取消省界收费站背景下的收费稽核管理系统

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取消省界收费站背景下的收费稽核管理系统

林定光 康 建

招商华软信息有限公司

取消高速公路省界收费站后，通行高速公路的司机可以“一脚油门踩到底”，减少了跨省通行在

主线收费站的等待缴费时间，大大方便了公众出行与物流通行[1-2]。现阶段，高速公路作为一种特殊

的商品，属于经营性的基础设施，通常要对其使用者收取通行费，以偿还建设贷款、补贴正常养护

及建设再发展的资金支出。而在实际收费工作中，少数通行车辆的违章违纪行为，不仅损害了各高

速公路经营主体的利益，还扰乱了正常收费秩序，影响了高速公路的持续健康发展[3]。

一、背景分析

根据交通部路网中心发布的《取消高速公路省界收费站总体技术方案》、《高速公路联网收费前

端收费系统优化完善方案》等文件，高速公路收费呈以下两个方面变化： （1）跨省壁垒打开，

实现真正的全国联网，意味着一次通行费呈倍数提升，通行费损失风险加大；

（2）通行费计费依托门架系统，向自由流方向发展，需拟合、还原路径，少数不法份子会通过

屏蔽通行介质，混淆实际行驶路劲，达到少缴通行费的目的，增加了稽核难度。

二、逃费原理分析

我国高速公路通行费的计算公式为：

通行费 P=费率（P1）*行驶距离（P2）*车种（P3）*车型（P4）

其中，

（1）费率因子 P1，各省份的物价部门确定，在一定时间内是固定的；

（2）行驶距离因子 P2，为本次通行高速公路的距离；

（3）车种因子 P3，分为普通车和特殊车辆，特殊车辆主要包括军警车、绿通车、联合收割机、

抢险救灾、集装箱、大件运输、应急车等。

（4）车型因子 P4，分为客车 1-4 型，货车 1-6 型和专项作业车 1-6 型。

因费率因子 P1 基本是不可篡改的，所以绝大部分的偷逃通行费行为都是通过改变 P2、P3、P4

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来实现。例如通过换卡换牌、截留通行卡、对向换牌、倒卖通行卡等手段跑长买短；通过冒充优免

车，甩挂等方式实现费用减免；通过在发行环节作弊，实现大车小标等等[4]。

针对以上种种偷逃通行费行为，本文提出一套收费稽核管理系统，可实现发现并追回偷逃的通

行费，维护公路公路的正常收费秩序，促进高速公路健康、持续发展。

三、系统设计

（一）总体技术框架

本文提出的收费稽核管理系统采用端云架构的分层设计模式，数据层与业务层独立运行，数据

层可以为不同业务提供数据服务，其总体技术框架如图 1 所示。

图 1 总体技术框架

（二）关键技术

本文提出的收费稽核管理系统主要采用以下几种关键技术，提高稽核的准确性及效率。

 路网模型路径还原

基于统一数据标准、坐标体系，把现实世界中复杂的路网结构转化为计算机可以识别的有向的

点和线组成的虚拟有向图路网模型，能够真实映射现实路网的收费站、门架、互通立交等信息，基

于有向的路网模型进行车辆路径重现、发现漏扣漏标过车、直观展示车辆行驶路径快速稽核确认。

 镜像高速路径重现

依托路网模型，根据大数据平台实时处理的车辆出入口通行流水、ETC 门架系统交易流水、通

行流水、车牌识别流水等信息，能够实时对车辆的路径进行无差别重现，构建与现实路网“镜像”

的虚拟化通行轨迹，并随着车辆实际运行状态实时刻画车辆在线运行轨迹，实时反馈车辆收费情况，

方便稽核业务人员快速稽核确认异常点漏收情况。

 车辆用户画像

通过车辆用户基础数据、历史通行数据、稽核数据等构建车辆用户画像，为经过高速的每一辆

取消省界收费站背景下的收费稽核管理系统

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车建立信息数据档案，为稽核和运营管理提供辅助依据。

（三）总体业务流程

收费稽核管理系统总体业务流程如图 2 所示。

入口收费站 ETC门架系统 出口收费站

ETC门架计费扣费交易

车牌识别数据

入口站通行数据

车牌识别数据

出口站通行数据

车牌识别数据

开始

数据稽核分析

逃费稽核

特情稽核

稽核结论

稽核结论上传

追缴管理

预追缴黑名单下

载

追缴名单全量

（增量）下载

特情复核结果

确认上传（审核）

稽核结论上传

外部协查审核 发起外部协查 发起外部稽核

协查工单

补费结果上传 补费结果 异议处理

发行机构

入口站通行数据

车牌识别数据

客服稽核

首次发行稽核 发行信息验证

结果上传

待处理工单列

表 待处理工单查询

加入重点关注名单

稽核结论下载 黑名单审核上传 名单审核上传

部省接口

稽核系统功能

图例说明：

图 2 总体业务处理流程

高速公路收费稽核管理系统

特

情

稽

核

辅

助

信

息

查

询

首

次

发

行

过

车

稽

核

入

口

特

情

稽

核

出

口

特

情

稽

核

发

行

稽

核

逃

费

稽

核

逃

费

分

析

稽

核

稽

查

工

单

管

理

待

处

理

稽

核

工

单

处

理

出

口

特

情

复

核

结

果

上

传

发

起

外

部

协

查

工

单

查

询

黑

名

单

审

核

名

单

管

理

逃

费

追

缴

管

理

追

缴

名

单

查

询

逃

费

补

缴

结

果

查

询

重

点

关

注

名

单

审

核

异

议

处

理

发

起

异

议

查

询

异

议

处

理

结

果

查

询

报

表

管

理

门

架

特

情

稽

核

名

单

流

水

特

情

稽

核

逃

费

名

单

追

缴

图 3 系统功能架构图

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四、系统实现

（一）系统功能架构

收费稽核管理系统功能架构如图 3 所示。

（二）功能设计

1. 特情稽核

主要包括对入口特情流水、出口特情流水、门架特情流水、名单流水、ETC 首次发行车辆过车

等进行人工稽核确认，复核结果上传部中心。

2. 发行稽核

通过对客服系统日常发行卡、标签的业务流水进行稽核，依据车辆、行驶证图片等信息进行分

析比对，识别出业务操作异常流水，形成稽核结论，并反馈稽核结论给客服系统，促进对高速公路

通行卡发行的规范化管理，减少发行卡问题造成的费用损失和投诉。

3. 逃费稽核

针对自由流新模式下，车辆屏蔽标签、大车小标、假冒绿通、甩挂（挂车）、甩挂+假车牌、假

牌、套牌车、闯关、非法转货、屏蔽 CPC 卡、屏蔽 CPC+换卡换牌、屏蔽 CPC 卡+倒卡+屏蔽车牌、

高频过车、干扰称重、屏蔽 UJ 型等逃费作弊行为，进行分析。

4. 稽核工单管理

管理部省稽核体系的工单列表查询、协查工单处理、复核结果上传等，包括出口特情复核结果

上传、发行信息验证上传、发起外部稽核工单处理。

5. 名单管理

稽核过程中产生的省内黑名单、全国追缴名单和重点关注名单，系统针对名单车辆按照“一车

一档”的原则归集证据，建立名单车辆档案，保存稽核相关证据，省中心稽核员对名单车牌和嫌疑

流水进行统一审核确认，审核通过的名单进入追缴名单。

6. 逃费追缴管理

追缴名单车辆经过入出口车道被拦截后，省内名单车辆通过省级系统进行追缴补费，根据逃费

车牌查询车辆应补费的流水、补费金额和证据信息，车主进行补费，补费完成后登记车辆的补费结

果信息，补费完成后可生成补费确认单。全国追缴名单通过部中心的补费平台进行补费操作。

7. 补费异议处理

查询本路段补费过程中发起的异议。可以查询本路段在进行通行费补交追缴过程中发起的异议

流水，以及异议流水的对应出口路段的出口情况，并进行撤销处理。

8. 辅助信息查询

提供稽核辅助取证信息查询，供稽核业务员稽核确认操作的时候取证，可调用部中心的共享接

取消省界收费站背景下的收费稽核管理系统

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口数据，稽核系统的路径数据，车辆通行记录信息等。主要查询功能包括入口流水查询、出口流水

查询、门架流水查询、入口治超流水查询已经绿通查验数据查询功能。

9. 报表管理

根据管理需要，设置各类报表，包括入口特情稽核统计、出口特情稽核统计、稽核追缴情况统

计、逃费追缴情况统计等。

五、结语

在取消高速公路省界收费站的背景下，我国高速公路实现了真正意义的全国“一张网”，大大减

少了跨省通行时间，但一次通行费也呈倍数增加，面对少数不法份子层出不穷的偷逃通行费行为。

本文基于端云的技术框架，设计出一套可持续优化稽核分析方法且业务上闭环的收费稽核管理系统，

在满足部省对稽核工作要求的同时，有望进一步提高收费稽核的准确性，提升稽核人员的工作效率，

维护高速公路经营业主的正当利益，从而不断促进我国高速公路持续、健康发展。

智能交通产品与技术应用汇编

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基于 ETC 门架数据的高速公路实时流量监测及

对策研究

湖南省高速公路联网收费管理有限公司

中通服创发科技有限责任公司

一、引言

随着我国社会经济的不断发展和汽车保有量的持续增长，高速公路运输压力日渐增大，尤其是

交通事故等突发事件引起的交通拥堵以及国家法定节假日公众高峰出行造成的交通拥堵，都使高速

公路的通行能力和交通安全形势就变得更加严峻。如何快速准确地检测出高速公路的拥堵区域并有

效应对，从而保障高速公路的畅通是亟待解决的课题之一。

当前，高速公路运营管理部门的拥堵检测方式通常采用人工上报与视频检测两种。但是人工上

报时延较长，并容易出现漏报现象。而如果采用视频检测方式，视频摄像头只能覆盖高速公路少量

路段，同时目前视频分析检测误差较大，因此也不能有效解决高速公路拥堵区域的识别问题。互联

网企业基于大数据、手机信令等方式也可判断交通拥堵，但是不能掌握高速公路的实际流量，拥堵

识别并不能保证完全正确。2018 年，国务院常务会议提出推动取消高速公路省界收费站，这不仅使

收费站的交通拥堵现象得以解决，也给高速公路路段的交通拥堵提供了新的解决思路。

为贯彻落实党中央、国务院关于“两年内基本取消全国高速公路省界收费站，实现不停车快捷

收费，减少拥堵、便利群众”的决策部署，湖南高速公路集团公司全力完成了国家取消省界收费站

的任务。截至 2019 年底，湖南高速已完成 25 个高速公路省界收费站的拆除和 1144 套 ETC 门架系

统建设。本文将通过处理和分析 ETC 门架系统采集到的车辆通行数据，实现智能化交通信息感知，

并对交通主动管控方法展开研究。

二、高速公路流量实时监测分析方法

（一）高速公路拥堵研究的理论基础

目前，国内外主要是通过道路饱和指数所代表的通行能力和服务水平分析与评价来进行判定，通

行能力是指相应设计服务水平下，公路设施通过车辆的最大小时流量率。通行能力分析的目的是为了

确定交通运行质量，因此，通行能力分析应与服务水平分析、评价同时进行。服务水平是指驾驶员感

受公路交通流运行状况的质量指标，通常用平均行驶速度、行驶时间、驾驶自由度和交通延误等指标

基于 ETC 门架数据的高速公路实时流量监测及对策研究

329

表征。本文采用路段通行能力（v/C）值来衡量拥挤程度，作为评价高速公路服务水平的主要指标。

（二）ETC 门架系统交通流监测分析

ETC门架系统是一种架设在高速公路上方类似交通探头的设施，主要由高清车牌图像识别系统、

RSU、车道控制器等设备设施组成，通过射频装置读取车载 OBU 的信息，实现对车辆行驶路径的

精准记录。

1. ETC 门架系统数据采集与处理

采集 ETC 门架系统的基础信息及车辆通行数据，包括 ETC 门架编号、通行标识 ID、OBU 内车

牌号码、OBU 内车型（可区分小客车、中型车、大型车、汽车列车四种车型）以及车辆通行时间等。

不同车型按照车辆折算系数如表 1 所示，获取统计周期内（小时）通过特定龙门架位置的交通量，

并结合门架编号即可以得到实际地理位置上每个 ETC 门架位置的实时交通量 g。通过对统计周期内

路段每一个 ETC 门架监测到的交通流量进行对比，取最大值作为该路段的交通量 v。

表 1 各汽车代表车型及车辆折算系数

汽车代表车型 车辆折算系数 说明

小客车 1.0 座位≤19 座的客车和载质量≤2t 的货车

中型车 1.5 座位＞19 座的客车和 2t＜载质量≤7t 的货车

大型车 2.5 7t＜载质量≤20t 的货车

汽车列车 4.0 载质量＞20t 的货车

参照《公路工程技术标准 JTG B01-2014》，最大小时交通量 C 采用交通饱和度为 1 时相应速度

要求下最大服务交通量为准。从而可以计算出该路段实际通行能力 v/C。

2. 基于 ETC 门架系统数据的路段服务水平评价

高速公路路段服务水平分级如表 2 所示，将计算出的实际道路饱和指数 v/C 与表 2 数据进行对

比，即可得出该路段服务水平等级。

表 2 高速公路路段服务水平分级

设计速度（km/h）

服务水平等级 120 100 80 v/C 值

最大服务交通量

[pcu/（h·ln）]

