基于邊緣計算的車路協同管控系統建設研究

邸 赫

(遼寧省交通規劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166)

車路協同系統是指采用先進的無線通信及互聯網技術,全方位實施車車、車路和人車動態實時信息交互,在全時空動態交通信息采集與融合的基礎上,進行車輛協同安全和道路主動控制,實現人、車、路有效協同,從而構建安全、高效和環保的道路交通系統[1]。

高速公路與城市低速區域是自動駕駛系統率先應用的兩個場景[2]。高速公路的車道標線、標志牌等結構化特征清晰,交通環境相對簡單,有利于實現特定區域內的車路協同和自動駕駛。

1 需求分析

2014年,交通部印發“四個交通”建設要求,智慧交通是核心內容之一。車路協同與自動駕駛技術是當前科學技術和產業發展的重要領域,也是智慧交通建設的重要內容。

近幾年來,自動駕駛汽車安全事故頻發,市場對自動駕駛汽車的可靠性、安全性、識別周圍物體的準確性要求越來越高。我國自主企業技術基礎尚比較薄弱,在傳感器感知、控制決策等方面仍然缺乏核心技術積累。雨、雪、霧、霾等天氣情況下,攝像頭捕捉圖像能力、雷達感應能力下降,可能導致無法做出準確判斷。

交通的高效、安全運行不能僅僅依靠提升車輛智能水平來完成,更應注重加強路側基礎設施的智能化水平。通過高速公路基礎設施智能化建設,集成傳感系統、通信系統和高精度數字地圖等模塊,使路側設施擁有先進的感知通信能力,通過車路間的信息交互向車輛發送重要信息,實現車路協同安全預警與控制,從而提高交通運行效率,減少能源消耗和交通安全事故,培育我國在車路協同與自動駕駛領域的技術優勢。

2 車路協同管控系統架構

由于高速公路行車速度較快,交通運行狀況瞬息萬變,對于突發事件,如未及時采取應對措施,極易引發事故,對公眾生命財產安全造成極大威脅。因此,車路協同系統必須針對高速公路交通運行中出現的影響正常運行的突發事件實現快速感知,并將報警信息快速傳遞到車輛端,再由車載智能系統或駕駛人員進行響應處理。

為滿足交通事件快速分析運算的需求,將云計算中心部分功能前置到外場本地,通過邊緣計算的方式,為影響安全運行的緊急事件提供快速計算服務,從而縮短系統反應時間。車路協同系統采用終端層、傳輸層、計算服務層、感知層四層架構實現。

(1)感知層:主要通過人工智能、機器視覺等技術快速感知路段內影響安全運行的突發事件信息。主要設備包括一體化云臺攝像機、跟蹤檢測雷達傳感器、高精度定位信息、高速公路沿線智能感知設備等。

(2)計算服務層:包括邊緣計算和子平臺計算兩部分。邊緣計算由邊緣計算設備和路側通信設備共同完成,負責接收并上傳感知設備交通事件信息,快速聯動控制可變信息標志與通信基站,發布報警信號,同時將云平臺的高精度地圖分發給過往車輛。平臺計算主要由云計算數據分中心完成,進行日常信息處理和復雜運算,并通過傳輸層向可變信息標志與車載通信設備OBU推送誘導信息。

(3)傳輸層:負責系統設備間數據傳輸,包括智能感知設備間、外場設施與云計算數據中心、基站與終端的聯網通信。傳輸層將光纖數字傳輸網、車地無線通信網、短程通信網(工業以太網交換機環網)和北斗高精定位網等網絡進行融合。

(4)終端層:負責接收系統處理數據,主要設備包括智能網聯車輛、車載終端OBU、可變信息標志等。

車路協同系統的各種附屬設施通過相互配合,協同工作,為裝有車載通信設備OBU 的車輛提供所需技術支持。路側端附屬設施均具備各自基本功能,在滿足傳統機電系統應用的過程中,還需與其他附屬設施建立網絡聯接,交換車路協同相關信息,協調統一地完成適應車路協同系統的全部工作。

3 車路協同管控系統應用場景

車路協同管控系統對高速公路全路段和特定區域安全風險進行全時空感知,通過邊緣計算分析識別安全風險,在合流區、施工區前后路段以及路面狀態不良和發生重大安全事件的情況下,為目標車輛精準推送預警信息,提前采取相應措施。同時,邊緣計算將感知信息進行分析,識別安全風險,并給出避免安全風險的智能控制決策。

