杜豫川-新基建时代的智慧高速系统构建

杜豫川："新基建"时代的智慧高速系统构建

杜豫川：同济大学交通运输工程学院副院长、教授、中国公路学会青年专家委员会委员、中国公路学会交通工程与信息化分会常务理事

一、智能网联汽车与智慧高速

智慧高速公路是在土地资源趋近饱和的条件下，为满足日益增长的交通需求，通过智能化的传感、通讯、人工智能研判等手段而大幅提高高速公路通行能力，满足新一代驾驶工具应用要求的全新技术形态。智慧高速由四个主体构成：底层为广域全息感知，中间层为数字孪生刻画，应用层为车路协同控制，而5G通过通讯通道与算例支持将三个主体连接为一个体系。

➢底层基础：泛在全息感知

毫米波雷达、激光雷达感知技术已达到中试或更高应用阶段。从感知阶段（高清摄像头、毫米波雷达、交通线圈、ETC等），到运算决策阶段（视觉算法与目标跟踪、雷达算法与目标跟踪、边缘融合计算），再到连接阶段（V2X、5G V2X、智慧城市互联等）。

➢中层核心：数字孪生技术

数字孪生交通的本质是路网级数据闭环赋能体系，能够做到信息预判性的反映与信息反馈性的融合。以物理模型、传感器持续更新、运行历史等数据为基础。

➢应用关键: 车路协同控制

智慧高速公路是一个车与路相互促进，相互协调的过程，需依靠车路耦合技术升级才能建立起来，其成熟的时间既取决于车辆技术的发展，也取决于公路设施技术的发展。

二、人开车—车开车—路开车？

➢技术路线对比

首先对辅助智能化、单车智能化、设施共享智能化三条技术路线进行对比。

辅助智能化单向控制：GPS模块、CCD相机探测模块、雷达系统、防撞预警系统；定速巡航、自主并线和根据路面状况自主制动。

单车智能化闭环控制：基于视觉或雷达感知与定位（毫米波雷达、双目摄像头、激光雷达等）；高精地图扫描；车位搜寻，路径规划，控制决策。

设施端网联化集群控制：基础设施端主动控制与管理；环境端感知与定位；V2X or X2V通讯系统；车位分配，路径规划，控制决策。➢单车智能面临的问题

装备成本高昂：自动驾驶车辆包含激光雷达、毫米波雷达摄像头以及IMU等传感器设备，造成每辆自动驾驶车辆价格高昂。

感知能力有限：自动驾驶在无路测设施与车路协同交互下感知距离的能力仍然有限。自动驾驶环境感知能力包括激光雷达，70-100m 环境感知；摄像技术，受环境信息影响；广角成像，受环境信息影响；传感器感知，0-5m临近检测等。

单车智能技术路线在开放道路测试中问题重重：目前存在道路交通设施识别能力缺失、按照交通规则行驶能力不足、应急避险能力存在缺陷等问题。

➢技术路径演进：

驾驶主体从人-车-路的转化

智能公路与智能汽车同步、平衡、融合发展，使人逐渐从驾驶中摆脱出来。从人开车、到车开车、再到车路协同开车，最后到路开车。从驾驶员的双手可以离开方向盘（车向人学习，监督学习阶段），到驾驶员无需盯着行进方向（车开车向车路协同转变，人在紧急情况可干预车的操作，半监督学习阶段），再到驾驶员不再为车辆行驶操心（向路开车转变，完全自学，无监督学习阶段）。

三、5G：为智慧高速而生

5G具有三个明显特征，超高速率、超低时延与超大连接，非常适合成为未来自动驾驶和车路协同的载体。

➢“5G+”自动驾驶

超低时延：E2E时延<5ms，网络时延<2ms。Gbit/km的数据量的实时更新，需要超低延时的通讯支持。

大速率：自动驾驶的大数据需求。根据英特尔测算，假设一辆自动驾驶汽车配备了GPS、摄像头、雷达和激光雷达等传感器，则上述一辆自动驾驶汽车每天将产生约4000GB待处理的传感器数据，需要车辆自身具有超大算力。

➢“5G+” 催化反应

5G+边缘计算

5G架构使得边缘计算发展成为必然，架起了连接数字世界与物理世界的桥梁。5G的低延时、大宽带又促进了“边+云”的“边云协同”时代。

•云计算（非实时、长周期数据）：成本低、拓展性强、使用弹性、部署快捷；

•雾计算：区域去中心化、区域大存储；

•边缘计算（实时、短周期数据）：实时快速、网络流量少、更高的运行效率、更好的数据安全性。

5G+网络切片

与互联网“尽力而为”的数据传输不同，网络切片可提供“始终如一”的低时延和高速率服务保障，能为自动驾驶提供100%的安全决策控制。比如，当汽车行驶于网络拥塞区域（比如演唱会、体育场附近），网络切片技术仍然能优先保障汽车通信的高速率和低时延性能。

➢“5G+”自动驾驶落地场景

示范应用与测试场地纷纷落地。

•2018年9月，房山打造国内首个5G自动驾驶示范区；

•2018年12月28日，全国首条开放道路智慧公交示范线在长沙试运行；

•2019年1月21日，重庆首台5G无人驾驶巴士投入测试；

•2019年1月22日，山东首辆5G无人驾驶公交车上路测试；

•2019年3月11日，首辆5G公交亮相成都，搭载各类5G 应用；

•2019年11月，上海东海大桥5G集卡车队的水铁联运应用。

四、智慧公路应用场景

➢ [高效环保]主动可变的限速控制

加拿大Whitemud可变限速控制：全线通行车辆，总通行时间(total travel time)下降2.6%,总通行量(total travel volume)增长13%, 平均速度提高25%。沪宁高速的无锡段的试验示范。

➢[经济高效]高频时空连续的道路设施性能重现

高频路面状况数据动态感知分析病害发育状态。

➢[经济高效]基于数据驱动的智能养护系统

病害预测、养护策略、优化修补、延长寿命。

➢ [经济高效] 智慧服务区

•服务区智能全息感知系统，保障人流、货物安全；

•基于WIFI数据的用户出行消费画像的精准服务和无人超市；

•自主代客泊车和无等待加油/充电服务；

•自助订餐及智能休息区。

➢[高效安全]基于车路协同的自动驾驶