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)同建設趨勢為切入點，研究車路協(xié)同在智慧高速公路建設中的關鍵工程與相應的技術應用系統(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)新服務提供建設思路。

關鍵詞：車路協(xié)同；智慧高速；關鍵工程；應用研究

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)化進程的不斷加快，機動車數(shù)量急速增長，高速公路交通運輸需求個性化與承載力要求不斷提升，環(huán)境污染治理、高效運輸服務、汽車產業(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)等先進技術正在重新塑造國際社會經濟生活與全球產業(yè)格局，成為世界范圍內各國爭先推進的戰(zhàn)略方向，為信息、通信、汽車、制造等相關產業(yè)的升級轉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關鍵工程與技術應用就進入了研究的“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輸領域充分利用物聯(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，綜合運用交通科學、系統(tǒng)方法、機器視覺、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、科學決策為目標，通過建設實時的車路協(xié)同動態(tài)信息服務體系，深度挖掘交通運輸相關數(shù)據(jù)［1］，形成優(yōu)化運力分析模型與輔助自動駕駛模式，實現(xiàn)行業(yè)資源配置優(yōu)化、公共決策、行業(yè)管理、公眾服務等能力的提升，推動公路運輸更安全、更高效、更便捷、更經濟、更環(huán)保、更舒適地運行和發(fā)展，帶動交通運輸相關產業(yè)轉型、升級［2］。基于車路協(xié)同的智慧高速公路建設，旨在構建一套完善的數(shù)據(jù)采集標準、數(shù)據(jù)傳輸標準和管理調度流程標準，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）強化車路協(xié)同體系下的公眾服務能力。

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，需要通過一套基礎可靠的信息交互規(guī)則與高速公路新型基礎設施與專用通信設備，實現(xiàn)跨廠商車與車、車與路側設施、車與運營管理機構之間的數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，將各種實時動態(tài)信息匯聚到云管控平臺，為各種出行應用場景、交通運輸管理、車路通信提供大數(shù)據(jù)基礎平臺。

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)境的精細化多維度數(shù)字鏡像，將全局最優(yōu)決策與交通態(tài)勢預測反饋給車輛、路側設備協(xié)同管控，實現(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備的依賴程度。

3車路協(xié)同總體架構

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

3.1感知層

主要建設激光雷達、氣象感知設備、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)字化基礎感知設備。

3.2網(wǎng)絡層

構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

建設云管控平臺，基于大數(shù)據(jù)、云計算、邊緣計算、AI等先進技術對數(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。

3.4應用層

搭建開放的SaaS創(chuàng)新應用實驗平臺，開展路網(wǎng)監(jiān)測、智慧物流、多式聯(lián)運、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)同的智慧高速關鍵工程

4.1道路工程

以高速公路作為應用示范場景，通過研究新一代路側智能感知和中、短程通信設施，對路面狀況和通行車輛進行感知與交互，結合機器視覺技術采集路面實時視頻信號，構建多維高速公路交通運輸監(jiān)控體系。充分利用高精度定位基礎設施與高精度地圖、激光雷達、數(shù)字孿生等技術，對在途傳統(tǒng)車輛和網(wǎng)聯(lián)車輛進行實時精準定位，實現(xiàn)精細化的路網(wǎng)運行狀況整體數(shù)據(jù)采集的宏觀監(jiān)控與指揮調度的基礎環(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、服務區(qū)、收費站等高速公路固定資產的數(shù)據(jù)實現(xiàn)全量采集與關鍵數(shù)據(jù)可視化，結合固定資產傳感監(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，實現(xiàn)全域數(shù)據(jù)的可視化監(jiān)測管理。構建基于北斗的GNSS遙感數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，利用GNSS遙感技術對高速公路固定資產和移動運輸單元進行遙感數(shù)據(jù)采集，即邊坡、隧道等路網(wǎng)災害敏感固定資產進行遙感災害監(jiān)測，包含“兩客一危”的客貨運輸與智能網(wǎng)聯(lián)汽車等移動運輸進行定位數(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)同路側設備、通信單元的數(shù)據(jù)接收能力。同時，基于高精度激光點云雷達、短焦距雙目攝像頭、長焦距單目攝像頭等新一代網(wǎng)聯(lián)車載實時感應終端，對高速公路運營管理的傳統(tǒng)車輛進行賦能改造，例如公路養(yǎng)護巡檢車輛、公路應急排障車輛等，使其可與路側智能設備進行動態(tài)實時數(shù)據(jù)交互，提升公路運營管理與應急處置的綜合調度智慧效率。

