羅承成 陳志濤 何秀云

摘要 智慧高速公路是一種基于現(xiàn)代信息技術(shù)的新型交通系統(tǒng)，它通過(guò)智能化設(shè)備和傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)高速公路的監(jiān)測(cè)與管理。文章依托馬關(guān)至西疇高速公路設(shè)計(jì)項(xiàng)目，從隧道健康監(jiān)測(cè)、高速沿線(xiàn)設(shè)備設(shè)施監(jiān)測(cè)、交通運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及高速沿線(xiàn)氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)四個(gè)方面開(kāi)展智慧高速公路的全要素監(jiān)測(cè)方案研究，對(duì)促進(jìn)高速公路感知體系的完善，推動(dòng)高速公路的數(shù)字化和智能化發(fā)展，提高交通安全、優(yōu)化路網(wǎng)效能、改善用戶(hù)出行體驗(yàn)，以及為交通管理決策提供科學(xué)依據(jù)等具有重要意義。

關(guān)鍵詞 智慧高速公路；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；全要素感知

中圖分類(lèi)號(hào) U495文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）06-0001-05

0 引言

智慧高速公路是人類(lèi)世界從IT時(shí)代進(jìn)入DT時(shí)代的產(chǎn)物，也是高速公路經(jīng)歷了數(shù)字化、信息化和智能化發(fā)展階段之后的最新表現(xiàn)形態(tài)。智慧化主要體現(xiàn)在構(gòu)建一張包括高速公路網(wǎng)、公共交通圖等解決方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)于公路網(wǎng)的全程化可視、可管以及可控，打造安全暢通的公路交通網(wǎng)絡(luò)，使得公眾出行更加便捷愉快、交通管理更加高效智能、智慧道路的建設(shè)更加綠色經(jīng)濟(jì)[1]。

黨的十九大報(bào)告提出建設(shè)交通強(qiáng)國(guó)。中共中央、國(guó)務(wù)院先后印發(fā)《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》《國(guó)家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》，為加快建設(shè)交通強(qiáng)國(guó)明確了頂層設(shè)計(jì)[2]。黨的二十大擘畫(huà)了以中國(guó)式現(xiàn)代化全面推進(jìn)中華民族偉大復(fù)興的宏偉藍(lán)圖，對(duì)交通運(yùn)輸相關(guān)工作作出部署，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)加快建設(shè)交通強(qiáng)國(guó)，提出了一系列交通運(yùn)輸發(fā)展的新要求，充分體現(xiàn)了交通運(yùn)輸在國(guó)家發(fā)展中的重要作用，賦予了加快建設(shè)交通強(qiáng)國(guó)新的使命任務(wù)。2023年3月，交通運(yùn)輸部、國(guó)家鐵路局、中國(guó)民用航空局、國(guó)家郵政局、中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司聯(lián)合印發(fā)《加快建設(shè)交通強(qiáng)國(guó)五年行動(dòng)計(jì)劃（2023—2027年）》?！拔迥晷袆?dòng)計(jì)劃”在十大行動(dòng)之四“交通運(yùn)輸科技創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)行動(dòng)”中提出，要完善科技創(chuàng)新基礎(chǔ)制度，加強(qiáng)交通戰(zhàn)略科技力量、科技基礎(chǔ)能力建設(shè)，加快推進(jìn)智慧交通建設(shè)，健全交通科技創(chuàng)新體系[3]。在交通網(wǎng)中，高速公路發(fā)揮著“首都連接省會(huì)、省會(huì)彼此相通，連接主要地市、覆蓋重要縣市”的重要作用，提升高速公路的智慧化水平對(duì)加快我國(guó)交通強(qiáng)國(guó)的建設(shè)進(jìn)程意義重大。

但是，當(dāng)前高速公路普遍存在感知不夠全面、監(jiān)測(cè)不夠及時(shí)，信息與相關(guān)行業(yè)或部門(mén)共享欠缺，進(jìn)而導(dǎo)致公路智能化程度低、服務(wù)效能不足等問(wèn)題。造成上述問(wèn)題的主要原因在于高速公路運(yùn)行環(huán)境感知監(jiān)測(cè)的片面性?，F(xiàn)有交通數(shù)據(jù)獲取基本依靠養(yǎng)護(hù)巡查信息上報(bào)以及視頻、車(chē)檢器等前端的采集設(shè)備，缺少先進(jìn)的信息化采集設(shè)備，而且并未從車(chē)載終端或系統(tǒng)內(nèi)部獲取交通數(shù)據(jù)，也未與跨行業(yè)的其他部門(mén)（包括互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)）進(jìn)行深入數(shù)據(jù)交換，行業(yè)各部門(mén)之間也存在著信息采集和發(fā)布無(wú)法聯(lián)動(dòng)等問(wèn)題，數(shù)據(jù)獲取能力較弱[4]。智慧交通建設(shè)中大數(shù)據(jù)分析、管理服務(wù)、應(yīng)急處置等任何一個(gè)環(huán)節(jié)都是建立在對(duì)路網(wǎng)靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)全面精準(zhǔn)感知的基礎(chǔ)之上，因此，如何通過(guò)多源數(shù)據(jù)融合和感知終端及傳感網(wǎng)絡(luò)提高交通數(shù)據(jù)獲取能力和交通狀態(tài)感知能力，是行業(yè)面臨的首要需求[5]。

