摘 要

随着高速公路的发展，高速公路管控越来越趋向于智能化。机动车的车速的提高，人们生活，工作的节奏加快，传统的管控系统已经不适合现代的高速公路交通了。随着管控系统的升级，相应的服务系统也应该随之改进。智能化的管控系统，应该配备更先进、更高效的服务系统策略。

本文就是应对这个问题，结合国内外研究现状和研究背景，设计了高速公路智能管控系统的框架，并结合当前国内问题和需求分析了高速公路智能管控系统关键技术和解决的方案，同时对未来高速公路智能管控系统提出了展望。

研究结果表明：高速公路智能管控服务平台的构建，不仅要考虑到高速公路现代化、高速化和智能化等问题，还要考虑用户联系与利用问题。高速公路智能管控的关键就是高速公路智能化的发展，但是由于技术的原因，激发用户积极性、合理的管理策略和算法的优化成为目前主要的研究目标。

本文的特色在于：结合国内外的现状设计高速公路智能管控服务系统，并且阐述了各个子系统之间的关系；结合国内的情况和国外的发展说明了高速公路智能管控关键技术和解决方案。

关键词：高速公路；智能管控；服务系统

Abstract

With the development of highway, highway control tends to be more and more intelligent. The speed of motor vehicles has increased, people's lives and work have accelerated. The traditional control system is no longer suitable for modern highway traffic. As the control system is upgraded, the corresponding service system should also be improved. Intelligent control systems should be equipped with more advanced and efficient service system strategies.
This article is to deal with this problem, combining the current research situation and background at home and abroad, designed the framework of highway intelligent control system, and combined with the current domestic problems and needs analysis of key technologies and solutions for expressway intelligent control system. At the same time, the paper puts forward the prospect of intelligent control of highway in the future.
The results show that the construction of the intelligent control service platform of expressway should not only consider the problems of highway modernization, high-speed and intelligent, but also consider the problems of user connection and utilization. The key of intelligent control of expressway is the development of intelligent highway, but for the reasons of technology, stimulating user enthusiasm, rational management strategy and optimization of algorithm have become the main research goals.
This article is characterized by the following: combined with the current situation at home and abroad to design highway intelligent control service system, and elaborated the relationship between each subsystem; The key technologies and solutions of intelligent control system of expressway are described in the light of domestic situation and foreign development.

Key Words: expressway; intelligent control; service system

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 论文研究的背景 1

1.2 论文研究目的和意义 2

1.3 国内外现状 2

1.4 论文研究主要内容 4

1.5 本章小结 4

第2章 智能交通和高速公路基本理论 5

2.1 高速公路定义 5

2.2 我国高速公路的发展 5

2.3 智能交通定义、功用 6

2.4 智能交通相关理论 6

2.5 本章小节 7

第3章 高速公路智能管控与服务系统构建 8

3.1 系统设计的必要性 8

3.2 系统设计的原则 8

3.3 系统总体构架 9

3.4 各个子系统结构和功能 11

3.4.1 多维多源道路交通状态感知子系统 11

3.4.2 大数据综合监测与分析子系统 12

3.4.3 道路交通信息服务子系统 13

3.4.4 智能化安全预警与应急救援子系统 14

3.4.5 高速公路运行状态在线仿真与决策子系统 15

3.5 本章小结 16

第4章 高速公路智能管控与服务系统关键技术 17

4.1 信息感知与处理技术 17

4.2 主动安全防控及服务技术 17

4.3 多维多源数据处理和分析技术 19

4.4 通讯传输技术 21

4.5 本章小结 22

第5章 高速公路智能管控与服务系统存在的问题和对策 23

5.1 存在问题 23

5.2 解决方案 24

5.3 本章小结 28

第6章 总结与展望 29

6.1 总结 29

6.2 展望 29

参考文献 30

致 谢 31

第1章 绪论

1.1 论文研究的背景

近年来，我国高速公路里程不断增长，对于如何减少或者预防交通事故的发生，提高高速公路车辆流通效率，提高高速公路管理部门的服务质量和管理水平，成为了相关政府部门重点思考的问题。然而智能交通行业近年来不断升温，人们积极参与到这个课题上来，高速公路智能化管控自然成为人们解决上述问题的首选方案。

