基于車路協同技術的超高速公路虛擬軌道系統研究

關鍵詞： 公路運輸；超高速公路；車路協同；虛擬軌道；定位系統

中圖分類號： U 495 文獻標識碼： A DOI： 10.3969/j.issn.1674-8484.2024.03.016

1951 年版《公路工程設計準則（ 草案）》首次規定我國公路最高設計車速為120 km / h，并沿用至今[1]。歐美發達國家高速公路最高限速大多超過120 km / h，德國大部分高速公路甚至不設限速[2]。2016 年，研究團隊首次提出了超高速公路的概念，即車速超過120 km/h的高速公路[3]。隨后對超高速公路的可行性、必要性[4]、安全性[5]、經濟性[6] 進行了多次論證，結果表明安全性是超高速公路面臨的最大問題。

超高速公路概念的提出受到業內廣泛關注。裘連毅[7] 研究了超高速公路曲線型超高橫斷面的設計方法。劉展行[8] 提出了超高速公路詳細的設計方案以及需要解決的主要技術難題。趙酉超等[9] 研究了超高速公路的理論通行能力。張明凱等[10] 建立了“超級”高速公路的車路協同方案。陳芬菲等[11] 為超高速公路未來發展提出建議。梁天霄等[12] 設計了八車道高速公路客車專用車道。張煥炯[13] 研究了“超級高速公路”的關鍵性支撐技術。林耳東[14] 建立了超高速公路跟馳最小安全距離模型。張航等[15] 等提出了圓曲線半徑的可靠度功能函數。

車路協同系統采用無線通信和互聯網等技術，全方位實施車車、車路動態實時信息交互。車路協同技術的出現，為智能網聯汽車的研究提供了新的方向[16]，也為智能交通系統提供了研究方向[17]。車路協同技術不僅要從道路的角度考慮問題，還需要“聰明的車”參與，才可以使車輛更加安全而且智能，才能夠為超高速公路提供安全保障[18]。

為提高超高速公路行駛安全性，本研究團隊建立了基于智能路鈕的超高速公路虛擬軌道系統[19] 和基于高精地圖的超高速公路虛擬軌道系統[20]，并建立了基于車路協同的超高速公路虛擬軌道系統車輛坐標轉換模型[21]。本文基于車路協同技術，進一步完善超高速公路虛擬軌道系統，利用車載單元和路側單元實時通訊技術將車輛限制在虛擬軌道內行駛，以期最大限度地保證車輛安全。

1 智能車輛的選擇

根據目前美國汽車工程師學會（Society of AutomotiveEngineers，SAE） 分級的方法，可將自動駕駛車輛分為L0、L1、L2、L3、L4、L5 這6 個級別，級別越高代表自動駕駛的質量越高。

根據SAE 的分級方法，L3 以下的為高級輔助自動駕駛，L3 及其以上的屬于自動駕駛范疇，L3 也被認為是輔助駕駛和自動駕駛的分水嶺。在L3 及以上等級中，將會由車輛完成絕大部分操作，駕駛員只是輔助車輛行駛。在L3 中，駕駛員在車輛自動駕駛時也需要保持一定的注意力，以防出現緊急情況以便于及時接管車輛。在L5 中，駕駛員無需保持注意力，任由車輛自動駕駛并且感知、決策、控制和執行一系列操作。

自動駕駛車輛依據安裝在智能車輛上傳感器位置及數量的不同，可以分為1R、1V、1R1V、3R1V、5R1V、6R1V、5R1V+1D、5R6V+1D（或5R7V+1D）等多個種類，其中R指radar（雷達），V指video camera（攝像頭），D代指domain control（域控制器）。

本研究中使用的自動駕駛車輛為5R6V+1D（ 或5R7V+1D），并在此基礎上增添了多個攝像頭：車身前端和前風擋側放置2～3 個攝像頭，分別為廣角探測攝像頭和窄角探測攝像頭。廣角探測攝像頭探測距離較小但探測角度、范圍大，窄角探測攝像頭探測距離遠但探測角度、范圍較小。車身周圍放置2 個向前探測攝像頭和2 個向后探測攝像頭。此種車輛使用檢測范圍更廣、安全系數更高、傳輸效率更快。

2 車輛橫向偏轉安全角度確定

2.1 車輛橫向偏轉角度閾值設定

根據GB/T 26773-2011 并結合實際情況，車道寬度取4.0 m，無警戒區域范圍設為2.4 m，最早偏離警戒線與警告閾值的距離為0.4 m，警告閾值與車道邊界的距離為0.4 m，車道邊界與車道外側最晚偏離警戒線的距離為0.3 m。當車身右前側與右側最早偏離警戒線接觸，車身左后側正好與左側最早偏離警戒線相交時，認為車輛開始向右偏離，此時的偏轉角度為最小偏轉角度閾值。當車輛位于此處，并且滿足警告條件沒有控制請求的時候，將會發出車道偏離警告，如圖1和圖2所示。

當車身右前側與右側警告閾值線相交，車身左后側恰好與左側最早偏離警戒線相交，認為此時開始發出車道偏離警告，此時偏轉角度為中等偏轉角度閾值。車輛位于此處時，會發出車道偏離警告，此處為駕駛員和車輛雙重控制區域，如圖3所示。

當車身右前側與右側最晚偏離警戒線相交時，車身左后側正好與左側最早偏離警戒線相交，認為是車道偏離最晚位置，此時的偏轉角度為最大偏轉角度閾值。當車輛位于此處時，會發出車道偏離警告，此處為車輛單獨控制區域，如圖4所示。

