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王东柱:智慧高速公路建设及标准体系构建

2022-06-22

来源 : 赛文交通网

作者 : 王东柱

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编者按:近日,在赛文交通网和智慧高速精英俱乐部联合主办的智慧高速态势感知与智能管控实践应用线上研讨会中,交通运输部公路科学研究院国家智能交通系统工程技术中心副总工程师王东柱,作了《智慧高速公路建设及标准体系构建》的报告。

王东柱首先对智慧高速公路建设背景、智慧高速公路技术体系以及国际智能交通标准化发展情况进行介绍,其次,对智慧高速公路建设及标准体系构建思路及方法进行了研究与分析,最后给出体系标准分阶段实施建议。

一、 智慧高速公路建设背景

1. 国家和行业推动智慧高速公路智慧化发展

国务院相继印发的《交通强国建设纲要》、《现代综合立体交通网规划》等国家发展战略,从战略高度推进基础设施智慧化建设发展,智慧高速公路建设已成为重要任务之一。交通部和科技部联合印发《关于科技创新驱动加快建设交通强国的意见》,积极推动大数据、人工智能、北斗导航、工业机器人等前沿技术深度融合应用。

交通行业全面规划部署智慧高速公路建设工作,陆续推出了智慧高速智慧公路试点工程,京津冀、长三角、粤港澳大湾区、成渝双城经济圈等智慧高速公路示范工程建设,交通强国试点任务将开展示范里程超过2000公里。

2. 国家和行业重视交通标准化发展

2021年10月10日,中共中央、国务院印发《国家标准化发展纲要》,为未来15年我国标准化发展设定了目标和蓝图,从住房、物业服务到新能源汽车、无人驾驶,以及平台经济、共享经济等领域,都将推进完善标准化建设。

(1)强调标准化的重要性:标准是经济活动和社会发展的技术支撑,是国家基础制度的重要方面;

(2)提出标准化发展目标:到2025年,实现标准供给由政府主导向政府与市场并重转变;

2019年5月13日,交通运输部颁布《交通运输标准化管理办法》,对标准化工作的基本原则、管理责任、标准体系规划、标准制定、实施、监督等方面提出要求,全面提高交通运输标准化管理水平。

二、智慧高速公路技术体系介绍

1. 智慧高速公路建设情况

智慧高速公路建设能够为出行者和管理者提供全天候通行、自由流收费、车路协同式自动驾驶货车、编队行驶、电动车永久续航等服务。以长三角和京津冀地区智慧高速公路建设示范试点为例,建设的目标是使高速公路更加安全,通行能力显著提高。

智慧高速公路建设的主要包括以下内容:

(1)全息泛在互联感知:环境、路面状况、交通流量动态感知;

(2)泛在融合高效通信:5G/LTE全覆盖、实现高效率、低时延、高可靠的通信和信息交互;

(3)动态高精度地图系统:自动驾驶汽车地图数据高精度地图系统;

(4)精准北斗定位系统:北斗增强全覆盖、亚米级服务;

(5)大数据智慧云控平台:高精准管控,是智慧高速公路的大脑;

(6)绿色智能交通能源供给系统:新能源补给系统,太阳能发电快速充电设施。

2. 智慧高速公路概念、特征和技术内涵

智慧高速公路是在高速公路沿线布设相应设施设备并建有交通运行控制中心,集成应用传感、通信、信息、云计算、大数据、人工智能和绿色能源等先进技术,实现汽车更加安全、快速和绿色行驶的高速公路。

智慧高速有三个主要特征,第一是强调对现有先进技术的集成应用;第二以实现更加安全、快速、绿色的人员出行和货物运输为根本目标;第三是对正在发生的道路交通颠覆性变革具有先导和引领作用。

我们在智慧高速公路标准体系中提出了由“三网合一”和“云边端”协同云控平台组成的智慧基础设施,以及运行在此基础上的各种创新的服务。

(1)“三网合一”的智能基础设施主要包含:第一,客货运输网,支撑传感通信控制网和能源供给网建设的土建条件,这是智慧高速公路建设的基础;第二,传感通信网,建设高速公路全覆盖的传感通信环境;第三,能源供给网,依托高速公路路面空间、立体空间及沿线管理与服务设施空间资源,创建智慧高速“点、线和区域”相结合的立体化的能源供给网络。