最大服务交通量

[pcu/（h·ln）]

最大服务交通量

[pcu/（h·ln）]

一 v/C≤0.35 750 730 700

二 0.35＜v/C≤0.55 1200 1150 1100

三 0.55＜v/C≤0.75 1650 1600 1500

最大服务交通量

[pcu/（h·ln）]

最大服务交通量

[pcu/（h·ln）]

最大服务交通量

[pcu/（h·ln）]

四 0.75＜v/C≤0.90 1980 1850 1800

五 0.90＜v/C≤1.00 2200 2100 2000

六 V/C＞1.00 0-2200 0-2100 0-2000

智能交通产品与技术应用汇编

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三、系统总体架构

整个系统自下而上由源端层、基础支撑层、数据资源层、应用支撑层、应用系统层等 5 层机构，

如下图所示：

图 1 系统总体架构

1. 源端层

包括现有各类外场设备（监控视频、交通调查站、ETC 门架系统），负责各种源数据（牌识数

据、交易数据、治超数据、大件运输数据等）的采集或发布。

2. 基础支撑层

主要包括为应用和数据提供支撑的网络系统、通信系统、主机和存储系统、安全系统，及其配

套的操作系统、数据库管理系统等支撑软件。

3. 数据资源层

基于综合管理系统整合的相关数据资源，并形成基于指标存储的完整的数据库体系结构，为业

务应用提供支持。

4. 应用支撑层

应用支撑层为实现应用系统的基础性通用功能提供支撑，主要包括统一的 GIS 平台、数据交换共

享平台、数据资源管理系统、企业服务总线，及统一权限管理、应用服务器中间件、数据服务平台等。

5. 应用系统层

应用系统是实现各级部门功能需求的软件，包括大数据分析平台和业务应用平台两大部分。

按照此系统架构建设内容主要包括：数据管理平台、数据分析平台和数据应用平台。

基于 ETC 门架数据的高速公路实时流量监测及对策研究

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（一）数据管理平台

通过对路段基础和业务流水数据的采集、加工、治理、整合等流程，初步构建湖南省高速公路

交通综合数据资源体系。

建设统一的数据交换共享系统，对跨部门、跨系统、全类型的数据接入和共享管理。根据业务

实际需要，针对不同数据的特性、使用要求、网络链路情况，完成相关数据的接入，确保所涉及的

来自不同系统、不同类型、不同技术条件的数据能够统一接入及整合，并按需提供给监测、分析平

台进行使用，并保证数据在传输过程中的安全性、完整性、稳定性、高效性、及时性等。

（二）数据分析平台

利用大数据技术，建设数据映射到交通指标的相关模型，实现对车流量、平均车速、拥挤度、

事件、治超、等大量历史数据的专题分析功能，呈现过去某一段时间内的历史通行情况，通过整体

把握车辆通行规律，找出影响交通的关键要素，为高速交通管理者提供及时、可靠的信息支撑，并

为后续建设路网预警预报功能做好准备。

（三）数据应用平台

以数据资源管理系统的加工整合后的数据为基础，以用户的实际业务需求为导向，多维图表的

方式完成对车流量、平均车速、拥挤度、饱和度、两客一危等交通运行情况指标的实时监测功能，

达到综合反应路段的实时通行状况的目的。

（四）数据可视化展示

按照每个 ETC 门架编号及位置信息，将 ETC 门架点位叠加到 GIS 地图上，依据每个 ETC 门架

的实时饱和指数，可以得到该门架所代表路段的服务水平，用不同颜色对路段服务水平进行区分。

当路段出现拥堵，服务水平达到三级以下时，系统通过数据分析将该路段颜色显示为红色并触发预

警或报警行动，并将拥堵视频推送至大屏幕，使管理人员及时发现拥堵并作出科学决策，结合路网

中相邻路段的服务能力，及时调整交通流管控措施。

图 2 交通流量实时监测界面

智能交通产品与技术应用汇编

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四、交通主动管控对策

（一）高速重点出入口管控

高速公路重点出入口（如城市、景区主要出入口）周边路段极易发生交通拥堵。这种情况下，

对该出入口上游 ETC 门架交通量进行计算并通过数据分析，对容易发生拥堵的出口和可能发生交通

拥堵的时间段进行预判预警，借助该出口附近路网的情报板和指示牌发布交通诱导信息，将车辆进

行分流到周边出口，从而缓解拥堵。

（二）拥堵路段交通诱导

结合交通流数据分析，当高速公路某一路段发生拥堵时，系统根据历史数据和实时监测到的交

通流量，提前预判路段拥堵时长。根据路网状态和数据分析结果，预设分流路径，并对各路径通行

所需时长进行计算和对比，得到最优路径。然后通过路面情报板进行交通诱导，对路网车辆进行主

动管控，从而达到缓解拥堵的目的。

（三）应急车道动态管控

当路段交通流量较大，并且有通过出口匝道或者枢纽驶离高速公路的车辆比较多的时候，最右

侧行车道内或出现车辆排队积压，同时，左侧车道车辆不断降速向内穿插，还将增大交通事故风险。

所以，这种情况下，依托对交通流量数据的分析提前对存在上述风险的路段进行排查预警，当拥堵

出现时，监控指挥中心可以下达借用应急车道的管控指令，并在可借用应急车道的起点和终点进行

路面情报板信息提示，对用户进行交通诱导。当拥堵缓解后，监控指挥中心可撤销指令。

五、路段拥堵分析应用与评价

目前，路段流量实时监测分析研究成果已经在湖南高速主要干线公路实践应用，下面针对京港

澳高速公路湖南长潭路段，对路段交通运行实际情况进行抽样测试，分析本文路段拥堵分析方法实

际应用效果。

（一）测试方法

选取京港澳高速公路湖南长潭路段李家塘互通-昭山站门架的实时流量数据，此门架里程桩号为

K1521+41，采集 2021 年 2 月 22 日 13：00-14：15 时间段内系统计算的饱和指数值，发现 13：50

时饱和指数最高值为 0.94，对比同时段内系统上报的路况信息，监控员于 14 时 20 分上报一条路

况信息，京港澳高速长潭段昭山收费站附近以北 K1522 至 K1525 处北往南因车流量大造成交通通

行缓慢。

（二）测评结果

通过测评，得出实时的指数计算可以先于监控信息上报提前半小时发现路况拥堵事件，满足路

基于 ETC 门架数据的高速公路实时流量监测及对策研究

333

网运行监测及主动管控需求。

图 3 饱和指数分时分布

图 4 路况信息上报

六、结束语

依托现有高速公路 ETC 门架系统数据，本文体系化地描述了高速公路运行状态并研究了交通主

动管控对策。进一步推动全省高速公路运行监测工作不断向标准化、精细化、智能化方向发展，为

交通管理部门掌握交通实时状况带来巨大帮助，对提高高速公路交通基础设施数据使用率、交通运

输服务和运营管理的智慧化水平具有重大意义，为建立交通运行状态全息感知的高速公路智慧交通

管控与主动安全防控关键技术体系打好基础。

智能交通产品与技术应用汇编

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VisionMind 智慧高速管理系统

上海闪马智能科技有限公司

一、智慧高速管理系统概述

截止 2020 年末，全国高速公路总里程已达 16.1 万公里，2019 年全国收费公路通行费收入已达

5937.9 亿元。伴随着高速公路规模的不断扩张和 ETC 设备的应用推广，高速公路交通事故、逃漏费

现象也与日俱增。

近年来，全国高速公路事故年死亡人数已逾 4 万人，其中，二次事故因其高概率和高危害特性，

据部分高速公路交通事故统计数据显示，每年二次事故数量占交通事故总量的 40%-70%，导致的较

大事故起数占比高达 60%-80%，伤亡人数占比高达 30%-60%；多省份高速公路年偷逃通行费已逾数

亿元，个别恶劣偷逃费事件涉案金额高达数百万元；现有 ETC 设备质量良莠不齐，设备故障、漏检

等事件会导致漏费现象，省高速公路拆账中心较难准确、实时地拆分账单，不利于各运营公司及时

掌握业务情况，高效运营。

《交通强国建设纲要》与《国家综合立体交通网规划纲要》相继提出应大力发展智慧交通，推动

人工智能、大数据、互联网等新技术与交通行业深度融合，2035 年基本建成便捷顺畅、经济高效、

绿色集约、智能先进、安全可靠的现代化高质量国家综合立体交通网。

现阶段高速公路的信息化建设水平及管理手段已无法满足安全、高效、经济等方面的新要求，

高速公路运管单位亟需智能化的管控手段，优化服务运营，提升通行安全性、高效性与经济性。

针对以上行业痛点与管控需求，闪马智能紧密围绕“提升管理，主动服务”两条主线，在现有

信息化建设的基础上，通过“VisionMind 智慧高速管理系统”为管理部门提供辅助管理手段。系统

分为智慧运营、收费稽核和仿真预测三个模块。

智慧运营方面，针对用户在异常交通事件预警和交通参数实时采集方面的需求，我们给出了高

速交通事件检测与信息采集系统解决方案，通过 AI 赋能多场景，将感知对象归类为三“异”，异常

事、异常车和异常环境。针对用户在路网运行监测、突发事件预警和应急指挥等方面的需求，给出

了高速运营管理系统解决方案。

收费稽核方面，针对高速公路偷逃费问题严重、人工核查效率低下等现状，闪马智能给出了高

速公路收费稽查系统解决方案，在对高速偷逃通行费行为分析的基础上，利用大数据对账、视频溯

源究因等方式，确保通行费应收尽收。

VisionMind 智慧高速管理系统

335

预测仿真方面，一方面是针对路况和交通流，结合历史同期时空数据、节假日、天气数据等进

行综合判断，进行短时判断与长期预测，从而为管理者提供预案；另一方面，对道路事件进行仿真，

如占道施工，通过建立事件仿真平台，使监控中心人员能够对施工计划进行仿真验证，通过事件敏

感性分析来对施工影响进行评估，合理安排施工计划。

二、智慧高速管理系统详细设计

从数据接入平台、AI 算法中台、业务应用 3 个层面说明 VisionMind 智慧高速管理系统架构，

如下图所示。

图 1 VisionMind 智慧高速管理系统架构图

（一）数据接入平台

数据接入层根据高速公路断面、桥梁、隧道、立交/匝道等物理场景，对接各类监控 IPC、卡口

相机、高清球机、全景相机、枪球一体机、网络硬盘录像机 NVR 等，平台支持包括 GB/T 28181、

Onvif、PSIA、RTSP 等国家标准和行业标准视频传输协议。

（二）AI 算法中台

算法中心集成了目标检测、目标识别、目标分类、目标跟踪等算法模型，实现视频数据结构化，

交通参数采集，支持以图搜图，事件感知、车牌识别等智能分析。公路视频大数据构建了交通业务

的底层能力支撑模型，提供各类应用接口，方便应用层调用。应用组件为客户端的用户界面展现提

供各类应用组件模块。数据汇聚层包括数据的存储、数据的统计与分析，以及数据的挖掘，底层精

准的数据服务可以保障上层业务应用的准确性与可用性。

智能交通产品与技术应用汇编

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（三）业务应用

业务应用层，是面向于用户实际业务需要。依托视频异常行为分析与视频大数据分析的能力，

