智能網(wǎng)聯(lián)全息路口應(yīng)用探索

［蔡剛強 吳冬升 鄺文華］

1 前言

中國互聯(lián)網(wǎng)協(xié)會發(fā)布的《中國互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展報告（2021）》提到，在車聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，2020 年智能網(wǎng)聯(lián)汽車的銷量超過了303 萬輛，同比增長了107%[1]?！奥斆鞯能嚒迸c“智慧的路”作為國家戰(zhàn)略方向齊頭并進(jìn)，智能網(wǎng)聯(lián)路側(cè)智能成為新基建行業(yè)熱點，全國啟動了近百個智能網(wǎng)聯(lián)示范區(qū)建設(shè)。為避免重復(fù)建設(shè)實現(xiàn)資源最大化應(yīng)用，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、工業(yè)和信息化部聯(lián)合發(fā)布《開展智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施與智能網(wǎng)聯(lián)汽車協(xié)同發(fā)展》通知，智慧城市與智能網(wǎng)聯(lián)“雙智”協(xié)同發(fā)展將成為主流。

交通路口作為城市道路最典型和最復(fù)雜的交通環(huán)境，做好路口安全及效率管理一直是相關(guān)部門核心關(guān)注點，也是智能網(wǎng)聯(lián)業(yè)務(wù)的主要價值點。本文將從智能網(wǎng)聯(lián)全息路口角度出發(fā)，分析全息路口與智慧城市及智能網(wǎng)聯(lián)的關(guān)系，并給出智能網(wǎng)聯(lián)全息路口解決方案，和智能網(wǎng)聯(lián)全息路口典型應(yīng)用。

2 全息路口發(fā)展情況

2.1 全息路口的發(fā)展背景

據(jù)公安部統(tǒng)計，2021年全國機(jī)動車保有量達(dá)3.95億輛，其中汽車3.02 億輛，機(jī)動車駕駛?cè)诉_(dá)4.81 億人，其中汽車駕駛?cè)?.44 億人，已經(jīng)是名副其實的汽車大國。但根據(jù)世界銀行發(fā)布的全球20 個主要國家千人汽車擁有量數(shù)據(jù)來看，中國每千人擁車量僅為173 輛，與西方發(fā)達(dá)國家千人擁車量普遍大于500 輛相比，仍有巨大的提升空間。根據(jù)高德地圖的2020 年度中國主要城市交通分析報告顯示，全國361 個城市中，有2.49%的城市通勤高峰處于擁堵狀態(tài)，有37.67%的城市通勤高峰處于緩行[2]。不斷增長的汽車保有量將進(jìn)一步加劇城市交通壓力，智慧城市的智慧交通需求日益突出。

交通路口是城市道路中環(huán)境最復(fù)雜、參與者最多、問題狀況最頻繁的交通場景。優(yōu)化交通路口是緩解交通擁堵，提升道路通行能力，降低交通事故發(fā)生率最有效的手段之一。全國各地智慧城市建設(shè)當(dāng)中，智慧交通均是核心建設(shè)內(nèi)容之一。智慧交通建設(shè)通過建設(shè)各類感知系統(tǒng)采集原始數(shù)據(jù)，并通過大數(shù)據(jù)融合分析指導(dǎo)交通路口紅綠燈策略優(yōu)化、配時優(yōu)化，完成交通非現(xiàn)場執(zhí)法等各類操作。

另外，自動駕駛行業(yè)進(jìn)入發(fā)展的快車道。自動駕駛技術(shù)發(fā)展過程中，無窮無盡的道路場景是自動駕駛的核心難題。要解決自動駕駛的問題，首先需要提高自動駕駛車輛的感知能力，但單車智能感知能力、感知范圍一直是困擾行業(yè)的難題。感知能力不足會導(dǎo)致自動駕駛汽車存在安全風(fēng)險、乘坐體驗不友善及效率低下等問題。通過車路協(xié)同技術(shù)，能有效提升自動駕駛安全冗余，改善自動駕駛車輛乘坐體驗，增強民眾對自動駕駛信任度。

