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(chē)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(yùn)輸部印發(fā)《數(shù)字交通發(fā)展規(guī)劃綱要》,推動(dòng)公路互通樞紐等重要節(jié)點(diǎn)的交通感知網(wǎng)絡(luò)覆蓋,并依托全時(shí)空數(shù)據(jù)的采集和處理,完成道路內(nèi)車(chē)輛的安全預(yù)警控制及道路管養(yǎng)工作,實(shí)現(xiàn)“人車(chē)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(chē)輛單向行駛、道路封閉性,突發(fā)性因素對(duì)行車(chē)影響較小、路況較好,機(jī)電設(shè)施完善,具備較理想的車(chē)路協(xié)同技術(shù)應(yīng)用[1]。

1 車(chē)路協(xié)同技術(shù)原理

車(chē)路協(xié)同技術(shù)(如圖1所示),以智能路側(cè)感知為節(jié)點(diǎn),經(jīng)先進(jìn)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)將感知設(shè)備獲取的車(chē)輛及道路信息,經(jīng)邊云協(xié)同演算優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)V2-X間的數(shù)據(jù)共享,輔以厘米級(jí)地圖精確定位,真實(shí)場(chǎng)景建模由車(chē)路協(xié)同交通事件智能化平臺(tái)完成車(chē)輛同道路監(jiān)控設(shè)施的協(xié)作配合,為本地道路運(yùn)行情況、交通事件預(yù)警播報(bào)及道路設(shè)備態(tài)勢(shì)感知提供精準(zhǔn)策略的生成和發(fā)布。當(dāng)前主流車(chē)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(chē)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(chē)載設(shè)備終端)及RSU(路側(cè)單元)兩個(gè)部分,可實(shí)現(xiàn)在特定區(qū)域內(nèi)對(duì)高速移動(dòng)目標(biāo)的識(shí)別和雙向通信,在保證通信鏈路低延時(shí)低干擾的基礎(chǔ)上實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)信息,實(shí)現(xiàn)V2I的有機(jī)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(chē)收費(fèi)系統(tǒng)(ETC)中。缺點(diǎn)在于DSRC頻譜利用率不足、信道競(jìng)爭(zhēng)較大、硬件成本較高、長(zhǎng)距高速移動(dòng)下網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)及丟包率較高。

C-V2X以蜂窩移動(dòng)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(shí)間、速度、導(dǎo)頻)以最高250kph經(jīng)PC5(mode4)接口為V2V、V2I、V2P提供實(shí)時(shí)的、高敏感性、高密度的數(shù)據(jù)交互體驗(yàn)。集中式可為用戶(hù)提供非時(shí)延敏感性信息,常用于V2N端通信；預(yù)留部分5GUu端口,為自動(dòng)駕駛提供輔助信息引導(dǎo)。

2 適用于高速公路車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)的建設(shè)

依托目前全國(guó)高速路網(wǎng)建成的2.6萬(wàn)套門(mén)架軟件、RSU、高清車(chē)牌識(shí)別等傳感器以及門(mén)架服務(wù)器的邊緣計(jì)算能力形成的完整生態(tài)鏈,采用“DSRC+C-V2X”融合的車(chē)路協(xié)同技術(shù),可以快速高效的搭建智慧高速車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 智慧高速融合型車(chē)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(hào)燈、可變式情報(bào)發(fā)布系統(tǒng)；(2)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)光煙霧傳感器等；(3)通信基站(芯片、模組)與邊緣計(jì)算。根據(jù)交通運(yùn)輸部車(chē)路協(xié)同試驗(yàn)路試驗(yàn)結(jié)果表明：有效距離＞1200m通信時(shí)延顯著增大,數(shù)據(jù)接收異常；當(dāng)測(cè)試距離在400-500m范圍內(nèi),場(chǎng)強(qiáng)信號(hào)平均值在-85dBm,取得的數(shù)據(jù)丟包率和通信時(shí)延值較為理想[2]。結(jié)合投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)的廈門(mén)遠(yuǎn)海碼頭無(wú)人駕駛集裝箱及廈門(mén)BRT車(chē)路協(xié)同項(xiàng)目,高速公路依托現(xiàn)有ETC門(mén)架系統(tǒng)為骨干節(jié)點(diǎn),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(tái)

