5分鐘成為車聯網專家｜智慧高速如何破局實現車聯網最先商用落地

阿新 • • 發佈：2020-10-10

5G智慧網聯廣泛應用於自動駕駛、智慧交通和智慧城市領域，高速公路是交通的典型場景之一，探索了5G智慧網聯在高速公路場景下的技術、方案和應用。通過構建“感知、通訊、計算”3方面技術能力，提出了高速公路5G智慧網聯方案。最後介紹了典型的5G智慧網聯應用：高速公路物流應用和高速公路治堵。

原標題：《高速公路5G智慧網聯技術、方案和應用》

作者：吳冬升, 王**, 金偉, 李鳳娜

全文5700字，預計閱讀15分鐘

1 引言

智慧網聯（車聯網）是汽車產業、電子產業、資訊產業、交通產業、網際網路產業等多產業融合匯聚點。隨著與智慧網聯相關標準的成熟，智慧網聯產業化程序也在加速，尤其是應用在城市場景和城際場景。其中高速公路相對於城區複雜道路狀況，交通環境相對比較封閉和簡單，是優先應用智慧網聯技術和方案的典型場景之一。

近年來國家陸續出臺相關政策，推動智慧網聯產業發展，其中包括著力打造智慧高速公路。智慧高速公路將通過5G智慧網聯、北斗、物聯網、雲端計算、大資料等技術，逐步建立完善的基礎設施監測體系、智慧化的路網執行感知體系、可靠的通訊資源保障體系、實時的預報預警體系、高效的應急保障體系和便捷完備的出行服務體系。

2018年2月，交通運輸部辦公廳釋出《關於加快推進新一代國家交通控制網和智慧公路試點的通知》，覆蓋北京、河北、吉林、江蘇、浙江、福建、江西、河南、廣東。其中路運一體化車路協同方向，選取有代表性的高速公路以及北京冬奧會、雄安新區專案，開展車路資訊互動、風險監測及預警、交通流監測分析等。2019年9月，中共中央、國務院印發的《交通強國建設綱要》中提到加強智慧網聯汽車（智慧汽車、自動駕駛、車路協同）研發，形成自主可控完整的產業鏈。2020年2月，中華人民共和國國家發展和改革委員會等11個部委聯合印發《智慧汽車創新發展戰略》，提出到 2025 年，車用無線通訊網路（LTE-V2X 等）實現區域覆蓋，新一代車用無線通訊網路（5G-V2X）在部分城市高速公路逐步開展應用，高精度時空基準服務網路實現全覆蓋。

高速公路存在執行狀態感知控制手段單一、資料融合效果不佳的挑戰，隨著2019年中國進入5G商用元年，在LTE-V2X技術基礎上，如何開展 5G 蜂窩網路（Uu 介面）業務探索以及驗證5G-V2X技術，成為高速公路智慧網聯的一個重要研究方向。同時，高速公路對安全、效率有非常高的要求，這也對車路協同提出了更高要求，如何利用智慧網聯的智慧化、網聯化手段來提升高速公路出行安全性和優化交通出行效率，提升車路協同服務體驗，強化管理者與出行者互動水平，成為亟待解決的問題。高速公路智慧網聯應用除了能帶來社會效益外，如何能產生經濟效益，也是非常重要的研究方向。本文將從技術、方案和應用3個維度探討5G智慧網聯在高速公路部署的趨勢。

2 高速公路5G智慧網聯技術探索

2.1 標準趨勢

C-V2X標準工作始於2015年，3GPP各工作組主要從業務需求、系統架構、安全研究和空口技術4個方面開展工作。3GPP C-V2X標準化工作分為3個階段，如圖1所示。

· 第1階段基於LTE技術滿足LTE-V2X基本業務需求，對應LTE Release 14版本，包含 LTE-D2D（點對點）的 PC5 介面和LTE蜂窩網的Uu介面，其中車與車（V2V）通訊、車與路邊基礎設施（V2I）通訊、車與人（V2P）通訊均通過 PC5 模式，工作在5 905～5 925 MHz專用頻段；車與網路/雲（V2N/V2C）通訊通過Uu模式，工作在運營商蜂窩網路頻段。

