新一代智慧高速公路系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

　　摘要：伴隨我國高速公路的快速發(fā)展，智慧高速成為下一代公路系統(tǒng)技術(shù)形態(tài)演變的必然趨勢。對其功能描述與架構(gòu)解析能夠有效指導(dǎo)未來高速公路的規(guī)劃與建設(shè)，為智慧交通體系提供有力支撐。針對智慧高速的基本服務(wù)功能，結(jié)合車路耦合發(fā)展脈絡(luò)，首先提出了以服務(wù)能力升級為導(dǎo)向的新一代智慧高速技術(shù)特征與系統(tǒng)內(nèi)涵。面向不同服務(wù)對象與功能，明確了智慧高速系統(tǒng)的核心組分與技術(shù)板塊：廣域全息感知、數(shù)字孿生刻畫、車路協(xié)同應(yīng)用與實時通訊媒介。面向自動駕駛的發(fā)展需求，介紹了不同條件下各核心板塊間的業(yè)務(wù)交互與數(shù)據(jù)交互。借鑒現(xiàn)有國內(nèi)外典型智慧高速發(fā)展案例，重點(diǎn)闡述了新一代智慧高速公路的物理架構(gòu)與應(yīng)用架構(gòu)，從精度、維度、鮮度三個層面探析了不同應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模式與數(shù)字化要求。在此基礎(chǔ)上，討論了新一代智慧高速車路強(qiáng)耦合的推進(jìn)路徑，界定了從R0到R5的高速公路智慧化等級特征，揭示了不同車輛自動化等級與高速公路智慧化等級間的耦合作用，并總結(jié)了現(xiàn)階段工程建設(shè)的關(guān)鍵問題與發(fā)展方向，從系統(tǒng)兼容性、設(shè)計場景、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、通訊安全等四個角度研判了亟待解決的關(guān)鍵問題。研究成果可以指導(dǎo)設(shè)計可遷移、可持續(xù)的新一代智慧高速公路發(fā)展路徑，對智慧高速的技術(shù)研究與建造應(yīng)用具有重要參考意義。

　　關(guān)鍵詞：交通工程;智慧高速公路;內(nèi)涵架構(gòu);技術(shù)特征;耦合發(fā)展

　　0引言

　　高速公路是國家服務(wù)民生發(fā)展與經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重要載體，也是推進(jìn)國家戰(zhàn)略目標(biāo)的有力支撐。截止2018年底，我國高速公路里程已突破14萬公里，居世界首位[1]。然而，隨著高速公路里程的快速增長，如何利用先進(jìn)的傳感、計算、通訊技術(shù)與信息化手段提高其服務(wù)能力與自動化水平是下一代智慧高速亟待解決的關(guān)鍵問題。2014年交通部發(fā)布“四個交通”發(fā)展戰(zhàn)略任務(wù)，提出了“智慧交通”的概念[2]。隨后幾年，智慧交通的概念不斷豐富與細(xì)化，從而衍生了“智慧高速”、“智慧公路”、“智慧路面”等內(nèi)涵。

　　公路工程評職知識：高速公路領(lǐng)域課題選題范圍

　　近幾年來，在《交通強(qiáng)國建設(shè)綱要》[3]、《推進(jìn)智慧交通發(fā)展行動計劃》[4]、《關(guān)于加快推進(jìn)新一代國家交通控制網(wǎng)和智慧公路試點(diǎn)的通知》[5]等政策的助推下，以浙江、湖南、山東等省份為代表，全國各地區(qū)組織開展了大量的智慧高速公路建設(shè)探索性工作，取得了豐厚的成果。智慧高速公路的內(nèi)涵與框架直接影響了其建設(shè)的功能與成效，明晰新一代智慧高速公路系統(tǒng)的戰(zhàn)略定位，將智慧交通系統(tǒng)中車路耦合的發(fā)展路徑考慮到智慧高速的規(guī)劃與建設(shè)中，將有效提高智慧高速的先進(jìn)性與適用性，對我國交通運(yùn)輸發(fā)展意義重大。智慧高速公路的概念早在上個世紀(jì)40年代就已在國際上提出[6]。

