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高速公路5G智能网联技术、方案和应用

类别:路线规划 日期:2020-11-28 18:25:49 人气: 来源:

  5G智能网联广泛应用于自动驾驶、智慧交通和智慧城市领域,高速公路是交通的典型场景之一,探索了5G智能网联在高速公路场景下的技术、方案和应用。通过构建“、通信、计算”3方面技术能力,提出了高速公路5G智能网联方案。最后介绍了典型的5G智能网联应用:高速公路物流应用和高速公路治堵。

  智能网联(车联网)是汽车产业、电子产业、信息产业、交通产业、互联网产业等多产业融合汇聚点。随着与智能网联相关标准的成熟,智能网联产业化进程也在加速,尤其是应用在城市场景和城际场景。其中高速公路相对于城区复杂道路状况,交通相对比较封闭和简单,是优先应用智能网联技术和方案的典型场景之一。

  近年来国家陆续出台相关政策,推动智能网联产业发展,其中包括着力打造智慧高速公路。智慧高速公路将通过5G智能网联、北斗、物联网、云计算、大数据等技术,逐步建立完善的基础设施监测体系、智能化的路网运行体系、可靠的通信资源保障体系、实时的预报预警体系、高效的应急保障体系和便捷完备的出行服务体系。

  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、、、江苏、浙江、福建、江西、河南、广东。其中路运一体化车路协同方向,选取有代表性的高速公路以及冬奥会、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。2019年9月,中央、国务院印发的《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。2020年2月,中华人民国国家发展和委员会等11个部委联合印发《智能汽车创新发展战略》,提出到 2025 年,车用无线X 等)实现区域覆盖,新一代车用无线X)在部分城市高速公路逐步开展应用,高精度时空基准服务网络实现全覆盖。

  高速公路存在运行状态控制手段单一、数据融合效果不佳的挑战,随着2019年中国进入5G商用元年,在LTE-V2X技术基础上,如何开展 5G 蜂窝网络(Uu 接口)业务探索以及验证5G-V2X技术,成为高速公路智能网联的一个重要研究方向。同时,高速公路对安全、效率有非常高的要求,这也对车路协同提出了更高要求,如何利用智能网联的智能化、网联化手段来提升高速公路出行安全性和优化交通出行效率,提升车路协同服务体验,强化管理者与出行者互动水平,成为亟待解决的问题。高速公路智能网联应用除了能带来社会效益外,如何能产生经济效益,也常重要的研究方向。本文将从技术、方案和应用3个维度探讨5G智能网联在高速公路部署的趋势。

  C-V2X标准工作始于2015年,3GPP各工作组主要从业务需求、系统架构、安全研究和空术4个方面开展工作。3GPP C-V2X标准化工作分为3个阶段,如图1所示。

  ·第1阶段基于LTE技术满足LTE-V2X基本业务需求,对应LTE Release 14版本,包含 LTE-D2D(点对点)的 PC5 接口和LTE蜂窝网的Uu接口,其中车与车(V2V)通信、车与路边基础设施(V2I)通信、车与人(V2P)通信均通过 PC5 模式,工作在5 905~5 925 MHz专用频段;车与网络/云(V2N/V2C)通信通过Uu模式,工作在运营商蜂窝网络频段。

  3GPP LTE-V2X定义了27种业务场景(3GPP TR22.885),主要实现辅助驾驶功能,包括主动安全(例如碰撞预警、紧急刹车等)、交通效率(例如车速引导)、信息服务等方面。

  3GPP 5G-V2X定义了25种业务场景(3GPP TR22.886),主要实现自动驾驶功能,包括车辆编队、高级驾驶、扩展传感器、远程驾驶四大类功能。

  美女护士也疯狂

  中国已基本完成与LTE-V2X相关的接入层、网络层、消息层和安全等核心技术标准,标准体系初步形成。汽车标准委员会 T/CSAE 53-2017 DAY-I定义了17种典型车联网业务标准,其中包括12种安全类业务、4类效率类业务、1类近场支付信息服务业务。将要发布的DAY-Ⅱ定义了13种车联网业务标准,其中包括自动驾驶类的车辆编队场景等。

  随着标准的逐步完善,在高速公路场景下,智能网联汽车业务将呈现出一种组合模式,即“基于LTE-V2X安全类和局部效率类业务+5G Uu大带宽信息娱乐类业务和全局效率类业务+5G NR-V2X自动驾驶类业务组合模式”。

  智慧公路 5G 智能网联需要统筹考虑构建智能基础设施体系、信息安全管理体系、应急管理体系、运营管理和决策分析体系。5G 智能网联需要实现“、通信、计算”三大核心技术能力。这三大能力分布在车端、路端和云端,如图2所示。

