探索基于智能車路協(xié)同技術下的智慧高速建設

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),是當下智慧交通系統(tǒng)研發(fā)的核心領域。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)點的交通感知網絡覆蓋,并依托全時空數(shù)據(jù)的采集和處理,完成道路內車輛的安全預警控制及道路管養(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。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,機電設施完善,具備較理想的車路協(xié)同技術應用[1]。

1 車路協(xié)同技術原理

車路協(xié)同技術(如圖1所示),以智能路側感知為節(jié)點,經先進無線通信技術將感知設備獲取的車輛及道路信息,經邊云協(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)控設施的協(xié)作配合,為本地道路運行情況、交通事件預警播報及道路設備態(tài)勢感知提供精準策略的生成和發(fā)布。當前主流車路協(xié)同技術包括：基于IEEE802.11p的DSRC和基于蜂窩通信技術的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(車載設備終端)及RSU(路側單元)兩個部分,可實現(xiàn)在特定區(qū)域內對高速移動目標的識別和雙向通信,在保證通信鏈路低延時低干擾的基礎上實時傳輸數(shù)據(jù)信息,實現(xiàn)V2I的有機鏈接。因其起步較早,技術成熟,被廣泛應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、長距高速移動下網絡波動及丟包率較高。

C-V2X以蜂窩移動通信技術作為V2X通信的基礎,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(ProSe)為基礎將BSM信息(最基礎的V2X消息,主要包括位置、時間、速度、導頻)以最高250kph經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；預留部分5GUu端口,為自動駕駛提供輔助信息引導。

2 適用于高速公路車路協(xié)同系統(tǒng)的建設

依托目前全國高速路網建成的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,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 路側智能設備的布置

按照職能歸屬不同,路側智能設備主要包括：(1)智能基礎設施：通信信號燈、可變式情報發(fā)布系統(tǒng)；(2)智能傳感設備：激光雷達、毫米波雷達、高清識別系統(tǒng)、風光煙霧傳感器等；(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；當測試距離在400-500m范圍內,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范圍內部署成套路側感知設備。

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通信網絡的接入點,通過開放協(xié)議及端口實現(xiàn)感知層設備的組網鏈接,以現(xiàn)有的門架-收費站-省中心三級光路環(huán)網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、橋隧及服務區(qū)等區(qū)域,利用蜂窩通信技術提供的大帶寬、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,云控平臺應具備車路協(xié)同業(yè)務、設備維護管理、云邊協(xié)同和能力開放與演進等業(yè)務功能；執(zhí)行數(shù)據(jù)存儲、大數(shù)據(jù)分析與云計算、信息回轉、信息安全等基礎服務機制。

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。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)場或門架服務器、移動通信基站,其優(yōu)勢在于：(1)數(shù)據(jù)的產生、處理和轉發(fā)離數(shù)據(jù)源較近,降低終端間響應時延；(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)針對異常網絡波動不影響終端間實時數(shù)據(jù)交互,待通信恢復后將本地存儲數(shù)據(jù)上傳云端。區(qū)域云則負責全路段、長周期、非實時性交互的數(shù)據(jù)處理：應用大數(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)并結合歷史數(shù)據(jù)提供智能決策、模型訓練以及智能調度。

3 可實現(xiàn)的高速公路車路協(xié)同應用場景

3.1 基于ETC的高速公路服務應用

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)提前告知設備異常請轉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雜的特點提供安全輔助駕駛信息推送、碰撞預警和輔助泊車等服務[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車路協(xié)同系統(tǒng)完成彎道超速預警、碰撞預警和前方擁堵、事故多發(fā)路段預警,并結合可變式情報發(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)可預先引導車輛完成變道操作,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。基于GIS地圖的多系統(tǒng)平臺,融合安全準入系統(tǒng)、隧道監(jiān)控系統(tǒng)(照明,風機,火災,應急電話及PLC控制、供配電事件預警)、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、設備周期、監(jiān)控流量等特征輔以AI模擬,有效預警設備潛在降效、故障等風險和問題為機電維護部門提供及時準確的技術支持。以我司擬投入的外場可變式情報發(fā)布系統(tǒng)為例：箱體內由溫濕度傳感器、煙霧傳感器、智能門鎖、網絡防雷單元、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),并對網絡防雷模塊損壞、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備的預防性養(yǎng)護,提升機電維護的工作效率。結合我司正在調試測試中的全網運行監(jiān)測平臺在門架內配置機柜環(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)測等經串口通信模式采集數(shù)據(jù)、UPS電池及STS系統(tǒng)經固件升級后由網口采集數(shù)據(jù),回傳至后端服務器,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)網管系統(tǒng)可針對站級、門架側交換機光鏈路展開監(jiān)測。目前除因光電纜中斷導致的事故外,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)到恢復功能在4小時內完成的指標。

3.4 高速公路應急事件感知

結合我司正在執(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,由后端部署的服務器結合AI算法完成特征信息的分析和預警,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,并由后端向路網中心發(fā)送彈窗信息預警,引導信息員針對應急事件完成路網路況告知引導工作。

4 結語

未來的高速公路是交通設備數(shù)字化、路網信息精確化、服務設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發(fā)展趨勢。