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，實現(xiàn)20 ms以內的網(wǎng)聯(lián)車輛與云管控平臺的通信。基于C-V2X、專用短程通信和高速公路自組織專網(wǎng)等技術應用，從微觀路段上構建低功耗廣域傳輸MESH分布式自組傳輸專網(wǎng)。結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

云管控工程是構建車路協(xié)同云管控基礎平臺的核心工程，是車路協(xié)同體系建設的中樞，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)運營車輛路況提示與精準位置服務搭建云管控基礎平臺。通過云管控平臺，實現(xiàn)對道路全域的路側智能設備數(shù)據(jù)動態(tài)管理、數(shù)據(jù)處理和精準發(fā)布，對所有在途、在線的網(wǎng)聯(lián)車輛進行動態(tài)追蹤與檢測，對車輛進行實時運行狀況分析，并與既有交通控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、誘導系統(tǒng)、預警系統(tǒng)、救援系統(tǒng)和信息服務系統(tǒng)數(shù)據(jù)互通，實現(xiàn)公路交通系統(tǒng)的車道級、路段級和路網(wǎng)級實時協(xié)同調度。

5主要應用系統(tǒng)

5.1基于ETC的車路協(xié)同通信應用系統(tǒng)

智能路側單元由基于ETC的專用短程通信模塊構成，路側控制單元內嵌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)務處理的預警信息，同時與后臺交互，執(zhí)行后臺控制中心指令，并上報預警信息。

5.2智能事件監(jiān)測應用系統(tǒng)

該系統(tǒng)基于視頻的事件智能識別技術，能實現(xiàn)對高速公路上行人拋撒物、機動車逆行、機動車違停、交通擁堵等事件的自動告警，以便運營管理者及時采取應對措施，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、視頻事件報警相關操作、查看實時信息、查看實時分析視頻、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進行無人機傾斜攝影實景掃描，利用掃描數(shù)據(jù)構建三維可視化數(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)進行鏡像關聯(lián)，實現(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)同測試應用系統(tǒng)

該系統(tǒng)包含多式聯(lián)運輔助子系統(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)同外場設施信號交互對接進行握手測試，結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警信號下發(fā)至網(wǎng)聯(lián)汽車中控，車輛進行超視距預警與駕駛提示，并輸出網(wǎng)聯(lián)車輛對路側設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)運及新能源貨車編隊等高速公路車路協(xié)同創(chuàng)新應用提供決策依據(jù)［4-5］。

6結語

通過上述關鍵工程與技術應用，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)同服務的同時，可為智能網(wǎng)聯(lián)車輛及其用戶、管理及運營機構等建立車輛運行、數(shù)據(jù)維護與分析、兼容性分析、信息安全等服務，并提供開放的測試評估支撐及車路協(xié)同服務，極大加快基于車路協(xié)同的智慧高速公路建設進程，進而推進整個社會不斷進步。

參考文獻

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［3］方芳，蘭琛，范全放，等.幾種常見車路協(xié)同通信技術的比較研究［C］.第十一屆中國智能交通年會大會論文集，2016.

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［5］竇亮，劉曉青.關于人工智能，大數(shù)據(jù)技術賦能城市交通治理體系的研究［J］.科學與信息化，2019（31）：142.

基金項目：廣西重點研發(fā)計劃項目“智慧高速車路一體技術研究與示范項目”（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、數(shù)據(jù)中心建設與運維、無人機在高速公路行業(yè)的應用等工作。