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用户需要什么样的智慧高速公路?

2022-10-14

来源 : 赛文交通网

作者 : 徐志刚

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一、用户需要什么样的智慧高速公路?

2018年2月,交通运输部发布了 《交通运输部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》(交办规划函〔2018〕 265号),划定了北京、河北、吉林、江苏、浙江、福建、江西、河南以及广东九个智慧公路试点地区,在基础设施数字化、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+”路网综合服务及新一代国家交通控制网等重点方向开展先行先试,由此拉开了我国智慧高速公路建设的序幕。

近五年来,我国各省市的智慧高速公路试点项目如雨后春笋般纷纷启动,通过“理论探索,科研攻关,先行先试”等举措,在顶层设计、标准体系、技术创新与产品开发、示范路段建设、产业协同等方面取得了系列成就。

2021年全国建成通车智慧高速路段已达6条,并出现了京雄高速河北段 、 五峰山过江通道公路 、 京台高速泰安至枣庄段 、 沪宁高速、成宜高速等各具特色的智慧高速试点项目。

但是“体验感不强”,已成为了行业内一个不敢说出来的痛,甚至有出行者向笔者反映,当他开车在智慧高速上行驶时,没有感觉到与普通高速公路有什么不同。

如果在智慧高速上安装了无数先进设备、绑定了无数高大上的新概念和新理念、投入了巨额人力物力财力,各类用户仍然对其无感,那么对投资者来说将无疑面临巨大的压力!

那么我们一定要回归到智慧高速的初心上,用户到底需要什么样的智慧高速公路?笔者通过大量的问卷调查和实地走访,梳理了智慧高速的主要用户需求如下:

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通过以上需求分析,发现各类用户对高速公路是否“智慧”并不关心,而真正关心的是智慧高速能否为其带来实实在在的收益。

二、理想化的智慧高速公路有多复杂?

在我国,目前智慧高速的内涵和外延都处在不断的演化中,至今在工业界和学术界都未形成统一的权威定义,大都是基于自身视角对其给出了功能性约束。

以下是笔者所在团队对智慧高速的定义,并发表在《中国公路学报》上。

智慧高速公路系统(以下简称“智慧高速”)是一种面向高速公路运营与管理的智慧化物理信息系统,具备高精度的交通信息感知能力、高可靠的信息交互能力、强大的端边云计算能力和自主的决策和运行管理及控制能力。

智慧高速采用先进的多传感器融合技术实现高速公路运行状态全息感知,基于车联网无线通信和新一代互联网等技术,全方位实施车-车、车-路动态实时信息交互,充分支持实时交通信息发布、主动交通管理、 伴随式信息服务、路侧辅助的单车智能与协同驾驶等高级别智能交通系统应用,充分实现人-车-路的高效协同、从而保障高速公路的运行与管理更加安全、高效、环保,且让出行者具有更加舒适、便捷的体验感。

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图1 具备全要素高精度感知和精准交通管控的理想化智慧高速公路系统

理想化的智慧高速公路系统应该具备高速公路全要素高精度全息感知、高可靠的信息交互和高度自主的智能化交通管控能力。说得通俗一点就是,理想化的智慧高速应该能在全天候、全路段感知到每一辆车的运动状态,同时能在各种应用场景下对车辆进行精准管控。

这可不是一件简单的事情!为了说明其复杂性,我们简单地举一个例子进行说明。例如一个100公里的高速公路(如图1所示),双向八车道,假设平均时速50mile/h(约80km/h),按照加州跟驰模型,车辆间距为5个车长左右,每个车长按5米计算,那么100公里有多少辆车同时行驶呢?计算结果大约是2.7万辆!!!(注:我国大陆地区所有民用客机的数量不到4000架,所有铁路机车数量为2.2万台)如果该路段的每辆车以100Hz的频率向高速公路监控中心发送200字节的数据,那么监控中心每秒将收到高5.4GB的数据,如果要进一步实现所有车辆的精准协同管控,这将是世界上最复杂的物理信息系统。

