基于車路協同的智慧高速公路建設關鍵工程與技術應用研究

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現狀及車路協同建設趨勢為切入點，研究車路協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，為智能網聯車輛乃至傳統車輛在智慧高速公路中的數據交互與創新服務提供建設思路。

關鍵詞：車路協同；智慧高速；關鍵工程；應用研究

中圖分類號：U412.36+6A481643

0引言

隨著時代的發展與我國城鎮化進程的不斷加快，機動車數量急速增長，高速公路交通運輸需求個性化與承載力要求不斷提升，環境污染治理、高效運輸服務、汽車產業升級和地區發展協同等問題日益凸顯，高速公路智慧化成了公路交通發展重點突破的對象。以車路協同、輔助自動駕駛為代表的新一代智慧交通，承載著AI、大數據、云計算、物聯網和寬帶移動互聯網等先進技術正在重新塑造國際社會經濟生活與全球產業格局，成為世界范圍內各國爭先推進的戰略方向，為信息、通信、汽車、制造等相關產業的升級轉型帶來了新思路和新途徑，吸引了政府、汽車企業巨頭、互聯網公司、通信運營商和系統集成商。鑒于此，基于車路協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網、空間感知、云邊端計算、移動互聯網等新一代信息技術，綜合運用交通科學、系統方法、機器視覺、數據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同動態信息服務體系，深度挖掘交通運輸相關數據［1］，形成優化運力分析模型與輔助自動駕駛模式，實現行業資源配置優化、公共決策、行業管理、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、更環保、更舒適地運行和發展，帶動交通運輸相關產業轉型、升級［2］?；谲嚶穮f同的智慧高速公路建設，旨在構建一套完善的數據采集標準、數據傳輸標準和管理調度流程標準，打造開放的車路協同云管理體系，納入更多個人車主端（C端）定制化網聯車輛智慧應用，并從車企端（B端）打通各個不同品牌網聯自動駕駛車輛信息孤島，為政府端（G端）強化車路協同體系下的公眾服務能力。

2.1智能網聯汽車存在信息孤島問題

對于各廠商智能網聯汽車存在信息孤島，難以高效協同、有效管理的問題，需要通過一套基礎可靠的信息交互規則與高速公路新型基礎設施與專用通信設備，實現跨廠商車與車、車與路側設施、車與運營管理機構之間的數據互聯互通，將各種實時動態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、車路通信提供大數據基礎平臺。

2.2自動駕駛汽車智能成本過高問題

為解決智能網聯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，難以商業化的問題，亟須通過對車、路、云數據進行統一分析處理、協同感知，建立車輛與交通環境的精細化多維度數字鏡像，將全局最優決策與交通態勢預測反饋給車輛、路側設備協同管控，實現車路云協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車路協同總體架構

基于車路協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、智能網聯車輛、高精度地圖、北斗衛星定位、分體式智能情報板、智能攝像頭、邊緣計算終端等新型數字化基礎感知設備。

3.2網絡層

構建一張涵蓋專用短程通信、C-V2X、5G、高速公路自組織專網和骨干通信網的高密度、高速率、低延遲的新一代交通通信與控制網。

3.3支撐層

建設云管控平臺，基于大數據、云計算、邊緣計算、AI等先進技術對數據治理，深度挖掘數據價值，為智能網聯交通控制、測試和評估提供數據支撐和決策服務。

3.4應用層

搭建開放的SaaS創新應用實驗平臺，開展路網監測、智慧物流、多式聯運、新能源貨車編隊行駛、網聯車輛協同測試等車路協同應用場景形成網聯交通體系。

4基于車路協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、數字孿生等技術，對在途傳統車輛和網聯車輛進行實時精準定位，實現精細化的路網運行狀況整體數據采集的宏觀監控與指揮調度的基礎環境。通過搭建高速公路物聯數據采集平臺，將來自高速公路沿線、邊坡、橋梁、隧道、服務區、收費站等高速公路固定資產的數據實現全量采集與關鍵數據可視化，結合固定資產傳感監測數據與分布式氣象站等的環境數據，將整體物聯數據孿生于高精度地圖之上，實現全域數據的可視化監測管理。構建基于北斗的GNSS遙感數據采集系統，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據采集，即邊坡、隧道等路網災害敏感固定資產進行遙感災害監測，包含“兩客一?！钡目拓涍\輸與智能網聯汽車等移動運輸進行定位數據采集，并將其歸集至高速公路物聯數據采集平臺進行統一的數據可視化監測管理。

