基于高速公路ETC门架收费设施的车路协同系统探讨
车路协同系统充分利用多种先进的技术手段加深车辆与道路设施之间的关联，从而为解决交通安全、效率及环境问题提供有效的途径[1]。交通运输部2020年8月发布《关于推动交通运输领域新型基础设施建设的指导意见》，在智能公路方面的主要任务中，提出“深化高速公路电子不停车（ETC）门架应用，推动车路协同等设施建设，丰富车路协同应用场景”，将深化ETC门架应用和发展车路协同都列为新基建的任务。相比普通公路，在高速公路应用车路协同具有以下几个方面的优势：高速公路大多处于封闭状态，车辆单向行驶，人对交通的不利影响基本得以遏制，场景相对单一；高速公路建设等级较高，路况条件较好；运营主体权责比较清晰；具备较为完善的机电设施[2]。
一、车路协同关键技术路线分析
车路协同自动驾驶逐渐成为国际公认的未来发展方向和关注焦点，已经步入快速发展阶段。车路通信技术为车路交互与共享提供超低时延、超高可靠与超高带宽的传输，是车路协同的关键技术之一。目前国际主流的车路通信技术包括基于802.11p的DSRC和基于蜂窝的LTE-V2X两大技术路线。
DSRC标准起步早，已较为成熟，主要由美国、欧洲和日本主导，但各国主导自己的标准发展，并不统一。基于蜂窝通信的LTE-V2X在支持车速、宽带、传输速率、通信时延等主要技术指标上明显优于DSRC技术，而且LTE-V2X技术可以平滑演进至5G-V2X。
从建设成本上来说，基于两种技术的通信架构，两种技术的不同点在于V2V模式下的信息交互。在DSRC技术下，V2V的信息交流必须通过RSU，因此需要在路侧大规模覆盖通信网络，存在建设成本高的问题。以上两大主流技术路线的对比分析如下表所示。
虽然LTE-V2X技术在主要技术指标上优于DSRC技术，但目前在我国仍处于试点应用阶段，专业人士分析其走向产业化商用还需要3-5年的时间。2019年我国高速公路完成了取消省界收费站工程，在全国高速公路网内共建设了24588套ETC门架收费设施，全国ETC用户超过2.04亿。ETC门架不仅和收费站、省部级联网中心均建立了可靠的通信链路，并配置有可靠的网络安全系统、完善的供电及管道资源等配套设施。取消省界收费站工程建立了车路协同基础设施网雏形，为车路协同的应用奠定了坚实的基础。利用高速公路ETC门架收费设施建设车路协同系统，可以解决采用DSRC技术带来的建设成本高的问题，并推进车路协同技术发展的进程。同时，ETC门架收费设施可以采集到高速公路最全面的海量数据信息，为车路协同系统提供数据支撑。
二、ETC+车路协同系统应用场景分析
车路协同系统典型的应用场景，大致可以分为三大类，包括安全类、效率类和信息服务类。目前，我国大部分高速公路采取相对封闭的状态，安全类主要包括碰撞预警、紧急制动预警、异常车辆预警、道路安全预警、弯道速度预警等。效率类主要有高优先级车辆让行、协作式自适应巡航、前方拥堵提醒、专用道路管理预警、自动泊车、路线指引和导航等。服务类包括服务信息公告、车辆远程诊断、V2V数据传输、高精度定位、媒体下载、地图下载和更新、紧急救援等。
可根据物理区域的划分，将高速公路分为匝道出入口、通行路段、服务区/停车区等三大区域，不同的区域选择配置不同的应用场景。系统在出入口、道路主线场景可实现碰撞预警、盲区预警、变道辅助、拥堵提醒、服务信息公告等应用。在通行路段可以结合路段特征，比如紧急弯道，长大下坡等路段，分别实现弯道速度预警、紧急制动预警等应用。在服务区/停车区场景可实现安全驾驶辅助提示、碰撞预警、自动泊车等应用[3]。另外，系统还可应用于货车编队或远程驾驶，货运物流车辆可通过编队或远程驾驶等方式来降低人力成本，提高通行效率。紧急救援、高级优先车辆让行、紧急车辆信号优先权可在应急救援场景应用。