再加上智慧高速系统在感知、通信、决策、控制上存在的不确定性,以及外界自然条件和气候天气的不确定性,使得理想化的智慧高速在实施过程中面对更多的挑战。

智慧高速在设计过程中,还有一个不得回避的问题是未来相当长的一段时间内,智慧高速的服务对象是有人驾驶车辆,人的个体化差异性和驾驶操作的随机性,使得理想化的智慧高速公路系统变得更加复杂。因此我们无法将无人工业自动化系统那一套理论和经验直接搬过来使用。

最近关于智慧高速出现很多新名词,如:车辆全轨迹跟踪、全息感知、数字孪生、交通OS、云上公路等,但是这些新技术大多数解决的是智慧高速一些点上的问题。如何降低其复杂性,提升系统在不确定条件或者异常事件情况下的系统可靠性和鲁棒性,还需要从架构设计层面入手。

三、国内外有什么架构可以参考?

笔者根据多年的智能交通系统项目开发经验总结,一个好的智慧高速公路系统架构应该具有以下五个特性:

任务的分散性:系统尽量将任务分散到不同的软硬件模块,且模块的职责尽量单一。系统尽量将信息处理任务下沉到“端”和“边”,降低“云”和通信带宽的负载。

模块可互换性:不同的厂家的软硬模块可以进行互换,特别是一些不得不外购的第三方模块,随时准备好备用方案。

系统可伸缩性:系统可以在不改变架构的前提下,通过增删模块的数量来满足不同用户对系统规模的需求。

系统互操作性:如果基于相同的架构,用户可在不同的系统中均可享受到相同的服务,例如:一辆装有OBU的车辆行驶在不同的智慧高速上,应该享受到的是相同的服务。

系统可扩展性:随着新技术的出现或软硬件模块的性能提升,系统可以在不改变架构的前提下应用这些新技术或者更新部分软硬件模块。

智慧高速是我国特有的产物,国外没有直接可以参考的架构。目前可以间接参考的架构有美国车联网参考应用架构CVRIA、欧洲C-ITS架构和日本的SmartWay架构。具体特点如下:

美国车联网参考应用架构(Connected Vehicle Reference Implementation Architecture,CVRIA)是美国交通部为CV Pilots项目设计的架构,并已经过试运行,现推荐为全美国车路协同系统的通用参考架构。

图2是CVRIA架构的逻辑模型,从网联车辆的安全性、移动性和支持的应用程序的角度来看,CVRIA包括用户视角、功能视角、物理视角和通信视角4个层次。

用户视角描述了各类用户(如政府管理部门、业主、参与企业、司乘人员、行人等)和各种机构之间的关系以及各类用户在车路协同环境中扮演的角色;功能视角描述了满足系统要求的抽象功能元素及其逻辑交互;物理视角描述了物理对象(包括系统和设备等)及其应用程序对象,以及这些物理对象之间的信息流;通信视角描述了支持参与车路协同环境的物理对象之间的通信所需的分层通信协议集。

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图2 美国车联网系统参考应用架构CVRIA

欧洲的协同式智能交通系统(Cooperative-Intelligent Transport System,C-ITS)旨在促进智能交通系统的协同化、网联化和自动化,并推动车路协同系统的应用和发展,图3所示为C-ITS关于车路协同系统的物理架构,包括中心层、路侧层、车辆层和行人/交通弱势群体层。

中心层负责统筹管理通信、服务等,包括6个子系统,分别为交通管理系统(Traffic Management System, TMS)、交通信息系统(Traffic Information System, TIS)、服务提供后台(Service Provision Background, SPB)、数据提供后台(Data Provision Background, DPB)、通信提供后台(Communication Provision Background, CPB)和服务提供交换系统(Service Provision Exchange System, SPES);

路侧层负责路侧设施的管理和控制,包括2个子系统,分别为路侧系统(Roadside system, RS)和路侧单元(Roadside Unit, RSU);

