文 河北交投智能交通技術(shù)有限責(zé)任公司 李廣

智慧高速是我國高速公路建設(shè)的熱點(diǎn)之一，車路協(xié)同是實(shí)現(xiàn)智慧高速的重要技術(shù)途徑，但由于車路協(xié)同涉及的各項(xiàng)技術(shù)難度高，且應(yīng)用場景豐富，當(dāng)前國內(nèi)對車路協(xié)同的研究與應(yīng)用尚處于探索嘗試階段，方案設(shè)計(jì)的多，落地實(shí)施的少，未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

針對高速公路應(yīng)用場景，G4京港澳高速公路涿州服務(wù)區(qū)段進(jìn)行了基于“5G+北斗高精度定位”的高速公路車路協(xié)同系統(tǒng)建設(shè)模式試點(diǎn)應(yīng)用，并驗(yàn)證了典型應(yīng)用場景下的系統(tǒng)功能。

高速公路車路協(xié)同系統(tǒng)架構(gòu)

5G擁有高帶寬、低時延、大連接的特點(diǎn)，是國家大力推廣的新一代通信技術(shù)。北斗系統(tǒng)集精密定位、厘米級導(dǎo)航、授時、地基增強(qiáng)等多功能于一體，具備在全國范圍內(nèi)提供高精度定位的基本服務(wù)能力。

基于“5G+北斗高精度定位”的高速公路車路協(xié)同系統(tǒng)按架構(gòu)自下而上可分為：協(xié)同感知層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)處理層、應(yīng)用層。其中協(xié)同感知層負(fù)責(zé)感知道路異常情況；網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)提供高帶寬、低時延的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)連接；數(shù)據(jù)處理層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、分析、存儲、分發(fā)、邊緣計(jì)算等；應(yīng)用層根據(jù)用戶的需求實(shí)現(xiàn)視頻聯(lián)動控制、交通信息發(fā)布、危險駕駛行為研判、路網(wǎng)交通態(tài)勢研判、異常天氣預(yù)警等，以實(shí)現(xiàn)保證交通安全、提高通行效率、提供便捷服務(wù)的目標(biāo)。

基于“5G+北斗高精度定位”的高速公路車路協(xié)同系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)組成

基于“5G+北斗高精度定位”的高速公路車路協(xié)同系統(tǒng)按照功能分為路網(wǎng)感知系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、智能管控平臺、信息交互系統(tǒng)四大組成部分。

基于“5G+北斗高精度定位”的高速公路車路協(xié)同系統(tǒng)組成

路網(wǎng)感知系統(tǒng)

路網(wǎng)感知系統(tǒng)負(fù)責(zé)檢測道路異常事件，是車路協(xié)同系統(tǒng)的“千里眼”“順風(fēng)耳”，主要由毫米波雷達(dá)、團(tuán)霧檢測器、智能交通警示燈等組成。

毫米波雷達(dá)

毫米波雷達(dá)工作在77千兆赫頻段，主要用于檢測道路上的車輛、行人、拋撒物等，實(shí)時輸出目標(biāo)數(shù)據(jù)，包括目標(biāo)車型、大小、位置、經(jīng)緯度、速度、航向角等，能夠?yàn)槊恳粋€目標(biāo)生成唯一編碼，此編碼能夠在不同雷達(dá)之間接力傳遞，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)連續(xù)監(jiān)測。與傳統(tǒng)監(jiān)控攝像機(jī)相比，毫米波雷達(dá)具有穿透力強(qiáng)、全天候、全天時監(jiān)測等特點(diǎn)。

團(tuán)霧檢測器

團(tuán)霧檢測器能夠準(zhǔn)確檢測并區(qū)分當(dāng)前路段是否存在干燥、霧、雨和雪4種天氣狀況，能夠全天候工作，可靠性強(qiáng)。

智能交通警示燈

利用北斗高精度定位技術(shù)，結(jié)合窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，自主研發(fā)了智能交通警示燈，定位精度達(dá)到亞米級，智能警示燈安裝在養(yǎng)護(hù)作業(yè)車輛、交通錐、標(biāo)識牌上，可以實(shí)時上報養(yǎng)護(hù)施工的精確位置。主要有六大功能：采用超低功耗窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信方式；具有高精度定位功能；能夠上報占道施工、封閉道路事件；采用鋰電池方案，具有太陽能充電和充電器充電兩種方式；具有自動休眠功能；具有高亮度LED閃爍功能。