該文依托于馬關(guān)至西疇高速公路設(shè)計(jì)項(xiàng)目，從隧道健康監(jiān)測(cè)、設(shè)備設(shè)施監(jiān)測(cè)、交通運(yùn)行狀況監(jiān)測(cè)以及交通氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)四個(gè)方面開(kāi)展對(duì)高速公路全要素監(jiān)測(cè)方案的研究。

馬關(guān)至西疇高速一條路通兩縣，設(shè)一橋、跨一河，設(shè)一隧兩樞紐，公路全長(zhǎng)40.559 km。路線(xiàn)沿溝谷布線(xiàn)至大樹(shù)腳，通過(guò)設(shè)置大樹(shù)腳特長(zhǎng)隧道，連續(xù)降坡至馬尾沖，通過(guò)設(shè)置馬尾沖互通與G219相接。之后，通過(guò)避讓銅廠(chǎng)破銅礦后，一路降坡至盤(pán)龍河，設(shè)置盤(pán)龍河大橋橫跨盤(pán)龍河后，一路升坡至新馬街，通過(guò)設(shè)置新馬街互通與G219相接，路線(xiàn)繼續(xù)沿溝谷布線(xiàn)，升坡至高馬腳后，路線(xiàn)沿興街壩區(qū)布線(xiàn)，下穿已建文麻高速后，設(shè)置興街樞紐與在建那興高速相接。路線(xiàn)縱坡受跨盤(pán)龍河大橋橋位標(biāo)高所控制，縱坡總體呈“V”字形。主要有一段集中升坡和一段集中降坡，降坡段為大樹(shù)腳至盤(pán)龍河，坡長(zhǎng)為10.63 km，平均縱坡為2.93%；升坡段為盤(pán)龍河至高馬腳，坡長(zhǎng)9.92 km，平均縱坡為2.74%。

馬西高速沿線(xiàn)地形地貌復(fù)雜多樣，公路組成涵蓋長(zhǎng)坡、隧道、橋梁等特殊結(jié)構(gòu)，基于馬西高速開(kāi)展智慧高速公路全要素監(jiān)測(cè)方案研究對(duì)全國(guó)高速公路的全面感知與監(jiān)測(cè)具有普適性。同時(shí)，高速公路全要素監(jiān)測(cè)研究對(duì)進(jìn)一步完善高速監(jiān)測(cè)體系，促進(jìn)高速公路的智慧化、數(shù)字化轉(zhuǎn)型具有重要的促進(jìn)意義。

1 高速公路隧道健康監(jiān)測(cè)研究

隧道作為高速公路上的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)物，在縮短運(yùn)行距離、保護(hù)自然環(huán)境、減少交通事故等方面起到重要作用[6]。馬西高速沿線(xiàn)地形地貌的特殊性，全線(xiàn)橋隧占比高達(dá)65.031%，建有隧道14座，總長(zhǎng)為12 940 m。包括1座特長(zhǎng)隧道（總長(zhǎng)4 435 m）、3座長(zhǎng)隧道（總長(zhǎng)3 245 m）、7座中隧道（總長(zhǎng)4 365 m）以及3座短隧道（總長(zhǎng)895 m）。

隧道在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，由于受到材料退化、地震、人為因素等影響，會(huì)發(fā)生隧道主體結(jié)構(gòu)的損壞和劣化。若不及時(shí)檢測(cè)和維修，將會(huì)導(dǎo)致破壞和坍塌，帶來(lái)的損失也是巨大的。所以對(duì)高速公路上的隧道開(kāi)展結(jié)構(gòu)物監(jiān)測(cè)是非常有必要的，監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)、隧道環(huán)境監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)對(duì)象、傳感器類(lèi)型及輸出信號(hào)如表1所示。其中，隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)包括裂紋監(jiān)測(cè)、初襯鋼拱架應(yīng)變監(jiān)測(cè)、二襯結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力監(jiān)測(cè)、錨桿軸力監(jiān)測(cè)、涌水監(jiān)測(cè)等。環(huán)境監(jiān)測(cè)包括空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)、瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)、通風(fēng)監(jiān)測(cè)[7]。