车辆层负责车辆的控制与管理,包括3个子系统,分别为车辆电子电气系统(Vehicle Electronic and Electrical, VEE)、车载单元(On-Board Unit, OBU)和远程车辆车载单元(Remote On-Board Unit, R-OBU);

行人或交通弱势群体层负责行人或交通弱势群体的管理,包括4个子系统,包括个人信息设备(Personal Information Device, PID)等设备终端等。

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图3 欧洲C-ITS系统架构图

日本正在推广的下一代智慧道路计划“Smartway”,通过对多种先进技术的研究和应用,为用户提供交通服务,物理架构如图4所示。该架构按技术类型分为:信息收集、信息处理、信息存储、信息分析和信息发布五个模块。

信息收集模块通过车载设备和路侧设备对车辆状态信息和环境信息等进行感知,然后传递给中心服务器进行处理等操作。信息处理、存储和分析模块都在云控中心的服务器中运行,但是根据功能的不同,服务器的种类亦有所不同。

第一类服务器主要是对信息进行处理然后传输到中心服务器;第二类服务器主要是对信息进行存储;第三类服务器主要是对信息进行分析。

例如中心服务器,它将各种信息进行处理,然后根据服务需求传输给不同的终端或道路交通控制网络。信息发布模块既可以通过道路交通控制专网完成,也可以通过IP网络发布到电脑或智能手机终端。

道路交通控制专网传输的信息分为两类,第一类通过与专用短程通讯技术(Dedicated Short Range Communication, DSRC)进行无线通信传输到车载导航系统或OBU等,为车辆提供相应服务;第二类以有线信号方式传输到各个路侧设备上,例如:交通信号灯、情报板、可变限速标志等。

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图4日本Smartway系统物理架构图

通过深入研究还发现,以上仅仅这三个项目的顶层架构图,对于顶层架构中的每一个模块,又会进行层层分解,给出不同尺度下的架构,直至详细的设计文档。美、欧、日关于车联网、C-ITS、SmartWay的架构除了满足任务的分散性、模块可互换性、系统可伸缩性、系统互操作性、系统可扩展性等特性外,还具有简洁性、开放性、泛化性、信息安全优先等特点。

四、我国智慧高速公路系统架构应如何设计?

智慧高速是一种集成了多种新兴交叉技术的复杂巨系统,其目标是建设成“安全、高效、绿色、舒适、便捷”的高速公路,通过不断增强高速公路本身的“感知、决策、控制和信息交互”能力,为各类用户提供高品质的服务。

为构建一个可满足不同类型不同层级用户需求的智慧高速系统,笔者所在的团队通过走访全国20多个智慧高速项目现场,并对各类用户进行深度调研,典型示范工程包括:河北京雄高速,山东滨莱高速,浙江杭绍台,杭绍甬智慧高速等。调研结果表明:必须设计一个通用性强、结构可伸缩、部件可复用、接口标准化的一体化统一架构,这样才能保证智慧高速系统在大规模推广过程中的柔韧性、鲁棒性和环境自适应性,且最大程度地降低开发时间和重复开发成本。

笔者所在团队通过对美国,欧洲,日本的智能交通示范项目的体系架构进行深度剖析。并对国内知名IT企业提出的智慧高速架构进行解构分析,吸收其先进理念和相关技术,在此基础上,提出了适合我国国情的智慧高速系统,长安大学IntelliWay变耦合模块化,端-边-云一体化的逻辑架构与物理架构。分别如图5和图6所示。

其逻辑架构分为顶层架构和底层架构,顶层架构为总体架构,通过信息、物理要素及功能服务进行关联;底层架构是工程架构,路侧、车载设备选配和“端-边-云”软件选配进行关联,分别解决系统要素的逻辑关系梳理与系统工程实现等问题。

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图5 长安大学IntelliWay智慧高速公路系统逻辑架构图

