新一代智慧高速公路系統架構設計

　　摘要：伴隨我國高速公路的快速發展，智慧高速成為下一代公路系統技術形態演變的必然趨勢。對其功能描述與架構解析能夠有效指導未來高速公路的規劃與建設，為智慧交通體系提供有力支撐。針對智慧高速的基本服務功能，結合車路耦合發展脈絡，首先提出了以服務能力升級為導向的新一代智慧高速技術特征與系統內涵。面向不同服務對象與功能，明確了智慧高速系統的核心組分與技術板塊：廣域全息感知、數字孿生刻畫、車路協同應用與實時通訊媒介。面向自動駕駛的發展需求，介紹了不同條件下各核心板塊間的業務交互與數據交互。借鑒現有國內外典型智慧高速發展案例，重點闡述了新一代智慧高速公路的物理架構與應用架構，從精度、維度、鮮度三個層面探析了不同應用系統的數據模式與數字化要求。在此基礎上，討論了新一代智慧高速車路強耦合的推進路徑，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，并總結了現階段工程建設的關鍵問題與發展方向，從系統兼容性、設計場景、規范標準、通訊安全等四個角度研判了亟待解決的關鍵問題。研究成果可以指導設計可遷移、可持續的新一代智慧高速公路發展路徑，對智慧高速的技術研究與建造應用具有重要參考意義。

　　關鍵詞：交通工程;智慧高速公路;內涵架構;技術特征;耦合發展

　　0引言

　　高速公路是國家服務民生發展與經濟建設的重要載體，也是推進國家戰略目標的有力支撐。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，如何利用先進的傳感、計算、通訊技術與信息化手段提高其服務能力與自動化水平是下一代智慧高速亟待解決的關鍵問題。2014年交通部發布“四個交通”發展戰略任務，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化，從而衍生了“智慧高速”、“智慧公路”、“智慧路面”等內涵。

　　公路工程評職知識：高速公路領域課題選題范圍

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

　　1991年美國《面上運輸聯運方式效率法案》(IntermodalSurfaceTransportationEfficiencyAct,ISTEA)推出了自動高速公路系統(AutomatedHighwaySystem,AHS)，搭建了基于DSRC短程通訊技術的車-車、車-路通訊模塊，通過信息發布與縱向控制等降低通行時間，提高駕駛安全[7]。21世紀初期，在弗吉尼亞州開展的智慧公路項目(SmartRoad)是美國公路設施智能化的重要里程碑，其將設施性能監測、能源回收、自動駕駛等技術進行整合，打造了一段2.2英里的智慧道路[8]。SmartRoad項目主要從設施側出發，通過預埋路內傳感器、布設能見度、光照等多源環境傳感裝置，打造一條對駕駛環境與設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(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管理技術，通過電子標識、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90年代開始開展大量智能交通系統研制工作[11]，2006年發布的Smartway公開測試成為了世界范圍的智慧公路標桿，該系統集成了車輛信息與通信系統(VICS)、電子收費系統(ETC)以及先進安全車輛系統(ASV)等功能模塊，從而提高用戶出行體驗[12]。Smartway的核心是將路側設施端感知到的駕駛環境、交通狀態以及其他相關的事件信息，通過車載終端(On-boardUnit,OBU)發送給用戶，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的車路交互技術為核心，通過路側熱點實現了收費、信息服務和V2X交互等功能，建立了面向安全管理和服務的開放平臺[13]。目前，日本已在全國范圍內形成統一規范標準，明確了以車路通訊為基礎的智慧公路建設方向[14]。歐洲在上個世紀中旬開啟智能道路基礎設施研究，其主要以綠色、安全、可持續角度出發，包括著名的“尤里卡”計劃[15]、Easyway項目[16]等。2013年由沃爾沃主導的哥德堡環城公路Driveme計劃將路側感知信息實時提供給車輛，實現了全自動泊車、自適應巡航等功能[17]。

