设，旨在获取桥梁、隧道、边坡、涵洞等基础建筑的结构性健康状况。结合其状态信息，评估健康状况，提出结构维修的建议决策，并实施安全预警，有效指导了养护管理部门的养护管理工作。助力实现了资产全寿命周期的运营模式管理，数字资产的动态与静态管理，依托BIM+GIS、倾斜摄影、数字孪生等技术实现全方位展示资产业务的多模态。
3.2 实现基于北斗高精度定位的一体化应急救援
面对应急救援手段和效率迫切提升的需求，综合应用北斗高精度定位、高精度地图、车路协同等技术，打通交通管理、交通运输、路网管理等部门的路运一体化链路，确保应急交互无缝衔接。通过建立车道级精准指挥调度的路运一体化应急管理与指挥调度机制，实现了应急值守与一站式接报、应急指挥调度、应急资源与预案管理、事后评估与统计分析的功能。
3.3 实现以大数据应用为核心的智慧公路管理决策
依托示范工程，构建了以大数据应用为核心的智慧公路“大脑”，开创了多元化的创新型服务新模式，并与道路使用者实现全面交互。基于智慧高速数据中心，建设为出行者服务同时兼顾内部营运管理业务的路运一体化营运体系；以智慧高速营运管理主数据标准为基础，汇集营运、管理各类数据；借助大数据应用技术，实现对路网交通状态的实时监控和预测。
3.4 提供公路出行的“互联网+”服务
为解决高速公路沿途信息服务存在的信息单一、服务水平较低等问题，构建了全方位、立体化的多元出行信息服务体系，充分利用互联网技术，提供面向广大用户的出行服务，通过与第三方互联网公司（百度、高德等）APP集成，以及与三维高精度电子地图深度融合，弥补普通电子地图路况信息的盲区与不足，为用户提供了更精准的车道级路况信息、路径规划信息、服务区充电桩便捷查询与预约服务，以及服务区人流/车流热力信息、客货车汽修服务信息、客货运车辆和私家车的差异化停车位引导信息。
4 存在的问题及发展建议
通过梳理分析我国智慧公路发展现状发现，当前我国智慧公路尚处于从试点探索向全面推广过渡的重要阶段，受到数智技术迭代演进快、应用覆盖广、产业影响深等特征影响，在应用技术研发和工程试点中，正在不断探索管理服务需求与技术支撑能力的契合点。当前我国智慧公路建设发展面临的阶段性问题和挑战主要包括：需求不够清晰，方案概念性大于应用性，应用场景难以有效落地；部分技术还在不断迭代演进，直接面向公众出行的规模应用和新业态尚未形成；由于缺乏成熟经验，标准相对滞后，项目审查审批和工程实施依据不足；新型商业模式和产业规模化效益尚未显现，投资回报不直观；既有设施数字化改造面临投资效益、资金来源、施工保通、安全保障等挑战。立足我国智慧公路发展的实际情况，应以公路数字化转型为核心方向，进一步加强智慧公路建设发展的有序性和系统性，强化试点先行，加快形成清晰的商业模式。为助力公路智慧化的健康持续发展，提出以下建议。
4.1 健全配套政策，引导资源优化配置
完善数字公路建设要求、BIM设计成果要求、公路工程造价管理要求、电子档案管理要求、数字公路与智慧公路竣工验收要求等政策文件，构建智慧公路建设审查、审批、监管制度，完善公路数据安全管理制度，指导地方交通运输主管部门及有关单位制定细化实施方案，专题研究北斗、人工智能、区块链等有关技术在智慧公路中的应用及政策。为促进数据开放共享机制，加强政策引导，推进智慧公路共建共享，充分发挥企业主体作用，引导面向市场的技术创新和投融资模式创新。
4.2 完善标准研究，引领行业健康发展
加强公路工程数字化技术应用顶层设计，统一数据技术要求，构建公路全生命周期“一套模型、一套数据”，加快制定《公路信息化技术规范》《公路智能化数字技术规范》《公路工程数字化验收技术要求》《公路基础数据库规范》等标准。以公路建设、管理、养护、运营全流程数字化转型为契机，加快制定《智慧高速公路建设技术指南》等行业统一标准。修订一批既有标准，及时调整其中与数字化发展趋势不相适应的条文。
4.3 加强技术支持，推动优秀成果交流推广
成立顾问委员会和技术专家组，加强对公路数字化关键技术方向、新一代信息技术融合应用、保障措施、政策文件等方面问题的研究；指导或承担技术方案论证、决策支持咨询服务；加强标准规范制修订工作专家咨询、论证。开展项目实施全过程的监督与评估，提升项目的执行效率和专业化水平。每年举办一届“公路数字化年会”，并发布年度发展报告，举办场景策划与发明创造大赛，推出典型项目和突出贡献个人，形成先进经验与典型案例的展示与交流平台。
4.4 坚持试点先行，降低增量运营风险
结合交通强国建设试点，依托新改建工程和养护工程等重点公路项目，统筹考虑区域、路段等因素，坚持问题导向、注重服务，遴选一批重要通道、重点区域路网、重点工程开展试点工作，优先纳入交通强国建设试点，通过1~2年时间，力争形成一批场景明确、效益显著、经济适用、可复制可推广的试点成果和技术方案。具体包括以计量支付为核心功能开展重大项目全生命周期“一模到底、一数到底”试点、无人收费站试点、数字出行服务试点等。
4.5 加强全过程监管，严格实施质量管理
前期准备阶段，加强对项目可行性研究、初步设计、施工图设计、招投标等环节的监管，通过招标等方式优选参建单位；施工阶段，注重安全管理、质量控制、进度控制、成本控制等方面的监管；竣工验收阶段，对工程项目的质量、安全、环保等方面进行全面评估，依据设计指标、参数及相关标准规范等，开展设施设备和系统的检测、验证，加强项目相关法规和标准符合性监管。
5 结束语
智慧公路是交通运输行业新质生产力的重要组成部分。本文基于对智慧公路内涵的认识以及我国智慧公路建设实践经验，创新性地提出了“四梁、四柱、一基础”的新一代智慧公路建设框架，并总结了我国智慧公路建设在基础设施数字化、一体化应急救援、智慧公路管理与服务决策以及“互联网+”服务方面取得的成效。同时提出，我国智慧公路建设应进一步加强配套政策制定、标准研究、成果交流推广、全过程监管等方面的投入，以确保智慧公路建设的持续健康发展。