河北省交通规划设计研究院有限公司
京雄云控（北京）智能交通科技有限公司
一、背景
京德高速是 雄安新区“四纵三横”高速公路网的“纵四”线，全长约87公里，双向六车道，具有枢纽互通4座、服务型互通7座，客车占比高达70%，是雄安新区通往大兴国际机场的主要高速公路，是雄安新区与冀东南、鲁西之间的重要联系通道。
2020年6月，交通运输部印发《关于河北雄安新区开展智能出行城市等交通强国建设试点工作的意见》，智慧高速公路强国建设运营试点任务提出，通过3-5年时间在京德高速公路建成安全风险预警系统，利用交通数字孪生平台，实现实时碰撞风险预测，事故发生率大幅降低。
二、建设思路
紧紧围绕交通强国建设试点任务，依托“车路云网一体化”智慧高速公路解决方案，遵照“以安全为目标，动态化+个性化预警服务为支撑”的建设理念，打造以全息化融合感知系统、面向全局动态交通管理平台为支撑，以智能化数字孪生系统、安全风险预警系统、准全天侯坐席系统、多元信息联合发布系统为着力点的京德智慧高速安全风险预警方案，满足智慧高速公路数字化、管理精准化和服务智慧化需求，为京德智慧高速公路建设搭建完整体系架构。
三、项目建设
（一）支撑体系建设
1.全息化融合感知系统建设，提供强力数据支撑
京德高速共设有星光级摄像机208处，可变信息标志129处，1000m毫米波交通雷达120套，全要素气象站3套、能见度检测仪46套、路面状况检测仪13套、路测智能通讯单元11套（11km试验段）、主动发光轮廓标、车载移动融合设施、长航时无人机、护栏机器人等硬件设施。融合感知系统充分运用雷视融合技术，将雷达采集数据和摄像机识别到的车辆信息先进行第一时间边缘融合、快速计算、智能分析，结合多源数据融合的技术路径，然后再传输至中心，从而更好的满足智慧高速的低时延的要求，为动态安全预警控制、管理提供数据支撑。
2.基础设施标准化机房建设
京德高速采用华为一体化先进的机房建设设施和数据管理理念，统筹利用计算资源、存储资源、网络资源、信息资源、应用支撑等资源和条件，根据业务需求，建设以一个信息安全有保障、数据运算科学化的数据处理中心，三重防护为核心的信息安全保障的搭建体系，使系统始终都在稳定、安全、科学的统一管控下有序地运行，具体如图1所示。
图1 京德标准化机房
3.面向全局的动态交通管理平台建设
全局动态交通管理平台（图2）主要包含大数据平台和综合指挥调度管控系统、分布式计中心。其中，大数据平台统以开放的思维采集路段交通数据、互联网交通数据，基于大数据技术对所采集的数据进行分析、归纳、梳理和学习，构建面向公众、面向管理者的具备迭代升级能力的自学习型智能化应用系统，通过对不同应用场景的定制化服务，管理者可快捷、顺畅地实现对路段的日常管理、应急管理、节假日管理等。综合指挥调度管控系统以综合指挥调度指挥为基础支撑，将路况监测、事件处置、视频监控、策略管理等进行“多合一”高效整合，实现各类业务系统统一接入管理，集中智慧管控，同时协调联动公安、交警、路政现场人员，快速做到业务数据共享、快速协同工作。
图2 全局动态管理平台
（二）安全风险预警系统的建设
1.风险预警平台的建设
通过对京德高速交通微观动力学建模，可识别交通运行安全风险并进行评估，实现交通运行安全风险的预测和预警，与动态控制软件进行对接，发布预警信息，实现交通风险识别、交通风险评估、交通风险研判等功能，最大程度的保证高速公路网络的安全与高效运行，整个系统功能如下。
1）运行监控
包括了道路日常统计信息、实时状态、直观的综合性拥堵指数以及收费站状态，右侧统计了基础设施、设备实施覆盖率、离线率、完好率等设施设备状态信息，突出展示了作为京德建设亮点的无人机巡航实施画面。中间部分结合地图将拥堵程度、设备情况可视化呈现，同时辅以实时视频虚实对比。
2）态势分析。基于基础监控数据，融合大数据处理算法，多指标、全方位呈现交通量、通行效率等相关态势，以及两客一危等重点车俩时空溯源和趋势统计。
3）风险预测。重点展示了在当前交通状态评估的基础上系统进行的风险识别，如上下游、相邻车道的行驶车辆速度差、能见度等追尾、碰撞等交通事故诱因和主要征兆的指标，和道路发生的各类事件，预计不同因素对各路段（互通）造成的风险等级，识别安全隐患。
4）预警应对。预测风险后，针对识别出的风险路段、风险点，管理人员可通过改变路侧情报板信息设置各车道的限速值，系统综合展示了针对不同风险等级、风险路段等实际道路场景，采取适宜的动态控制策略、预警提示信息、应急事件处理相关指标。通过地图路段风险等级变化直观展示风险应对效果。
图3安全预警平台
2.数字孪生系统建设
数字孪生系统（图4）具备优秀的多源大数据显示性能，通过雷达、视频、气象站、情报板、道路固定设备等设施设备数据融合的数字孪生呈现，实现数据融合、数据显示、数据分析、数据监测等多种功能，可广泛应用于监测指挥、分析研判、展示汇报等场景，协助管理者实时掌握高速整体运行态势，满足可视化管理工作需求，为指挥调度提供辅助决策支持及智慧式管理。
