探索基于智能車路協(xié)同技術(shù)下的智慧高速建設(shè)

辛驍宇

(福建省福泉高速公路有限公司,福建福州 350000)

0 引言

智能車路協(xié)同系統(tǒng)(Intelligent Vehicle Infrastructure Cooperative Systems),是當(dāng)下智慧交通系統(tǒng)研發(fā)的核心領(lǐng)域。根據(jù)交通運輸部印發(fā)《數(shù)字交通發(fā)展規(guī)劃綱要》,推動公路互通樞紐等重要節(jié)點的交通感知網(wǎng)絡(luò)覆蓋,并依托全時空數(shù)據(jù)的采集和處理,完成道路內(nèi)車輛的安全預(yù)警控制及道路管養(yǎng)工作,實現(xiàn)“人車路云”等參與要素的緊密相連最終完成智慧道路交通系統(tǒng)建設(shè)。相交普通公路,高速公路因車輛單向行駛、道路封閉性,突發(fā)性因素對行車影響較小、路況較好,機電設(shè)施完善,具備較理想的車路協(xié)同技術(shù)應(yīng)用[1]。

1 車路協(xié)同技術(shù)原理

車路協(xié)同技術(shù)(如圖1所示),以智能路側(cè)感知為節(jié)點,經(jīng)先進無線通信技術(shù)將感知設(shè)備獲取的車輛及道路信息,經(jīng)邊云協(xié)同演算優(yōu)化以實現(xiàn)V2-X間的數(shù)據(jù)共享,輔以厘米級地圖精確定位,真實場景建模由車路協(xié)同交通事件智能化平臺完成車輛同道路監(jiān)控設(shè)施的協(xié)作配合,為本地道路運行情況、交通事件預(yù)警播報及道路設(shè)備態(tài)勢感知提供精準(zhǔn)策略的生成和發(fā)布。當(dāng)前主流車路協(xié)同技術(shù)包括：基于IEEE802.11p的DSRC和基于蜂窩通信技術(shù)的C-V2X。

圖1 車路協(xié)同系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of vehicle road cooperation system

典型的DSRC系統(tǒng)包括OBU(車載設(shè)備終端)及RSU(路側(cè)單元)兩個部分,可實現(xiàn)在特定區(qū)域內(nèi)對高速移動目標(biāo)的識別和雙向通信,在保證通信鏈路低延時低干擾的基礎(chǔ)上實時傳輸數(shù)據(jù)信息,實現(xiàn)V2I的有機鏈接。因其起步較早,技術(shù)成熟,被廣泛應(yīng)用于電子不停車收費系統(tǒng)(ETC)中。缺點在于DSRC頻譜利用率不足、信道競爭較大、硬件成本較高、長距高速移動下網(wǎng)絡(luò)波動及丟包率較高。

C-V2X以蜂窩移動通信技術(shù)作為V2X通信的基礎(chǔ),工作頻段在5905～5925MHZ,主要分為集中式(LTE-VCell)和分布式(LTE-V-D)兩種模式。分布式以鄰近通信服務(wù)(ProSe)為基礎(chǔ)將BSM信息(最基礎(chǔ)的V2X消息,主要包括位置、時間、速度、導(dǎo)頻)以最高250kph經(jīng)PC5(mode4)接口為V2V、V2I、V2P提供實時的、高敏感性、高密度的數(shù)據(jù)交互體驗。集中式可為用戶提供非時延敏感性信息,常用于V2N端通信；預(yù)留部分5GUu端口,為自動駕駛提供輔助信息引導(dǎo)。

2 適用于高速公路車路協(xié)同系統(tǒng)的建設(shè)

依托目前全國高速路網(wǎng)建成的2.6萬套門架軟件、RSU、高清車牌識別等傳感器以及門架服務(wù)器的邊緣計算能力形成的完整生態(tài)鏈,采用“DSRC+C-V2X”融合的車路協(xié)同技術(shù),可以快速高效的搭建智慧高速車路協(xié)同系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 智慧高速融合型車路協(xié)同系統(tǒng)Fig.2 Intelligent high speed fusion vehicle road cooperation system