毫米波雷達(dá)、團(tuán)霧檢測器、智能交通警示燈等的有機(jī)融合，豐富了信息采集手段，提高了路況實(shí)時監(jiān)測能力和道路異常事件實(shí)時獲取能力。

鏈接：

毫米波雷達(dá)主要參數(shù)：

★檢測距離：600米

★方位角：寬波束-30度至+30度 窄波束-10度至+10度

★俯仰角：寬波束-10度至+10度 窄波束-4.5度至+4.5度

★同時跟蹤目標(biāo)數(shù)：512

★檢測車道數(shù)：八車道

★測速范圍：-250公里每小時至250公里每小時

★工作頻率：77千兆赫

★檢測周期：10赫茲

★距離精度：<0.5米

★速度精度：<0.1米每秒或1%

★帶寬：150兆赫

★CPU架構(gòu)：多核異構(gòu)

★主頻：1.6千兆赫

★內(nèi)存：2G

★存儲器：固態(tài)8G

★工作溫度：-40攝氏度至75攝氏度

★防護(hù)等級：IP67

★供電：12伏電壓≥2.5安

★通信接口：1個RJ45網(wǎng)口，1個RS485

鏈接：

團(tuán)霧檢測器主要技術(shù)參數(shù)：

*能見度測量范圍：1米至50米

*天氣識別率：>90%

*更新時間：10秒

*對外接口：RS232、RS485、RJ45

*防護(hù)等級：IP65

通信系統(tǒng)

通信系統(tǒng)由5G蜂窩網(wǎng)、北斗高精度定位網(wǎng)和C-V2X網(wǎng)組成。

基于“5G+北斗高精度定位”的高速公路車路協(xié)同系統(tǒng)通信子系統(tǒng)

5G網(wǎng)絡(luò)

5G具有高帶寬、低時延、大連接三大特性，速度是4G的20倍以上，時延達(dá)到毫秒級，每平方公里連接用戶數(shù)可達(dá)到100萬。較傳統(tǒng)的4G網(wǎng)絡(luò)，速度更快，延時更低，特別是區(qū)域內(nèi)用戶數(shù)量較多時，仍可以保持很高的傳輸速率，從而保障了信息傳遞的及時性。

5G行業(yè)專網(wǎng)是服務(wù)于垂直行業(yè)客戶的專用網(wǎng)絡(luò)，具有網(wǎng)絡(luò)性能要求高、數(shù)據(jù)不出園區(qū)、隔離安全要求高、需求定制化、多量綱計(jì)費(fèi)、按需配置、批量開通等功能，服務(wù)范圍、網(wǎng)絡(luò)能力、隔離度、服務(wù)保障均可定制。

該系統(tǒng)采用中國移動5G網(wǎng)絡(luò)，鑒于2.6千兆赫基站能力富余、且4.9千兆赫產(chǎn)業(yè)更不成熟，頻段優(yōu)先選用2.6千兆赫，以網(wǎng)絡(luò)切片方式滿足高速專網(wǎng)需求。

北斗高精度定位網(wǎng)

通信系統(tǒng)采用中國移動高精度定位系統(tǒng)，中國移動高精度定位系統(tǒng)包括覆蓋全國的地基增強(qiáng)基準(zhǔn)站網(wǎng)、高精度定位平臺、用戶終端3個部分，其中地基增強(qiáng)基準(zhǔn)站網(wǎng)接收處理全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)并傳輸至高精度定位平臺，平臺計(jì)算誤差信息，并向用戶終端實(shí)時播發(fā)位置修正值（差分改正數(shù)），用戶終端實(shí)時解算獲得高精度定位坐標(biāo)。

中國移動高精度定位系統(tǒng)

