基于车路协同的智慧高速公路建设关键工程与技术应用研究

杜奕霖 王平恒 杨友盛 苏爱斌

摘要：文章以智慧高速公路行业现状及车路协同建设趋势为切入点，研究车路协同在智慧高速公路建设中的关键工程与相应的技术应用系统，为智能网联车辆乃至传统车辆在智慧高速公路中的数据交互与创新服务提供建设思路。

关键词：车路协同；智慧高速；关键工程；应用研究

中图分类号：U412.36+6A481643

0引言

随着时代的发展与我国城镇化进程的不断加快，机动车数量急速增长，高速公路交通运输需求个性化与承载力要求不断提升，环境污染治理、高效运输服务、汽车产业升级和地区发展协同等问题日益凸显，高速公路智慧化成了公路交通发展重点突破的对象。以车路协同、辅助自动驾驶为代表的新一代智慧交通，承载着AI、大数据、云计算、物联网和宽带移动互联网等先进技术正在重新塑造国际社会经济生活与全球产业格局，成为世界范围内各国争先推进的战略方向，为信息、通信、汽车、制造等相关产业的升级转型带来了新思路和新途径，吸引了政府、汽车企业巨头、互联网公司、通信运营商和系统集成商。鉴于此，基于车路协同的智慧高速公路建设关键工程与技术应用就进入了研究的“快车道”。

1基于车路协同的智慧高速公路的含义

智慧高速公路是在高速公路交通运输领域充分利用物联网、空间感知、云边端计算、移动互联网等新一代信息技术，综合运用交通科学、系统方法、机器视觉、数据挖掘与管理等理论与工具，以全面感知、深度融合、主动服务、科学决策为目标，通过建设实时的车路协同动态信息服务体系，深度挖掘交通运输相关数据［1］，形成优化运力分析模型与辅助自动驾驶模式，实现行业资源配置优化、公共决策、行业管理、公众服务等能力的提升，推动公路运输更安全、更高效、更便捷、更经济、更环保、更舒适地运行和发展，带动交通运输相关产业转型、升级［2］。基于车路协同的智慧高速公路建设，旨在构建一套完善的数据采集标准、数据传输标准和管理调度流程标准，打造开放的车路协同云管理体系，纳入更多个人车主端（C端）定制化网联车辆智慧应用，并从车企端（B端）打通各个不同品牌网联自动驾驶车辆信息孤岛，为政府端（G端）强化车路协同体系下的公众服务能力。

2.1智能网联汽车存在信息孤岛问题

对于各厂商智能网联汽车存在信息孤岛，难以高效协同、有效管理的问题，需要通过一套基础可靠的信息交互规则与高速公路新型基础设施与专用通信设备，实现跨厂商车与车、车与路侧设施、车与运营管理机构之间的数据互联互通，将各种实时动态信息汇聚到云管控平台，为各种出行应用场景、交通运输管理、车路通信提供大数据基础平台。

2.2自动驾驶汽车智能成本过高问题

为解决智能网联及自动驾驶汽车智能成本过高、感知要素不全、营运范围有限，难以商业化的问题，亟须通过对车、路、云数据进行统一分析处理、协同感知，建立车辆与交通环境的精细化多维度数字镜像，将全局最优决策与交通态势预测反馈给车辆、路侧设备协同管控，实现车路云协同辅助驾驶与辅助自动驾驶，降低汽车智能对车载设备的依赖程度。

3车路协同总体架构

基于车路协同的智慧高速公路建设总体框架主要分为感知层、传输层、支撑层以及应用层建设。

3.1感知层

主要建设激光雷达、气象感知设备、5G基站、智能网联车辆、高精度地图、北斗卫星定位、分体式智能情报板、智能摄像头、边缘计算终端等新型数字化基础感知设备。

3.2网络层

构建一张涵盖专用短程通信、C-V2X、5G、高速公路自组织专网和骨干通信网的高密度、高速率、低延迟的新一代交通通信与控制网。

3.3支撑层

建设云管控平台，基于大数据、云计算、边缘计算、AI等先进技术对数据治理，深度挖掘数据价值，为智能网联交通控制、测试和评估提供数据支撑和决策服务。

3.4应用层

搭建开放的SaaS创新应用实验平台，开展路网监测、智慧物流、多式联运、新能源货车编队行驶、网联车辆协同测试等车路协同应用场景形成网联交通体系。

4基于车路协同的智慧高速关键工程

4.1道路工程

以高速公路作为应用示范场景，通过研究新一代路侧智能感知和中、短程通信设施，对路面状况和通行车辆进行感知与交互，结合机器视觉技术采集路面实时视频信号，构建多维高速公路交通运输监控体系。充分利用高精度定位基础设施与高精度地图、激光雷达、数字孪生等技术，对在途传统车辆和网联车辆进行实时精准定位，实现精细化的路网运行状况整体数据采集的宏观监控与指挥调度的基础环境。通过搭建高速公路物联数据采集平台，将来自高速公路沿线、边坡、桥梁、隧道、服务区、收费站等高速公路固定资产的数据实现全量采集与关键数据可视化，结合固定资产传感监测数据与分布式气象站等的环境数据，将整体物联数据孪生于高精度地图之上，实现全域数据的可视化监测管理。构建基于北斗的GNSS遥感数据采集系统，利用GNSS遥感技术对高速公路固定资产和移动运输单元进行遥感数据采集，即边坡、隧道等路网灾害敏感固定资产进行遥感灾害监测，包含“两客一危”的客货运输与智能网联汽车等移动运输进行定位数据采集，并将其归集至高速公路物联数据采集平台进行统一的数据可视化监测管理。

