邸 赫

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計院有限責(zé)任公司 沈陽市 110166)

車路協(xié)同系統(tǒng)是指采用先進(jìn)的無線通信及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù),全方位實施車車、車路和人車動態(tài)實時信息交互,在全時空動態(tài)交通信息采集與融合的基礎(chǔ)上,進(jìn)行車輛協(xié)同安全和道路主動控制,實現(xiàn)人、車、路有效協(xié)同,從而構(gòu)建安全、高效和環(huán)保的道路交通系統(tǒng)[1]。

高速公路與城市低速區(qū)域是自動駕駛系統(tǒng)率先應(yīng)用的兩個場景[2]。高速公路的車道標(biāo)線、標(biāo)志牌等結(jié)構(gòu)化特征清晰,交通環(huán)境相對簡單,有利于實現(xiàn)特定區(qū)域內(nèi)的車路協(xié)同和自動駕駛。

1 需求分析

2014年,交通部印發(fā)“四個交通”建設(shè)要求,智慧交通是核心內(nèi)容之一。車路協(xié)同與自動駕駛技術(shù)是當(dāng)前科學(xué)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要領(lǐng)域,也是智慧交通建設(shè)的重要內(nèi)容。

近幾年來,自動駕駛汽車安全事故頻發(fā),市場對自動駕駛汽車的可靠性、安全性、識別周圍物體的準(zhǔn)確性要求越來越高。我國自主企業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)尚比較薄弱,在傳感器感知、控制決策等方面仍然缺乏核心技術(shù)積累。雨、雪、霧、霾等天氣情況下,攝像頭捕捉圖像能力、雷達(dá)感應(yīng)能力下降,可能導(dǎo)致無法做出準(zhǔn)確判斷。

交通的高效、安全運行不能僅僅依靠提升車輛智能水平來完成,更應(yīng)注重加強路側(cè)基礎(chǔ)設(shè)施的智能化水平。通過高速公路基礎(chǔ)設(shè)施智能化建設(shè),集成傳感系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和高精度數(shù)字地圖等模塊,使路側(cè)設(shè)施擁有先進(jìn)的感知通信能力,通過車路間的信息交互向車輛發(fā)送重要信息,實現(xiàn)車路協(xié)同安全預(yù)警與控制,從而提高交通運行效率,減少能源消耗和交通安全事故,培育我國在車路協(xié)同與自動駕駛領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢。

2 車路協(xié)同管控系統(tǒng)架構(gòu)

由于高速公路行車速度較快,交通運行狀況瞬息萬變,對于突發(fā)事件,如未及時采取應(yīng)對措施,極易引發(fā)事故,對公眾生命財產(chǎn)安全造成極大威脅。因此,車路協(xié)同系統(tǒng)必須針對高速公路交通運行中出現(xiàn)的影響正常運行的突發(fā)事件實現(xiàn)快速感知,并將報警信息快速傳遞到車輛端,再由車載智能系統(tǒng)或駕駛?cè)藛T進(jìn)行響應(yīng)處理。

為滿足交通事件快速分析運算的需求,將云計算中心部分功能前置到外場本地,通過邊緣計算的方式,為影響安全運行的緊急事件提供快速計算服務(wù),從而縮短系統(tǒng)反應(yīng)時間。車路協(xié)同系統(tǒng)采用終端層、傳輸層、計算服務(wù)層、感知層四層架構(gòu)實現(xiàn)。

(1)感知層:主要通過人工智能、機器視覺等技術(shù)快速感知路段內(nèi)影響安全運行的突發(fā)事件信息。主要設(shè)備包括一體化云臺攝像機、跟蹤檢測雷達(dá)傳感器、高精度定位信息、高速公路沿線智能感知設(shè)備等。

(2)計算服務(wù)層:包括邊緣計算和子平臺計算兩部分。邊緣計算由邊緣計算設(shè)備和路側(cè)通信設(shè)備共同完成,負(fù)責(zé)接收并上傳感知設(shè)備交通事件信息,快速聯(lián)動控制可變信息標(biāo)志與通信基站,發(fā)布報警信號,同時將云平臺的高精度地圖分發(fā)給過往車輛。平臺計算主要由云計算數(shù)據(jù)分中心完成,進(jìn)行日常信息處理和復(fù)雜運算,并通過傳輸層向可變信息標(biāo)志與車載通信設(shè)備OBU推送誘導(dǎo)信息。

(3)傳輸層:負(fù)責(zé)系統(tǒng)設(shè)備間數(shù)據(jù)傳輸,包括智能感知設(shè)備間、外場設(shè)施與云計算數(shù)據(jù)中心、基站與終端的聯(lián)網(wǎng)通信。傳輸層將光纖數(shù)字傳輸網(wǎng)、車地?zé)o線通信網(wǎng)、短程通信網(wǎng)(工業(yè)以太網(wǎng)交換機環(huán)網(wǎng))和北斗高精定位網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行融合。