(2)云控平台是高速公路的大脑,采取“云边端”协同控制的设计理念。“云”是高速公路运行监管和服务中心,监控多条高速公路形成的路网;“边”是高速公路沿线部署的云平台构架的边缘计算节点,可沿途按需布设,也可利用路段管理处进行布局和建设;“端”是公路上的智能终端设备,包括智能路测设备RSU和智能网联汽车两部分。

(3)智慧高速公路创新性服务,在“三网合一”的智慧化基础设施和云控平台建设的基础上,实现了多种智慧高速公路创新型服务,包括高精度的信息服务、车路协同安全预警与控制、多方式自由流收费服务、自动驾驶专用车道服务、货车编队行驶服务、高速公路精准管控服务、交通应急指挥调度与处置服务、电动汽车充电等服务。

三、国际智能交通标准化的发展

1. 智慧高速公路相关标准体系及标准化分析

国际上智慧公路方面的标准聚焦于:合作式智能交通、车联网、自动驾驶、智能基础设施等方面,开展相关的技术研究,并进一步开展了相关行业标准的制定工作。国外主要的标准组织包括:

(1) ETSI(欧洲通信标准化协会)和CEN(欧洲标准化组织):按照欧盟M/453法案的要求,合作共同制定合作智能交通系统的相关标准;

(2) ISO(国际标准化组织):TC204(国际标准化组织智能运输系统技术委员会)是最早制定车联网相关标准的组织;

(3) IEEE(美国电气及电子工程师学会):802.11p/1609 主要从事车用无线局域通信协议的标准工作,应用于车- 车、车-路的中短程距离通信,解决了车用通信受限于高速移动的挑战;

(4) SAE(国际汽车工程师学会):无人驾驶车辆智能等级。

2. 美国智能交通体系框架

美国智能交通标准体系的构建是以美国智能交通体系框架为基础的,智能交通体系包括框架都是以人、车、路和中心四个部分。

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图1.美国智能交通体系框架演变图

近几年,美国智能交通体系框架发生了变化,名称也由“美国智能交通体系框架”改为了“美国合作智能交通系统体系框架”,在结构上有以下重要的变化:

(1)智能交通体系框架中将车车、车路互联合作式智能交通概念融入了体系框架的构建中,将体系框架的名称改为合作智能交通参考体系;

(2)顶层框架设计打破了长期以来人、车、路、中心均匀布局方式,将路(基础设施)放在了中间的位置,强调了基础设施的作用,这和我国对基础设施智能化建设的重视是一致的;

(3)智能交通体系中在传统人、车、路、中心四个组成中额外增加了“支撑”部分, 内容包括通信设施、信息安全、数据分发、地图更新等内容,将智能交通各个系统的共性技术单独分类,突出了对新技术条件下共性技术的支撑。

此外,美国又把智能交通体系框架进一步划分,把物理架构、逻辑架构、应用服务和系统设计等相关系统之间的关系进行了定义。

3. 国际智能交通标准发展状况

下面介绍一下美国、欧洲智能交通标准的发展情况。

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图2.美国智能交通和欧洲智能交通标准框架

(1)美国智能交通标准体系是以美国智能交通体系框架为基础,围绕人、车、路和中心进行设计的。标准体系涉及中心到中心、中心到道路、基础设施、车到车、车到基础设施,以及车内标准、车和车之间等标准,标准与人、车、路、中心各个部分之间的关系非常清晰。

(2)智能交通参考架构(ITS Station)是国际标准化组织(ISO 21217)和欧洲电信标准化组织(ETSI EN 302665)共同的标准,包含管理层、应用层、安全层、接入层、网络交通层、设施层。ITS Station参考架构是国际智能交通通信标准制定的基础,如国际标准化组织中远程空间通信系统框架(ISO TC204 WG16:Wide Area Communications)、欧洲电信技术标准组织标准(ETSI EG 202 798)等都是按照ITS Station参考架构进行标准化体系构建。

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图3. 智能交通参考架构(ITS Station)

(3)通过我们对欧洲电信化标准组织智能交通委员会(ETSI ITS)近年来制定的标准分析,其标准主要侧重于体系框架、对象标识分类、通信、信息安全等标准的研究和制定;国际标准化组织TC 204标准制定主要侧重于标准体系构建、通信框架、协作、自动车辆与设备识别、公交、信息安全的研究和制定。