2.1 路側(cè)智能設(shè)備的布置

按照職能歸屬不同,路側(cè)智能設(shè)備主要包括：(1)智能基礎(chǔ)設(shè)施：通信信號燈、可變式情報發(fā)布系統(tǒng)；(2)智能傳感設(shè)備：激光雷達、毫米波雷達、高清識別系統(tǒng)、風(fēng)光煙霧傳感器等；(3)通信基站(芯片、模組)與邊緣計算。根據(jù)交通運輸部車路協(xié)同試驗路試驗結(jié)果表明：有效距離＞1200m通信時延顯著增大,數(shù)據(jù)接收異常；當(dāng)測試距離在400-500m范圍內(nèi),場強信號平均值在-85dBm,取得的數(shù)據(jù)丟包率和通信時延值較為理想[2]。結(jié)合投入商業(yè)運營的廈門遠海碼頭無人駕駛集裝箱及廈門BRT車路協(xié)同項目,高速公路依托現(xiàn)有ETC門架系統(tǒng)為骨干節(jié)點,每間隔200-500m范圍內(nèi)部署成套路側(cè)感知設(shè)備。

2.2 通信傳輸平臺

對現(xiàn)有ETC門架RSU進行升級,將其作為車路協(xié)同系統(tǒng)底層DSRC通信網(wǎng)絡(luò)的接入點,通過開放協(xié)議及端口實現(xiàn)感知層設(shè)備的組網(wǎng)鏈接,以現(xiàn)有的門架-收費站-省中心三級光路環(huán)網(wǎng)形成高速公路車路協(xié)同系統(tǒng)的主要通信鏈路；在現(xiàn)有ETC門架未覆蓋的互通樞紐、橋隧及服務(wù)區(qū)等區(qū)域,利用蜂窩通信技術(shù)提供的大帶寬、低時延、高效率、多頻譜的特性打造互補的車路協(xié)同底層通信系統(tǒng)[3]。

2.3 高速公路車路協(xié)同系統(tǒng)云控平臺

云控平臺在車路協(xié)同系統(tǒng)中扮演“中樞大腦”作用,根據(jù)2020中國聯(lián)通與華為聯(lián)合發(fā)布的《新基建、新動能5G車路協(xié)同白皮書》表示,云控平臺應(yīng)具備車路協(xié)同業(yè)務(wù)、設(shè)備維護管理、云邊協(xié)同和能力開放與演進等業(yè)務(wù)功能；執(zhí)行數(shù)據(jù)存儲、大數(shù)據(jù)分析與云計算、信息回轉(zhuǎn)、信息安全等基礎(chǔ)服務(wù)機制。

現(xiàn)階段可根據(jù)高速公路通信鏈路搭建終端-邊緣計算節(jié)點-區(qū)域云三層物理架構(gòu)。其中邊緣計算節(jié)點可按信息融合需求就近部署在道路現(xiàn)場或門架服務(wù)器、移動通信基站,其優(yōu)勢在于：(1)數(shù)據(jù)的產(chǎn)生、處理和轉(zhuǎn)發(fā)離數(shù)據(jù)源較近,降低終端間響應(yīng)時延；(2)降低帶寬成本,減輕區(qū)域云端壓力,實現(xiàn)算力的集中分配；(3)針對異常網(wǎng)絡(luò)波動不影響終端間實時數(shù)據(jù)交互,待通信恢復(fù)后將本地存儲數(shù)據(jù)上傳云端。區(qū)域云則負(fù)責(zé)全路段、長周期、非實時性交互的數(shù)據(jù)處理：應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析和AI模擬搭建仿真測試平臺、開放接口協(xié)議,融合第三方APP收集的車、路、人數(shù)據(jù)并結(jié)合歷史數(shù)據(jù)提供智能決策、模型訓(xùn)練以及智能調(diào)度。

3 可實現(xiàn)的高速公路車路協(xié)同應(yīng)用場景

3.1 基于ETC的高速公路服務(wù)應(yīng)用

在收費廣場入口連接線提前部署車路協(xié)同系統(tǒng),尤其針對部分無收費廣場或收費廣場較小的場合,提前根據(jù)OBU類型引導(dǎo)貨車、客車完成客貨分離,優(yōu)化入口過車秩序；出口匝道處預(yù)先部署,向ETC用戶推送收費站出口專用車道位置及通行狀態(tài)并推送途徑區(qū)間數(shù)及應(yīng)扣費額,針對特情車輛(卡余額不足及OBU、卡芯片損壞用戶)提前告知設(shè)備異常請轉(zhuǎn)入人工車道繳費并處理,提升用戶體驗感,提高出入口通行效率。高精度地圖信息、定位,事故救援信息一鍵快速定位處置,實現(xiàn)主動救援,降低次生事故影響。智慧服務(wù)區(qū)下的氫能源、充電樁、加油站信息一鍵推送,建立免下車免操作的智慧加油模式；針對人流密度較大路情復(fù)雜的特點提供安全輔助駕駛信息推送、碰撞預(yù)警和輔助泊車等服務(wù)[4]。