  层面包括车端多传感器融合和路端全域。车端多传感器融合主要包括摄像头、毫米波雷达、激光雷达、超声波雷达、汽车电子标识、ETC等设备;路端全域除了摄像头、毫米波雷达、激光雷达、超声波雷达、汽车电子标识、ETC、各类传感器等设备外,还包括交通信号机、交通屏、标志牌等智能交通设施。

  通信层面包括4G公网、5G公网、G网络商用化进程的加速,5G网络部署逐步完善;C-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;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;除此之外,还包括高精度定位基准站。

  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5G智能网联所需的计算资源。

  高速公路5G智能网联典型方案包括面向C/B端和面向G端的不同类型场景,如图3所示。其中面向C/B端,针对智能网联汽车(前装及后装网联车辆)和普通车辆(手机App),可以提供主动安全类、提升效率类场景方案。

  主动安全类场景具体包括前方隧道提醒、隧道内情况提醒、车道汇合碰撞预警、道路施工区域提醒、紧急停车带提醒、品运输车辆提醒、特殊车辆提醒、异常天气提醒、限速提醒、车辆超速提醒、道路状况提示、变道预警、前向碰撞预警、拥堵提醒、团雾检测、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、能见度检测与预警、动态可行驶区域检测、护栏间距提醒、异常故障车辆预警、司机状态评测与预警、超视距视频、紧急制动预警、违章车辆预警、可变限速控制、动态及绕行、临时路肩使用等。

  提升效率类场景具体包括货车编队行驶、施工路段交通组织、匝道智能管控、应急车道临时借用、连续式港湾停车带等。

  面向G端场景具体包括应急救援、服务区信息服务、区间测速、视频、嫌疑车辆追踪、违章车辆、交通事件等。

  高速公路 5G 智能网联部署方案重点考虑高速公路拐弯变道、高架桥、隧道、收费站、服务区等重点区域。其中直道采用毫米波雷达,匝道或隧道口采用激光雷达。RSU在道路两侧交错分布,雷达、摄像头等设备成对分布。龙门架、灯杆、测速杆等可利旧。

  以高速公路自动驾驶难度最大的隧道场景为例。当前隧道手段主要为摄像头方式,但有近 10%的事故误报率,主要原因是隧道内光线不强。通过激光雷达、高精度地图、摄像头结合,可以实现对隧道车况实时,迅速探测到事故并显示在指挥中心,供指挥中心调度。隧道内定位除了激光雷达外,还可以采用“RTK+IMU+UWB”融合定位方案,实现连续可靠的隧道内外高精度定位。

  高速公路5G智能网联通过众多安全类、效率类、管理类场景组合,可以形成多种应用。典型的应用包括高速公路物流应用、高速公路治堵应用等。

  高速公路 5G 智能网联可实现物流卡车的车道级定位、控制和。利用北斗定位和V2X路侧单元获取车辆定位信息,判断物流卡车驾驶行为,通过路侧单元向车辆发送控制命令以及事故多发路段实时消息等。同时,高速公路5G智能网联可实现物流卡车的编队行驶。例如车辆编队的过程管理和数据通信,包括创建车队、加入车队、编队巡航、离开车队、解散车队等状态的切换。

  如果按照卡车1 m车距的编队要求,在时速80 km/h的情况下,车辆处理时间需要10 ms,制动需要30 ms,那么网络时延必须小于5 ms,即(5 ms+10 ms+30 ms)×80 km/h=1 m,如图4所示。

  编队行驶能减少运输企业对于司机的需求,降低人力成本以及降低驾驶员的劳动强度。另外,编队行驶中的后车可以减少风阻,降低车辆油耗。荷兰研究机构TNO研究报告指出,卡车编队行驶之后,后车大约可降低 10%~15%的燃油消耗,以100 km油耗35 L、油价6元/L、每年行驶200 000 km计算,油耗降低10%一年可节省4.2万元。

  在编队行驶状态下,后车能瞬间跟随头车指令,降低车辆安全事故。此外,编队行驶让卡车以较小的间隙距离行驶,可以更多车道给其他车辆通行,提高高速公路吞吐量,显著改善交通拥堵并提升运输效率,进一步缓解交通压力。

  高速公路拥堵是高速公路面临的艰巨挑战之一。高速公路拥堵通常包括常态拥堵和突发拥堵两类。常态拥堵例如高峰时段大车流拥堵、高速出入口拥堵、节假日拥堵、服务区拥堵等;突发拥堵例如交通事故、施工占道、路面异物、天气、慢速车辆导致拥堵发生。