(4)終端層:負(fù)責(zé)接收系統(tǒng)處理數(shù)據(jù),主要設(shè)備包括智能網(wǎng)聯(lián)車輛、車載終端OBU、可變信息標(biāo)志等。

車路協(xié)同系統(tǒng)的各種附屬設(shè)施通過相互配合,協(xié)同工作,為裝有車載通信設(shè)備OBU 的車輛提供所需技術(shù)支持。路側(cè)端附屬設(shè)施均具備各自基本功能,在滿足傳統(tǒng)機電系統(tǒng)應(yīng)用的過程中,還需與其他附屬設(shè)施建立網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接,交換車路協(xié)同相關(guān)信息,協(xié)調(diào)統(tǒng)一地完成適應(yīng)車路協(xié)同系統(tǒng)的全部工作。

3 車路協(xié)同管控系統(tǒng)應(yīng)用場景

車路協(xié)同管控系統(tǒng)對高速公路全路段和特定區(qū)域安全風(fēng)險進(jìn)行全時空感知,通過邊緣計算分析識別安全風(fēng)險,在合流區(qū)、施工區(qū)前后路段以及路面狀態(tài)不良和發(fā)生重大安全事件的情況下,為目標(biāo)車輛精準(zhǔn)推送預(yù)警信息,提前采取相應(yīng)措施。同時,邊緣計算將感知信息進(jìn)行分析,識別安全風(fēng)險,并給出避免安全風(fēng)險的智能控制決策。

高速公路全路段、合流區(qū)、分流區(qū)、彎道、上下坡道、事故多發(fā)地等區(qū)域是車路協(xié)同式安全預(yù)警與控制的主要應(yīng)用場景。具體應(yīng)用功能有:車輛近距離危險預(yù)警、后方車輛超車提醒、側(cè)方車輛碰撞提醒、前方車輛緊急制動提示、道路前方障礙物提醒、周邊緊急車輛提醒、前方事故預(yù)警、前方車輛故障提示、前方道路施工信息預(yù)警、極端天氣氣象預(yù)警、路段限速提醒等。

4 車路協(xié)同管控系統(tǒng)外場設(shè)備布設(shè)原則

車路協(xié)同外場設(shè)備主要包括毫米波雷達(dá)、固定攝像機、RSU、邊緣計算設(shè)備等。

(1)毫米波雷達(dá):毫米波雷達(dá)與傳統(tǒng)視頻監(jiān)控相比,穿透霧、煙、灰塵的能力強,不受光線及天氣條件影響,能夠?qū)崿F(xiàn)全天候感知。毫米波雷達(dá)有全向雷達(dá)和定向雷達(dá)之分。全向雷達(dá)檢測區(qū)域覆蓋范圍約為1000m,雷達(dá)與雷達(dá)的檢測區(qū)域之間要有一定距離的重疊,以保證檢測精度。全向雷達(dá)按800m間距布設(shè)。定向雷達(dá)的檢測距離約為250m,定向雷達(dá)按200m間距布設(shè)。全向雷達(dá)檢測范圍廣,但價格較貴,且現(xiàn)階段設(shè)備廠家較少,建議采用定向毫米波雷達(dá)作為車路協(xié)同外場設(shè)備。

(2)固定攝像機:建議采用400萬像素固定攝像機,布設(shè)間距為200m。

(3)RSU:有效傳輸距離約為1000m,按不大于600m間距布設(shè)。

綜上,在車路協(xié)同路段,毫米波雷達(dá)、攝像機按200m間距雙側(cè)對稱布設(shè),每600m雙側(cè)各設(shè)置一套RSU及邊緣計算設(shè)備,其中定向毫米波雷達(dá)、RSU及攝像機同桿設(shè)置。

5 車路協(xié)同管控系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò)

5.1 車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)當(dāng)前技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀,5G-V2X技術(shù)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)尚未健全,主流設(shè)備廠家均無成熟的商用設(shè)備,建議選用LTE-V2X技術(shù)組建車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)。

車地?zé)o線通信系統(tǒng)作為傳輸層組成部分,需要對傳輸數(shù)據(jù)的真實性進(jìn)行甄別,確保車路通信系統(tǒng)接入的各類數(shù)據(jù)的安全性,該部分功能由系統(tǒng)部署在前端的各類設(shè)備協(xié)同完成。車地?zé)o線通信系統(tǒng)的后臺為運行在后臺硬件資源上的車路通信管理平臺,該管理平臺集成各項系統(tǒng)監(jiān)測運維基本功能軟件模塊,為車路通信系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)、升級和故障修復(fù)提供基礎(chǔ)服務(wù)。車路通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 車路通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

