高速公路车路协同关键设备关键技术

高速公路车路协同关键设备关键技术项目背景杭州绕城西复线双向六车道，全长约148.8公里，于2020年底建成通车，是《交通运输部办公厅关于开展新一代国家交通控制网和智慧公路试点（第一批）工作的通知》（交办规划函[2017]1084号）的第一批智慧公路试点项目路段。结合西复线的建设实施，浙江省交通厅在《关于成立交通运输部智慧公路试点项目杭州绕城西复线高速工程推进协调小组的通知》中明确，杭州绕城西复线高速公路工程作为第一批智慧公路试点项目，负责三个方向的落地实施。并于2018年对实施方案进行了批复，2019年交通运输部对补助资金进行了批复。因为对新一代国家交通控制网研究方向的不明确性，经省厅同意，以课题形式展开先期研究。本项目依托绕城西复线，西复线特点主要包括以下几个方面：政治路：连接世界互联网大会举办地乌镇的主通道之一，19届亚运会交通保障主通道；地理位置：G25长深高速杭州过境的分流路，连通杭州、嘉兴、湖州和绍兴，过境货车比例大；人文需求：景区众多（莫干山、富春江）；结构特点：桥隧比高（50.53%）、23互通多路网交织、转移交通流量大；气候条件：台风、暴雨和团雾气象多发；技术氛围：信息大省、互联网发达。通过对工程和路段特点的梳理，并结合需求，对于西复线如何建设新一代控制网，目前存在以下问题：在安全方面：桥隧比高、货车比例高，重载交通条件下如何减少事故；如何提升隧道内安全管控水平；在服务方面，多路网交织如何提升最外侧车道通行能力；信息发布的实时性和可达性有待提升；隧道群间信息发布手段及内容单一；在建设方面，智能路侧基站如何布设？现有通信技术对车路协同有哪些影响？多种感知数据如何快速处理？哪些场景需要车路协同信息发布？不同场景下信息发布策略是什么？课题名称为《复杂路网环境下的车路协同关键技术》，从提升服务、提升通行效率、提升安全水平三个方面入手，提出了研究目标。研究过程课题根据西复线实际情况和具体需求，从智能路侧设施、车路协同安全管控、车路协同控制平台以及隧道内车路协同的一体化信息发布四个方面提出具体研究内容，在技术支撑层提出相应的研究内容和关键技术，最后归纳形成项目任务，提出课题预期成果和指标。技术路线上遵循“分步研究、重点突破、工程应用”的原则。通过实地调查、数据建模分析、现场试验等手段，充分调研杭州绕城西复线项目概况及特点、结合国内外研究现状和标准规范，在调研基础上分析西复线车路协同的需求、关键技术和落地手段。主要成果及创新点车路协同只是技术手段，核心是实现广义的车路协同，更多是提升精细化服务、安全管控水平。车路协同应用主要涉及：路侧系统、中心系统、车辆系统（包括驾驶员、乘客、货物等）、基于车载-路侧-中心的地图系统。国外研究与应用情况美国基于智能交通道路设备（ITSRoadwayEquipment）的车路协同技术体系。ITSRoadwayEquipment的主要应用场景包括道路监测、交通管制、驾驶员警告和交通安全控制系统。日本ETC2.0（ITS-Spot）：依托高速公路刚需（ETC），目前ETC2.0已经有近600万用户（2019年底数据），路侧智能站（ITS-Spot）覆盖全国高速公路；聚合与自动驾驶相关内容，包括前方信息提供、合流区支持，分支区支持、预防错误行驶路线等。欧洲基于RoadsideITS-S的车路协同体系架构：由RoadsideITS-S作为路侧通信基站，实现交通系统中各类数据的采集与传输工作，再由交通控制中心HighwayControlCenter（HCC）实现所采集数据的融合处理、智能决策，再通过RoadsideITS-S将交通控制指令发送给交通参与者。总体来看，国外研究与应用情况主要包括以下几点：国外都在构建车路协同（自动驾驶）顶层设计，通过顶层框架解决技术路径、标准及产业模式等；高度重视安全问题，对网络安全隐私保护都提出了指导性文件；日本ETC2.0是通过收费项目提高终端渗透率，新加坡是通过ERP2系统提升终端渗透率，对于车路协同的推进值得借鉴；目前国外大部分智能路侧基站的功能共性是通讯，即研发通讯技术能让车-路之间互传信息；路侧智能基站的边缘融合计算功能需要结合国内实际情况确定；基本都是采用车、路、云的架构实现。智能路侧基站研发本项目研究的智能路侧基站重点解决：如何针对不同的车辆发送不同的信息。通过对路侧基站信息交互内容进行了梳理归类，重点包括路侧基站本地和平台的输入数据，经路侧基站计算对车载终端和平台的输出。智能路侧基站数据交互图基于边缘云的智能路侧设施交互功能需求包括本地信息分发、动态高精度地图服务、车载信息增强功能与车辆在线诊断功能。

