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千方科技:车路协同在新一代智慧高速系统建设中的应用

来源:本站   发布时间: 2022-10-24 10:57:12

田启华、陈勇、苗爽

北京千方科技股份有限公司

引言

当前新技术、新理念在大交通体系中不断涌现且日益成熟,呈现出极强的生命力,对交通管理模式及出行体验都产生了重要影响。车路协同在新一代智慧高速系统建设中的应用,为高速系统中的管理者提供了相较以往更加丰富、多维、智能、及时的高价值信息,使传统被动粗放的业务管理模式向主动精细化的管理模式转变。同时为高速系统中的出行者提供个性化、伴随式的信息服务,打造以人为本的智慧化高速公路系统,切实让人民群众感受到信息化、智慧化的高速公路系统带来的安全和便捷,提升出行体验,满足出行需求。

1.新一代智慧高速公路系统

在传统监控、收费、机电三大系统的基础上,以5G、云计算、人工智能等数字技术主导的世界新一轮科技革命方兴未艾,智慧高速作为智能交通领域的新型数字基础设施,已成为世界交通强国争相加快部署的热点。以车路协同技术为主,当前国内外在智慧高速方面的推进主要关注无人驾驶、货运编队、准全天候通行、智慧化运营管控和出行诱导服务等场景功能,但总体上行业对智慧高速内涵理解不同,尚未形成统一的共识。世界各国结合新兴技术发展趋势及发展诉求,积极推进高速公路传统机电系统升级,例如开展基于多传感器融合的超视距感知、交通流运行规律挖掘及短时预测、智能主动管控、伴随式信息服务、长寿命新型道路材料、无线充电等技术研究及试点应用,加快探索智慧高速发展路径,抢占新技术融合应用和智慧高速发展的制高点。

1.1特征分析

新一代智慧高速系统的主要特征可以从数字化基础设施、融合感知体系、精细化主动管控、个性化出行服务四个方面展开。

1)数字化基础设施

既有交通规则为人类驾驶汽车设计,不适合自动驾驶与人类驾驶混行阶段,更不适合未来大规模自动驾驶车辆行驶阶段。新一代智慧高速系统在基础设施方面将通过面向智能汽车的道路交通设计、行驶规则设计、多种传感特征及人类可识别的及基于车路协同的完全数字化、动态可更新的标志标线,智能摄像机、车道控制器,多感合一和多杆合一出入口、智能门架等基础设施,实现不仅为人类驾驶汽车服务,而且适合自动驾驶与人类驾驶混行阶段,更适合未来大规模自动驾驶车辆行驶阶段的道路交通基础设施信息化和数字化。

2)场景化融合感知

2035年,我国实现交通基础设施全要素、全周期数字化,协作式交通系统建成,高度自动驾驶汽车大面积商用,实现路侧感知和车侧感知融合。新一代智慧高速系统的感知体系建设,要解决传统高速感知体系分散孤立建设,感知端无法进行有效整合的问题。新一代智慧高速系统通过构建全域态势感知、全场景感知、车基+路基协同感知体系,实现为车辆提供超视距的感知能力,且通信能力不受恶劣天气环境干扰,能够在全天候条件下为智能网联车辆提供安全冗余和“全方位感知能力”。实现依托重要场景,进行视频、雷达、气象、物联等感知设备的场景化融合处理。

3)精细化运行控制

通过新一代智慧高速系统解决高速末端管控能力差的问题。目前交通在运行控制方面不能做到微观、精确和精准的运行控制,作为下一代智慧高速系统基础设施的组成部分,通过车道级管控、单车管控,精细化实时动态管控,实现动态速度管控、车道精确控制、出入口流量智能管控、智能诱导等。基于高速公路动静态运行数据分析,对宏观及局部运行态势进行多时间尺度预测,精准识别或预判关键匝道、瓶颈路段、主流量通道,赋能动态匝道控制、路肩控制、车道控制、费率调整等主动控制策略,实现车流提前引导及管控,提升高速公路通行及事件应急处置能力,实现对重点区域场景的实时监测,对重点区域车辆进行实时安全预警,对事件进行实时响应。