　　1991年美國《面上運(yùn)輸聯(lián)運(yùn)方式效率法案》(IntermodalSurfaceTransportationEfficiencyAct,ISTEA)推出了自動高速公路系統(tǒng)(AutomatedHighwaySystem,AHS)，搭建了基于DSRC短程通訊技術(shù)的車-車、車-路通訊模塊，通過信息發(fā)布與縱向控制等降低通行時間，提高駕駛安全[7]。21世紀(jì)初期，在弗吉尼亞州開展的智慧公路項目(SmartRoad)是美國公路設(shè)施智能化的重要里程碑，其將設(shè)施性能監(jiān)測、能源回收、自動駕駛等技術(shù)進(jìn)行整合，打造了一段2.2英里的智慧道路[8]。SmartRoad項目主要從設(shè)施側(cè)出發(fā)，通過預(yù)埋路內(nèi)傳感器、布設(shè)能見度、光照等多源環(huán)境傳感裝置，打造一條對駕駛環(huán)境與設(shè)施性能具有全面感知能力的智慧高速公路。

　　2016年美國推出智能交通走廊系統(tǒng)(SmartCorridor)[9]，其中最為代表性的就是加利福尼亞州推動的I-80SMART項目，其整合了多種信息感知與動態(tài)管理技術(shù)，通過電子標(biāo)識、信息交互等方式提高安全性和通行時間可靠性[10]。日本自上世紀(jì)90年代開始開展大量智能交通系統(tǒng)研制工作[11]，2006年發(fā)布的Smartway公開測試成為了世界范圍的智慧公路標(biāo)桿，該系統(tǒng)集成了車輛信息與通信系統(tǒng)(VICS)、電子收費(fèi)系統(tǒng)(ETC)以及先進(jìn)安全車輛系統(tǒng)(ASV)等功能模塊，從而提高用戶出行體驗[12]。Smartway的核心是將路側(cè)設(shè)施端感知到的駕駛環(huán)境、交通狀態(tài)以及其他相關(guān)的事件信息，通過車載終端(On-boardUnit,OBU)發(fā)送給用戶，從而提高出行體驗與駕駛安全性。

　　2015年東京汽車展覽會推出的ETC2.0以基于DSRC的車路交互技術(shù)為核心，通過路側(cè)熱點(diǎn)實現(xiàn)了收費(fèi)、信息服務(wù)和V2X交互等功能，建立了面向安全管理和服務(wù)的開放平臺[13]。目前，日本已在全國范圍內(nèi)形成統(tǒng)一規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，明確了以車路通訊為基礎(chǔ)的智慧公路建設(shè)方向[14]。歐洲在上個世紀(jì)中旬開啟智能道路基礎(chǔ)設(shè)施研究，其主要以綠色、安全、可持續(xù)角度出發(fā)，包括著名的“尤里卡”計劃[15]、Easyway項目[16]等。2013年由沃爾沃主導(dǎo)的哥德堡環(huán)城公路Driveme計劃將路側(cè)感知信息實時提供給車輛，實現(xiàn)了全自動泊車、自適應(yīng)巡航等功能[17]。

　　2016年挪威的E8高速公路利用車路協(xié)同與CellularVehicle-to-Everything(C-V2X)打造了卡車編隊自動駕駛的特殊場景應(yīng)用[18]。從國際典型國家與地區(qū)的智慧高速公路應(yīng)用來看，主要是利用設(shè)施傳感等技術(shù)實現(xiàn)路域環(huán)境的精準(zhǔn)感知，并結(jié)合不同的通訊載體進(jìn)行信息交互，從而實現(xiàn)限定場景的自動駕駛、安全保障與可持續(xù)發(fā)展等功能。我國當(dāng)前智慧高速公路建設(shè)主要從伴隨式信息服務(wù)、自動駕駛輔助以及精細(xì)化養(yǎng)護(hù)運(yùn)營三個方面展開。浙江省集合自由流收費(fèi)、無線充電、自動駕駛、設(shè)施管養(yǎng)等技術(shù)于一體打造全程161公里的超級高速，駕駛時速有望超過120公里[19]。湖南以長沙繞城高速等項目為基礎(chǔ)建設(shè)共113公里的5G+智慧高速，通過5G通訊等技術(shù)實現(xiàn)對每段路、每輛車狀態(tài)的精準(zhǔn)掌握，從而滿足無人駕駛的路況要求[20]。

　　廣西以北斗高精度位置網(wǎng)為依托打造具備車輛引導(dǎo)、安全監(jiān)控、設(shè)施數(shù)字化等功能的智慧高速體系[21]。山東開展了國內(nèi)首個基于自動駕駛的智慧高速公路測試路段項目：齊魯交通智能網(wǎng)聯(lián)高速公路測試基地，利用先進(jìn)的激光雷達(dá)、微波雷達(dá)、全景監(jiān)控、分布式傳感等技術(shù)賦能路側(cè)基礎(chǔ)設(shè)施，為自動駕駛編隊行駛提供信息保障[22]。2020年上海、江西、河北、湖北等多個省份加快推動新一代智慧高速公路、智慧高速特管區(qū)、5G智慧高速等項目[23,24]，標(biāo)志著我國智慧高速公路事業(yè)從探索期逐步邁向發(fā)展期。