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汽車車輛的升級改造工程，包括車輛的信息交互中控系統、自動操控系統，使其滿足與車路協同路側設備、通信單元的數據接收能力。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聯車載實時感應終端，對高速公路運營管理的傳統車輛進行賦能改造，例如公路養護巡檢車輛、公路應急排障車輛等，使其可與路側智能設備進行動態實時數據交互，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，更是網聯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20 ms以內的網聯車輛與云管控平臺的通信?；贑-V2X、專用短程通信和高速公路自組織專網等技術應用，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。結合高速公路骨干通信傳輸網，從宏觀上將各路段傳輸網信號進行整合匯聚，再通過高速公路骨干通信傳輸網將信號整體上行傳輸至高速公路物聯數據采集平臺，真正實現人、車、路、云平臺之間的全方位連接和高效的信息交互，支撐面向監測、控制、數據服務的可靠低延時、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同云管控基礎平臺的核心工程，是車路協同體系建設的中樞，是車路協同數據采集、數據處理、數據下行和數據安全的關鍵所在。面向輔助自動駕駛車輛對路網狀況識別分析、網聯車輛車路協同超視距路況感知、傳統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，實現對道路全域的路側智能設備數據動態管理、數據處理和精準發布，對所有在途、在線的網聯車輛進行動態追蹤與檢測，對車輛進行實時運行狀況分析，并與既有交通控制系統、監控系統、誘導系統、預警系統、救援系統和信息服務系統數據互通，實現公路交通系統的車道級、路段級和路網級實時協同調度。

5主要應用系統

5.1基于ETC的車路協同通信應用系統

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協議棧開發框架［3］，通過專用短程通信模塊發送/接收V2X通信數據，接收周邊車輛運動狀態信息與車輛請求信息，并向周邊車輛廣播輔助定位數據與業務處理的預警信息，同時與后臺交互，執行后臺控制中心指令，并上報預警信息。

5.2智能事件監測應用系統

該系統基于視頻的事件智能識別技術，能實現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、車流量統計查看等功能。

5.3數字孿生可視化系統

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，利用掃描數據構建三維可視化數字孿生模型。通過數字孿生系統將云管控平臺中的在途車輛數據及路網監測數據進行鏡像關聯，實現路網交通流模擬仿真管控。

5.4智能網聯車輛協同測試應用系統

該系統包含多式聯運輔助子系統、新能源貨車編隊控制子系統、智能網聯測試評估子系統。通過系統對在途跨廠商智能網聯汽車車載終端與車路協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至網聯汽車中控，車輛進行超視距預警與駕駛提示，并輸出網聯車輛對路側設施和云管控平臺的兼容性報告，為后續正式場景的高速公路網聯車輛多式聯運及新能源貨車編隊等高速公路車路協同創新應用提供決策依據［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聯車輛的智慧高速公路車路協同創新應用與測試評估體系，在為智能網聯車輛提供車路協同服務的同時，可為智能網聯車輛及其用戶、管理及運營機構等建立車輛運行、數據維護與分析、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同服務，極大加快基于車路協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

［1］褚宏靖，楊揚.車路協同在智慧高速領域的應用探索［J］.運輸經理世界，2020（13）：28-29.

［2］辛驍宇.探索基于智能車路協同技術下的智慧高速建設［J］.數字技術與應用，2021，39（8）：108-110.

［3］方芳，蘭琛，范全放，等.幾種常見車路協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.

［4］劉天洋，余卓平，熊璐，等.智能網聯汽車試驗場發展現狀與建設建議［J］.汽車技術，2017（1）：7-11，32.

［5］竇亮，劉曉青.關于人工智能，大數據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、數據中心建設與運維、無人機在高速公路行業的應用等工作。