为用户提供丰富的运营业务应用。实现了智慧运营、收费稽核、预测仿真 3 大业务应用。

三、智慧高速管理系统应用

在分析调研某市监控设施建设的基础上，通过建设智慧高速管理系统，在智慧运营、收费稽核、

预测仿真三方面，实现以下 5 大核心功能。

（一）异常事件检测

基于 AI 视频分析技术，系统可以全天候地对异常停车、道路拥堵、逆行、倒车、实线变道、

行人闯入、抛洒物、交通事故等 25 种交通异常事件进行检测，并实时报警，通知中心管理人员及时

确认。运营中心通过施救小程序直接派单发送给现场施救车辆、巡逻车辆，完整记录派单、接单、

出车、到达、撤离、完成等全过程，并上传处置过程照片、产生费用情况，完成线上智能发现到线

下处置一整套闭环流程，有效地缩短反应时间，降低后续拥堵、二次事故概率。

（二）交通参数采集

基于 AI 视频分析技术，进行车流量（按车道、按车型）、车道平均车速、车头时距、车道空间

占有率、车道时间占有率、排队长度等 9 种交通数据的检测采集，直观展现交通态势，为交通规划

和指挥调度提供数据支持。此外，系统将路网历史数据采集后进行再分析，在数据决策辅助下从历

史趋势中发现事件规律，提供实时拥堵预测，对应决策预案，可在进行施工、管制之前进行计划仿

真和后续影响评估。

（三）偷逃费分析

基于视频大数据技术，系统支持对收费通行数据以及路网卡口车辆信息进行分析，发现 ETC 及

非 ETC 车辆中存在偷逃通行费行为的车辆。针对偷逃事件，比如套牌、假报车型、一车多卡、跑长

买短等等，闪马将取证偷逃费行为，生成车辆路径，为下一步追缴费用快速提供证据，控制并减少

偷逃费损失。

（四）账目拆分

通过门架数据采集实现每日收费、流量、流向的综合统计以及省拆分 QRP 数据的自动识别与汇

总对比，并实现月度关账结算功能，减少了大量的人工统计工作；同时利用门架与牌识数据实现对

门架卡口状态的完整性检测，及时发现门架采集设备的异常情况。

（五）数据辅助决策

数据辅助决策汇聚高速公路路网管理信息进行全路网综合宏观分析进行路网运行及服务指标分

VisionMind 智慧高速管理系统

337

析，包括道路况智能预测、拥堵成因分析、占道施工影响分析。

路况预测模块基于历史同期交通运行数据（车道级数据采集），实现对高速公路匝道口、路段、

道路的标准路况预测和拓展路况预测。运营部门可根据预测结果提前采取治堵措施，预防拥堵产生，

而出行者可预先规划行车路径，节省出行时间。基于多维交通指标的报警，能够辅助管理者及时识

别各类交通异常事件，并主动推送一线人员快速响应，提升安排效能。

拥堵成因分析模块以路段或路网为整体分析对象，利用折线图对平均拥堵持续时长进行量化评

估，辅助交通管理部门掌握全城路段处于拥堵状态的平均持续时长。通过搜索历史某一天的路段交

通运行状况量化评价，根据不同交通运行状况等级（畅通、基本畅通、轻度拥堵、中度拥堵、严重

拥堵），分别量化分析每类交通运行状况的路段数量情况、每个路段在对应状态的持续时长以及环比

上月同期该级交通运行状况下路段数量变化率，并给出相应的分析结果。

占道施工影响分析则包括施工计划录入、当日施工计划方针、施工影响评估、执行施工计划等

功能。施工影响评估部分能够输出施工和不施工情况下的拥堵里程，比较影响效果。输出仿真情况，

查看具体拥堵范围和时段。

四、方案优势

（一）AI 赋能，主动感知。

基于 AI 视频分析技术，实现道路常见高发交通事件的自动检测、主动发现，提高事件发现能

力，为监控中心人员提供精准定位，从海量的视频数据中挖掘异常事件，根据影响程度与用户需求

分级上报，实现早发现、早处理，避免次生灾害的发生。通过对路况数据采集，及时、准确、有针

对性地反馈路段信息，改变依赖人工进行的数据挖掘和日常管理的被动局面。

（二）利旧降本，资源整合。

针对客户现有设施建设现状与运营管理需求，普适主线、隧道、桥梁、枢纽、互通等各类高速

场景及行业主流品牌，提升现有设施的应用价值，保障前期投资效用最大化；不仅可实现本产品内

数据的高效流转和深度应用，同时可共享接入第三方系统进行数据资源整合，实现数据资源的最大

化利用。

（三）数据驱动，业务协同。

提供路网运行态势监测的预警分析与审核、应急处置调度、预测仿真辅助决策、查询统计分析

回溯等全流程的业务应用，构建多系统、多部门的一体化安全管控体系，在应急处置环节形成跨系

统、跨部门的协同指挥机制，实现事件主动预警、事中持续跟踪、事后回溯评价的事件全过程管控。

（四）运营提效，服务提质。

系统服务于高速运营管理方，通过路况监测分析、智能控流等能力有效提升路网管控水平；通

过智能诱导算法及施工决策分析，有效提升通行效率和运营效益；通过与出行公众服务设施及系统

智能交通产品与技术应用汇编

338

的实时联动，提升公众感知覆盖度，提升出行服务质量。

（五）AI 护航，颗粒归仓。

通过“AI+大数据”方式解决逃漏费。调研归纳出数十种偷逃费行为，通过视觉感知判断车型，

利用大数据技战法判断路径是否正常，智能发现异常车辆并通过抓拍照片、路径还原等手段形成追

缴证据，通过推送运营公司稽核组复核，极大程度提升稽核效率；此外，利用大数据结合视觉算法，

检测车型并搭配数据分析生成日流水报表，建立视图账本，便于运营公司及时掌握收益状况，有利

于更好运营。

五、结语

通过“VisionMind 智慧高速管理系统”的路网监测、收费稽核和仿真预测三个模块，可以实现

事故早发现，二次事故可防范；视频监管有目标，高速施救效率高；AI 稽核可视对账，逃费漏

费一览无余；时空数据库的建立与仿真评估等多项功能，为高速公路的运营管理提供有效的辅

助决策支持。

关于无人机在桥梁巡检及养护中运用优势的简述

339

关于无人机在桥梁巡检及养护中运用

优势的简述

内蒙古公交投钰晨数字信息技术有限公司

一、无人机在桥梁巡检应用的背景

根据统计局发布的报告来看，我国高速公路总公里数已稳居世界第一。随着中国高速公路的不

断建设，在跨越河流、沟壑处建设了越来越多的桥梁，桥梁已经成为了交通系统中不可或缺的组成

部分，桥梁的安全性对于出行有巨大影响。随着工业的不断发展，车辆的载重量也越来越大，有的

桥梁受到车辆超载、超限、超速和老化等影响使得桥梁存在一些安全隐患，因此对桥梁进行安全性

检查是一项重要的任务。其中，对于桥梁安全性检查主要是对桥梁的裂缝进行检测，根据裂缝的长

度和宽度等信息综合判断桥梁是否存在安全隐患。

二、无人机在桥梁巡检应用的意义

（一）原有人工检测存在的弊端

桥梁的裂缝检测关乎人民群众的人身财产安全，桥梁检测在桥梁早期找到危害与有效弥补结构

损害中有不可忽视的作用。而近几年来看，对于桥梁底面的裂缝检测主要还是以人工检测为主，存

在的弊端如下：

1. 相关观测人员的要求较高、耗时耗力

现有人工检测手段主要有两种，一种是通过使用望远镜远距离观测桥底的裂缝，另一种是通过

在桥底搭建的平台近距离观察桥底的裂缝，这对于观测人员的实践经验要求较高，很难达到当今对

于桥梁安全检测的全覆盖、高精准等要求。

2. 无法精确评估桥梁质量

由于是需要通过望远镜远距离观察桥梁裂缝，这样无法准确的检测出桥梁裂缝的信息，因此无

法准确对桥梁质量进行评估。

智能交通产品与技术应用汇编

340

3. 成本高、安全性低

在桥底搭建观察平台近距离检测桥梁裂缝的方法，需要搭建专门的安全架成本高，检测人员在

桥梁检测车的桁架臂上行走，对桥梁底面裂缝进行检测，安全性较低，人工检测速度慢、效率低，

并且对于检测人员的人身安全存在着较大的隐患。

（二）采用无人机进行桥梁巡检的意义

为了有效的解决对于桥梁裂缝检测耗时耗力、准确率不高和保障检测人员自身安全等问题，内

蒙古众宇路通科技有限公司联合内蒙古交科路桥建设有限公司

共同研发了基于无人机数据采集分析技术的桥梁裂缝检测系统。这一系统运用的意义有：

1. 快捷高效地获取数据

将无人机系统运用到桥梁裂缝检测中，无人机因为其轻巧灵活、便于携带和容易操作目前已经

应用到了许多领域当中，在本系统中将图像采集设备安装于无人机上，能够快速便捷的进行原始数

据的获取，并且与人工采集相比，使用无人机能够在一些空间狭小的地方进行数据采集，这对于建

立多样性的原始数据集有重要作用。

2. 提高准确率

将图像分割应用于桥梁裂缝的检测，与传统的人工识别方式相比，基于图像分割的方式有着更

高的准确率，更快的处理速度。将感兴趣的区域进行分割提取，能够减少周围背景环境的干扰，在

一定程度上能提升检测人员的检测效率。图像分割目前已经应用在了很多领域，比如无人驾驶、三

维重建、手术模拟等方面。与此同时，将桥梁剪切力数据信息运用到数据采集系统中，桥梁剪切力

数据信息给了无人机一个相对小的数据采集范围，不使用桥梁剪切力数据表作为参考，那么进行数

据采集时就很难准确定位到裂缝容易发生的位置，相反，使用桥梁剪切力数据信息表能够准确快速

的进行定位和数据获取。将最终网络识别的结果和人工检查的结果进行结合，综合判断桥梁的安全

性能，将两者进行结合有更好的识别效果，仅仅依靠人工进行识别不仅效率低，而且准确率也不高。

结合机器判断的结果再进行裂缝的识别，不仅效率会提高，而且也有更高的精度。

3. 提高实操安全性

无人机可以承受一定人体不能承受的环境因素，而且避免了人工的高空作业，降低了安全隐患，

在实际操作过程中也能实现更加普遍高效的使用率。

三、无人机桥梁巡检技术的具体内容

我公司设计了一种桥梁裂缝检测系统，该桥梁裂缝检测系统包括四大部分：无人机系统、图像

采集装置、数据传输装置和数据处理装置，图像采集装置设置于无人机系统上，并根据无人机系统

的指令或预设的程序对桥梁的底面进行图像采集，数据处理装置用于对图像采集装置采集的图像进

行处理，确定图像对应的桥梁底面裂缝的信息，数据传输装置用于图像采集装置和数据处理装置之

间的数据传输。

关于无人机在桥梁巡检及养护中运用优势的简述

341

（一）技术内容

1. 无人机系统

该系统包含了定位装置，定位装置内置的测距仪器可以测量无人机到桥面的距离，根据测量得

到的距离信息调整无人机到桥面的距离，将无人机定位在距桥梁底面设定距离处，以预定的角度提

取预定区域的图像，保证了采集到图像的质量。由于组成桥面的箱梁之间留有间隔缝隙，定位装置

可以通过红外线传感器或声波传感器向桥面发送红外信息或声波信息，根据间隔裂缝与完整桥面之

间返回的红外信息或声波信息确定箱梁的边界即待测桥梁的边界，确定出待测桥梁的长度和宽度。

根据预先存储的剪切力数据信息表和桥梁的长度和宽度信息，确定出该桥梁受剪切力最大的三个区

域为裂缝检测区域。

2. 图像采集系统

该系统的工作原理是当无人机与桥面的距离到达预设的值时开始进行图像的采集，从而获得裂

缝区域的图像，图片采集处理系统主要功能包括单片机控制 ISP-PLD 器件，实现对摄像头的图像高

速采集与存储，单片机图像压缩与 PC 机串行通信实现图像数据的传输，在 PC 机端实现图像处理和

显示等。

3. 数据传输系统

该系统将图像采集系统得到的数据传输到数据处理系统进行处理，数据在传输的过程中容易受

到周围环境的影响，比如电磁波、磁场等因素会导致传输的数据有较高的误码率，因此数据处理单

元必须进行一定的数据预处理。数据传输装置实现数据处理装置与图像采集装置之间的数据通讯，