　　2016年挪威的E8高速公路利用車路協同與CellularVehicle-to-Everything(C-V2X)打造了卡車編隊自動駕駛的特殊場景應用[18]。從國際典型國家與地區的智慧高速公路應用來看，主要是利用設施傳感等技術實現路域環境的精準感知，并結合不同的通訊載體進行信息交互，從而實現限定場景的自動駕駛、安全保障與可持續發展等功能。我國當前智慧高速公路建設主要從伴隨式信息服務、自動駕駛輔助以及精細化養護運營三個方面展開。浙江省集合自由流收費、無線充電、自動駕駛、設施管養等技術于一體打造全程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建設共113公里的5G+智慧高速，通過5G通訊等技術實現對每段路、每輛車狀態的精準掌握，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為依托打造具備車輛引導、安全監控、設施數字化等功能的智慧高速體系[21]。山東開展了國內首個基于自動駕駛的智慧高速公路測試路段項目：齊魯交通智能網聯高速公路測試基地，利用先進的激光雷達、微波雷達、全景監控、分布式傳感等技術賦能路側基礎設施，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、5G智慧高速等項目[23,24]，標志著我國智慧高速公路事業從探索期逐步邁向發展期。

　　雖然我國在智慧高速功能應用與建設上取得了突飛猛進的成就，但在智慧高速的內涵與定義上仍未產生一個統一的、客觀的、全面的且具有指導意義的理解，導致不同地區省份開展的智慧高速公路缺乏統一的建設標準與模式，從而影響了智慧高速在全國范圍進行大規模的推廣與應用。作為一種新型的公路發展技術形態，新一代智慧高速公路建設將成為解決交通擁堵與駕駛安全等問題的重要手段，其功能架構的明晰與探討能夠有效指導智慧高速的規劃與建設，為智慧交通體系建設提供有力支撐。本文基于對我國現有智慧高速建設工作的凝練與總結，從車路耦合系統出發，探索具有指導意義的新一代智慧高速公路的體系架構，結合我國的發展現狀，討論智慧高速的推進路線，為國內外智慧高速公路的建設與研發提供參考。

　　1新一代智慧高速公路內涵

　　1.1公路系統車路耦合發展路徑

　　傳統的智慧高速案例主要依托不同制式的通訊媒介將路側及車輛感知到的廣域駕駛環境信息與駕駛員/自動駕駛車輛進行交互，從而提高交通安全與效率。大多數智慧高速功能板塊建設主要以“離散性”的信息化服務為主，數據采集與管理具有較強的單一性，缺乏數據的互通性與融合性。由于不同功能板塊對于數據的精度、維度與鮮度的要求不同，僅基于設計功能的智慧高速數據應用方案的可持續較低，難以進行產品迭代，從而導致其無法滿足快速發展的自動駕駛產業要求。另一方面，諸多現有智慧高速的設計方案與自動駕駛技術的發展階段不耦合，大多僅作為試點應用，難以有效發揮智慧高速的優勢。

　　因此，在進行智慧高速的框架設計時，必須綜合考慮公路系統與車輛系統的發展階段，從而建立具有工程指導意義與推廣價值的可持續智慧高速發展體系。道路是車輛的載體，從公路系統的發展與演變歷程來看，其呈現出明顯的“耦合”發展趨勢，每一次公路技術形態的升級轉變都受到汽車行業進步與用戶需求激增的影響。因此，在設計新一代智慧高速公路的體系架構時，須充分考慮汽車行業的發展現狀。

　　1886年燃油汽車誕生以來[25]，汽車工業已經逐步實現了平民化，然而道路設施本身的性能不足限制了燃油汽車效率優勢的發揮。在此需求下，1901年柏油碎石路的推廣促進了汽車產業的流水線生產[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、距離產生了更高的要求，具備集中路權與優質駕駛環境的高速公路應用而生，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志了我國公路發展邁入新階段[28]。

　　21世紀以來，車輛發展的“新四化”特征對現有高速公路體系提出了新要求，網聯化、自動化等發展趨勢更加增強了車路之間的耦合關系，促進了車路協同等技術的發展，車路系統從以往的發展“弱耦合”到功能“強耦合”逐漸過渡。因此，新一代智慧高速的技術內涵與體系框架需充分考慮汽車產業的發展趨勢與功能需求。

　　1.2新一代智慧高速的技術特征

　　用戶需求是帶動公路系統技術形態升級的根本動力，公路系統的技術形態升級從物理與數字特性出發，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世紀初，第一次公路技術形態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展，車輛對通行能力和行駛速度的要求進一步提高。

　　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40~60km/h[29]，其技術特征主要以路面硬化與路幅拓寬等物理特性為主，旨在通過結構增強等方法提升已有公路的服役能力，而未對路權特性進行明確劃分，多數公路仍以多種交通方式混合為代表。隨著土地資源不斷擴張，人們的活動范圍進一步擴大，其對城市間交通的通行時間產生了更高的要求。因此，20世紀30年代，高速公路系統應運而生[27]。在此階段，公路單車道通行能力擴大到1800~2400pcu/h，并將車速提升至80~120km/h[30]。

