高速公路車路協同“5G+北斗高精度定位”模式初探

文 河北交投智能交通技術有限責任公司 李廣

智慧高速是我國高速公路建設的熱點之一，車路協同是實現智慧高速的重要技術途徑，但由于車路協同涉及的各項技術難度高，且應用場景豐富，當前國內對車路協同的研究與應用尚處于探索嘗試階段，方案設計的多，落地實施的少，未形成統一的標準。

針對高速公路應用場景，G4京港澳高速公路涿州服務區段進行了基于“5G+北斗高精度定位”的高速公路車路協同系統建設模式試點應用，并驗證了典型應用場景下的系統功能。

高速公路車路協同系統架構

5G擁有高帶寬、低時延、大連接的特點，是國家大力推廣的新一代通信技術。北斗系統集精密定位、厘米級導航、授時、地基增強等多功能于一體，具備在全國范圍內提供高精度定位的基本服務能力。

基于“5G+北斗高精度定位”的高速公路車路協同系統按架構自下而上可分為：協同感知層、網絡層、數據處理層、應用層。其中協同感知層負責感知道路異常情況；網絡層負責提供高帶寬、低時延的數據傳輸網絡連接；數據處理層負責數據采集、分析、存儲、分發、邊緣計算等；應用層根據用戶的需求實現視頻聯動控制、交通信息發布、危險駕駛行為研判、路網交通態勢研判、異常天氣預警等，以實現保證交通安全、提高通行效率、提供便捷服務的目標。

基于“5G+北斗高精度定位”的高速公路車路協同系統架構

系統組成

基于“5G+北斗高精度定位”的高速公路車路協同系統按照功能分為路網感知系統、通信系統、智能管控平臺、信息交互系統四大組成部分。

基于“5G+北斗高精度定位”的高速公路車路協同系統組成

路網感知系統

路網感知系統負責檢測道路異常事件，是車路協同系統的“千里眼”“順風耳”，主要由毫米波雷達、團霧檢測器、智能交通警示燈等組成。

毫米波雷達

毫米波雷達工作在77千兆赫頻段，主要用于檢測道路上的車輛、行人、拋撒物等，實時輸出目標數據，包括目標車型、大小、位置、經緯度、速度、航向角等，能夠為每一個目標生成唯一編碼，此編碼能夠在不同雷達之間接力傳遞，實現目標連續監測。與傳統監控攝像機相比，毫米波雷達具有穿透力強、全天候、全天時監測等特點。

團霧檢測器

團霧檢測器能夠準確檢測并區分當前路段是否存在干燥、霧、雨和雪4種天氣狀況，能夠全天候工作，可靠性強。

智能交通警示燈

利用北斗高精度定位技術，結合窄帶物聯網技術，自主研發了智能交通警示燈，定位精度達到亞米級，智能警示燈安裝在養護作業車輛、交通錐、標識牌上，可以實時上報養護施工的精確位置。主要有六大功能：采用超低功耗窄帶物聯網通信方式；具有高精度定位功能；能夠上報占道施工、封閉道路事件；采用鋰電池方案，具有太陽能充電和充電器充電兩種方式；具有自動休眠功能；具有高亮度LED閃爍功能。

毫米波雷達、團霧檢測器、智能交通警示燈等的有機融合，豐富了信息采集手段，提高了路況實時監測能力和道路異常事件實時獲取能力。

鏈接：

毫米波雷達主要參數：

★檢測距離：600米

★方位角：寬波束-30度至+30度 窄波束-10度至+10度

★俯仰角：寬波束-10度至+10度 窄波束-4.5度至+4.5度

★同時跟蹤目標數：512

★檢測車道數：八車道

★測速范圍：-250公里每小時至250公里每小時

★工作頻率：77千兆赫

★檢測周期：10赫茲

★距離精度：<0.5米

★速度精度：<0.1米每秒或1%

★帶寬：150兆赫

★CPU架構：多核異構

★主頻：1.6千兆赫

★內存：2G

★存儲器：固態8G

★工作溫度：-40攝氏度至75攝氏度

★防護等級：IP67

★供電：12伏電壓≥2.5安

★通信接口：1個RJ45網口，1個RS485

鏈接：

團霧檢測器主要技術參數：

*能見度測量范圍：1米至50米

*天氣識別率：>90%

*更新時間：10秒

*對外接口：RS232、RS485、RJ45

*防護等級：IP65

通信系統

通信系統由5G蜂窩網、北斗高精度定位網和C-V2X網組成。

基于“5G+北斗高精度定位”的高速公路車路協同系統通信子系統

5G網絡

5G具有高帶寬、低時延、大連接三大特性，速度是4G的20倍以上，時延達到毫秒級，每平方公里連接用戶數可達到100萬。較傳統的4G網絡，速度更快，延時更低，特別是區域內用戶數量較多時，仍可以保持很高的傳輸速率，從而保障了信息傳遞的及時性。

5G行業專網是服務于垂直行業客戶的專用網絡，具有網絡性能要求高、數據不出園區、隔離安全要求高、需求定制化、多量綱計費、按需配置、批量開通等功能，服務范圍、網絡能力、隔離度、服務保障均可定制。

該系統采用中國移動5G網絡，鑒于2.6千兆赫基站能力富余、且4.9千兆赫產業更不成熟，頻段優先選用2.6千兆赫，以網絡切片方式滿足高速專網需求。

北斗高精度定位網

通信系統采用中國移動高精度定位系統，中國移動高精度定位系統包括覆蓋全國的地基增強基準站網、高精度定位平臺、用戶終端3個部分，其中地基增強基準站網接收處理全球衛星導航系統數據并傳輸至高精度定位平臺，平臺計算誤差信息，并向用戶終端實時播發位置修正值（差分改正數），用戶終端實時解算獲得高精度定位坐標。