4)个性化出行服务

当前以静态交通标识、第三方地图平台为主的高速公路信息指引体系,无法满足基于高速公路动态运行形势的车道级实时指引,难以提供贴合公众出行习惯的精准服务。北斗高精度定位、知识图谱、5G远程控制等信息技术的快速成熟,将有力支持可变信息情报板-广播-手机信息-网络平台等多方式信息及时发布,进而促进伴随式信息服务加快落地,将逐步实现出行前-出行中-出行后全过程精细化引导。结合前方道路事故及拥堵信息,主动提供车道级行驶方案或引导公众从最近高速公路出口绕行;利用知识图谱,构建公众驾驶行为、出行路线等个人出行画像,提供车道级动态路线规划、动态收费、安全驾驶风险提示等伴随式个性服务。

1.2车路协同建设需求

车路协同系统就是利用无线通信技术、传感及感知技术等获取到车辆和道路的实时信息,通过云边一体化技术实现算力下沉,在边缘侧实现应用场景的处理分析,然后在车辆与车辆,车辆与基础设施,以及车辆与人之间进行信息实时共享互动,从而实现车与路的智能协同决策和控制,进而提升交通效率,提升驾驶安全,最终实现自动驾驶。

基于新一代智慧高速系统建设需求,高速公路迫切需要进一步的智慧化。主要体现在以下几个方面:

1)当前车辆在自动化和智能化的方向演进,智慧的路与智慧的车需要协同发展。需要与车辆的自动化和智能化匹配,智慧的路需要提供道路基础设的数字化和网络化,支持车路协同;

2)当前的业务架构过于陈旧,无法有效发挥新技术的优势,车路协同提供全新的业务架构,利用云边一体化技术实现算力、场景的下沉。有效解决车辆运行过程中的安全及效率问题,通过车路信息交互实现风险监测及预警。

3)车路协同能够满足智慧高速末端管控需求。通过提供全量交通信息和特征感知,对车的精准动态实时认知,对车牌、车速、运行轨迹和车型等进行识别和跟踪来达到对个体的精细化识别和管理。

2.千方科技车路协同总体技术方案

2.1总体架构

千方科技的车路协同系统能够实现人、车、路、云之间的数字化信息交互,提升驾驶安全和道路通行效率,助力全息感知、协同融合、安全舒适的智慧高速公路。



1千方科技云路车三层的车路协同总体架构

2.2关键技术

1)云边一体化技术

智慧高速系统正在实现从信息时代基于标准ICT产品的应用整合集成走向智能物联时代基于场景的“云--端”全栈技术融合创新。在场景驱动的智慧高速系统中,不同场景对时延的要求不同,因此需要在 5G网络“高宽带、低延时、广连接”的核心能力下实现“云--端”的协同部署。通过云边一体化技术将算力和场景下沉到边缘侧,满足车路协同对低时延高可靠应用场景的需求。云边一体化技术充分发挥边缘侧的算力和近端优势,实现云边在数据、业务层面的有效整合。为车路协同提供强有力的支撑。

在事件的融合分析层面。边缘计算单元在路侧感知生成事件本地通信推送后,同时将事件发送道路车路协同平台上,对于需要跨区域融合的事件,云端平台结合事件和设备的道路拓扑关系,进行融合分析判断,形成路段级的、影响范围更广的全局事件。

算法管理层面。能够将云端算法远程部署至边缘感知计算单元,实现边缘算法可管理、可运维、可演进。车路协同平台基于云原生架构开发的远程部署能力,能够将云上训练好的事件算法远程部署至路侧的智能设备上,通过容器化部署和管理,实现边缘计算单元上的车路协同事件算法可管理、可运维、可演进。