實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道土建結(jié)構(gòu)安全的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與管理，其核心功能包括實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)警報(bào)警、數(shù)據(jù)分析、三維可視化、資料管理等。業(yè)務(wù)功能設(shè)計(jì)具體包括隧道基礎(chǔ)信息管理子系統(tǒng)、隧道結(jié)構(gòu)安全實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、隧道結(jié)構(gòu)安全預(yù)警報(bào)警子系統(tǒng)、三維可視化子系統(tǒng)。

1.1 隧道基礎(chǔ)信息管理子系統(tǒng)

隧道基礎(chǔ)信息管理子系統(tǒng)的功能主要包括高速公路系統(tǒng)中所有隧道基本信息的統(tǒng)計(jì)與管理，包括各隧道長(zhǎng)度、管養(yǎng)、分布位置等大體信息。同時(shí)，也能實(shí)現(xiàn)單個(gè)隧道詳細(xì)信息的管理，包括隧道長(zhǎng)度、位置、管養(yǎng)狀況等?；谏鲜鏊淼阑拘畔⒐δ艿慕y(tǒng)計(jì)，能更直觀(guān)地使相關(guān)管理人員了解馬西高速公路系統(tǒng)中的所有隧道的基本情況，進(jìn)而更合理地分配隧道的管理資源。

1.2 隧道結(jié)構(gòu)安全實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)負(fù)責(zé)收集、處理、展示前端各類(lèi)傳感器采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，方便用戶(hù)掌握隧道結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)狀態(tài)。同時(shí)，系統(tǒng)提供對(duì)比、關(guān)聯(lián)等分析手段，通過(guò)深度學(xué)習(xí)等算法深度挖掘傳感器數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)、關(guān)聯(lián)關(guān)系等，及時(shí)發(fā)現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)異常，提前采取相關(guān)防范措施以避免人員及經(jīng)濟(jì)方面的損失。

為提高隧道監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，首先通過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理和數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測(cè)對(duì)前端傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，再將準(zhǔn)確數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)展示，從而增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性。

1.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

對(duì)隧道安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理主要包括數(shù)據(jù)清理、數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)變換、數(shù)據(jù)歸約等。

數(shù)據(jù)清理是通過(guò)填寫(xiě)缺失的值、光滑噪聲數(shù)據(jù)、識(shí)別或刪除離群點(diǎn)并解決不一致性來(lái)“清理”數(shù)據(jù)。達(dá)到格式標(biāo)準(zhǔn)化、異常數(shù)據(jù)清除、錯(cuò)誤糾正、重復(fù)數(shù)據(jù)的清除等目的。

數(shù)據(jù)集成是把不同來(lái)源、格式、特點(diǎn)性質(zhì)的數(shù)據(jù)在邏輯上或物理上有機(jī)地集中，從而為后續(xù)分析提供全面的數(shù)據(jù)信息。

數(shù)據(jù)變換是通過(guò)平滑聚集，數(shù)據(jù)概化，規(guī)范化等方式將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成適用于數(shù)據(jù)分析挖掘的形式。

數(shù)據(jù)歸約是對(duì)時(shí)序數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)時(shí)間和空間的歸約，減少用于分析的數(shù)據(jù)量，提高數(shù)據(jù)挖掘分析準(zhǔn)確率。

此外，系統(tǒng)支持平衡清零功能，可以在確認(rèn)傳感器安裝正常后做清零操作，改善數(shù)據(jù)顯示狀態(tài)，也便于在后期運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)異常問(wèn)題。

1.2.2 數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測(cè)

傳感器數(shù)據(jù)質(zhì)量是隧道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有效運(yùn)行的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)采集終端在使用過(guò)程中，由于環(huán)境干擾、器件老化等某些不可抗因素，使得傳感器偶發(fā)數(shù)據(jù)缺失、滯后、超閾值、頻率異常等問(wèn)題，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)監(jiān)測(cè)、報(bào)警生成與分析等業(yè)務(wù)造成了很大的干擾。

為提升數(shù)據(jù)可利用率，基于隧道安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測(cè)模塊，結(jié)合隧道數(shù)據(jù)特點(diǎn)，形成隧道安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測(cè)模塊。該模塊可以從各個(gè)方面對(duì)傳感器采集數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)并給出分析結(jié)果，供監(jiān)測(cè)中心值班人員、設(shè)備運(yùn)維人員查看、檢驗(yàn)，保障設(shè)備數(shù)據(jù)的正常采集，并為設(shè)備安裝維護(hù)、數(shù)據(jù)問(wèn)題診斷、設(shè)備質(zhì)量比較提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。

