基于车路协同场景的智慧高速节能减排研究

宋勇

（广东新粤交通投资有限公司，广东 广州 510000）

0 引言

在当前信息时代下，汽车产业也向着智能化方向发展，智慧高速节能减排是推动高速公路产业发展的重要举措。此智能系统主要通过传感器来监测车辆的运行，但是这种系统无法应对复杂变化的道路交通环境和突发的交通状况。而应用车路协同技术可以有效解决该问题，以更好地推动智能网联汽车的发展，提高智慧高速应用水平，该技术也是未来智慧高速建设的主要发展趋势。当前车路协同技术主要应用在路侧单元设备中，通过车载终端的5G 服务单元为车辆通行提供高宽带、低延时、超可靠的多媒体通信网络服务，但是也会导致车辆的电能资源消耗过大。

在“十四五”规划期间，政府在工作报告中明确提出了要应对全球气候变化、实现绿色低碳发展作为主要目标，将降低能耗和节约资源、保护环境作为交通运输行业的主要发展目标。这就需要从道路交通工程规划、设计、施工建设、运行维护等几个方面入手，积极践行低碳、绿色、可持续发展的理念，加强工程建设管理，促使高速公路向着绿色、节能、低能耗的方向发展。

1 车路协同场景下的智能车路协同场景概述

智能车路协同场景是指在当前智慧交通网络体系中构建的核心范畴，根据我国交通运输部门提出的数字交通发展相关要求，需要推行公路互通枢纽节点为核心的交通感知网络覆盖，通过网络技术等多层次、多领域、超时空地采集公路整体运行的全部数据信息。在处理全部数据信息后可以更好地指导车辆的运行，对车辆进行安全预警控制和道路管养，最终实现“人-车-路-云”的目标，同时需要根据具体情况及时调整参数，以此构建现代化的智能车路协同系统场景[1]。

在车路协同场景下的智能车路协同系统主要由车路协同技术发挥着支撑和核心作用，其技术原理如下所示：在智能路侧感知节点下，通过无线通信技术获取感知设备采集的车辆和道路数据信息，通过云协同演算和优化等技术实现数据信息的共享，然后通过厘米地图精准定位，创建真实模型，最终通过车路协同交通事件智能化平台配合车路协同道路监控设施的运行，以更好地把握道路的具体运行情况、交通事件预警播报、道路设备的感知信息等，并自动生成针对性的精准策略和方案，自动发布相关信息。当前的主流车路协同技术主要有蜂窝通信技术和DSRC 系统，其中DSRC 系统主要分为OBS 和RSU 两个子层级，在这两个子层级内可以在特定位置更好地获取高速公路上的车路信息，实现双向通信，确保在通信线路完整的基础上最大限度地减少干扰因素的影响，更好地采集、传输数据信息，实现有机链接。该系统出现时间早、技术体系成熟，已经被广泛应用到电子停车收费系统汇总中，但是该系统还有一定缺点，比如频谱利用率低下、通道存在竞争、硬件设施维护成本高、长距离网络波动大等。

蜂窝通信技术是在原有通信技术的基础上出现的，工作频段较为集中，具体包括分布式和集中式两种。分布式是以临近通信服务为前提，获取基础的数据信息，具体包括位置、时间、速度和频率等，可以为人们提供一种实时可靠、高敏感性、高密度的交互体验式数据信息。集中式可以为人们提供一种实时敏感性的数据信息，需要通过中高端和预留端口进行，为司机自动驾驶提供信息数据服务[2]。

2 车路协同场景路侧设备运行状态分析

在高速公路车路协同场景设计的过程中需要根据管理现状和建设要求，科学分析高速公路的线形特点（以往的车辆会从特定的入口进入高速公路中，在行驶一段时间后从特定的出口驶出），针对其运行的这种特点，需要在车路协同场景路侧选择覆盖范围广的设备，并根据车辆的行驶距离科学设置设备，实现整个线路的全面覆盖，为后期高速公路管理和车辆的运行等提供针对性的数据信息服务和技术应用服务。但是因为车辆移动速度快，单一通过一套路侧设备，是无法全面覆盖的，需要根据不同车辆提供不断变化的车路协同服务，这就会对原覆盖范围内的车辆停止提供服务，对于一些没有行驶到覆盖范围的车辆也不会提供服务。针对此问题，可以通过引入节能减排技术来解决，确保路侧设备可以自动停止、自动调整、自动运行。可通过安装的传感器自动识别是否有车辆通过，如果没有，可以自动切换到低功率运行模式，在这种运行模式下主要有两种运行状态：第一，休眠状态。如果路侧设备覆盖范围内没有任何车辆通过，则路侧设备会自动切换到低功能运行状态，以此减低能耗、降低成本、节约能源。第二，正常运行状态，如果路侧设备覆盖范围内有车辆通过，则路侧设备会切换为正常功率，以确保为不同的车辆提供针对性的车路协同服务，此时功耗最高。比如，在某一条高速公路单向行驶的方向上，可在连续无缝式路段处设置多套路侧设备，并明确每套路侧设备的覆盖范围。对车辆行驶的方向和没有进入覆盖范围内的车辆都进行计算，遵循节能降耗的理念；对已经行驶进入覆盖范围内的车辆和没有行驶在覆盖范围内的车辆都进行计算，得出不同运行时段的功耗情况，并在设备识别车辆后自动切换状态，以此节约能耗[3]。

