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智慧道路系統的外部配置和內部機制

來源:原創論文網 添加時間:2019-08-23

系統架構師論文經典范文6篇之第六篇:智慧道路系統的外部配置和內部機制

  摘要:為推動智慧道路建設, 增強道路網絡運行的整體感知能力, 實現道路網絡管理、車輛道路協調和旅行信息服務智能化, 全面提高道路網絡運行效率和交通安全水平, 文中考慮車路協同的需求, 提出智慧道路系統框架, 揭示智能道路的外部配置和內部機制, 為智能道路研究和施工提供參考。

  關鍵詞:公路交通; 智慧道路; 道路協調; 智能車輛;

  智慧道路通過收集和傳輸交通信息引導和轉移時間、空間的交通流量, 避免道路擁堵, 加強道路使用者的安全, 減少交通事故, 改善道路交通環境。與傳統道路管理相比, 智能道路的最大特點是采用多種信息傳輸設備, 以信息采集、處理、發布和分析為主線, 提供多樣化的服務。如瑞典的E4公路配備400個太陽能傳感器, 傳感器連接到瀝青和膠水鋪砌的表面, 并與太陽能電池一起工作, 可在幾百米前對冰凍路面、意外擁堵和其他危險情況通過無線網絡向駕駛員提供預報;美國科羅拉多州在285號公路的危險道路安裝傳感器監測車輛的磨損情況, 傳感器與互聯網相連, 為司機提供路網的相關信息;日本Smartway計劃的目標是實現車聯網, 道路為車輛自動駕駛提供必要信息, 所有收費站都不需要支付停車費, 可以更快的速度通行, 道路和車輛可高度協調;中國的"一帶一路"能源部長會議提出"三合一電子高速公路", 即可持續充電的智能高速公路, 其神奇之處在于"在跑步時充電", 道路兩側的黑色部分是光伏道路, 中間的綠色部分是動態無線充電和發射線圈區域, 底部接收線圈可從地面發射線圈接收能量進行無線充電, 它是世界上第一個將光伏路、無線充電和無人技術相結合的應用, 下雪時路面可自行融化冰雪, 且LED道路具有智能引導功能。

系統框架

  1 智慧道路需求分析

  道路智慧化是實現整體交通智慧化的前提, 智慧道路發展方向如下:

  (1) 技術設施數字化。利用三維可測技術、高精度地圖等實現道路設施的數字化采集、管理和應用, 構建道路設施資產動態管理系統;選擇橋梁、隧道、斜坡等構建基礎設施智能監控和傳感網絡, 實現交通基礎設施安全狀態的綜合感應、分析和預警。

  (2) 陸運一體化車路協同。基于營運車輛陸運一體化和路側智能系統, 采用低延遲的寬帶無線通信的5G等專用短程通信技術建立路邊智能基站系統, 選擇具有代表性的道路開展車輛信息交互、風險監測和預警、交通流量監測和分析。

  (3) 北斗定位綜合應用。建設高精度的北斗定位設施, 覆蓋整個示范路段, 在災區實施可靠的監測和預警;探索基于北斗高精度定位的道路收費應用;建設基于北斗高精度定位的道路應急救援綜合管理系統, 進行車輛人員的快速定位和救援力量的快速調度與區域協調。

  (4) 基于大數據的路網綜合管理。建設基于大數據的道路管理與服務智能平臺, 并將其應用于道路網信息采集、調度運行、資產管理、信息服務、應急管理等領域;使用無人機等移動設備改善運營監控和應急響應能力;通過新媒體和公共信息報告等互動渠道實現現場信息收集;開展維護、道路管理和路網事件檢測終端展示, 整合行業相關數據建設路網運行監控系統。

  (5) "互聯網+"路網綜合服務。利用"互聯網+"技術探索新的支付技術;在移動互聯網服務區域內開展增值服務, 如停車位和充電設施的指導與預訂;探索動態充電道路, 實現新能源汽車的動態/靜態充電;在低溫條件下進行準確的天氣預測及車輛道路安全和輔助服務。

  2 智慧道路的基本功能

  智慧之路主要包括智能感知、智能傳輸、智能管理、智能服務、智能充電5個業務模塊, 它們彼此相關又彼此獨立 (見圖1) .