1.2.3 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展示

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理和數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測(cè)后的高質(zhì)量數(shù)據(jù)通過(guò)傳輸網(wǎng)絡(luò)傳送到監(jiān)測(cè)中心，系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理和分析，從傳感器數(shù)據(jù)中提取出更多關(guān)于隧道健康監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵信息，由于數(shù)據(jù)量和信息種類(lèi)較多，選取能夠直接代表現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)以系統(tǒng)業(yè)務(wù)功能要求的形式分類(lèi)顯示在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)界面中。數(shù)據(jù)展示模塊需要顯示的數(shù)據(jù)主要分為隧道結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示、系統(tǒng)工作狀態(tài)顯示和各類(lèi)資料及參數(shù)顯示三種類(lèi)型。

監(jiān)測(cè)的原始數(shù)據(jù)、處理后數(shù)據(jù)、系統(tǒng)工作狀態(tài)監(jiān)視、各類(lèi)資料及參數(shù)顯示數(shù)據(jù)的顯示均通過(guò)定制開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)，可通過(guò)Web端等多種方式進(jìn)行發(fā)布。

1.3 隧道結(jié)構(gòu)安全預(yù)警報(bào)警子系統(tǒng)

對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)事件的提前預(yù)警及報(bào)警是系統(tǒng)的核心目標(biāo)。該子系統(tǒng)的功能主要針對(duì)隧道的結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)事件進(jìn)行分級(jí)預(yù)警和高危報(bào)警，當(dāng)隧道監(jiān)測(cè)段監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)臨近閾值或者超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，系統(tǒng)可提供分級(jí)預(yù)警以及多渠道報(bào)警等。此外，系統(tǒng)還會(huì)在雨季或者自定義前提下提醒監(jiān)測(cè)人員加強(qiáng)關(guān)注隧道的結(jié)構(gòu)安全。

1.4 三維可視化子系統(tǒng)

系統(tǒng)建立隧道三維可視化模型展示隧道實(shí)時(shí)狀態(tài)，對(duì)于隧道的監(jiān)測(cè)，三維可視化能夠提供給用戶(hù)更便捷、更直觀(guān)的用戶(hù)體驗(yàn)。三維可視化展示的內(nèi)容包括三類(lèi)，即周邊環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)展示、監(jiān)測(cè)設(shè)備的安裝位置及尺寸等相關(guān)信息展示和隧道實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)展示。如表2所示。

1.4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)三維可視化

該模塊展示隧道的立體結(jié)構(gòu)、監(jiān)測(cè)設(shè)備和周邊環(huán)境，讓用戶(hù)快速掌握隧道結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境，為用戶(hù)提供更便捷、更直觀(guān)的操作體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)展示、設(shè)備展示、透視分析、傳感器圖例過(guò)濾、地圖量算、空間標(biāo)繪等功能。

1.4.2 監(jiān)測(cè)設(shè)備展示

該模塊展示安裝在隧道上的監(jiān)測(cè)設(shè)備，包含監(jiān)測(cè)設(shè)備的安裝位置、尺寸、設(shè)備屬性和設(shè)備外觀(guān)，并可分類(lèi)顯示傳感器分布，幫助用戶(hù)掌握設(shè)備分布情況。

1.4.3 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)三維可視化

通過(guò)隧道三維BIM模型，便捷展示隧道內(nèi)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及預(yù)警報(bào)警信息，進(jìn)而提高公路隧道的信息化、集成化、智能化水平。

2 設(shè)備設(shè)施監(jiān)測(cè)研究

設(shè)備設(shè)施監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是對(duì)全線(xiàn)機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀況和用能進(jìn)行監(jiān)測(cè)。設(shè)備的狀態(tài)和用能安全是保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)，也是資產(chǎn)管理工作的重點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)智能化資產(chǎn)管理，需對(duì)外場(chǎng)設(shè)備的狀態(tài)和用能情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)故障及時(shí)進(jìn)行維修，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，并針對(duì)故障設(shè)備的統(tǒng)計(jì)分析，總結(jié)故障規(guī)律與原因，從而給出防護(hù)性的養(yǎng)護(hù)建議[8]。通過(guò)引入用能、狀態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備和接入原有各機(jī)電系統(tǒng)軟件的方式，取得全線(xiàn)主要機(jī)電設(shè)備的用能和狀態(tài)信息，并通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備的數(shù)字化管理。

該系統(tǒng)面向高速公路全線(xiàn)機(jī)電設(shè)備，本著“能接盡接”的原則，盡可能實(shí)現(xiàn)沿線(xiàn)設(shè)備的全面監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)對(duì)象主要包括設(shè)備狀態(tài)信息監(jiān)測(cè)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浔O(jiān)測(cè)以及光纖監(jiān)測(cè)三類(lèi)。

