基于ETC的車路協(xié)同系統(tǒng)應(yīng)用研究

韋燕寧 李東毅 董玉朕

摘要：文章以交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)試點(diǎn)項(xiàng)目南寧沙井至吳圩高速公路為例，分析基于ETC的車路協(xié)同系統(tǒng)的應(yīng)用與實(shí)踐。建設(shè)車路協(xié)同系統(tǒng)是提高路網(wǎng)運(yùn)行安全、效率及服務(wù)品質(zhì)的重要手段；取消省界收費(fèi)站工程中建設(shè)的ETC門架系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備、供電及通信鏈路資源可為采用DSRC技術(shù)的車路協(xié)同系統(tǒng)提供部分基礎(chǔ)設(shè)施。該技術(shù)路徑具有成本低、效率高、易推廣的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：車路協(xié)同，ETC，DSRC，高速公路

中圖分類號(hào)：U495A561882

0引言

我國(guó)取消高速公路省界收費(fèi)站之后，民眾出行的時(shí)效性和便利度大幅提升，全國(guó)初步形成了“一張網(wǎng)運(yùn)營(yíng)、一體化服務(wù)”的新興格局。截至2022年6月，我國(guó)ETC辦理用戶量超過(guò)2.3億人，建成ETC門架約2.83萬(wàn)套，ETC專用車道約3.5萬(wàn)條，占收費(fèi)車道數(shù)量的45%左右，ETC交易比例約占高速公路出口收費(fèi)交易量的66%。

針對(duì)初具規(guī)模的采用ETC技術(shù)的高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)，交通運(yùn)輸部持續(xù)出臺(tái)相關(guān)文件，要求推進(jìn)收費(fèi)系統(tǒng)優(yōu)化升級(jí)。《關(guān)于推動(dòng)交通運(yùn)輸領(lǐng)域新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的指導(dǎo)意見(jiàn)》將深化高速公路ETC門架應(yīng)用、推動(dòng)車路協(xié)同等設(shè)施建設(shè)和豐富車路協(xié)同應(yīng)用場(chǎng)景作為智能公路建設(shè)的主要任務(wù)；《加快推進(jìn)高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)優(yōu)化升級(jí)實(shí)施方案》和《關(guān)于深入開(kāi)展ETC服務(wù)提升工作的通知》要求優(yōu)化完善收費(fèi)系統(tǒng)，提升高速公路通行效率和服務(wù)質(zhì)量。

智慧公路建設(shè)是提升出行服務(wù)品質(zhì)的重要手段，一般采用LTE-V、5G、DSRC等通信標(biāo)準(zhǔn)。其中，LTE-V2X和5G-V2X方案在道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和用戶保有量方面尚未能形成商用規(guī)模，而取消高速公路省界收費(fèi)站工程中建設(shè)的ETC門架系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)、供電及通信鏈路資源可為采用DSRC技術(shù)的車路協(xié)同系統(tǒng)提供便利［1］。因此，將基于ETC的車路協(xié)同系統(tǒng)作為過(guò)渡時(shí)期方案，具有成本低、效率高、基礎(chǔ)廣的優(yōu)勢(shì)。本文以南寧沙井至吳圩高速公路為例，研究基于ETC的車路協(xié)同系統(tǒng)的應(yīng)用與實(shí)踐。

1系統(tǒng)總體框架

基于ETC的車路協(xié)同系統(tǒng)是充分利用收費(fèi)系統(tǒng)ETC門架和智慧高速路側(cè)感知設(shè)備，并在路段關(guān)鍵點(diǎn)位部署路側(cè)通信設(shè)施，通過(guò)整合高速公路收費(fèi)、監(jiān)控、養(yǎng)護(hù)、出行服務(wù)等跨系統(tǒng)資源，挖掘和提取交通事件，使用ETC門架的RSU天線為常規(guī)ETC用戶及智能OBU用戶提供信息服務(wù)。