  圖1 智慧道路的基本構成  

  2.1 交通運行狀態監測及分析

  2.1.1 交通基礎設施監測與預警

  運用北斗GNSS高精度位置服務功能, 結合網絡、大數據處理和傳感器技術, 實現對重點道路邊坡的實時、多方位立體監測。監測系統利用傳感和通信技術實時監測各種環境條件下道路的結構響應, 獲取反映結構條件和環境因素的各種信息, 分析結構的安全狀態并評估結構的可靠性。

  2.1.2 交通運行狀態監測與預警

  結合道路網絡交通調查數據收集和服務系統、收費車輛相關數據 (包括ETC收費和人工收費數據, 基于有效的收費車輛數據生成每輛車的車輛軌跡數據, 獲得行駛速度、行駛時間、平均行駛速度、行駛OD和其他數據) , 基于移動電話信令的交通流量分析數據 (行程時間和行駛速度等) 、"兩客一危"車輛定位數據 (由運管局道路運輸衛星定位動態監管與服務系統中駛入道路的車輛軌跡數據, 獲得行程速度、行程時間和里程等) 、全路網車檢器及視頻圖像的交通流分析數據, 同時整合路網運行監測與綜合管理系統中普通道路交通流信息、道路水路安全暢通與應急處置系統中相鄰省份交通流信息, 進行多源信息融合處理, 實現交通運行狀態 (流量、速度、密度) 的采集與分析, 最終實現全路網路況的實時分析和擁堵程度分析。

  2.1.3 交通環境精準監測與預警

  利用精細化智能預報技術、氣象云等, 強化和各部門的融合發展, 提升道路氣象服務能力和水平, 建立高速、精準的氣象感知及預測系統。綜合考慮移動監測信息、遙感監測信息、路面監測信息、路面精準預報信息及交通流量信息等, 建立路面高影響天氣預警模型, 實現對道路高影響天氣的實時預警。建立預警指標庫及預警流程, 實現各類危險天氣條件的預警, 并考慮各業務應用部門的應用場景推送相關預警等級及建議措施。

  2.2 通信

  2.2.1 基于"互聯網+"移動終端的信息服務

  利用移動互聯網實現高速可靠的無線接入服務, 同時具備完善的網絡安全特性和用戶接入控制能力。通過移動互聯網計算分析采集數據, 得到終端的空間位置、行車方向、行車速度等, 實現交通運行狀態估計分析。基于移動APP和公路無線WIFI提供差異化的信息服務, 包括旅游服務、道路服務、娛樂服務等。

  2.2.2 基于車路協同的信息服務

  在路段建設具有多接口數據采集、多種上傳方式、前端存儲及預處理、接入認證和加密上傳等功能的智能路側基站, 實現基于DSRC、LTE-V、802.11P等的無線通信, 使車輛的通信網絡全覆蓋, 提供高可靠、低延時的雙向信息交互通道, 車輛可使用V2X方法獲得用于輔助駕駛的周圍環境信息、交叉口交通信號狀態信息等。車輛通信分為車輛與車輛的通信 (V2V) 、車輛與路邊基礎設施的通信 (V2I) 、車輛與行人的通信 (V2P) 、車輛和網絡 (V2N) 的通信, 統稱為車輛到任意的通信 (V2X) .將智能駕駛系統嵌入智能后視鏡、中央控制面板甚至移動APP, 然后添加連接互聯網的車載終端, 構建V2X輔助駕駛系統, 可為駕駛員提供圖形或智能語音駕駛提示 (見圖2) .