對(duì)現(xiàn)有ETC門(mén)架RSU進(jìn)行升級(jí),將其作為車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)底層DSRC通信網(wǎng)絡(luò)的接入點(diǎn),通過(guò)開(kāi)放協(xié)議及端口實(shí)現(xiàn)感知層設(shè)備的組網(wǎng)鏈接,以現(xiàn)有的門(mén)架-收費(fèi)站-省中心三級(jí)光路環(huán)網(wǎng)形成高速公路車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)的主要通信鏈路；在現(xiàn)有ETC門(mén)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(shí)延、高效率、多頻譜的特性打造互補(bǔ)的車(chē)路協(xié)同底層通信系統(tǒng)[3]。

2.3 高速公路車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)云控平臺(tái)

云控平臺(tái)在車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)中扮演“中樞大腦”作用,根據(jù)2020中國(guó)聯(lián)通與華為聯(lián)合發(fā)布的《新基建、新動(dòng)能5G車(chē)路協(xié)同白皮書(shū)》表示,云控平臺(tái)應(yīng)具備車(chē)路協(xié)同業(yè)務(wù)、設(shè)備維護(hù)管理、云邊協(xié)同和能力開(kāi)放與演進(jìn)等業(yè)務(wù)功能；執(zhí)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、大數(shù)據(jù)分析與云計(jì)算、信息回轉(zhuǎn)、信息安全等基礎(chǔ)服務(wù)機(jī)制。

現(xiàn)階段可根據(jù)高速公路通信鏈路搭建終端-邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)-區(qū)域云三層物理架構(gòu)。其中邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)可按信息融合需求就近部署在道路現(xiàn)場(chǎng)或門(mén)架服務(wù)器、移動(dòng)通信基站,其優(yōu)勢(shì)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(shí)延；(2)降低帶寬成本,減輕區(qū)域云端壓力,實(shí)現(xiàn)算力的集中分配；(3)針對(duì)異常網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)不影響終端間實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互,待通信恢復(fù)后將本地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)上傳云端。區(qū)域云則負(fù)責(zé)全路段、長(zhǎng)周期、非實(shí)時(shí)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(cè)試平臺(tái)、開(kāi)放接口協(xié)議,融合第三方APP收集的車(chē)、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(shí)現(xiàn)的高速公路車(chē)路協(xié)同應(yīng)用場(chǎng)景

3.1 基于ETC的高速公路服務(wù)應(yīng)用

在收費(fèi)廣場(chǎng)入口連接線(xiàn)提前部署車(chē)路協(xié)同系統(tǒng),尤其針對(duì)部分無(wú)收費(fèi)廣場(chǎng)或收費(fèi)廣場(chǎng)較小的場(chǎng)合,提前根據(jù)OBU類(lèi)型引導(dǎo)貨車(chē)、客車(chē)完成客貨分離,優(yōu)化入口過(guò)車(chē)秩序；出口匝道處預(yù)先部署,向ETC用戶(hù)推送收費(fèi)站出口專(zhuān)用車(chē)道位置及通行狀態(tài)并推送途徑區(qū)間數(shù)及應(yīng)扣費(fèi)額,針對(duì)特情車(chē)輛(卡余額不足及OBU、卡芯片損壞用戶(hù))提前告知設(shè)備異常請(qǐng)轉(zhuǎn)入人工車(chē)道繳費(fèi)并處理,提升用戶(hù)體驗(yàn)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(shí)現(xiàn)主動(dòng)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(chē)免操作的智慧加油模式；針對(duì)人流密度較大路情復(fù)雜的特點(diǎn)提供安全輔助駕駛信息推送、碰撞預(yù)警和輔助泊車(chē)等服務(wù)[4]。