2.1 設(shè)備狀態(tài)信息監(jiān)測(cè)

高速公路監(jiān)測(cè)過(guò)程中需根據(jù)監(jiān)測(cè)需求及設(shè)備故障情況對(duì)設(shè)備進(jìn)行補(bǔ)充或裁減，因此該模塊首先能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備信息的增加、刪除、修改以及設(shè)備信息批量導(dǎo)入/導(dǎo)出。同時(shí)，還能實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息監(jiān)測(cè)，如出問(wèn)題需獲取故障碼，設(shè)備/機(jī)箱的電流、電壓監(jiān)測(cè)，機(jī)箱的溫度/濕度監(jiān)測(cè)。給出設(shè)備的在線(xiàn)/離線(xiàn)狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)在線(xiàn)狀態(tài)，可導(dǎo)出故障設(shè)備信息清單。針對(duì)服務(wù)器要給出磁盤(pán)空間狀態(tài)、CPU占用率、內(nèi)存占用率。

2.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浔O(jiān)測(cè)

實(shí)現(xiàn)高速公路以及隧道監(jiān)測(cè)的各傳感器檢測(cè)的數(shù)據(jù)最終都要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控與管理中心，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控網(wǎng)、收費(fèi)網(wǎng)拓?fù)錁?gòu)建，以圖形可視化界面展示，并可實(shí)時(shí)展示網(wǎng)絡(luò)流量、網(wǎng)絡(luò)通斷位置等信息。不僅可以提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性和安全性，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浔O(jiān)測(cè)還可以預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞墓收?，以便及時(shí)處理。此外，還可以防止網(wǎng)絡(luò)攻擊、病毒等安全威脅。

2.3 光纖監(jiān)測(cè)

光纖監(jiān)測(cè)模塊是光纜線(xiàn)路維護(hù)發(fā)展的需要，它把光纜線(xiàn)路納入實(shí)施集中的監(jiān)測(cè)維護(hù)中，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光纖的衰減情況，在出現(xiàn)故障時(shí)實(shí)時(shí)告警，并通過(guò)光衰曲線(xiàn)輔助分析故障發(fā)生原因，精準(zhǔn)定位故障點(diǎn)，保障及時(shí)、快速搶修及維護(hù)。

3 交通運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)研究

交通運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是在實(shí)時(shí)交通運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)及重點(diǎn)車(chē)輛駕駛行為監(jiān)管的基礎(chǔ)上，進(jìn)行路網(wǎng)運(yùn)行態(tài)勢(shì)分析，提供相應(yīng)的輔助決策功能[9]。交通運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括道路運(yùn)行綜合監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、道路運(yùn)行安全監(jiān)管子系統(tǒng)、道路運(yùn)行分析與輔助決策子系統(tǒng)。

3.1 道路運(yùn)行綜合監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

道路運(yùn)行綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)高速公路實(shí)時(shí)路況、交通量情況、交通流狀況、監(jiān)測(cè)預(yù)警及查詢(xún)。在對(duì)實(shí)時(shí)交通運(yùn)行狀態(tài)判斷后，根據(jù)“暢通、基本暢通、一般、擁擠、堵塞”五種判斷結(jié)果，分別用不同顏色表示，以GIS地圖和列表的方式展現(xiàn)實(shí)時(shí)路況。高速公路路網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)分為路段監(jiān)測(cè)和節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)來(lái)源于高清視頻、交調(diào)設(shè)備數(shù)據(jù)、ETC門(mén)架設(shè)備、隧道車(chē)檢器、隧道激光雷達(dá)、智慧道釘?shù)取?/p>

3.1.1 路段監(jiān)測(cè)

在GIS地圖上疊加顯示高速公路網(wǎng)的實(shí)時(shí)路況，包括交通量、運(yùn)行速度等數(shù)據(jù)，相關(guān)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)后臺(tái)模型計(jì)算處理，將路況數(shù)據(jù)更新至系統(tǒng)界面顯示，并且，用戶(hù)可勾選交通事件、道路視頻等圖層。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到某一路段處于擁堵?tīng)顟B(tài)或車(chē)流量及運(yùn)行速度超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，在GIS地圖上進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)注，界面浮動(dòng)窗口顯示預(yù)警詳情。

此外，通過(guò)列表和柱狀圖的形式更為直觀(guān)地展示選中路段的當(dāng)日累計(jì)交通量、歷史同期交通量及歷史同比、日交通量變化趨勢(shì)、小時(shí)交通量排名、小時(shí)交通量變化趨勢(shì)及歷史同期、交通事件和擁堵路段排名等信息。

3.1.2 節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)