基于ETC的車路協(xié)同系統(tǒng)由“車端-路側(cè)-中心端”三部分構(gòu)成。車端采用車載單元OBU作為車路協(xié)同信息接收、解析、交互裝置，主要類型包括常規(guī)OBU和智能前裝OBU。常規(guī)OBU是指通過(guò)電池供電的OBU或僅支持收費(fèi)業(yè)務(wù)的機(jī)動(dòng)車選裝OBU，可通過(guò)蜂鳴器對(duì)用戶進(jìn)行告警和提示［2］。智能前裝OBU則可接入機(jī)動(dòng)車CAN總線、T-box等系統(tǒng)，與汽車電子設(shè)備交互后，進(jìn)行語(yǔ)音、文字、地圖提示，可具備車路通信和電子支付能力。路側(cè)設(shè)備主要包括收費(fèi)系統(tǒng)設(shè)置的ETC門架設(shè)施和在關(guān)鍵點(diǎn)位部署的基礎(chǔ)設(shè)施：（1）對(duì)ETC門架軟件進(jìn)行技術(shù)升級(jí)和物理層拓展，依托RSU天線與OBU的雙向通信，作為車路協(xié)同的信息傳輸通道，以支持路側(cè)事件信息發(fā)布；（2）通過(guò)在分合流等重點(diǎn)區(qū)域部署路側(cè)設(shè)施，形成更廣泛覆蓋的ETC信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)。中心端通過(guò)融合車路協(xié)同外場(chǎng)數(shù)據(jù)、收費(fèi)系統(tǒng)數(shù)據(jù)、監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)事件分析及路段跨節(jié)點(diǎn)調(diào)度等功能，提升信息服務(wù)精細(xì)化水平。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1數(shù)據(jù)融合方案

為了拓展車路協(xié)同系統(tǒng)的信息源，為用戶提供更加豐富的出行服務(wù)，需將收費(fèi)、監(jiān)控、通信、養(yǎng)護(hù)等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。路段分中心的監(jiān)控、收費(fèi)、通信設(shè)施通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)和安全設(shè)備隔離區(qū)域，分別設(shè)置網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備區(qū)、外聯(lián)區(qū)、數(shù)據(jù)脫敏區(qū)等。收費(fèi)和稱重檢測(cè)等數(shù)據(jù)需要根據(jù)敏感性程度進(jìn)行完全脫敏或泛化脫敏處理，再輸出到數(shù)據(jù)庫(kù)交互使用。同時(shí)，針對(duì)不同系統(tǒng)的數(shù)據(jù)設(shè)置安全管理域，制定病毒防范、更新升級(jí)策略，在各分區(qū)均部署邊界防火墻，實(shí)現(xiàn)各分區(qū)與核心區(qū)相連。在優(yōu)化配置資源和控制網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備成本的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)信息融合和數(shù)據(jù)打通，并構(gòu)建數(shù)據(jù)即服務(wù)（DaaS）平臺(tái)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)建模分析，發(fā)布預(yù)測(cè)預(yù)警信息，輔助收費(fèi)稽查，增強(qiáng)運(yùn)、管、養(yǎng)聯(lián)動(dòng)能力。

2.2云端建設(shè)方案

在路段云平臺(tái)部署車路協(xié)同系統(tǒng)業(yè)務(wù)，同時(shí)預(yù)留其與省級(jí)及部級(jí)云平臺(tái)數(shù)據(jù)共享、業(yè)務(wù)連通的能力。業(yè)務(wù)方面主要包括以下子系統(tǒng)：出行服務(wù)決策子系統(tǒng)、協(xié)同調(diào)度子系統(tǒng)、設(shè)備運(yùn)維子系統(tǒng)、安全管理子系統(tǒng)。

出行服務(wù)決策子系統(tǒng)對(duì)路側(cè)采集的交通事件及第三方平臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，形成管控、安全、服務(wù)三種類型的后臺(tái)決策，再根據(jù)車路協(xié)同的不同應(yīng)用場(chǎng)景，為出行者提供擁堵、逆行、事故、拋灑、施工等事件通知服務(wù)。

協(xié)同調(diào)度子系統(tǒng)通過(guò)多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)，判別全路段交通勢(shì)態(tài)感知結(jié)果，結(jié)合交通事件的影響范圍和程度，制定業(yè)務(wù)精準(zhǔn)調(diào)度策略。依據(jù)設(shè)備拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，按照事故屬性，向指定RSU覆蓋范圍內(nèi)的車輛提供車路協(xié)同服務(wù)，實(shí)現(xiàn)事件的協(xié)同調(diào)度、精準(zhǔn)推送。

