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中国智能通通协会

智慧高速建设需要什么样的技术架构?

2021-05-24来源:5G行业使用


  智慧高速公路是以多维状态感知、多源信息融合等手段对高速公路运行状态进行智能感知,为运营方提供智慧化的监测、应急、养护、运维、决策能力,为交通管理方提供智慧化交通管控能力,为公众提供智能化安全、高效、绿色的出行体验。智慧高速公路需要怎样的总体技术架构?智慧高速公路具有怎样的业务应用?智慧高速公路的车路协同系统架构是什么?智慧高速公路的自动驾驶附属设施包括哪些?
  2020年4月,交通运输部公路科学研究院发布《公路工程适应自动驾驶附属设施总体技术规范(征求意见稿)》。2020年3月,浙江省交通运输厅发布《智慧高速公路建设指南(暂行)》。2020年11月,江苏省交通运输厅发布《江苏省智慧高速公路建设技术指南》。
  团体标准方面,2020年12月,中国智能交通产业联盟发布《智慧高速公路信息化建设 总体框架》和《智慧高速公路 车路协同系统框架及要求》。2021年3月,中国智能交通协会发布《智慧高速公路建设总体技术要求(征求意见稿)》。
  智慧高速公路总体架构可分为全要素感知、全方位服务、全业务管理、车路协同与自动驾驶、支撑及保障、新技术应用6部分内容,其中支撑及保障、新技术应用主要服务于其它各项建设内容[3]。
  智慧高速基本应用主要内容包括但不限于:实时交通信息监测系统、多网融合通信系统、云控平台、伴随式信息服务系统、车道级交通控制系统、桥隧安全提升系统、服务区智能化系统、自由流收费系统、基础配套系统(设施)。智慧高速创新应用是根据项目实际和交通特点,结合自身业务需求与支撑技术形成具有特色的智慧化应用,包括但不限于:准全天候通行、货车编队行驶、全寿命周期智能养护、车路协同支持、自动驾驶支持[2]。
  车路协同系统架构应包括车载终端、路侧设备、通信网络、应用平台4个层级[5]。
  自动驾驶附属设施按照部署位置可分为中心端设施、路端设施两类。中心端设施主要包括自动驾驶监测与服务中心、高精度地图、网络安全软硬件设施;路端设施主要包括定位设施、通信设施、交通标志标线、交通控制与诱导设施、交通感知设施、路侧计算设施、供能与照明设施、网络安全软硬件设施[1]。
1智慧高度公式繁体架构
  智慧高速公路总体架构可分为全要素感知、全方位服务、全业务管理、车路协同与自动驾驶、支撑及保障、新技术应用6部分内容,其中支撑及保障、新技术应用主要服务于其它各项建设内容[3]。


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  全要素感知包含公路主体及附属设施监测、交通运行状态监测和公路气象环境监测,主要是融合应用多种监测设备实现人、车、路、环境的状态感知,为全方位服务、全业务管理、车路协同与自动驾驶提供数据支撑。


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  全方位服务包含车道级服务、全天候通行、自由流收费、在途信息发布和智慧服务区,主要面向驾乘人员,实现出行即服务(Maas)。


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  全业务管理包含建设管理、运行监测、应急指挥、收费管理、养护管理、决策支持和云控平台,主要面向管理人员,实现管理提质增效。



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  支撑及保障包含设施供电、融合通信、服务中台和数据中台,确保各类数据有效传输和高效处理,为业务应用提供支撑。
  车路协同与自动驾驶,近期重点实现车路协同,支撑安全辅助驾驶,为全方位服务、全业务管理提供更便捷的手段,远期支撑实现自动驾驶,提升高速公路整体技术水平与服务能力。
  2智慧高速基本应用和创新应用
  智慧高速基本应用主要内容包括但不限于:实时交通信息监测系统、多网融合通信系统、云控平台、伴随式信息服务系统、车道级交通控制系统、桥隧安全提升系统、服务区智能化系统、自由流收费系统、基础配套系统(设施)[2]。
  实时交通信息监测系统应采用路侧设备采集信息、辅以移动终端/车载终端采集信息及一路各方、气象等部门共享信息等多源数据融合的技术路径,实现高速公路实时状况信息获取,为伴随式信息服务、实时交通管理服务等应用提供支撑。高速公路路侧交通信息监测设备包括但不限于:交通流检测设备、车牌识别检测设备、交通事件检测设备、气象监测设备、单兵设备/视频巡逻车/无人机等移动信息采集设备、RSU设备。
  车辆微观行为信息采集RSU设备宜遵循以下布设原则:
  a) 高速公路互通式立体交叉出入口匝道、服务区出入口、隧道出入口等特殊位置、易发生重特大突发事件、恶劣气象条件频发等路段宜设置RSU设备;
  b) 交通流量大(服务水平三级及以下)、事故发生率高(年均每公里事故数>20.3起)的路段宜按照0.5km~1km间距设置RSU设备;
  c) 交通流量大(服务水平三级及以下)或事故发生率高(年均每公里事故数>20.3起)的路段宜按照1km~2km间距设置RSU设备;
  d) 交通流量小(服务水平二级及以上)、事故发生率较低(年均每公里事故数≤20.3起)的路段,宜根据实际情况,按2km~5km间距设置RSU设备。