如图6所示,是IntelliWay的物理架构,该架构是一种由中心云、边缘云、车载和路侧终端协同运行,具有自下而上逐级数据处理、管控指令双向传递、基于用户级别和场景需求进行定制化信息服务、根据事件驱动进行自主管控的分层、变耦合、模块化、可扩展的架构。

它在传统的车路协同系统架构的基础上增加了边缘云,可以满足智慧高速系统中需要进行本地实时决策的超低时延类应用场景的需求。

该架构通过感知、计算、通信、控制等技术的一体化融合,实现“人-货-车-路-云”之间的高可信信息交互与智能协同管控;同时,通过在高速公路上安装感知、通信和控制设备,为自动驾驶车辆提供环境感知和车-路通信支持;并且通过边缘计算实现就近云端算力部署,可以从时间和空间两个维度上突破单车智能系统对车辆周边环境感知能力的局限性。该架构具有多层次、模块化、变耦合分级三大特点。

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图6 长安大学IntelliWay变耦合模块化高速公路系统物理架构图

4.1多层次

IntelliWay系统物理架构从下至上分为感知与控制层、通信层、计算层、数据层、服务与应用层和展示层六个层次,指定了系统物理信息要素在架构中的位置,各层功能如下:

(1)感知与发布层是构建端边云一体化智慧高速公路系统的基础。作为原始数据的直接来源,它综合运用路侧设备、车载设备、龙门架上的各种设备和终端对人、车、路、事件等信息进行感知,可以感知智慧高速系统应用场景内所有移动目标的运动状态,并将感知到的信息通过通信层向上层传输,为上层的决策和服务提供原始数据。

上层通过对这些原始数据进行分析处理,为有人驾驶车辆提供交通信息服务(如:天气信息、拥堵信息、交通事件信息、安全预警信息),并辅助自动驾驶车辆进行协同控制,从而提升车辆行驶的安全性和道路运行效率。

(2)通信层通过构建集4G、LTE-V、5G、WiFi、光纤、ETC等为一体的基础网络架构,为数据、语音、图像、视频等的传输提供强有力的保障。

通信层为IntelliWay系统提供网络通信和数据传输服务,包括:实现感知与控制层和计算层之间的双向数据传输、边缘计算服务器-边缘云-中心云之间的高速数据传输、边缘计算服务器和感知控制层之间的总线数据通信、服务与应用层-边缘计算服务器-车载设备与用户终端之间的远程无线通信。

(3)计算层由边缘计算服务器、边缘云、中心云的算力资源组成,该层的主要作用是基于边缘云和中心提供的算力和数据资源对路侧设备感知的原始数据进行处理、融合及分析,并基于事件驱动和应用场景需求为车辆提供交通信息服务和辅助决策。同时计算层还负责路侧感知与控制设备的状态监测、通信控制和任务调度。

计算层将感知、计算、通信融为一体,并采集多级存储机制,将输入和输出数据存储本地、边缘云和中心云,以降低计算层内部数据传输对系统整体通信带宽的占用,同时避免多层级数据传输产生的通信延时对本地计算实时性造成影响。

(4)数据层主要用于对智慧高速运行过程中生成的交通大数据和模型参数进行存储、管理、统计和分析。交通大数据包括:高精度地图数据、车辆轨迹数据、交通流数据、交通事件数据、交通设施数据、机电设备数据、ETC收费数据、应急资源数据与预案、建管养运基础数据等。模型参数包括各种用于本地和中心运行控制的数学模型参数和人工智能参数等。

(5)服务与应用层实现智慧高速各元素之间的信息共享,为智慧高速的各种场景应用提供技术支撑,为各类用户提供面向安全、高效、绿色、便捷目标的各类服务和应用。这些服务包括:交通信息发布、出行信息服务、服务区管理、自由流收费、交通拥堵管理、交通事件管理、应急管理、设施设备管理等各个方面。

(6)展示层主要用于高速公路运行状态信息和历史统计数据等的展示,展示的内容包括:全程视频监控、交通流参数、交通事件信息、施工区信息、养护数据、设备状态、人员状态、天气状态等。