3.2 高速公路特殊路段路況提示

陡坡、長(zhǎng)下坡和彎道等特殊路段增設(shè)車(chē)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(bào)發(fā)布系統(tǒng)及聲光警示系統(tǒng)告知前方路況復(fù)雜請(qǐng)減速慢行；高速公路匝道及互通樞紐因車(chē)輛匯聚易發(fā)生擁堵碰撞事故,利用車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)可預(yù)先引導(dǎo)車(chē)輛完成變道操作,提升車(chē)輛通行秩序；在長(zhǎng)隧道前中后處部署車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)聲光報(bào)警警示用戶(hù)隨到行車(chē)注意安全。

3.3 高速公路機(jī)電運(yùn)維

數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互性大大增加了機(jī)電維護(hù)部門(mén)的運(yùn)維壓力?；贕IS地圖的多系統(tǒng)平臺(tái),融合安全準(zhǔn)入系統(tǒng)、隧道監(jiān)控系統(tǒng)(照明,風(fēng)機(jī),火災(zāi),應(yīng)急電話(huà)及PLC控制、供配電事件預(yù)警)、道路信息發(fā)布及ETC門(mén)架系統(tǒng)運(yùn)行檢測(cè),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(xiǎn)和問(wèn)題為機(jī)電維護(hù)部門(mén)提供及時(shí)準(zhǔn)確的技術(shù)支持。以我司擬投入的外場(chǎng)可變式情報(bào)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(mén)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(tái)協(xié)議及端口)完成交互,在平臺(tái)端實(shí)時(shí)監(jiān)控情報(bào)板通信及工控機(jī)工作狀態(tài),并對(duì)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(jiàn)故障做到實(shí)時(shí)聲光報(bào)警,亦可配合定期巡檢提前做到設(shè)備的預(yù)防性養(yǎng)護(hù),提升機(jī)電維護(hù)的工作效率。結(jié)合我司正在調(diào)試測(cè)試中的全網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)平臺(tái)在門(mén)架內(nèi)配置機(jī)柜環(huán)境運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng),將煙霧傳感器、電子門(mén)鎖告警、水浸監(jiān)測(cè)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(jí)后由網(wǎng)口采集數(shù)據(jù),回傳至后端服務(wù)器,可在運(yùn)維中心直觀(guān)呈現(xiàn)出該門(mén)架市電工作狀態(tài)、機(jī)柜溫濕度監(jiān)控、STS主備線(xiàn)路工作狀態(tài)及UPS電池組充放電監(jiān)測(cè)等功能,接入通信系統(tǒng)網(wǎng)管系統(tǒng)可針對(duì)站級(jí)、門(mén)架側(cè)交換機(jī)光鏈路展開(kāi)監(jiān)測(cè)。目前除因光電纜中斷導(dǎo)致的事故外,針對(duì)RSU、工控機(jī)、門(mén)架軟件系統(tǒng)等故障已實(shí)現(xiàn)從發(fā)現(xiàn)到恢復(fù)功能在4小時(shí)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(zhuān)項(xiàng)整治工作,由機(jī)電部門(mén)在高發(fā)路段部署“兩槍+一球”500萬(wàn)高清攝像機(jī)完成實(shí)時(shí)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(bào)則完成對(duì)車(chē)輛信息的記錄。該項(xiàng)目目前已對(duì)應(yīng)急車(chē)道停車(chē)、車(chē)窗拋灑物、占道施工布控、行人上高速、車(chē)輛逆行及匝道口擁堵展開(kāi)測(cè)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(duì)應(yīng)急事件完成路網(wǎng)路況告知引導(dǎo)工作。

4 結(jié)語(yǔ)

未來(lái)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(chē)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(shì)。