3 路侧设备数据共享与协同系统架构建设

在具体构建路侧设备数据共享与协同系统架构时，需要根据节能降耗的方法，统一调配全路段的网车路协同设备，并通过前端传感器的精准感知和数据通信共享，创建一整套车辆行驶轨迹的预测和感知识别修正模型，最大限度地感知车辆的运行方向、速度、位置后，通过系统终端和其他设备数据信息共享，准确把握车辆的行驶轨迹，从而统一调配全路网车路协同设备的运行状态。在高速公路车路协同、场景数据信息共享和协同系统架构下，分别设置有激光雷达、无线基站等数据信息采集层、传输层和基础支撑层等设施设备，通过数据信息采集、数据信息交换、数据自动处理、数据信息共享和传输的不同模块，更好地协同处理车辆的运行过程，确保车路协同场景可以正常运转，并创建大数据应用分析模型和数据库，为高速公路的现代化发展提供依据。具体的车路协同场景数据共享和协同系统架构具体如图1 所示。

图1 车路协同场景数据共享和协同系统架构

3.1 布设路侧智能设备

根据现有的路侧设备的智能属性进行分类，具体包括：第一，智能基础设施。比如通信信号灯、可预测信息发布系统。第二，智能传感设备、激光雷达、毫米波雷达、高清识别系统、风光烟雾传感器。第三，通信基站。比如，芯片和模型、边缘计算等。通过交通运输部门的车路协同试验结果可以发现，如果运行距离大于特定距离，则会出现通信延迟的情况，数据信息获取失败。如果运行距离处于标准范围，则场强信号平均数值符合要求，则获得的数据丢包率和通信延迟符合预期标准。

3.2 创建通信传统平台

对现有的ETC 门架系统RSU 进行升级、改进、优化，将其作为车路协同系统基础层通信网络的连接点，然后通过协议和终端的开放处理，将感知层设备进行组网连接，并将现有的门架—收费站—省中心三级公路环网进行连接，作为车路协同系统的通信链路。在现有ETC 门架系统没有覆盖的范围，比如互通枢纽、桥隧、服务区等，采用蜂窝通信技术提供大宽带、低延时、高效率、多频谱的车路协同基础层通信系统。

3.3 创建车路协同系统云控平台

云控平台是车路协同系统的中枢神经网络，根据我国5G 车联网发展要求，在构建云控平台时需要设置车路协同业务服务模块和机电设备维护管理模块、云边协同开发和推进模块等，且在云控平台上也可以设置数据存储、大数据分析与计算、信息回传、信息安全等服务机制。总之，人们在具体构建时需要根据高速公路通信链路特点，构建终端-边缘计算节点、区域云物理架构等，在终端-边缘计算节点需要根据数据信息共享和融合要求，在道路两侧布置ETC 门架服务器、移动通信基站，其优势包括：就近处理数据的产生和转化、传输，降低终端响应延长率，节约时间；降低宽带运行成本，减轻云端压力，实现数据信息的集中配置；在网络异常波动的情况下需要在不影响终端间实时数据交互的基础上，在通信正常时更好地将本地存储的数据信息传送到云控平台中[4]。

4 路侧设备降耗计算与分析

人们在具体计算路侧设备对于进入覆盖范围内行驶车辆的未来休眠时间长度和工作时间长度、休眠时间段和工作时间段时，操作如下：

第一，在某一段高速公路中设置多台路侧设备，在明确这些路侧设备的总体覆盖范围长度后，需要考虑如何实现全部车辆的协同服务无缝覆盖后，根据高速公路路段总长精准计算路侧设备的覆盖范围长度。

第二，对于某一辆已经行驶进入路侧设备覆盖范围内的车辆，可以通过采集层采集车辆的运行速度和位置等相关数据信息，再将数据信息录入路侧设备后台系统中，确保和其他路侧设备之间实现数据信息的共享。后创建高速公路行驶轨迹的模型，并与路侧设备之间实现数据信息的共享、协同，最终根据具体的行驶情况及时纠正轨迹，在此过程中也需要精准计算路侧设备对于进入覆盖范围内行驶车辆的未来休眠时间长度和工作时间长度、休眠时间段和工作时间段。

第三，对最终的计算结果进行分析。处于同一时间段的路侧设备在为多个车辆提供服务时，若每一辆车的行驶速度不同、地理位置不同，则路侧设备预测为休眠时间段和工作时间段也是不同的，具体表现在以下两个方面：在某一个特定的时刻，如果有2 辆车已经进入路侧设备的覆盖范围内，则可以通过坐标轴计算时间和位置，识别不同车辆进入覆盖范围内的行驶轨迹。如果发现在某一个时间节点处的服务车辆数量大于2，则计算的车辆预测休眠时间段和工作时间段是重复的。在某一个特定的时间段，如果有1 辆车进入路测设备的覆盖范围内，此时服务的车辆数量为1 辆，则车辆的预测工作时间段是独立的。通过分析和计算以上不同路侧设备的总预测休眠时间段和总工作时间段，可以发现不同路侧设备测量的预测时间段有一定的交集，最终根据以上这些时间的计算可以进一步计算出单元路侧设备的运行状态和功能，具体如下所示：

如果路侧设备处于休眠时间段，此时会切换成休眠低功率状态，则可以确定最低功率的时间段；如果路侧设备处于工作时间段，若切换成正常功能状态，则可以确定正常消耗功率的时间段，通过以上方法可以计算出此时高速公路协同设备的总功耗数值。总之，在节能降耗的理念下对车辆协同场景路侧设备下的车辆能耗进行计算发现，相比传统的功耗数值，这种方法可以更好地调节和改善路侧设备的运行状态，有效实现节能降耗的目标。

5 结语

总之，为了更好地推动智能交通运输行业的健康发展，打造智能交通网络体系，就需要引入节能降耗的思想理念，需要设计一种服务于高速公路车辆的车路协同场景的路侧设备，以便更好地监测和控制车辆在运行过程中的行程轨迹和功耗。通过路侧设备后台的调节和控制，降低能耗，最终实现高速公路车路协同场景服务的高效率、高质量运行。