基于車路協(xié)同場景的智慧高速節(jié)能減排研究

宋勇

（廣東新粵交通投資有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

在當前信息時代下，汽車產(chǎn)業(yè)也向著智能化方向發(fā)展，智慧高速節(jié)能減排是推動高速公路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要舉措。此智能系統(tǒng)主要通過傳感器來監(jiān)測車輛的運行，但是這種系統(tǒng)無法應對復雜變化的道路交通環(huán)境和突發(fā)的交通狀況。而應用車路協(xié)同技術可以有效解決該問題，以更好地推動智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展，提高智慧高速應用水平，該技術也是未來智慧高速建設的主要發(fā)展趨勢。當前車路協(xié)同技術主要應用在路側單元設備中，通過車載終端的5G 服務單元為車輛通行提供高寬帶、低延時、超可靠的多媒體通信網(wǎng)絡服務，但是也會導致車輛的電能資源消耗過大。

在“十四五”規(guī)劃期間，政府在工作報告中明確提出了要應對全球氣候變化、實現(xiàn)綠色低碳發(fā)展作為主要目標，將降低能耗和節(jié)約資源、保護環(huán)境作為交通運輸行業(yè)的主要發(fā)展目標。這就需要從道路交通工程規(guī)劃、設計、施工建設、運行維護等幾個方面入手，積極踐行低碳、綠色、可持續(xù)發(fā)展的理念，加強工程建設管理，促使高速公路向著綠色、節(jié)能、低能耗的方向發(fā)展。

1 車路協(xié)同場景下的智能車路協(xié)同場景概述

智能車路協(xié)同場景是指在當前智慧交通網(wǎng)絡體系中構建的核心范疇，根據(jù)我國交通運輸部門提出的數(shù)字交通發(fā)展相關要求，需要推行公路互通樞紐節(jié)點為核心的交通感知網(wǎng)絡覆蓋，通過網(wǎng)絡技術等多層次、多領域、超時空地采集公路整體運行的全部數(shù)據(jù)信息。在處理全部數(shù)據(jù)信息后可以更好地指導車輛的運行，對車輛進行安全預警控制和道路管養(yǎng)，最終實現(xiàn)“人-車-路-云”的目標，同時需要根據(jù)具體情況及時調整參數(shù)，以此構建現(xiàn)代化的智能車路協(xié)同系統(tǒng)場景[1]。

在車路協(xié)同場景下的智能車路協(xié)同系統(tǒng)主要由車路協(xié)同技術發(fā)揮著支撐和核心作用，其技術原理如下所示：在智能路側感知節(jié)點下，通過無線通信技術獲取感知設備采集的車輛和道路數(shù)據(jù)信息，通過云協(xié)同演算和優(yōu)化等技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的共享，然后通過厘米地圖精準定位，創(chuàng)建真實模型，最終通過車路協(xié)同交通事件智能化平臺配合車路協(xié)同道路監(jiān)控設施的運行，以更好地把握道路的具體運行情況、交通事件預警播報、道路設備的感知信息等，并自動生成針對性的精準策略和方案，自動發(fā)布相關信息。當前的主流車路協(xié)同技術主要有蜂窩通信技術和DSRC 系統(tǒng)，其中DSRC 系統(tǒng)主要分為OBS 和RSU 兩個子層級，在這兩個子層級內可以在特定位置更好地獲取高速公路上的車路信息，實現(xiàn)雙向通信，確保在通信線路完整的基礎上最大限度地減少干擾因素的影響，更好地采集、傳輸數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)有機鏈接。該系統(tǒng)出現(xiàn)時間早、技術體系成熟，已經(jīng)被廣泛應用到電子停車收費系統(tǒng)匯總中，但是該系統(tǒng)還有一定缺點，比如頻譜利用率低下、通道存在競爭、硬件設施維護成本高、長距離網(wǎng)絡波動大等。

蜂窩通信技術是在原有通信技術的基礎上出現(xiàn)的，工作頻段較為集中，具體包括分布式和集中式兩種。分布式是以臨近通信服務為前提，獲取基礎的數(shù)據(jù)信息，具體包括位置、時間、速度和頻率等，可以為人們提供一種實時可靠、高敏感性、高密度的交互體驗式數(shù)據(jù)信息。集中式可以為人們提供一種實時敏感性的數(shù)據(jù)信息，需要通過中高端和預留端口進行，為司機自動駕駛提供信息數(shù)據(jù)服務[2]。

