5G助力高速公路數字化轉型發展

文/圖 中國移動（上海）產業研究院 王宇欣 戚新洲 魏藝喬 劉詩虎

5G、云計算、人工智能等數字技術的飛速發展，為承擔大量公眾出行和物流運輸的高速公路領域帶來新的發展機遇，智慧高速公路成為當下國家交通基礎設施建設的重點和熱點。

智慧高速的發展背景

近年來，我國高度重視高速公路數字化和智能化的建設發展，國家部委連續出臺《交通強國發展規劃綱要》《數字交通發展規劃綱要》《交通運輸領域新型基礎設施建設的指導意見》等政策規劃，提出加大新型基礎設施投資和建設力度，支持實體經濟高質量發展。其中，“新基建”作為交通運輸部在交通運輸領域落實國家提出的新型基礎設施建設的重要舉措，明確指出要實現泛在感知設施、先進傳輸網絡對交通運輸行業深度覆蓋，推動智慧公路基礎設施規劃、設計、建造、養護、運行管理等全要素和全周期數字化水平的提升。

目前，我國智慧高速正面臨著前所未有的發展機遇，政策紅利、行業需求、技術創新將大力推動高速公路從傳統機電系統向智慧交通系統轉變，在“新基建”“交通強國”等政策驅動下，以高速公路長期存在的事故、擁堵、污染等痛點為抓手，通過集成5G新一代信息通信技術，實現高速在“建、管、養、運”四個方面全方位升級，路網數字化、管理協同化是公路交通未來發展的趨勢所在。

基于5G的“3+1+1+N”智慧高速系統框架

面向“精準感知、精確分析、精細管理和精心服務能力全面提升”的建設目標，我國高速公路目前存在若干亟需解決的問題。視頻監控碎片化，尚未實現視頻監測全聯網、全覆蓋與智能化，難以滿足路網運行、突發事件處理和提供優質出行服務的需求，針對這一問題可通過視頻無線上云，通過云平臺的AI能力處理原始視頻數據，識別流量、事件等信息；車與路協同缺失，信息感知全面性和實時性不足，車與路交互缺失，駕駛員的出行安全和效率得不到保障，針對這一問題可利用5G的覆蓋優勢，與車路協同網互補，實現車路信息的全面觸達；針對智能養護手段缺乏，傳統人工管養成本高、招工難、效率低、事故多發的問題，則需引入新技術，提供輕量化、低成本的管養手段。因此，通過交通新型基礎設施建設加快新、老基建融合，可為高速公路的發展持續提供新動能。

5G如何賦能高速數字化

搭建5G 的智慧高速系統框架

基于5G、人工智能、大數據、邊緣計算等先進技術，以觸及大眾、深入管理、服務運營為總體目標，智慧高速系統采用“3+1+1+N”架構，面向以感知設備、管養設備和車載設備為主的三類終端設備，搭建一張5G網作為基礎網絡，建設一個5G智慧高速平臺，打造包括5G視頻無線上云、5G伴隨式信息服務、5G施工區主動安全預警在內的N個智慧高速應用，提高道路安全和運行效率，提升管理運營高速公路的能力。

打造智慧高速5G 行業專網

2019年是5G正式商用元年，包括中國移動在內的三大通信運營商紛紛布局5G技術的垂直行業應用。交通行業的“移動”屬性與5G天然契合，具有廣闊的應用空間。5G作為傳輸管道，可實現“端-邊-云”的互聯互通，為感知設備、車端設備和管養設備與平臺之間提供低時延、大帶寬、高可靠的數據交互服務，成功應用于多個智慧高速建設項目。隨著3GPP R16版本的完成，通過eMBB、uRLLC、mMTC三大應用場景和MEC、切片等關鍵技術的應用，可以為高速公路打造高品質的5G業務專網。

無線側充分利用700兆赫茲、2.6千兆赫茲、4.9千兆赫茲的多頻組網技術，通過“多頻協同”取得良好的網絡性能及效益。700兆赫茲及2.6千兆赫茲頻段網絡覆蓋能力強，能夠提供車流量較小、帶寬需求較小的大范圍覆蓋，可減少網絡覆蓋成本；4.9千兆赫茲頻段可提供更高的速率體驗且使用靈活，可補充車流量較大路段的網絡容量，滿足業務需求。

智慧高速的不同業務對網絡性能要求存在差異，如傳輸視頻側重大帶寬性能，信息下發側重低時延性能。此外，為了保障智慧高速業務的數據安全，智慧高速業務通信網絡需要與其他行業和個人用戶的通信業務隔離，并按照智慧高速不同業務分區隔離數據。因此，可通過切片技術定制智慧高速的專用5G網絡，按需編排各項業務所需的核心網網元，從接入、傳輸和核心網三個層面制定不同等級的安全隔離方式。

通常，5G核心網的UPF位于省網或地市核心網機房，對全部的融合感知、計算決策數據集中化會造成業務時延過高、出口帶寬過大等問題，從而限制5G智慧高速平臺的性能。因此，通過在高速公路附近接入機房適時建設UPF和邊緣計算服務器，可實現本地路側、車端數據的實時融合處理分析。通過數據流和控制流的分離實現信息的低時延交互，可滿足本地卸載、數據低時延和大帶寬的需求，能夠實現定制化專網的訴求。同時，與路側超邊緣計算服務器及中心云結合，可實現多級邊緣計算“邊-云”協同架構。