高速公路上的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)主要包括收費(fèi)站節(jié)點(diǎn)、隧道節(jié)點(diǎn)和特殊路段節(jié)點(diǎn)。進(jìn)行收費(fèi)站交通量監(jiān)測(cè)，可依據(jù)實(shí)際需求設(shè)置閾值進(jìn)行預(yù)警；根據(jù)隧道車(chē)檢器、隧道激光雷達(dá)等設(shè)備對(duì)隧道交通量進(jìn)行監(jiān)測(cè)；根據(jù)特殊路段的智慧道釘系統(tǒng)等設(shè)備對(duì)特殊路段交通流進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可選擇當(dāng)日或者歷史某一天某一時(shí)段，以折線(xiàn)圖和列表結(jié)合的方式展示各節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)及與歷史同期對(duì)比情況，支持導(dǎo)出功能。

3.2 道路運(yùn)行安全監(jiān)管子系統(tǒng)

該系統(tǒng)融合視頻事件檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)、交調(diào)設(shè)備數(shù)據(jù)、ETC門(mén)架設(shè)備、隧道車(chē)檢器、隧道激光雷達(dá)、智慧道釘?shù)葦?shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)交通異常事件檢測(cè)功能，如停車(chē)、行人、逆行、拋灑物、非機(jī)動(dòng)車(chē)等異常事件。

3.2.1 機(jī)動(dòng)車(chē)異常檢測(cè)

機(jī)動(dòng)車(chē)在高速公路上的異常狀態(tài)主要包括機(jī)動(dòng)車(chē)事故、車(chē)輛逆行、車(chē)輛違停、車(chē)輛拋錨四類(lèi)。針對(duì)車(chē)輛事故的分析，主要是利用交通監(jiān)控?cái)z像頭數(shù)據(jù)，識(shí)別包括車(chē)輛與車(chē)輛、車(chē)輛與行人、車(chē)輛與非機(jī)動(dòng)車(chē)之間的交通事故。針對(duì)車(chē)輛逆行，在高速公路上，特別是匝道口，準(zhǔn)確、及時(shí)地發(fā)現(xiàn)逆行車(chē)輛，系統(tǒng)及時(shí)提醒。針對(duì)車(chē)輛違停，準(zhǔn)確識(shí)別違停事件，在禁止停車(chē)區(qū)域逗留的車(chē)輛超過(guò)停留時(shí)間上限時(shí)，對(duì)車(chē)輛進(jìn)行結(jié)構(gòu)化提取。針對(duì)車(chē)輛拋錨，自動(dòng)檢測(cè)車(chē)輛異常停車(chē)情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)拋錨車(chē)輛，并提取拋錨車(chē)輛號(hào)牌信息。系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到上述異常信息后，一方面向管理中心和交警部門(mén)推送異常車(chē)輛及車(chē)主信息，另一方面通過(guò)電話(huà)、短信等方式提醒車(chē)主采取相應(yīng)措施。

3.2.2 異物檢測(cè)

高速公路在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)因?yàn)樽匀粸?zāi)害或人為因素等，出現(xiàn)落石、貨物掉落，拋灑物、動(dòng)物、行人及非機(jī)動(dòng)車(chē)非法闖入等情況。為確保車(chē)輛的安全運(yùn)行，對(duì)行人、非機(jī)動(dòng)車(chē)、落石等進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)，有效檢出高速上的入侵異物，進(jìn)而通知高速公路管理工作人員及時(shí)清理調(diào)度，提高道路安全性。

3.3 道路運(yùn)行分析與輔助決策子系統(tǒng)

根據(jù)采集數(shù)據(jù)，分析實(shí)時(shí)交通指數(shù)（包括通道及路網(wǎng)中斷率、通道中斷率、路網(wǎng)擁擠度、通道擁擠度、路網(wǎng)環(huán)境指數(shù)、通道環(huán)境指數(shù)、路網(wǎng)節(jié)點(diǎn)通阻度、通道節(jié)點(diǎn)通阻度等），對(duì)事故發(fā)生數(shù)量、事故多發(fā)路段、事故嚴(yán)重程度、“兩客一危”車(chē)輛、公務(wù)作業(yè)車(chē)輛等重點(diǎn)車(chē)輛等進(jìn)行安全運(yùn)行統(tǒng)計(jì)分析，并可與任意多期數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比（全省范圍路網(wǎng)指數(shù)每天的平均值、環(huán)比、同比、占比、峰值等）。同時(shí)，支持綜合展示過(guò)去自定義年限數(shù)據(jù)，并根據(jù)歷史運(yùn)行規(guī)律及相關(guān)模型預(yù)測(cè)未來(lái)變化趨勢(shì)，以數(shù)據(jù)表格及柱狀圖、折線(xiàn)圖、餅圖等方式展現(xiàn)。

