一文读懂智慧高速车路协同现状与未来(附现状合集)

2020-05-20 12:08 评论 0 条

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 导语 

智慧高速是中国高速公路建设的热点之一,车路协同又是未来智慧高速建设的核心内容。高速公路运行环境相对简单、主体权责清晰、路侧机电设施齐全,具备开展车路协同创新示范的良好条件。
本文将以北京、河北、吉林、江苏、浙江、福建、江西、河南、广东、湖南、山东、海南、四川、广西等高速公路智能网联建设情况为基础,从政策背景、典型案例、建设内容、业务应用、未来探索、发展挑战等方面分析阐述智慧高速车路协同的方方面面。
全国有超4000公里高速公路已经和即将开展车路协同创新示范工作。建设内容分布在车端、路端和云端,主要实现“感知、通信、计算”三大功能。用于提供面向C/B端的主动安全类、提升效率类、信息服务类业务,和面向G端的监管控制类业务等。高速公路车路协同依然面临诸多挑战,包括技术和业务层面、法律法规和协同机制层面、商业模式和数据开放模式层面。

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高速公路车路协同创新示范政策背景和整体情况

2018年2月,交通运输部办公厅发布《关于加快推进新一代国家交通控制网和智慧公路试点的通知》,覆盖北京、河北、吉林、江苏、浙江、福建、江西、河南、广东,确定基础设施数字化、路运一体化车路协同、北斗高精度定位综合应用、基于大数据的路网综合管理、“互联网+”路网综合服务、新一代国家交通控制网六大方向。路运一体化车路协同方向,选取有代表性的高速公路,以及北京冬奥会、雄安新区项目,开展车路信息交互、风险监测及预警、交通流监测分析等,北京、河北、广东重点实施。
2019年7月,交通运输部印发《数字交通发展规划纲要》,推动交通运输基础设施与信息基础设施一体化建设,促进交通专网与“天网”“公网”深度融合,推进车联网、5G、卫星通信信息网络等部署应用,完善全国高速公路通信信息网络,形成多网融合的交通信息通信网络,提供广覆盖、低时延、高可靠、大带宽的网络通信服务。
2019年9月,中共中央、国务院印发《交通强国建设纲要》中提到加强智能网联汽车(智能汽车、自动驾驶、车路协同)研发,形成自主可控完整的产业链。大力发展智慧交通,推动大数据、互联网、人工智能、区块链、超级计算等新技术与交通行业深度融合。推进数据资源赋能交通发展,加速交通基础设施网、运输服务网、能源网与信息网络融合发展,构建泛在先进的交通信息基础设施。构建综合交通大数据中心体系,深化交通公共服务和电子政务发展。推进北斗卫星导航系统应用。
2020年3月,由浙江省交通运输厅组织,浙江省交通集团下属浙江省交通设计院主编的《智慧高速公路建设指南(暂行)》正式发布,是国内首部关于智慧高速建设方面的指导性文件。以浙江省内先行开展的试点项目和既有研究成果为依托,结合智慧高速公路的内涵和发展趋势,在明确智慧高速公路建设的原则、目标和内容基础上,确定了调研工作、基本应用建设、创新应用建设、建设管理等具体要求。并以附录形式编写了浙江省内营运高速公路智慧化提升改造方案、新建智慧高速公路建设方案和智慧高速公路测试场建设方案。
初步统计,全国高速公路车路协同创新示范预期长度超过4000公里,主要包括北京和河北的延崇高速、大兴新机场高速、京雄高速;吉林珲乌高速;江苏的新一代国家交通控制网(常州)试点工程、通锡高速南通方向、S342无锡段、G524常熟段、沪宁高速无锡硕放至东桥路段、五峰山过江通道公路接线工程;浙江的杭绍甬高速、沪杭甬高速公路智慧改造、杭州绕城西复线高速、杭绍台高速公路绍兴金华段;福建的基于大数据路网综合管理智慧高速公路示范工程项目;江西的宁定高速、昌九高速;河南的新一代国家交通控制网和智慧公路试点工程(机西高速公路);广东的南沙大桥、广乐高速;湖南的长沙113公里智慧高速项目;山东的智能网联高速公路测试基地项目、济潍高速;海南的环岛旅游公路;四川的都汶高速龙池连接线项目、成都绕城高速;广西的南宁沙井至吴圩公路等。
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高速公路车路协同创新示范典型案例