當車身右前側分別與右側最早偏離警戒線、警告閾值線、最晚偏離警戒線相交時，車輛左后側正好與左側最早偏離警戒線相交，此時車輛偏轉角度分別為最小偏轉角度、中等偏轉角度、最大偏轉角度，具體計算模型如圖5所示。

根據圖5 所示，車輛偏轉角度理論值計算式如式（1）所示。

其中： θ 為車輛偏轉角度理論值； l 為車身長度； w 為車身寬度； d 為右側偏離交點與左側警戒線的垂直距離。

根據《公路工程技術標準》（JTGB01-2014），小型客車的車身寬度為1.8～2.2 m，按照小型兩廂、小型三廂、中型、中大型、大型分類，可分為3.6～4.0、4.1～4.4、4.3～4.7、4.6～4.9、4.8～5.2 m，范圍取值為3.6～5.2 m。由圖2—圖5 并結合式（1） 可以得出車輛最小、中等、最大偏轉角度閾值，如表2所示。

如表2所示，當車輛在超高速公路上行駛，超高速公路車道寬度為4.0 m，車身長度和寬度分別為3.6 m 和1.8m 時，車輛最小偏轉角度閾值為10.04°，中等偏轉角度閾值為18.52°，最大偏轉角度閾值為33.85° ；車身長度、寬度為3.6 m 和2.2 m 時， 車輛最小偏轉角度閾值為3.24°，中等偏轉角度閾值為11.07°，最大偏轉角度閾值為24.63° ；當車身長度、寬度為5.2 m 和1.8 m 時，車輛最小偏轉角度閾值為6.77°，中等偏轉角度閾值為12.10°，最大偏轉角度閾值為20.41° ；當車身長度、寬度為5.2 m 和2.2 m 時，車輛最小偏轉角度閾值為2.22°，中等偏轉角度閾值為7.38°，最大偏轉角度閾值為15.38°。

2.2 基于超高速公路的虛擬軌道系統模型構建

將自動駕駛車輛通過車路協同技術放置在超高速公路上進行行駛，建立基于車路協同技術的超高速公路虛擬軌道系統對目標進行研究分析。該系統由路側單元、車輛、虛擬軌道（ 默認為黃色區域）、車身中心線等部分組成。路側單元主要由微波測距儀構成，車道中心區域指車身中心線處于車道中的安全區域。各部分組成如圖5 和圖6 所示。

根據表5 結合式（16） 可得出在車道寬度為3.75 m 時，不同車速所對應的傳感器的安裝費用估算如表6 所示。

同理，取車道寬度為4.00 m，x 為1.00 m，c 為22.86 m，b 為19.226 m，代入式，可得：

AB = 4.27 + tv. （17）

根據表5 結合式（17） 可得出不同車速所對應的傳感器的安裝費用估算如表7 所示。

傳感器與車輛的距離a、b、c、d 隨著車輛的前進而發生變化，均可由傳感器測得。由表6 和表7 可知，當車輛行駛速度一致時，傳感器的采樣頻率與車道寬度無關，與車身長度、寬度有關；當車輛的行駛速度一致時，傳感器的安裝距離受車輛行駛速度的影響較小，受車道寬度的影響較大。當車道寬度為4.00 m，行駛速度為180 km/h 時，傳感器的安裝間距為6.87 m，費用為116.37 萬元/ km；當車道寬度為3.75 m，行駛速度為180km/h 時，傳感器的安裝間距為6.62 m，費用為120.79 萬元/ km。

4 結論

本文通過對行駛在超高速公路上的自動駕駛車輛以感知范圍進行分類研究，選擇檢測范圍更廣、安全系數更高的5R6V + 1D 自動駕駛車輛作為實驗類型，結合車道偏離預警區域和虛擬軌道安全區域，計算出不同類型車輛橫向偏轉最大安全角度，并建立了基于車路協同技術的超高速公路虛擬軌道系統。研究結果如下：

1） 根據車輛動態坐標，結合虛擬軌道單側安全區域，計算車輛橫向偏移距離和橫向偏轉最大安全角度，車輛橫向偏轉的最大安全角度按照小型兩廂車、小型三廂車、中型車、中大型車、大型車可分為1.43° ～ 1.59°、1.30° ～ 1.40°、1.22° ～ 1.33°、1.17° ～ 1.25°、1.10° ～ 1.20°。

2） 通過分析車輛橫向偏移的最大安全偏轉角度，研究車輛在超高速公路上行駛時的路側傳感器的采樣頻率。當車輛行駛速度一致時，傳感器的采樣頻率與車道寬度無關，與車身長度、寬度有關。當虛擬軌道單側安全區域為10 cm 時，采樣頻率最大可達到180 km / h 所對應的27.72 Hz。

3） 在基于車路協同技術的超高速公路虛擬軌道系統的定位系統和路側傳感器檢測系統的基礎上，研究了微波測距模塊安裝間距隨車速變化的情況。當車輛的行駛速度一致時，傳感器的安裝距離受車輛行駛速度的影響較小，受車道寬度的影響較大。在虛擬軌道單側安全區域為10 cm，當車道寬度為4.00 m，行駛速度為180 km / h 時，傳感器的安裝間距范圍為6.07～6.87 m。

目前國內外對超高速公路研究的文獻并不多，參考資料也屈指可數。相對而言，車路協同技術發展得更加迅速，本文只是針對相關問題進行理論性的研究分析。后續將通過仿真模擬分析和實例進行進一步的驗證研究，為超高速公路的研究提供更多理論支撐和技術支持。