智慧高速公路的工作原理（用戶需要什麼樣的智慧高速公路）

2023-04-18 22:34:48

籮筐智慧高速

2018年2月，交通運輸部發布了 《交通運輸部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》（交辦規劃函〔2018〕 265號），劃定了北京、河北、吉林、江蘇、浙江、福建、江西、河南以及廣東九個智慧公路試點地區，在基礎設施數位化、路運一體化車路協同、北鬥高精度定位綜合應用、基於大數據的路網綜合管理、「網際網路 」路網綜合服務及新一代國家交通控制網等重點方向開展先行先試，由此拉開了我國智慧高速公路建設的序幕。

近五年來，我國各省市的智慧高速公路試點項目如雨後春筍般紛紛啟動，通過「理論探索，科研攻關，先行先試」等舉措，在頂層設計、標準體系、技術創新與產品開發、示範路段建設、產業協同等方面取得了系列成就。

2021年全國建成通車智慧高速路段已達６條，並出現了京雄高速河北段 、 五峰山過江通道公路 、 京臺高速泰安至棗莊段 、 滬寧高速、成宜高速等各具特色的智慧高速試點項目。

但是「體驗感不強」，已成為了行業內一個不敢說出來的痛，甚至有出行者向筆者反映，當他開車在智慧高速上行駛時，沒有感覺到與普通高速公路有什麼不同。

如果在智慧高速上安裝了無數先進設備、綁定了無數高大上的新概念和新理念、投入了巨額人力物力財力，各類用戶仍然對其無感，那麼對投資者來說將無疑面臨巨大的壓力！

用戶面向智慧高速的需求有哪些？

通過以上需求分析，發現各類用戶對高速公路是否「智慧」並不關心，而真正關心的是智慧高速能否為其帶來實實在在的收益。

在我國，目前智慧高速的內涵和外延都處在不斷的演化中，至今在工業界和學術界都未形成統一的權威定義，大都是基於自身視角對其給出了功能性約束。

以下是筆者所在團隊對智慧高速的定義，並發表在《中國公路學報》上。

智慧高速公路系統（以下簡稱「智慧高速」）是一種面向高速公路運營與管理的智慧化物理信息系統，具備高精度的交通信息感知能力、高可靠的信息交互能力、強大的端邊雲計算能力和自主的決策和運行管理及控制能力。

智慧高速採用先進的多傳感器融合技術實現高速公路運行狀態全息感知，基於車聯網無線通信和新一代網際網路等技術，全方位實施車-車、車-路動態實時信息交互，充分支持實時交通信息發布、主動交通管理、 伴隨式信息服務、路側輔助的單車智能與協同駕駛等高級別智能交通系統應用，充分實現人-車-路的高效協同、從而保障高速公路的運行與管理更加安全、高效、環保，且讓出行者具有更加舒適、便捷的體驗感。

（圖片源自網絡）

理想化的智慧高速公路系統應該具備高速公路全要素高精度全息感知、高可靠的信息交互和高度自主的智能化交通管控能力。說得通俗一點就是，理想化的智慧高速應該能在全天候、全路段感知到每一輛車的運動狀態，同時能在各種應用場景下對車輛進行精準管控。

這可不是一件簡單的事情！為了說明其複雜性，我們簡單地舉一個例子進行說明。例如一個100公裡的高速公路（如圖1所示），雙向八車道，假設平均時速50mile/h（約80km/h），按照加州跟馳模型，車輛間距為5個車長左右，每個車長按5米計算，那麼100公裡有多少輛車同時行駛呢？計算結果大約是2.7萬輛！！！（註：我國大陸地區所有民用客機的數量不到4000架，所有鐵路機車數量為2.2萬臺）如果該路段的每輛車以100Hz的頻率向高速公路監控中心發送200位元組的數據，那麼監控中心每秒將收到高5.4GB的數據，如果要進一步實現所有車輛的精準協同管控，這將是世界上最複雜的物理信息系統。

再加上智慧高速系統在感知、通信、決策、控制上存在的不確定性，以及外界自然條件和氣候天氣的不確定性，使得理想化的智慧高速在實施過程中面對更多的挑戰。

智慧高速在設計過程中，還有一個不得迴避的問題是未來相當長的一段時間內，智慧高速的服務對象是有人駕駛車輛，人的個體化差異性和駕駛操作的隨機性，使得理想化的智慧高速公路系統變得更加複雜。因此我們無法將無人工業自動化系統那一套理論和經驗直接搬過來使用。