· 第2階段基於LTE技術滿足部分5G-V2X增強業務需求（LTE-eV2X），對應 LTE Release 15版本。

圖1C-V2X標準演進路線

· 第3階段基於5G-NR（5G新空口）技術實現全部或大部分 5G-V2X 增強業務需求，對應5G-NR Release 16、Release 17版本。

3GPP LTE-V2X定義了27種業務場景（3GPP TR22.885），主要實現輔助駕駛功能，包括主動安全（例如碰撞預警、緊急剎車等）、交通效率（例如車速引導）、資訊服務等方面。

3GPP 5G-V2X定義了25種業務場景（3GPP TR22.886），主要實現自動駕駛功能，包括車輛編隊、高階駕駛、擴充套件感測器、遠端駕駛四大類功能。

中國已基本完成與LTE-V2X相關的接入層、網路層、訊息層和安全等核心技術標準，標準體系初步形成。汽車標準委員會 T/CSAE 53-2017 DAY-I定義了17種典型車聯網業務標準，其中包括12種安全類業務、4類效率類業務、1類近場支付資訊服務業務。將要釋出的DAY-Ⅱ定義了13種車聯網業務標準，其中包括自動駕駛類的車輛編隊場景等。

隨著標準的逐步完善，在高速公路場景下，智慧網聯汽車業務將呈現出一種組合模式，即“基於LTE-V2X安全類和區域性效率類業務+5G Uu大頻寬資訊娛樂類業務和全域性效率類業務+5G NR-V2X自動駕駛類業務組合模式”。

2.2 技術能力

智慧公路 5G 智慧網聯需要統籌考慮構建智慧基礎設施體系、資訊保安管理體系、應急管理體系、運營管理和決策分析體系。5G 智慧網聯需要實現“感知、通訊、計算”三大核心技術能力。這三大能力分佈在車端、路端和雲端，如圖2所示。

感知層面包括車端多感測器融合感知和路端全域感知。車端多感測器融合感知主要包括攝像頭、毫米波雷達、鐳射雷達、超聲波雷達、汽車電子標識、ETC等裝置；路端全域感知除了攝像頭、毫米波雷達、鐳射雷達、超聲波雷達、汽車電子標識、ETC、各類環境感測器等感知裝置外，還包括交通訊號機、交通誘導屏、標誌牌等智慧交通設施。

圖2高速公路智慧網聯絡統架構

通訊層面包括4G公網、5G公網、有線光纖網路，尤其是隨著5G網路商用化程序的加速，5G網路部署逐步完善；C-V2X專網，其中包括已經具備商用能力的LTE-V2X網路和隨著標準完善，將開展技術驗證的5G NR-V2X網路；物聯網路，既包括廣域低功耗的NB-IoT和LoRa，也包括各類 RFID 天線裝置；除此之外，還包括高精度定位基準站。

計算層面包括車載計算單元、路側邊緣計算單元、雲端計算單元，分別部署在車輛、路側/區域機房、資料中心。3個層面的計算能力需要進行有效協同，共同支撐5G智慧網聯所需的計算資源。

3 高速公路5G智慧網聯方案

高速公路5G智慧網聯典型方案包括面向C/B端和麵向G端的不同型別場景，如圖3所示。其中面向C/B端，針對智慧網聯汽車（前裝及後裝網聯車輛）和普通車輛（手機App），可以提供主動安全類、提升效率類場景方案。

主動安全類場景具體包括前方隧道提醒、隧道內情況提醒、車道匯合碰撞預警、道路施工區域提醒、緊急停車帶位置提醒、危險品運輸車輛提醒、特殊車輛提醒、異常天氣提醒、限速提醒、車輛超速提醒、道路危險狀況提示、變道預警、前向碰撞預警、擁堵提醒、團霧檢測、道路結冰檢測與預警、落石/拋灑物檢測與預警、行人與動物闖入檢測、能見度檢測與預警、動態可行駛區域檢測、護欄間距提醒、異常故障車輛預警、司機狀態評測與預警、超視距視訊感知、緊急制動預警、違章車輛預警、可變限速控制、動態誘導及繞行、臨時路肩使用等。