(1)延崇高速
延崇高速公路是从北京延庆到张家口崇礼的高速公路,全长约116公里,是2022年冬奥会延庆赛场与张家口崇礼赛场的直达高速通道。其中北京段全长约33.2公里,起点为延庆区大浮坨村西侧,终点在市界与延崇高速河北段相接。
2019年12月,演示双向四车道全封闭环境下、基于C-V2X车路协同技术的L4级自动驾驶和队列跟驰测试。演示路段从阪泉服务区开始,途径1公里平原路段、4个隧道及3公里高架桥路段,至小海坨山赛场出口结束,全程14公里,94%以上路段为隧道和高架。
隧道路段存在定位信号不佳、光线迅速明暗变化、零下20度低温等多重不利条件,对交通系统整体智能化水平提出了更高要求。在西羊坊特长隧道内首次实现乘用车2公里隧道L4级自动驾驶、14公里的重卡3车队列跟驰和乘用车3车编队行驶(其中包括9.8公里连续特长隧道群路段)。
演示采用头车人工驾驶模式,后车自动驾驶模式进行列队巡航、列队加速、列队换道、队列同步减速停车、以及列队车路协同场景试验。测试结果显示,车辆列队可以达到80km/h时速下保持车间距10米的技术指标。单人驾驶多车队列跟驰具备三方面竞争力,即节省燃油(大约可降低10-15%的燃油消耗,以及驾驶员人力成本)、提升安全性(系统可以在0.1秒内完成操作,而驾驶员需要1.4秒的反应时间)、提升道路通行能力(车距缩小,路面容纳车辆数量会增加)。
智慧公路主要部署C-V2X RSU、摄像头、毫米波雷达、交换机等设备。其中RSU在双向车道两侧间隔210米成Z字形部署;摄像头在双向车道两侧间隔105米对称部署;毫米波雷达在双向车道两侧间隔210米对称部署。通过毫米波雷达、视频等多源数据的边缘智能计算,实现高速路事故、行人等异常交通事件全天候实时感知,并通过C-V2X网络实时发送给车辆,车辆进行车速调整、变道超车、自动减速以及紧急停车等。
(2)杭绍甬高速
杭绍甬高速公路是国家公路网 G92 杭州湾地区环线并行线,经杭州、绍兴、宁波三地,全长约174 公里(含利用杭州湾大桥南接线约24公里),采用六车道标准建设,总投资约707亿元。
杭绍甬高速公路打造“三网合一”的智慧高速公路基础设施。沿线部署高速率、低时延、高可靠的全覆盖无线通信网络;加强泛在综合感知设施装备的布设,满足车路协同式自动驾驶需求,实现高精定位和高精地图服务;服务区建设太阳能产能系统,部署电动汽车充电桩。
杭绍甬高速公路建设智慧高速云控平台。支持具备车载控制功能的车辆实现控制环境下的自主运行、支持具备信息诱导的人驾驶车辆高效运行、支持自动驾驶车辆在队列控制和自由行驶功能间的自如切换。近期支持杭绍甬高速公路管理、服务和管控;中远期实现“大湾区”乃至全域高速公路网管理、服务和管控。
杭绍甬智慧高速公路服务具体目标包括:
①全面支持自动驾驶。构建路网综合运行监测与预警系统,打造人-车-路协同的综合感知体系,近期支持自动驾驶专用车道货车编队行驶;远期支持全线自动驾驶车辆自由行驶。
②实现自由流收费。创新收费管理模式,构建基于车载终端的收费系统,近期实现封闭式有站自由流收费,车辆行驶一段路就缴纳一段路通行费的分段式自由流收费;远期实现开放式无站自由流收费,即全面取消高速公路物理收费站。
③提升全线整体通行效率。依靠客货分离及货车编队等技术,近期实现车辆平均运行速度提升20%~30%;远期实现通行能力成倍提升。
④“全天候”快速通行。基于高精度定位、车路协同、无人驾驶等技术的综合应用,克服冰雪、雾霾等特殊天气情况的影响,近期实现自动驾驶专用车道在团雾、冰雪等天气下的“全天候”通行;远期实现高速公路全线在团雾、冰雪天气下的“全天候”快速通行。
⑤电动车续航能力。利用服务区、声屏障等高速公路现有场所或条件,建设光伏产能系统以及电动车充电系统,为高速公路用户提供新能源补给服务,近期实现服务区光伏能源供给及充电桩充电服务;远期实现服务区无线充电服务。
⑥更加安全。构建车车、车路协同式交通安全系统,为安全驾驶提供可靠的技术保障;建设路网运行安全管理系统和应急指挥调度与处置系统,实施智能救援,不断提升高速公路安全性,近期降低交通事故发生率;远期实现“零死亡”愿景。
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高速公路车路协同创新示范建设内容