2020 年2 月，中央11 部門聯(lián)合發(fā)布《智能汽車創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略》，明確提出要構(gòu)建先進(jìn)完備的智能汽車基礎(chǔ)設(shè)施體系，推動道路基礎(chǔ)設(shè)施、智能汽車、運營服務(wù)、交通安全管理系統(tǒng)、交通管理指揮系統(tǒng)等信息互聯(lián)互通。

智能網(wǎng)聯(lián)汽車產(chǎn)業(yè)中“聰明的車”和“智慧的路”同步發(fā)展戰(zhàn)略已然明確。2021 年4 月，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、工業(yè)和信息化部確定北京、上海、廣州、武漢、長沙、無錫等6 個城市為智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施與智能網(wǎng)聯(lián)汽車協(xié)同發(fā)展第一批試點城市。2021 年12 月，兩部委確定重慶、深圳、廈門、南京、濟(jì)南、成都、合肥、滄州、蕪湖、淄博等10 個城市為智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施與智能網(wǎng)聯(lián)汽車協(xié)同發(fā)展第二批試點城市。

2.2 全息路口的發(fā)展進(jìn)程

“智慧的路”建設(shè)過程中，需要掌握道路各時段實時數(shù)據(jù)，路側(cè)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)感知是各類業(yè)務(wù)開展的核心基礎(chǔ)，目前市面上主流感知技術(shù)及其感知能力如表1 所示。

表1 交通路口主流數(shù)據(jù)采集方式感知能力對比圖

當(dāng)前路側(cè)感知系統(tǒng)主要服務(wù)于交通管理業(yè)務(wù)，路側(cè)智能感知系統(tǒng)普遍以線圈檢測、地磁檢測、斷面微波檢測、視頻檢測、人員駐點觀察為主。實際應(yīng)用當(dāng)中，許多數(shù)據(jù)無法采集或精度不夠而無法作為交通優(yōu)化和交通治理的依據(jù)。

面對新增的智能網(wǎng)聯(lián)車路協(xié)同業(yè)務(wù)，當(dāng)前感知手段在定位、航向角、交通參與者尺寸等核心參數(shù)上均無法滿足智能網(wǎng)聯(lián)車路協(xié)同的需求。表1 中可以發(fā)現(xiàn)，視頻檢測加雷達(dá)檢測可覆蓋之前線圈檢測、地磁檢測、斷面微波檢測的檢測能力，同時提供更全面的元數(shù)據(jù)采集能力，可滿足智能網(wǎng)聯(lián)車路協(xié)同業(yè)務(wù)感知能力需求，視頻+雷達(dá)自然成為全息路口檢測的優(yōu)選方案。

2.3 全息路口發(fā)展趨勢

現(xiàn)有交通路口感知系統(tǒng)建設(shè)過程中，未充分考慮智能網(wǎng)聯(lián)應(yīng)用需求。另外，因建設(shè)時間不同，建設(shè)需求不同，路口感知系統(tǒng)普遍存在各類數(shù)據(jù)相互獨立，數(shù)據(jù)價值僅限對應(yīng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)，難以滿足管理部門和最終用戶的實際需求。所以，全息路口建設(shè)應(yīng)在智慧交通需求的基礎(chǔ)之上，充分考慮智能網(wǎng)聯(lián)業(yè)務(wù)需求，通過多元感知融合，建設(shè)全息路口數(shù)字底座。

前文經(jīng)過對各類感知設(shè)備能力進(jìn)行分析，已知視頻、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)作為全息路口建設(shè)的優(yōu)選感知設(shè)備，當(dāng)前全息路口解決方案技術(shù)路線主要分三類，第一類為視頻+毫米波雷達(dá)；第二類為視頻+激光雷達(dá)；第三類為視頻+毫米波雷達(dá)+加激光雷達(dá)，三種方案對比如表2 所示。

