智慧道路建設(shè)解決方案研究

郭 遙（上海建工一建集團(tuán)有限公司， 上海 200129）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市汽車(chē)人均保有量越來(lái)越高，有限的交通供給與飛速增長(zhǎng)的交通需求之間的矛盾日益加重，交通管理、交通路況以及道路養(yǎng)護(hù)變得越來(lái)越復(fù)雜，在此情境下，智慧道路系統(tǒng)建設(shè)顯得尤為重要。

如今科技水平越來(lái)越高，通信技術(shù)與數(shù)據(jù)檢測(cè)技術(shù)越來(lái)越發(fā)達(dá)，高效的信息通信與準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采集可以有效地將大數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)融合、邊緣計(jì)算等計(jì)算機(jī)技術(shù)深度融合到智慧道路的發(fā)展建設(shè)中，為道路進(jìn)行數(shù)字化賦能，為打造智慧之路、便民之路、未來(lái)之路的建設(shè)目標(biāo)奠定基礎(chǔ)。

隨著我國(guó)與西方各國(guó)在車(chē)路協(xié)同領(lǐng)域的不斷研究與推廣，車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)已經(jīng)不再神秘，智能駕駛也被精確地分為了各個(gè)等級(jí)，這時(shí)，車(chē)路協(xié)同下的“智慧的路”這一研究方向開(kāi)始出現(xiàn)在大眾視野中。在智能交通領(lǐng)域過(guò)去的研究與實(shí)踐中，無(wú)論是智能駕駛、智能避障，或是智能導(dǎo)航等，大部分都是以“聰明的車(chē)”為目標(biāo)的，而作為交通四要素之一的“路”卻一直被忽略。如今各種數(shù)據(jù)采集與傳感技術(shù)手段越來(lái)越發(fā)達(dá)，使得道路的智能化變得可行。如何修建一條“智慧的路”成為了智能交通領(lǐng)域的新的關(guān)卡，對(duì)路的研究成了新的方向。

1 需求分析

交通是一個(gè)復(fù)雜且開(kāi)放的系統(tǒng)，除了《交通工程學(xué)》中規(guī)定的人、車(chē)、路、環(huán)境交通四要素之外，還涉及安全、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、法律法規(guī)等眾多要素，這些要素共同構(gòu)成完整的交通體系。盡管?chē)?guó)內(nèi)外對(duì)智能交通領(lǐng)域已經(jīng)研究了十幾年甚至幾十年，但在以往的研究中仍然存在很多待完善的設(shè)施與技術(shù)，主要包括以下幾個(gè)方面。

1.1 信息采集與整合

除傳統(tǒng)交通信息如車(chē)速、車(chē)距、道路寬度、車(chē)流密度、信號(hào)燈信息等以外，天氣的陰晴、空氣的好壞、風(fēng)速的大小、突然闖入車(chē)道的行人等都會(huì)對(duì)交通產(chǎn)生影響。

據(jù)現(xiàn)有的研究與項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，目前已有設(shè)備可滿(mǎn)足對(duì)環(huán)境因素以及異常人車(chē)行為的信息采集，但在當(dāng)前的城市智能交通建設(shè)中，這些可能影響交通的信息并未被有效使用，原因在于大部分道路未對(duì)其進(jìn)行采集，而小部分采集此類(lèi)信息的道路也未對(duì)其進(jìn)行整合與應(yīng)用。因此，為了補(bǔ)足智能交通領(lǐng)域中“智慧的路”的建設(shè)，需要更加全面更加準(zhǔn)確的信息采集設(shè)備與技術(shù)，并建立完善的信息整合流程，利用大數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)、邊緣計(jì)算等技術(shù)發(fā)掘此類(lèi)信息與交通之間的聯(lián)系，使更多的信息參與到智能交通系統(tǒng)中。

1.2 道路設(shè)施監(jiān)測(cè)

除了上述的多種多樣的信息外，道路本身的設(shè)施或道路的附屬設(shè)施也會(huì)對(duì)交通體系產(chǎn)生影響，如變形或移位的井蓋、傾倒的桿體、失火的垃圾桶、磨損的標(biāo)志標(biāo)線(xiàn)等都會(huì)或大或小的影響交通體系的正常運(yùn)行。因此，為了補(bǔ)足智能交通領(lǐng)域中“智慧的路”的建設(shè)，需要交通管理者通過(guò)安裝智能檢測(cè)設(shè)備等手段，對(duì)道路設(shè)施進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，提高智慧道路運(yùn)行的穩(wěn)定性。