　　雖然我國在智慧高速功能應(yīng)用與建設(shè)上取得了突飛猛進(jìn)的成就，但在智慧高速的內(nèi)涵與定義上仍未產(chǎn)生一個統(tǒng)一的、客觀的、全面的且具有指導(dǎo)意義的理解，導(dǎo)致不同地區(qū)省份開展的智慧高速公路缺乏統(tǒng)一的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)與模式，從而影響了智慧高速在全國范圍進(jìn)行大規(guī)模的推廣與應(yīng)用。作為一種新型的公路發(fā)展技術(shù)形態(tài)，新一代智慧高速公路建設(shè)將成為解決交通擁堵與駕駛安全等問題的重要手段，其功能架構(gòu)的明晰與探討能夠有效指導(dǎo)智慧高速的規(guī)劃與建設(shè)，為智慧交通體系建設(shè)提供有力支撐。本文基于對我國現(xiàn)有智慧高速建設(shè)工作的凝練與總結(jié)，從車路耦合系統(tǒng)出發(fā)，探索具有指導(dǎo)意義的新一代智慧高速公路的體系架構(gòu)，結(jié)合我國的發(fā)展現(xiàn)狀，討論智慧高速的推進(jìn)路線，為國內(nèi)外智慧高速公路的建設(shè)與研發(fā)提供參考。

　　1新一代智慧高速公路內(nèi)涵

　　1.1公路系統(tǒng)車路耦合發(fā)展路徑

　　傳統(tǒng)的智慧高速案例主要依托不同制式的通訊媒介將路側(cè)及車輛感知到的廣域駕駛環(huán)境信息與駕駛員/自動駕駛車輛進(jìn)行交互，從而提高交通安全與效率。大多數(shù)智慧高速功能板塊建設(shè)主要以“離散性”的信息化服務(wù)為主，數(shù)據(jù)采集與管理具有較強(qiáng)的單一性，缺乏數(shù)據(jù)的互通性與融合性。由于不同功能板塊對于數(shù)據(jù)的精度、維度與鮮度的要求不同，僅基于設(shè)計功能的智慧高速數(shù)據(jù)應(yīng)用方案的可持續(xù)較低，難以進(jìn)行產(chǎn)品迭代，從而導(dǎo)致其無法滿足快速發(fā)展的自動駕駛產(chǎn)業(yè)要求。另一方面，諸多現(xiàn)有智慧高速的設(shè)計方案與自動駕駛技術(shù)的發(fā)展階段不耦合，大多僅作為試點(diǎn)應(yīng)用，難以有效發(fā)揮智慧高速的優(yōu)勢。

　　因此，在進(jìn)行智慧高速的框架設(shè)計時，必須綜合考慮公路系統(tǒng)與車輛系統(tǒng)的發(fā)展階段，從而建立具有工程指導(dǎo)意義與推廣價值的可持續(xù)智慧高速發(fā)展體系。道路是車輛的載體，從公路系統(tǒng)的發(fā)展與演變歷程來看，其呈現(xiàn)出明顯的“耦合”發(fā)展趨勢，每一次公路技術(shù)形態(tài)的升級轉(zhuǎn)變都受到汽車行業(yè)進(jìn)步與用戶需求激增的影響。因此，在設(shè)計新一代智慧高速公路的體系架構(gòu)時，須充分考慮汽車行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀。

　　1886年燃油汽車誕生以來[25]，汽車工業(yè)已經(jīng)逐步實現(xiàn)了平民化，然而道路設(shè)施本身的性能不足限制了燃油汽車效率優(yōu)勢的發(fā)揮。在此需求下，1901年柏油碎石路的推廣促進(jìn)了汽車產(chǎn)業(yè)的流水線生產(chǎn)[26]。隨著人類社交范圍與出行距離不斷拓展，其對車輛的行駛速度、距離產(chǎn)生了更高的要求，具備集中路權(quán)與優(yōu)質(zhì)駕駛環(huán)境的高速公路應(yīng)用而生，1911年世界第一條高速公路建成后[27]，被國際范圍廣泛采納，1988年中國第一條高速公路建成標(biāo)志了我國公路發(fā)展邁入新階段[28]。

