基于車路協(xié)同的智慧高速公路建設(shè)關(guān)鍵工程與技術(shù)應(yīng)用研究

杜奕霖 王平恒 楊友盛 蘇愛斌

摘要：文章以智慧高速公路行業(yè)現(xiàn)狀及車路協(xié)同建設(shè)趨勢為切入點(diǎn)，研究車路協(xié)同在智慧高速公路建設(shè)中的關(guān)鍵工程與相應(yīng)的技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)，為智能網(wǎng)聯(lián)車輛乃至傳統(tǒng)車輛在智慧高速公路中的數(shù)據(jù)交互與創(chuàng)新服務(wù)提供建設(shè)思路。

關(guān)鍵詞：車路協(xié)同；智慧高速；關(guān)鍵工程；應(yīng)用研究

中圖分類號：U412.36+6A481643

0引言

隨著時代的發(fā)展與我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷加快，機(jī)動車數(shù)量急速增長，高速公路交通運(yùn)輸需求個性化與承載力要求不斷提升，環(huán)境污染治理、高效運(yùn)輸服務(wù)、汽車產(chǎn)業(yè)升級和地區(qū)發(fā)展協(xié)同等問題日益凸顯，高速公路智慧化成了公路交通發(fā)展重點(diǎn)突破的對象。以車路協(xié)同、輔助自動駕駛為代表的新一代智慧交通，承載著AI、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)和寬帶移動互聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)正在重新塑造國際社會經(jīng)濟(jì)生活與全球產(chǎn)業(yè)格局，成為世界范圍內(nèi)各國爭先推進(jìn)的戰(zhàn)略方向，為信息、通信、汽車、制造等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的升級轉(zhuǎn)型帶來了新思路和新途徑，吸引了政府、汽車企業(yè)巨頭、互聯(lián)網(wǎng)公司、通信運(yùn)營商和系統(tǒng)集成商。鑒于此，基于車路協(xié)同的智慧高速公路建設(shè)關(guān)鍵工程與技術(shù)應(yīng)用就進(jìn)入了研究的“快車道”。

1基于車路協(xié)同的智慧高速公路的含義

智慧高速公路是在高速公路交通運(yùn)輸領(lǐng)域充分利用物聯(lián)網(wǎng)、空間感知、云邊端計算、移動互聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)，綜合運(yùn)用交通科學(xué)、系統(tǒng)方法、機(jī)器視覺、數(shù)據(jù)挖掘與管理等理論與工具，以全面感知、深度融合、主動服務(wù)、科學(xué)決策為目標(biāo)，通過建設(shè)實(shí)時的車路協(xié)同動態(tài)信息服務(wù)體系，深度挖掘交通運(yùn)輸相關(guān)數(shù)據(jù)［1］，形成優(yōu)化運(yùn)力分析模型與輔助自動駕駛模式，實(shí)現(xiàn)行業(yè)資源配置優(yōu)化、公共決策、行業(yè)管理、公眾服務(wù)等能力的提升，推動公路運(yùn)輸更安全、更高效、更便捷、更經(jīng)濟(jì)、更環(huán)保、更舒適地運(yùn)行和發(fā)展，帶動交通運(yùn)輸相關(guān)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、升級［2］。基于車路協(xié)同的智慧高速公路建設(shè)，旨在構(gòu)建一套完善的數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)和管理調(diào)度流程標(biāo)準(zhǔn)，打造開放的車路協(xié)同云管理體系，納入更多個人車主端（C端）定制化網(wǎng)聯(lián)車輛智慧應(yīng)用，并從車企端（B端）打通各個不同品牌網(wǎng)聯(lián)自動駕駛車輛信息孤島，為政府端（G端）強(qiáng)化車路協(xié)同體系下的公眾服務(wù)能力。

2.1智能網(wǎng)聯(lián)汽車存在信息孤島問題

對于各廠商智能網(wǎng)聯(lián)汽車存在信息孤島，難以高效協(xié)同、有效管理的問題，需要通過一套基礎(chǔ)可靠的信息交互規(guī)則與高速公路新型基礎(chǔ)設(shè)施與專用通信設(shè)備，實(shí)現(xiàn)跨廠商車與車、車與路側(cè)設(shè)施、車與運(yùn)營管理機(jī)構(gòu)之間的數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，將各種實(shí)時動態(tài)信息匯聚到云管控平臺，為各種出行應(yīng)用場景、交通運(yùn)輸管理、車路通信提供大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)平臺。