在具体地应用中，数据传输装置还实现上述无人机与地面设备或数据中心的信息传输。实时向地

面设备或数据中心传输无人机系统的状态信息以及其极限接触区域内的障碍物等信息，以及将地

面设备或数据中心的指令等信息发送到无人机系统，例如，调整测量范围、测量时的机身高度等

指令信息。

4. 数据处理系统

该系统包含图像处理单元、特征提取单元和裂缝信息确定单元。

（1）图像处理单元：首先对获取到的图像进行滤波和降噪处理，使用均值滤波进行噪点的去除，

使用 3×3 的滤波器对于目标中心点相邻的 8 个像素点进行运算，用全体的像素均值代替中心点的像

素值，均值滤波的方法可在一定程度上消除噪声。

（2）特征提取单元：数据预处理完成后对图像的裂缝区域进行标注，使用大量标注的图像去进

行神经网络的训练，网络首先对输入图像的特征进行提取，然后根据提取的信息对图像的裂痕区域

进行分类，判断是哪种类型的裂缝并且进行图像分割，根据分割出的图像进一步判断裂缝的长度和

宽度等信息。最后根据阈值法将大于阈值的像素点进行精细化，形成裂缝的最终特征图。

（3）裂缝信息确定单元：根据特征图中不连续的像素点形成外形的轮廓区域，确定为裂缝区域，

根据裂缝区域最终确定待测桥梁的裂缝的长度和宽度。数据处理装置对采集的图像进行数据处理，

根据图像的分析，确定出桥梁是否有裂缝、裂缝的长度尺寸、裂缝的宽度尺寸、裂缝的分布状况等

桥梁裂缝信息，检测人员基于上述桥梁裂缝信息得出桥梁结构裂缝安全性的结论，包括结构的现有

智能交通产品与技术应用汇编

342

承载能力与仍可正常使用的可靠性分析。

5. 总体技术线路如图所示：

图 1 技术线路图

（1）数据获取：数据获取部分使用的是由无人机上搭载的图像采集系统完成，首先无人机根据

自身所携带的测距和定位仪器以及预存的桥梁剪切力信息到达合适的图像采集地点，然后使用所携

带的高分辨率多光谱相机进行拍摄，获得桥梁特定地点的图像信息。

（2）数据预处理：数据预处理阶段首先使用均值滤波去除掉图像中的噪声点，比如椒盐噪声，

椒盐噪声也称为脉冲噪声，是图像中经常见到的一种噪声，它是一种随机出现的白点或者黑点，可

能是亮的区域有黑色像素或是在暗的区域有白色像素（或是两者皆有）。椒盐噪声的成因可能是影像

讯号受到突如其来的强烈干扰而产生、类比数位转换器或位元传输错误等。通过降噪处理可以有效

提升原始数据集的质量，在拍摄过程中由于光线的变化导致有的图像较暗或者较亮，所以处理完噪

声点以后需要将图像的亮度进行调整，为了使裂缝处的图像更加明显，可增加对比度信息，进一步

加强裂缝处与正常处的信息对比。完成了图像增强之后，需要对图像中的裂缝处进行标注，图像标

注结束之后就完成了数据预处理的全部步骤。

（3）特征提取和结果分割：对于图像的特征提取和分割部分使用 SOLO 网络完成，SOLO 网络

是一个优秀的图像分割网络，网络的主体框架如下图所示：

图 2 SOLO 网络整体框架图

SOLO 通过引入“实例类别”的概念来区分图像中的对象实例，即量化的中心位置和对象大小，

这使得可以利用位置来分割对象，图像被分为 S×S 的格子，根据目标中心，每个目标实例被分配

到其中一个单元格内，作为其中心位置的类别。将中心位置的类别编码成维度坐标，类似于语义分

割中的语义类别。每个输出通道都是对每个中心位置类别的响应，对应的维度的特征图可以预测属

于该类别的实例的掩码。所以结构化的几何信息自然地保存在空间矩阵中。

实际上，实例类别近似于实例的对象中心位置，因此，通过将每个像素分类到其实例类别中，

就相当于使用回归方法从每个像素来预测对象中心。将位置预测任务转化为分类而不是回归任务的

原因在于：使用分类时，更加直接，且更易于使用固定数量的通道对多个实例进行建模，同时不依

赖于分组或学习嵌入式向量之类的后处理。使用 FPN 来区分不同大小的目标实例，以便将不同大

关于无人机在桥梁巡检及养护中运用优势的简述

343

小的对象分配给不同级别的特征图，作为对象大小类别。

所有的实例都被规则的分配，使得能够通过实例类别来区分。FPN 是网络的核心之一，因为它

对分割性能有着很大的影响，尤其是对不同大小的物体。实验表明，浅层的网络更关注于细节信息

（语义特征少，目标位置精细），高层的网络更关注于语义信息（语义特征多，目标位置粗略），而高

层的语义信息能够帮助我们准确的检测出目标，因此 RCNN 系列通过最高层的特征图来进行特征提

取，但是这种做法忽略了细节信息，这些信息在一定程度上可以提升检测的精度。

FPN 算法做法很简单，把低分辨率、具有高语义信息的高层特征以及高分辨率、具有低层语义

信息的低层特征进行自上而下的侧边连接，使得所有尺度下的特征都具有丰富的语义信息。

（4）可靠性分析：根据网络最终产生的分割结果，可以将危险等级较低的裂缝进行过滤，这一

类可能只是简单的表面裂缝，主体并没有受到损伤，所以可将这种裂痕进行排除。将危险等级较高

的裂痕分割结果进行人工的评估，检测人员基于桥梁裂缝信息得出桥梁结构裂缝安全性的结论，包

括结构的现有承载能力与仍可正常使用的可靠性分析。

图 3 桥梁裂缝图 图 4 分割结果图

图 5 桥梁裂缝图 图 6 分割结果图

图 7 桥梁裂缝图 图 8 分割结果图

智能交通产品与技术应用汇编

344

可看出对于桥梁的裂缝已经实现了较好的分割，最后将分割后的结果进行人工的筛查做出安全

性的评估。与传统的人工评估相比，结合神经网络能够获得更准确的判断结果，并且能节省大

量时间。

（二）技术优势

1. 更快、更全、更精准

与现有的桥梁裂缝检测系统相比，我们的系统有更快的识别速度，大多数系统目前做不到实时

识别的效果，我们的系统基于 SOLO 网络实现，SOLO 网络本身对于图像的分割效率已经能到达到

实时的分割（>30FPS），这也意味着在相同时间内能够处理更多的裂缝信息。与人工检测相比较，

我们的系统结合了机器识别的结果和人工识别的结果，系统的识别精度更高。我们的系统将最终分

割结果为低危的裂缝进行排除，留下级别为高危的裂缝图像信息，并且和人工检查进行结果的结合，

综合两者的信息进行决策，并不是仅仅依靠一个方面的判断，因此系统的识别精度较好。

2. 省时省力

与目前传统的桥梁裂缝检测系统相比，我们的系统具有更强的灵活性，并且省时省力。对于原

始数据的采集来说，如果不使用无人机而单纯依靠人工采集数据，这就会耗费大量的人力资源。我

们的系统使用无人机搭载图像采集设备进行数据的获取，不仅能快速有效的获得想要的数据，而且

仅需要很少的人员就能实现。

3. 更加直观

与基于干涉雷达的技术相比，我们的系统对于裂缝的检测结果更加直观，基于雷达的检测方法

需要将所得到的数据转化为可视化的图形图像，过程复杂，而且不能直观的观察到真实桥梁裂缝信

息，我们的系统直接将原图进行处理，分割结果清晰，可视化效果较好。

综上所述，当前工程对于桥梁裂缝的检测已经由原来的人工检测方式转变为依靠机器学习、神

经网络等手段进行检测，并且检测的准确率已经有了大幅度的提升。所以我公司基于无人机数据采

集分析技术的桥梁裂缝检测系统相比于传统的检测方式，基于图形图像识别的方式更加省时省力，

并且对于检测人员的人身安全有一定的保障。

基于虚拟化技术的工业 5G 网关应用

345

交通基础设施智能化

智能交通产品与技术应用汇编

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基于虚拟化技术的工业 5G 网关应用

瑞斯康达科技发展股份有限公司

一、市场背景

作为新基建的重要项目，国家对 5G 网络建设极为重视，通过工信部组织了多次技术试验后，

发布了相关行业标准，并针对三大运营商和广电发布了 4 张 5G 牌照。考虑到毫米波的建设成本，

国内牌照前期以 Sub6G 为主，并且整合了部分原有 4G 频段，进一步增强 5G 基站的覆盖能力。2019

年和 2020 年，三大运营商进行了两轮 5G 基站规模建设，总共建设规模超过 50 万台。三大电信运

营商纷纷制定计划，推进 5G 应用的落地和 5G+工业互联网的创新研发工作，坚持 SA 发展方向，

引领行业发展，通过 5G 网络切片、行业 MEC、工业互联网平台等自主研发成果，助力企业数字化

转型。

面向制造业数字化、网络化与智能化升级以及工业互联网的 5G融入均成为了 5G的主力落地点，

特别是在工厂、交通、港口、能源等行业进行了基于 5G+工业互联网的技术验证与应用，取得了良

好的示范效果。

二、需求分析

近几年来，物联网架构逐渐由传统的云管端架构向云管边端模式演进，在靠近设备或流量的位

置部署第一层计算能力，可以实现智能或协调的事件响应，并有助于减轻云端对于多种类型数据接

入的负担，有效降低接入成本。边缘计算有 5 个核心价值点：海量异构连接、支持高实时性业务、

数据聚合、支持边缘智能分析处理，以及私有安全域的深度保护。瑞斯康达在前期已经开始针对工

业物联网市场研发工业边缘计算类网关产品，不同于以往工业领域的网络传输 CT 类设备，网关设

备强调对用户协议的解析，不再是透明管道，转为需要理解用户业务和上下端的产品。通过工业网

关可实现工业现场设备和工业互联网云端连接，实现产业物联网数字化和智能化改造。工业物联网

络架构如图 1 所示。

基于虚拟化技术的工业 5G 网关应用

347

图 1 工业物联网络架构

三、解决方案

瑞斯康达作为具备 5G 微基站和工业应用终端整体解决方案的厂家，很早就开展了 5G 技术的试

点与应用。经过多年的技术积累，瑞斯康达建立起云管边端的工业物联网架构。为了拓展新的应用

领域以及结合国家 2020 年提出的新基建机会点，瑞斯康达结合多年行业应用经验及自身对于 5G 网

络和虚拟化技术的理解，推出了新一代工业 5G 网关。整个系统参考最新的边缘计算软件架构，所

有功能实现了虚拟化、模块化，实现硬件和软件解耦合的通用化平台，极大降低了工业网关现场应

用门槛和用户二次开发成本。积极拥抱开源资源，实现共享共赢。

工业 5G 网关中采用了最新一代 5G 芯片，同时支持 3G/4G/5G 网络，在 Sub 6G 频段典型值可

达到的 LTE Cat.12，具备 5G 独立组网（SA）和非独立组网（NSA）两种运行模式。配合运营商 MEC

移动边缘计算和 5G 微基站部署，工业 5G 网关可以开展 uRLLC 类对于时间敏感的无人驾驶、工业

控制等业务。整机模块化设计，支持多种工业现场物理接口需求，实现硬件的通用性；自主研制基

于 Linux 的软硬件解耦的嵌入式网关软件固件系统，实现 30 种以上工业现场总线或工业以太网协议

与 5G 协议的转换交互。无线有线一体的低时延数据转发/消息分发技术，实现工业数据在网关设备

的处理及透传时延小于 5ms。基于深度学习技术自动识别协议类型并可按网络管理平台要求进行

TCP 加速和整形，实现包括网关功能完整性和网关设备存储的分级安全要求，同时采用国密算法，

进一步提高安全等级，最终实现可云管理的工业 5G 通用网关产品。适配工厂、交通、园区、能源

等多个行业。方案总体架构如图 2 所示。

工业 5G 网关基于软件定义和容器虚拟化的体系架构，超低时延的异构资源调度，不同类型多

核异构硬件架构支持下的应用软件与硬件间的解耦技术与统一驱动，提供极好的软件架构通用性和