提升效率類場景具體包括貨車編隊行駛、施工路段交通組織、匝道智慧管控、應急車道臨時借用、連續式港灣停車帶等。

面向G端場景具體包括應急救援、服務區資訊服務、區間測速、視訊監控、嫌疑車輛追蹤、違章車輛上報、交通事件上報等。

高速公路 5G 智慧網聯部署方案重點考慮高速公路拐彎變道、高架橋、隧道、收費站、服務區等重點區域。其中直道採用毫米波雷達，匝道或隧道口採用鐳射雷達。RSU在道路兩側交錯分佈，雷達、攝像頭等裝置成對分佈。龍門架、燈杆、測速杆等位置可利舊。

圖3高速公路車路協同場景示例

以高速公路自動駕駛難度最大的隧道場景為例。當前隧道監控手段主要為攝像頭方式，但有近 10%的事故誤報率，主要原因是隧道內光線不強。通過鐳射雷達、高精度地圖、攝像頭結合，可以實現對隧道車況實時監控，迅速探測到事故並顯示在指揮中心，供指揮中心排程。隧道內定位除了鐳射雷達外，還可以採用“RTK+IMU+UWB”融合定位方案，實現連續可靠的隧道內外高精度定位。

4 高速公路5G智慧網聯應用

高速公路5G智慧網聯通過眾多安全類、效率類、管理類場景組合，可以形成多種應用。典型的應用包括高速公路物流應用、高速公路治堵應用等。

4.1 高速公路物流應用

高速公路 5G 智慧網聯可實現物流卡車的車道級定位、控制和誘導。利用北斗定位和V2X路側單元獲取車輛定位資訊，判斷物流卡車駕駛行為，通過路側單元向車輛傳送誘導控制命令以及事故多發路段實時訊息等。同時，高速公路5G智慧網聯可實現物流卡車的編隊行駛。例如車輛編隊的過程管理和資料通訊，包括建立車隊、加入車隊、編隊巡航、離開車隊、解散車隊等狀態的切換。

如果按照卡車1 m車距的編隊要求，在時速80 km/h的情況下，車輛處理時間需要10 ms，制動感應需要30 ms，那麼網路時延必須小於5 ms，即（5 ms+10 ms+30 ms）×80 km/h=1 m，如圖4所示。

圖4編隊行駛場景時延要求

編隊行駛能減少運輸企業對於司機的需求，降低人力成本以及降低駕駛員的勞動強度。另外，編隊行駛中的後車可以減少風阻，降低車輛油耗。荷蘭研究機構TNO研究報告指出，卡車編隊行駛之後，後車大約可降低 10%～15%的燃油消耗，以100 km油耗35 L、油價6元/L、每年行駛200 000 km計算，油耗降低10%一年可節省4.2萬元。

在編隊行駛狀態下，後車能瞬間跟隨頭車指令，降低車輛安全事故。此外，編隊行駛讓卡車以較小的間隙距離行駛，可以釋放更多車道給其他車輛通行，提高高速公路吞吐量，顯著改善交通擁堵並提升運輸效率，進一步緩解交通壓力。

4.2 高速公路治堵應用

高速公路擁堵是高速公路面臨的艱鉅挑戰之一。高速公路擁堵通常包括常態擁堵和突發擁堵兩類。常態擁堵例如高峰時段大車流擁堵、高速出入口擁堵、節假日擁堵、服務區擁堵等；突發擁堵例如交通事故、施工佔道、路面異物、天氣環境、慢速車輛導致擁堵發生。

利用 5G 智慧網聯手段治理擁堵需要經過擁堵監測、擁堵研判、擁堵消除等階段。其中擁堵監測手段主要通過“雷達+視訊”融合方式，並通過MEC裝置在前端處理和判斷。擁堵監測內容包括車輛監測、異常事件監測、道路狀況監測和天氣狀況監測。其中車輛監測包括車速、車輛型別、車道密度、車流量、排隊長度等；異常事件監測包括交通事故、施工佔道、非法停車等；道路狀況監測包括路面異物、路面積水、路面破損等；天氣狀況監測包括雪天、雨天、霧天等。