2.2自動駕駛汽車智能成本過高問題

為解決智能網(wǎng)聯(lián)及自動駕駛汽車智能成本過高、感知要素不全、營運(yùn)范圍有限，難以商業(yè)化的問題，亟須通過對車、路、云數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一分析處理、協(xié)同感知，建立車輛與交通環(huán)境的精細(xì)化多維度數(shù)字鏡像，將全局最優(yōu)決策與交通態(tài)勢預(yù)測反饋給車輛、路側(cè)設(shè)備協(xié)同管控，實(shí)現(xiàn)車路云協(xié)同輔助駕駛與輔助自動駕駛，降低汽車智能對車載設(shè)備的依賴程度。

3車路協(xié)同總體架構(gòu)

基于車路協(xié)同的智慧高速公路建設(shè)總體框架主要分為感知層、傳輸層、支撐層以及應(yīng)用層建設(shè)。

3.1感知層

主要建設(shè)激光雷達(dá)、氣象感知設(shè)備、5G基站、智能網(wǎng)聯(lián)車輛、高精度地圖、北斗衛(wèi)星定位、分體式智能情報板、智能攝像頭、邊緣計算終端等新型數(shù)字化基礎(chǔ)感知設(shè)備。

3.2網(wǎng)絡(luò)層

構(gòu)建一張涵蓋專用短程通信、C-V2X、5G、高速公路自組織專網(wǎng)和骨干通信網(wǎng)的高密度、高速率、低延遲的新一代交通通信與控制網(wǎng)。

3.3支撐層

建設(shè)云管控平臺，基于大數(shù)據(jù)、云計算、邊緣計算、AI等先進(jìn)技術(shù)對數(shù)據(jù)治理，深度挖掘數(shù)據(jù)價值，為智能網(wǎng)聯(lián)交通控制、測試和評估提供數(shù)據(jù)支撐和決策服務(wù)。

3.4應(yīng)用層

搭建開放的SaaS創(chuàng)新應(yīng)用實(shí)驗(yàn)平臺，開展路網(wǎng)監(jiān)測、智慧物流、多式聯(lián)運(yùn)、新能源貨車編隊行駛、網(wǎng)聯(lián)車輛協(xié)同測試等車路協(xié)同應(yīng)用場景形成網(wǎng)聯(lián)交通體系。

4基于車路協(xié)同的智慧高速關(guān)鍵工程

4.1道路工程

以高速公路作為應(yīng)用示范場景，通過研究新一代路側(cè)智能感知和中、短程通信設(shè)施，對路面狀況和通行車輛進(jìn)行感知與交互，結(jié)合機(jī)器視覺技術(shù)采集路面實(shí)時視頻信號，構(gòu)建多維高速公路交通運(yùn)輸監(jiān)控體系。充分利用高精度定位基礎(chǔ)設(shè)施與高精度地圖、激光雷達(dá)、數(shù)字孿生等技術(shù)，對在途傳統(tǒng)車輛和網(wǎng)聯(lián)車輛進(jìn)行實(shí)時精準(zhǔn)定位，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化的路網(wǎng)運(yùn)行狀況整體數(shù)據(jù)采集的宏觀監(jiān)控與指揮調(diào)度的基礎(chǔ)環(huán)境。通過搭建高速公路物聯(lián)數(shù)據(jù)采集平臺，將來自高速公路沿線、邊坡、橋梁、隧道、服務(wù)區(qū)、收費(fèi)站等高速公路固定資產(chǎn)的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)全量采集與關(guān)鍵數(shù)據(jù)可視化，結(jié)合固定資產(chǎn)傳感監(jiān)測數(shù)據(jù)與分布式氣象站等的環(huán)境數(shù)據(jù)，將整體物聯(lián)數(shù)據(jù)孿生于高精度地圖之上，實(shí)現(xiàn)全域數(shù)據(jù)的可視化監(jiān)測管理。構(gòu)建基于北斗的GNSS遙感數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，利用GNSS遙感技術(shù)對高速公路固定資產(chǎn)和移動運(yùn)輸單元進(jìn)行遙感數(shù)據(jù)采集，即邊坡、隧道等路網(wǎng)災(zāi)害敏感固定資產(chǎn)進(jìn)行遙感災(zāi)害監(jiān)測，包含“兩客一?！钡目拓涍\(yùn)輸與智能網(wǎng)聯(lián)汽車等移動運(yùn)輸進(jìn)行定位數(shù)據(jù)采集，并將其歸集至高速公路物聯(lián)數(shù)據(jù)采集平臺進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)可視化監(jiān)測管理。

