5G助力高速公路数字化转型发展

文/图 中国移动（上海）产业研究院 王宇欣 戚新洲 魏艺乔 刘诗虎

5G、云计算、人工智能等数字技术的飞速发展，为承担大量公众出行和物流运输的高速公路领域带来新的发展机遇，智慧高速公路成为当下国家交通基础设施建设的重点和热点。

智慧高速的发展背景

近年来，我国高度重视高速公路数字化和智能化的建设发展，国家部委连续出台《交通强国发展规划纲要》《数字交通发展规划纲要》《交通运输领域新型基础设施建设的指导意见》等政策规划，提出加大新型基础设施投资和建设力度，支持实体经济高质量发展。其中，“新基建”作为交通运输部在交通运输领域落实国家提出的新型基础设施建设的重要举措，明确指出要实现泛在感知设施、先进传输网络对交通运输行业深度覆盖，推动智慧公路基础设施规划、设计、建造、养护、运行管理等全要素和全周期数字化水平的提升。

目前，我国智慧高速正面临着前所未有的发展机遇，政策红利、行业需求、技术创新将大力推动高速公路从传统机电系统向智慧交通系统转变，在“新基建”“交通强国”等政策驱动下，以高速公路长期存在的事故、拥堵、污染等痛点为抓手，通过集成5G新一代信息通信技术，实现高速在“建、管、养、运”四个方面全方位升级，路网数字化、管理协同化是公路交通未来发展的趋势所在。

基于5G的“3+1+1+N”智慧高速系统框架

面向“精准感知、精确分析、精细管理和精心服务能力全面提升”的建设目标，我国高速公路目前存在若干亟需解决的问题。视频监控碎片化，尚未实现视频监测全联网、全覆盖与智能化，难以满足路网运行、突发事件处理和提供优质出行服务的需求，针对这一问题可通过视频无线上云，通过云平台的AI能力处理原始视频数据，识别流量、事件等信息；车与路协同缺失，信息感知全面性和实时性不足，车与路交互缺失，驾驶员的出行安全和效率得不到保障，针对这一问题可利用5G的覆盖优势，与车路协同网互补，实现车路信息的全面触达；针对智能养护手段缺乏，传统人工管养成本高、招工难、效率低、事故多发的问题，则需引入新技术，提供轻量化、低成本的管养手段。因此，通过交通新型基础设施建设加快新、老基建融合，可为高速公路的发展持续提供新动能。

5G如何赋能高速数字化

搭建5G 的智慧高速系统框架

基于5G、人工智能、大数据、边缘计算等先进技术，以触及大众、深入管理、服务运营为总体目标，智慧高速系统采用“3+1+1+N”架构，面向以感知设备、管养设备和车载设备为主的三类终端设备，搭建一张5G网作为基础网络，建设一个5G智慧高速平台，打造包括5G视频无线上云、5G伴随式信息服务、5G施工区主动安全预警在内的N个智慧高速应用，提高道路安全和运行效率，提升管理运营高速公路的能力。

打造智慧高速5G 行业专网

2019年是5G正式商用元年，包括中国移动在内的三大通信运营商纷纷布局5G技术的垂直行业应用。交通行业的“移动”属性与5G天然契合，具有广阔的应用空间。5G作为传输管道，可实现“端-边-云”的互联互通，为感知设备、车端设备和管养设备与平台之间提供低时延、大带宽、高可靠的数据交互服务，成功应用于多个智慧高速建设项目。随着3GPP R16版本的完成，通过eMBB、uRLLC、mMTC三大应用场景和MEC、切片等关键技术的应用，可以为高速公路打造高品质的5G业务专网。

无线侧充分利用700兆赫兹、2.6千兆赫兹、4.9千兆赫兹的多频组网技术，通过“多频协同”取得良好的网络性能及效益。700兆赫兹及2.6千兆赫兹频段网络覆盖能力强，能够提供车流量较小、带宽需求较小的大范围覆盖，可减少网络覆盖成本；4.9千兆赫兹频段可提供更高的速率体验且使用灵活，可补充车流量较大路段的网络容量，满足业务需求。

智慧高速的不同业务对网络性能要求存在差异，如传输视频侧重大带宽性能，信息下发侧重低时延性能。此外，为了保障智慧高速业务的数据安全，智慧高速业务通信网络需要与其他行业和个人用户的通信业务隔离，并按照智慧高速不同业务分区隔离数据。因此，可通过切片技术定制智慧高速的专用5G网络，按需编排各项业务所需的核心网网元，从接入、传输和核心网三个层面制定不同等级的安全隔离方式。

通常，5G核心网的UPF位于省网或地市核心网机房，对全部的融合感知、计算决策数据集中化会造成业务时延过高、出口带宽过大等问题，从而限制5G智慧高速平台的性能。因此，通过在高速公路附近接入机房适时建设UPF和边缘计算服务器，可实现本地路侧、车端数据的实时融合处理分析。通过数据流和控制流的分离实现信息的低时延交互，可满足本地卸载、数据低时延和大带宽的需求，能够实现定制化专网的诉求。同时，与路侧超边缘计算服务器及中心云结合，可实现多级边缘计算“边-云”协同架构。

