基于車路協(xié)同場景的智慧高速節(jié)能減排研究

宋勇

（廣東新粵交通投資有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

在當(dāng)前信息時(shí)代下，汽車產(chǎn)業(yè)也向著智能化方向發(fā)展，智慧高速節(jié)能減排是推動(dòng)高速公路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要舉措。此智能系統(tǒng)主要通過傳感器來監(jiān)測車輛的運(yùn)行，但是這種系統(tǒng)無法應(yīng)對(duì)復(fù)雜變化的道路交通環(huán)境和突發(fā)的交通狀況。而應(yīng)用車路協(xié)同技術(shù)可以有效解決該問題，以更好地推動(dòng)智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展，提高智慧高速應(yīng)用水平，該技術(shù)也是未來智慧高速建設(shè)的主要發(fā)展趨勢。當(dāng)前車路協(xié)同技術(shù)主要應(yīng)用在路側(cè)單元設(shè)備中，通過車載終端的5G 服務(wù)單元為車輛通行提供高寬帶、低延時(shí)、超可靠的多媒體通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，但是也會(huì)導(dǎo)致車輛的電能資源消耗過大。

在“十四五”規(guī)劃期間，政府在工作報(bào)告中明確提出了要應(yīng)對(duì)全球氣候變化、實(shí)現(xiàn)綠色低碳發(fā)展作為主要目標(biāo)，將降低能耗和節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境作為交通運(yùn)輸行業(yè)的主要發(fā)展目標(biāo)。這就需要從道路交通工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工建設(shè)、運(yùn)行維護(hù)等幾個(gè)方面入手，積極踐行低碳、綠色、可持續(xù)發(fā)展的理念，加強(qiáng)工程建設(shè)管理，促使高速公路向著綠色、節(jié)能、低能耗的方向發(fā)展。

1 車路協(xié)同場景下的智能車路協(xié)同場景概述

智能車路協(xié)同場景是指在當(dāng)前智慧交通網(wǎng)絡(luò)體系中構(gòu)建的核心范疇，根據(jù)我國交通運(yùn)輸部門提出的數(shù)字交通發(fā)展相關(guān)要求，需要推行公路互通樞紐節(jié)點(diǎn)為核心的交通感知網(wǎng)絡(luò)覆蓋，通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多層次、多領(lǐng)域、超時(shí)空地采集公路整體運(yùn)行的全部數(shù)據(jù)信息。在處理全部數(shù)據(jù)信息后可以更好地指導(dǎo)車輛的運(yùn)行，對(duì)車輛進(jìn)行安全預(yù)警控制和道路管養(yǎng)，最終實(shí)現(xiàn)“人-車-路-云”的目標(biāo)，同時(shí)需要根據(jù)具體情況及時(shí)調(diào)整參數(shù)，以此構(gòu)建現(xiàn)代化的智能車路協(xié)同系統(tǒng)場景[1]。

在車路協(xié)同場景下的智能車路協(xié)同系統(tǒng)主要由車路協(xié)同技術(shù)發(fā)揮著支撐和核心作用，其技術(shù)原理如下所示：在智能路側(cè)感知節(jié)點(diǎn)下，通過無線通信技術(shù)獲取感知設(shè)備采集的車輛和道路數(shù)據(jù)信息，通過云協(xié)同演算和優(yōu)化等技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的共享，然后通過厘米地圖精準(zhǔn)定位，創(chuàng)建真實(shí)模型，最終通過車路協(xié)同交通事件智能化平臺(tái)配合車路協(xié)同道路監(jiān)控設(shè)施的運(yùn)行，以更好地把握道路的具體運(yùn)行情況、交通事件預(yù)警播報(bào)、道路設(shè)備的感知信息等，并自動(dòng)生成針對(duì)性的精準(zhǔn)策略和方案，自動(dòng)發(fā)布相關(guān)信息。當(dāng)前的主流車路協(xié)同技術(shù)主要有蜂窩通信技術(shù)和DSRC 系統(tǒng)，其中DSRC 系統(tǒng)主要分為OBS 和RSU 兩個(gè)子層級(jí)，在這兩個(gè)子層級(jí)內(nèi)可以在特定位置更好地獲取高速公路上的車路信息，實(shí)現(xiàn)雙向通信，確保在通信線路完整的基礎(chǔ)上最大限度地減少干擾因素的影響，更好地采集、傳輸數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)有機(jī)鏈接。該系統(tǒng)出現(xiàn)時(shí)間早、技術(shù)體系成熟，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到電子停車收費(fèi)系統(tǒng)匯總中，但是該系統(tǒng)還有一定缺點(diǎn)，比如頻譜利用率低下、通道存在競爭、硬件設(shè)施維護(hù)成本高、長距離網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)大等。