中國移動高精度定位系統

V2X路側單元

V2X路側單元可提供低時延的信息傳輸通道，主要用于向智能網聯車或車載OBU廣播異常事件信息，具有數據傳輸高密度、高吞吐量、高可靠性等特點。路側單元為四核高速處理器，支持快速處理多并發數據，有豐富的外圍接口。搭配高性能、高可靠性C-V2X PC5 Mode4智聯通信，集成多星座GNSS（全球導航衛星系統）接收機，滿足不同環境下對快速、精準定位的需求，超寬溫度范圍，優越的抗電磁干擾能力，MIMO技術滿足無線通信系統對數據速率和連接可靠性的要求，超寬電壓工作范圍，滿足多種場景。

智能管控平臺與信息交互系統

智能管控平臺是車路協同系統的數據交互與控制中心，是整個系統的大腦，主要由信息采集模塊、數據處理模塊、事件分析檢測模塊、數據分發模塊、事件報警模塊等組成，匯集毫米波雷達、團霧檢測器、網絡攝像機、智能交通警示燈的數據，進行事件綜合研判，并將特殊事件下發至路側設備、手機終端上，為用戶提供道路異常信息。

信息交互系統包括車載單元OBU和手機App，分別通過V2X網絡和5G網絡獲取異常事件信息，用于向司乘人員播報異常事件，使司乘人員有足夠的時間做出反應，避免交通事故的發生。為了后續可以接入更多的應用，還制定了第三方接入標準協議，用于第三方應用的接入。

基于“5G+北斗高精度定位”的高速公路車路協同系統智能管控平臺

系統功能與特點

系統功能

感知系統檢測到超速行駛車輛、慢速行駛車輛、緊急停車、逆行車輛、危險變道車輛、交通事故、車輛合流、行人非機動車上路、拋撒物、施工封路、區域團霧等異常事件時，將信息報送至智能管控平臺，經平臺分析研判后，通過5G網絡和V2X網絡，將提示信息發送至“尚高速”App和V2X終端，司乘人員根據提示進行處置，確保行車安全。

系統特點

系統通過引入5G網絡，5G和V2X兩種網絡同時發布信息，使更多的司乘人員體驗到車路協同帶來的安全與便捷，更加適用于當前智能網聯車輛較少的情況。通過引入北斗高精度定位，實現了車道級定位，結合智能交通警示燈的使用，可以精確標注道路施工點信息，信息提示內容更豐富。

深入挖掘毫米波雷達在高速公路車路協同系統中的應用場景，使用毫米波雷達進行事件采集，解決了傳統的視頻事件采集系統夜間無法工作的問題。結合雷達級聯成像技術，實現了基于毫米波雷達的多目標檢測與跟蹤，提升了毫米波雷達探測精度。

雷達和光電系統聯動能夠充分發揮雷達與視頻監控的優勢，實現雷達自動發現和識別可疑目標，自動調動攝像頭追蹤和監視可疑目標的功能，提高高速公路運營管理人員的工作效率。通過深入研究雷達與攝像機聯動機制，探索多信源數據融合技術，實現了雷攝聯動技術在高速公路車路系統中應用。

交通事件是造成道路偶發性交通擁擠的主要原因，由于交通事件的發生時間和地點是隨機的、不可預測的，往往會造成嚴重的交通擁擠并引發二次事故。因此，盡早地發現事件，確認事件的性質并及時采取救援措施和為其他駕駛員提供相關信息，才能實現對事件快速、高效、恰當的處理，降低交通事件的影響。通過在原有傳統事件檢測算法的基礎上，綜合運用深度學習、人工智能等技術，提升了事件檢測效率和檢測精度。

試點應用

在京港澳高速公路涿州服務區段進行了車路協同示范區建設。試點示范區安裝毫米波雷達4臺，采用背對背的安裝方式固定在監控桿或門架上，安裝位置緊鄰監控攝像機、毫米波雷達。聯合中國移動在車路協同示范區建設了6座5G基站，實現了5G信號的全覆蓋，共安裝V2X路側單元3臺，單臺覆蓋半徑為800米，可覆蓋3公里范圍。

毫米波雷達安裝位置示意圖

5G基站位置示意圖

試點建設完成后，對典型應用場景下的系統功能進行了驗證，驗證場景如表1所示。

表1 基于“5G+北斗高精度定位”的高速公路車路協同系統驗證場景

自2020年9月20日平臺上線以來，安排專人持續跟蹤系統運行狀態，對車輛總體識別準確率和事件識別準確率進行了統計監測，并對系統功能和性能不斷進行優化。經最新統計，2021年12月通行車輛超71萬輛，車輛總體識別準確率已達到98.7%，采集各類交通事件126例，事件識別準確率已達到84%。

隨著新基建的全面鋪開和5G商用化的逐步推廣，車路協同正在從“虛”轉向“實”。筆者所在團隊針對高速公路應用場景，基于“5G+北斗高精度定位”的高速公路車路協同系統建設模式，綜合應用5G、毫米波雷達、北斗高精度定位、V2X通信等先進技術，搭建了高速公路車路協同系統，并在京港澳高速公路涿州服務區段進行了試點應用建設，對典型應用場景下的系統功能進行了驗證，為基于“5G+北斗高精度定位”的高速公路車路協同系統持續創新研究和規模化落地奠定了基礎。但是，目前國內相關標準仍不健全，關鍵技術和設備仍需進一步研究優化，后續筆者所在團隊將持續開展高速公路車路協同系統建設模式探索，積極推進車路協同規模化落地。