三、系统建设方案
（一）系统总体框架
基于高速公路ETC门架收费实施的车路协同系统（见图1）主要利用ETC门架收费设施作为路侧感知设施，感知安装了OBU的车辆，获取交通流量、拥堵、事故等交通事件信息等。路侧设备感知的信息通过现有传输网络传输至云控平台，经过云控平台的数据处理以后，再通过路侧设备，向过往车辆发布交通管制、天气变化、限速、前方事故和拥堵等信息，从而提高道路的交通通行能力和管理效率。基于高速公路ETC门架收费设施的车路协同系统，除了无法实现车间通信V2V外，其他场景基本可以通过对已有ETC系统进行软硬件升级而实现。
（二）系统构成及功能
1、智能路侧感知设备
目前智能路侧感知设备功能比较单一，而具备高精度定位、边缘计算、高可靠车路通信、主动安全协同辨识等功能的智能路侧设施是下一步的发展方向。利用ETC门架收费设施现有的路侧单元（RSU）、摄像机作为感知设备的主体以外，还可以在ETC门架上加装智能跟踪雷达、路侧边缘计算单元等设施，从而获取更为丰富的视觉信息、距离信息和车辆状态信息等，为安全、高效的出行提供基础数据支撑。
智能路侧感知设备不仅是多源传感信息融合的数据基础，还能通过边缘计算应用降低数据采集和处理的时延。
2、智能车载终端
车路协同的实现程度取决于车辆的智能程度，装有车路协同车载终端的用户可以实现丰富的车路协同功能。少量未装设智能车载终端的车辆，则可通过APP、广播等设备接收信息实现一定意义上的车辆协同功能。也可以通过路侧设置的可变信息标志来接收道路运行状态等信息。智能车载设施由车载智能终端和智能计算平台等组成，具备车路通信、定位、处理和人机交互等功能。可对现有车载OBU进行硬件升级，考虑OBU与车载导航、行车记录仪等设备的结合，通过音视频实现信息的可达。
3、通信传输系统
除了车路通信以外，车路协同还需要具备高速可靠低延时的通信通道，将智能汽车、智能道路、云控平台三者有效连接在一起。基于高速公路ETC门架收费设施的车路协同系统，主要把RSU作为DSRC网络接入点，利用DSRC车路系统通信技术完成车路之间的通信传输。RSU应该和其他监控设备建立有效对接，对接方式由后台端口获取和前段协议获取[4]。同时，在高速公路车路协同场景中大范围的覆盖4G/5G网络，使得车辆在未与DSRC热点建立连接之前，通过与4G/5G网络接入点建立连接完成基本的通信。而当车辆驶入DSRC接入点的覆盖范围时，建立与路侧节点间的通信，实现大数据传输，并在此过程中完成交通信息的采集[5]。智能路侧感知设备与云控平台的通信则可借助现有的ETC门架与收费站、省部级联网平台的通信链路。
4、高精度地图
高精度地图应该为车辆纵向加减速和横向转向、变道等决策提供精确定位、精准车道预测、辅助环境感知等功能，保证协同车辆在任何环境下的安全，是车路协同的关键技术之一。
5、车路协同系统云平台
云平台是车路协同系统的大脑，包含云控基础平台以及云控应用平台。云控基础平台提供车辆运行、基础设施、交通环境、交通管理等动态基础数据。同时基于智能路侧感知设备和智能车载终端获取的海量的精细化、动态数据，通过深度学习、大数据分析等技术，对车辆、道路和环境进行综合分析，实现对道路的监测和管控，对车辆的路径规划以及引导和控制[6]。
6、信息交互安全
信息交互安全技术能够为车路协同建立安全的通信信道，确保信息的双向认证，是车路协同的关键技术之一。
