未来高速公路关键技术研究及应用

    2021全国智慧高速公路技术研讨会暨江苏五峰山未来高速现场会在南京召开,本次会议由中国公路学会主办,《中国交通信息化》杂志承办。华设设计集团股份有限公司集团副总工张维苏作题为《未来高速公路关键技术研究及应用》的报告,对未来高速关键技术框架及车道级雾天行车诱导、GIS+BIM综管平台等关键技术进行了介绍。 以下为张维苏的部分报告内容,《中国交通信息化》作了不改变原意的编辑及整理。

 

 

未来高速关键技术框架

 

 

面临问题

 

 

当前交通主要面临四方面问题:安全形势严峻、服务能力有待提升、运维能力有待提升、环保提出更高要求。

 

 

  • 安全形势严峻:恶劣天气严重影响行车安全;危险驾驶行为影响行车安全;分合流区域的事故多发;重型货车行车安全影响大。
  • 服务能力有待提升:传统机电系统与现代服务需求不适应;信息发布实时性不够;业务系统相互割裂;数字化程度不高。
  • 运维能力有待提升:设施状态监测手段有限;养护数据采集自动化程度不高;爆发性大流量和阻断性事件频发;应对突发状况能力有待提升。
  • 环保提出更高要求:面临土地、环保的刚性约束;资源循环利用不充分;绿色建管技术应用不足。

 

 

特征

 

 

新一代(未来)高速技术特征:①具备全面、实时、准确的感知能力,掌握路桥、车辆、环境的现状并精准预测发展趋势;②能将各个要素更高效地协同起来,实现创新管理;③系统全天候运行,提供有效的安全保障和无处不在的服务;④能够以低能耗、低排放运行,贯穿建管养运全寿命周期。

 

 

属性

 

 

智慧属性:以“智能设施,智慧应用”为运营服务框架打造“新一代(未来)智慧高速”。

 

 

智能设施包括信息化基础设施(通信设施、高精度地图、传感设施、云化计算资源、安全系统)、交通基础设施及状态数字化(基础设施状态感知、交通运行状态监测、大数据平台、路域环境状态感知、机电设施智能感知、全数字综合管控平台)。

 

 

智慧应用涉及平安(雾天行车安全保障、冬季行车安全保障、降低匝道车辆碰撞风险、桥梁结构安全保障)、服务(匝道自由流收费、广义车路协同、5G信号全覆盖、精准信息服务)、管理(极速感知事件、车道级感知控制和诱导、数字化管养、基于人工智能的养护决策)。

 

 

绿色属性:围绕绿色公路特征,坚持因地制宜,遵循“绿色、循环、低碳”的建设框架,全过程实施绿色工程营建,打造“新一代(未来)绿色高速”。

 

 

规划设计涉及沿线文物保护、节约土地资源、生态边坡防护、桥面径流收集、预制装配结构、高性能长寿命路面等。

 

 

建设施工涉及施工场地环境气象监测系统、混凝土生产除尘降噪技术、利用砂石分离机对废弃混凝土处理循环利用技术、桥梁结构预制水资源集约化利用技术、大临工程与地方需求融合与场地硬化减少扬尘、桥梁桩基施工水环境保护技术等。

 

 

应用场景

 

 

  • 安全保障全天候:包括车路协同、车道级雾天行车诱导、智能感知消冰除雪、匝道分合流诱导与警示、驾驶行为监测预警、交通事故智能取证、交通事件极速感知、匝道流量管控等。
  • 出行服务全方位:包括车道级精细化管控、智慧灯杆+引导、无线充电桩、智慧照明、智慧厕所、5G全覆盖及应用、匝道准自由流收费等。
  • 运营维护全数字:包括GIS +BIM 全数字管养、多维度主动感知路面、4K+5G无人机、无线探针、服务区BIM综管平台、数据共享与数字孪生等。
  • 绿色建管全寿命:包括海绵场区、沿线环境文物保护、节约土地资源、桥面径流收集、预制装配结构、施工期绿色技术应用、新型新风除霾系统、太阳能光伏人行路面等。

 

 

新一代(未来)高速关键技术

 

 