我们通过研究发现,如果能对智慧高速架构进行自底向上的分层设计,将有助于对智慧高速的相关概念进行科学梳理和分类,形成统一认识;有助于应对不同场景和信息交互不同的需求,降低耦合度,每一层单独部署,从而降低交通管理运营的综合成本。

这样一个架构的好处就是可以针对不同的技术层级,在不改变端网边云架构的情况下,选择不同的软硬件模块,提高可伸缩性与互操作性。当层级较低时,只需少量的软硬件就可以实现这个需求。当需求越来越丰富,对系统的功能要求增高时,只需对该架构添加新的层次部件,升级优化。

4.2模块化

模块化是指将系统的某些要素组合在一起,构成一个具有特定功能的子系统,将这个子系统作为通用性的模块与其他产品要素进行多种组合,构成新的系统,产生多种不同功能或相同功能、不同性能的系列产品,即实现“高内聚、松耦合”。

考虑到智慧高速是一个极其复杂的巨大系统,难以实现通用化,IntelliWay智慧高速架构采用了模块化组件方法设计。将复杂的系统功能分解成简单,通用的模块,每个通用模块完成一个系统特定的子功能,降低系统之间的耦合度,从而构建高速公路车路协同系统通用化的软硬件架构。

该架构中的模块化设计在感知层有路侧感知设备、路侧发布设备和车载设备三个模块;通信层是一个模块,在计算层分为边缘计算、中心云和路段云三个模块。服务层按安全、效率、绿色、便捷和收费分为六大模块,各模块之间通过接口调用,以降低原来模块之间的耦合。

采用模块化设计就可以让相关组件批量化生产,相同模块的复用,可减少再设计成本,在保障良好的体验延续性的同时,缩短设计周期,提高设计效率;同时在系统运行时,各个组件能独立完成相关功能,不仅能保证运行效率,也能保证系统稳定性;当需求增加时,只需要对通用模块进行组合互换或扩展,让不同的需求共用部件,从而应对需求的差异性,提高系统的设计成本。

4.3变耦合分级

通过调研发现目前智慧高速建设过程中的面临的一个核心问题是系统建设投资成本较大,投入的资金很难短期收回,系统整体性价比偏低。

我们通过研究发现,如果能对智慧高速进行标准化分级,将有助于基于现有技术的成熟度实现用户需求与技术供给之间的最佳匹配,降低需求和技术的不确定性;有助于智慧高速各子系统及相关组件的模块化、标准化、批量化生产,从而大大加速智慧高速的落地化进程。

依据车路耦合关系的演变,未来随着车联网、智能感知、人工智能技术的发展,车-车/车-路之间的耦合关系将进一步得到增强,促进了车路协同等技术的发展,智慧高速中车路系统之间的关系将从“弱耦合”向“强耦合”发展。基于车-路变耦合关系这一特点,我们将智慧高速系统分为L1至L5级(如图6所示)。

其中,L1级智慧公路具有广播式交通信息发布功能,车-路之间是一种开环的松耦合信息交互模式,交通信息服务不针对特定车辆。车辆与道路之间采用广播式、非实时无线通信方式进行信息交互。L1级是智慧高速要完成的最基础工作。

L2级智慧高速在L1级基础上增加了主动交通管理(Active Transportation Management,ATM)功能。它依赖于精细化的高速公路运行状态感知数据,车-路之间的信息耦合较为紧密。

L3级智慧高速在L2级基础上增加了伴随式信息服务功能。L3级智慧高速的车-路信息交互耦合程度更为紧密,该模式对车辆定位精度和车-车/车-路通信实时性要求较高。伴随式信息服务是指智慧高速公路系统基于用户的个性化需求和用户所处的场景或时空位置,为用户提供实时、具有场景针对性的信息服务。