蜂窩通信技術(shù)是在原有通信技術(shù)的基礎(chǔ)上出現(xiàn)的，工作頻段較為集中，具體包括分布式和集中式兩種。分布式是以臨近通信服務(wù)為前提，獲取基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)信息，具體包括位置、時(shí)間、速度和頻率等，可以為人們提供一種實(shí)時(shí)可靠、高敏感性、高密度的交互體驗(yàn)式數(shù)據(jù)信息。集中式可以為人們提供一種實(shí)時(shí)敏感性的數(shù)據(jù)信息，需要通過中高端和預(yù)留端口進(jìn)行，為司機(jī)自動(dòng)駕駛提供信息數(shù)據(jù)服務(wù)[2]。

2 車路協(xié)同場景路側(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)分析

在高速公路車路協(xié)同場景設(shè)計(jì)的過程中需要根據(jù)管理現(xiàn)狀和建設(shè)要求，科學(xué)分析高速公路的線形特點(diǎn)（以往的車輛會(huì)從特定的入口進(jìn)入高速公路中，在行駛一段時(shí)間后從特定的出口駛出），針對(duì)其運(yùn)行的這種特點(diǎn)，需要在車路協(xié)同場景路側(cè)選擇覆蓋范圍廣的設(shè)備，并根據(jù)車輛的行駛距離科學(xué)設(shè)置設(shè)備，實(shí)現(xiàn)整個(gè)線路的全面覆蓋，為后期高速公路管理和車輛的運(yùn)行等提供針對(duì)性的數(shù)據(jù)信息服務(wù)和技術(shù)應(yīng)用服務(wù)。但是因?yàn)檐囕v移動(dòng)速度快，單一通過一套路側(cè)設(shè)備，是無法全面覆蓋的，需要根據(jù)不同車輛提供不斷變化的車路協(xié)同服務(wù)，這就會(huì)對(duì)原覆蓋范圍內(nèi)的車輛停止提供服務(wù)，對(duì)于一些沒有行駛到覆蓋范圍的車輛也不會(huì)提供服務(wù)。針對(duì)此問題，可以通過引入節(jié)能減排技術(shù)來解決，確保路側(cè)設(shè)備可以自動(dòng)停止、自動(dòng)調(diào)整、自動(dòng)運(yùn)行。可通過安裝的傳感器自動(dòng)識(shí)別是否有車輛通過，如果沒有，可以自動(dòng)切換到低功率運(yùn)行模式，在這種運(yùn)行模式下主要有兩種運(yùn)行狀態(tài)：第一，休眠狀態(tài)。如果路側(cè)設(shè)備覆蓋范圍內(nèi)沒有任何車輛通過，則路側(cè)設(shè)備會(huì)自動(dòng)切換到低功能運(yùn)行狀態(tài)，以此減低能耗、降低成本、節(jié)約能源。第二，正常運(yùn)行狀態(tài)，如果路側(cè)設(shè)備覆蓋范圍內(nèi)有車輛通過，則路側(cè)設(shè)備會(huì)切換為正常功率，以確保為不同的車輛提供針對(duì)性的車路協(xié)同服務(wù)，此時(shí)功耗最高。比如，在某一條高速公路單向行駛的方向上，可在連續(xù)無縫式路段處設(shè)置多套路側(cè)設(shè)備，并明確每套路側(cè)設(shè)備的覆蓋范圍。對(duì)車輛行駛的方向和沒有進(jìn)入覆蓋范圍內(nèi)的車輛都進(jìn)行計(jì)算，遵循節(jié)能降耗的理念；對(duì)已經(jīng)行駛進(jìn)入覆蓋范圍內(nèi)的車輛和沒有行駛在覆蓋范圍內(nèi)的車輛都進(jìn)行計(jì)算，得出不同運(yùn)行時(shí)段的功耗情況，并在設(shè)備識(shí)別車輛后自動(dòng)切換狀態(tài)，以此節(jié)約能耗[3]。

3 路側(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)共享與協(xié)同系統(tǒng)架構(gòu)建設(shè)