多语言编程能力，方便用户进行二次开发。通过云边协同平台可以实现终端设备远程管理、边缘计

算资源和状态感知服务、数据协同服务、应用协同服务和任务调度服务。通过嵌入式智能重构服务，

可以重构现场协议、重构数据处理逻辑、重构数据分发格式，解决了现场未知业务的调测问题。通

智能交通产品与技术应用汇编

348

过平台在线可调试技术，可以应对复杂、多样的现场环境，远程对现场问题进行调试，实现远程开

发。系统架构如图 3 所示。

图 2 方案总体架构

管理

平台

云边协同平台

支持二次开发

图形化配置/编程组件

人工智能云边协同组件 安全分级管理组件

智能可重构

工业互联网

边缘网关

分布式部署

软件定义网络

安全等级需求

多容器管理

数据分析和处理

低延时、实时性

可维护、可追溯

现场可编程

在线可调试

北向接口：

MQTT、HTTP、

OPC UA、

RESTful、

Streaming

南向接口：

Modbus、OPC、

BACnet、Ethernet/

IP,S7等工业协议

容器编排/部署组件

网关

虚拟

化接

口标

准化

数据

采集

协议

中间

件标

准

化

图 3 系统架构

四、应用前景

（一）工业机器人

将计算和存储资源部署到网络边缘，不仅可以减少核心网和互联网上的流量，还可以显著降低

传输时延，提高网络可靠性。降低时延的业务需要 5G 网关、移动蜂窝网（接入网和核心网）、互联

网、数据中心的端到端的保障。通过使用低转发延时的工业网关和 URLLC 模式下的基站的数据通

路延时可以达到 5 毫秒。在 5G 中，其核心网引入了分布式网关，网关可以下沉到基站附近，边缘

基于虚拟化技术的工业 5G 网关应用

349

服务器可以直接连接到分布式 MEC 网关上，大大降低网络的端到端时延。边缘计算的引入将解决

终端能力受限和云计算的实时响应的问题，增强机器人云端大脑的 实时响应能力，对于满足机器人

4.0 的要求十分关键，比如实时的推理、场景理解、操控等等。同时将大部分机器人的智能布署在

边缘和云端，通过协作和不断的训练，持续不断的提高机器人智能，比如通过边缘计算能更好的支

持实时的多机协作，支持实时的知识图谱提取、理解和决策，持续不断的提高机器人的智能。边缘

计算和云计算还可以解决机器人终端升级维护的困难，在机器人本体的生命周期内不断升级，提高

机器人的能力，增强数据安全和隐私保护，充分利用摩尔定律带来的性能提升。

工业现场不同的工业机器人控制器控制协议不一致，通过工业 5G 通用网关中启用不同的控制

器的协议模块，来控制现场的工业机器人。通过使用 5G 网关上的规则引擎，区分数据的处理路径。

基于生产环境的实时数据和边缘计算，实现设备优化调整，协同工作，构建智能机器和柔性产线；

基于信息系统数据、制造执行数据、控制系统数据的集成处理和大数据建模分析，结合 5G 的低延

迟和大量接入以及 MEC 集群，可以实现大型工厂的生产运营管理的动态优化调整，形成各种场景

下的智能生产模式，在 MEC 就可以进行部分数据的机器学习，进行可预测性维护，以及大数据量

的分析。基于供应链数据、用户需求数据、产品服务数据的综合集成与分析，实现企业资源组织和

商业活动的创新，形成网络化协同、个性化定制、服务化延伸等新模式。工业机器人通信网络 如图

4 所示。

图 4 工业机器人通信网络

（二）工业现场 PLC

PLC 在工业现场有大量的应用，能够协同好各种不同 PLC 设备工作就能很好的利用原有资产，

完成柔性化制造的需求。但是各家的 PLC 的通信协议各有不同，无法互通，包括链路层和协议层都

不一样。

智能交通产品与技术应用汇编

350

TSN 从链路层上保证了不同通信类型共存的可能性，同时保留实时通信的定时特性。一些现有

的实时网络（例如 PROFINET、EtherNet/IP）使用通信规划和 QoS 来保证在设备运行良好条件下

的行为。由于将 TSN 用作数据链路层，因此这些技术可以更好地利用带宽效率，因为 TSN 无条

件保护了高优先级的通信。OPCUA 的出现就是为了解决复杂的现场总线无法互通的问题，目前已

经越来越多的工业厂家的 PLC 以及现场设备支持 OPCUA 协议。而且 OPCUA 协议不仅考虑到了现

场通信，也考虑了工厂外的业务通信，OPCUA 会是未来的工业协议标准。 工业现场 PLC 通信网络

如图 5 所示。

图 5 工业现场 PLC 通信网络

工业 5G 通用网关支持工业环网，通过 TSN 完成实时和非实时通信。通过 OPCUA 协议连接不

同厂家的 PLC 设备，实现异厂家的 PLC 的协同工作。

（三）工业摄像机

工业摄像机是一种适用于智能交通、高清电子警察系统、工业检测、半导体检测、印制板检测、

食品饮料检测等众多领域应用的高分辨率彩色数字摄像机。它具传输速度快，色彩还原性好，成像

清晰等特点。不但能够方便拍摄显微图像，而且能够测量拍摄物体的长度、角度、面积等系列参数。

高分辨率工业数字摄像机安装使用操作也很简单。现代的工业摄像机支持 ONVIF、GB28181 等通用

协议，保证了协议操作的一致性，而且提供了对摄像机的控制功能。当视频数据量过大的时候，可

能会占用上行链路的带宽，导致控制协议得不到调度。

工业边缘计算网关，能够利用 5G 网络的大带宽和低延时快速透传大量的视频数据，而且可以

识别 ONVIF、GB28181 等通用协议，在传输数据数据的过程，可以配置优先保证 ONVIF、GB28181

的数据优先传输，从而保证控制流的高优先级。同时在工业边缘计算网关中，提供边缘视频数据处

理的能力，在不需要把所有信息上传到平台的情况，本地对视频流进行处理，把需要上传的数据再

上传到管控平台。工业摄像机通信网络如图 6 所示。

基于虚拟化技术的工业 5G 网关应用

351

图 6 工业摄像机通信网络

（四）AGV 无人车

（Automated Guided Vehicle，简称 AGV），通常也称为 AGV 小车指装备有电磁或光学等自动导

引装置，它能够沿规定的导引路径行驶，具有安全保护以及各种移载功能的运输车。随着物流系统

的迅速发展，AGV 的应用范围不断扩展，广泛运用于机场、港口、大型物流园区等领域，具有良好

的环境适应能力。机场、港口和大型物流园区 AGV 主要由 2.4G 及 5.8G WiFi 网络和千兆以内的数

字集群等系统组成。由于采用的是非授权的频段，WiFi 网络存在外部干扰大、支持并发用户数低等

问题，很难达到电信级的高可靠性标准。此前受制于网络技术瓶颈，港口自动导引运输车的指令数

据传输并不稳定，AGV 小车作业效率受到制约。5G 技术的发展为无人车方案提供新的解决思路，

目前通过 5G 分片网络替代 WiFi 技术可以解决了传统模式下的通信异常干扰、高时延等问题，成功

实现自动导引运输车控制信号的低时延、高可靠性传输。自动导引运输车的无线通信质量与作业可

靠性得到有力保障，整体运营效能大大提升。

AGV 为移动无人车辆，如果通过 5G 网络就可以将原有的 AGV 的升级为云化的 AGV，即把

AGV 上位机运行的定位、导航、图像识别及环境感知等需要复杂计算能力需求的模块上移到 5G 的

边缘计算 MEC 服务器大大降低了原有 AGV 传感和计算能力的成本，同时运动控制/紧急避障等实

时性要求更高的模块仍然保留在 AGV 本体以满足安全性等要求。这相当于在云端为 AGV 增加了一

个大脑，除 AGV 原有的复杂计算以外，各种各样的 AI 能力扩展成为可能。边缘计算和云计算的结

合将突破 AGV 终端的计算能力和存储的限制，提高 AI 算法的训练和推理能力，同时将大部分机器

人智能布署在边缘和云端，通过协作和不断地训练，持续不断地提高 AGV 智能化程度。

5G 带宽实测下行超过 800Mbps、上行超过 60Mbps，可以满足了云化业务的性能要求。通过 5G

网络在分组分发、自动寻址和服务质量 QoS 上的优势，网络延迟从 200ms 降至 20ms 以下并且高可

靠性，现场作业的画面都能以高清视频的方式实时回传至中控室，达到全天候全流程的实时在线监

控和 AGV 远程控制的需求。

5G 车载网关类产品可以为传统 AGV 车辆提供 5G 接入能力，实现 wifi 网络到 5G 网络的转换。

同时网关还可以作为 AGV 内部工业总线的承载体，通过高速以太网实现 AGV 传感器和视频摄像头

智能交通产品与技术应用汇编

352

等组网，实现 OT 和 IT 整合。AVG 无人车通信网络如图 7 所示。

图 7 AVG 无人车通信网络

五、技术优势

1、集成化设备，能够融合 IT、OT、CT 设备。接口扩展单元可以单设备满足客户不同场景

需求。

2、多核计算能力具备强大的计算能力，扩展子卡提供 AI 加速算力。

3、软件仓库支持应用程序和 docker 容器一体化管理和部署，兼容第三方编写的应用。

4、瑞斯康达管理平台可以实现设备管理和应用管理并有接口对接第三方平台，支持私有化部署。

5、二层三层链路备份，设备支持双 SIM 卡、双光纤口互为保护。

6、支持 MQTT 或 MQTTS 协议，阿里、百度天工、AWS 等多种平台上行，到手可用。

7、支持国密加密算法和身份信息芯片，满足国家敏感行业保密要求。

8、支持 PLCopen 软 PLC 功能，支持比如 Codesys，LogiCAD 等开发软件，满足 IEC 61131-3

标准。对于无基础人员还可以通过图形化编程方式降低开发难度。

9、通过可选实时以太网专用芯片直接对 PROFINET、EtherNet/IP、EtherCAT、POWERLINK 网

络进行采集。

10、工业 5G 网关内部网络支持 PRP 保护或者环网保护，适用于对于可靠性和实时性高的行业。

六、结语

瑞斯康达工业 5G 边缘计算网关致力于打造一个通用化的软硬件平台，让各类采集设备厂家、

平台应用厂家和工业 APP 厂家可以专注于自己的业务，不需要关心硬件适配和各类底层驱动，通过

应用入驻模式快速实现各类工业物联网应用快速落地。

智慧灯杆在智慧城市中的应用

353

智慧灯杆在智慧城市中的应用

曾繁荣 深圳市洲明科技股份有限公司

0 引言

在新基建的背景下，以及“万物互联”背景下，智慧城市的传感器建设需求十分迫切。路灯杆

作为城市中密度最大、数量最多、 覆盖最广的市政设施之一，不仅是智能感知和网络服务的节点，

作为物联网的端口，也让智慧城市+数字经济变得更为具象化，能够更好地落地，成为了智慧城市

的载体。

通过将摄像头、广告屏、充电桩、小基站、照明和环境监测等功能集成于路灯杆中，形成智慧

灯杆，如图 1 所示。智慧灯杆是新型信息基础设施，能够完成对照明、公安、市政、气象、环保、

通信等多个行业的数据信息进行采集、发布以及传输。与此同时，作为 5G 时代车联网建设、云网

建设以及通信网络建设的重要组成部分，智慧灯杆也得以广泛应用。

智慧灯杆的建设可以有效地实现城市整体运营的降本增效、有利于城市管理效率提升。目前，

国家政策导向大力支持智慧灯杆研发及应用，企业也积极地投入研发要素拓宽产业应用场景及功能。

简而言之，智慧灯杆作为智慧城市建设的新型公共基础设施，可实现通信、公共安全、智慧照

明、环境监测、智慧交通、能源管理和信息服务等典型业务应用。

图 1 智慧灯杆