L4级智慧高速公路是在L3级的基础上开设自动驾驶专用道供自动驾驶汽车使用,设置自动驾驶专用道可以将无人驾驶车辆与有人驾驶车辆进行物理隔离,更好地管理混行情况下的交通流,减少无人车和有人车之间的冲突,减少拥堵和事故。自动驾驶车辆可以在专用道上高速行驶并保持较短车间距,从而提升道路的总体通行能力。

L5级是智慧高速公路的最高阶段,即“聪明的车+智慧的路”,所有的车都是智能网联汽车,同时道路上安装了大量路侧感知、智能网联、边缘计算等设施。L5级智慧高速的一个显著特征就是协同式自动驾驶,无论何种级别的自动驾驶车辆都可以得到道路的服务。

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图7 L1-L5 5个不同层级的场景原型系统

项目组基于该架构,搭建了L1-L5 的5个不同层级的场景原型系统,如图6所示,在相关技术还未完全成熟的情况下,可以依据相关智能交通应用的紧迫性,将智慧高速公路系统依据L1到L5级别进行分步实施,当车路信息交互程度更紧密,层次级别增高时,只需要在低一级系统架构的基础上添加新的模块,以实现该层级所需要的功能。在示范区,我们也可以逐级示范,从而推动智慧高速产业的良性发展,提升投资利用率,实现最优的应用效果。

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图8 基于信息耦合的系统分级

另外采用模块化分层物理架构,可以基于图7的信息耦合系统分级实现系统的软硬件裁剪,可以在不改变系统端网编云结构的情况下,通过逐级增强各个层次中软硬件模块的功能和性能,逐步提升系统的整体效能,使系统适应于变耦合的技术分级,该架构具有通用性强、结构可伸缩、部件可复用,接口标准化等优点,可以大大降低系统开发时间和开发成本。

五、结论

当代云计算、大数据、移动互联等方面井喷式的发展,为智慧高速系统进一步的技术迭代提供了丰富的技术实现途径。但具有共识的系统架构和标准体系的缺失,极易导致在智慧高速系统各要素进行技术迭代的过程中,各类示范工程与先导区的系统架构和技术体系形态各异、互联互通困难,这将阻碍未来智慧高速系统以“点—线—面”的良性融合与规模化发展的演进过程,甚至出现“推倒重来”的巨大风险。

针对上述问题,我国亟需在广泛征求调研的基础上,构建具有广泛共识且具有良好互操作性、可扩展性和可升级性的智慧高速系统架构和标准体系,从而推动产业良性发展,提升投资利用率。

参考文献:

[1] 赵祥模,高赢,徐志刚等,IntelliWay变耦合模块化智慧高速公路系统一体化架构及测评体系[J],中国公路学报,2022 (06).

[2] 徐志刚,李金龙,赵祥模等,智能公路发展现状与关键技术[J] ,中国公路学报,2019 (08)

[3] 龚思远,赵璐,武亚龙,孙康,赵祥模,徐志刚.考虑车车与车路通讯并存的路侧单元优化布设方法[J].中国公路学报,2022 (10).

[4] 田彬,赵祥模,徐志刚,王淼,张宇琴.车路协同条件下智能网联高速公路通行效率信息自适应分发协议:NRT-V2X[J].中国公路学报,2019(06).

[5] 王润民,王淼.现有高速公路智慧化提升改造方案[J].中国交通信息化,2020(07).

[6] 徐志刚,智慧高速公路应该如何分级?赛文交通网.

[7] Jinlong Li, Zhigang Xu, Lan Fu, Xuesong Zhou, Hongkai Yu,Domain adaptation from daytime to nighttime: A situation-sensitive vehicle detection and traffic flow parameter estimation framework,Transportation Research Part C: Emerging Technologies,Volume 2021(124).

[8] 温贝托·塞万提斯,里克·卡斯曼.软件架构设计:实用方法及实践.

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*徐志刚院长,智慧高速精英俱乐部会员,点击【阅读原文】加入智慧高速精英俱乐部,文章未经本站许可,禁止以任何形式转载


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