  利用 5G 智能网联手段治理拥堵需要经过拥堵监测、拥堵研判、拥堵消除等阶段。其中拥堵监测手段主要通过“雷达+视频”融合方式,并通过MEC设备在前端处理和判断。拥堵监测内容包括车辆监测、异常事件监测、道路状况监测和天气状况监测。其中车辆监测包括车速、车辆类型、车道密度、车流量、排队长度等;异常事件监测包括交通事故、施工占道、非法停车等;道路状况监测包括路面异物、路面积水、路面破损等;天气状况监测包括雪天、雨天、雾天等。

  拥堵研判主要基于交通态势进行分析研判,包括车流分析、路径对比、预测预警、分析统计等。拥堵消除手段主要包括车与路(I2V)协同手段、车与车(V2V)协同手段、动态与提醒、拥堵处置等。车与路(I2V)协同手段通过路侧智能化设施向车辆提示前方实时路况、车速、交通事故提醒、道路施工提醒、路面异物提醒、匝道合流等;车与车(V2V)协同手段提供前车碰撞提醒、车道汇合碰撞预警、盲区提醒等;动态与提醒包括App、交通信息屏、屏等;拥堵处置包括自动喊话(违规停车、事故处理后尽快离开)、无人机、现场处理等。

  高速公路是 5G 智能网联重要的应用场景之一,从技术、方案、应用 3 方面进行积极探索,从而形成相关的智能网联道路分级标准规范,是未来重要的研究方向。

  ERTRAC(欧洲道路运输研究咨询委员会)在 INFRAMIX 项目和 ITS World Congress 2018 by AAE and ASFINAG发布了ISAD(自动驾驶的基础设施支持级别),将道路划分为5个级别。E 级别最低,无数字化信息,不支持自动驾驶的传统基础设施,完全依赖于自动驾驶车辆本身;D级别支持静态道路标识在内的静态数字化信息,而交通信号灯、短期道路工程和可变信息交通标识牌需要自动驾驶车辆识别;C 级别支持静态和动态基础设施信息,包括可变信息交通标识牌、告警、事故、天气等;B 级别支持协同,即可微观交通情况;别支持协同驾驶,数字化基础设施可以引导自动驾驶车辆的速度、间距、车道。

  中国公路学会自动驾驶工作委员会、自动驾驶标准化工作委员会发布了《智能网联道路系统分级定义与解读报告》(征求意见稿)。从交通基础设施系统的信息化、智能化、自动化角度出发,结合应用场景、混合交通、主动安全系统等情况,把交通基础设施系统分为I0级(无信息化/ 无智能化/无自动化)、I1级(初步数字化/初步智能化/初步自动化)、I2 级(部分网联化/部分智能化/部分自动化)、I3 级(基于交通基础设施的有条件自动驾驶和高度网联化)、I4 级(基于交通基础设施的高度自动驾驶)、I5 级(基于交通基础设施的完全自动化驾驶)。

  未来可着重考虑高速公路的“—决策—控制”三大能力。其中需要解决的是高速公路道路基础设施的数字化、网联化和协;决策按照层级分为基于规则的专家系统、推理和行为预测;控制按照层级分为单车控制、协作控制和全域控制。按照高速公路的、决策和控制能力不同,可以将智能网联道路分为不同的等级,从而推进智慧高速公路建设。

  吴冬升(1975-),男,博士,高新兴科技集团股份有限公司高级副总裁、战略与品牌总经理,广东省智能网联汽车与智能交通应用专业委员会副主任委员,粤港澳大湾区自动驾驶产业联盟副理事长,广东省车联网产业联盟专委会委员,广州市互联网协会5G专委会副主任委员,广东省物联网协会专委会委员,深圳市人工智能协会专委会委员,主要研究方向为5G、车联网、物联网、大数据、人工智能、数字化转型、智慧城市等 。

  王传奇(1976-),男,高新兴科技集团股份有限公司战略总经理,粤港澳大湾区自动驾驶产业联盟副秘书长、中国“5G+车联网”专业委员会委员,主要研究方向为车联网、人工智能、智慧城市、5G无线G承载网、工业互联网 。

  金伟(1975-),男,高新兴科技集团股份有限公司战略方案总监,主要研究方向为5G、车联网、物联网、云计算、大数据、人工智能、智慧城市等 。

  李凤娜(1983-),女,高新兴科技集团股份有限公司车联网解决方案总监,主要研究方向为车联网、ETC、电子车牌、智慧停车、智慧城市等 。

  

关键词:高速公路地图
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