　　21世紀(jì)以來，車輛發(fā)展的“新四化”特征對現(xiàn)有高速公路體系提出了新要求，網(wǎng)聯(lián)化、自動化等發(fā)展趨勢更加增強(qiáng)了車路之間的耦合關(guān)系，促進(jìn)了車路協(xié)同等技術(shù)的發(fā)展，車路系統(tǒng)從以往的發(fā)展“弱耦合”到功能“強(qiáng)耦合”逐漸過渡。因此，新一代智慧高速的技術(shù)內(nèi)涵與體系框架需充分考慮汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢與功能需求。

　　1.2新一代智慧高速的技術(shù)特征

　　用戶需求是帶動公路系統(tǒng)技術(shù)形態(tài)升級的根本動力，公路系統(tǒng)的技術(shù)形態(tài)升級從物理與數(shù)字特性出發(fā)，主要可以分為三個階段：普通公路階段、高速公路階段，以及智慧高速階段。20世紀(jì)初，第一次公路技術(shù)形態(tài)升級以普通公路路面硬化為代表，該階段由于燃油汽車的快速發(fā)展，車輛對通行能力和行駛速度的要求進(jìn)一步提高。

　　在該階段，通過路面硬化使得普通公路單車道的通行能力提升至600~800pcu/h，行駛速度可達(dá)40~60km/h[29]，其技術(shù)特征主要以路面硬化與路幅拓寬等物理特性為主，旨在通過結(jié)構(gòu)增強(qiáng)等方法提升已有公路的服役能力，而未對路權(quán)特性進(jìn)行明確劃分，多數(shù)公路仍以多種交通方式混合為代表。隨著土地資源不斷擴(kuò)張，人們的活動范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，其對城市間交通的通行時間產(chǎn)生了更高的要求。因此，20世紀(jì)30年代，高速公路系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生[27]。在此階段，公路單車道通行能力擴(kuò)大到1800~2400pcu/h，并將車速提升至80~120km/h[30]。

　　其技術(shù)特征主要以車道分離、路權(quán)集中、全線封閉與固定匝道等物理特性為主，旨在通過建立專屬、高質(zhì)的車輛高速駕駛環(huán)境大幅度提高道路的通行能力。高速公路自產(chǎn)生以來，在世界范圍快速推廣，我國歷經(jīng)30多年建立了“9縱18橫7放射”的高速公路網(wǎng)體系。隨著土地資源逐漸飽和以及車輛性能的不斷提高，其對公路的通行能力、信息感知、節(jié)能減排等方面產(chǎn)生了新的需求�；�于新興的全要素感知技術(shù)與低時延的通訊技術(shù)可以進(jìn)一步縮小車頭時距，并保證車輛隊列行駛安全穩(wěn)定。據(jù)估算，智慧高速的通行能力可躍遷式地提升至3000~3500pcu/h，行駛速度超過120km/h[31]。

　　其技術(shù)特征主要以全息傳感、數(shù)字孿生、車路協(xié)同等數(shù)字特性為主，旨在在現(xiàn)有設(shè)施條件下利用信息化手段充分發(fā)揮道路的供能潛力。因此，與單純的公路設(shè)施智慧化不同，新一代智慧高速公路是在土地資源趨近飽和的條件下，為滿足日益增長的交通需求，通過智能化的傳感、分析、通訊等手段，提高高速公路通行能力，滿足新一代載運(yùn)工具設(shè)施要求的全新技術(shù)形態(tài)。

　　1.3新一代智慧高速的系統(tǒng)內(nèi)涵

　　新一代智慧高速的系統(tǒng)內(nèi)涵主要面向使用者與管理者兩個維度。對于使用者而言，其服務(wù)功能隨著自動駕駛等級也會有所差異。對于L2級自動化[32]及以下的人工主導(dǎo)的駕駛車輛，智慧高速主要為其提供可靠的信息服務(wù)支持，例如自由流收費(fèi)、惡劣天氣的安全預(yù)警、路徑與速度誘導(dǎo)等;對于L3~L4級半自動駕駛車輛，智慧高速主要為其提供感知增強(qiáng)或感知冗余功能，從而保障車輛的行駛安全與效率;對于L5級的全自動駕駛車輛，智慧高速主要從宏觀調(diào)度角度協(xié)同控制車隊行駛，保障車輛在低時距、高速度下的行駛穩(wěn)定性與可靠性。

　　2新一代智慧高速的系統(tǒng)架構(gòu)

　　新一代智慧高速的系統(tǒng)架構(gòu)依據(jù)其包含邏輯功能、物理實體和應(yīng)用類型可分為邏輯架構(gòu)、物理架構(gòu)和應(yīng)用架構(gòu)。邏輯架構(gòu)描述了智慧高速系統(tǒng)的功能模塊和交互邏輯，物理架構(gòu)解釋了智慧高速的系統(tǒng)的物理構(gòu)成、數(shù)據(jù)模式和信息鏈路，應(yīng)用架構(gòu)解釋了智慧高速系統(tǒng)的實際的工程應(yīng)用類型。