高速公路车路协同创新示范建设内容分布在车端、路端和云端,实现“感知、通信、计算”三大功能。

(1)感知层面
感知层面包括车端多传感器融合感知和路端全域感知。车端多传感器融合感知主要包括摄像头、毫米波雷达、激光雷达、超声波雷达等设备。路端全域感知包括①以摄像头、毫米波雷达、激光雷达、各类环境传感器等实现的信息采集设备(交通流检测设备、交通事件检测设备、气象监测设备等);②交通信号灯、交通标识标线标牌等智能交通设施;③视频、压力、位移、振动、水位传感器等的基础设施监测设施
其中,基本路段按照1公里一个的密度在道路两侧分别布设交通流感知设备,特殊位置适当加密,全面感知交通运行状态;基本路段按照约200米一个的密度在路段两侧分别布设交通事件检测设备高清固定摄像机;以10公里左右间距布设全要素气象检测器,并在易出现团雾、结冰路段布设能见度检测器和路面状态检测器。
(2)通信层面
通信层面包括①4G公网、5G公网、有线光纤网络,尤其是随着5G网络商用化进程的加速,5G网络部署逐步完善;②C-V2X专网,其中包括已经具备商用能力的LTE-V2X网络,和随着标准完善将开展技术验证的5G NR-V2X网络;③物联网络,既包括广域低功耗的NB-IoT和LoRA,也包括各类RFID天线设备;④除此之外,还包括支持高精度定位基准站。
C-V2X RSU设备在基本路段按照200米一个的密度在道路两侧分别布设,发布交通事件信息和交通环境信息等。
(3)计算层面
计算层面包括车载计算单元、路侧边缘计算单元、云计算单元,分别部署在车辆、路侧/区域机房、数据中心。3个层面的计算能力需要进行有效协同,共同支撑车路协同所需的计算资源。
路侧边缘计算单元需要具备多设备连接能力,接入RSU、OBU、智能化交通设施(交通信号灯、标识、标线、标牌、护栏等)、摄像头、毫米波雷达、激光雷达、各类环境感知设备的信息,同时向上连接云平台;需要具备多传感器融合处理能力,比如摄像头+激光雷达+毫米波雷达融合分析算法;还需要具备ITS相关协议处理能力,比如针对交叉路口防碰撞预警业务,在车辆经过交叉路口时,路侧边缘计算单元通过对车辆位置、速度及轨迹分析研判,分析出可能存在的碰撞风险,通过RSU传输到车辆OBU,起到预警目的。
云计算单元需要实现云控功能,具备接入高速公路全线交通数据的能力,同时应能够接入公安、消防、气象等多源外部数据;具备对海量数据进行存储和复杂任务计算处理能力、统一的运行监测和综合管理能力,以及为用户提供信息服务的能力;具备对高速分合流区域、交通事件多发路段以及全线不同层级交通运行精准管理和控制能力。可实现决策支持、车路协同管理、运行监测与预警、综合分析、协调联动、应急指挥调度、综合交通诱导等应用。
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高速公路车路协同创新示范业务应用

高速公路车路协同创新示范业务应用包括面向C/B端和面向G端的不同类型场景。其中面向C/B端,针对智能网联汽车(前装或后装网联车辆)和普通车辆(通过手机APP或路侧显示系统如可变电子信息情报板),可以提供主动安全类、提升效率类、信息服务类业务。面向G端监管控制类场景具体包括应急救援、服务区信息服务、区间测速、视频监控、嫌疑车辆追踪、违章车辆上报、交通事件上报等。

