“智慧高速”的建设最早可以追溯到2002年福建省的“数字高速”，通过对交通信息资源进行建设与改造，逐步提高高速公路管理与运营的现代化水平。2008年IBM提出了“智慧地球”概念，2009年美国爱荷华州迪比克市宣布与IBM公司合作建设全世界第一个“智慧城市”，智慧交通是其重要应用。2011年浙江提出推进智慧城市建设，而“智慧高速”是其首批启动的13个示范试点项目之一。近年来，行业专家学者对智慧高速的概念和内涵进行了研究，但目前尚未形成统一认识。本文试图通过对智慧高速演进历程进行分析，并结合国内智慧高速建设实践，对智慧高速公路的概念与内涵进行探析，并对交通强国背景下智慧高速发展进行展望，以期为智慧高速的建设提供借鉴。
一
高速公路机电概况
我国高速公路发展经历了起步阶段（1978-1988）、稳步发展阶段（1989-1997）、加快发展阶段（1998-2007）、跨越式发展阶段（2008-2015）、全面规范和高质量发展阶段（2016以来）五个发展阶段[1]，到2020年底高速公路总里程达15.5万公里，国家高速公路网主线基本建成。
在高速公路运营管理过程中，以高速公路监控、收费、通信三大系统为主要内容的高速公路机电系统发挥了重要作用，实现了联网收费、视频监控及通信传输等功能，保障了高速公路正常运行，为高速公路信息化、智慧化打下了坚实基础。
与我国高速公路发展历程相适应，高速公路的运营管理经历了“一路一公司”（1988-2000年）、省域区域联网（2001-2010年）、全国联网（2011-2015年）、改革撤站（2016-2020年）共四种模式[1]。高速公路不断建成通车，使得高速公路从点连成线、形成面、构成网。在这一过程中，高速公路机电系统不断建设完善，并连接成庞大的网络。以收费系统为例，2010年前主要以省域或省内区域联网收费为主，2014和2015年实现了全国ETC联网收费，2019年撤站则实现了全国联网收费一张网。为了支撑联网收费系统运转，各省基本建成了省内互联互通的高速公路通信专网，保障联网系统的数据、语音和图像等信息准确而及时传输，为高速公路管理部门之间业务联络提供通讯手段。2011年交通运输部组织了全国高速公路光纤通信干线网络工程建设，基本建成了全国高速公路光纤通信干线网络。2019年11月，交通运输部开展全国高速公路视频联网监测工作，全面加快推进可视、可测、可控、可服务的高速公路运行监测体系建设，不断优化服务能力和监管水平，更好地满足人民群众高品质出行需求。
总之，随着高速公路网络化发展，公众出行日益便利，但在行车安全、通行效率、信息服务等方面高速公路的运营管理也面临着诸多挑战。受限于当时的投资模式、管理需求、技术发展、设备设施水平等因素，高速公路机电系统在保障高速公路的稳定可靠运行的同时越来越难以适应运营管理和公众需求。为了解决上述问题，智慧高速应运而生。
二
智慧高速初步探索
高速公路实现联网后，面对公众日益增长的通行需求和管理痛点，浙江、云南、湖南、江苏等省份开展了智慧高速建设的初步探索。这一阶段智慧高速的主要特征是对传统机电系统的提升，移动互联网、大数据等信息技术在高速公路行业得到初步应用，高速公路的管理和服务效能得到极大提升。