V2X路側(cè)單元

V2X路側(cè)單元可提供低時延的信息傳輸通道，主要用于向智能網(wǎng)聯(lián)車或車載OBU廣播異常事件信息，具有數(shù)據(jù)傳輸高密度、高吞吐量、高可靠性等特點(diǎn)。路側(cè)單元為四核高速處理器，支持快速處理多并發(fā)數(shù)據(jù)，有豐富的外圍接口。搭配高性能、高可靠性C-V2X PC5 Mode4智聯(lián)通信，集成多星座GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）接收機(jī)，滿足不同環(huán)境下對快速、精準(zhǔn)定位的需求，超寬溫度范圍，優(yōu)越的抗電磁干擾能力，MIMO技術(shù)滿足無線通信系統(tǒng)對數(shù)據(jù)速率和連接可靠性的要求，超寬電壓工作范圍，滿足多種場景。

智能管控平臺與信息交互系統(tǒng)

智能管控平臺是車路協(xié)同系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互與控制中心，是整個系統(tǒng)的大腦，主要由信息采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、事件分析檢測模塊、數(shù)據(jù)分發(fā)模塊、事件報警模塊等組成，匯集毫米波雷達(dá)、團(tuán)霧檢測器、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、智能交通警示燈的數(shù)據(jù)，進(jìn)行事件綜合研判，并將特殊事件下發(fā)至路側(cè)設(shè)備、手機(jī)終端上，為用戶提供道路異常信息。

信息交互系統(tǒng)包括車載單元OBU和手機(jī)App，分別通過V2X網(wǎng)絡(luò)和5G網(wǎng)絡(luò)獲取異常事件信息，用于向司乘人員播報異常事件，使司乘人員有足夠的時間做出反應(yīng)，避免交通事故的發(fā)生。為了后續(xù)可以接入更多的應(yīng)用，還制定了第三方接入標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，用于第三方應(yīng)用的接入。

基于“5G+北斗高精度定位”的高速公路車路協(xié)同系統(tǒng)智能管控平臺

系統(tǒng)功能與特點(diǎn)

系統(tǒng)功能

感知系統(tǒng)檢測到超速行駛車輛、慢速行駛車輛、緊急停車、逆行車輛、危險變道車輛、交通事故、車輛合流、行人非機(jī)動車上路、拋撒物、施工封路、區(qū)域團(tuán)霧等異常事件時，將信息報送至智能管控平臺，經(jīng)平臺分析研判后，通過5G網(wǎng)絡(luò)和V2X網(wǎng)絡(luò)，將提示信息發(fā)送至“尚高速”App和V2X終端，司乘人員根據(jù)提示進(jìn)行處置，確保行車安全。

系統(tǒng)特點(diǎn)

系統(tǒng)通過引入5G網(wǎng)絡(luò)，5G和V2X兩種網(wǎng)絡(luò)同時發(fā)布信息，使更多的司乘人員體驗(yàn)到車路協(xié)同帶來的安全與便捷，更加適用于當(dāng)前智能網(wǎng)聯(lián)車輛較少的情況。通過引入北斗高精度定位，實(shí)現(xiàn)了車道級定位，結(jié)合智能交通警示燈的使用，可以精確標(biāo)注道路施工點(diǎn)信息，信息提示內(nèi)容更豐富。

深入挖掘毫米波雷達(dá)在高速公路車路協(xié)同系統(tǒng)中的應(yīng)用場景，使用毫米波雷達(dá)進(jìn)行事件采集，解決了傳統(tǒng)的視頻事件采集系統(tǒng)夜間無法工作的問題。結(jié)合雷達(dá)級聯(lián)成像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了基于毫米波雷達(dá)的多目標(biāo)檢測與跟蹤，提升了毫米波雷達(dá)探測精度。