4.2車輛工程

研究自主駕駛和輔助自動駕駛情況下對傳統(tǒng)汽車車輛的升級改造工程，包括車輛的信息交互中控系統(tǒng)、自動操控系統(tǒng)，使其滿足與車路協(xié)同路側(cè)設(shè)備、通信單元的數(shù)據(jù)接收能力。同時，基于高精度激光點(diǎn)云雷達(dá)、短焦距雙目攝像頭、長焦距單目攝像頭等新一代網(wǎng)聯(lián)車載實(shí)時感應(yīng)終端，對高速公路運(yùn)營管理的傳統(tǒng)車輛進(jìn)行賦能改造，例如公路養(yǎng)護(hù)巡檢車輛、公路應(yīng)急排障車輛等，使其可與路側(cè)智能設(shè)備進(jìn)行動態(tài)實(shí)時數(shù)據(jù)交互，提升公路運(yùn)營管理與應(yīng)急處置的綜合調(diào)度智慧效率。

4.3通信工程

通信工程是車輛與道路通信的核心，更是網(wǎng)聯(lián)自動駕駛汽車與云管控平臺通信的橋梁。借助5G的低延時、廣覆蓋、高通量通信微基站，實(shí)現(xiàn)20 ms以內(nèi)的網(wǎng)聯(lián)車輛與云管控平臺的通信?；贑-V2X、專用短程通信和高速公路自組織專網(wǎng)等技術(shù)應(yīng)用，從微觀路段上構(gòu)建低功耗廣域傳輸MESH分布式自組傳輸專網(wǎng)。結(jié)合高速公路骨干通信傳輸網(wǎng)，從宏觀上將各路段傳輸網(wǎng)信號進(jìn)行整合匯聚，再通過高速公路骨干通信傳輸網(wǎng)將信號整體上行傳輸至高速公路物聯(lián)數(shù)據(jù)采集平臺，真正實(shí)現(xiàn)人、車、路、云平臺之間的全方位連接和高效的信息交互，支撐面向監(jiān)測、控制、數(shù)據(jù)服務(wù)的可靠低延時、大容量、高密度傳輸需求，提升高速公路交通安全和信息化程度。

4.4云管控工程

云管控工程是構(gòu)建車路協(xié)同云管控基礎(chǔ)平臺的核心工程，是車路協(xié)同體系建設(shè)的中樞，是車路協(xié)同數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)下行和數(shù)據(jù)安全的關(guān)鍵所在。面向輔助自動駕駛車輛對路網(wǎng)狀況識別分析、網(wǎng)聯(lián)車輛車路協(xié)同超視距路況感知、傳統(tǒng)運(yùn)營車輛路況提示與精準(zhǔn)位置服務(wù)搭建云管控基礎(chǔ)平臺。通過云管控平臺，實(shí)現(xiàn)對道路全域的路側(cè)智能設(shè)備數(shù)據(jù)動態(tài)管理、數(shù)據(jù)處理和精準(zhǔn)發(fā)布，對所有在途、在線的網(wǎng)聯(lián)車輛進(jìn)行動態(tài)追蹤與檢測，對車輛進(jìn)行實(shí)時運(yùn)行狀況分析，并與既有交通控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、誘導(dǎo)系統(tǒng)、預(yù)警系統(tǒng)、救援系統(tǒng)和信息服務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)互通，實(shí)現(xiàn)公路交通系統(tǒng)的車道級、路段級和路網(wǎng)級實(shí)時協(xié)同調(diào)度。