1.3 突發(fā)事件預(yù)警

無(wú)論是在交通體系內(nèi)或是在交通體系外，突發(fā)事件對(duì)交通的影響都是極大的。交通體系外的突發(fā)事件如需應(yīng)急救援車(chē)輛前往，需要在救援路徑上立即清讓出供應(yīng)急車(chē)輛行駛的“生命線(xiàn)”，路徑上的信號(hào)燈也要配合救援車(chē)輛的行進(jìn)進(jìn)行綠波調(diào)整；交通體系內(nèi)的突發(fā)事件如車(chē)禍或車(chē)輛故障，則會(huì)影響部分車(chē)道的通行。因此，為了補(bǔ)足智能交通領(lǐng)域中“智慧的路”的建設(shè)，還需將突發(fā)事件的檢測(cè)及處理與智慧道路建設(shè)相融合，提高發(fā)生意外事件時(shí)的通行效率，減少意外事件帶來(lái)的各項(xiàng)損失。

2 建設(shè)方案

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

智慧道路建設(shè)要圍繞“智慧之路、便民之路、未來(lái)之路”的目標(biāo)，通過(guò)外場(chǎng)感知、邊緣計(jì)算、支撐環(huán)境、應(yīng)用支撐和功能應(yīng)用五層業(yè)務(wù)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲(chǔ)、整合、應(yīng)用等功能，全面提升城市智慧道路的信息全面性和功能多樣性。系統(tǒng)架構(gòu)如圖 1 所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)分為 5 層業(yè)務(wù)，最底層的外場(chǎng)感知業(yè)務(wù)主要通過(guò)建設(shè)各種監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)外場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集；邊緣計(jì)算業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的處理與計(jì)算；支撐環(huán)境業(yè)務(wù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)與互聯(lián)；應(yīng)用支撐業(yè)務(wù)為實(shí)現(xiàn)具體功能提供技術(shù)底座；功能應(yīng)用業(yè)務(wù)則是直接為交通管理者與交通參與者提供服務(wù)。

2.2 外場(chǎng)感知

外場(chǎng)感知業(yè)務(wù)是通過(guò)監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)交通場(chǎng)景內(nèi)的各類(lèi)信息進(jìn)行采集，是整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ)，為其他各層業(yè)務(wù)提供數(shù)據(jù)支持。具體可分為智慧交通感知設(shè)備和智慧管養(yǎng)感知設(shè)備。

智慧交通類(lèi)監(jiān)測(cè)設(shè)備，如超低時(shí)延槍型攝像機(jī)、超低時(shí)延全景魚(yú)眼攝像機(jī)、微波雷達(dá)等設(shè)備，其作用是監(jiān)測(cè)車(chē)速、流量、密度、排隊(duì)長(zhǎng)度、信號(hào)周期等基礎(chǔ)交通信息，是整個(gè)智慧道路系統(tǒng)建設(shè)的基礎(chǔ)。因此，要求此類(lèi)設(shè)備覆蓋交通場(chǎng)景范圍內(nèi)全方位全時(shí)空，以保證邊緣計(jì)算、應(yīng)用支撐、功能應(yīng)用的準(zhǔn)確可靠。

2.3 邊緣計(jì)算

邊緣計(jì)算是指在靠近智能設(shè)備或數(shù)據(jù)源頭的一端，提供網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)、計(jì)算、應(yīng)用等能力，達(dá)到更快的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)響應(yīng)，更安全的本地?cái)?shù)據(jù)傳輸。