4.2车辆工程

研究自主驾驶和辅助自动驾驶情况下对传统汽车车辆的升级改造工程，包括车辆的信息交互中控系统、自动操控系统，使其满足与车路协同路侧设备、通信单元的数据接收能力。同时，基于高精度激光点云雷达、短焦距双目摄像头、长焦距单目摄像头等新一代网联车载实時感应终端，对高速公路运营管理的传统车辆进行赋能改造，例如公路养护巡检车辆、公路应急排障车辆等，使其可与路侧智能设备进行动态实时数据交互，提升公路运营管理与应急处置的综合调度智慧效率。

4.3通信工程

通信工程是车辆与道路通信的核心，更是网联自动驾驶汽车与云管控平台通信的桥梁。借助5G的低延时、广覆盖、高通量通信微基站，实现20 ms以内的网联车辆与云管控平台的通信。基于C-V2X、专用短程通信和高速公路自组织专网等技术应用，从微观路段上构建低功耗广域传输MESH分布式自组传输专网。结合高速公路骨干通信传输网，从宏观上将各路段传输网信号进行整合汇聚，再通过高速公路骨干通信传输网将信号整体上行传输至高速公路物联数据采集平台，真正实现人、车、路、云平台之间的全方位连接和高效的信息交互，支撑面向监测、控制、数据服务的可靠低延时、大容量、高密度传输需求，提升高速公路交通安全和信息化程度。

4.4云管控工程

云管控工程是构建车路协同云管控基础平台的核心工程，是车路协同体系建设的中枢，是车路协同数据采集、数据处理、数据下行和数据安全的关键所在。面向辅助自动驾驶车辆对路网状况识别分析、网联车辆车路协同超视距路况感知、传统运营车辆路况提示与精准位置服务搭建云管控基础平台。通过云管控平台，实现对道路全域的路侧智能设备数据动态管理、数据处理和精准发布，对所有在途、在线的网联车辆进行动态追踪与检测，对车辆进行实时运行状况分析，并与既有交通控制系统、监控系统、诱导系统、预警系统、救援系统和信息服务系统数据互通，实现公路交通系统的车道级、路段级和路网级实时协同调度。

5主要应用系统

5.1基于ETC的车路协同通信应用系统

智能路侧单元由基于ETC的专用短程通信模块构成，路侧控制单元内嵌V2X协议栈开发框架［3］，通过专用短程通信模块发送/接收V2X通信数据，接收周边车辆运动状态信息与车辆请求信息，并向周边车辆广播辅助定位数据与业务处理的预警信息，同时与后台交互，执行后台控制中心指令，并上报预警信息。

5.2智能事件监测应用系统

该系统基于视频的事件智能识别技术，能实现对高速公路上行人抛撒物、机动车逆行、机动车违停、交通拥堵等事件的自动告警，以便运营管理者及时采取应对措施，提高工作效率。主要包括视频事件报警查看、视频事件报警处理、视频事件报警相关操作、查看实时信息、查看实时分析视频、车流量统计查看等功能。

5.3数字孪生可视化系统

对高速公路全线和高速公路固定资产进行无人机倾斜摄影实景扫描，利用扫描数据构建三维可视化数字孪生模型。通过数字孪生系统将云管控平台中的在途车辆数据及路网监测数据进行镜像关联，实现路网交通流模拟仿真管控。

5.4智能网联车辆协同测试应用系统

该系统包含多式联运辅助子系统、新能源货车编队控制子系统、智能网联测试评估子系统。通过系统对在途跨厂商智能网联汽车车载终端与车路协同外场设施信号交互对接进行握手测试，结合云管控平台對交通流的综合分析及辅助决策，可以通过5G和专用短程通信形式将超视距路况预警信号下发至网联汽车中控，车辆进行超视距预警与驾驶提示，并输出网联车辆对路侧设施和云管控平台的兼容性报告，为后续正式场景的高速公路网联车辆多式联运及新能源货车编队等高速公路车路协同创新应用提供决策依据［4-5］。

6结语

通过上述关键工程与技术应用，建立面向不同智能网联车辆的智慧高速公路车路协同创新应用与测试评估体系，在为智能网联车辆提供车路协同服务的同时，可为智能网联车辆及其用户、管理及运营机构等建立车辆运行、数据维护与分析、兼容性分析、信息安全等服务，并提供开放的测试评估支撑及车路协同服务，极大加快基于车路协同的智慧高速公路建设进程，进而推进整个社会不断进步。

参考文献

［1］褚宏靖，杨扬.车路协同在智慧高速领域的应用探索［J］.运输经理世界，2020（13）：28-29.

［2］辛骁宇.探索基于智能车路协同技术下的智慧高速建设［J］.数字技术与应用，2021，39（8）：108-110.

［3］方芳，兰琛，范全放，等.几种常见车路协同通信技术的比较研究［C］.第十一届中国智能交通年会大会论文集，2016.

［4］刘天洋，余卓平，熊璐，等.智能网联汽车试验场发展现状与建设建议［J］.汽车技术，2017（1）：7-11，32.

［5］窦亮，刘晓青.关于人工智能，大数据技术赋能城市交通治理体系的研究［J］.科学与信息化，2019（31）：142.

基金项目：广西重点研发计划项目“智慧高速车路一体技术研究与示范项目”（编号：桂科AB21196008）

作者简介：杜奕霖（1989—），主要从事智慧高速信息化建设、数据中心建设与运维、无人机在高速公路行业的应用等工作。