社会汽车保有量的不断增加以及居民消费的升级，极大地推动了公路建设产业的发展。根据有关数据，2013年末，公路总里程达到了435.62万千米。2014年则达到了446.39万千米。同时，高速公路的建设也在逐渐加大，2014年有96条高速公路正在建设，总里程为8150.76千米；到2014年，全国高速公路总里程达到11.19万千米。2015年则达到了12.53万千米，位列世界第一。根据相关消息，2030年之时，我国国家级高速公路总里程将达到11.8万千米。由此可见，我国高速公路的规模和建设速度在不断增长，这为高速公路智能管控的相关发展提供了广阔的发展空间。

从行业信息化发展情况来看，全国大部分高速公路都围绕交通运输部的“十二五”规划来进行的建设。“十二五”规划的目标为：建设全国一体化的交通感知网络，行业运行信息监测采集能力取得突破性进展；深化信息整合，形成三级交通数据中心体系；提升信息资源开发利用水平，形成较为完善的服务体系等等一系列的目标。总共四方面，并且贴别强调了智能交通和交通信息化的相关建设。

在如今互联网发展的趋势下，互联网将来将作为移动互联网的依托。近年来，移动支付、移动互联网、应用服务、电子商务等等领域中不断出现新的应用和元素。这种多样化的发展，多元素的变革为高速公路智能管控的发展提供了新的机遇。

目前，我国对智能交通投资力度和政策扶持加大，将要在200个以上的大中型城市建立城市交通指挥中心，投资约450亿元；其中，高速公路智能交通投资就达到了350亿元之多。同时，“十三五”智能交通相关政策纷纷出台，智能交通的相关建设会加快，智能交通的市场将会持续而且快速的增长。

智能交通作为一个新经济增长点，而且还是战略新兴产业，它的市场效益是良好的，前景十分广阔。但是，目前国内智能交通市场十分分散，这个领域内的大小公司有上千家。同时，行业内绝大多数企业为规模很小的地方性系统集成商家，以当地渠道生存；少数具有全国扩张能力的行业领先厂家，市场占有率不是很高。

随着智能交通项目规模的扩大，项目复杂程度的提升；智能交通项目对项目管理、实施能力、技术水平、资金势力等等提出了更高的要求。故而，只有实力强大的企业才能获得相应的项目，市场份额逐渐出现向龙头厂商集中的趋势。

根据国家前瞻产业研究院，未来智能交通发展趋势主要有：综合交通智能化与协同服务：主要需要实现基础设施与装备一体化、运营调度与服务一体化、多种运输装备集成等，充分实现信息共享不断提高智能化水平；运输系统运行安全智能化保障：利用现代信息技术分析事故成因、演化规律、管控策略以及主动安全防控管理方法和技术。真正实现人-车-路安全防控一体化；合作交通与自动驾驶：这与美国的交通发展方向一致，将无限通信、传感器、计算机技术等前沿技术应用于车辆和基础设施，真正实现信息共享、安全保障、路径优化、低碳高效、安全辅助驾驶，达到信息全覆盖；推动信息技术发展：信息技术的发展使得智能交通的数据交换可靠、速度更快；智能交通产业圈：智能交通由于相对于以前的交通管理模式更加偏向于用户体验，那么这就需要汽车制造业、服务业、运营商、互联网信息服务等行业融合，形成产业生态圈。

综上，高速公路智能管控从政策上、高速公路的发展上、信息化建设的趋势上、互联网的发展上、政府的投资上都可以看出，高速公路智能管控与服务系统的设计成为潮流下的迫切需求，已经成为国家高速公路发展的必然趋势。

1.2 论文研究目的和意义

（1）国内的高速公路智能交通的起步虽然较晚，但是经过这十几年的发展；我国的高速公路逐渐向着智能化、高效化方面改进。但是目前我国高速智能管控的智能方面的发展不够成熟、服务系统效率不够高。所以本论文具有一定理论意义。