  圖2 車路協同信息服務

  同時, 使用多車道自由流動模式的基于DSRC的交通信息收集裝置與ETC車輛終端通信, 獲取車載單元 (OBU) 的網卡物理地址 (MACID) 和通過時間, 然后上傳到數據中心, 在匹配和處理數據后生成實時交通信息。

  2.2.3 隧道應急信息發布系統

  長隧道需建立基于調頻廣播、有線廣播和緊急電話的隧道綜合應急服務系統, 提高隧道內應急信息發布能力。在正常交通條件下, 調頻廣播轉播電臺節目, 有線廣播和緊急電話功能不受影響且處于在線狀態, 有線廣播可在需要時針對任何區域進行廣播, 緊急電話呼叫也可隨時接通。突發事件發生時, 調頻廣播信號源立即切換到話筒直接輸入或本地存儲音頻, 有線廣播和調頻廣播播放相同內容。利用調頻廣播群載波技術, 不論車輛的收音機處在哪個頻段, 都可接收到實時的應急廣播, 使隧道中車內外人員都能及時準確地獲取應急服務信息。

  2.2.4 交通信號

  在智慧道路中交通信號可被其他通信設備取代。但在現有基礎設施上運行的車輛需能感知并正確解釋交通信號, 而且只采用一種方法不能很好地識別交通信號。惡劣天氣條件會干擾許多需要視線的傳感器, 如低角度的強烈陽光會嚴重破壞汽車感知交通信號信息的能力。這種問題需要多個信號來克服, 但在某些情況下甚至多個傳感器的冗余陣列都可能無法為汽車提供足夠的道路數據。

  2.3 支持自動駕駛的車路協同系統

  2.3.1 路側通信

  采用傳感器和服務于V2X通信的相關設備等路側通信設備, 其中設置在關鍵路段的通信信標可代替交通信號, 提供車輛位置信息及其他功能, 主要用于實現傳統交通設施的聯網。信號、視頻監控等交通管理電子設備的數據都可連接到路側設備中服務于車路協同, 一方面提供給交警用于交通管理, 另一方面支持智能駕駛和自動駕駛。

  沿道路建設智能路側基站 (ITS Station) , 它支持多種數據接入, 具有多種數據上傳通道、多種供電接口, 能保證接入安全并可與已有監控和感知設備融合。智能路側基站作為智能基礎設施互聯體系中的基本單元, 可為各種傳感設備提供多種數據通道、分布式供電、桿件和基礎一體化平臺, 在路段級實現公網與專網融合、有線與無線融合及數據IP化訪問等, 實現高速無線數據交互;結合基于位置的用戶數據應用, 在為終端用戶提供服務時可通過用戶位置信息作為交通狀態感知的新型數據源;能實現數據采集、預處理、分發、接收、存儲、安全管理等功能。

  2.3.2 停車

  隨著智能汽車的普及, 停車場的規模、使用和分布可能發生很大變化。一些專家預測, 由于汽車保有量減少, 某些類型的停車需求可能會大幅減少, 如住宅停車場、換乘樞紐停車場和購物中心停車場。但也需要增加其他類型的停車, 如用于租用的智能車輛的停車場, 預計這種停車設施將集中在某些區域 (如交通樞紐) .

  2.3.3 車聯網

  與車聯網企業合作, 將其車輛信息、交通行業現有道路網運行數據和試點路段的實時感知數據, 通過多源數據融合, 結合已有平臺, 打造支持自動駕駛的車路協同云平臺。

  2.3.4 自動駕駛和車路協同解決方案

  目前已有不少無人自動駕駛技術應用到智能輔助手段的車輛系統中, 如自適應巡航控制 (ACC) 、預測緊急制動系統、預防性安全系統、自動泊車系統、汽車夜視主動安全系統等。根據需求定制試驗車進行無線通信試驗, 將ITS Station和DSRC、ETC與其結合, 并將ETC和手機車載終端結合, 為自動駕駛和道路協調提供更全面的解決方案。

  2.4 高效的綜合管理平臺

  2.4.1 路網基礎信息管理系統

  基礎信息管理系統的主要功能是依托道路相關單位, 建立道路基礎信息數據庫, 供管理各方和社會公眾查詢使用, 主要包括服務區信息管理、收費站及周邊信息管理、道路基礎信息管理、交通工程基礎信息管理、車輛資源管理等。