2011年底，浙江省高速公路日均车流量达到84万车次，在经济社会发展中具有举足轻重的作用。然而高速公路协同管理问题和智慧服务问题逐渐显现，道路交通不堪重负、交通事故多发、遇到重特大交通事故缺少省级统一指挥平台、恶劣天气下通行安全保障缺少科学预测和决策支持、危化品运输管控难、ETC 没有形成规模、全省高速公路服务电话号码不统一、信息不共享等问题突出[2]，亟需加以解决。2012年5月，浙江省人民政府在《关于务实推进智慧城市建设示范试点工作的指导意见》（浙政发[2012]41号）中，首次提出“智慧高速”的概念，将其作为浙江省首批启动的智慧城市建设13个示范试点项目之一。通过两期工程的建设，浙江智慧高速建成了智慧管理与服务平台，实现了“一路三方”指挥调度，开通了“两微一端”信息服务，对于货车实现预警。
2014年全国交通运输工作会议上提出了“四个交通”的概念，其中智慧交通是关键。在“四个交通”的指引下，云南、湖南等省份开展了智慧高速的建设。
2014年，云南省高速公路联网通行里程快速增加，导致高速公路管理的地域范围、业务管理难度和复杂度急剧增加，必然要求高速路网运营管理工作从日常监管、被动响应、抽查巡检向主动感知、预警预测、全程监控方向转变。高速公路日常管理中长期存在部门间协同能力不足、系统间整合能力不强、多应用域数据融合度较低、数据价值开发利用率不高等问题，如路网运行信息感知不足、视频资源利用低、综合应急处置能力不高、收费稽查缺少数据支撑、运营决策支持不足、公众出行服务能力不强等[3]。云南智慧高速从2015-2018年经过两期的建设，建设内容涵盖“建立标准规范、完善感知体系、构建数据中心、统一管理平台、综合应用服务”等方面，初步实现了高价值运营数据在路网中心一级的集中汇聚；智慧高速项目对各级路网运营管理业务的信息化的全面覆盖；数据分析、数据挖掘效果明显，对于路网偷逃费治理、收费分析稽查、外场设备运维养护、应急指挥调度等运营管理中热点、难点问题的解决起到重要作用。云南交投集团与高德地图积极合作，在高速公路情报板动态发布路况信息，在高德地图导航过程中实时播报云南高速公路路况信息，让广大车友通过自己的手机就能实时了解当前路况，避免进入拥堵路段；通过智慧高速综合管理服务平台建设，提高业务处置效率，据测算信息录入时间节约30%；应急事件处置效率提高25%；统计分析效率提高80%；信息发布与共享效率提高40%；流程规范化管理效率提高30%，使高速公路的出行更加安全，更让车友安心[4]。
2014年4月，湖南省高速公路运营管理面临着众多问题，主要包括缺少统一的调度平台、沪昆和京港澳等拥堵严重、数据沉睡无法为决策提供支撑等。为了解决上述问题，湖南省政府发文要求尽快研究提出湖南省高速公路信息化建设总体建议方案。湖南省高速公路信息化（一期）建设取得了较好的成效，初步建成湖南高速公路“三大体系”（即信息化基础和数据支撑体系、公众出行信息服务体系、应急指挥调度体系）和“一个综合管理平台”，基本构建了湖南智慧高速的骨架（外场设备）、神经（通信网络）和大脑（数据处理中心和算法），为实现智能化运营、智慧化管理打下了坚实基础。信息化一期工程投入运营以来，湖南高速以建设“人民满意交通”、打造“智慧高速”为目标，围绕服务公众便捷出行、服务应急指挥调度、服务高速公路运营管理“三个服务”，把握“网络安全、传输稳定、图像实时、数据在线”十六字要求，加快推进“互联网 高速公路”建设，基于高速GIS一张图，立足“三网合一”（空中信息网、地面高速路网、地下传输网），基本建成“湖南智慧高速可视化系统”，实现了“路网运行监测、应急指挥调度、联网收费管理、通信传输监测、网络安全态势感知、行业大数据分析、公众出行信息服务”的实时智能与深度融合，信息化建设转型升级、创新发展，成果不断巩固，路网运行可视、可测、可控、可服务水平显著提升[5]。此外，江苏省、河北省等相继推进了高速公路信息化工作，并取得了一定成效。
三
智慧高速试点示范