雷達(dá)和光電系統(tǒng)聯(lián)動能夠充分發(fā)揮雷達(dá)與視頻監(jiān)控的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)自動發(fā)現(xiàn)和識別可疑目標(biāo)，自動調(diào)動攝像頭追蹤和監(jiān)視可疑目標(biāo)的功能，提高高速公路運(yùn)營管理人員的工作效率。通過深入研究雷達(dá)與攝像機(jī)聯(lián)動機(jī)制，探索多信源數(shù)據(jù)融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了雷攝聯(lián)動技術(shù)在高速公路車路系統(tǒng)中應(yīng)用。

交通事件是造成道路偶發(fā)性交通擁擠的主要原因，由于交通事件的發(fā)生時間和地點(diǎn)是隨機(jī)的、不可預(yù)測的，往往會造成嚴(yán)重的交通擁擠并引發(fā)二次事故。因此，盡早地發(fā)現(xiàn)事件，確認(rèn)事件的性質(zhì)并及時采取救援措施和為其他駕駛員提供相關(guān)信息，才能實(shí)現(xiàn)對事件快速、高效、恰當(dāng)?shù)奶幚?，降低交通事件的影響。通過在原有傳統(tǒng)事件檢測算法的基礎(chǔ)上，綜合運(yùn)用深度學(xué)習(xí)、人工智能等技術(shù)，提升了事件檢測效率和檢測精度。

試點(diǎn)應(yīng)用

在京港澳高速公路涿州服務(wù)區(qū)段進(jìn)行了車路協(xié)同示范區(qū)建設(shè)。試點(diǎn)示范區(qū)安裝毫米波雷達(dá)4臺，采用背對背的安裝方式固定在監(jiān)控桿或門架上，安裝位置緊鄰監(jiān)控攝像機(jī)、毫米波雷達(dá)。聯(lián)合中國移動在車路協(xié)同示范區(qū)建設(shè)了6座5G基站，實(shí)現(xiàn)了5G信號的全覆蓋，共安裝V2X路側(cè)單元3臺，單臺覆蓋半徑為800米，可覆蓋3公里范圍。

毫米波雷達(dá)安裝位置示意圖

5G基站位置示意圖

試點(diǎn)建設(shè)完成后，對典型應(yīng)用場景下的系統(tǒng)功能進(jìn)行了驗(yàn)證，驗(yàn)證場景如表1所示。

表1 基于“5G+北斗高精度定位”的高速公路車路協(xié)同系統(tǒng)驗(yàn)證場景

自2020年9月20日平臺上線以來，安排專人持續(xù)跟蹤系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，對車輛總體識別準(zhǔn)確率和事件識別準(zhǔn)確率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)監(jiān)測，并對系統(tǒng)功能和性能不斷進(jìn)行優(yōu)化。經(jīng)最新統(tǒng)計(jì)，2021年12月通行車輛超71萬輛，車輛總體識別準(zhǔn)確率已達(dá)到98.7%，采集各類交通事件126例，事件識別準(zhǔn)確率已達(dá)到84%。

隨著新基建的全面鋪開和5G商用化的逐步推廣，車路協(xié)同正在從“虛”轉(zhuǎn)向“實(shí)”。筆者所在團(tuán)隊(duì)針對高速公路應(yīng)用場景，基于“5G+北斗高精度定位”的高速公路車路協(xié)同系統(tǒng)建設(shè)模式，綜合應(yīng)用5G、毫米波雷達(dá)、北斗高精度定位、V2X通信等先進(jìn)技術(shù)，搭建了高速公路車路協(xié)同系統(tǒng)，并在京港澳高速公路涿州服務(wù)區(qū)段進(jìn)行了試點(diǎn)應(yīng)用建設(shè)，對典型應(yīng)用場景下的系統(tǒng)功能進(jìn)行了驗(yàn)證，為基于“5G+北斗高精度定位”的高速公路車路協(xié)同系統(tǒng)持續(xù)創(chuàng)新研究和規(guī)?；涞氐於嘶A(chǔ)。但是，目前國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)仍不健全，關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備仍需進(jìn)一步研究優(yōu)化，后續(xù)筆者所在團(tuán)隊(duì)將持續(xù)開展高速公路車路協(xié)同系統(tǒng)建設(shè)模式探索，積極推進(jìn)車路協(xié)同規(guī)?；涞?。