表2 全息路口感知方案對比表

由表2 可知，毫米波雷達(dá)+視頻方案存在低速移動物體識別能力較弱，需要依靠算法補償，不支持識別交通參與者尺寸等問題。激光雷達(dá)+視頻方案則受雨、雪、霧等天氣明顯，無法滿足全天候要求。視頻+激光雷達(dá)+毫米波雷達(dá)三者融合方案，相互取長補短，可實現(xiàn)全時、全域、全量、精準(zhǔn)的全息數(shù)據(jù)感知。

綜合來看，全息路口發(fā)展趨勢在技術(shù)層面，將以視頻+激光雷達(dá)+毫米波雷達(dá)為主的多元感知融合為主要發(fā)展方向。在業(yè)務(wù)層面，基于多元感知融合建設(shè)全息路口數(shù)據(jù)底座，統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)應(yīng)用，提供更全面和更精準(zhǔn)的交通路口實時數(shù)據(jù)，為智能網(wǎng)聯(lián)車路協(xié)同、交通違法處罰、交通管理指揮等業(yè)務(wù)系統(tǒng)賦能，最終實現(xiàn)智慧交通和智能網(wǎng)聯(lián)的“雙智”融合。

3 智能網(wǎng)聯(lián)全息路口的解決方案

3.1 智能網(wǎng)聯(lián)全息路口建設(shè)需求

全息路口建設(shè)主要負(fù)責(zé)采集路口交通參與者的位置、速度、尺寸、屬性、車牌等信息，基于元數(shù)據(jù)融合計算，得出流量密度、排隊長度、加速度、航向角等各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)指標(biāo)，為賦能自動駕駛、交通指揮調(diào)度、交通執(zhí)法等各類應(yīng)用提供充分全面的數(shù)據(jù)。

針對智能網(wǎng)聯(lián)車路協(xié)同業(yè)務(wù)需求，T/CSAE 53－2020合作式智能運輸系統(tǒng)車用通信系統(tǒng)應(yīng)用層及應(yīng)用數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)（第一階段）及T/CSAE 157－2020 合作式智能運輸系統(tǒng)車用通信系統(tǒng)應(yīng)用層及應(yīng)用數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)（第二階段）共定義了近30 種車路協(xié)同應(yīng)用場景，全息路口應(yīng)能滿足其中規(guī)定的車路協(xié)同各場景的應(yīng)用定義、預(yù)期效果、通信方式、數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)等要求。

根據(jù)智能網(wǎng)聯(lián)車路協(xié)同業(yè)務(wù)場景，對全息路口感知能力技術(shù)性能亦有嚴(yán)格要求，基于技術(shù)實現(xiàn)性高、易落地、可規(guī)?；渴鹪瓌t，目前智能網(wǎng)聯(lián)全息路口技術(shù)能力要求如表3 所示[3,4]。

3.2 智能網(wǎng)聯(lián)全息路口建設(shè)內(nèi)容

在智慧城市與智能網(wǎng)聯(lián)“雙智”協(xié)同發(fā)展的大前提下，全息路口的建設(shè)既要滿足傳統(tǒng)智慧交通需求，又要滿足智能網(wǎng)聯(lián)需求。本文提出全新的智能網(wǎng)聯(lián)全息路口“N+1+2+3”系統(tǒng)架構(gòu)，如圖1 所示。

“N”指的是全息路口部署的各種信息化設(shè)備。例如在交通路口，通過建設(shè)激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、AI 攝像機(jī)、邊緣計算單元、信號控制機(jī)、RSU 通信設(shè)備實現(xiàn)路口基礎(chǔ)信息采集、數(shù)據(jù)融合計算及道路信息發(fā)布。通過非機(jī)動車識別一體機(jī)等設(shè)備實現(xiàn)非機(jī)動車信息采集。通過AR 全景云眼，實現(xiàn)實景地圖信息采集。

“1”指的是大數(shù)據(jù)平臺，包括計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)資源，以及服務(wù)中臺、數(shù)據(jù)中臺和AI 中臺、算法倉庫等。