高速公路全路段、合流區、分流區、彎道、上下坡道、事故多發地等區域是車路協同式安全預警與控制的主要應用場景。具體應用功能有:車輛近距離危險預警、后方車輛超車提醒、側方車輛碰撞提醒、前方車輛緊急制動提示、道路前方障礙物提醒、周邊緊急車輛提醒、前方事故預警、前方車輛故障提示、前方道路施工信息預警、極端天氣氣象預警、路段限速提醒等。

4 車路協同管控系統外場設備布設原則

車路協同外場設備主要包括毫米波雷達、固定攝像機、RSU、邊緣計算設備等。

(1)毫米波雷達:毫米波雷達與傳統視頻監控相比,穿透霧、煙、灰塵的能力強,不受光線及天氣條件影響,能夠實現全天候感知。毫米波雷達有全向雷達和定向雷達之分。全向雷達檢測區域覆蓋范圍約為1000m,雷達與雷達的檢測區域之間要有一定距離的重疊,以保證檢測精度。全向雷達按800m間距布設。定向雷達的檢測距離約為250m,定向雷達按200m間距布設。全向雷達檢測范圍廣,但價格較貴,且現階段設備廠家較少,建議采用定向毫米波雷達作為車路協同外場設備。

(2)固定攝像機:建議采用400萬像素固定攝像機,布設間距為200m。

(3)RSU:有效傳輸距離約為1000m,按不大于600m間距布設。

綜上,在車路協同路段,毫米波雷達、攝像機按200m間距雙側對稱布設,每600m雙側各設置一套RSU及邊緣計算設備,其中定向毫米波雷達、RSU及攝像機同桿設置。

5 車路協同管控系統傳輸網絡

5.1 車地無線通信網絡

根據當前技術發展現狀,5G-V2X技術相關技術標準尚未健全,主流設備廠家均無成熟的商用設備,建議選用LTE-V2X技術組建車地無線通信網絡。

車地無線通信系統作為傳輸層組成部分,需要對傳輸數據的真實性進行甄別,確保車路通信系統接入的各類數據的安全性,該部分功能由系統部署在前端的各類設備協同完成。車地無線通信系統的后臺為運行在后臺硬件資源上的車路通信管理平臺,該管理平臺集成各項系統監測運維基本功能軟件模塊,為車路通信系統正常運轉、升級和故障修復提供基礎服務。車路通信系統結構圖見圖1。

圖1 車路通信系統結構圖

LTE-V2X通信系統主要實現V2X通信需求,支持車輛和周圍道路車輛、道路設施、行人、網絡間的溝通。

LTE-V2X無線通信網絡由移動終端、地面無線接入節點和核心網絡三部分組成。

RSU通訊單元及邊緣計算節點通過工業以太網交換機上傳數據,連接至高速路段通信傳輸系統。

當車路協同車輛行駛通過路側通信設備RSU 時,車輛與路側通信設備RSU 進行通信,將車輛自身行駛狀態和運行狀態信息(如速度、位置等)傳送給路側通信設備,并通過路側通信設備和網絡傳送回邊緣計算設備。同時路側設備將從云計算數據中心、路側邊緣計算設備獲取的周邊環境信息、交通狀態信息、道路狀態信息、安全預警信息等通過PC5 鏈路廣播給周邊車輛。

路側通信設備RSU 接收區域內的精確定位參考信息和高清地圖數據,并通過PC5 鏈路廣播給周邊車輛,實現高精定位和高清地圖動態發布。

車載終端OBU 布設在車輛內部,與路側通信設備RSU 通過LTE-V 直連通信模式(PC5 模式)實現數據交互,也可通過C-V2X網絡廣播自身信息完成車與車間的通信。 結合車輛自身信息、高精度定位信息以及從RSU接收到的信息,對場景進行實時判斷,進而為駕駛員提供安全輔助提醒。

5.2 有線通信傳輸網絡

(1)前端設備至收費站傳輸網絡

考慮高速公路光纖資源豐富,底層傳輸網絡建議采用工業以太網交換機組環網的方式傳輸至就近站點,并與收費站匯聚交換機組成多個環形網絡,收費站匯聚交換機上端連接站內傳輸設備的光接口,進而傳輸數據至分中心管理平臺。