智能交通产品与技术应用汇编

354

1. 系统概述

智慧灯杆是通过应用城市传感器、电力线载波/ZIGBEE 通信技术和无线 GPRS/CDMA 通信等技

术，将城市中的路灯串联起来，形成物联网，实现对路灯的远程集中控制与管理，具有根据车流量、

时间、天气情况等条件设定方案自动调节亮度、远程照明控制、故障主动报警、灯具线缆防盗、远

程抄表等功能。

并通过集成气象、环境监测设备，安防监控设备，基站、LED 信息发布和人脸识别等设备，利

用先进的信息处理技术对海量感知信息进行处理和分析，实现对包括民生、环境、公共安全等在内

的各种需求做出智能化响应和智能化决策支持，使城市路灯杆转变成真正意义上的“智慧”灯杆。

2. 系统架构

2.1 系统架构

系统采用“云+边+端”一体化技术架构，终端部署边缘计算单元，本地算法和服务前移，即使

中心网络故障，也不会影响前端系统的实时服务，使得服务更实时更可靠。

智能灯杆系统架构如图 2 所示，由五个部分构成：

第一层为感知层，即端，包括安防监控、一键报警、公共广播、环境气象、智慧垃圾桶、智慧

井盖、智慧照明、LED 大屏和智慧充电等前端设备，完成数据采集、人机交互等功能。

第二层为“边”，完成不同前端设备的协议适配、智能联动和边缘计算等功能，为数据层提

供支撑。

第三层为管，是通信、传输和电的承载体，包含同学管线、综合管廊、灯杆、电力管、电力箱

和无线通信等。

第四层为云数据层，包括连接管理、设备管理和数据封装。连接管理包括数据采集模块、智能

协议栈、注册签权和设备控制；设备管理包括配置、诊断、查询、告警和升级；数据封装包括电量、

网络流量、多媒体、告警、安防和市政等。

第五层为云应用，包括智慧城管、智慧市政、智慧交通、环境监测、人群预警和公众 wifi。

图 2 系统架构图

智慧灯杆在智慧城市中的应用

355

2.2 硬件连接系统图

如图 3 所示的硬件系统连接图，智慧灯杆设备采用统一的供电方式。前端智慧井盖、智慧垃圾

桶、智慧消防、远程抄表系统和智慧停车等系统通过智慧网关接入，并与摄像机、LED 显示屏、公

共广播和一键求助等设备组成网络，形成接入层，为数据采集、人机交互提供支持；再通过传输网

络接入到智慧市政、安防监控、信息发布、公共广播、紧急求助、智慧照明和环境监测等平台，最

终形成智慧灯杆管理平台。

图 3 硬件系统连接图

3、平台系统功能展示

平台按“统一标准规范、统一身份认证、统一数据管理、统一用户服务”进行建设，在数据层

面、软件层面和服务层面制定数据内容、软件功能、应用接口等方面统一规范和标准，以统一的界

面向用户提供服务。

平台通过可视化驾驶舱的模式展现系统功能，通过智慧杆 3D 数字模型进行灯杆控制，可以最

直观的看到此智慧杆上挂载的所有设备，同时可以自主切换设备进行操控和管理，灯杆列表查看和

智慧照明开关灯、亮度等策略任务管理等功能。可视化展示设备的状态概况，在线数量、离线数量、

故障数量等统计、设备的基本信息和业务信息。

图 4、图 5 分别展示了平台的智慧照明和安防监控功能。

平台主要体现了以下主要特点：

（1）利用人工智能、云计算、大数据等新技术，提升数据处理的实时性和有效性，提升用户

体验。

（2）实现了多源异构数据的治理，可以实现多源异构数据的采集、存储、计算和共享等，形成

更为直观的数据形式。

（3）信息发布通道实现多元化。

智能交通产品与技术应用汇编

356

图 4 智慧照明

图 5 智慧安防监控

4. 应用案例

洲明科技智慧灯杆目前已广泛应用于国内市场，为智慧城市的建设提供了极大的支持，提升了

城市的安全防护、信息服务和节能增效水平，带来了显著的社会经济效益。

现以无锡马山国际旅游岛智慧交通一、二期和城市开放道路车路协同项目（长沙）为例。

4.1 无锡马山国际旅游岛智慧交通一、二期

无锡市委、市政府将马山列为无锡“一城一岛一带”建设的主阵地，而马山智能交通建设作为

马山甚至无锡智慧城市建设的重要标志，在助力第四届世界佛教论坛的举行、为无锡市民的出行保

智慧灯杆在智慧城市中的应用

357

驾护航、对道路监管、事故处理等都起到了重要作用。

马山国际旅游岛智能交通系统建设项目主要实现了交通实时调度、集成管理、信息服务三大功

能。结合云计算、大数据等技术，创新提出了“人、车、路”一体的综合智慧交通解决方案。

马山智能交通监控指挥系统，由智能交通监控指挥中心、前端的高清摄像机、交通信号控制以

及交通诱导屏等组成，可实现对马山 21 个主要道口和路段的实时路况进行有效监控，真正做到了路

口联网监控 360 度无死角、高清“电子警察”覆盖重要路段、交通诱导系统实时掌握前方路况、信

号灯系统实现联网远程控制。

4.2 城市开放道路车路协同项目（长沙）

项目位置在长沙市湘江西岸梅溪湖区域，长度 100 公里，共计 32 个路口。并在关键路口部署含

通信单元、边缘计算单元、路侧感知单元等智能路侧设备，覆盖辅助定位信号；打造车路协同、网

联辅助等自动驾驶测试类相关场景；与车辆行驶安全、道路信息提示、路网管理等应用类场景共计

90 余个。

基于智能路侧系统、边缘云计算系统与云控平台系统，打造人-车-路-云一体化系统架构。

四、总结

智慧灯杆是信息采集、处理和发布的载体。对城市建设可以带来节约占地需求，整合资源利用，

提升城市形象的意义。同时，模块标准化、样式多样化、配置专业化是多功能路灯的未来发展方向。

洲明科技综合智慧杆应用于国内智慧园区、智慧交通、智慧停车和智慧校园等领域多年，积累

了深厚的技术底蕴，能够满足国内外不同场景的需求，并仍在根据行业新需求和新方向不断升级和

创新，特别是很多核心技术理念对市场同类产品的改进有重要的借鉴意义。如何提升产品并更好地

应用到智慧城市中，结合行业最新发展需求进行消化、吸收和再创新，是未来技术人员应关注的方

向之一。

虽然智慧灯杆是多种设备设施和技术的综合体，这种“多杆合一”的模式也是发展的必然趋势，

但是目前我国基础设施建设管理职权分散，运营主体牵扯到多部门，数据源也分散在不同的管理部

门，如何打通“多极管理”、消除“数据孤岛”是进一步推进智慧灯杆市场化运营的一大难点、痛点。

智能交通产品与技术应用汇编

358

智慧公交场站建设探讨

曾 鹏 方 洁 周 葵 陈 苍

深圳市易行网交通科技有限公司

城市公共交通是城市基础设施建设的重要组成部分，是与人民群众生产生活息息相关的重要基

础设施。如果把城市公共交通系统比作人体经络的话，场站无疑是起着交通节点作用的穴位，公交

场站承担着综合车辆营运管理、车辆停放、车辆充电、驾驶员服务等重要功能，是公共交通整体营

运保障的核心支撑。目前，某公交集团在用场站共计 181 个，包含公交场站、出租场站、综合场站

三种场站类型，支撑 529 条公交线路、5892 辆公交车、4681 辆出租车的运营组织和后勤保障。由于

感知手段不足、管理要素多、数据分散，公交场站普遍存在管理难度大、不规范、效率低、协同难

等问题。

一、公交场站建设现状

（一）建设现状

多数场站智能化设备少、感知手段不足、功能单一，总体智能化水平较低，场站安全管控水平

和服务能力有待提升，无法满足司机的服务需要与某公交集团统一管理的要求。主要体现如下：

1）基础设施建设不足。截至 2020 年 12 月，某公交集团在用场站共计 181 个，自有场站 23 个，

各场站基础设施建设情况不一致，有的场站未建设任何监控设备；各场站所用监控设备厂家和类型

千差万别；有的场站未建设出入闸口，对场站的出入车辆无法有效监管；有的未建设任何信息发布

的系统，导致场站内车辆、驾驶员、充电桩的调度混乱等。

2）数据孤岛现象严重。各场站内基础设施及信息采集设备均不完善，采集数据手段缺失，导致

各场站的管理人员及集团领导无法对场站的情况进行整体把控。各场站内数据各自为政，甚至个

别场站数据管理未实现信息化，与调度系统、安全管理系统、场站与场站之间等信息无法实现有效

共享。

3）运营管理机制不完善。各场站的人员管理、设备管理、车辆管理、安全管理、应急管理等各

类运营管理机制不完善，制约场站管理效率，且尚未建设各场站的协同管理机制。如人员排班问题，

智慧公交场站建设探讨

359

场站内部尚未建设人员管理系统，导致驾驶员报班之后出现拿错钥匙开错车的现象；又如场站内管

辖车辆数量无法得知，晚上场站管理员无法获知场站内的车辆是否已全部到位。

4）应急调度指挥能力欠缺。随着政府、交通运输管理部门对公交安全和应急保障的重视程度越

来越高，各公交企业对各自企业的安全管理和应急保障的响应能力均采取相应的措施。场站作为车

辆管理的重要场所，对整体公共交通的应急调度起到重要的作用，需建设事故应急管理等系统，提

升各场站的应急调度指挥能力，提高对各类安全事故及安全隐患的处置效率。

（二）智能化改造需求

1）统一管理需求。建设场站资源管理系统，统计、查询各场站的人员、车辆、物资、充电

桩等各类基本信息，对场站的各类资源进行统一把控，减少人工成本，降低操作失误，从而提

高工作效率。

2）统一监测需求。对场站的人员、车辆、充电桩、设备、设施、事件等运行情况进行统一的监

测，实时监控运行状态，发现运行中的问题，并及时报警。

3）统一指挥需求。构建场站分拨处置规范体系，为场站工作人员定级、定岗、定责，为场站事

件分级、分类、分频，巡查事件第一时间上报，办理、流转全程跟踪督办。通过信息共享和即时通

讯，实现各场站间的互联互通，为日常事件巡查和应急事故保障的高效运行提供支持。

二、智慧场站建设总体架构

图 1 智慧场站总体架构图

三、智慧场站十大应用场景

1. 围合管理

通过部署智能化的道闸，包括管理控制中心、道闸设备、车牌识别摄像机、智能补光、LED 显

示屏等设备，结合视频监控系统，严格准入机制。

智能交通产品与技术应用汇编

360

2. 站内秩序管理

客流管理方面，基于智能视频融合分析技术，实现总客流量、高峰断面客流量等客流实时监测、

统计以及客流异常自动识别与预警，为场站有序运行提供支撑。

车流管理方面，基于前端车流检测设备采集的信息，结合 GIS 和视频监控实现车流可视化展示，

为场站管理者对场站监控以及决策的制定提供数据支持。

3. 物业管理

对场站基础信息、楼栋房屋、设施设备、物业租赁、能耗、图文等信息统一来源、统一出口、

统一标准、实时更新、深度挖掘，提供标准化、数字化、高效化的物业管理。

4. 驾驶员服务

驾驶员服务包括无忧充电服务、智能体检服务和停车诱导服务等功能。

充电服务：基于移动应用端，实时掌握现场驾驶员和工作人员情况，调动现场资源为交班司机

提供充电车辆挪车服务，交班司机无忧下班，无需现场等待，提供无忧充电服务。

智能体检：在各场站部署智能体检机，对驾驶人员的身体状态、情绪状态进行检测，形成驾驶

员的动态健康档案以及出勤出车调度健康评估参考。

停车服务：通过楼层、区域、车位三级诱导，帮助驾驶员快速找到空闲车位，避免因在停车场

内盲目寻位绕路，提升停车体验。

5. 乘客服务

通过融合移动服务、自助查询及信息显示终端，为乘客提供统一的信息服务，加快场站内信息

公告的传递效率。

6. 车辆服务

实行人车绑定，保证车辆正常安全使用；根据车辆维修保养记录，监控车辆运行状况，对于需

要进行维保、清洗的车辆，按流程处理。

7. 安全监测