本地信息分发：路侧智能站作为内容分发的边缘节点，实现策略信息的在线分发和流量卸载功能。动态高精度地图服务：存储高精度地图，具备车道级动态地图更新计算能力、与中心云的交互能力。车载信息增强功能：基于视频分析、感知融合、应用计算能力。车辆在线诊断功能：支持车路故障信息采集功能。智能路侧基站原型系统开发，包括以下几个方面：V2X多模通信模块：支持LTE-V/DSRC，紧凑的嵌入式接收模块，实现车载单元和路侧单元的实时通讯；4G模块：上传实时数据到云端平台、远程登陆/升级；GNSS模块：支持GPS、北斗、GLONASS等多种频带，提供高精度的位置定位；Wi-Fi模块：提供无线接入的热点；支持多源交通数据融合、交通状态分析、异常事件预警、车道级管控策略生成和发布功能。输出成果包括路侧智能站（通信单元），路侧智能站（边缘计算节点）。智能车载终端研发目前国外各个厂家所生产的智能化车载终端在功能应用上大部分只是针对交通运输中的指挥调度、应急救援及信息娱乐等功能，而基于国家交通控制网的车路协同，需要有更智能化的车载终端系统。智能车载终端开发包括：V2X多模通信模块、4G模块、GNSS模块、行车环境信息采集功能、车辆工况信息采集与通信功能。输出成果包括车路协同车载终端、车载终端展示界面及论文《面向车路协同关键通信技术的研究》。面向车路协同的安全研究全方位检测流量的异常、网络资产变化、事件行为、攻击来源及行为等内容，及时知晓安全态势，从而保证网络和信息的安全。

基于此研制了边缘计算安全设备，利用边缘安全设备与中心联动的方式实现车联网边缘安全可视化管理和检测：以风险分析为基础，入侵监测为核心、管理加固为辅助，确保车路协同系统安全。输出成果：车路协同网关设备，车路协同边缘计算安全态势感知系统，车路协同路侧基站系统的安全检查方法、装置和电子设备。车路协同控制平台研究车路协同管控系统管控模块，包括车路协同设施管理、分车道联网控制、安全辅助预警、定制化管控与服务、车联网信息安全管理五个功能模块。•车路协同管控系统-车路协同设施管理系统全网拓扑管理包括智能路侧基站之间逻辑拓扑管理、智能路侧基站与感知设备逻辑拓扑管理；设备状态管理包括状态监测、身份验证管理、日志管理、时钟同步；设备配置。•车路协同管控系统-安全辅助支撑信息发布与对接：实现车路协同管控系统内部模块信息交互接口和外部对接系统的接口；数据采集及融合：集成多源交通数据，按交通事件模型定义形成结构化交通和车辆数据；高精地图：车路协同管控模块生成的交通事件数据、异常车辆的位置状态数据高精地图展示；数据存储：存储集成处理后的交通事件数据，车辆数据。•车路协同管控系统-场景策略下发事件类别包括主干道匝道并线事故、服务区信息服务、隧道单车道阻塞、隧道火灾提醒、事故提醒、交通事故、道路施工、道路拥堵、异常天气、浓雾车辆轨迹偏移。具体包括三个方面：策略控制：不同场景的不同策略，点击确认发布或者创建规则自动发布；事件分发：选择地点、事件类型、发生范围、时间、等级提示内容；事件展示：事件分布，历史事件，类型统计，发生趋势统计。•车路协同管控系统-车联网安全安全状态评估及态势感知：风险和威胁感知、安全状态的评估。安全集中管理：事件汇总、状态监控、关联分析、设备认证安全管理。可视化展示：可视化大屏组建将所有外场路侧智能站的安全态势。车路协同控制平台研究成果包括车路协同管控模块与车载终端展示界面。基于车路协同的隧道应急发布技术研究频谱搬移技术：将调制信号从低频端搬移到高频端,便于天线发送或实现不同信号源,不同系统的频分复用。多载波技术：数据流分解为若干个子数据流，从而使子数据流具有低得多的传输比特速率，利用这些数据分别去调制若干个载波。基于有线、无线广播及应急电话协同的隧道综合应急服务：在日常运行状态,调频广播转播电台节目；在应急事件状态下，调频广播与有线广播同时进行紧急广播。相关知识产权成果包括《隧道全频段调频广播覆盖技术研究》、专利：基于调频数据广播的隧道交通信息无线发布方法。实验环境搭建及测试依托部公路交通综合试验场的实地环境，基于LTE-V和DSRC的RSU路侧设备部署，分别在交叉口、门架、F型设施布设RSU设备4套。

测试结果：超过800米信号强度处于不稳定状态，平均场强小于-90dBm，考虑到环境干扰因素影响，并结合通信时延和丢包率，路侧单元的信号覆盖范围在400米到500米之间较好，因此建议布设的路侧单元的平均间距为800-1000m，在有遮挡情况下，可加密设置。总结与创新点本项目研发了路侧智能站通信单元、路侧智能站边缘计算节点、车路协同车载终端、隧道全频段广播4套硬件设备，形成了车路协同软件平台、软件框架及原型系统，发表高水平论文7篇，申请专利2项，获得软著2项，编写标准1项，全面、超额完成了考核指标。创新点包括四个方面：适应边缘计算的交通智能管控与服务发布策略生成及分发方法；开发了同时具备5.8GHzDSRC与LTE-V功能的车路协同通信单元；

面向车路协同路侧基站系统的安全感知与预警技术；研发了群载波调频广播播发设备。工程应用在西复线项目中主要实施：路侧智能站包括RSU（通信单元）、ECU（边缘计算节点）；车载端包括车载终端OBU设备、车载终端显示屏；后台中心包括综合管理、运行监测、分析处理、服务发布，协同控制等可视化模块实时安全接入；支撑包括北斗高精定位、高精地图。经验及思考从新一代国家交通控制网角度看车路协同管控系统，该系统基于北斗定位技术，结合路侧RSU和车载终端的双模（5.8GDSRC和LTE-V）通讯能力，实现超视矩、跨节点的信息交互和服务。

成功之处在于实现5.8GDSRC、LTE-V双模通讯频率的干扰；集成了交通运输行业CA数字证书；实现了超视距、跨节点条件下的数据组织与分发服务；对车辆的厘米级定位。不足之处在于车路协同与业务系统的结合应用深度；车路协同如何实现更大规模用户群体的推广应用。经验总结主要包括三个方面：重点与难点在于如何根据地形地貌和路段