(2)收費站至上級管理平臺傳輸網絡

高速公路多建有路段通信傳輸系統,底層數據傳輸至就近收費站后,通過路段通信傳輸系統傳輸至上級管理平臺。

6 高精度定位及高精度地圖

高精度定位及高精地圖是車路協同的核心技術之一,精準的地圖對汽車定位、導航、控制及安全至關重要。

6.1 高精度定位系統

基于北斗衛星導航的地基增強系統,為裝有差分信號接收端的車輛和路側設施設備提供穩定可靠的高精度定位、授時服務,支撐車路協同應用落地。同時配合高精度數字地圖系統,能夠為高速公路上的車輛、人員和設備設施等提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務。考慮系統后期維護、造價等因素,建議北斗地基增強系統采用購買第三方服務的方式實現信號覆蓋。

針對交通運輸領域的典型應用場景,高精度定位可實現以下服務功能:

(1)支持高速公路車路協同服務

為具備車載終端的車輛提供全天候全場景的車道級定位服務,解決部分特殊場景中行車方向定位困難等問題,輔助車輛在高速公路場景下自主感知并安全行駛于指定車道。

(2)實現對營運車輛的實時監控和軌跡跟蹤

通過位置數據服務,實現精準、實時、靈活的全場景、全天候、無縫化的車輛、人員、設備等的運營調度管理,提高管理效率,降低監控維護人工成本,增加安全系數,減少安全事故。

(3)實現車路協同的監控與實時定位功能

為具備車載終端的車輛提供高精度定位解決方案,在定位精度、收斂時間、完好性、可靠性、連續性、一致性等關鍵技術指標上滿足車路協同需求,提供更完善的安全保障。

(4)支持車輛出行服務

在高精度定位的前提下實現出行服務精準化、精細化,包括提供出口換道預提示,提供附近服務區、加油站、充電樁等。

(5)支持車路協同安全保障服務

基于高精度定位系統,提供適配車端、路段以及各種物聯網終端的高精度定位及授時組合服務,在V2X 的交通安全、交通效率、信息服務等應用方向上供給全方位精準時空能力,實現相鄰車道預警、前方擁堵提示等。基于北斗的高精度定位系統可持續更新定位信息至高精度地圖系統,通過數據融合與位置解算,保證車輛定位精度,并為導航軟件提供一個統一的數據接口。

6.2 高精度地圖系統

高精度地圖與普通導航地圖的本質區別在于:普通導航地圖面向駕駛員使用,而高精度地圖面向車路協同車輛使用。車路協同車輛安裝高精度地圖或從云端分段獲取高精度地圖可以幫助車輛預知路面復雜信息,如坡度、曲率等,更好地規避車輛行駛過程中的潛在風險。

高精度數字地圖包含更多的圖層數量和道路數據,如路網數據、車道數據、安全輔助數據和道路交通設施數據等靜態數據,以及交通狀態數據、養護施工數據、交通事件數據、交通管制數據、氣象數據等動態數據,為車路協同的碰撞預警、合流區預警、前方突發事件等場景提供支撐和保障。

高精度數字地圖為車路協同系統用戶提供道路級和車道級引導服務,提供車輛在道路上的位置、車道位置、與其他車輛的橫縱向間距、與車道線的間距等,實現對車輛避碰、換道、跟車等情況的精準掌握。

高精度數字地圖的制作在高速公路土建工程完工、高精度定位系統建成后進行,其由專業的地圖制作單位完成。

通過高精度數字地圖可實現以下服務功能:

(1)為高速公路運營、管理提供基礎支撐平臺

利用高精度數字地圖,為高速公路的交通管理、公眾信息服務、基礎設施數字化等提供基礎支撐平臺,實現多元數據的深度融合和資源的統一展示,為運營管理提供支撐與可視化展示。

(2)支持高速公路車路協同服務

為具備智能終端的車輛提供高速公路全天候全場景的車道級定位服務,結合高精度數字地圖,實現車輛在高速公路場景下的自主感知和安全行駛。

(3)實現對營運車輛的實時監控和軌跡跟蹤

通過位置數據服務以及高精度數字地圖等技術方案,實現精準、實時、靈活的全場景、全天候、無縫化的車輛、人員、設備運營調度管理,提高管理效率,降低監控維護人工成本,增加安全系數,減少安全事故。

7 結語

車路協同管控系統是智慧高速建設的重要內容,通過基于邊緣計算的車路協同管控系統建設,能夠實現車路協同安全預警與控制,從而提高車輛的行駛安全性和交通運行效率,減少交通事故,構建我國在車路協同與自動駕駛領域的技術優勢,彌補自主知識產權方面的缺陷。