2016年，《交通运输信息化“十三五”发展规划》首次提出推进智慧公路示范应用。为了推动新一代国家交通控制网及智慧公路试点有序开展，防止试点同质化、碎片化，交通运输部2018年下发《关于加快推进新一代国家交通控制网和智慧公路试点的通知》（交办规划函[2018]265号），确定六个试点方向：基础设施数字化、路运一体化车路协同、北斗高精度定位综合应用、基于大数据的路网综合管理服务、“互联网 ”路网综合服务、新一代国家交通控制网。试点的九个省份包括北京市、河北省、吉林省、江苏省、江西省、浙江省、福建省、河南省、广东省等。试点所涉及省份的主要试点内容见表1。
在试点工程的指引下，北京的延崇智慧高速北京段、京德高速，河北的京雄高速、荣乌高速、京德高速、京礼高速河北段等，浙江的杭绍台、杭绍甬、杭州绕城西复线及沪杭甬高速，江苏的沪宁高速、五峰山高速，山东的济青中线，四川的成都绕城、成宜高速、成绵（扩容）高速，广西的南宁沙井至吴圩高速公路等，均进行了建设探索。在政策的支持下，除了试点省份，山东、山西、四川、广西、湖南等省份选择一条或几条高速公路也开展了智慧高速的建设尝试。截至目前，据不完全统计国内23个省份开展的智慧高速建设。这些省份希望将其建成示范性、可推广、可复制的智慧高速样板。这些智慧高速涉及新建（改扩建）路段、已通车路段两种模式，为后续智慧高速的建设做了有益探索。近期开展智慧公路试点省份及试点项目见表2。
表2 近期开展智慧公路试点省份及试点项目
四
智慧高速内涵
（一）发展理念
“安全、便捷、高效、绿色、经济”的理念是智慧高速建设的重要根本遵循，是项目规划、设计、建设、实施的出发点和落脚点，从而实现交通强国“四个一流”的目标。
（二）智慧高速内涵
智慧高速概念目前行业尚未形成统一的认识，张一衡[6]参照智慧交通定义，对智慧高速做了定义，认为智慧高速是利用新一代信息与通信技术，实现人（交通参与者）、车（交通工具）、路（交通设施）的信息交互，实时调整交通需求，提升交通服务能力，实现高速公路运营的安全、便捷、畅通、绿色等目标。王少飞[7]认为智慧高速就是利用“人的智慧思维 先进的技术手段 协同的运行机制 创新的模式”对高速公路管理与服务进行提升。徐志刚等[8]指出，智能道路与传统道路的区别在于其对道路自身状态信息的获取是实时的，其内部各元素之间的信息是共享的，其管理与决策支持系统一定程度上实现了智能化，其目标是让道路更加安全、高效、节能、环保和可持续发展。张纪升等[9]认为智慧公路是为充分发挥高速公路的功能属性，集成应用先进的感知技术、传输技术、信息处理技术、控制技术等，形成开放共用的基础平台；它以安全、高效、便捷、绿色为目标，结合多样、开放的运营管理与服务模式，为人和货物的快速运输提供可靠的网络化通行服务，为车车/车路交互提供自由的通信管道服务，为应急事件提供全时可响应的应急服务，为出行者提供精细化、自主化的出行服务。文献[6-9]从智慧高速公路的目标出发进行定义，并将新技术作为实现智慧高速的重要手段，但定义未能考虑智慧高速公路与主体工程之间的关系。
文献[10]将主体工程和智能信息系统、运行管理制度和政策一起统称为“智慧高速公路”，构建的系统称为“智慧高速系统”，目标是安全、快速、畅通、绿色、智能。其本质是交通行业依托主体工程构建的为解决目前系统短板和提升现有系统功能的具有一定预测功能的交通信息系统，其重点在于提供服务。岑晏青等[11]认为，智慧高速公路是在高速公路沿线布设相应设施设备并建有交通运行控制中心，集成应用感知、通信、控制和绿色能源等先进技术，实现汽车更加安全、快速和绿色行驶的高速公路。