設(shè)備運(yùn)維子系統(tǒng)對(duì)路段內(nèi)的車路協(xié)同設(shè)備（邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)、高清攝像機(jī)、毫米波雷達(dá)、RSU天線、氣象設(shè)備等）進(jìn)行監(jiān)測(cè)及運(yùn)維管理，具體功能包括：版本管理、系統(tǒng)配置、日志管理、用戶告警、診斷測(cè)試、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)等。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，路段云平臺(tái)可發(fā)出預(yù)警，通過(guò)預(yù)先設(shè)置的管理策略或人工指派的方式，指派運(yùn)維人員前往維修。維修結(jié)果可及時(shí)反饋至車路協(xié)同云平臺(tái)，保障系統(tǒng)持續(xù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

安全管理子系統(tǒng)為車輛和路側(cè)設(shè)備提供安全證書，可降低車路協(xié)同系統(tǒng)通信中面臨的消息虛假、偽造、篡改等風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)一步保障車路協(xié)同信息的真實(shí)性、完整性和隱私性，為實(shí)現(xiàn)多種車路協(xié)同應(yīng)用場(chǎng)景奠定基礎(chǔ)。

2.3路側(cè)感知系統(tǒng)

基于ETC的車路協(xié)同系統(tǒng)可充分利用智慧公路等專項(xiàng)工程中建設(shè)的路側(cè)感知設(shè)備，通過(guò)在路側(cè)布設(shè)覆蓋路段的視頻攝像機(jī)、毫米波雷達(dá)及各類傳感器，構(gòu)建多維度交通運(yùn)行數(shù)字化感知網(wǎng)絡(luò)。

以南寧沙井至吳圩高速公路的樞紐互通分合流區(qū)域?yàn)槔M(jìn)行說(shuō)明，設(shè)置高清攝像機(jī)、毫米波雷達(dá)和邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)，用于感知分合流關(guān)鍵點(diǎn)位的全息環(huán)境信息；分流區(qū)和合流區(qū)實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控全覆蓋，可重點(diǎn)分析互通分合流端部前后各100 m范圍內(nèi)的交通事件；通過(guò)路側(cè)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)路側(cè)感知數(shù)據(jù)的匯聚融合、路網(wǎng)數(shù)字化交通事件識(shí)別，并與路側(cè)設(shè)備及云端平臺(tái)實(shí)時(shí)通信，協(xié)同處理信息發(fā)布及上報(bào)業(yè)務(wù)。

2.4信息發(fā)布系統(tǒng)

ETC門架系統(tǒng)可基于現(xiàn)有設(shè)備，在不影響收費(fèi)交易的情況下，通過(guò)在天線控制器升級(jí)ETC車路協(xié)同應(yīng)用協(xié)議，實(shí)現(xiàn)ETC車路協(xié)同通信，以增加事件發(fā)布功能。此外，在其他路段區(qū)域新增的ETC門架系統(tǒng)可采用多波束定向天線及相應(yīng)的天線控制器，實(shí)現(xiàn)ETC車路協(xié)同信息的上傳下達(dá)。上述兩種方式均可結(jié)合道路可變情報(bào)板、服務(wù)區(qū)信息查詢終端等設(shè)施，實(shí)現(xiàn)面向交通安全、管控和出行服務(wù)的車路協(xié)同信息發(fā)布。

在用戶交互方面，常規(guī)OBU接收車路協(xié)同系統(tǒng)下發(fā)的指令后，通過(guò)蜂鳴器報(bào)警提示用戶在路段前方出現(xiàn)特殊交通事件，需要注意駕駛環(huán)境。智能OBU則可對(duì)ETC信息指令進(jìn)行解析，綜合采用語(yǔ)音播報(bào)、圖文標(biāo)識(shí)、地圖顯示等方式與用戶信息交互。除了結(jié)合第三方應(yīng)用軟件在汽車駕駛面板和手機(jī)界面進(jìn)行信息聯(lián)動(dòng)，平視顯示系統(tǒng)（HUD）也是輔助支持ETC車路協(xié)同系統(tǒng)的一種良好的應(yīng)用拓展，有助于提示重要駕駛信息，保障車輛行駛的安全和效率。