通過(guò)對(duì)路網(wǎng)信息的收集、整理、分析、預(yù)測(cè)，進(jìn)而對(duì)路網(wǎng)的態(tài)勢(shì)深入感知并針對(duì)相關(guān)情況作出科學(xué)決策，實(shí)現(xiàn)常規(guī)化高速公路運(yùn)行分析、定制化的專(zhuān)題分析、報(bào)告自動(dòng)生成、高速公路運(yùn)行知識(shí)庫(kù)趨勢(shì)研判等功能，提升高速公路的數(shù)字化水平，增強(qiáng)決策的科學(xué)性。

4 氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)研究

高速公路由于車(chē)流量大、車(chē)速高，因此對(duì)強(qiáng)降水、大霧、路面濕度、道路結(jié)冰、能見(jiàn)度等氣象要素敏感的要求更高[10]。根據(jù)馬關(guān)至西疇高速公路交通事故數(shù)據(jù)年度、月度事故特征分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)團(tuán)霧、暴雨等惡劣氣象是該次交通事故的主要誘因之一，嚴(yán)重影響該路段的安全、高效出行。該系統(tǒng)主要由氣象監(jiān)測(cè)設(shè)備和氣象服務(wù)平臺(tái)組成，系統(tǒng)基于高速公路沿線(xiàn)布設(shè)的氣象采集設(shè)備以及氣象部門(mén)提供的共享數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)感知高速公路所處環(huán)境的溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、降水量、能見(jiàn)度、路面狀態(tài)等氣象信息。通過(guò)對(duì)交通環(huán)境信息進(jìn)行智能分析，實(shí)現(xiàn)氣象精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)及預(yù)警。

4.1 交通氣象數(shù)據(jù)采集

根據(jù)氣象數(shù)據(jù)的來(lái)源不同，采取不同的采集方式，實(shí)現(xiàn)多源氣象數(shù)據(jù)的兼容和匯總。數(shù)據(jù)來(lái)源包括國(guó)家氣象信息中心的網(wǎng)格化氣象數(shù)據(jù)、自建氣象監(jiān)測(cè)站采集到的實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)、國(guó)家預(yù)警信息發(fā)布中心推送的預(yù)警信息等。其中，氣象要素包括空氣溫度、空氣濕度、大氣壓強(qiáng)、風(fēng)速、風(fēng)向、降水量、冰點(diǎn)溫度、路面狀態(tài)、摩擦系數(shù)、水膜厚度等。

4.2 交通氣象數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理負(fù)責(zé)對(duì)采集后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、算法實(shí)現(xiàn)、融合等，并產(chǎn)生最終可應(yīng)用的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)千米級(jí)、分鐘級(jí)預(yù)警預(yù)報(bào)氣象數(shù)據(jù)。

以氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為核心，根據(jù)不同的地形與實(shí)際情況，采取一定的數(shù)據(jù)模型，對(duì)指定路段以樁號(hào)為單位，生成千米級(jí)的預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)。路網(wǎng)氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)具體包括2 h降水預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)、48 h降水預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)、未來(lái)5 d的降水預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，48 h降霧預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)、未來(lái)5 d的降霧預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)。路網(wǎng)氣象實(shí)況天氣數(shù)據(jù)，具體包括降水實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、降霧實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

4.3 交通氣象數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)負(fù)責(zé)定義數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)與存儲(chǔ)方式，并提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存取接口。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)可采用非結(jié)構(gòu)化分布式存儲(chǔ)、分布式文件系統(tǒng)等方式進(jìn)行，根據(jù)數(shù)據(jù)模型及數(shù)據(jù)類(lèi)型的不同特點(diǎn)，分別采用不同的存儲(chǔ)方式進(jìn)行。從而實(shí)現(xiàn)原始數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定可靠的持久化，原始數(shù)據(jù)可展示，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)可溯源，為不同的場(chǎng)景提供數(shù)據(jù)支撐。

4.4 交通氣象決策分析

基于交通氣象數(shù)據(jù)采集、交通氣象數(shù)據(jù)處理與分析、交通氣象數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)交通氣象數(shù)據(jù)元素的一體化展示，為運(yùn)營(yíng)管理單位提供決策依據(jù)。主要內(nèi)容包括交通氣象站、路網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息數(shù)據(jù)可視化展示，交通氣象數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與分析，交通氣象預(yù)警信息的實(shí)時(shí)推送等。

4.4.1 交通氣象路網(wǎng)數(shù)據(jù)可視化

交通氣象路網(wǎng)數(shù)據(jù)的可視化主要包括站點(diǎn)氣象自定義展示、站點(diǎn)實(shí)況監(jiān)測(cè)、路段實(shí)況監(jiān)測(cè)以及雷達(dá)拼圖四個(gè)方面。