提供包括视频监控、消防监测、充电监测、配电监测、环境监测，实现对所辖范围内场站主要

安全要素的一体化监测管理，提高安全生产管理效率。

8. 安全应急

提供包含应急准备、应急值守、应急处置及应急评估的应急闭环管理，对场站内客流、车流、

运营、设备等进行全方位监控，实现异常事件的自动预警以及快速处置，减少监控人员手动定位、

搜索视频时间，提高客流聚集、排队过长等频发事件处置效率。

面向场站人员的巡场需求，实现“任务分配+巡场记录+异常上报+过程监管”的移动巡场闭环

管理，保障枢纽安全、有序的运行。

9. 场站维护

以场站设备维保计划为抓手，对“进、出、用、修、管”各个环节进行科学管理，提供针对设

备的“采购——录入使用——养护——维修——盘点——报废”全生命周期跟踪管理，帮助场站更

智慧公交场站建设探讨

361

有效、更全面地管理设备。

10. 考核评价

建立场站管理人员+设备的立体式评价体系，通过任务完成率、工作质量考评、顾客投诉率等

指标对场站管理人员进行评价，通过后台分析设备故障率、平均故障时长和故障原因分布，及时发

现解决设备故障问题，进一步降低管理成本。

四、试点实施应用

安托山场站为新建综合型场站，场内虽划分了充电区、停车区、维修区、休闲区和餐饮区等多

个区域，但仅配备了充电设施和视频监控设备，缺乏其他配套设施。其中，视频监控系统由充电桩

公司建设，仅监控充电桩区域运行情况，未覆盖场站内其他区域。智能化改造内容主要包括：

1）出入口综合管理系统。对现有系统的接入数据进行统一管理，并在入口处新建一套室外双行

高亮 LED 语音屏进行停车引导。

2）视频监控系统。采用 200W 像素的网络摄像机，并针对不同场景和不同需求使用适合场景应

用的设备。安托山场站的监控点位设计为 19 个，其中休息区采用 2 个室内半球、全景高点采用 2

个可操控的变倍球机、场区周界监控采用 15 个星光级红外枪机。后台建立一套视频监控系统管理平

台，实现监控、管理、存储、登录认证、图像分发等功能，确保视频监控系统稳定运行。

3）无线 WIFI 覆盖。配置无线 AP 数量为 7 个，AC 控制器 1 个，实现场站充电区域及户外公

共区域网络的全面覆盖。

4）车位地磁。实现场站车位空闲情况的检测。

5）智能体检设施（图 2）。安装部署智能体检机，提供人脸识别、血压检测、血氧饱和度检测、

体温检测、酒精检测、情绪检测等功能，对驾驶人员的身体状态、情绪状态进行检测，形成驾驶员

的动态健康档案以及出勤出车调度健康评估参考。

图 2 现场设备图

6）智慧场站综合管理平台（图 3）。接入道闸、充电桩、地磁、体检机、监控、消防设施等场

站主要设施设备数据，实现场站运行情况实时监测、场站资源管理、场站业务决策支持、应急指挥

调度等功能。

智能交通产品与技术应用汇编

362

图 3 场站管理平台界面图

通过场站智能化改造，增强了场站运行感知能力，构建了更智能的场站运行监测环境，建成场

站管理一张图（图 4），实现各项安全指标的可视化展示和场站人、车、物、环境的集中监管，有利

于提高场站运营管控能力和应急调度反应能力。

图 4 场站详情界面图

结语

安全、智能、高效、节能的智慧型场站是场站建设的必然之路。本文以提高公交运营效率、提

升公交行业监管和服务水平为核心，梳理场站智能化建设要素，提出智慧场站建设总体架构和智慧

场站十大应用场景，为传统场站感知能力不足、管理难度大、业务协同难等管理难题提供有效解决

方案，同时可为行业编制场站智能化建设标准指引提供参考。

首都智慧地铁系统架构与功能规划

363

智能轨道交通

智能交通产品与技术应用汇编

364

首都智慧地铁系统架构与功能规划

魏 运 白文飞

北京市地铁运营有限公司

一、引言

新一轮科技革命和产业变革蓬勃发展，正推动着人类社会向智慧时代迈进。在此环境下，作为

“新基建”重点建设领域之一、城市交通大动脉的轨道交通，建设智慧地铁已成为当前城市轨道交通

行业的发展共识和趋势。

首都地铁作为我国地铁的发展摇篮和行业龙头，已发展成为超大规模的城市轨道交通系统。进

入新时代和新阶段，首都地铁在支撑交通与城市现代化，服务首都功能实现和市民出行，实现高质

量发展的过程中面临着更高的要求，迫切要求转变传统的发展模式，构建北京地铁运营新模式和新

型架构体系，实现“提质、降本、增效、节能”和高质量创新发展。为有序推进首都智慧地铁建设，

北京市地铁运营有限公司联合国内多家行业优势单位，开展了智慧地铁研究，并编制形成了《首都

智慧地铁发展白皮书（2020 版）》，以此作为指导首都智慧地铁发展的纲领性文件，本文依托《首都

智慧地铁发展白皮书（2020 版）》对智慧地铁的认识与理解、系统架构、功能规划进行介绍。

二、智慧地铁的理解与认识

智慧地铁从根本上是“智慧”与“地铁”的有机融合。所谓智慧是指对事物分析判断和发明创

造的能力。地铁的本质属性是一种大容量的公共交通工具，最基本的目的是实现人和物的位移，由

人、列车、设施设备和管理系统四个基本要素组成，地铁发展形态就是人、列车、设施设备和管理

系统四个要素之间的相互关系。

因此，智慧地铁本质内涵可理解为使地铁具备人的决策、学习、创新和交互能力的新型地铁位

移服务系统，其核心是通过借助新一代的思想、理念和技术，在充分信息获取的数据驱动下，重塑

地铁系统中人、列车、设施设备和管理系统之间的相互关系，将人从地铁系统中解放出来，实现从

“人适应地铁”到“地铁适应人”，“生产范式”向“服务范式”，“被动服务”向“智能服务”的转变。

智慧地铁内涵认知模型如图 1 所示。

首都智慧地铁系统架构与功能规划

365

图 1 智慧地铁内涵认知模型

智慧地铁是一种新型系统。在这个系统中对人、载运工具、基础设施、管理系统等各地铁要素

进行了重构。在传统的地铁认识中，各要素的边界是清晰的，随着技术的发展，各要素边界变的交

融模糊，如车辆原本仅仅作为载运工具使用，在智慧地铁中车辆有可能具有计算和决策功能，这种

要素功能之间的转变使得智慧地铁实现了一种交通质变。智慧地铁是一种新型发展模式。在这种模

式下，地铁系统作为一个智能体，能够根据人的需求和社会环境的变化进行自主学习，不断创新进

化以适应新的需求与环境，在具体功能上表现为对人和社会需求的满足，是一种全新的出行、运营

和管理期望，表达了乘客、企业、政府想达到的一种未来地铁发展愿景。智慧地铁是一个新型发展

阶段。作为交通系统发展的更高级阶段，是随着社会、经济和技术发展所经历的一段过程，但不是

地铁发展的最终目标。基于上述理解构建了智慧地铁概念的 SCF（Subject-Cycle- Function）模型，

并提出智慧地铁的概念为：是指通过综合运用新一代思想、理念和技术，以定制响应地铁服务对象

的需求为目的，在对地铁全过程、全系统、全要素进行透彻感知、智能诊断、自主决策和自我学习

的基础上，构建的新智能位移服务系统，是实现全寿命周期内政府、企业和乘客多主体美好出行愿

景的一种新发展形态。智慧地铁概念的 SCF 模型如图 2 所示，

主体

（Subject）

功能

(Function)

全寿命周期

(Cycle)

乘客

企业

政府 规划

设计

建设

运维

感知 诊断 决策 学习

图 2 智慧地铁概念的 SCF 模型

三、智慧地铁系统架构

基于上述对智慧地铁的理解，提出首都智慧地铁“1-4-1”的系统组成。

1 个智慧大脑是智慧地铁的数据计算中枢和决策机构，主要实现对智慧地铁系统的数据存储与

智能交通产品与技术应用汇编

366

治理、大规模计算、平行推演和智能决策等功能。面向国家重大活动保障、重大科技创新及应急处

置等首都特殊场景，根据具体业务应用功能的数据和信息，利用大数据、云计算、机器学习、人工

智能等新技术，在自主辨识和学习外部环境和内部需求的基础上进行计算分析，平行推演多业务综

合场景，提出科学有效的决策信息，并反馈至各业务系统。

4 项业务功能是智慧地铁的源泉和载体。一方面，所有的智慧决策来源于业务应用的实际需求

和感知数据；另一方面，业务应用以多元主体需求为导向，精准执行智慧大脑或边缘计算节点的分

析结果，将决策转换为行动，智能联动不同业务，高品质、个性化的服务多主体。

1 套基础支撑是智慧地铁实现的关键和纽带。时空基准网络体系包括以“北斗+5G+空间数字化”

技术为基础的地铁定位系统和空间数字化地理信息平台，为智慧地铁提供高精准、低时延的基础

时间信息和空间信息；技术标准体系包括智慧地铁建设需遵循的统一技术标准和相应的评价指标

体系；安全保障体系包括确保智慧地铁通信网络及信息安全的解决方案，以及适合首都智慧地铁发

展的保障措施，包括制度保障、组织保障、技术保障、人才保障等方面，形成有效的智慧地铁建设

支撑体系。

首都智慧地铁“1-4-1”系统组成如图 3 所示。

图 3 首都智慧地铁“1-4-1”系统组成

四、智慧地铁功能规划

基于上述首都智慧地铁“1-4-1”的系统架构，重点面向运营阶段智慧化提出以智能服务、智能

运行、智能运维和智能管理为核心业务的功能规划，从而构建集约化的智慧地铁新模式和新业态，

实现公众美好愉悦出行、地铁安全高效运行、设备可靠经济服役、企业科学精细管理的发展目标。

（一）智能服务

智能服务是智慧地铁建设的根本，也是建设的出发点，是以乘客出行需求为核心，建立新型服

务模式，并依托各类智能终端，打造以人为本、创新灵活的服务体系，为乘客提供精准化、个性化、

人性化的全过程出行服务。

根据对面向乘客出行场景需求的分析，智能服务的内容主要包括智能导航、智能安检、智能票

务、智能客服和智能便民等。智能导航主要实现对乘客出行全过程的信息个性化主动推送发布、站

首都智慧地铁系统架构与功能规划

367

内智能微导航、应急事件路径主动调整和智能动态引导等功能；智能安检通过建立基于乘客信用体

系的“精准检物+分类分级人检”的安检新模式，研发应用“安检-检票”一体化的新型快速安检设

备，实现乘客的高效无感进站；智能票务主要包括无感检票、多元票种以及无闸进出站等服务；智

能客服主要通过人工智能等技术替代现有人工客服，实现人机交互式客服、可视化视频客服及异常

事件智能自助处理等功能；智能便民功能主要包括特殊乘客预约乘车、预约接驳、车站寄存、车站

商业、智能厕所等。

（二）智能运行

智能运行是智慧地铁建设的核心，在实时精准辨识车流-客流-设备设施-环境状态的基础上，围

绕客流管控、列车运行、调度指挥、设备控制、应急处置等环节，进行自主学习、智能研判和决策

优化，实现客流多场景全方位诱导和协同管控，网络化、集中化的调度指挥，设备自主化运行和智

能化控制，以及高效精准的应急处置等，从而打造安全、高效、协同、智慧的地铁运行系统。

根据对面向运行管理场景需求的分析，智能运行的内容主要包括智慧客流、智能调度、智能列

车和智能应急。智慧客流主要实现乘客位置、分布、轨迹及异常行为的精准辨识，车站-列车-线路路网客流动态状态的全息感知以及多层级人车协同管控等功能；智能调度的主要功能包括网络化行

车智慧调度、集中化设备运行调度和车站设备智能控制等，实现基于实时客流的行车组织、全网全

专业多系统的快速协同调度和设备自主运行；智能列车在行车方面实现全自动驾驶、智能防撞、车车通信、灵活编组、虚拟连挂等功能，在乘客服务方面实现车内照明、温度等自主控制和车窗信息