智慧高速公路有三个主要特征：强调对现有先进技术的集成应用；以实现更加安全、快速、绿色的人员出行和货物运输为根本目标。对正在发生的道路交通颠覆性变革具有先导和引领作用。智慧高速技术内涵体现在如何建设“三网合一”智能基础设施和云边端协同的云控平台。智慧高速公路，是具有智慧化特征的高速公路，而不能将智慧高速公路表述为一个管理控制系统或者一套管理服务体系。吴建清、宋修广[12]指出广义智慧公路的概念，即智慧公路是将信息化与智能化发展贯穿于交通规划、建设、运营、服务、监管等全链条各环节的现代化公路; 技术层面上，智慧公路是将云计算、大数据、物联网、移动互联网、智能控制等技术与交通运输深度融合，为普通公路赋予“智慧”，从而达到提高公路服务水平、减少环境污染、改进道路建设及运营安全、提升行车舒适性及安全性等目的。文献[6-11]在定义智慧高速均给出了智慧高速的目标，但该目标为定性描述缺乏定量描述。文献[10-11]均认为智慧高速首先应回归高速公路的基础和本质，不能脱离高速的主体工程而存在，相对于文献[6-9]更为全面和客观。
虽然业内对于智慧高速的内涵没有形成共识，但是却有如下基本认同：
（1）智慧高速不能脱离高速而存在，对智慧高速的理解首先应回归高速公路的功能属性，在此基础上应用新一代信息技术使得高速公路的功能更丰富、更强大；
（2）智慧高速应以问题为导向、目标为导向，着眼于解决痛点及难点等实际问题；
（3）智慧高速是系统概念，应将“安全、便捷、高效、绿色、经济”五大理念贯穿于规划、建设、运营、服务等全链条各环节；
（4）智慧高速是一个动态概念，随着时间的推移其内涵和外延将不断深化和拓展。因此，任何从局部、静态对智慧高速进行定义难以涵盖智慧高速的全部内容。
综上所述，本文认为智慧高速是运用新一代信息技术，设置智能设施与装备，以实现“零”拥堵、“零”死亡、“零”管制、“零”排放为目标，使得路网更加安全、便捷、高效、绿色、经济运行的高速公路。其中，四个“零”是智慧高速公路的建设目标，安全、便捷、高效、绿色、经济是建设理念，信息技术则是实现智慧高速的重要技术手段。智慧高速内涵内容见表3。
表3 智慧高速内涵
五
智慧高速发展展望
（一）发展政策
2018年提出交通运输部开展新一代国家交通控制网和智慧公路试点示范；2020年进一步提出打造融合高效的智慧交通基础设施，加快建设智慧公路；2021年，《交通运输领域新型基础设施建设行动方案（2021-2025年）》将“智慧公路”作为七个重点任务之一，从提升公路智能化管理水平和提升公路智能化服务水平两个方面进行了明确。
据不完全统计，在交通运输部批复的交通强国建设试点任务中，有一半以上的试点单位将智慧公路技术、建设等作为试点内容。因此，从政策层面可以预见，智慧高速的发展将继续得到国家、交通运输部以及各省的强力政策支持。
（二）发展阶段
任何事物的发展都要经历孕育、发展、成熟的过程。如前所述，从1988年第一条高速公路建成通车到如今我国高速公路通车里程居世界第一，高速公路建设不断发展壮大。同样，从我国ETC产业发展来看，上个世纪90年代中期国内多个省市从国外引入电子收费技术失败到今天ETC产业成为智能交通行业的支柱产业之一，中国ETC产业发展同样经历了产业培育、产业发展、产业壮大三个阶段。ETC在我国的发展历程如图1所示。
图1 ETC产业发展主要阶段示意图
从图1中可以看出，我国ETC从起步到产业壮大用了约25年的时间。产业培育阶段用了将近10年的时间，主要是ETC的研究与各地试点示范，其中交通部公路科学研究所和广东省路路通公司开展ETC试验为我国ETC建设拉开了序幕；ETC产业发展阶段从2007年电子收费系列标准出台到2015年高速公路实现全国ETC联网收费，各省开始推广ETC实现本省联网，并在京津冀和长三角区域开展区域联网收费示范工程；此后到2020年ETC用了5年时间实现了快速发展，ETC产业得以壮大。