2 車路協(xié)同場景路側設備運行狀態(tài)分析

在高速公路車路協(xié)同場景設計的過程中需要根據(jù)管理現(xiàn)狀和建設要求，科學分析高速公路的線形特點（以往的車輛會從特定的入口進入高速公路中，在行駛一段時間后從特定的出口駛出），針對其運行的這種特點，需要在車路協(xié)同場景路側選擇覆蓋范圍廣的設備，并根據(jù)車輛的行駛距離科學設置設備，實現(xiàn)整個線路的全面覆蓋，為后期高速公路管理和車輛的運行等提供針對性的數(shù)據(jù)信息服務和技術應用服務。但是因為車輛移動速度快，單一通過一套路側設備，是無法全面覆蓋的，需要根據(jù)不同車輛提供不斷變化的車路協(xié)同服務，這就會對原覆蓋范圍內的車輛停止提供服務，對于一些沒有行駛到覆蓋范圍的車輛也不會提供服務。針對此問題，可以通過引入節(jié)能減排技術來解決，確保路側設備可以自動停止、自動調整、自動運行。可通過安裝的傳感器自動識別是否有車輛通過，如果沒有，可以自動切換到低功率運行模式，在這種運行模式下主要有兩種運行狀態(tài)：第一，休眠狀態(tài)。如果路側設備覆蓋范圍內沒有任何車輛通過，則路側設備會自動切換到低功能運行狀態(tài)，以此減低能耗、降低成本、節(jié)約能源。第二，正常運行狀態(tài)，如果路側設備覆蓋范圍內有車輛通過，則路側設備會切換為正常功率，以確保為不同的車輛提供針對性的車路協(xié)同服務，此時功耗最高。比如，在某一條高速公路單向行駛的方向上，可在連續(xù)無縫式路段處設置多套路側設備，并明確每套路側設備的覆蓋范圍。對車輛行駛的方向和沒有進入覆蓋范圍內的車輛都進行計算，遵循節(jié)能降耗的理念；對已經(jīng)行駛進入覆蓋范圍內的車輛和沒有行駛在覆蓋范圍內的車輛都進行計算，得出不同運行時段的功耗情況，并在設備識別車輛后自動切換狀態(tài)，以此節(jié)約能耗[3]。

3 路側設備數(shù)據(jù)共享與協(xié)同系統(tǒng)架構建設

在具體構建路側設備數(shù)據(jù)共享與協(xié)同系統(tǒng)架構時，需要根據(jù)節(jié)能降耗的方法，統(tǒng)一調配全路段的網(wǎng)車路協(xié)同設備，并通過前端傳感器的精準感知和數(shù)據(jù)通信共享，創(chuàng)建一整套車輛行駛軌跡的預測和感知識別修正模型，最大限度地感知車輛的運行方向、速度、位置后，通過系統(tǒng)終端和其他設備數(shù)據(jù)信息共享，準確把握車輛的行駛軌跡，從而統(tǒng)一調配全路網(wǎng)車路協(xié)同設備的運行狀態(tài)。在高速公路車路協(xié)同、場景數(shù)據(jù)信息共享和協(xié)同系統(tǒng)架構下，分別設置有激光雷達、無線基站等數(shù)據(jù)信息采集層、傳輸層和基礎支撐層等設施設備，通過數(shù)據(jù)信息采集、數(shù)據(jù)信息交換、數(shù)據(jù)自動處理、數(shù)據(jù)信息共享和傳輸?shù)牟煌K，更好地協(xié)同處理車輛的運行過程，確保車路協(xié)同場景可以正常運轉，并創(chuàng)建大數(shù)據(jù)應用分析模型和數(shù)據(jù)庫，為高速公路的現(xiàn)代化發(fā)展提供依據(jù)。具體的車路協(xié)同場景數(shù)據(jù)共享和協(xié)同系統(tǒng)架構具體如圖1 所示。

圖1 車路協(xié)同場景數(shù)據(jù)共享和協(xié)同系統(tǒng)架構

3.1 布設路側智能設備

根據(jù)現(xiàn)有的路側設備的智能屬性進行分類，具體包括：第一，智能基礎設施。比如通信信號燈、可預測信息發(fā)布系統(tǒng)。第二，智能傳感設備、激光雷達、毫米波雷達、高清識別系統(tǒng)、風光煙霧傳感器。第三，通信基站。比如，芯片和模型、邊緣計算等。通過交通運輸部門的車路協(xié)同試驗結果可以發(fā)現(xiàn)，如果運行距離大于特定距離，則會出現(xiàn)通信延遲的情況，數(shù)據(jù)信息獲取失敗。如果運行距離處于標準范圍，則場強信號平均數(shù)值符合要求，則獲得的數(shù)據(jù)丟包率和通信延遲符合預期標準。

3.2 創(chuàng)建通信傳統(tǒng)平臺

對現(xiàn)有的ETC 門架系統(tǒng)RSU 進行升級、改進、優(yōu)化，將其作為車路協(xié)同系統(tǒng)基礎層通信網(wǎng)絡的連接點，然后通過協(xié)議和終端的開放處理，將感知層設備進行組網(wǎng)連接，并將現(xiàn)有的門架—收費站—省中心三級公路環(huán)網(wǎng)進行連接，作為車路協(xié)同系統(tǒng)的通信鏈路。在現(xiàn)有ETC 門架系統(tǒng)沒有覆蓋的范圍，比如互通樞紐、橋隧、服務區(qū)等，采用蜂窩通信技術提供大寬帶、低延時、高效率、多頻譜的車路協(xié)同基礎層通信系統(tǒng)。