　　2.1新一代智慧高速的邏輯架構(gòu)

　　基于新一代智慧高速的系統(tǒng)內(nèi)涵，其核心在于依托全息感知網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字孿生平臺實現(xiàn)智慧高速物理系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的閉環(huán)、一體化協(xié)同管控。各類基礎(chǔ)設(shè)施、交通運(yùn)行以及環(huán)境的動態(tài)、靜態(tài)數(shù)據(jù)通過底層感知網(wǎng)絡(luò)采集后，在數(shù)字孿生管理平臺中進(jìn)行融合集成，形成標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的數(shù)據(jù)倉庫，并組建構(gòu)成智慧高速的信息系統(tǒng)，以數(shù)據(jù)資源的形式服務(wù)智慧高速應(yīng)用系統(tǒng)。

　　數(shù)字孿生平臺具備虛擬模型搭建、大數(shù)據(jù)解析、平行仿真推演等功能，智慧高速應(yīng)用系統(tǒng)可依據(jù)具體的實施場景，從數(shù)字孿生層中調(diào)取相應(yīng)的數(shù)據(jù)資源和算法，實現(xiàn)特定的智慧高速功能，包括但不限于車路協(xié)同與自動駕駛、基礎(chǔ)設(shè)施智慧管養(yǎng)、伴隨式信息服務(wù)、交通精細(xì)化管控調(diào)度等。底層感知網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字孿生管理平臺則需保證較好的兼容性和可移植性，有利于推動智慧高速的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

　　3新一代智慧高速推進(jìn)路徑

　　3.1新一代智慧高速車路耦合發(fā)展路徑

　　新一代智慧高速公路是一個車與路相互促進(jìn)、相互協(xié)調(diào)的過程，需依賴車路耦合技術(shù)升級共同構(gòu)筑，其成熟的時間既取決于車輛技術(shù)水平發(fā)展，也取決于公路設(shè)施技術(shù)的進(jìn)步。先進(jìn)的車與落后的路組合會導(dǎo)致效能提升成本昂貴，難以規(guī)�；瘧�(yīng)用;先進(jìn)的路與落后的組合會嚴(yán)重限制道路效能優(yōu)勢的發(fā)揮。從數(shù)字孿生層出發(fā)，智慧高速公路的發(fā)展將經(jīng)歷數(shù)字化、網(wǎng)聯(lián)化、全息化三個主要階段。數(shù)字化階段將實現(xiàn)對高速公路靜態(tài)永久數(shù)據(jù)對象(道路幾何特征、車道類型、車道連通性等)、靜態(tài)臨時數(shù)據(jù)對象(路域設(shè)施性能、交通安全設(shè)施完整性等)的高精度描述，形成高精度數(shù)字底板。

　　網(wǎng)聯(lián)化階段將實現(xiàn)對高速公路動態(tài)臨時數(shù)據(jù)對象的收集和分享，如可變信息板、施工區(qū)和事故點(diǎn)、道路擁堵狀態(tài)以及路面積雪結(jié)冰等，形成動態(tài)高精度地圖。全息化階段將實現(xiàn)對高速公路內(nèi)高度動態(tài)數(shù)據(jù)對象的實時感知，如動態(tài)車輛的識別、軌跡追蹤、短時行為預(yù)測等，形成局部高度動態(tài)地圖。在智慧高速公路三個不同發(fā)展階段可與智能網(wǎng)聯(lián)汽車形成不同的協(xié)同化系統(tǒng)及應(yīng)用。

　　4結(jié)語

　　本文梳理了公路系統(tǒng)的車路耦合發(fā)展脈絡(luò)，詮釋了新一代智慧高速公路內(nèi)涵與框架，主要結(jié)論如下：(1)結(jié)合公路體系演變特征，明確了新一代智慧高速的基本技術(shù)特征，設(shè)計了滿足發(fā)展要求的基本系統(tǒng)內(nèi)涵與層次。(2)面向不同階段發(fā)展要求，提出了新一代智慧高速的物理與應(yīng)用架構(gòu)，明晰了各板塊間的交互關(guān)系。(3)考慮車路強(qiáng)耦合路線，研判了新一代智慧高速的推進(jìn)路徑，討論了不同自動化等級與智慧高速等級間的組合服務(wù)范圍。

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　　作者：杜豫川1，劉成龍1*，吳荻非1，趙聰1

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