2)车路协同专用通信网

边缘计算节点+RSU是车路协同的基本单元,相邻单元快速互访,跨路段互访,跨省互访,需要灵活的路由调度,以保证流量最短路径,保证低时延。车路协同系统利用LTE-V技术,提供极低延时宽带无线通信。车路通信系统作为传输层的组成部分,并对传输数据的真实性进行甄别,确保车路通信系统接入的各类数据的安全性,该部分功能由系统部署在前端的各类设备协同完成。主要包括车载通信设备、路侧通信设备和边缘计算设备。车载通信设备部署在车辆内部或其他移动载体上,与路侧通信设备通过LTE-V直连通信模式(即PC5模式)实现数据交互;路侧通信设备与边缘计算设备通过高速公路光纤接入网与后台系统连接。边缘计算设备主要负责其所协同管辖范围内的多个路侧设备,辅助实现车路协同与自动驾驶体验服务。

3)主动交通管控技术

通过车路协同系统与高速主动管控设备进行对接融合,实现异常事件下的主动交通管控。主要包括动态限速、车道管控、车道级诱导、主动安全预警、匝道限流等典型的应用场景。

车路协同端感知、计算设备能够将实时的交通态势数据进行边缘侧的分析,识别相关的预置场景,驱动相关的处置策略生成,并由车路协同的通信层进行信息播发,实现上述的典型场景。

3.应用场景

3.1主线安全通行

(1)车辆异常行为的精准感知

通过路侧智能感知设施实现对高速公路车辆异常事件的快速、精准识别。系统通过摄像头、毫米波雷达等路侧感知设备实时检测主路行车道及匝道的车辆行驶状况,融合感知节点实时分析路侧感知数据,识别车辆超速、车辆慢行、车辆停驶等状态,及时通过V2I通信(RSU)向OBU发送安全预警信息。解决如匝道场景中车辆车速较慢且汇入区域车辆视线受限,车辆汇入过程中极易引发交通事故的问题。

2)交通异常事件的精准感知

通过路侧智能感知设施实现对高速公路交通异常事件的快速、精准识别。系统通过摄像头、毫米波雷达等路侧感知设备实时检测高速公路的交通事件信息,对交通事件的类型、位置、时间等进行实时融合感知。识别交通事故、交通拥堵等交通异常事件,及时通过V2I/V2N通信(RSU)向OBU发送事件信息。解决交通异常事件的实时感知、播发。

3)其它交通要素的精准感知

通过车路协同感知设备、物联感知设备、气象感知设备等实现对行人、异常天气、自然灾害等的实时感知,并通过车路协同路侧通信设备进行安全预警广播。

3.2分合流区通行

高速公路汇出异常状态预警场景主要应用于高速公路出口等有车辆驶出主路,进入匝道的路段。由于车辆会在这些路段驶出主路,极易因为种种违法驾驶行为发生交通事故。典型的事故征候有:主路行驶的车辆在即将进入出口匝道时突然紧急刹车;在快速车道行驶的车辆突然穿越多条车道直接斜插往出口;车辆错过出口进行倒车或掉头逆行等情况。这些违反行车安全规范甚至违法的行为都会让高速出口区域危险系数倍增,为后方车辆带来行车安全隐患。

2 分合流场景

该场景通过在高速公路汇出路段部署摄像头、毫米波雷达等路侧感知设备实时检测高速公路的车辆行驶状况。在该场景中,系统通过摄像头、毫米波雷达等路侧感知设备实时检测主路行车道及匝道的车辆行驶状况,融合感知节点实时分析路侧感知数据,识别车辆超速、车辆慢行、车辆停驶等状态,及时通过V2I通信(RSU)向网联车发送车辆信息。

3.3危险路段通行

通过路侧智能感知设施实现对高速公路急弯路段、长下坡、临水临崖路段的交通及车辆异常事件的精准感知。解决车辆在危险路段行驶,信息获取不及时导致的交通事故等重大事件。

3 危险路段的典型场景

3.4准全天候通行

通过路侧气象感知设施、车辆安全诱导设施、车辆安全预警设施等,对高速公路的气象信息(如能见度、下雨、下雪)和路面路况信息(积水、积雪、薄冰)进行检测,并将检测结果发送路侧边缘计算节点进行综合分析,RSU据此生成高速公路气象和道路相关的RSI消息,并通过PC5口发布给联网车辆。RSI信息还可以通过RSUC-V2X综合管理平台推送到远端RSU,提醒远端联网车辆提前识别前方天气和路况信息,也可以通过可变情报板,提醒非网联车辆。

