上海三思电子工程有限公司
姜玉稀向鹏缪路平姜佩华 方伟丰
一、摘要
尽管当前全国各地正在积极开展智慧公路建设，但目前的智慧高速公路建设仍然缺乏规范性、指导性技术文件。随着智慧高速的建设提上议程，LED应用产品及技术被广泛地应用于全国各省级智慧高速的建设中。本文以国内智慧高速重点项目——京雄高速LED应用产品及技术为例，说明它们如何实现智慧、安全与可靠的交通出行效果。
二、引言
京雄高速河北段（以下简称京雄高速）全长约75公里，主线起自保定涿州市京冀界与京雄高速北京段顺接，建成通车后，北京和雄安新区实现1小时通达（见图1）。京雄高速在确定了“智慧高速”建设方案后，在实施路径和技术手段等领域，采取了众多创新性举措，真正将智慧交通出行体现地淋漓尽致。
图1 京雄高速地理位置图示（图片来源于网络）
京雄筹建处主要负责人张孟强指出，在智慧高速建设方面，京雄高速以准全天候、精准化的出行服务和科学决策、智能管控的综合管理为主线，综合运用北斗高精定位、窄带物联网、大数据、人工智能、自动驾驶等新一代信息技术，提供车路协同、准全天候通行、全媒体融合调度、智慧照明、综合运维公众化等智能服务，逐步实现管理决策科学化、路网调度智能化、出行服务精细化、应急救援高效化。本文将从LED照明和显示方面剖析京雄高速中使用的重点LED创新应用方案。
三、LED照明与显示整体创新方案
（一）全天候智慧灯光照明技术
气象原因是造成交通事故的主要原因之一，据《全国道路交通事故统计年报白皮书》统计，近30％交通事故是在恶劣天气条件下发生的，低能见度、大雾、结冰、积水、积雪、高温、大风、沙尘暴、干旱、霜冻等天气则是影响交通安全的主要灾害性天气（见图2），而采用全天候照明产品可以有力打造安全出行环境。
图2 灾害性天气/图片来源于网络
全天候照明灯具通过连接边缘计算网关（集成物联数据汇聚、通讯协议转换与采集信息预处理、联动事件本地处理、路侧设备电源状态管理、路测设备通讯状态与流量监控等功能模块），根据天气、季节的变化而进行变色温照明，多色温的切换可以有效避免驾驶员因长时间单调路况下驾驶而导致的驾驶疲劳。在面对灾害性天气时，灯具切换成低色温状态，提高驾驶员可视距离，保证行车安全。
在京雄高速项目中，全线设置了3700余根智慧灯杆（见图3），为京雄智慧高速的建成提供了诸多智慧中枢。这一全天候智慧照明灯具的色温和亮度可根据时间段、能见度、路面温度以及车流量信息进行自动调节，实现科学绿色照明。
图3 京雄高速全天候智慧灯杆照明（图片来源于上海三思现场拍摄）
张孟强指出，智慧灯杆是以照明灯杆为基础，整合了能见度检测仪、边缘计算设备、智慧专用摄像机、路面状态检测器等新型智能设备，利用北斗高精度定位、高精度数字地图、可变信息标志和车路通信系统等，可以提供车路通信、高精度导航和合流区预警等服务，具备了智能感知、智慧照明、节能降耗‘一杆多用’的功能。
“智慧灯杆的亮度，色温可以根据天气和车流量状况进行自动调节，既能够保障行车安全，还能有效降低能耗。”张孟强说，它通过传感器技术能够自动适应环境条件，识别环境光照度、车流量等数据，判断灯具照明模式。
此外，在京雄智慧高速项目中，以智慧杆为载体、车路协同技术为基础，搭载枪机、无人车通信传感器设备，以综合箱内服务器做独立计算，通过 5G 通讯技术，将信号传给车上的车路协同设备（见图4），实现车辆自动驾驶。它以智慧交通场景化应用为导向，做到“碰撞预警、常规与事故高发路段预警、车辆监管”全应用场景的方案设计。
图4 雄安车路协同示范案例
它融合激光雷达、毫米波雷达、人脸摄像头识别等先进技术，充分发挥5G-V2X核心技术优势。交通雷达覆盖距离极广，检测性能无惧恶劣环境因素干扰，优于传统检测手段，由此全方位实施车路动态实时信息交互，并在全时空动态交通信息采集与融合的基础上开展车辆主动安全控制和道路协同管理，充分实现人车路的有效协同，保证交通安全，提高效率，从而形成的安全、高效和环保的道路交通系统。
（二）低位照明路灯技术
城市高架、匝道、桥梁、立交等道路领域的照明设计提出了高度分层设计的概念,将路面以及空间照明大致分为三层（见图5）：
1．集中照射区（距地面不超过1.5米）
2．过渡照射区（距地面在1.5米到3米之间）
3．边际照射区（距地面在3米到5.3米之间）
对于机动车驾驶员来说，集中照射区显然是最值得关注的照射区域，也是对于交通安全影响最大的一个区域。LED低位护栏照明将安装在离地面1.5m以下的高度的这一区域。
图5 照明环境高度分层设计（图片来源于网络）
目前市面部分低位路灯的常见问题在于：安装高度与驾驶员视线十分接近，在除了进出路口及交叉路口等节点外的大部分路段，灯具发出的光线直接射入驾驶员眼中，轻者产生不舒适感，重者产生暂时性失明，严重影响行车安全。特别是在上坡匝道，灯具位于驾驶员视线上方，更容易产生直接眩光。为避免直接眩光产生的有效措施，必须严格控制灯具水平面附近的光强及上射光通量。