“2”指的是三維數(shù)字孿生世界和AR 增強現(xiàn)實世界。一方面結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)，構(gòu)建三維數(shù)字孿生世界，實現(xiàn)真實世界的數(shù)字化；另一方面通過與AR 技術(shù)結(jié)合，構(gòu)建AR 增強現(xiàn)實世界；最終，實景和孿生融合，實現(xiàn)真實世界數(shù)字化，虛擬世界可視化，構(gòu)建全息路口數(shù)據(jù)底座。

三維數(shù)字孿生世界是基于激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、AI攝像機(jī)等路側(cè)感知設(shè)備，實現(xiàn)對道路信息、基礎(chǔ)設(shè)施、交通參與者、交通流、排隊長度、區(qū)域密度、交通事件等信息的精準(zhǔn)感知，對交通要素實時位置、方位、經(jīng)緯度、速度、加速度、尺寸等信息全面感知。激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、AI 攝像機(jī)感知數(shù)據(jù)三者融合，通過三維建模，提供最全面、最準(zhǔn)確的交通路口信息，實現(xiàn)交通路口全息感知數(shù)字孿生應(yīng)用。

表3 車路協(xié)同路側(cè)感知系統(tǒng)技術(shù)

圖1 智能網(wǎng)聯(lián)全息路口系統(tǒng)架構(gòu)

AR 增強現(xiàn)實世界是基于數(shù)字孿生世界及AR 增強現(xiàn)實技術(shù)，通過AR 全景云眼融合地面視頻資源、地圖資源，快速構(gòu)建數(shù)字孿生世界與AR 增強現(xiàn)實世界的融合，實現(xiàn)虛擬數(shù)據(jù)及現(xiàn)實數(shù)據(jù)融合，為城市大數(shù)據(jù)、智慧城市建設(shè)提供實時、完整、全面、準(zhǔn)確的交通路口信息。

“3”指的是V2X 云控平臺、實景指揮調(diào)度平臺、非機(jī)動車管理平臺這三個業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)。通過打造全息路口數(shù)據(jù)底座，完成智慧城市和智能網(wǎng)聯(lián)所需數(shù)據(jù)采集，提供統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)的、精確的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)一套系統(tǒng)、一套數(shù)據(jù)、一套標(biāo)準(zhǔn)，多重使用。

賦能智能網(wǎng)聯(lián)V2X 云控平臺和智能網(wǎng)聯(lián)車路協(xié)同業(yè)務(wù)。通過精準(zhǔn)采集路口全量數(shù)據(jù)，推動“車-車/車-路/車-人”通信的交通流預(yù)測預(yù)警、交通事件預(yù)測預(yù)警、事故自動報警、行駛策略指引、交通管控信息的交互與協(xié)同控制，實現(xiàn)智能網(wǎng)聯(lián)道路交通全要素管控，有效減少交通事故、提高道路及車輛利用率等。

賦能智慧交通指揮調(diào)度、智慧城市治理等業(yè)務(wù)。通過精準(zhǔn)掃描路口全量數(shù)據(jù)，實現(xiàn)40+種路口級交通參數(shù)輸出。基于全息路口數(shù)據(jù)，可以支持各種解決方案優(yōu)化，比如路口交通事件檢測、路口優(yōu)化、信號配時調(diào)整等。當(dāng)數(shù)據(jù)積累到一定時間后，還可以進(jìn)行交通隱患、交通黑點的識別，交通熱力圖刻畫，提供黑點優(yōu)化方案，交通組織優(yōu)化方案。通過賦能智慧交通指揮調(diào)度系統(tǒng)，解決全息路口只能看，但是不能幫助交警解決實際工作的尷尬局面；為全息路口交警業(yè)務(wù)提供業(yè)務(wù)抓手，形成業(yè)務(wù)閉環(huán)。