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  伴随式信息服务应通过公路沿线可变信息标志、FM广播、移动终端、普通车辆车载终端、智能网联汽车车载终端等多种方式实现,提升交通信息发布的覆盖面和及时性,以提高通行效率,确保交通安全。


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  智慧高速创新应用是根据项目实际和交通特点,结合自身业务需求与支撑技术形成具有特色的智慧化应用,包括但不限于:准全天候通行、货车编队行驶、全寿命周期智能养护、车路协同支持、自动驾驶支持[2]。
  准全天候通行总体架构宜由智能车载终端、交通信息监测、新一代无线通信、高精定位、边缘计算、智能行车诱导及主动式融雪化冰路面或自动喷淋等设施构成。
  全寿命周期智能养护应布设桥梁、隧道、路基路面、边坡、机电设施等状态采集设施,也可结合监控系统,利用图像比对技术,系统性监测、分析设施的衰变情况。
  3智慧高速车路协同系统架构
  车路协同系统架构应包括车载终端、路侧设备、通信网络、应用平台4个层级[5]。
  车载终端包括但不限于OBU、T-Box、辅助驾驶终端、自动驾驶终端、营运车辆智能终端、导航终端等终端单元或设备。
  路侧设备可分为以下几类:
  a) 路侧计算设备:部署在道路沿线,配合其他系统完成交通信息处理与决策的计算设备,包括MEC、数据处理单元等;
  b) 路侧通信设备:与车载终端进行无线通信的设备,包括支持V2I通信的RSU、支持V2N的通信基站等;
  c) 路侧感知设备:交通环境和道路交通状态的感知设备,包括摄像机、毫米波雷达、激光雷达等。光纤传感器、RFID标签等桥梁、隧道、边坡等基础设施的运行状态和安全的感知设备,以及检测能见度、温度、湿度、风、路面湿滑状态等气象信息的环境监控设施感知到的信息,可通过基础设施数据接口发送给车路协同系统;
  d) 电子标志标线:数字化路侧标志牌、情报板,以及可穿越冰雪、雨水、尘土的车道标志设备等。
  通信网络主要包括:光纤、以太网等有线网络;LTE-V2X、NR-V2X、4G/5G蜂窝网、物联网NB-IOT等无线通信网络。
  应用平台汇聚道路的交通状态信息、车辆状态信息、路侧设备状态信息,并提供道路交通运营管理、运维和车路协同业务服务。根据路网规模和管理需求,应用平台可采用中心云和区域云两级设置,或者只设置一个中心云平台。中心云平台接入所有路侧设备和车载终端的数据并进行集中处理。区域云主要实现本地车路协同调度和时延敏感业务的处理。


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  应用平台采集所属路段的车载终端和路侧设备的上传数据,并可接收第三方提供的数据,主要数据类型包括但不限于下表的内容。


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4智慧高度自动驾驶附属设施
  自动驾驶附属设施按照部署位置可分为中心端设施、路端设施两类。中心端设施主要包括自动驾驶监测与服务中心、高精度地图、网络安全软硬件设施;路端设施主要包括定位设施、通信设施、交通标志标线、交通控制与诱导设施、交通感知设施、路侧计算设施、供能与照明设施、网络安全软硬件设施[1]。


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  (1)高精度地图
  高精度地图由静态数据和静态数据图层、动态数据图层构成。高精度地图的静态数据应包括道路数据、车道数据、道路设施数据。
  道路数据应包括道路属性数据、道路几何数据、道路关联关系数据。


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  车道数据应包括车道属性数据、车道几何数据和车道关联关系数据。车道模型数据应包括车道类型、车道通行状态、车道通行方向、车道数量和车道限制的相关数据。车道线模型数据应包括车道线类型、车道线颜色、车道线材质、车道线宽度和车道线编号的相关数据。