在具體構(gòu)建路側(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)共享與協(xié)同系統(tǒng)架構(gòu)時(shí)，需要根據(jù)節(jié)能降耗的方法，統(tǒng)一調(diào)配全路段的網(wǎng)車路協(xié)同設(shè)備，并通過前端傳感器的精準(zhǔn)感知和數(shù)據(jù)通信共享，創(chuàng)建一整套車輛行駛軌跡的預(yù)測和感知識(shí)別修正模型，最大限度地感知車輛的運(yùn)行方向、速度、位置后，通過系統(tǒng)終端和其他設(shè)備數(shù)據(jù)信息共享，準(zhǔn)確把握車輛的行駛軌跡，從而統(tǒng)一調(diào)配全路網(wǎng)車路協(xié)同設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。在高速公路車路協(xié)同、場景數(shù)據(jù)信息共享和協(xié)同系統(tǒng)架構(gòu)下，分別設(shè)置有激光雷達(dá)、無線基站等數(shù)據(jù)信息采集層、傳輸層和基礎(chǔ)支撐層等設(shè)施設(shè)備，通過數(shù)據(jù)信息采集、數(shù)據(jù)信息交換、數(shù)據(jù)自動(dòng)處理、數(shù)據(jù)信息共享和傳輸?shù)牟煌K，更好地協(xié)同處理車輛的運(yùn)行過程，確保車路協(xié)同場景可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，并創(chuàng)建大數(shù)據(jù)應(yīng)用分析模型和數(shù)據(jù)庫，為高速公路的現(xiàn)代化發(fā)展提供依據(jù)。具體的車路協(xié)同場景數(shù)據(jù)共享和協(xié)同系統(tǒng)架構(gòu)具體如圖1 所示。

圖1 車路協(xié)同場景數(shù)據(jù)共享和協(xié)同系統(tǒng)架構(gòu)

3.1 布設(shè)路側(cè)智能設(shè)備

根據(jù)現(xiàn)有的路側(cè)設(shè)備的智能屬性進(jìn)行分類，具體包括：第一，智能基礎(chǔ)設(shè)施。比如通信信號(hào)燈、可預(yù)測信息發(fā)布系統(tǒng)。第二，智能傳感設(shè)備、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、高清識(shí)別系統(tǒng)、風(fēng)光煙霧傳感器。第三，通信基站。比如，芯片和模型、邊緣計(jì)算等。通過交通運(yùn)輸部門的車路協(xié)同試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，如果運(yùn)行距離大于特定距離，則會(huì)出現(xiàn)通信延遲的情況，數(shù)據(jù)信息獲取失敗。如果運(yùn)行距離處于標(biāo)準(zhǔn)范圍，則場強(qiáng)信號(hào)平均數(shù)值符合要求，則獲得的數(shù)據(jù)丟包率和通信延遲符合預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 創(chuàng)建通信傳統(tǒng)平臺(tái)

對(duì)現(xiàn)有的ETC 門架系統(tǒng)RSU 進(jìn)行升級(jí)、改進(jìn)、優(yōu)化，將其作為車路協(xié)同系統(tǒng)基礎(chǔ)層通信網(wǎng)絡(luò)的連接點(diǎn)，然后通過協(xié)議和終端的開放處理，將感知層設(shè)備進(jìn)行組網(wǎng)連接，并將現(xiàn)有的門架—收費(fèi)站—省中心三級(jí)公路環(huán)網(wǎng)進(jìn)行連接，作為車路協(xié)同系統(tǒng)的通信鏈路。在現(xiàn)有ETC 門架系統(tǒng)沒有覆蓋的范圍，比如互通樞紐、橋隧、服務(wù)區(qū)等，采用蜂窩通信技術(shù)提供大寬帶、低延時(shí)、高效率、多頻譜的車路協(xié)同基礎(chǔ)層通信系統(tǒng)。

3.3 創(chuàng)建車路協(xié)同系統(tǒng)云控平臺(tái)

云控平臺(tái)是車路協(xié)同系統(tǒng)的中樞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)我國5G 車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展要求，在構(gòu)建云控平臺(tái)時(shí)需要設(shè)置車路協(xié)同業(yè)務(wù)服務(wù)模塊和機(jī)電設(shè)備維護(hù)管理模塊、云邊協(xié)同開發(fā)和推進(jìn)模塊等，且在云控平臺(tái)上也可以設(shè)置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、大數(shù)據(jù)分析與計(jì)算、信息回傳、信息安全等服務(wù)機(jī)制。總之，人們?cè)诰唧w構(gòu)建時(shí)需要根據(jù)高速公路通信鏈路特點(diǎn)，構(gòu)建終端-邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)、區(qū)域云物理架構(gòu)等，在終端-邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)需要根據(jù)數(shù)據(jù)信息共享和融合要求，在道路兩側(cè)布置ETC 門架服務(wù)器、移動(dòng)通信基站，其優(yōu)勢包括：就近處理數(shù)據(jù)的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化、傳輸，降低終端響應(yīng)延長率，節(jié)約時(shí)間；降低寬帶運(yùn)行成本，減輕云端壓力，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的集中配置；在網(wǎng)絡(luò)異常波動(dòng)的情況下需要在不影響終端間實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互的基礎(chǔ)上，在通信正常時(shí)更好地將本地存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息傳送到云控平臺(tái)中[4]。