賦能非機(jī)動車管理業(yè)務(wù)?；谌⒏兄獢?shù)據(jù)底座，感知非機(jī)動車在交通路口數(shù)據(jù)，建設(shè)RFID 射頻技術(shù)的新型電子警察監(jiān)控系統(tǒng)，發(fā)揮射頻視頻雙基結(jié)合優(yōu)勢，利用射頻數(shù)據(jù)對視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行補充和校正，系統(tǒng)自動識別、抓拍電動自行車超載、闖紅燈、逆行、占用機(jī)動車道及不佩戴頭盔等違法行為，對電動自行車進(jìn)行24 小時全天候的非現(xiàn)場違法查處，提升違法行為精準(zhǔn)查緝效率。

4 智能網(wǎng)聯(lián)全息路口的典型應(yīng)用

全息路口在智能網(wǎng)聯(lián)中的應(yīng)用，主要分為感知、通信、計算及決策環(huán)節(jié)，如圖2 所示，為智能網(wǎng)聯(lián)車輛提供完整、精確、實時的道路信息，以及提供安全類預(yù)警服務(wù)、效率類服務(wù)，信息通知類服務(wù)，典型應(yīng)用如下。

圖2 全息路口車路協(xié)同業(yè)務(wù)邏輯圖

4.1 智能網(wǎng)聯(lián)全息路口賦能自動駕駛

智能網(wǎng)聯(lián)全息路口可以從多方面賦能自動駕駛。

（1）紅綠燈信息推送

單車智能依靠攝像頭識別紅綠燈信息，存在前方大車遮擋看不到紅綠燈，或者樹木遮擋紅綠燈，以及在惡劣天氣條件下，比如雨霧天氣、強光照射，識別錯誤的情況。而依靠智能網(wǎng)聯(lián)全息路口，直接讀取紅綠燈信號機(jī)信息，給到RSU，通過RSU 廣播到自動駕駛車輛。可以讓自動駕駛車輛精準(zhǔn)讀取到紅綠燈信息，并且可以完全實現(xiàn)和信號機(jī)紅綠燈倒計時秒數(shù)的同步。

（2）超視距信息獲取

單車智能安裝的各類傳感器都有自己的覆蓋范圍，和人眼視距類似，例如超聲波雷達(dá)探測距離5 米，攝像頭100 米，激光雷達(dá)150 米，毫米波雷達(dá)250 米的融合感知組合。超出這個距離，依靠單車智能就無法再識別和獲取信息。

依靠智能網(wǎng)聯(lián)全息路口，可以通過安裝在全息路口的傳感器檢測出交通路口出現(xiàn)的交通事故，再將相關(guān)信息傳遞給路側(cè)邊緣計算設(shè)備，進(jìn)而通過區(qū)域邊緣計算設(shè)備或者中心云平臺，傳遞給幾公里外的RSU 設(shè)備，并通過RSU設(shè)備廣播給自動駕駛車輛，實現(xiàn)超視距交通狀態(tài)感知。

（3）鬼探頭等典型場景應(yīng)對

鬼探頭通俗來講，就是在前方有車輛或障礙物阻擋住司機(jī)視線，也就是存在視野盲區(qū)，從路邊突然躥出一輛非機(jī)動車或行人，導(dǎo)致司機(jī)避讓不及時。因為事發(fā)突然，彼此都沒有反應(yīng)與躲避的時間與空間，令人猝不及防，因此被稱為鬼探頭。

單車智能目前無法有效規(guī)避鬼探頭風(fēng)險。只有在交通路口進(jìn)行智能網(wǎng)聯(lián)路側(cè)基礎(chǔ)設(shè)施部署，通過路側(cè)智能設(shè)施識別出非機(jī)動車或行人的行為，通過路側(cè)邊緣計算設(shè)備進(jìn)行計算分析，預(yù)判出潛在碰撞風(fēng)險，及時推送給自動駕駛車輛。