如前所述，从2012年到2021年为智慧高速的起步阶段，其中2012年到2017年为智慧高速的初步探索阶段，从2018年到2021年智慧高速的试点示范阶段。2021年一批智慧高速项目建成通车，如京雄高速、荣乌高速、京德高速、崇礼高速河北段，京台高速山东段、济青中线，广西沙吴高速，云南宜昭智慧高速等相继通车，尽管这些项目相比机电项目有了极大提升，但是受限于认知能力、技术水平、设备装备性能等因素，智慧高速仍处于试点示范阶段。结合ETC的发展历程来看，我国智慧高速在政策支持、相关行业的推动下，将在初步探索、试点示范的基础上经历总结与推广、大规模应用阶段。
目前，国内已经有浙江、江苏、山东等省份在总结本省智慧高速实践的基础上编制完成了智慧高速建设指南，指导本省智慧高速的后续建设。在大规模总结与推广阶段，交通运输部需将各省的建设成果加以提炼形成可执行的指导性文件，为智慧化高速的建设提供支撑。这一阶段预计需要5-8年时间，在推广的同时将跨越路段走向联网。在此基础上，智慧高速相关技术、产品更加成熟，产业将迅猛发展，智慧高速将进入大规模应用阶段。在具体实施过程中，可借鉴联网收费的推广经验，通过局部试点示范再总结推进，避免推进过程中急于求成。
其中总结与推广阶段从2022年到2030年，这一阶段将在各省试点的基础上，将相对成熟的应用逐步以标准的形式固化下来，为后续推广奠定基础。从2031年到2035年或者更长的一段时间将是智慧高速的快速发展时期，这一阶段智慧高速将发展到更高水平。当然，目前技术发展日新月异，各阶段发展过程会有所加速。
智慧高速的发展离不开智能网联道路的发展。《智能网联道路系统分级定义与解读报告》（征求意见稿）从交通基础设施系统的信息化、智能化、自动化角度出发，把交通基础设施系统分为六级，分别为：I0级（无信息化/无智能化/无自动化）、I1级（初步数字化/初步智能化/初步自动化）、I2级（部分网联化/部分智能化/部分自动化）、I3级（基于交通基础设施的有条件自动驾驶和高度网联化）、I4级（基于交通基础设施的高度自动驾驶）、I5级（基于交通基础设施的完全自动化驾驶）。《国家综合立体交通网规划纲要》在2035年发展目标中，提到智能网联汽车（智能汽车、自动驾驶、车路协同）等技术达到世界先进水平。因此，依据智能网联道路系统分级结果，对智慧高速不同发展阶段的主要目标、时间范围和对应的智能网联道路级别见表4。
表4 智慧高速不同阶段的发展内容
（三）发展路径
文献[13]从技术和管理两方面给出智慧高速的建设路径，本文重点从技术路径进行分析。智慧高速构成要素由人、车、路（环境）组成，其智慧化程度主要取决于信息的交互、处理、分享的成效。从信息流动来看，路和环境状况信息首先应该被实时、全面感知，然后这些信息通过高速公路专网、5G、车路通信等传输到中心或边缘计算单元进行处理，处理结果用于支撑公众出行、辅助决策以及路网管控、车路控制等，从而构成闭环系统。智慧高速信息流动示意如图2所示。
图2 智慧高速信息流动示意图