  • 提升全天候安全保障能力:包括智能感知消冰除雪、交通事故智能取证、分合流诱导、车路协同、车道级诱导系统、调温路面……
  • 提升绿色全寿命周期能力:包括集约型建造、绿色施工、桥面径流、新风除霾、海绵场区……
  • 提升全方位精准服务能力:包括车道级精细化管控、匝道准自由流收费、无线充电、智慧服务区、路面动态标线……
  • 提升设施运维数字化能力:包括4K+5G无人机、GIS+BIM 综管平台、主动感知路面、振动光纤、毫米波雷达、物联网、机器视觉、无线探针……

 

 

以下对新一代(未来)高速关键技术中的车道级雾天行车诱导、GIS+BIM综管平台、路面动态标线进行介绍。

 

 

车道级雾天行车诱导

 

 

研究目的

 

 

  • 研发车道级雾天安全行车诱导系统:车道级感知、车道级诱导、低功耗运行、增强低能见度下车道边界可视性、车道前方车辆预警。
  • 研究试验地面诱导灯施工安装工艺:避免路面病害;路面平齐安装,不影响行车舒适性,避免路面作业损伤。
  • 形成车道级雾天安全诱导系统技术规范:产品开发、系统设计、施工、应用。

 

 

研究内容

 

 

研发了车道级雾天行车安全诱导系统,能够准确感知车辆所在车道,实现了车道级行车诱导,具有低功耗、自组网、易维护等特点。

 

 

编制了车道级雾天行车安全诱导系统的技术规范,梳理、总结和归纳出雾天行车安全诱导系统的应用经验,为高速公路雾天行车安全系统的设计、施工、应用提供了技术指导。

 

 

关键产品研发

 

 

地面诱导灯:模组设计(频闪视觉诱导-黄红LED光源、无线组网、持续电力供给-太阳能板+电池),几何尺寸设计(安装简易-直径与取芯套筒适配、路面破坏最小-厚度控制在能够安装在路面层)。

 

 

路侧激光测距车检器:模组设计包括电源-有线持续供电、MCU控制模块、激光测距模块-固态不可见激光光源、诱导通信模块-与诱导灯无线短程通信、控制通信模块-与安全诱导控制箱无线短程通信、工作状态指示。

 

 

问题及解决办法

 

 

回填、环氧用量不当问题:回填料控制不佳,灯具下沉,导致积水,环氧用量过多,溢出路面,影响美观。通过改进工艺、控制用料解决。

 

 

高温下电池性能下降问题:连续高温测试,发现有灯具通信连接不畅,原因为高温下电池性能下降,通过更换军工级耐高温锂电池解决。

 

 

诱导灯内部水雾问题:原型灯具采用整体灌胶密封,在温度变化条件下,金属壳体与固结胶体间有水气进入,导致诱导灯内部出现水雾。采用三道密封防护的方式解决,整体灌胶、增加橡胶密封圈、PC板环缝灌胶。

 

 

频闪不同步问题:系统时钟的累计偏差,造成诱导灯长时间运行后出现频闪不同步,通过北斗授时定时或诱导灯唤醒时同步的方式解决。

 

 

研究成果

 

 

首次提出并开展了车道级雾天行车安全诱导系统研发和应用,首次实现了超微功率地面诱导灯研发和超低功耗诱导运行控制,为“安全保障全天候”提供了重要支撑。

 

 

在安装部署方面,每个断面部署1套诱导灯\激光测距车检器,每两个断面相邻15米,安全诱导控制箱每1000米安装1套,能见度检测仪每2000米安装1套,强化车道边缘,红色频闪提醒驾乘者前方障碍物,实现车道级感知和诱导。

 

 

GIS+BIM综管平台

 

 

研究内容

 

 

  • BIM建模及处理:对道路及附属设施建立BIM模型,进行轻量化,信息加载,建立分类和索引。
  • GIS平台融合:将BIM模型融合在GIS平台内,影像数据加载、BIM轻量化模型加载、地理信息服务开发。
  • 数据中心:实现养护和管控业务底层数据的统一接入、标准化清洗、和开放共享。
  • 智慧管控:实现对消冰除雪、雾区诱导、车道级管控、交能事件感知等未来智慧高速系统的管理、应用、决策分析。
  • 机电养护:实现全线机电设备的日常监测巡检和养护管理。
  • 外部平台对接:对接外部平台,实现数据互联互通。

 

 

研究成果

 

 