除了鬼探頭這樣的場景外，還有一些單車智能難以識別的場景，比如路邊車輛停在交通路口右轉(zhuǎn)機(jī)動車道上，擋住自動駕駛車輛正常行駛線路，自動駕駛車輛難以判斷該車輛是在等待右轉(zhuǎn)燈繼續(xù)行駛，還是非法停車狀態(tài)。而通過智能網(wǎng)聯(lián)路側(cè)基礎(chǔ)設(shè)施，可以進(jìn)行識別和判斷該車輛停留時間，給自動駕駛車輛提供決策依據(jù)。

（4）安全冗余

自動駕駛產(chǎn)業(yè)發(fā)展，最需要的就是安全。一旦出現(xiàn)交通事故，尤其是造成人員傷亡和財產(chǎn)損失，對自動駕駛產(chǎn)業(yè)發(fā)展將造成致命打擊。因此，單車智能的主流做法是采用多重冗余的多傳感器融合感知+高精地圖+高精定位。

而智能網(wǎng)聯(lián)全息路口可以讓道路具備對交通參與者行為的分析預(yù)測能力、對交通環(huán)境和道路設(shè)施狀態(tài)的判斷能力、對交通事件的感知能力，這些結(jié)果通過智能網(wǎng)聯(lián)系統(tǒng)，給到自動駕駛車輛，作為自動駕駛車輛決策的輸入源之一，和單車智能輸入源進(jìn)行融合判斷，可以有效提升自動駕駛車輛的安全性，從而讓自動駕駛車輛多一層安全冗余。

4.2 智能網(wǎng)聯(lián)全息路口賦能非機(jī)動車管理

目前，以電動自行車為主要群體的非機(jī)動車，憑借其靈活輕便、價格適中的特點，成為快遞、外賣、民工等群體的主要出行工具。由于駕駛者大多數(shù)為快遞外賣小哥或者趕時間的上班人群，通常時間緊急，加之駕駛者安全行車、文明交通意識淡薄，故頻繁接打電話、低頭查看手機(jī)，為搶時間闖紅燈、逆行、不按車道行駛等行為屢屢發(fā)生，不僅擾亂城市交通秩序，也給其自身安全帶來了嚴(yán)重隱患。

在智能網(wǎng)聯(lián)全息路口，通過射頻視頻一體機(jī)準(zhǔn)確識別車輛身份并取證違法過程。射頻視頻一體機(jī)主要功能包括：支持射頻800/900 MHz 空中接口協(xié)議；可兼容機(jī)動車及非機(jī)動車電子標(biāo)識；采用900 萬像素CMOS，最大分辨率可達(dá)4K；支持非機(jī)動車違法行為識別和抓拍；支持機(jī)動車及非機(jī)動車電子標(biāo)識國家標(biāo)準(zhǔn)。

智能網(wǎng)聯(lián)全息路口通過部署射頻視頻一體機(jī)系統(tǒng)，自動識別、抓拍電動自行車各種違規(guī)行為，精準(zhǔn)采集違規(guī)車輛的“車牌號碼、違規(guī)時間、違規(guī)地點、違規(guī)類型”等數(shù)據(jù)，輔以違規(guī)過程的錄像，實現(xiàn)對電動自行車進(jìn)行24 小時全天候的非現(xiàn)場違規(guī)監(jiān)控及有效管理。

5 結(jié)語

智慧城市和智能網(wǎng)聯(lián)是城市新基建的核心內(nèi)容，交通路口是當(dāng)前城市智慧交通的主要瓶頸，是智慧城市建設(shè)需要攻克的核心問題之一。智能網(wǎng)聯(lián)全息路口建設(shè)可為“雙智”工作筑實數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，提供全天候、全要素、全場景、最全面、最準(zhǔn)確的交通路口信息，是提升城市交通安全、交通效率，實現(xiàn)智能交通的重要手段。通過建設(shè)智能網(wǎng)聯(lián)全息路口，可為多類業(yè)務(wù)系統(tǒng)賦能，統(tǒng)一建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，降低重復(fù)建設(shè)成本，是未來城市建設(shè)的重點方向，對智慧城市及智能網(wǎng)聯(lián)產(chǎn)業(yè)均具有積極意義。