在信息交互方面，RSU天線與常規(guī)OBU的信息下發(fā)遵循《電子收費(fèi)專用短程通信》（GB/T 20851-2019）標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的不同，RSU天線與智能OBU之間采用信息廣播、專用鏈路或ETC交易鏈路方式發(fā)布車路協(xié)同信息。車端、路側(cè)和云端的信息交互流程如圖1所示。

在應(yīng)用場(chǎng)景方面，基于ETC的車路協(xié)同系統(tǒng)可提供交通管控、駕駛安全、出行服務(wù)類車路協(xié)同信息服務(wù)。典型應(yīng)用場(chǎng)景包括道路施工示意、封路管控引導(dǎo)、交通事故提醒、前方擁堵提醒、違規(guī)占道提醒、危險(xiǎn)道路狀況警示、惡劣天氣提醒、異常停車提醒、匝道分合流碰撞預(yù)警、事故多發(fā)告警、服務(wù)區(qū)信息引導(dǎo)等。

3沙吳高速公路系統(tǒng)應(yīng)用

3.1快速構(gòu)建車路協(xié)同體系

沙吳高速公路的車路協(xié)同設(shè)備布設(shè)原則及位置如圖2所示。經(jīng)過(guò)取消高速公路省界收費(fèi)站工程，全國(guó)已初步建成了覆蓋高速公路網(wǎng)的信息采集、網(wǎng)絡(luò)傳輸、智能?化基礎(chǔ)設(shè)施和用戶體系。項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)表明基于ETC系統(tǒng)有助于快速部署車路協(xié)同應(yīng)用。

3.2支撐高速公路管控決策

在傳統(tǒng)的高速公路管理體系中，監(jiān)控系統(tǒng)、收費(fèi)系統(tǒng)、養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)之間存在著信息壁壘。沙吳高速公路通過(guò)建設(shè)基于ETC的車路協(xié)同系統(tǒng)，設(shè)計(jì)打通收費(fèi)、監(jiān)控等系統(tǒng)的隔閡，以實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)融合，為高速公路運(yùn)營(yíng)管理者的管控決策提供數(shù)據(jù)支撐，可主動(dòng)實(shí)現(xiàn)需求管理、交通管控、應(yīng)急指揮等應(yīng)用，提高了管理運(yùn)營(yíng)的智能化、科學(xué)化水平。

3.3提供伴隨式出行服務(wù)

沙吳高速公路部署ETC路側(cè)設(shè)施及云平臺(tái)，形成廣泛覆蓋的ETC信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，提供伴隨式、精細(xì)化的出行信息服務(wù)。項(xiàng)目測(cè)試驗(yàn)證了高速公路行駛車輛可在ETC門架完成計(jì)費(fèi)流程的同時(shí)，準(zhǔn)確接收路側(cè)天線發(fā)布的車路協(xié)同服務(wù)信息，且與路況信息吻合，減少了駕駛?cè)说男畔⒉?，增?qiáng)了出行者的服務(wù)體驗(yàn)。

4結(jié)語(yǔ)

加快推進(jìn)全國(guó)高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)優(yōu)化升級(jí)，持續(xù)提升高速公路出行效率和服務(wù)品質(zhì)，是一項(xiàng)重要的任務(wù)。基于ETC的車路協(xié)同系統(tǒng)可充分利用取消高速公路省界收費(fèi)站工程建設(shè)的道路基礎(chǔ)設(shè)施及設(shè)備，豐富全國(guó)公路伴隨式出行服務(wù)體系，提升高速公路營(yíng)運(yùn)管養(yǎng)服務(wù)水平。

參考文獻(xiàn)

［1］周蘭孫，鄭豆豆.基于高速公路ETC門架收費(fèi)設(shè)施的車路協(xié)同系統(tǒng)探討［J］.中國(guó)交通信息化，2020（11）：99-101.

［2］劉旭，谷巖.淺談車路協(xié)同在高速公路運(yùn)營(yíng)服務(wù)中的應(yīng)用［J］.中國(guó)交通信息化，2021（9）：39-40.

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

作者簡(jiǎn)介：韋燕寧（1993—），碩士，工程師，主要從事智能交通設(shè)計(jì)咨詢工作。