邊緣計(jì)算業(yè)務(wù)由布設(shè)在系統(tǒng)架構(gòu)邊緣節(jié)點(diǎn)處的車(chē)路協(xié)同 AI 邊緣計(jì)算單元和交管邊緣計(jì)算單元實(shí)現(xiàn)。計(jì)算單元支持高幀率、高分辨率視頻數(shù)據(jù)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理，設(shè)備可直接連接攝像頭、微波雷達(dá)等多種傳感設(shè)備，以及可變交通標(biāo)志、車(chē)道燈等多種交通控制設(shè)備，也可連接云控平臺(tái)獲取交通指令信息。計(jì)算單元也可實(shí)現(xiàn)信息編輯、信息優(yōu)先級(jí)設(shè)置，控制 V2X 通信機(jī)信息播發(fā)，同時(shí)可根據(jù)既定規(guī)則和傳感設(shè)備信息識(shí)別結(jié)果進(jìn)行交通設(shè)施控制。

與傳統(tǒng)的中心計(jì)算方式相比，邊緣計(jì)算可以在靠近數(shù)據(jù)采集端就對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，無(wú)須將大量的原始數(shù)據(jù)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的上傳到中心服務(wù)器統(tǒng)一處理，大大節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)占用和中心服務(wù)器的算力，同時(shí)也提高了數(shù)據(jù)的安全性與保密性。

2.4 功能應(yīng)用

功能應(yīng)用業(yè)務(wù)是直接服務(wù)于交通參與者和交通管理者的業(yè)務(wù)，可以將其看作是整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)果輸出。功能應(yīng)用可以分為智慧交通和智慧管養(yǎng)兩大類(lèi)，其中智慧交通功能又可具體可分為智能網(wǎng)聯(lián)、智慧交管、智慧路口等子功能。

2.5 智慧交通

2.5.1 智能網(wǎng)聯(lián)

智能網(wǎng)聯(lián)功能是智慧道路系統(tǒng)的基礎(chǔ)功能，是車(chē)路協(xié)同的根本。基于整個(gè)智慧道路系統(tǒng)對(duì)外場(chǎng)感知采集到的信息進(jìn)行加工處理分析計(jì)算后，利用路側(cè)通信設(shè)備通過(guò) C-V2X 通信技術(shù)與智慧網(wǎng)聯(lián)車(chē)輛進(jìn)行信息交互，面向 L2-L4 自動(dòng)駕駛等級(jí)的車(chē)輛時(shí)可實(shí)現(xiàn)如下功能。

（1）系統(tǒng)將路側(cè)限速信息發(fā)送給車(chē)輛，對(duì)駕駛員進(jìn)行提醒，或融入其駕駛決策系統(tǒng)，控制車(chē)輛速度在限速條件內(nèi)，達(dá)到限速預(yù)警的目的。

（2）系統(tǒng)將檢測(cè)到的路口各車(chē)道擁堵情況發(fā)送給車(chē)輛，輔助駕駛員或自動(dòng)駕駛車(chē)輛選擇車(chē)道，達(dá)到前方擁堵提醒的目的。

（3）系統(tǒng)將信號(hào)等檢測(cè)器讀取到的相位信息發(fā)送給車(chē)輛，通過(guò)車(chē)內(nèi)智能屏幕顯示紅路燈及倒計(jì)時(shí)，輔助駕駛員及車(chē)輛更準(zhǔn)確地獲得紅綠燈信息，實(shí)現(xiàn)車(chē)內(nèi)信號(hào)燈的功能。

（4）系統(tǒng)將檢測(cè)到的以及報(bào)警中心接收到的事故信息發(fā)送給車(chē)輛，通過(guò)車(chē)內(nèi)智能屏幕進(jìn)行預(yù)警，達(dá)到交通事故檢測(cè)預(yù)警的目的。

（5）系統(tǒng)將檢測(cè)到的車(chē)道上的突然闖入的行人發(fā)送給車(chē)輛，通過(guò)車(chē)內(nèi)智能屏幕進(jìn)行預(yù)警，輔助駕駛員或自動(dòng)駕駛車(chē)輛避讓?zhuān)_(dá)到道路行人檢測(cè)預(yù)警的目的。

2.5.2 智慧交管

智慧交管功能是智慧道路系統(tǒng)的骨架，設(shè)計(jì)目的是為了減少管理者工作量，保障道路交通安全，方便人民群眾出行。具體功能有如下幾個(gè)方面。

（1）基于視頻檢測(cè)器的抓拍、錄像功能，以及支撐環(huán)境提供的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)連接與存儲(chǔ)功能，實(shí)現(xiàn)道路交通的回放以及實(shí)時(shí)觀看。