3.3 創(chuàng)建車路協(xié)同系統(tǒng)云控平臺

云控平臺是車路協(xié)同系統(tǒng)的中樞神經(jīng)網(wǎng)絡，根據(jù)我國5G 車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展要求，在構建云控平臺時需要設置車路協(xié)同業(yè)務服務模塊和機電設備維護管理模塊、云邊協(xié)同開發(fā)和推進模塊等，且在云控平臺上也可以設置數(shù)據(jù)存儲、大數(shù)據(jù)分析與計算、信息回傳、信息安全等服務機制。總之，人們在具體構建時需要根據(jù)高速公路通信鏈路特點，構建終端-邊緣計算節(jié)點、區(qū)域云物理架構等，在終端-邊緣計算節(jié)點需要根據(jù)數(shù)據(jù)信息共享和融合要求，在道路兩側布置ETC 門架服務器、移動通信基站，其優(yōu)勢包括：就近處理數(shù)據(jù)的產(chǎn)生和轉化、傳輸，降低終端響應延長率，節(jié)約時間；降低寬帶運行成本，減輕云端壓力，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的集中配置；在網(wǎng)絡異常波動的情況下需要在不影響終端間實時數(shù)據(jù)交互的基礎上，在通信正常時更好地將本地存儲的數(shù)據(jù)信息傳送到云控平臺中[4]。

4 路側設備降耗計算與分析

人們在具體計算路側設備對于進入覆蓋范圍內行駛車輛的未來休眠時間長度和工作時間長度、休眠時間段和工作時間段時，操作如下：

第一，在某一段高速公路中設置多臺路側設備，在明確這些路側設備的總體覆蓋范圍長度后，需要考慮如何實現(xiàn)全部車輛的協(xié)同服務無縫覆蓋后，根據(jù)高速公路路段總長精準計算路側設備的覆蓋范圍長度。

第二，對于某一輛已經(jīng)行駛進入路側設備覆蓋范圍內的車輛，可以通過采集層采集車輛的運行速度和位置等相關數(shù)據(jù)信息，再將數(shù)據(jù)信息錄入路側設備后臺系統(tǒng)中，確保和其他路側設備之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的共享。后創(chuàng)建高速公路行駛軌跡的模型，并與路側設備之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的共享、協(xié)同，最終根據(jù)具體的行駛情況及時糾正軌跡，在此過程中也需要精準計算路側設備對于進入覆蓋范圍內行駛車輛的未來休眠時間長度和工作時間長度、休眠時間段和工作時間段。

第三，對最終的計算結果進行分析。處于同一時間段的路側設備在為多個車輛提供服務時，若每一輛車的行駛速度不同、地理位置不同，則路側設備預測為休眠時間段和工作時間段也是不同的，具體表現(xiàn)在以下兩個方面：在某一個特定的時刻，如果有2 輛車已經(jīng)進入路側設備的覆蓋范圍內，則可以通過坐標軸計算時間和位置，識別不同車輛進入覆蓋范圍內的行駛軌跡。如果發(fā)現(xiàn)在某一個時間節(jié)點處的服務車輛數(shù)量大于2，則計算的車輛預測休眠時間段和工作時間段是重復的。在某一個特定的時間段，如果有1 輛車進入路測設備的覆蓋范圍內，此時服務的車輛數(shù)量為1 輛，則車輛的預測工作時間段是獨立的。通過分析和計算以上不同路側設備的總預測休眠時間段和總工作時間段，可以發(fā)現(xiàn)不同路側設備測量的預測時間段有一定的交集，最終根據(jù)以上這些時間的計算可以進一步計算出單元路側設備的運行狀態(tài)和功能，具體如下所示：

如果路側設備處于休眠時間段，此時會切換成休眠低功率狀態(tài)，則可以確定最低功率的時間段；如果路側設備處于工作時間段，若切換成正常功能狀態(tài)，則可以確定正常消耗功率的時間段，通過以上方法可以計算出此時高速公路協(xié)同設備的總功耗數(shù)值。總之，在節(jié)能降耗的理念下對車輛協(xié)同場景路側設備下的車輛能耗進行計算發(fā)現(xiàn)，相比傳統(tǒng)的功耗數(shù)值，這種方法可以更好地調節(jié)和改善路側設備的運行狀態(tài)，有效實現(xiàn)節(jié)能降耗的目標。

5 結語

總之，為了更好地推動智能交通運輸行業(yè)的健康發(fā)展，打造智能交通網(wǎng)絡體系，就需要引入節(jié)能降耗的思想理念，需要設計一種服務于高速公路車輛的車路協(xié)同場景的路側設備，以便更好地監(jiān)測和控制車輛在運行過程中的行程軌跡和功耗。通過路側設備后臺的調節(jié)和控制，降低能耗，最終實現(xiàn)高速公路車路協(xié)同場景服務的高效率、高質量運行。