（2）随着我国的道路进一步建设，公路的延长公里数的进一步增加，我国的公路急需通过科学的智能管控平台进行管理，运用现代的网络系统进行全方位的管理和控制，良好的系统方案能很好的提高服务系统效率，这对提高我国公路，为国家建设服务起到了非常重要的作用。本文力求设计一种更加符合现代智能交通的高速公路服务系统，并且提高系统效率，适应高速公路智能交通高速发展。所以本文具有一定实际意义。

1.3 国内外现状

近年来。我国高速公路智能化管控建设取得了一定的突破。就已有的建设来看，北京市高速公路智能管控平台已经搭建了一种综合应用的平台，全面提高了高速公路智能管控平台的管理效率、监测水平、信息服务水平和应急能力。江苏省于2015年实现了网络全覆盖，分层级信息平台管理；对路况、设施养护、交通管制、气象监测等方面都进行了改进。

纵观目前国内高速公路智能管控系统，主要有如下子系统：安防监控系统、收费系统、信息服务系统和其它系统（如综合管理系统、紧急救助系统、公路养护管理系统和路产管理系统等等）。其中，收费系统（尤其是ETC收费系统），因为有中国相关政策的扶植，属于硬性需求系统，目前市场规模最大；其次是路政、交通和公安管理部门的安防监控系统；而信息服务系统也因为与车联网行业相关联，目前发展也较为快速；其它系统在国内均发展尚较为薄弱。

目前，我国的高速公路管控系统依旧有许多问题。例如监管不到位，虽然投入了大量的资金在视频监控上。但是，大部分都是用于处罚性质的功用，对于指导性的功用还体现较少。而且交通信息传输不及时，不能实时传输到各个单位上，用户也不能得到及时的反馈。对于突发状况也不能及时预警，这是交通事故频发的原因之一。同时，高速公路上，多层域不够协调，数据分析不够先进，响应速度慢等等都成为高速公路智能管控亟待解决的问题。

在国外，高速公路智能管控已经发展得较为完善；高速公路智能交通系统应用的技术处于世界领先水平；各个国家的智能交通系统应用的技术各不相同，从汽车导航等基本管理系统;交通信号控制系统;集装箱管理系统;可变信息标志；到自动车牌识别或高速摄像头监控应用，如安全闭路电视系统；以及集成实时数据和来自其他许多来源的反馈的更高级应用，例如停车引导和信息系统；天气信息；桥梁除冰（美国除冰）系统；等等。这些技术和先进的管理方案和策略相互结合，形成了十分先进的高速公路智能管理系统。其中，美国的无线调制解调器通讯广泛应用于智能交通的长距离和短距离通讯。美国的计算技术、传感技术已经位于世界前列。而其衍生开发的智能交通应用：紧急车辆通知系统、自动道路施工、可变速限制、动态交通灯序列等等。美国的路上合作系统已经很先进，能够达到道路运营商、基础设施、车辆、司机和其他道路使用者进行最有效、最安全的合作，以及进行最安全、最舒适的旅程。

目前，国外的相关技术已经很成熟。其中路基型采集技术、车基型采集技术都应用于高速公路多源信息感知。其中涉及到车辆检测器和GPS、GIS无限通信技术的发展，浮动车技术也有所涉及。交通事件、交通拥挤度、遥感监测等技术应用于运行状态的监测。各国对运行态势的分析各有不同，但总的方针是结合互联网进行全覆盖，在大的基数上进行相关运行态势的分析。美国的CVO技术，车载安全技术，GPS定位技术都应用于预警和应急；同时，欧洲进行了大量了车辆碰撞预警和恶劣天气预警方面的研究，提出了很多种算法来进行预警；日本的ASV（车辆安全系统）、ARST（道路交通系统）都参与进行安全预警的功能。

