标准解读系列之三：智慧高速建设需要什么样的技术架构？
时间：2022-10-11 22:00:01
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智能高速公路是通过多维状态感知、多源信息集成等方式智能感知高速公路运行状态，为运营商提供智能监控、应急、维护、运维、决策能力，为交通管理者提供智能交通控制能力，为公众提供智能安全、高效、绿色旅行体验。智能高速公路需要什么整体技术结构？智能高速公路的业务应用是什么？智能高速公路的道路协调系统结构是什么？智能高速公路的自动驾驶辅助设施是什么？
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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，浙江省交通厅发布《智能高速公路建设指南(暂行)。2020年11月，江苏省交通厅发布《江苏省智能高速公路建设技术指南》。
在集团标准方面，中国智能交通产业联盟于2020年12月发布智能高速公路信息化建设 总体框架》和智能高速公路 车路协同系统框架及要求。中国智能交通协会于2021年3月发布《智慧高速公路建设总体技术要求(征求意见稿)》。
智高速公路总体架构可分为六部分：全要素感知、全方位服务、全业务管理、道路协调与自动驾驶、支持与保障、新技术应用，其中支持与保障、新技术应用主要服务于其他建设内容[3]。
智能高速基本应用主要内容包括但不限于：实时交通信息监控系统、多网络集成通信系统、云控制平台、伴随信息服务系统、车道级交通控制系统、桥梁隧道安全改进系统、服务区智能系统、自由流收费系统、基础配套系统（设施）。智能高速创新应用它是根据项目的实际和交通特点，结合自身的业务需求和支持技术，形成特色的智能应用，包括但不限于：准全天候交通、卡车编队驾驶、全生命周期智能维护、道路协、自动驾驶支持[2]。
道路协调系统架构应包括车载终端、路边设备、通信网络和应用平台。
自动驾驶附属设施根据部署位置，可分为中心设施和道路设施。中心设施主要包括自动驾驶监控和服务中心、高精度地图、网络安全软硬件设施、定位设施、通信设施、交通标志、交通控制和诱导设施、交通感知设施、路边计算设施、能源供应和照明设施、网络安全软硬件设施[1]。
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智高速公路总体架构
智高速公路总体架构可分为六部分：全要素感知、全方位服务、全业务管理、道路协调与自动驾驶、支持与保障、新技术应用，其中支持与保障、新技术应用主要服务于其他建设内容[3]。
全要素感知包括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，主要集成各种监测设备的应用，实现人、汽车、道路、环境的状态感知，为综合服务、全业务管理、道路协调和自动驾驶提供数据支持。
全方位服务包括车道级服务、全天候通行、自由流收费、在途信息发布和智能服务区，主要面向驾驶员和乘客，实现出行即服务（Maas）。
全业务管理包括建设管理、运营监控、应急指挥、收费管理、维护管理、决策支持和云控制平台，主要面向管理人员，提高管理质量和效率。
支撑及保障包括设施供电、集成通信、服务平台和数据平台，确保各种数据的有效传输和高效处理，为业务应用提供支持。
协同自动驾驶，近年来，重点实现道路协调，支持安全辅助驾驶，为全方位服务和业务管理提供更方便的手段，实现自动驾驶，提高公路整体技术水平和服务能力。
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智能高速基本应用和创新应用
智能高速基本应用主要内容包括但不限于：实时交通信息监控系统、多网络集成通信系统、云控制平台、伴随信息服务系统、车道级交通控制系统、桥梁隧道安全改进系统、服务区智能系统、自由流收费系统、基础支持系统（设施）[2]。
实时交通信息监控系统应采用路边设备采集信息、辅以移动终端/车载终端采集信息、各方共享信息等多源数据集成的技术路径，实现高速公路实时信息采集，支持相关信息服务、实时交通管理服务等应用。公路路边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。
收集车辆微观行为信息RSU设备应遵循以下布置原则：
a) 高速公路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、易发生重大突发事件、恶劣天气条件频繁等路段RSU设备；
b) 交通流量大(服务水平三级及以下)，事故发生率高(年平均每公里事故数>20.3)路段应为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(年平均每公里事故数>20.3)路段应按1开始km～2km间距设置RSU设备；
d) 交通流量小(二级及以上服务水平)，事故发生率低(年平均每公里事故数量)≤20.3起路段，应根据实际情况按2起路段km～5km间距设置RSU设备。
伴随式信息服务应通过公路沿线可变信息标志、FM实现广播、移动终端、普通车辆车载终端、智能网络车载终端等方式，提高交通信息发布的覆盖面和及时性，提高交通效率，确保交通安全。
智能高速创新应用它是根据项目的实际和交通特点，结合自身的业务需求和支持技术，形成特色的智能应用，包括但不限于：准全天候交通、卡车编队驾驶、全生命周期智能维护、道路协、自动驾驶支持[2]。
准全天候交通的总体结构应由智能车载终端、交通信息监控、新一代无线通信、高精度定位、边缘计算、智能驾驶诱导、主动融雪冰路面或自动喷雾等设施组成。
桥梁、隧道、路基路面、置桥梁、隧道、路基路面、边坡、机电设施等状态采集设施，或结合监控系统，系统监控和分析设施的衰变。
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智能高速公路协同系统架构架构
道路协调系统架构应包括车载终端、路边设备、通信网络和应用平台。
包括但不限于车载终端OBU、T-Box、终端单元或设备，如辅助驾驶终端、自动驾驶终端、运营车辆智能终端、导航终端等。
路边设备可分为以下几类：
a) 路边计算设备：配合其他系统完成交通信息处理和决策的计算设备，包括MEC、数据处理单元等；
b) 路边通信设备：与车载终端无线通信设备，包括支持V2I通信的RSU、支持V2N通信基站等；
c) 路边感知设备：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环境监测设施感知到的信息，如桥梁、隧道、边坡等基础设施的运行状态和安全感知设备，以及检测能见度、温度、湿度、风、道路湿度等气象信息，可通过基础设施数据接口发送到道路协调系统；
d) 电子标志标数字路边标志、情报板、可穿越冰雪、雨水、灰尘的车道标志设备等。
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等待无线通信网络。
应用平台收集道路交通状态信息、车辆状态信息、路边设备状态信息，并提供道路交通运行管理、运行维护和道路协调业务服务。根据路网规模和管理要求，应用平台可以设置为中心云和区域云，或者只设置一个中心云平台。中央云平台访问所有路边设备和车载终端的数据并集中处理。区域云主要实现当地车路协调调度和延迟敏感业务处理。
应用程序平台收集车载终端和路边设备的上传数据，并接收第三方提供的数据，包括但不限于下表。
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智能高速自动驾驶附属设施
自动驾驶附属设施根据部署位置，可分为中心设施和道路设施。中心设施主要包括自动驾驶监控和服务中心、高精度地图、网络安全软硬件设施、定位设施、通信设施、交通标志、交通控制和诱导设施、交通感知设施、路边计算设施、能源供应和照明设施、网络安全软硬件设施[1]。
(1)高精度地图
高精度地图由静态数据、静态数据层和动态数据层组成。静态高精度地图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。
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。
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。
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。
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参考文献
[1] 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)
[2] 浙江省智慧高速公路建设指南（暂行）
[3] 江苏省智慧高速公路建设技术指南
[4] 智慧高速公路信息化建设 总体框架
[5] 智慧高速公路 车路协同系统框架及要求
[6] 智慧高速公路建设总体技术要求(征求意见稿)
END
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