(1)主动安全类
主动安全类业务包括前方隧道提醒、隧道内情况提醒、车道汇合碰撞预警、道路施工区域提醒、紧急停车带位置提醒、危险品运输车辆提醒、前方车辆故障提醒、特殊车辆提醒、周边紧急车辆提醒、后方车辆超车提醒、侧方车辆碰撞提醒、道路前方障碍物提醒、路段限速提醒、车辆超速提醒、拥堵提醒、道路危险状况提示、变道预警、前向碰撞预警、前方车辆紧急制动预警、车辆近距离危险预警、违章车辆预警、极端天气气象预警、团雾检测、能见度检测与预警、道路结冰检测与预警、落石/抛洒物检测与预警、行人与动物闯入检测、动态可行驶区域检测、护栏间距提醒、司机状态评测与预警、超视距视频感知、可变限速控制、动态诱导及绕行、临时路肩使用等。
(2)提升效率类
提升效率类业务包括货车编队行驶、应急车道主动管控、匝道智能管控、连续式港湾停车带、施工路段交通组织等。
应急车道主动管控采用多源数据采集、路况感知、流量预警、后台管控、信息提示等智能化、自动化技术,实现了灵活动态的车道管控。某一事故发生时,应急车道开放行驶,事故车道作为应急车道使用。
匝道智能管控基于现有空间资源,通过对信号灯、毫米波雷达、计算及控制等设备技术系统应用,可实时动态调整匝道通行策略,平衡高速公路入口匝道与主线交通量。当主线畅通时,车辆自由汇入,当节假日或主线拥堵时采取匝道控制措施。也可实行协同管控,某一匝道可以协同其他多个入口匝道的信号灯进行线性联动控制。
沪宁高速无锡硕放枢纽至苏州东桥枢纽段,部署应急车道主动管控、连续式港湾车道、匝道智能管控系统等新技术,2019年五一小长假期间,与2018年相比,交通通行量提升34.5%,拥堵次数降低65%,平均拥堵距离缩短33.3%,交通事故数降低77.3%。
(3)信息服务类
信息服务类业务主要包括传统信息娱乐服务类业务,基于5G信息娱乐类业务,以及宏观交通运行状态信息服务业务和微观交通运行状态信息服务业务等。
传统信息娱乐服务类业务主要包括车载信息娱乐系统业务、OTA(Over-the-Air)业务、支付类/保险类/融资租赁等金融类业务、车队管理/新能源车管理等行业应用业务等。
基于5G的信息娱乐类业务主要包括车载高清视频实时监控、AR导航、车载VR视频通话、动态实时高精地图、车辆和驾驶实时监控等。
宏观交通运行状态信息服务业务,为用户提供高精准的宏观交通流状态信息服务。通过高速公路的浮动车数据、移动终端数据、车路协同数据、全程覆盖的视频数据、雷达检测数据以及其他传感器信息,生成近程车道级交通状态信息、中程区域级交通状态信息、远程全路网交通状态信息,通过路侧显示系统如可变电子信息情报板、车路协同车载终端、手机APP等方式向用户发布宏观道路拥堵情况、道路分段运行速度情况、区间旅行时间预测信息等。
微观交通运行状态信息服务业务,为用户提供高精准的动静态道路状态信息服务。通过高速公路的高精度地图数据、用户实时上报数据、视频及雷达等监测系统数据,实现基于静态道路地图和动态道路检测的道路状态感知,生成静态公路基础设施信息,以及动态公路气象环境信息、交通突发事件信息,通过路侧显示系统如可变电子信息情报板、车路协同车载终端、手机APP等方式向用户发布动静态道路状态信息,并基于感知及预测信息从车道选择上为用户提供微观引导。
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高速公路车路协同创新示范未来发展探索

高速公路运行环境相对简单、主体权责清晰、路侧机电设施齐全,具备开展车路协同创新示范良好条件。但高速公路开展车路协同创新示范依然面临诸多挑战,包括技术和业务层面、法律法规和协同机制层面、商业模式和数据开放模式层面。
(1)探索三网融合技术和业务发展
应积极探索智能通信网(面向智慧交通的5G和LTE-V2X通信网)、智能道路网(应用新型交通出行模式的基础服务承载网)、绿色能源网(支撑新能源汽车应用推广的基础设施网)三张网络融合发展。
通过分布在车端、路端和云端的“感知、通信、计算”三大功能,积极探索面向C/B/G端的主动安全类、提升效率类、信息服务类、监管控制类业务融合发展,真正解决高速公路面临的实际问题,比如拥堵治理、改扩建施工期间的交通组织、分时分段收费等。
(2)探索法律法规和协同机制
积极探索高速公路自动驾驶责任方面的法律法规,保障整个产业有序发展。在非自动驾驶时代,交通事故责任主体是驾驶人员,这一主体认定方式在L3以下级别的自动驾驶可继续延用。但在L3及以上级别自动驾驶中,自动驾驶车辆将主要承担驾驶任务,交通事故责任的判定涉及到自动驾驶技术运营方或技术提供方。
协同机制方面需要重视和保险行业协同,以及与公安交警管控协同。保险可以帮助分担自动驾驶风险、提高消费者信心,从而促进高速公路自动驾驶产业发展。高速公路运营管理方是高速公路企业,但交通秩序由高速公路交警负责,例如交通违章、事故处理等,因此需要和高速公路交警做好自动驾驶信息协同。
(3)探索商业模式和数据开放模式
高速公路车路协同健康发展,未来还需要创新的商业模式和数据开放模式。尤其需要探索高速公路车路系统和管理、金融保险、出行服务、能源等行业的深度融合,以及解决好高速公路车路协同所产生的大量车端和路侧数据的所有权、使用权、经营权问题,将有可能探索出崭新的市场空间。

以下附上本公众号发布的智慧高速合集,更多智慧高速建设情况请关注《深度调研车路协同智慧高速全国建设情况上、中、下篇》

参考资料

[1] 深度调研车路协同智慧高速全国建设情况(上)

[2] 深度调研车路协同智慧高速全国建设情况(中)

[3] 深度调研车路协同智慧高速全国建设情况(下)

[4] 浙江省智慧高速公路建设指南(暂行)

END


作者吴冬升

「5G行业应用」特邀专栏作家,东南大学博士,18年TMT从业经历,多年B2B/B2G整合营销及品牌经验,对5G、车联网、物联网、大数据、人工智能、数字化转型有深刻洞察。

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