LTE-V2X通信系統(tǒng)主要實現(xiàn)V2X通信需求,支持車輛和周圍道路車輛、道路設(shè)施、行人、網(wǎng)絡(luò)間的溝通。

LTE-V2X無線通信網(wǎng)絡(luò)由移動終端、地面無線接入節(jié)點和核心網(wǎng)絡(luò)三部分組成。

RSU通訊單元及邊緣計算節(jié)點通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機上傳數(shù)據(jù),連接至高速路段通信傳輸系統(tǒng)。

當(dāng)車路協(xié)同車輛行駛通過路側(cè)通信設(shè)備RSU 時,車輛與路側(cè)通信設(shè)備RSU 進(jìn)行通信,將車輛自身行駛狀態(tài)和運行狀態(tài)信息(如速度、位置等)傳送給路側(cè)通信設(shè)備,并通過路側(cè)通信設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)傳送回邊緣計算設(shè)備。同時路側(cè)設(shè)備將從云計算數(shù)據(jù)中心、路側(cè)邊緣計算設(shè)備獲取的周邊環(huán)境信息、交通狀態(tài)信息、道路狀態(tài)信息、安全預(yù)警信息等通過PC5 鏈路廣播給周邊車輛。

路側(cè)通信設(shè)備RSU 接收區(qū)域內(nèi)的精確定位參考信息和高清地圖數(shù)據(jù),并通過PC5 鏈路廣播給周邊車輛,實現(xiàn)高精定位和高清地圖動態(tài)發(fā)布。

車載終端OBU 布設(shè)在車輛內(nèi)部,與路側(cè)通信設(shè)備RSU 通過LTE-V 直連通信模式(PC5 模式)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互,也可通過C-V2X網(wǎng)絡(luò)廣播自身信息完成車與車間的通信。 結(jié)合車輛自身信息、高精度定位信息以及從RSU接收到的信息,對場景進(jìn)行實時判斷,進(jìn)而為駕駛員提供安全輔助提醒。

5.2 有線通信傳輸網(wǎng)絡(luò)

(1)前端設(shè)備至收費站傳輸網(wǎng)絡(luò)

考慮高速公路光纖資源豐富,底層傳輸網(wǎng)絡(luò)建議采用工業(yè)以太網(wǎng)交換機組環(huán)網(wǎng)的方式傳輸至就近站點,并與收費站匯聚交換機組成多個環(huán)形網(wǎng)絡(luò),收費站匯聚交換機上端連接站內(nèi)傳輸設(shè)備的光接口,進(jìn)而傳輸數(shù)據(jù)至分中心管理平臺。

(2)收費站至上級管理平臺傳輸網(wǎng)絡(luò)

高速公路多建有路段通信傳輸系統(tǒng),底層數(shù)據(jù)傳輸至就近收費站后,通過路段通信傳輸系統(tǒng)傳輸至上級管理平臺。

6 高精度定位及高精度地圖

高精度定位及高精地圖是車路協(xié)同的核心技術(shù)之一,精準(zhǔn)的地圖對汽車定位、導(dǎo)航、控制及安全至關(guān)重要。

6.1 高精度定位系統(tǒng)

基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航的地基增強系統(tǒng),為裝有差分信號接收端的車輛和路側(cè)設(shè)施設(shè)備提供穩(wěn)定可靠的高精度定位、授時服務(wù),支撐車路協(xié)同應(yīng)用落地。同時配合高精度數(shù)字地圖系統(tǒng),能夠為高速公路上的車輛、人員和設(shè)備設(shè)施等提供全天候、全天時、高精度的定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)。考慮系統(tǒng)后期維護(hù)、造價等因素,建議北斗地基增強系統(tǒng)采用購買第三方服務(wù)的方式實現(xiàn)信號覆蓋。

針對交通運輸領(lǐng)域的典型應(yīng)用場景,高精度定位可實現(xiàn)以下服務(wù)功能:

(1)支持高速公路車路協(xié)同服務(wù)

為具備車載終端的車輛提供全天候全場景的車道級定位服務(wù),解決部分特殊場景中行車方向定位困難等問題,輔助車輛在高速公路場景下自主感知并安全行駛于指定車道。

(2)實現(xiàn)對營運車輛的實時監(jiān)控和軌跡跟蹤

通過位置數(shù)據(jù)服務(wù),實現(xiàn)精準(zhǔn)、實時、靈活的全場景、全天候、無縫化的車輛、人員、設(shè)備等的運營調(diào)度管理,提高管理效率,降低監(jiān)控維護(hù)人工成本,增加安全系數(shù),減少安全事故。