信息交互安全技术的研究主要聚焦云安全、管安全、端安全三个方面。云安全包括数据加密、数据混淆、数据脱敏、数据审计等技术，管安全包括通信加密体系、身份认证体系、证书体系、防重放、防篡改、防伪造等技术，端安全包括车载安全网关、安全监测监控系统、车载防火墙、车载入侵检测技术，未来将构建“云-管-端”数据安全技术框架。
四、智能路侧感知设备增强方案
高速公路被路网内出入口匝道互通和高接高的枢纽互通划分为若干个区段，在每一个区段内都设置了ETC门架。截至2019年底，全国约14.26万公里的高速公路上设置了24588个门架。目前高速公路上除了ETC门架以外，还设有其他设施的门架或立柱，在相关需要加强车路协同协作的路段，可以利用现有门架或立柱增设路侧采集设备。如果没有相应的门架或立柱，可以考虑在路侧设置立柱，安装RSU设备等感知设备完成信息的采集和交互。ETC门架上设置的RSU面对车辆正向布置，可以与路侧补充的侧向设置的RSU协作完成信息的采集和交互。ETC门架的布设综合考虑使用效果和通信、供电的便利性，大多数在匝道互通附近布设。考虑车路协同应用场景，可以根据实际情况增设立柱式路侧感知设备。
（一）高速公路匝道出入口
高速公路的匝道出入口存在车辆的汇聚，容易发生拥堵碰撞，应为主路上的车辆和驶入或驶出匝道的车辆提供全面的车辆行驶信息。目前，一部分匝道出入口的附近设有ETC门架。匝道出入口不在RSU通信范围时，可以增设立柱补充设置采集设备。高速公路匝道出入口路侧RSU布设如图2所示。
（二）高速公路通行路段
在高速公路通行路段，陡坡、弯道、长大下坡、桥梁、隧道等特殊位置，一般都不适合设置ETC门架。这些路段应该通过增设立柱式感知设备来完成弯道速度预警、碰撞预警、紧急制动、前方拥堵提醒等应用。高速公路陡坡处路侧RSU布设如图3所示。
（三）高速公路服务区/停车区
在服务区/停车区，存在车辆进入和驶出，车辆需要完成停泊，相关人员会在内部行走，并发生加油、购物等行为。可在服务区/停车区实现安全辅助驾驶、智能车辆停泊、碰撞预警、服务信息公告、智能支付等应用，服务区/停车区前后区域在没有可利用的RSU设备时，可以增设立柱补充。规模较大的服务区内，也可以补充RSU设备。高速公路服务区路侧RSU布设如图4所示。
五、结束语
车路协同发展会让我们的出行生态发生颠覆性变化，完成车辆安全控制从自主模式向协同模式的转变。DSRC作为比较成熟的国际主流车路通信技术之一，有广阔的应用前景。考虑高速公路ETC门架收费设施与车路协同的融合发展，可以降低初期的投入成本，推动车路协同技术的进一步发展。
参考文献
[1] 王云鹏,易振国,夏海英,等.基于流行病模型的车路协同预警信息交互方案[J].北京航空航天大学学报, 2011,37(5)：515-518.
[2] 杨晓寒,暴连胜,顾思思,等.高速公路车路协同自动驾驶条件及技术研究[J].公路交通科技（应用技术版）,2019(2): 262-266.
[3] 李新洲,汤立波,等.高速公路车路协同应用场景分析[J].信息通信技术与政策,2019(4): 12-17.
[4] 杨澜,马佳荣,等.基于车路协同的高速公路车辆碰撞预警模型[J].公路交通科技,2017(9): 123-129.
[5] 黄佳丽.车路协同系统高速公路应用浅析[J].中国交通信息化,2019(10):139-140.
[6] 高艺嘉,孙雨,郭沛,等.灾害天气下高速公路车路协同应用场景研究[J].中国交通信息化,2019(10):102-105.
（原文刊载于2020年第11期《中国交通信息化》）
作者：周兰孙1,2，郑豆豆3（1.交通运输部公路科学研究院；2. 北京交科公路勘察设计研究院有限公司；3.河北冀翔通电子科技有限公司）