系统左侧功能定位为信息统计区域，是集中对路段、设备状态监测、收费站收费信息、路段风险评估等数据进行重点统计分析，其功能集中呈现“一网、两轴、巡游与巡检双模式”。“一网”指雷达组网车辆跟踪，可捕获行驶车辆的车牌、速度、轨迹等特征，雷视融合实现车辆唯一ID连续跟踪。实现整个高速的交通状态监测和单个车辆的实时连续跟踪，为道路异常车辆稽查，重点车辆管控提供数据支撑。
“两轴”指数字孪生系统的空间轴和时间轴。空间轴上方是里程桩号，通过滑动空间轴，可以查看全线任一路段的实时状态，比如交通流状况、交通事件和气象环境状况等。当有事件发生时，可以快速查看事件区域上下游交通状态以及门架管控状态。时间轴盘活交通多源大数据，实现实时信息可追踪、历史信息可回溯及管理。“巡游模式”可实现自动巡航，实现全天时全天候无现场巡查，减轻路上巡查强度。“巡检模式”可实现对两客一危、大件运输、养护、救援等重点车辆的跟踪与显示，便于重点车辆管理。
图4数字孪生系统
3.主动控制系统
作为主动交通控制管控策略计算核心，可有效应对12类常发场景、56类突发事件为高速管理人员提供管控策略支撑，大幅提高高速公路管控效率和水平，其主要做为计算核心存在，其策略的发布则可通过大屏+小屏风险预警信息发布，实现全维度、全过程、全要素数字化管理的道路安全管控，如图5所示。
图5 主动控制系统
4.准全天侯坐席系统，打造综合指挥调度一体化平台
系统包括实时监测、事件管理、车辆管理、情报板管理等高速道路业务管理相关模块，以及知识库、数据中心、数据字典、权限管理、系统管理等系统支撑相关模块。系统是动态调控交通流，降低实时的和预测到的风险，提高通行安全和效率的核心所在。基于感知数据，结合实时风险和预测风险的等级，可以生成对应的动态控制策略，通过可变信息标志实现信息发布，诱导或规范交通参与者的交通行为（图6）。其主要特点如下：
1）分钟级预警：基于路侧布设的全要素气象站、能见度检测器、千米超距交通毫米波雷达等设施设备，利用具备时域预报预警能力的全路段精准感知系统获取精准感知的天气状态，不受天气影响的全天时全天候车辆精准定位、事件感知，通过坐席系统实现分钟级预警发布提醒。
2）主动交通管控：依据事先配置的应急预案，基于实时交通流、环境、事件数据，形成分路段、分车道、分时段的主动交通管控机制，支持对不同场景采取相应控制策略。
3）人机协同指挥调度管理：通过分钟级气象预警、事件及车辆监测，支持道路场景秒级生成策略，并通过指挥调度系统实时联动审核，实现管控瞬时发布。
4）资源整合：将计算资源、应用和信息进行整合，打破高成本的静态计算、存储资源孤岛，转化为低成本的动态化计算资源。
京德高速采用“大屏”+“小屏”的信息发布系统，基于可变速度控制、车道管理以及可变信息诱导等进行交通的动态控制与预警，全线共设置门架可变情报板77处，悬臂情报板61处。
5.多元信息联合发布系统
传统机电信息发布方式包括门架式可变信息标志（图7下文简称“大屏”）和路侧悬臂式可变信息标志（图8下文简称“小屏”），大屏发布限速信息，小屏发布文字提示信息，发布信息单一且基本固定，无法根据实时交通态势动态变化，两者呈割裂状态。悬臂式可变信息标志相较于门架而言具有突出的经济优势，但是由于尺寸限制，路侧悬臂可变信息标志适用于双向四车道及双向六车道高速公路，双向八车道及以上高速公路最内侧车道对于悬臂屏显示内容的视认性较差。京德智慧高速建设时，综合考虑现有传统机电设备与智慧高速管控手段相结合，充分利用现有资源，结合京德高速自身特点，在方案制定时着力开展了多元信息联合发布系统研究。
“多元信息联合发布系统”独创定制化风险预警功能，京德智慧高速同步搭载预警提示悬臂屏和动态控制车道屏，实现“大屏+小屏”联合管控，完成风险预警、路途提示和动态控制等信息的联动协同。常态化提供伴随式服务，大屏发布分车道限速信息，小屏发布路途提示信息，事件发生时，大屏发布可变限速信息，小屏发布预警信息及动态管控策略，使得管控措施更加丰富，降低交通安全风险。
图7 伴随式服务-限速信息提示 图8 多元信息发布-车道封闭发布形式
四.应用效果
（一）实现车道级主动控制，解决只监不控历史难题
基于数字孪生平台，建立“运行监控、态势分析、风险预测、预警应对”四大功能板块，通过主动控制系统、准全天侯坐席系统可实现分路段、分车道、分时段的交通主动管控，可面向不少于50类交通应急场景，开展多策略协同控制，通过模拟仿真实时分析、预测、预警，可实现安全效果提升30%以上、通行效率提升20%以上。
（二）数据赋能，全方位支撑管理决策
打造进度、质量、安全风险预警、创新驱动等多项创新措施，形成可测、可视、可控的数据基础，实现项目的精细化管控。独创的坐席控制系统，可实现坐席管理人员取证、事件策略、路政交警联动、策略发布的智能一体化便捷操作，提升工作效率50%。
（三）实现传统基建设施的数字化、信息化、自动化跨越式升级
综合使用高速公路毫米波交通雷达、气象站、视频监控、车载视频以及互联网移动终端等多种检测器，全面实现高速公路87km、双向6车道陆域信息的全方位、全过程、全时段数字化汇聚。
五、结语
在加快推进建设智慧高速的征程上，京德高速结合交通强国试点任务的要求，以安全风险为主题建设安全风险预警系统，在全风险源识别、风险防控、交通管控方面取得突破性进展，形成一批智慧高速公路建设先进经验和典型成果，为我国交通运输跨越发展中贡献了河北智慧、河北力量。