3.5隧道安全通行

由于隧道出入洞口段为光线突变段,行驶通过该段时,驾驶员的视觉生理反应 需要消耗时间,产生“白洞效应”和“黑洞效应”,导致出入口附近的交通事故频 发;另一方面,由于隧道内视距受限,易引发二次事故。本项目隧道通行场景是指 车辆在通行隧道前、隧道中、隧道后的全过程安全预警及诱导场景。

通过路侧感知单元、路侧计算单元重点感知隧道入口、 隧道内、隧道出口交通状况和交通事件,通过 RSU 实现车-路通信,将融合节点生 成预警的信息通过 PC5 广播至网联车的车载终端,车辆接收后判断是否对驾驶员进行预警,并触发相应的预警。

3.6辅助自动驾驶

通过车路协同系统实现车车、车路实时交互静态以及动态的道路交通信息。依托路侧RSU单元、车载OBU、边缘计算单元以及LTE-V技术的建设,实现车车(V2V)、车路(V2I)、车云(V2N)的交通动静态信息交互。

并在全时空动态交通信息采集与融合的基础上开展车车路协同感知,充分实现人车路的有效协同,保证交通安全,提高通行效率,实现伴随式的辅助驾驶。

4.应用示范

千方科技近年来不断扩大在智能网联领域的产业布局,实现从车、路、云端全系列的产品体系及解决方案,承接多项智能网方向联国家部委重点课题、重点项目,紧跟国家政策、引领行业动向,用全域交通解决方案赋能新一代智慧交通行业发展。

千方科技是首批实现V2X“三跨”“四跨”的交通企业,同时也是唯一一家通过软件加密实现“四跨”的认证企业。千方科技拥有OBURSU、边缘计算、云控平台等全系列车路协同产品,拥有丰富的前端感知设备体系。

近年来,公司相继完成高速公路车路协同项目二十余项,其中2021年中标的延崇高速项目是2022年冬奥会重大交通保障项目,同时也是河北省新一代国家交通控制网示范项目,该项目利用C-V2X/5G车路协同技术,提供极低延时宽带无线通信,探索路侧智能基站系统应用,开展车路信息交互、风险监测及预警、交通流监测分析等,为往来车辆提供即时精确的路面信息、车流信息等。

同时,项目的“路运一体化车路协同系统”也将为自动驾驶商业化落地提供更智能、更可靠的长距离测试环境与运营环境。借助雷达感知、三维可测实景技术、北斗卫星定位等前沿技术,延崇高速河北段可实现交通数据精确感知、采集、目标全程跟踪定位等功能,未来可支持80公里时速、L4级自动驾驶和基于蜂窝网络技术车路协同测试,以及自动驾驶队列跟驰演示。

按照交通运输部和河北省交通运输厅相关文件政策的总体部署,千方科技将结合项目难点与实际建设需要高效制定项目实施方案,为公众、2022年北京冬奥会和治理者打造出一个物联网监测全覆盖、运营开放路段车路协同、全路段特长隧道智能综合诱导、北斗卫星信号全覆盖的“智慧公路标准样板路”。

5.结语

随着智能车的发展,路的更新迭代成为必然趋势。车路协同作为5G、高精定位、大数据等新技术与智慧交通相结合的重要场景,必将在新一代智慧高速系统迭代升级中发挥重要作用。当前产业数字化正在深刻影响传统行业的转型变革,交通行业的数字化转型进入加速上升期。在智能物联时代,可通过车路协同等先进的技术,组成交通智能物联网,实现业务全流程线上化,使原本巨量、孤立的数据实现融合性采集、传输、存储与分析应用,从而推动智慧高速数据智能、业务智能。

 

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