  2.4.2 信息化設備運行管理

  生命周期管理系統的功能是收集道路上所有監控設備的運行狀態信息, 用于自檢和診斷, 進行交通運輸行業信息設備的運維管理。

  2.4.3 電子地圖綜合展示

  在電子地圖上分層次、分圖層展示路網運行監測與預警信息, 包括基本信息顯示、流量操作狀態顯示、命令和調度動態數據顯示。

  2.4.4 路網協調聯動

  通過道路網絡交通流信息共享進行道路和鄰近國道的誘導分流, 當通過交通流監測與預警模塊確認某路段出現擁堵或突發事件時, 及時獲取相鄰國省道上可分流路段交通流, 若相鄰國省道上車流暢通, 則在道路主線可變情報板發布分流誘導信息, 誘導主線車流分流至國省道;反之亦然。

  2.4.5 重點路段全生命周期管理系統

  通過整合道路建設和質量監督管理與養護管理系統、普通道路網運行監測與綜合管理系統、道路超限治理與移動執法系統的數據, 實現對重點路段的前期勘察設計、建設施工、實驗室測試和運行中養護路政等全過程的數據共享和挖掘分析, 在交通運輸地理信息平臺地圖上分圖層展示重點路段建設項目設計時間、設計單位、工程招標、施工、監理、竣工、開放等靜態剖面數據, 施工期間的進度、資本計劃和使用情況及道路管理案例、養護、影響路面技術的因素等動態數據, 為重點路段養護、路政和改擴建提供數據支撐。智慧道路的道路標記、標志和信號的相關標準可能會比目前的水平更高, 路面也可能需要保持更高的標準, 如減少車道上的坑洞, 因為車輛非常緊密地相互跟隨, 若路面上有坑洞會非常危險, 特別是在高速行駛時。

  2.5 便捷的非現金支付系統

  2.5.1 智能掃碼終端

  使用移動支付技術, 不會影響原始手動充電 (MTC) 和不間斷充電 (ETC) 業務流程, 升級現有收費系統, 在MTC出口收費車道安裝掃描碼終端并連接到第三方支付平臺, 建立移動支付系統。

  2.5.2 無感支付

  "無感覺付款"采用"車牌識別+手機APP"的模式, 實現用戶的自助綁定車牌和支付, 從車輛到達收費窗口到完成支付, 車主不需要任何動作, 可大大提高車輛通行效率。

  2.5.3 自助繳費機

  自助掃碼繳費機安放在收費站前, 車輛駛出收費站時自動計算繳費金額并生成二維碼, 駕駛員利用移動支付端掃描二維碼繳費。

  2.6 能源供給及能耗管理系統

  2.6.1 道路能源供給系統

  根據道路機電設備的用電特點建設能源供給系統, 利用分布式智能供電方式, 當某個節點的機電設備發生短路、漏電等故障時不會影響其他節點的機電設備, 系統的運行穩定性得以提高。同時細化電力監控, 根據精細電力監控數據優化系統的供電質量, 提高機電設備的使用壽命。

  2.6.2 機電設備能耗管理系統

  建設集交互、網絡、感知、智能控制于一體的機電設備能耗管理系統, 采用智能化數據采集與監視控制技術, 提高信息采集精度, 實現道路機電設備用電狀態的快速感知和信息采集及隧道照明燈具的智能控制等。

  通過快速感知、采集和融合機電運行狀態數據、氣候數據、電力數據和網絡狀態數據等, 對機電設備能耗進行在線智能監測與凈化、統計和多維分析, 實現低成本、高精度的能源監測管理、用能設施的健康狀態與故障起因診斷、運營養護策略的決策分析和制定, 實現系統節能供電、智慧供電、能耗精細化監控管理。利用移動互聯網技術, 采用O2O建設模式, 實現線上、線下運維一體化。

  3 結語

  智慧之路是未來智能城市不可或缺的一部分。智能交通是一個巨大的概念, 以智慧之路為切入點, 從小而有限的場景開始, 智能化小場景并連接無數小場景, 創建城市級智能交通系統。智慧道路建設的復雜程度并不亞于建設"智慧交通大腦", 隨著時代的發展, 智慧道路將加入更多的功能。該文對智慧道路的整體架構進行概括, 旨在推動智慧道路建設, 增強路網運營整體感知, 實現道路網絡管理、車路協同和出行信息服務智能化, 提高路網運營效率和交通安全水平。

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