创新构建了一体化的综合管理平台:搭建新一代(未来)高速数据底座,汇聚前端的第一手生产数据;通过多源数据融合,实现设施设备的全数字化管理;各类子系统的高度集成,支撑各业务管理联动。

 

 

应用BIM模型实现了各阶段信息传递:BIM高精模型制作;模型轻量化;动静态信息加载、传递、应用;模型与GIS平台融合。

 

 

首次在智慧高速平台系统中打造了基于SDWAN网络的混合通信架构:端对端的访问控制;有效解决云平台的系统部署,既节约了系统资源,又极大地提升系统运行效率并且充分融合;兼容智慧子系统中的5G、C-V2X车路协同等通信方式。

 

 

BIM建模及GIS融合

 

 

BIM建模及处理:五峰山全线主体、监控、交安、通信管道、采集感知设备等附属设施均按照LOD300精度完成1:1的BIM建模;完成了轻量化、参数化;按照类型对全线附属设施模型进行了分类和索引,方便运营管理过程中对设施设备的快速查找和定位。

 

 

GIS平台融合:将BIM模型融合在GIS平台内;使之具备影像数据加载、BIM轻量化模型加载、地理信息服务等功能。

 

 

数据中心与智慧管控

 

 

数据中心:实现养护和管控业务底层数据的统一接入、标准化清洗、开放共享功能;实现用户管理、日常管理、监测管理、数据库管理等系统管理功能。

 

 

智慧管控:实现交通监控系统的统一整合,全息感知:交通参数采集、气象参数采集、事件检测系统、主桥健康监测、全线电力监控、设施状态监测。实现对未来智慧高速系统的管理、应用、决策分析:雾区诱导、匝道分合流、匝道流量管控、消冰除雪、车道级管控、交通事件极速感知、无人机、车路协同。

 

 

机电养护与外部对接

 

 

机电养护:实现全线机电设备的日常监测巡检和养护管理。

 

 

对接江苏交控云:系统部署在江苏交控云;与江苏交控指挥调度云、养护管理云对接;实现数据共享、业务协同;实现数据融合、辅助决策。

 

 

事件极速感知

 

 

基于护栏碰撞感知、毫米波雷达、无线探针实时流量统计、视频事件检测等多种技术手段,通过数据融合,实现交通事件极速感知。

 

 

智能消冰除雪

 

 

前端设置埋入式和遥感式结冰检测设备,实时监测路表水膜厚度、冰层厚度、积雪厚度、路表温度、湿滑系数等参数。综管平台嵌入具有深度学习能力的预警模型,实现路域环境的主动预警与应急响应。

 

 

轻微事故自动取证

 

 

高像素全景鹰眼摄像机对轻微碰擦车辆进行自动取证。平台进入交通事故智能取证模块、选择四台亿级摄像机位置、BIM视角飞行到相应区域、看到事故智能取证记录。平台将数据汇聚,融合处理,形成事件联动。

 

 

综合展示大屏

 

 

全面掌控交通态势、设施运行状态,支持多业务系统联动。

 

 

路面动态标线探索

 

 

拟研究内容

 

 

  • 砖体制成工艺:研究砖体的特定制作工艺,保证砖体以及内部各组件模块高度集成、故障率低、且易于更换,以适应高速环境。
  • 户外环境适应性:发光地砖布设于高速公路上,需要很强的防水性,耐高低温、耐紫外线等特性,以适应户外环境。
  • 砖体耐碾压性:发光砖固定安装于高速公路上,表面需要一定的粗糙度以防止车辆经过时打滑,且要具备很强的耐碾压性,需抗住大型卡车碾压。
  • 砖体控制技术:通过一定的技术手段对地砖的亮灭、颜色、亮度、以及闪烁频率等进行控制,实现发光地砖的诱导或指示功能。
  • 动态标线可视性:研究发光地砖光线的可视性,解决在白天光线较强情况下地砖亮光难以被人眼识别的问题。
  • 施工方式:研究制定合适的施工方式,使得发光地砖能够稳定牢固的安装于地面,且对地面和车辆的影响最小。

 

 

高速公路预期效果

 

 

在收费站广场连续布设智能发光地砖,形成动态标线,实现收费站不同类型车道的区分,诱导车辆进入正确车道;并通过灯光脉冲变化发布车辆通过速度等信息,大流量状态下,可对车辆进行提前预警,提升车辆在收费站的通行效率。

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