3.2 高速公路特殊路段路況提示

陡坡、長下坡和彎道等特殊路段增設(shè)車路協(xié)同系統(tǒng)完成彎道超速預(yù)警、碰撞預(yù)警和前方擁堵、事故多發(fā)路段預(yù)警,并結(jié)合可變式情報發(fā)布系統(tǒng)及聲光警示系統(tǒng)告知前方路況復(fù)雜請減速慢行；高速公路匝道及互通樞紐因車輛匯聚易發(fā)生擁堵碰撞事故,利用車路協(xié)同系統(tǒng)可預(yù)先引導(dǎo)車輛完成變道操作,提升車輛通行秩序；在長隧道前中后處部署車路協(xié)同系統(tǒng)聯(lián)動聲光報警警示用戶隨到行車注意安全。

3.3 高速公路機電運維

數(shù)據(jù)實時交互性大大增加了機電維護部門的運維壓力?；贕IS地圖的多系統(tǒng)平臺,融合安全準(zhǔn)入系統(tǒng)、隧道監(jiān)控系統(tǒng)(照明,風(fēng)機,火災(zāi),應(yīng)急電話及PLC控制、供配電事件預(yù)警)、道路信息發(fā)布及ETC門架系統(tǒng)運行檢測,基于歷史故障分析、設(shè)備周期、監(jiān)控流量等特征輔以AI模擬,有效預(yù)警設(shè)備潛在降效、故障等風(fēng)險和問題為機電維護部門提供及時準(zhǔn)確的技術(shù)支持。以我司擬投入的外場可變式情報發(fā)布系統(tǒng)為例：箱體內(nèi)由溫濕度傳感器、煙霧傳感器、智能門鎖、網(wǎng)絡(luò)防雷單元、電源模塊及光纖傳輸模塊以串口通信方式與數(shù)據(jù)采集單元(需匹配GIS平臺協(xié)議及端口)完成交互,在平臺端實時監(jiān)控情報板通信及工控機工作狀態(tài),并對網(wǎng)絡(luò)防雷模塊損壞、直流電源模塊損壞、防雷單元損壞及通信中斷等常見故障做到實時聲光報警,亦可配合定期巡檢提前做到設(shè)備的預(yù)防性養(yǎng)護,提升機電維護的工作效率。結(jié)合我司正在調(diào)試測試中的全網(wǎng)運行監(jiān)測平臺在門架內(nèi)配置機柜環(huán)境運行監(jiān)測系統(tǒng),將煙霧傳感器、電子門鎖告警、水浸監(jiān)測等經(jīng)串口通信模式采集數(shù)據(jù)、UPS電池及STS系統(tǒng)經(jīng)固件升級后由網(wǎng)口采集數(shù)據(jù),回傳至后端服務(wù)器,可在運維中心直觀呈現(xiàn)出該門架市電工作狀態(tài)、機柜溫濕度監(jiān)控、STS主備線路工作狀態(tài)及UPS電池組充放電監(jiān)測等功能,接入通信系統(tǒng)網(wǎng)管系統(tǒng)可針對站級、門架側(cè)交換機光鏈路展開監(jiān)測。目前除因光電纜中斷導(dǎo)致的事故外,針對RSU、工控機、門架軟件系統(tǒng)等故障已實現(xiàn)從發(fā)現(xiàn)到恢復(fù)功能在4小時內(nèi)完成的指標(biāo)。

3.4 高速公路應(yīng)急事件感知

結(jié)合我司正在執(zhí)行的“拋、灑、滴、漏”專項整治工作,由機電部門在高發(fā)路段部署“兩槍+一球”500萬高清攝像機完成實時路況采集,由后端部署的服務(wù)器結(jié)合AI算法完成特征信息的分析和預(yù)警,若觸發(fā)警報則完成對車輛信息的記錄。該項目目前已對應(yīng)急車道停車、車窗拋灑物、占道施工布控、行人上高速、車輛逆行及匝道口擁堵展開測試,并由后端向路網(wǎng)中心發(fā)送彈窗信息預(yù)警,引導(dǎo)信息員針對應(yīng)急事件完成路網(wǎng)路況告知引導(dǎo)工作。

4 結(jié)語

未來的高速公路是交通設(shè)備數(shù)字化、路網(wǎng)信息精確化、服務(wù)設(shè)施智能化的多元化發(fā)展,建立面向高速公路適用的車路協(xié)同系統(tǒng)是完成智慧交通出行的必然技術(shù)發(fā)展趨勢。