7.1 智慧公路主要建设内容
智慧公路是智慧交通系统的重要组成部分。20世纪80年代，美国交通部开展了15项有关自动公路系统（Automated Highway Systems，AHS）的研究。该系统通过安装在道路上和车辆上的传感器收集信息，并将信息提供给计算机控制系统来实现车辆自动控制驾驶[10]。AHS的概念主要包括自动驾驶、合作协同、基础设施支持和管理控制四个阶段，并具有位置保持、车道变换、拥堵缓解和流量控制四个主要功能，四个功能在AHS不同阶段具有不同的特征[11]。基于AHS的智慧公路框架如图7-1所示。
美国的AHS项目研究给出了智慧公路建设的基本框架。我国交通运输部在“十三五”期间，通过试点的方式部署了一系列智慧公路建设实践探索，重点关注智慧基础设施建设、基于车路协同的交通运输管理和控制等领域。本书主要基于试点内容及取得的成果[12]-[16]，总结我国智慧高速公路主要建设内容。
图7-1 基于AHS的智慧公路框架
我国智慧公路主要建设内容包括智慧基础设施、智慧公路应用体系和信息安全三大部分，如图7-2所示。
图7-2 智慧公路主要建设内容
智慧公路主要建设内容按照感知、网络通信、数据处理和决策服务等层次划分[11]，如图7-3所示。
图7-3 智慧公路主要建设内容结构层次
7.1.1 智慧基础设施
智慧公路基础设施以支撑智慧公路运营、管理服务的基础设施为主，包括公路运行监测、多网融合通信、数据中心、应用支撑平台等。
1.公路运行监测
公路运行监测通过采用路侧设备采集信息、辅以移动终端/车载终端采集信息及公路经营管理单位、公安交警、交通运输综合执法、公路管理、气象等部门共享信息等多源数据融合的技术路径，实现高速公路实时状态信息获取，为公路运营、管理各类应用提供数据支持，主要包括公路主体及附属设施监测、视频图像监测、交通状态监测、车辆状态监测、公路气象环境监测等。
2.多网融合通信
多网融合通信指构建交通网沿线全覆盖的通信网络，包括有线网络和无线网络（5G-V2X、4G LTE-V、DSRC、Wi-Fi等局域无线网络，以及4G/5G等广域无线网络），以及未来卫星通信网络，实现广覆盖、低时延、高可靠、大带宽的网络通信服务。高速公路融合通信主要分为路-路通信、车-车通信、路-中心通信、车-中心通信等。
3.数据中心
数据中心用于汇聚智慧公路监测数据，完成数据分析与处理，用于智慧公路应用支撑平台和各业务系统。数据中心具备边缘计算能力和中心计算能力，边缘计算是通过车路协同系统实现路测与车端实时数据交换，中心计算可分析处理中心数据，提供基础类模型、业务类模型、综合类模型等分析结果。其中，基础类模型包含但不限于设施设备性能评价、公路网交通需求预测、公路网短时运行态势分析、公路网交通风险分析；业务类模型包含但不限于公路养护管理、应急指挥管理、工程建设管理、公路收费管理；综合类模型包含但不限于公路服务评价、资产综合评价、公路网供需平衡分析、中长期收支计划、公路网运营评价、公路网应急能力优化[14]。
4.应用支撑平台
应用支撑平台基于一体化的智慧公路基础设施和标准化的通信协议，为实现信息共享、应用系统功能、业务协同工作提供技术支撑，主要包括应用中间件、数据交换共享平台、公路基础设施资产数字化管理、视频管理系统、交通地理信息服务系统、统一用户管理系统、实时交通仿真系统等。
7.1.2 智慧公路应用体系
智慧公路应用指实现公路运营、管理的各项服务，主要包括运行管理与应急处置、出行服务、智慧服务区收费服务、路政管理、公路养护、车路协同支持等。
1.运行管理与应急处置
公路运行管理与应急处置包括运行评估、运行预警、运行控制与应急处置，具体是指根据公路运行监测系统采集到的数据和信息，对公路运行状态进行评估和预警，提供道路交通信息和诱导控制指令，及时向管理部门、求救部门和社会发送求救指令或道路交通信息。
公路交通控制主要指车道级控制，主要包括主线控制、匝道控制、匝道分合流控制。其中，主线控制是指根据主线交通流量或突发情况，实现含应急车道在内的单个或多个车道开启/关闭功能，以及分车道可变限速信息发布功能；匝道控制是指根据主线及匝道的交通流量或突发情况，实现匝道关闭/调节功能；匝道分合流控制分为分流诱导、合流警示，具有道路轮廓强化显示模式和行车主动诱导模式[14]。
应急处置是指利用物联网、大数据、云计算、车路协同等技术，快速发现事件，精准定位，自动对公路时间类型进行分类管理，并自动生成控制策略和调度指令并实施发布，快速匹配和有效调度应急人员、车辆和资源。
2.出行服务
提供出行前、出行中、出行后等不同阶段的出行信息服务，为行车用户及时提供综合路网服务。内容包括公路基础设施和服务设施信息、交通运行状态信息、气象信息、交通管控信息、安全辅助驾驶信息以及其他信息等。提供方式包括智慧情报板和互联网信息发布两种手段。智慧情报板是在传统可变情报板的基础上，提供文字、图形、图片、视频等多种信息发布形式。互联网信息发布是指通过信息查询终端、微信短信服务平台、互联网网站、第三方导航软件等互联网手段，为出行公众提供信息服务。
3.智慧服务区
利用物联网、人工智能（AI）、大数据、云计算等技术，通过各类智能终端，为社会公众、管理人员提供高速公路服务区智能化和个性化信息服务，主要包括智慧停车、集约型灯杆、智慧餐厅、智慧厕所、智慧垃圾桶、新能源充电、综合信息发布、综管平台等[16]。
4.收费服务
高速公路收费管理系统是指提供电子不停车收费（Electronic Toll Collection，ETC）服务，实现高速公路主线自由流收费。或者现有的收费系统融合移动支付，即不改变现有收费系统，在MTC出口收费车道安装扫码终端并连接到第三方支付平台，建立移动支付系统。或者采用“车牌识别+手机APP”的模式，实现用户的自助绑定车牌和自动支付，从车辆到达收费窗口到完成支付，车主不需要任何动作，可大大提高车辆通行效率。
5.路政管理
路政管理主要实现路政巡查、路政内业、路产路权、行政许可、超载超限管理等功能，以信息化手段提升高速公路、公共用地及公路附属设施行政管理水平。其中，超载超限管理主要包括超限运输运行管理、跨省大件运输并联许可、治超综合分析评价等功能。
6.公路养护
利用各种先进传感器、信息技术、网络技术、自动控制技术、计算机处理技术等，实现智能化实体资产在全寿命周期范围内的运行、养护、改扩建等全过程宏观管理，实现公路整个寿命周期内一切与建设、维护、管理有关的养护费用最低。
7.车路协同支持
结合自动驾驶对高速公路设施的实际需求，设计和建设自动驾驶专用车道、支持自动驾驶的标志标线、支持自动驾驶的车路协同设施。
7.1.3 信息安全
智慧公路建设的公网+专网、车路协同路测设备终端、机电系统设施，以及管理应用、服务应用、基础支撑等系统应具备较强的安全防护能力，主要包括网络安全、数据安全和应用安全三方面。其中网络安全主要包括网络结构安全、访问控制、网络设备防护；数据安全主要包括数据完整性、数据保密性、数据备份和恢复能力；应用安全主要包括身份鉴别和访问控制。