雄安北互通匝道采用的系列护栏灯(见图6）具有如下创新点。
1．照明设计因地制宜。充分考虑夜间行驶车流量、安全指数及节能指标的要求，利用桥两侧的护栏管作为灯具安装载体，在测试过程中调整产品安装角度，一则设置合理的照射角度避免影响过往车辆驾驶视野，二来避免强光照射到路面外空间形成二次光污染，以此优化路面照明效果，提升照明舒适性。
2．极好的诱导性。由于安装高度较低，通过在灯具附近的地面形成一条连续的交通指引光带，道路照度更均匀，空间通透感更强。
图6 京雄高速低位照明护栏系统实景（图片来源于网络）
3．更高的光舒适性。作为国家863计划“半导体照明工程”重大项目课题成果（见图7），反射式发光技术，是保证京雄高速照明舒适性的关键技术之一。通过漫反射腔体进行二次配光，将倾斜入射的LED光源光线均匀地散射于路面上，能够实现路面亮度均匀的照明效果。同时反射式的配光形式，灯具点亮时人眼看不见LED的发光点，从视觉舒适性上也达到了“见光不见灯”的效果。
图7 原文链接来源于国家科技部
（三）陶瓷散热路灯技术
1．独特陶瓷散热技术。京雄高速全线大功率陶瓷散热路灯照明支持独立通透散热，依托于专利陶瓷散热结构的强大能力（专利编号：CN201721133174.0），将LED芯片直接贴在陶瓷散热器上,热量通过热传导作用直接传至散热体上,然后通过自然对流作用将热量散发至空气中，有效解决了市场常见铝合金灯体结构热岛效应问题，并保证产品的可靠性及使用寿命（见图8）。
图8 陶瓷像素图示
2．极佳的耐候性。陶瓷像素结构还具有耐盐雾（半永久）、绝缘性强、可有效防击穿、安全可靠等优势。标准模块化搭配独特透镜设计，陶瓷散热材质配合蜂窝式对流散热技术，保证灯具的超长使用寿命；模组可现场更换，表面防腐涂层处理，满足IP66防护等级、IK08防撞等级、WF2防腐等级要求，持久耐用。
除创新功能的智慧灯杆、多功能低位护栏照明系统及陶瓷散热路灯外，京雄高速主线上所应用到的收费站顶棚式情报板、LED可变限速标志、门架式大型情报板、LED交通诱导屏等智能交通类的LED设备及控制系统也形成了一套智慧交通指引的综合解决方案。
（四）智慧情报板技术
极端天气及夜间行车安全系数较低、行驶车辆管理难度大、事故响应效率低下等是传统高速管理中的常见问题。在高速公路的地面道路中，门架式可变情报板在室外极端天气中可保证足够的亮度、穿透性以及可靠性（见图9），其提示内容可在大雾天气或较远距离对驾驶员清晰可见，确保高速通行安全无阻。
图9 极端天气及夜间行车可视距离差/图片来源于网络
区别于传统高速显示设备，京雄高速中的智慧交通诱导系统遍布高速出入口处及道路行驶段，并采用了统一尺寸标准的压铸铝机箱（见图10）。针对重点基础设施自然灾害风险防控，箱体具备耐腐蚀、耐高温、防盐雾、防紫外等多种防护性能。同时，该情报板可以及时发布如下关键信息：
1．各类实时信息、正常路况提示信息及服务提示语、实时路况、气象信息、安全警示语、行车须知等；
2．特殊路况信息：交通事故、道路施工或养护、道路或站点堵塞提示信息、交通管制公告、通行诱导信息及绕行提示信息、恶劣天气提示等；
3．宣传标语、政务信息等
图10 京雄高速建设现场
除发布信息外，还可做到全天候、多要素感知，并具有极佳的通信可靠性（模块可选传统信号传输或高速信号加密传输方式）。具备本地化人机交互窗口，用户可通过本地人机触摸屏轻松获取状态信息与故障信息，方便维护，具有显示驱动、检测和控制等功能，配备远程通讯接口，可与远程设备控制中心联动，控制盒则可以监控控制板使用情况，根据外界亮度情况调整显示屏亮度。亦可进行现场操作控制，本地设备可以做到自主巡检与故障上报，具备自诊自恢复功能。支持实时故障监测，监控中心能随时掌握情报板运行实况，确保道路交通安全。同时针对突发状况，可以在本地完成应急处理。
三、总结与展望：
基于智慧高速建设方案的总体框架，京雄高速上所使用的LED智能交通类产品上的创新技术及应用实践上，比传统道路的设备更有诸多亮点。融合了交通指引、媒体显示、应急显示、数据呈现、信息反馈等功能，真正成为智慧高速系统中最直观的显示终端，为打造“五个全国先行样板路”承担极其重要的角色，助力京雄高速构建智慧交通和平安道路体系。
同时为贯彻落实党中央、国务院决策部署，2020年下半年，《交通运输部关于推动交通运输领域新型基础设施建设的指导意见》文件指出（见图11），要将推动新型基础设施的建设放在第一位，以数字化、智能化、网络化为导向，以早日实现我国的交通强国目标,今后将会有更多的LED交通产品及技术应用于未来的智慧高速 。
图11 文件图片来源于交通运输部官网