4. 国际智能交通与智慧公路标准总结

(1) 标准体系构建方面:注重体系框架设计,包括标准框架、通信框架、信息安全框架等,体系框架覆盖范围大。

(2) 基础设施智能化方面:仅就某一种技术应用进行建设,缺乏技术的整体协同应用;虽然重视基础设施的作用,但是由于管理机制原因,基础设施智能化发展慢,对智慧公路针对性不强。

(3) 车路协同方面:国际相关标准体系虽然将车路协同作为智能交通发展的重要内容,重视车车通信,但缺乏与基础设施相结合;国际上普遍采用DSRC通信作为车路协同主要技术,进展缓慢,5G通信技术的发展相比中国有差距。

四、智慧高速公路建设标准体系构建

1. 标准体系的构建思路

智慧高速公路建设过程中相关新型智能基础设施仍处于研究和试验阶段,标准化工作正在推进中,目前缺乏统一的智慧高速建设标准体系框架。智慧高速公路建设技术标准缺乏,导致智慧高速公路建设推进缓慢;缺乏支持新技术的关键性技术标准,给新技术应用造成困难;缺乏统一平台标准,造成智能交通子系统相互独立,难以实现互联互通,因此,构建标准体系和研究制定智慧高速公路标准显得尤为重要。

在借鉴交通信息化标准体系的基础上,围绕高速公路智慧化建设与服务的标准化需求,我们研究构建智慧高速公路标准体系,提出智慧高速公路需要研究和制定的标准以及需要修订提升的标准。

(1)明确标准体系的定位及覆盖范围

对智慧高速公路标准体系的准确定位及其覆盖范围是制定标准体系的重要基础,根据智慧高速公路的特点和技术组成制定标准体系是标准体系编制的重要依据和出发点。标准体系由基础设施、运营管理、信息服务等标准构成,既能满足未来发展的趋势和需求,又能充分反映智慧高速公路相关技术和产业特点。

(2)围绕智慧高速公路的建设内容

标准体系重点围绕智慧高速公路新建和改扩建的特点和内容,以高速公路改扩建内容为重点,立足智慧高速公路建设的迫切需求,指导智慧高速公路建设、标准的可落地可实施.

(3)与交通行业已有标准体系保持一致

交通行业已有的智能运输系统、交通信息化等标准体系相对成熟、完善,对于智慧高速公路标准体系的构建具有非常重要的参考价值,在进行标准体系构建中应采取与智能运输系统标准体系、交通信息化标准体系等一致的表述和内容,最大限度的和已有的标准体系保持一致,提高智慧高速公路标准的适用性和应用范围。

(4)支持新技术的应用

在标准体系中既要结合实际,又要有创新性,支持新技术的应用,将自动驾驶、车路协同、人工智能、云计算等新技术应用纳入标准体系中。

2. 智慧高速公路建设标准体系

根据智慧高速公路建设的特点,突出用户服务、面向技术发展,充分考虑新技术在智慧高速公路建设中的发展和应用,对标准化对象和标准化要素进行系统的分析,形成了智慧高速公路标准体系。

标准体系包括:基础标准层、应用标准层、基础设施标准层、产品标准层和相关标准层五个层级。

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图4. 智慧高速公路建设标准体系框架图

五、标准建设分阶段实施建议

标准的编制和实施应结合智慧高速公路建设发展情况,分步骤、分阶段、有重点地推进智慧高速公路标准化工作,在智慧高速公路标准体系的指导下,对标准研究制定的实施阶段和路径进行规划,提出近中远期标准研究重点和发展方向,重点对其中关键性、基础性标准进行研究和制定,指导智慧高速公路建设以及相关技术研发和产业培育。

1.结合智慧高速公路建设的实际需求进行标准建设

针对智慧高速公路的建设需求,对智慧高速公路的建设特点和内容分析,提出目前建设急需的基础性和关键性标准,研究和制定标准建议以基础设施、运营管理和信息服务标准为重点,结合交通管控、通信、云控平台、设施部署布设等方面的需求,进行标准的研究和制定。

2.注重研究制定标准的可落地、可实施性

在标准的选取和制定过程中应针对实际工程应用,尽量避免大而空的或难以落地、难以实施的标准,按照“成熟技术用足”的原则,选取成熟、可实施的技术进行标准的研究制定,确保技术标准的可落地、可实施性。

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