最近關於智慧高速出現很多新名詞，如：車輛全軌跡跟蹤、全息感知、數字孿生、交通OS、雲上公路等，但是這些新技術大多數解決的是智慧高速一些點上的問題。如何降低其複雜性，提升系統在不確定條件或者異常事件情況下的系統可靠性和魯棒性，還需要從架構設計層面入手。

智慧高速是一種集成了多種新興交叉技術的複雜巨系統，其目標是建設成「安全、高效、綠色、舒適、便捷」的高速公路，通過不斷增強高速公路本身的「感知、決策、控制和信息交互」能力，為各類用戶提供高品質的服務。

為構建一個可滿足不同類型不同層級用戶需求的智慧高速系統，筆者所在的團隊通過走訪全國20多個智慧高速項目現場，並對各類用戶進行深度調研，典型示範工程包括：河北京雄高速，山東濱萊高速，浙江杭紹臺，杭紹甬智慧高速等。調研結果表明：必須設計一個通用性強、結構可伸縮、部件可復用、接口標準化的一體化統一架構，這樣才能保證智慧高速系統在大規模推廣過程中的柔韌性、魯棒性和環境自適應性，且最大程度地降低開發時間和重複開發成本。

筆者所在團隊通過對美國，歐洲，日本的智能交通示範項目的體系架構進行深度剖析。並對國內知名IT企業提出的智慧高速架構進行解構分析，吸收其先進理念和相關技術，在此基礎上，提出了適合我國國情的智慧高速系統，長安大學IntelliWay變耦合模塊化，端-邊-雲一體化的邏輯架構與物理架構。分別如圖5和圖6所示。

其邏輯架構分為頂層架構和底層架構，頂層架構為總體架構，通過信息、物理要素及功能服務進行關聯；底層架構是工程架構，路側、車載設備選配和「端-邊-雲」軟體選配進行關聯，分別解決系統要素的邏輯關係梳理與系統工程實現等問題。

長安大學IntelliWay智慧高速公路系統邏輯架構圖

如圖IntelliWay的物理架構，該架構是一種由中心雲、邊緣雲、車載和路側終端協同運行，具有自下而上逐級數據處理、管控指令雙向傳遞、基於用戶級別和場景需求進行定製化信息服務、根據事件驅動進行自主管控的分層、變耦合、模塊化、可擴展的架構。

它在傳統的車路協同系統架構的基礎上增加了邊緣雲，可以滿足智慧高速系統中需要進行本地實時決策的超低時延類應用場景的需求。

該架構通過感知、計算、通信、控制等技術的一體化融合，實現「人-貨-車-路-雲」之間的高可信信息交互與智能協同管控；同時，通過在高速公路上安裝感知、通信和控制設備，為自動駕駛車輛提供環境感知和車-路通信支持；並且通過邊緣計算實現就近雲端算力部署，可以從時間和空間兩個維度上突破單車智能系統對車輛周邊環境感知能力的局限性。該架構具有多層次、模塊化、變耦合分級三大特點。

長安大學IntelliWay變耦合模塊化高速公路系統物理架構圖

4.1 多層次

IntelliWay系統物理架構從下至上分為感知與控制層、通信層、計算層、數據層、服務與應用層和展示層六個層次，指定了系統物理信息要素在架構中的位置，各層功能如下：

（1）感知與發布層是構建端邊雲一體化智慧高速公路系統的基礎。作為原始數據的直接來源，它綜合運用路側設備、車載設備、龍門架上的各種設備和終端對人、車、路、事件等信息進行感知，可以感知智慧高速系統應用場景內所有移動目標的運動狀態，並將感知到的信息通過通信層向上層傳輸，為上層的決策和服務提供原始數據。

上層通過對這些原始數據進行分析處理，為有人駕駛車輛提供交通信息服務（如：天氣信息、擁堵信息、交通事件信息、安全預警信息），並輔助自動駕駛車輛進行協同控制，從而提升車輛行駛的安全性和道路運行效率。