(3)實現(xiàn)車路協(xié)同的監(jiān)控與實時定位功能

為具備車載終端的車輛提供高精度定位解決方案,在定位精度、收斂時間、完好性、可靠性、連續(xù)性、一致性等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)上滿足車路協(xié)同需求,提供更完善的安全保障。

(4)支持車輛出行服務(wù)

在高精度定位的前提下實現(xiàn)出行服務(wù)精準(zhǔn)化、精細(xì)化,包括提供出口換道預(yù)提示,提供附近服務(wù)區(qū)、加油站、充電樁等。

(5)支持車路協(xié)同安全保障服務(wù)

基于高精度定位系統(tǒng),提供適配車端、路段以及各種物聯(lián)網(wǎng)終端的高精度定位及授時組合服務(wù),在V2X 的交通安全、交通效率、信息服務(wù)等應(yīng)用方向上供給全方位精準(zhǔn)時空能力,實現(xiàn)相鄰車道預(yù)警、前方擁堵提示等。基于北斗的高精度定位系統(tǒng)可持續(xù)更新定位信息至高精度地圖系統(tǒng),通過數(shù)據(jù)融合與位置解算,保證車輛定位精度,并為導(dǎo)航軟件提供一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口。

6.2 高精度地圖系統(tǒng)

高精度地圖與普通導(dǎo)航地圖的本質(zhì)區(qū)別在于:普通導(dǎo)航地圖面向駕駛員使用,而高精度地圖面向車路協(xié)同車輛使用。車路協(xié)同車輛安裝高精度地圖或從云端分段獲取高精度地圖可以幫助車輛預(yù)知路面復(fù)雜信息,如坡度、曲率等,更好地規(guī)避車輛行駛過程中的潛在風(fēng)險。

高精度數(shù)字地圖包含更多的圖層數(shù)量和道路數(shù)據(jù),如路網(wǎng)數(shù)據(jù)、車道數(shù)據(jù)、安全輔助數(shù)據(jù)和道路交通設(shè)施數(shù)據(jù)等靜態(tài)數(shù)據(jù),以及交通狀態(tài)數(shù)據(jù)、養(yǎng)護(hù)施工數(shù)據(jù)、交通事件數(shù)據(jù)、交通管制數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)等動態(tài)數(shù)據(jù),為車路協(xié)同的碰撞預(yù)警、合流區(qū)預(yù)警、前方突發(fā)事件等場景提供支撐和保障。

高精度數(shù)字地圖為車路協(xié)同系統(tǒng)用戶提供道路級和車道級引導(dǎo)服務(wù),提供車輛在道路上的位置、車道位置、與其他車輛的橫縱向間距、與車道線的間距等,實現(xiàn)對車輛避碰、換道、跟車等情況的精準(zhǔn)掌握。

高精度數(shù)字地圖的制作在高速公路土建工程完工、高精度定位系統(tǒng)建成后進(jìn)行,其由專業(yè)的地圖制作單位完成。

通過高精度數(shù)字地圖可實現(xiàn)以下服務(wù)功能:

(1)為高速公路運營、管理提供基礎(chǔ)支撐平臺

利用高精度數(shù)字地圖,為高速公路的交通管理、公眾信息服務(wù)、基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化等提供基礎(chǔ)支撐平臺,實現(xiàn)多元數(shù)據(jù)的深度融合和資源的統(tǒng)一展示,為運營管理提供支撐與可視化展示。

(2)支持高速公路車路協(xié)同服務(wù)

為具備智能終端的車輛提供高速公路全天候全場景的車道級定位服務(wù),結(jié)合高精度數(shù)字地圖,實現(xiàn)車輛在高速公路場景下的自主感知和安全行駛。

(3)實現(xiàn)對營運車輛的實時監(jiān)控和軌跡跟蹤

通過位置數(shù)據(jù)服務(wù)以及高精度數(shù)字地圖等技術(shù)方案,實現(xiàn)精準(zhǔn)、實時、靈活的全場景、全天候、無縫化的車輛、人員、設(shè)備運營調(diào)度管理,提高管理效率,降低監(jiān)控維護(hù)人工成本,增加安全系數(shù),減少安全事故。

7 結(jié)語

車路協(xié)同管控系統(tǒng)是智慧高速建設(shè)的重要內(nèi)容,通過基于邊緣計算的車路協(xié)同管控系統(tǒng)建設(shè),能夠?qū)崿F(xiàn)車路協(xié)同安全預(yù)警與控制,從而提高車輛的行駛安全性和交通運行效率,減少交通事故,構(gòu)建我國在車路協(xié)同與自動駕駛領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢,彌補自主知識產(chǎn)權(quán)方面的缺陷。