名词释义

3GPP：第三代合作伙伴计划（3rd Generation Partnership Project），为国际性移动通信领域的标准化组织。

R16：Release 16，3GPP制定的5G第一个演进标准，于2020年7月3日正式发布，推动5G在垂直行业的应用。

eMBB：增强型移动宽带（Enhanced Mobile Broadband），主要表现为大于10Gbps的峰值速率。

uRLLC：低时延高可靠（Ultra Reliable &Low Latency Communication），主要表现为毫秒级时延。

mMTC：海量物联网通信（Massive Machine Type Communication），主要表现为可达每平方公里百万连接（数）。

MEC：多接入边缘计算（Multi-Access Edge Computing），通过在接入网侧部署计算能力，使得在接入网侧也可使用云计算技术实现通信、计算的统一与融合。

UPF：用户面功能（User Plane Function），为5G核心网的网元之一，主要支持用户业务数据的路由和转发、数据和业务识别、动作和策略执行等。

5G CPE：5G终端设备（5G Customer Premise Equipment），可将5G通信信号转换为本地局域网信号，以供用户设备使用。

QoS：网络服务质量（Quality of Service），网络业务服务质量包括传输的带宽、传送的时延、数据的丢包率等。

OBU：车载通信单元（On Board Unit），可通过无线网络实现车与车、车与路、车与平台间的实时通信。

5G消息：由传统短信业务升级的运营商富媒体消息业务，支持文本、图片、音频、视频等多种媒体格式。

GNSS：全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System），包括GPS、GLONASS、GALILEO、北斗等。

建立5G 智慧高速平台

5G智慧高速平台作为整个方案体系的大脑，由车路协同和道路管养两大业务子平台构成，为公众提供全方位、高可靠、低时延的出行信息服务，为交通基础设施管理养护提供高效、精准、闭环的运营管控服务。

5G伴随式信息服务

车路协同子平台可实现全要素感知数据汇聚，具备数据融合、辅助计算能力，可实现事件AI检测、路网状态分析等功能，可支撑大范围信息共享、远距离预警、超视距感知等关键应用，提供道路交通信息下发、道路安全预警及道路通行效率提升等多应用场景。智慧管养子平台可建立交通基础设施的数字档案，具备物联监测、数字化检测、日常养护管理、设备管理等功能，可提供结构物健康分析、人机物料安全管理、管养决策分析与规划等服务。

研发智慧高速服务应用

针对视频联网、车路协同、道路养护等方面的需求和痛点，依托5G网络拉通路侧、车端和平台，由智慧高速平台汇聚数据和实现应用，打造5G视频无线上云、5G伴随式信息服务、5G路面检测等多个应用，为公众提供辅助驾驶服务，为高速运营方提供智慧养护服务。

5G视频无线上云。由于部分路段链路施工难、代价高，可通过前端摄像头集成5G模组和视频上云网关连接5G CPE等方式把无线视频回传至省级视频云联网平台，同时移动5G网络的视频业务可部署下沉UPF和MEC服务器，采用网络切片方案保障各业务的QoS和业务的安全。

5G伴随式信息服务。根据《合作式智能运输系统车用通信系统应用层及应用数据交互标准》等相关准则，智慧高速云平台车路协同子平台通过5G网络实时下发全量交通信息、环境信息、危险预警信息、服务信息，以OBU、手机App、5G消息、智能网联后视镜等多种方式触达公众，提供全面的伴随式出行服务，提高道路安全、运行效率及服务体验。

5G施工区主动安全预警。为了保障养护施工人员在作业时的生命安全，在路侧部署移动式感知系统、智慧锥桶和5G云广播系统。基于5G网络，移动式感知系统感知来车方向的车辆轨迹，并将路侧感知数据和智慧锥桶位置实时上传至平台，平台评估车辆碰撞现场人员的风险，并将危险信息快速下发至5G云广播系统，及时向现场人员预警。

5G无人机巡检。针对巡检工作量大且效率低、条件恶劣且危险、事故处理困难且耗时耗力等问题，无人机巡检可通过5G网络传输数据和控制指令，业务服务器可提供视频回传、违章抓拍、事故定位、应急救援等应用。

5G路面检测。通过后装改造高速运营方的车辆，安装高精度工业相机、三轴加速度传感器、车载AI平台和GNSS设备，打造轻量化道路检测系统，以车辆巡检方式检测路面平整度及裂缝、坑槽等路面病害，并将数据通过5G网络上传至平台分析处理，生成养护策略和方案。相较人工巡检方式，5G路面巡检可使道路综合检测效率提高3倍以上。

随着5G、车路协同、人工智能等技术的发展和成熟，面向高速公路在“建、管、养、运”等方面的数字化需求，基于5G的低时延、大带宽能力，打造“3+1+1+N”的智慧高速系统，构建“5G+智慧高速”新业态，将实现高速公路的“可视、可测、可控、可服务”，不仅能够为公众提供驾驶辅助服务，还能为高速运营方提供道路管理服务，保障出行公众的生命安全，提升运行效率，降低运营成本，助力高速公路数字化转型。