（2）通信層通過構建集4G、LTE-V、5G、WiFi、光纖、ETC等為一體的基礎網絡架構，為數據、語音、圖像、視頻等的傳輸提供強有力的保障。

通信層為IntelliWay系統提供網絡通信和數據傳輸服務，包括：實現感知與控制層和計算層之間的雙向數據傳輸、邊緣計算伺服器-邊緣雲-中心雲之間的高速數據傳輸、邊緣計算伺服器和感知控制層之間的總線數據通信、服務與應用層-邊緣計算伺服器-車載設備與用戶終端之間的遠程無線通信。

（3）計算層由邊緣計算伺服器、邊緣雲、中心雲的算力資源組成，該層的主要作用是基於邊緣雲和中心提供的算力和數據資源對路側設備感知的原始數據進行處理、融合及分析，並基於事件驅動和應用場景需求為車輛提供交通信息服務和輔助決策。同時計算層還負責路側感知與控制設備的狀態監測、通信控制和任務調度。

計算層將感知、計算、通信融為一體，並採集多級存儲機制，將輸入和輸出數據存儲本地、邊緣雲和中心雲，以降低計算層內部數據傳輸對系統整體通信帶寬的佔用，同時避免多層級數據傳輸產生的通信延時對本地計算實時性造成影響。

（4）數據層主要用於對智慧高速運行過程中生成的交通大數據和模型參數進行存儲、管理、統計和分析。交通大數據包括：高精度地圖數據、車輛軌跡數據、交通流數據、交通事件數據、交通設施數據、機電設備數據、ETC收費數據、應急資源數據與預案、建管養運基礎數據等。模型參數包括各種用於本地和中心運行控制的數學模型參數和人工智慧參數等。

（5）服務與應用層實現智慧高速各元素之間的信息共享，為智慧高速的各種場景應用提供技術支撐，為各類用戶提供面向安全、高效、綠色、便捷目標的各類服務和應用。這些服務包括：交通信息發布、出行信息服務、服務區管理、自由流收費、交通擁堵管理、交通事件管理、應急管理、設施設備管理等各個方面。

（6）展示層主要用於高速公路運行狀態信息和歷史統計數據等的展示，展示的內容包括：全程視頻監控、交通流參數、交通事件信息、施工區信息、養護數據、設備狀態、人員狀態、天氣狀態等。

我們通過研究發現，如果能對智慧高速架構進行自底向上的分層設計，將有助於對智慧高速的相關概念進行科學梳理和分類，形成統一認識；有助於應對不同場景和信息交互不同的需求，降低耦合度，每一層單獨部署，從而降低交通管理運營的綜合成本。

這樣一個架構的好處就是可以針對不同的技術層級，在不改變端網邊雲架構的情況下，選擇不同的軟硬體模塊，提高可伸縮性與互操作性。當層級較低時，只需少量的軟硬體就可以實現這個需求。當需求越來越豐富，對系統的功能要求增高時，只需對該架構添加新的層次部件，升級優化。

4.2模塊化

模塊化是指將系統的某些要素組合在一起，構成一個具有特定功能的子系統，將這個子系統作為通用性的模塊與其他產品要素進行多種組合，構成新的系統，產生多種不同功能或相同功能、不同性能的系列產品，即實現「高內聚、鬆耦合」。

考慮到智慧高速是一個極其複雜的巨大系統，難以實現通用化，IntelliWay智慧高速架構採用了模塊化組件方法設計。將複雜的系統功能分解成簡單，通用的模塊，每個通用模塊完成一個系統特定的子功能，降低系統之間的耦合度，從而構建高速公路車路協同系統通用化的軟硬體架構。

該架構中的模塊化設計在感知層有路側感知設備、路側發布設備和車載設備三個模塊；通信層是一個模塊，在計算層分為邊緣計算、中心雲和路段雲三個模塊。服務層按安全、效率、綠色、便捷和收費分為六大模塊，各模塊之間通過接口調用，以降低原來模塊之間的耦合。

採用模塊化設計就可以讓相關組件批量化生產，相同模塊的復用，可減少再設計成本，在保障良好的體驗延續性的同時，縮短設計周期，提高設計效率；同時在系統運行時，各個組件能獨立完成相關功能，不僅能保證運行效率，也能保證系統穩定性；當需求增加時，只需要對通用模塊進行組合互換或擴展，讓不同的需求共用部件，從而應對需求的差異性，提高系統的設計成本。