4 路側(cè)設(shè)備降耗計(jì)算與分析

人們?cè)诰唧w計(jì)算路側(cè)設(shè)備對(duì)于進(jìn)入覆蓋范圍內(nèi)行駛車輛的未來休眠時(shí)間長度和工作時(shí)間長度、休眠時(shí)間段和工作時(shí)間段時(shí)，操作如下：

第一，在某一段高速公路中設(shè)置多臺(tái)路側(cè)設(shè)備，在明確這些路側(cè)設(shè)備的總體覆蓋范圍長度后，需要考慮如何實(shí)現(xiàn)全部車輛的協(xié)同服務(wù)無縫覆蓋后，根據(jù)高速公路路段總長精準(zhǔn)計(jì)算路側(cè)設(shè)備的覆蓋范圍長度。

第二，對(duì)于某一輛已經(jīng)行駛進(jìn)入路側(cè)設(shè)備覆蓋范圍內(nèi)的車輛，可以通過采集層采集車輛的運(yùn)行速度和位置等相關(guān)數(shù)據(jù)信息，再將數(shù)據(jù)信息錄入路側(cè)設(shè)備后臺(tái)系統(tǒng)中，確保和其他路側(cè)設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的共享。后創(chuàng)建高速公路行駛軌跡的模型，并與路側(cè)設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的共享、協(xié)同，最終根據(jù)具體的行駛情況及時(shí)糾正軌跡，在此過程中也需要精準(zhǔn)計(jì)算路側(cè)設(shè)備對(duì)于進(jìn)入覆蓋范圍內(nèi)行駛車輛的未來休眠時(shí)間長度和工作時(shí)間長度、休眠時(shí)間段和工作時(shí)間段。

第三，對(duì)最終的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。處于同一時(shí)間段的路側(cè)設(shè)備在為多個(gè)車輛提供服務(wù)時(shí)，若每一輛車的行駛速度不同、地理位置不同，則路側(cè)設(shè)備預(yù)測為休眠時(shí)間段和工作時(shí)間段也是不同的，具體表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：在某一個(gè)特定的時(shí)刻，如果有2 輛車已經(jīng)進(jìn)入路側(cè)設(shè)備的覆蓋范圍內(nèi)，則可以通過坐標(biāo)軸計(jì)算時(shí)間和位置，識(shí)別不同車輛進(jìn)入覆蓋范圍內(nèi)的行駛軌跡。如果發(fā)現(xiàn)在某一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)處的服務(wù)車輛數(shù)量大于2，則計(jì)算的車輛預(yù)測休眠時(shí)間段和工作時(shí)間段是重復(fù)的。在某一個(gè)特定的時(shí)間段，如果有1 輛車進(jìn)入路測設(shè)備的覆蓋范圍內(nèi)，此時(shí)服務(wù)的車輛數(shù)量為1 輛，則車輛的預(yù)測工作時(shí)間段是獨(dú)立的。通過分析和計(jì)算以上不同路側(cè)設(shè)備的總預(yù)測休眠時(shí)間段和總工作時(shí)間段，可以發(fā)現(xiàn)不同路側(cè)設(shè)備測量的預(yù)測時(shí)間段有一定的交集，最終根據(jù)以上這些時(shí)間的計(jì)算可以進(jìn)一步計(jì)算出單元路側(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和功能，具體如下所示：

如果路側(cè)設(shè)備處于休眠時(shí)間段，此時(shí)會(huì)切換成休眠低功率狀態(tài)，則可以確定最低功率的時(shí)間段；如果路側(cè)設(shè)備處于工作時(shí)間段，若切換成正常功能狀態(tài)，則可以確定正常消耗功率的時(shí)間段，通過以上方法可以計(jì)算出此時(shí)高速公路協(xié)同設(shè)備的總功耗數(shù)值。總之，在節(jié)能降耗的理念下對(duì)車輛協(xié)同場景路側(cè)設(shè)備下的車輛能耗進(jìn)行計(jì)算發(fā)現(xiàn)，相比傳統(tǒng)的功耗數(shù)值，這種方法可以更好地調(diào)節(jié)和改善路側(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，有效實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)。

5 結(jié)語

總之，為了更好地推動(dòng)智能交通運(yùn)輸行業(yè)的健康發(fā)展，打造智能交通網(wǎng)絡(luò)體系，就需要引入節(jié)能降耗的思想理念，需要設(shè)計(jì)一種服務(wù)于高速公路車輛的車路協(xié)同場景的路側(cè)設(shè)備，以便更好地監(jiān)測和控制車輛在運(yùn)行過程中的行程軌跡和功耗。通過路側(cè)設(shè)備后臺(tái)的調(diào)節(jié)和控制，降低能耗，最終實(shí)現(xiàn)高速公路車路協(xié)同場景服務(wù)的高效率、高質(zhì)量運(yùn)行。