互动等功能，在健康管理方面实现列车状态在途监测、在线评估、故障预警和维修决策支持等功能；

智能应急的主要功能包括应急预案数字化、应急装备智能化、指挥处置协同联动和应急物资实时追

踪等功能，实现突发事件的应急协同指挥处置。

（三）智能运维

智能运维是智慧地铁建设的关键，基于 PHM（Prognostic and Health Management）、预测性维修、

全寿命周期修理决策优化等技术，实现地铁设施设备（包括轨道、隧道、桥梁、供电等）的自感知、

自诊断、自决策，精准、精细、精确地掌握状态劣化机理和演变规律优化养修策略和资产管理，打

造状态监测、故障诊断、风险预警、养护维修和资产管理的闭环链条，保持全寿命周期的高稳定性、

高可靠性，降低运维成本。

根据对面向设备运维场景需求的分析，智能运维的内容主要包括智能感知诊断、智能分析预警、

智能维修评价和智能资产联动。智能感知诊断通过先进的感知技术实时采集设备设施运行参数，自动

辨识和评价健康状态，为进行智能运维奠定数据基础；智能分析预警通过对感知诊断数据进行深度挖

掘，实现状态演化机理多维度分析、风险预测预警、维修策略智能优化和修理计划的自动编制等，提

升维修决策水平；智能维修评价主要实现一键故障报修、电子作业派发、远程维修处置及作业质量后

评估等功能，提高运维效率和质量；智能资产联动通过将设施设备运维管理与资产管理联动，实现资

产履历全寿命周期管理、备品备件的智能追踪和优化、资产更新改造计划的智能编制与优化等功能。

（四）智能管理

智能管理是智慧地铁建设的保障，基于智能服务、智能运行、智能维修的功能规划，通过综合

智能交通产品与技术应用汇编

368

运用现代化信息技术和管理理念，改变现有管理体制机制，科学配置企业资源和优化企业秩序，构

建管理精细化、运行高效化、效益最大化的智慧化管理体系，以实现对业务的有效支撑和企业的可

持续发展。

智能管理内容主要包括智能资产管理、智能资源管理、智能企业管理和智能协同办公。智能资

产管理依托企业大量的多源生产数据，实现资产全寿命周期的购置、使用、盘点、折旧、报废、更

新改造等的精细化管理；智能资源管理充分利用地铁独特的资源优势和多源数据，进行交叉营销，

拓展经营业务，包含资源开发、经营分析、媒体广告、房产开发等，提高经营效益；智能企业管理

包含人事管理、财务管理、档案管理、合同管理等，充分利用信息化平台，对企业管理的各类数据

进行智能分析和统计，优化管理模型，简化业务处理过程，提高企业的管理效率和水平；智能协同

办公基于统一数据和应用接口，建立全局数据共享体系，实现不同组织机构和管理部门的协同高效

运转，有效提升办公能力和决策效能。

五、结论与展望

智慧地铁是地铁发展的新方向，但是建设智慧地铁是一个全新的课题，需要不断的技术积累和

变革，是一个不断探索、不断完善的过程。在智慧地铁的建设过程中，要坚持守正创新，尤其以下

几点需要思考与注意：

1．智慧地铁建设要以实际业务问题为导向，避免新技术和新产品的机械堆砌，“智慧”只是手

段，目的应是切实解决地铁行业所面临的痛点问题，提升地铁发展水平；

2．智慧地铁建设不仅仅是新技术的应用，更是发展理念的变革，一方面要转变现有管理模式和

实现手段中不适应新时代发展需求的地方，大胆创新；另一方面，更要继承和发展现有地铁积累的

基础，利用新的管理模式和实现手段对地铁的优化发展；

3．智慧地铁建设是一个长期的复杂系统工程，要树立长远的发展观念，不断的积累与探索，除

了顶层设计和功能规划外，关键科学问题、保障体系、评价体系等需要进一步研究。

城轨通信系统人机界面融合设计

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城轨通信系统人机界面融合设计

杜 恒 陈庆瑞 胡巍巍 鲁 坤

北京大象科技有限公司

一、引言

城市轨道交通系统中，行车调度员作为组织城轨交通系统“大脑中枢”运行的指挥官，其日常

工作、应急调度决策的准确性及高效性直接关系到应急处置的效率及突发事件影响期间的运营安全。

行车调度员通过使用通信系统，能够高效的对列车进行指挥、联络和进行各种信息传递，确保整个

轨道交通系统处于有序、安全的运行之中。行车调度员的工作台上需要摆放多专业的监控终端，包

括信号系统调度工作站（双显示器）、综合监控系统工作站（双显示器）、无线列调系统工作站（单

显示器）、调度电话系统终端（单显示器）、施工调度系统工作站（单显示器）等。同时，行车调度

员还需要观察大屏监控系统以掌握全线列车的运行情况，所以这些显示器通常是单排摆放，以免遮

挡行车调度员观察大屏。行车调度员的工作台不得不做的很宽，导致行车调度员在工作时，不得不

经常移动座椅或起身操作。

虽然通信设备是独立的、可以同时使用，但根据运营公司工作流程要求，即便司机和车站值班

员在同一时间呼叫行车调度员，行车调度员也只能一个一个接听。本文探讨将无线列调系统工作站

与调度电话系统终端进行融合的设计方案，将两台设备整合成一台，以节省显示器空间占用，便于

行车调度员操作。

二、发展现状

无线列调系统和调度电话系统各自的发展都很成熟，因通信对象、移动性的需求不同，采用的

通信方式不同。行车调度员通常位于调度控制中心、车站值班员位于车站综控室、司机位于车辆上。

无线列调系统适用于固定对象与移动对象和移动对象之间的通信，因此行车调度员通过无线列调系

统联系全线各辆列车上的司机。调度电话系统适用于固定对象与固定对象之间的通信，因此行车调

度员通过调度电话系统联系各车站值班员、以及车辆段调度员、电调、环调和其他调度员。

（一）无线列调系统

为了保证行车调度员与列车司机的实时沟通，并且不受其他信号的干扰，通常采用无线列调系

智能交通产品与技术应用汇编

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统建立专用的通信信道，以满足行车调度员与全线列车司机的高效通信需求。无线通信系统通过传

输通道将移动交换器、中继器、基站、司机车载台、同轴电缆和便携台等通信设备进行连接，基站

之间利用电磁波在现实空间的传播性质进行互相通信，基站的组成形式可根据轨道交通的运营规模

确定使用大区制或小区制。无线通信系统采用数字化集群技术实现行车调度的系统化操作，通过将

通信信道集中控制的方式来方便对信息传输的管理。无线调度系统可设置多个通信组，如全线司机

组，组内成员间可实时监听所有组内的通话，并且不需要接听，需要注意的是，各组之间不能进行

交叉呼叫，必须遵守无线通信流程和各项技术规范。同时，可为行车调度员设置较高级别的权限，

行车调度员可直呼某列车的司机，无需司机接听，进行点对点语音通信。无线列调系统人机操作界

面如图 1 所示，无线列调系统通常具有以下功能：

1、全线监听：选择全线监听组，可实时监听组内的所有通话。

2、单呼：选择某一个车次号，进行单呼。

3、多选：多选列表里面含有上/下行所有列车车次号，可以通过键盘 SHIFT 实现多选进行呼叫。

4、派接：当某一列车请求呼叫其他列车时，可以显示在派接列表中，行车调度员为其派接。

5、全呼：呼叫上/下行所有列车，建立通信。

6、紧急呼叫：行车调度员与列车司需要紧急呼叫对方时，通过紧急呼叫可以直接取得通话权。

7、短消息：输入相关文本消息，选择车次号进行发送。

图 1 无线列调系统人机操作界面

（二）调度电话系统

为了保证行车调度员和车站值班员之间能够进行安全可靠的设备通信联络，在轨道交通通信系

统中发展了调度电话系统。调度电话系统用于控制中心行车调度员和车站值班员进行与行车安全方

面有关的信息通讯。调度电话系统网络分布在控制中心和各车站，由此形成了枢纽主系统和车站分

系统，两个系统之间通过 2Mbit 的数字式通信通道进行语音通信。

调度电话系统支持传统拨号直播的方式，所有拨叫需要等待对方接听。因通信对象都是固定位

置的，常用热键绑定的方式，预录常用通信对象及通信群组，如某某集中站，全线车站等。调度电

话系统人机操作界面如图 2 所示，调度电话系统通常具有以下功能：

1. 热键直拨，调度台可以从预置的热键直拨其他分机。

2. 通话分组，当调度分机呼叫某一调度台组的主号码时，同一调度台组内的所有调度台同时振

城轨通信系统人机界面融合设计

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铃，并进行来话显示。同组的任一调度台都可以应答呼叫调度分机的任何来话。一个调度台应答后，

同组其它调度台的来话显示状态显示为与他台通话。

3. 通话强插，调度台呼叫调度分机遇忙，按强插键，如果调度分机正在通话中，调度台可以插

入通话，形成三方通话。

4. 通话强拆，调度台呼叫调度分机遇忙，按强拆键，如果调度分机正在通话中，调度台可以强

拆与其通话的一方，改为与调度台通话。

5. 通话保持，调度台与调度分机通话时，按保持键，可以将通话保持，可以进行其它操作，如

拨打其它调度分机或应答来话等。

6. 通话转移，调度台保持一方，然后拨打另一方，听回铃，或接通后，按转移键，就将被保持

的一方转移到另一方。

7. 会议，行车调度员手动在会议中，通过按热键增加成员。成员缺席时，调度台在 10 秒左右

发起追呼。

8. 通话取消，既结束通话。

9. 点名（轮呼）功能，行车调度员检测与各车站的调度电话通信是否正常。按点名键启动点名

功能，调度台自动按预先设置的点名号码进行点名操作。点名过程中，遇到一个呼通的点名号码，

则维持通话 5 秒后，继续呼叫下一个点名号码。

13.呼叫队列，调度台上的多路来电可进行排队，行车调度员可根据情况选择接听来电或自动顺

序接听。

14. 录音，对所有调度电话通话进行自动录音及存储。

图 2 调度电话系统人机操作界面

三、融合设计

城轨通信系统人机交互界面基于无线列调系统和调度电话系统进行融合设计，通过与多家地铁

公司行车调度员进行问卷调查和访问等方式，对无线列调系统和调度电话系统中各个功能的使用频

率进行统计和排序，了解各个功能的使用场景、提炼出常用且不可由其他功能替代的关键功能。

智能交通产品与技术应用汇编

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（一）功能设计

行车调度员对无线列调系统关键功能的使用频率依次排序：全线监听、单呼、全呼、多选、紧

急呼叫、派接六大核心功能，其他功能因设备厂家的不同而各异，多为配置管理的辅助功能，很少

使用。

行车调度员对调度电话系统关键功能的使用频率依次排序：热键直拨（单个车站，集中区一组

车站）、会议两大核心功能。其他功能因调度电话系统在运营规定上主要用于行车调度员与车站值班

员点对点的通话使用，多数情况下不需要使用强插、强拆、通话保持、通话转移等功能。

根据上述统计结果，融合设计主要对全线监听、单呼、全呼、多选、紧急呼叫、派接、热键直

拨（单个车站，集中区一组车站）、会议等功能进行界面设计。其他功能，可通过切换调取原有界面

设计使用。

（二）界面融合设计

依据功能设计，界面融合设计采取垂直左右平分的总体设计方式，如图 3 所示。无线列调系统

界面分成三部分，即在线列车列表窗体、多选和派接窗体和通话记录窗体。通过在在线列车列表窗

体中增加“通拨组”实现全线监听和全呼功能，通过点击“闪电”按钮开始通话，通话结束，再次

点击“闪电”按钮。通过点击”紧急呼叫“按钮实现与所选列车进行紧急通话的功能。在多选和派

接窗体中，实现多选和派接功能。

调度电话系统界面不进行拆分，通过热键预置实现对单个车站、集中区一组车站、全线集中站、

全线车站以及其他调度岗位的热键直呼。会议功能采取默认开启的方式，行车调度员在使用时，只

需点击需要通话的车站热键即可实现对多个车站的会议通话。车站接通后，对应车站背景颜色改变，

再次点击接通的车站，挂断与该车站的通话。

图 3 城轨通信系统人机交互界面融合设计

（三）软件后台设计

界面融合属于一种软融合，并没有改变无线列调系统和调度电话系统的硬件实现。所以软件后