4.3變耦合分級

通過調研發現目前智慧高速建設過程中的面臨的一個核心問題是系統建設投資成本較大，投入的資金很難短期收回，系統整體性價比偏低。

我們通過研究發現，如果能對智慧高速進行標準化分級，將有助於基於現有技術的成熟度實現用戶需求與技術供給之間的最佳匹配，降低需求和技術的不確定性；有助於智慧高速各子系統及相關組件的模塊化、標準化、批量化生產，從而大大加速智慧高速的落地化進程。

依據車路耦合關係的演變，未來隨著車聯網、智能感知、人工智慧技術的發展，車-車/車-路之間的耦合關係將進一步得到增強，促進了車路協同等技術的發展，智慧高速中車路系統之間的關係將從「弱耦合」向「強耦合」發展。基於車-路變耦合關係這一特點，我們將智慧高速系統分為L1至L5級（如圖6所示）。

其中，L1級智慧公路具有廣播式交通信息發布功能，車-路之間是一種開環的鬆耦合信息交互模式，交通信息服務不針對特定車輛。車輛與道路之間採用廣播式、非實時無線通信方式進行信息交互。L1級是智慧高速要完成的最基礎工作。

L2級智慧高速在L1級基礎上增加了主動交通管理（Active Transportation Management，ATM）功能。它依賴於精細化的高速公路運行狀態感知數據，車-路之間的信息耦合較為緊密。

L3級智慧高速在L2級基礎上增加了伴隨式信息服務功能。L3級智慧高速的車-路信息交互耦合程度更為緊密，該模式對車輛定位精度和車-車/車-路通信實時性要求較高。伴隨式信息服務是指智慧高速公路系統基於用戶的個性化需求和用戶所處的場景或時空位置，為用戶提供實時、具有場景針對性的信息服務。

L4級智慧高速公路是在L3級的基礎上開設自動駕駛專用道供自動駕駛汽車使用，設置自動駕駛專用道可以將無人駕駛車輛與有人駕駛車輛進行物理隔離，更好地管理混行情況下的交通流，減少無人車和有人車之間的衝突，減少擁堵和事故。自動駕駛車輛可以在專用道上高速行駛並保持較短車間距，從而提升道路的總體通行能力。

L5級是智慧高速公路的最高階段，即「聰明的車 智慧的路」，所有的車都是智能網聯汽車，同時道路上安裝了大量路側感知、智能網聯、邊緣計算等設施。L5級智慧高速的一個顯著特徵就是協同式自動駕駛，無論何種級別的自動駕駛車輛都可以得到道路的服務。

L1-L5 5個不同層級的場景原型系統

項目組基於該架構，搭建了L1-L5 的5個不同層級的場景原型系統,如圖6所示，在相關技術還未完全成熟的情況下，可以依據相關智能交通應用的緊迫性，將智慧高速公路系統依據L1到L5級別進行分步實施，當車路信息交互程度更緊密，層次級別增高時，只需要在低一級系統架構的基礎上添加新的模塊，以實現該層級所需要的功能。在示範區，我們也可以逐級示範，從而推動智慧高速產業的良性發展，提升投資利用率，實現最優的應用效果。

基於信息耦合的系統分級

另外採用模塊化分層物理架構，可以基於圖7的信息耦合系統分級實現系統的軟硬體裁剪，可以在不改變系統端網編雲結構的情況下，通過逐級增強各個層次中軟硬體模塊的功能和性能，逐步提升系統的整體效能，使系統適應於變耦合的技術分級，該架構具有通用性強、結構可伸縮、部件可復用，接口標準化等優點，可以大大降低系統開發時間和開發成本。

當代雲計算、大數據、移動互聯等方面井噴式的發展，為智慧高速系統進一步的技術迭代提供了豐富的技術實現途徑。但具有共識的系統架構和標準體系的缺失，極易導致在智慧高速系統各要素進行技術迭代的過程中，各類示範工程與先導區的系統架構和技術體系形態各異、互聯互通困難，這將阻礙未來智慧高速系統以「點—線—面」的良性融合與規模化發展的演進過程，甚至出現「推倒重來」的巨大風險。

針對上述問題，我國亟需在廣泛徵求調研的基礎上，構建具有廣泛共識且具有良好互操作性、可擴展性和可升級性的智慧高速系統架構和標準體系，從而推動產業良性發展，提升投資利用率。

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