综上，国内的收费系统十分完善，视频监控系统也较为先进；但是相对于国外来说，国内的安全预警、信息感知、信息管理、状态监测等等方面都处于不成熟的阶段。

1.4 论文研究主要内容

本论文在对国内外现状以及发展背景进行分析后，来设计高速公路智能化管控和服务系统框架。在框架的基础上来阐述系统的组成、各个子系统的主要功能和相互关系。进而探讨，完成这个系统功能所需要的关键技术，以及相关技术的突破。最后对未来相关领域的发展做出展望。

1.5 本章小结

本章主要介绍了高速公路的发展背景、国内外的现状；这为高速公路智能管控服务系统的设计和关键技术的研究提供了一部分的依据。同时也解释了此文的目的意义和主要内容，证明此文的撰写具有一定的意义和价值。

第2章 智能交通和高速公路基本理论

2.1 高速公路定义

高速公路在分类上属于高等级公路。中国交通部规定，高速公路指“能适应年平均昼夜小客车交通量为25000辆以上、专供汽车分道高速行驶、并全部控制出入的公路”。高速公路是立体交叉公路，可以两向分隔行驶，并且有4条或以上的车道，以便车辆在路上高速行驶。而且高速公路上还控制出入口，以便进行安全维护和收费。但是有些国家的直达干线部分控制出入口，或者没有采用立体交叉，这样的也称作高速公路。高速公路能适应高速行驶，一般为120km/h或者更高；由于双向行驶，所以中间设置了分隔带。而且高速公路一般采用沥青或者水泥进行修建，设置了交通部门规定的标线、标志、信号和照明设备。同时，高速公路上是禁止行人和非机动车行走的。

总而言之，高速公路是只供汽车高速行驶、设有多车道、中央分隔、设有立体交叉口、出入口控制的干线公路。

2.2 我国高速公路的发展

高速公路的发展与建设在我国起步很晚，起步建设于1988年。但是国家意识到了高速公路发展的需求和重要性，出台了很多促进高速公路发展的的高速公路政策，高速公路迅猛发展。2016年4月，交通运输部发布了《交通部运输信息化“十三五”发展规划》；同年6月，国家发改委发布了《国家公路网规划（2013-2030年）》；2016年8月又紧接着发布了《交通运输科技“十三五”发展规划》和《交通运输部关于推进供给侧结构性改革促进物流业“降本增效”的若干意见》；直至2017年2月，交通运输部发布的《关于印发“十三五”现代综合交通运输体系发展规划》。

2015年，我国高速公路通车里程达到了12.53万千米；2014年的为11.19万千米。随着社会和科技的发展，高速公路的通车里程在不算增加。而且随着出行的交通方式的改变，高速公路的发展就更加迅猛。

人们生活水平日益提高，高速公路的发展呈现的是综合化。主要体现在智能化的方面，不仅仅是从路网的发展规划，还从高速公路服务方面都更加贴近智能化。从全国的格局来看，随着高速公路的增多，仅仅使用人力和普通的监控已经无法满足现代化高速公路的需求了；于是，智能化的高速公路已经成为高速公路发展的趋势。

2.3 智能交通定义、功用

智能交通：智能交通系统（ITS）是一种应用程序，目的是提供不同的创新服务，其中包括运输方式和交通管理等，使用户能够更好地了解相关信息并且能更安全，更协调，和“更聪明'使用传输网络。

智能交通是集控制、通信、信息处理于一体的集成应用，这种应用主要应用于大范围的交通路网，全方位的交通控制，能实时、精确、高效地进行综合运输和管理。

在智能交通的大环境下，高速公路智能管控意味着更安全、更协调、更聪明地进行高速公路智能管控。并且与普通公路不同，高速公路由于限速太高、里程过长，对智能管控的要求更加高；需要更加高效、更加安全、更加精确，这与视频识别、安全预警、数据分析、用户协调等等功能是不可分割的。

目前智能交通主要应用于交通视频监控、公路收费系统、道路交通控制、GPS导航与监控等智能交通领域，甚至拓展至安防监控领域。

2.4 智能交通相关理论