车路协同是一个广义概念，包含了车路（含车车）间信息或能量交互，及其所支撑的信息服务、交通管理以及车辆调度与控制功能[14]。随着车路协同应用场景的逐步成熟，车路协同涉及到的应用会在实践中依托场景、事件逐步演进为集安全、效率、信息发布为一体的多应用集成业务[12]。可以预见，车路协同应用场景是智慧高速的重要体现。自动驾驶汽车已成为全球发展趋势，自动驾驶汽车将带动我国整个汽车行业发生改变，颠覆性地重构消费者的出行体验[13]。近年来，自动驾驶技术在提升交通安全性、提高通行效率、实现节能减排等方面具有显著优势，得到了广泛关注。自动驾驶中的感知、规划和控制等技术的发展将掀起一场交通变革的技术革命[14]，但由于单车智能设备过于昂贵难以大面积推广，因此业界普遍认为“聪明的车” “智慧的路”是可行的解决方案，即车路协同式自动驾驶是高速公路实现自动驾驶的可行路径。
通过以上分析，在智慧高速发展的不同阶段，车路协同信息流动的方向和对象存在较大差异，不同阶段车路协同信息流动示意如图3所示。在图3（a）中信息主要是人（驾驶员）识读路上的情报板、标志牌等信息来操控车路，车和路之间实际上没有直接的信息交互；图3（b）中路可以将告警、预报等信息单向发送给车供人（驾驶员），辅助车辆驾驶；图3（c）中车和路可以双向进行信息交互，路可以发送控制信息给车，实现对车的部分控制；图3（d）中车路进行双向信息交互，路发送信息可以控制车辆，将人从驾驶中解放出来，实现完全车路协同式自动驾驶。
图3 不同阶段车路协同信息流动示意图
（四）相关标准
目前，智慧高速相关的标准由各省率先编制完成。在智慧高速初步探索阶段，浙江省于2016年率先发布了《浙江智慧高速公路机电系统建设技术要求》，是国内第一个智慧高速公路建设的技术标准规范。2018年，云南省编制完成了《云南省智慧高速设计指南》。随着智慧高速试点工程推进，部分省份总结智慧高速的试点建设经验，编制了相应的建设指南，如浙江省交通运输厅发布了《智慧高速公路建设指南(暂行)》（ZJ/ZN 2020-1）；江苏省交通运输厅发布了《江苏省智慧高速公路建设技术指南》（JSITS/T 0001-2020）、《江苏省普通国省道智慧公路建设技术指南》（JSITS/T 0002-2020）；山东省交通运输厅发布了《智慧高速公路建设指南（试行）》（SDITS/GL 2021-01）。
2020年，中国道路交通安全协会发布团体标准《车联网路侧设施设置指南》（T/CTS 1-2020）、《智慧高速公路交通标准设置指南》（T/CTS 3-2020）。目前，交通运输部正在组织信息化相关标准的制修订工作，包括《公路信息化技术规范》《公路网管理平台技术规范》《公路网运行监测技术规范》《公路交通应急处置技术规范》《公路工程适应自动驾驶附属设施技术指南》等。
从已有的智慧高速建设指南来看，无论是智慧高速公路体系，还是对智慧高速的组成以及智慧高速的应用来看，大家仍存在不同的理解和认知，因此有必要在交通行业的层面出台相应的技术标准来对智慧高速的发展进行引导。从标准的顶层规划来看，在公路工程标准体系中的通用部分增加了“智慧”的内容，为后续标准的编制提供了基础。此外，从行业层面除了解决各省的智慧高速建设更应该着眼于智慧高速的跨省、跨区域的协调问题，也即智慧高速的全国联网运营等。
六
结束语
本文分析了智慧高速从机电系统向初步探索、试点示范的演进过程，对智慧高速从发展理念、实现目标及技术手段等方面对智慧高速的内涵进行了探究，并就智慧高速的发展政策、阶段、路径以及标准制定等方面进行了展望，以期为智慧高速的建设提供借鉴。纵观我国高速公路、联网收费的历程，可以预见智慧高速的发展不可能一蹴而就，需要从政策支持、行业引导、产业培育、标准支撑、运营模式等方面加强创新。
（原文刊载于2022年第1期《中国交通信息化》）
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