擁堵研判主要基於交通態勢進行分析研判，包括車流分析、路徑對比、預測預警、分析統計等。擁堵消除手段主要包括車與路（I2V）協同手段、車與車（V2V）協同手段、動態誘導與提醒、擁堵處置等。車與路（I2V）協同手段通過路側智慧化設施向車輛提示前方實時路況、車速建議、交通事故提醒、道路施工提醒、路面異物提醒、匝道合流等；車與車（V2V）協同手段提供前車碰撞提醒、車道匯合碰撞預警、盲區提醒等；動態誘導與提醒包括導航App、交通訊息屏、誘導屏等；擁堵處置包括自動喊話（違規停車、事故處理後儘快離開）、無人機、交警現場處理等。

5 結束語

高速公路是 5G 智慧網聯重要的應用場景之一，從技術、方案、應用 3 方面進行積極探索，從而形成相關的智慧網聯道路分級標準規範，是未來重要的研究方向。

ERTRAC（歐洲道路運輸研究諮詢委員會）在 INFRAMIX 專案和 ITS World Congress 2018 paper by AAE and ASFINAG釋出了ISAD（自動駕駛的基礎設施支援級別），將道路劃分為5個級別。E 級別最低，無數字化資訊，不支援自動駕駛的傳統基礎設施，完全依賴於自動駕駛車輛本身；D級別支援靜態道路標識在內的靜態數字化資訊，而交通訊號燈、短期道路工程和可變資訊交通標識牌需要自動駕駛車輛識別；C 級別支援靜態和動態基礎設施資訊，包括可變資訊交通標識牌、告警、事故、天氣等；B 級別支援協同感知，即可感知微觀交通情況；A級別支援協同駕駛，數字化基礎設施可以引導自動駕駛車輛的速度、間距、車道。

中國公路學會自動駕駛工作委員會、自動駕駛標準化工作委員會發布了《智慧網聯道路系統分級定義與解讀報告》（徵求意見稿）。從交通基礎設施系統的資訊化、智慧化、自動化角度出發，結合應用場景、混合交通、主動安全系統等情況，把交通基礎設施系統分為I0級（無資訊化/ 無智慧化/無自動化）、I1級（初步數字化/初步智慧化/初步自動化）、I2 級（部分網聯化/部分智慧化/部分自動化）、I3 級（基於交通基礎設施的有條件自動駕駛和高度網聯化）、I4 級（基於交通基礎設施的高度自動駕駛）、I5 級（基於交通基礎設施的完全自動化駕駛）。

未來可著重考慮高速公路的“感知—決策—控制”三大能力。其中感知需要解決的是高速公路道路基礎設施的數字化、網聯化和協同化；決策按照層級分為基於規則的專家系統、因果推理和行為預測；控制按照層級分為單車控制、協作控制和全域控制。按照高速公路的感知、決策和控制能力不同，可以將智慧網聯道路分為不同的等級，從而推進智慧高速公路建設。

END

作者簡介

吳冬升，男，博士，高新興科技集團股份有限公司高階副總裁、戰略與品牌總經理，廣東省智慧網聯汽車與智慧交通應用專業委員會副主任委員，粵港澳大灣區自動駕駛產業聯盟副理事長，廣東省車聯網產業聯盟專委會委員，廣州市網際網路協會5G專委會副主任委員，廣東省物聯網協會專委會委員，深圳市人工智慧協會專委會委員，主要研究方向為5G、車聯網、物聯網、大資料、人工智慧、數字化轉型、智慧城市等。

王**，男，高新興科技集團股份有限公司戰略總經理，粵港澳大灣區自動駕駛產業聯盟副祕書長、中國“5G+車聯網”專業委員會委員，主要研究方向為車聯網、人工智慧、智慧城市、5G無線接入、5G承載網、工業網際網路。

金偉，男，高新興科技集團股份有限公司戰略方案總監，主要研究方向為5G、車聯網、物聯網、雲端計算、大資料、人工智慧、智慧城市等。

李鳳娜，女，高新興科技集團股份有限公司車聯網解決方案總監，主要研究方向為車聯網、ETC、電子車牌、智慧停車、智慧城市等。

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