5主要應(yīng)用系統(tǒng)

5.1基于ETC的車路協(xié)同通信應(yīng)用系統(tǒng)

智能路側(cè)單元由基于ETC的專用短程通信模塊構(gòu)成，路側(cè)控制單元內(nèi)嵌V2X協(xié)議棧開發(fā)框架［3］，通過專用短程通信模塊發(fā)送/接收V2X通信數(shù)據(jù)，接收周邊車輛運(yùn)動狀態(tài)信息與車輛請求信息，并向周邊車輛廣播輔助定位數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)處理的預(yù)警信息，同時與后臺交互，執(zhí)行后臺控制中心指令，并上報預(yù)警信息。

5.2智能事件監(jiān)測應(yīng)用系統(tǒng)

該系統(tǒng)基于視頻的事件智能識別技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)對高速公路上行人拋撒物、機(jī)動車逆行、機(jī)動車違停、交通擁堵等事件的自動告警，以便運(yùn)營管理者及時采取應(yīng)對措施，提高工作效率。主要包括視頻事件報警查看、視頻事件報警處理、視頻事件報警相關(guān)操作、查看實(shí)時信息、查看實(shí)時分析視頻、車流量統(tǒng)計查看等功能。

5.3數(shù)字孿生可視化系統(tǒng)

對高速公路全線和高速公路固定資產(chǎn)進(jìn)行無人機(jī)傾斜攝影實(shí)景掃描，利用掃描數(shù)據(jù)構(gòu)建三維可視化數(shù)字孿生模型。通過數(shù)字孿生系統(tǒng)將云管控平臺中的在途車輛數(shù)據(jù)及路網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行鏡像關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)路網(wǎng)交通流模擬仿真管控。

5.4智能網(wǎng)聯(lián)車輛協(xié)同測試應(yīng)用系統(tǒng)

該系統(tǒng)包含多式聯(lián)運(yùn)輔助子系統(tǒng)、新能源貨車編隊控制子系統(tǒng)、智能網(wǎng)聯(lián)測試評估子系統(tǒng)。通過系統(tǒng)對在途跨廠商智能網(wǎng)聯(lián)汽車車載終端與車路協(xié)同外場設(shè)施信號交互對接進(jìn)行握手測試，結(jié)合云管控平臺對交通流的綜合分析及輔助決策，可以通過5G和專用短程通信形式將超視距路況預(yù)警信號下發(fā)至網(wǎng)聯(lián)汽車中控，車輛進(jìn)行超視距預(yù)警與駕駛提示，并輸出網(wǎng)聯(lián)車輛對路側(cè)設(shè)施和云管控平臺的兼容性報告，為后續(xù)正式場景的高速公路網(wǎng)聯(lián)車輛多式聯(lián)運(yùn)及新能源貨車編隊等高速公路車路協(xié)同創(chuàng)新應(yīng)用提供決策依據(jù)［4-5］。

6結(jié)語

通過上述關(guān)鍵工程與技術(shù)應(yīng)用，建立面向不同智能網(wǎng)聯(lián)車輛的智慧高速公路車路協(xié)同創(chuàng)新應(yīng)用與測試評估體系，在為智能網(wǎng)聯(lián)車輛提供車路協(xié)同服務(wù)的同時，可為智能網(wǎng)聯(lián)車輛及其用戶、管理及運(yùn)營機(jī)構(gòu)等建立車輛運(yùn)行、數(shù)據(jù)維護(hù)與分析、兼容性分析、信息安全等服務(wù)，并提供開放的測試評估支撐及車路協(xié)同服務(wù)，極大加快基于車路協(xié)同的智慧高速公路建設(shè)進(jìn)程，進(jìn)而推進(jìn)整個社會不斷進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)

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基金項(xiàng)目：廣西重點(diǎn)研發(fā)計劃項(xiàng)目“智慧高速車路一體技術(shù)研究與示范項(xiàng)目”（編號：桂科AB21196008）

作者簡介：杜奕霖（1989—），主要從事智慧高速信息化建設(shè)、數(shù)據(jù)中心建設(shè)與運(yùn)維、無人機(jī)在高速公路行業(yè)的應(yīng)用等工作。