名詞釋義

3GPP：第三代合作伙伴計劃（3rd Generation Partnership Project），為國際性移動通信領域的標準化組織。

R16：Release 16，3GPP制定的5G第一個演進標準，于2020年7月3日正式發布，推動5G在垂直行業的應用。

eMBB：增強型移動寬帶（Enhanced Mobile Broadband），主要表現為大于10Gbps的峰值速率。

uRLLC：低時延高可靠（Ultra Reliable &Low Latency Communication），主要表現為毫秒級時延。

mMTC：海量物聯網通信（Massive Machine Type Communication），主要表現為可達每平方公里百萬連接（數）。

MEC：多接入邊緣計算（Multi-Access Edge Computing），通過在接入網側部署計算能力，使得在接入網側也可使用云計算技術實現通信、計算的統一與融合。

UPF：用戶面功能（User Plane Function），為5G核心網的網元之一，主要支持用戶業務數據的路由和轉發、數據和業務識別、動作和策略執行等。

5G CPE：5G終端設備（5G Customer Premise Equipment），可將5G通信信號轉換為本地局域網信號，以供用戶設備使用。

QoS：網絡服務質量（Quality of Service），網絡業務服務質量包括傳輸的帶寬、傳送的時延、數據的丟包率等。

OBU：車載通信單元（On Board Unit），可通過無線網絡實現車與車、車與路、車與平臺間的實時通信。

5G消息：由傳統短信業務升級的運營商富媒體消息業務，支持文本、圖片、音頻、視頻等多種媒體格式。

GNSS：全球導航衛星系統（Global Navigation Satellite System），包括GPS、GLONASS、GALILEO、北斗等。

建立5G 智慧高速平臺

5G智慧高速平臺作為整個方案體系的大腦，由車路協同和道路管養兩大業務子平臺構成，為公眾提供全方位、高可靠、低時延的出行信息服務，為交通基礎設施管理養護提供高效、精準、閉環的運營管控服務。

5G伴隨式信息服務

車路協同子平臺可實現全要素感知數據匯聚，具備數據融合、輔助計算能力，可實現事件AI檢測、路網狀態分析等功能，可支撐大范圍信息共享、遠距離預警、超視距感知等關鍵應用，提供道路交通信息下發、道路安全預警及道路通行效率提升等多應用場景。智慧管養子平臺可建立交通基礎設施的數字檔案，具備物聯監測、數字化檢測、日常養護管理、設備管理等功能，可提供結構物健康分析、人機物料安全管理、管養決策分析與規劃等服務。

研發智慧高速服務應用

針對視頻聯網、車路協同、道路養護等方面的需求和痛點，依托5G網絡拉通路側、車端和平臺，由智慧高速平臺匯聚數據和實現應用，打造5G視頻無線上云、5G伴隨式信息服務、5G路面檢測等多個應用，為公眾提供輔助駕駛服務，為高速運營方提供智慧養護服務。

5G視頻無線上云。由于部分路段鏈路施工難、代價高，可通過前端攝像頭集成5G模組和視頻上云網關連接5G CPE等方式把無線視頻回傳至省級視頻云聯網平臺，同時移動5G網絡的視頻業務可部署下沉UPF和MEC服務器，采用網絡切片方案保障各業務的QoS和業務的安全。

5G伴隨式信息服務。根據《合作式智能運輸系統車用通信系統應用層及應用數據交互標準》等相關準則，智慧高速云平臺車路協同子平臺通過5G網絡實時下發全量交通信息、環境信息、危險預警信息、服務信息，以OBU、手機App、5G消息、智能網聯后視鏡等多種方式觸達公眾，提供全面的伴隨式出行服務，提高道路安全、運行效率及服務體驗。

5G施工區主動安全預警。為了保障養護施工人員在作業時的生命安全，在路側部署移動式感知系統、智慧錐桶和5G云廣播系統。基于5G網絡，移動式感知系統感知來車方向的車輛軌跡，并將路側感知數據和智慧錐桶位置實時上傳至平臺，平臺評估車輛碰撞現場人員的風險，并將危險信息快速下發至5G云廣播系統，及時向現場人員預警。

5G無人機巡檢。針對巡檢工作量大且效率低、條件惡劣且危險、事故處理困難且耗時耗力等問題，無人機巡檢可通過5G網絡傳輸數據和控制指令，業務服務器可提供視頻回傳、違章抓拍、事故定位、應急救援等應用。

5G路面檢測。通過后裝改造高速運營方的車輛，安裝高精度工業相機、三軸加速度傳感器、車載AI平臺和GNSS設備，打造輕量化道路檢測系統，以車輛巡檢方式檢測路面平整度及裂縫、坑槽等路面病害，并將數據通過5G網絡上傳至平臺分析處理，生成養護策略和方案。相較人工巡檢方式，5G路面巡檢可使道路綜合檢測效率提高3倍以上。

隨著5G、車路協同、人工智能等技術的發展和成熟，面向高速公路在“建、管、養、運”等方面的數字化需求，基于5G的低時延、大帶寬能力，打造“3+1+1+N”的智慧高速系統，構建“5G+智慧高速”新業態，將實現高速公路的“可視、可測、可控、可服務”，不僅能夠為公眾提供駕駛輔助服務，還能為高速運營方提供道路管理服務，保障出行公眾的生命安全，提升運行效率，降低運營成本，助力高速公路數字化轉型。