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  道路设施数据应包括交通标志标线、护栏、减速带、各类路侧设施、桥隧、收费站、服务区、路侧建筑物等的相关数据。根据实际情况可包括路面路基下埋管道等隐蔽工程相关对象的数据。
  动态数据图层应具备交通流状态、交通事件、道路气象环境、道路基础设施状态等信息数据的接入功能。动态数据图层应具备交通管控信息与预警信息等信息数据的接入功能。
  (2)定位设施
  高精度定位设施由基准站系统、数据传输与综合处理系统、服务数据播发系统构成。
  基准站应包括:观测墩、基准站接收天线、基准站接收机、气象仪、数据传输设备、基准站状态监测设备、供电设备、防雷设备。监测基准站还应包括卫星导航增强信息监测设备。
  数据传输与综合处理系统由数据传输子系统和数据综合处理子系统构成。数据传输子系统由传输网络通道与网络控制设备构成。数据综合处理子系统由控制站和外围设备构成。
  服务数据播发系统可由单个或多个无线播发设备构成,用于将数据传输与综合处理系统所产生的卫星导航增强信息及其质量信息播发给用户端。
  (3)交通标志标线
  将交通标志标线承载的交通规则、道路状态等信息转化为更易于机器辨识的数字信息,并以信息化的手段进行发布或传输的交通设施。
  数字化交通标志标线的技术方案多种多样,根据实际应用需要,可以分为静态和动态两种。静态数字化标志标线可使用成本较低的介质(例如RFID、NB-IOT等),进行大量布设。动态数字化交通标志标线可根据需要,按规定变换所承载的数字化信息,对自动驾驶车辆进行实施精准交通管控,提供相关交通信息。
  数字化交通标志标线的信息编码应包含属性编码与内容编码。属性编码包括该交通标志标线的自身属性信息,由位置、适用范围、有效时间等内容构成;内容编码包括该交通标志标线所承载的交通信息,有类别、交通规则、道路状态等内容构成,内容编码可参考《道路交通标志编码》(GB/T 30699)的相关内容。
  (4)交通控制与诱导设施
  公路交通信号控制设施主要包括以下5类:a)路口信号灯,一般设置在高等级公路与普通公路、城市道路的连接段路口,包括红、绿、黄灯以及掉头信号灯;b)车道通行信号灯,一般设置在收费站入口,以及隧道、特大桥等路段全线,部分双向八车道高速公路也全线设置,包括红、绿灯;c)匝道信号灯,设置在匝道出入口,包括红、绿、黄灯;d)隧道洞口信号灯,设置在隧道入口,包括红、绿、黄灯以及左转向箭头灯;e)避险车道信号灯,设置在长下坡避险车道入口,包括红、绿灯。
  通讯延时的选择标准如下:考虑现有的通信技术,对通信时延的要求划分为下列四档:a)50ms,LTE-V控制面的上极限,高密度环境下,如采用单一或中低容量的V2I设备,则延时会显著提升,需要5G或高容量LTE-V/DSRC设备;b)100ms,中低等容量LTE-V设备可保证;c)150ms,常规LTE-V路侧通信单元即可;d)200ms,现有4G网络即可满足。
  公路交通信息发布设施主要包括以下3类:a)可变信息标志,一般设置在收费站入口、避险车道前、互通式立交两侧、隧道、特大桥两侧及隧道内,发布路况信息、天气信息、警示信息、交通诱导信息等;b)可变限速标志,一般设置在隧道入口前以及线形技术指标较低的路段;c)服务区信息屏及停车诱导设施,设置在服务区内。
  交通警示设施包括主要包括以下3类:a)黄闪警示灯,一般设置在线形技术指标较低的路段;b)雾灯,一般设置在收费站入口、雾区路段;c)临时安全警示灯,一般设置在施工路段。
  (5)交通感知设施
  适应自动驾驶的交通感知设施应能分别实现交通流检测、交通事件检测、基础设施状态监测、交通气象监测、交通参与者感知等功能,也可多种设备融合实现上述检测功能。
  根据相关研究结果,部署间距小于1km时,可以支撑实现交通流异常状态检测时间小于5min。
  至少能够检测车辆停止事件、逆行事件、行人事件、抛洒物事件等异常交通事件信息。
  基础设施状态监测主要包括大桥及特大桥、长达隧道、高危边坡以及可能发生失稳破坏影响行车安全的设施,根据基础设施分类组成、监测技术和设备的不同,将基础设施监测对象分为路面、边坡、桥梁和隧道四个方面。
  至少能够监测《公路交通气象监测设施技术要求》(GB/T 33697)中规定的监测项目,重点监测项目包括:能见度、路面温度、路面状况(干燥、潮湿、积水、结冰、积雪)、风速、风向等。路面状况检测设备应能够准确检测并区分路面干燥、潮湿、积水、结冰、积雪等五种状态。
  交通参与者感知设备主要包括微波雷达检测器、高清视频检测器、激光雷达检测器等具备目标识别功能的设备,实现对路段、匝道和转角盲区范围内的机动车、非机动车、行人的识别检测以及定位。
  (6)路侧计算设施
  路侧计算设施根据与其对接的其他公路附属设施的数量,可分为节点路侧计算设施、区域路侧计算设施和广域路侧计算设施。


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  路侧计算设施通过高精度地图静态数据与路端感知数据进行融合处理,形成的结果将根据实际功能需求通过通信设施或自动驾驶监测与服务中心发送给使用者。例如,通过在路侧计算设施上部署新增算法,对新类别的交通事件进行检测识别,并将识别结果与地图数据匹配后,通过通信设施向指定区域的自动驾驶车辆进行发布。

  参考文献
[1]公共工程适应自动驾驶设施设施体技术规范(征求意见稿)
[2]浙江省智慧高度公式建设南南南南部(暂行)
[3]江苏省智慧高度公共公共公共公务
[4]智慧高速公共信用化建设体框架
[5]智慧高级公主车路协同系统框架要求
[6]智慧高速公共机构建设体技术要求(征求意见稿)