（2）基于車(chē)牌定位、字符分割、ORC 光學(xué)字符識(shí)別、駕駛行為判別等技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)于違法行為的識(shí)別與證據(jù)留存；

（3）基于圖像及行為識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)交通流量統(tǒng)計(jì)、卡口過(guò)車(chē)記錄留存、信號(hào)燈筆畫(huà)缺失告警、異常停車(chē)行為驅(qū)離等基礎(chǔ)交通管理功能；

（4）基于 V2X、視頻 AI 識(shí)別精準(zhǔn)感知手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)公交車(chē)路實(shí)時(shí)位置、載客情況、運(yùn)行情況等信息的邊緣實(shí)時(shí)接入，以公交優(yōu)先通行為目標(biāo)進(jìn)行綠燈提前、綠燈延長(zhǎng)、綠燈插入等邊緣信號(hào)動(dòng)態(tài)干預(yù)，提高公交車(chē)的平均運(yùn)行速度、準(zhǔn)點(diǎn)率。同時(shí)還將在智能公交站臺(tái)實(shí)時(shí)顯示公交車(chē)預(yù)計(jì)到站時(shí)間、車(chē)內(nèi)載客情況、每站上下客統(tǒng)計(jì)情況等信息；

（5）基于同樣的技術(shù)手段，還可實(shí)現(xiàn)對(duì) VIP 車(chē)輛、救護(hù)車(chē)、消防車(chē)等特殊車(chē)輛的優(yōu)先通行保障，包括路徑的動(dòng)態(tài)規(guī)劃建議和邊緣的信號(hào)實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)，提高典型場(chǎng)景下特殊車(chē)輛的出行效率。

2.5.3 智慧路口

智慧路口功能是智慧道路系統(tǒng)的結(jié)晶，是基于路口全時(shí)空信息數(shù)據(jù)的路口綜合信息研判分析，可大致分為交叉口監(jiān)測(cè)和交叉口診斷優(yōu)化兩個(gè)方面。

交叉口監(jiān)測(cè)基于數(shù)字孿生平臺(tái)構(gòu)建的三維數(shù)字交通空間與二維交叉口平面圖，通過(guò)大數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)、邊緣計(jì)算等技術(shù)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析計(jì)算，得到交通系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)如流量、速度、排隊(duì)長(zhǎng)度、轉(zhuǎn)向比等，使其疊加到三維數(shù)字交通空間與二維交叉口平面圖上，方便交通管理者與交通參與者對(duì)當(dāng)前交通狀態(tài)快速了解。

交叉口診斷優(yōu)化則是從道路交通組織的角度，基于 CJJ 37—2016《城市道路工程設(shè)計(jì)規(guī)范》、CJJ 152—2010《城市道路交叉口設(shè)計(jì)規(guī)程》等規(guī)范規(guī)程，結(jié)合歷史事故及違章信息，以及交叉口交通狀態(tài)，對(duì)交叉口的安全性、合理性進(jìn)行判斷并給出符合規(guī)范規(guī)程的優(yōu)化建議。

3 結(jié)語(yǔ)

道路是交通的基礎(chǔ)，承載著人和車(chē)兩大交通要素，研究智慧道路建設(shè)方案是智能交通中最重要的一環(huán)。本方案通過(guò)外場(chǎng)感知、邊緣計(jì)算、支撐環(huán)境、應(yīng)用支撐、功能應(yīng)用五層業(yè)務(wù)來(lái)構(gòu)建智慧道路體系架構(gòu)，從多個(gè)角度為道路參與者與道路管理者提供數(shù)字化服務(wù)，打造智慧之路、便民之路、未來(lái)之路的建設(shè)目標(biāo)。

科技雖然在不斷的進(jìn)步，但如今的科技水平還十分有限，尚未能實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化的智能交通，智慧道路建設(shè)剛發(fā)展到為交通參與者與交通管理者提供信息服務(wù)的程度。但相信不久的將來(lái)，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、AI 技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，智慧道路不再是僅僅提供信息交互的被動(dòng)式智慧道路，而是可以實(shí)現(xiàn)交通群體協(xié)同決策與控制、交通個(gè)體全自動(dòng)化控制等功能的更高效、更安全、更便捷的主動(dòng)式未來(lái)之路。