站點(diǎn)氣象自定義展示是構(gòu)建氣象監(jiān)測(cè)平臺(tái)，針對(duì)預(yù)期內(nèi)的所有氣象數(shù)據(jù)，提供可視化的展示?？勺远x展示的數(shù)據(jù)內(nèi)容包括空氣溫度、空氣濕度、大氣壓強(qiáng)、風(fēng)速、風(fēng)向、降水強(qiáng)度、路面溫度、路面狀態(tài)、濕滑程度、實(shí)時(shí)能見(jiàn)度等。

站點(diǎn)實(shí)況監(jiān)測(cè)是基于氣象監(jiān)測(cè)平臺(tái)，針對(duì)區(qū)域內(nèi)所有的氣象站實(shí)況監(jiān)測(cè)，提供可視化的位置和狀態(tài)展示。站點(diǎn)基本信息包括站點(diǎn)名稱(chēng)、數(shù)據(jù)更新時(shí)間等，站點(diǎn)氣象信息包括空氣溫度、空氣濕度、大氣壓強(qiáng)、風(fēng)速、風(fēng)向、路面溫度、路面狀況、水膜厚度、摩擦系數(shù)、空氣密度、露點(diǎn)溫度、測(cè)風(fēng)質(zhì)量、天氣預(yù)報(bào)、臨近降雨帶等，可生成展示這些參數(shù)的全天時(shí)分鐘級(jí)變化曲線(xiàn)。

路段實(shí)況監(jiān)測(cè)是結(jié)合氣象監(jiān)測(cè)平臺(tái)，結(jié)合表格形式的站點(diǎn)實(shí)況監(jiān)測(cè)，主要手段是通過(guò)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的風(fēng)向風(fēng)速、路面溫度、能見(jiàn)度等要素，依據(jù)這類(lèi)要素，實(shí)時(shí)分析掌握各交通路段的通行條件，為交通安全出行提供重要保障。

雷達(dá)拼圖是按時(shí)間和區(qū)域查詢(xún)區(qū)域周邊雷達(dá)產(chǎn)品，提供路段所在區(qū)域2 h的降水雷達(dá)回波圖動(dòng)態(tài)展示，更新周期不超過(guò)10 min。

4.4.2 交通氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

對(duì)高速公路的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)以及預(yù)警數(shù)據(jù)等信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、路網(wǎng)級(jí)氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)和氣象監(jiān)測(cè)站預(yù)警信息的自定義篩選與檢索，進(jìn)而通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)發(fā)掘上述數(shù)據(jù)的潛在價(jià)值，提升高速公路全天候通行的安全性和智慧化，為公路通行安全提供有力保障。

4.4.3 交通氣象預(yù)警預(yù)報(bào)實(shí)時(shí)推送

交通氣象預(yù)警預(yù)報(bào)實(shí)時(shí)推送是指以路側(cè)氣象傳感器、道路沿線(xiàn)及周邊主要區(qū)域的氣象站實(shí)況監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，系統(tǒng)對(duì)其分析計(jì)算之后，對(duì)超出既定標(biāo)準(zhǔn)范圍的要素進(jìn)行預(yù)警，并通過(guò)預(yù)報(bào)方式將其預(yù)報(bào)出去的過(guò)程。

預(yù)警預(yù)報(bào)的氣象范圍包括強(qiáng)降水、降雪、結(jié)冰、高溫、強(qiáng)風(fēng)等極端惡劣天氣信息，預(yù)警預(yù)報(bào)內(nèi)容包括道路名稱(chēng)及路段范圍，極端天氣描述及預(yù)警等級(jí)信息，短臨預(yù)報(bào)實(shí)現(xiàn)未來(lái)2 h的路網(wǎng)級(jí)雨、霧、冰、雪的分鐘級(jí)預(yù)報(bào)推送。推送方式包括平臺(tái)應(yīng)用級(jí)推送和短信級(jí)重點(diǎn)路段極端天氣推送。

5 結(jié)語(yǔ)

該文基于馬關(guān)至西疇高速公路，從隧道健康監(jiān)測(cè)、設(shè)備設(shè)施監(jiān)測(cè)、交通運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及交通氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)四個(gè)方面，詳細(xì)敘述了智慧高速公路的全要素監(jiān)測(cè)方案。一方面，能夠?qū)崿F(xiàn)馬西高速公路全方位的監(jiān)測(cè)與管理，提升交通安全、優(yōu)化路網(wǎng)效能，改善用戶(hù)出行體驗(yàn)；另一方面，對(duì)類(lèi)似高速公路的智慧化建設(shè)具有一定的借鑒意義。

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