　　其技術特征主要以車道分離、路權集中、全線封閉與固定匝道等物理特性為主，旨在通過建立專屬、高質的車輛高速駕駛環境大幅度提高道路的通行能力。高速公路自產生以來，在世界范圍快速推廣，我國歷經30多年建立了“9縱18橫7放射”的高速公路網體系。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、節能減排等方面產生了新的需求。基于新興的全要素感知技術與低時延的通訊技術可以進一步縮小車頭時距，并保證車輛隊列行駛安全穩定。據估算，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]。

　　其技術特征主要以全息傳感、數字孿生、車路協同等數字特性為主，旨在在現有設施條件下利用信息化手段充分發揮道路的供能潛力。因此，與單純的公路設施智慧化不同，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，滿足新一代載運工具設施要求的全新技術形態。

　　1.3新一代智慧高速的系統內涵

　　新一代智慧高速的系統內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]及以下的人工主導的駕駛車輛，智慧高速主要為其提供可靠的信息服務支持，例如自由流收費、惡劣天氣的安全預警、路徑與速度誘導等;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度角度協同控制車隊行駛，保障車輛在低時距、高速度下的行駛穩定性與可靠性。

　　2新一代智慧高速的系統架構

　　新一代智慧高速的系統架構依據其包含邏輯功能、物理實體和應用類型可分為邏輯架構、物理架構和應用架構。邏輯架構描述了智慧高速系統的功能模塊和交互邏輯，物理架構解釋了智慧高速的系統的物理構成、數據模式和信息鏈路，應用架構解釋了智慧高速系統的實際的工程應用類型。

　　2.1新一代智慧高速的邏輯架構

　　基于新一代智慧高速的系統內涵，其核心在于依托全息感知網絡和數字孿生平臺實現智慧高速物理系統和信息系統的閉環、一體化協同管控。各類基礎設施、交通運行以及環境的動態、靜態數據通過底層感知網絡采集后，在數字孿生管理平臺中進行融合集成，形成標準化、規范化的數據倉庫，并組建構成智慧高速的信息系統，以數據資源的形式服務智慧高速應用系統。

　　數字孿生平臺具備虛擬模型搭建、大數據解析、平行仿真推演等功能，智慧高速應用系統可依據具體的實施場景，從數字孿生層中調取相應的數據資源和算法，實現特定的智慧高速功能，包括但不限于車路協同與自動駕駛、基礎設施智慧管養、伴隨式信息服務、交通精細化管控調度等。底層感知網絡和數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業化發展。

　　3新一代智慧高速推進路徑

　　3.1新一代智慧高速車路耦合發展路徑

　　新一代智慧高速公路是一個車與路相互促進、相互協調的過程，需依賴車路耦合技術升級共同構筑，其成熟的時間既取決于車輛技術水平發展，也取決于公路設施技術的進步。先進的車與落后的路組合會導致效能提升成本昂貴，難以規模化應用;先進的路與落后的組合會嚴重限制道路效能優勢的發揮。從數字孿生層出發，智慧高速公路的發展將經歷數字化、網聯化、全息化三個主要階段。數字化階段將實現對高速公路靜態永久數據對象(道路幾何特征、車道類型、車道連通性等)、靜態臨時數據對象(路域設施性能、交通安全設施完整性等)的高精度描述，形成高精度數字底板。

　　網聯化階段將實現對高速公路動態臨時數據對象的收集和分享，如可變信息板、施工區和事故點、道路擁堵狀態以及路面積雪結冰等，形成動態高精度地圖。全息化階段將實現對高速公路內高度動態數據對象的實時感知，如動態車輛的識別、軌跡追蹤、短時行為預測等，形成局部高度動態地圖。在智慧高速公路三個不同發展階段可與智能網聯汽車形成不同的協同化系統及應用。

　　4結語

　　本文梳理了公路系統的車路耦合發展脈絡，詮釋了新一代智慧高速公路內涵與框架，主要結論如下：(1)結合公路體系演變特征，明確了新一代智慧高速的基本技術特征，設計了滿足發展要求的基本系統內涵與層次。(2)面向不同階段發展要求，提出了新一代智慧高速的物理與應用架構，明晰了各板塊間的交互關系。(3)考慮車路強耦合路線，研判了新一代智慧高速的推進路徑，討論了不同自動化等級與智慧高速等級間的組合服務范圍。

　　參考文獻：References：

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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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