作者：王阳生（福建省高速公路信息科技有限公司）
摘要：本文从政策、市场、技术、产业、标准等方面对智慧高速与5G相关的场景、发展趋势进行了探讨，对5G融合智慧高速应用、方案、商业前景进行了分析，以期对未来5G与高速行业的有机结合给出预判和指引。
智慧高速的目标主要是提高高速公路的安全性及运行效率，同时，为高速公路参与者提供交通信息的广泛应用与服务。5G+智慧高速旨在通过5G技术与智慧高速行业深度融合，推进网络资源、数据资源、计算资源赋能高速发展，构建泛在先进的高速信息基础设施及新型高速业务体系，更好地服务人民。第五代移动通信技术（5th generation mobile networks或5th generation wireless systems，5G）是最新一代蜂窝移动通信技术。其峰值理论传输速度可达10Gbit/s，比4G网络的传输速度快数百倍。5G具有大带宽、低时延、多接入三大特性，应用于智慧高速上，扩大了交通信息采集量及传输速度，催生出了新的数据处理模式。MEC即多接入边缘计算，未来对于靠近车辆的移动通信设备，如基站、路边单元等将部署车联网的边缘计算，来完成本地端的数据处理、加密和决策。MEC为智能高速、网联车提供本地化、低时延业务能力，通过高速网络回传及快速处理，减少单车传感器及处理单元配置，降低智能驾驶单车成本的同时，还可弥补目前单车智能的不足：如对于路况复杂有遮挡物或雾霾天气下的路口拐弯，自动驾驶车载传感器，由于本车雷达视角的局限，只能感知部分路况信息，看不到障碍物造成的危险隐患等。利用路口高清摄像头、雷达等多种传感器实时采集路面信息并回传到MEC，MEC实时分析处理的结果通过5G网络实时共享给路口的车辆和道路单元，可最大限度消除危险隐患，帮助车辆作出接近100%的安全性决策。5G网络切片是提供特定网络能力和特性的逻辑网络，通过网络切片技术，可以实现业务需求和网络资源的灵活匹配，虚拟出多张满足不同业务应用场景差异化需求的5G切片网络，并能充分共享物理网络资源。5G网络切片技术可构建安全隔离隧道，预留网络资源，保障智慧高速的高质量可靠通信，这对于安全性要求极高的自动驾驶领域尤为关键。比如，当汽车行驶于网络拥塞区域，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。网络切片为智能车联网提供专用通信管道，还可减少专网投资，并具有更好的灵活性与可扩展能力。C-V2X，C即Cellular，是基于蜂窝网络的车联网技术，它基于强大的3GPP生态系统和连续完善的蜂窝网络覆盖，可大幅降低未来自动驾驶和车联网部署成本，被认为是自动驾驶的关键推动因素之一。国内基于汽车工业、自动驾驶传感器生产制造水平、蜂窝网络发展水平等多种因素综合考量，将大力发展基于蜂窝网的智能车联网。LTE-V2X是第一阶段车联网标准，支持后向演进到5G-V2X，针对高载频、高速率、低时延、高可靠的应用承载需求的5G-V2X已经于2018年6月在3GPP启动研究，预计2020年完成标准制定，未来将成为驱动国内智能车联网发展的关键技术。在高速公路中，AI（人工智能）扮演着越来越重要的角色，一方面可实现人员检测、车辆识别、交通事件检测，来对车辆各类违法行为识别，来促进高速公路有序进行；另一方面基于AI对摄像头、信号灯等数据进行分析，实时观测路网状况的同时，让大数据来预测高速公路路网拥堵情况，并通过AI对高速公路调度进行智能优化。在未来智能车联网中，也大量用到了AI人车识别、检测，5G结合AI，可以提高AI处理性能，解决传输速率问题，降低AI数据传输的延迟。虚拟现实技术（Virtual Reality，VR），通过计算机创建模拟的交互式的三维动态环境，让用户沉浸其中，可进行实体行为的系统仿真交互。增强现实技术（Augmented Reality，AR），是实时计算摄像机影像位置及角度、在实景上叠加图像、视频、3D模型的技术，将虚拟世界叠加在现实世界上互动。将VR技术与智慧高速结合可用于站内导航、高速设计等方面。AR技术与高速结合可广泛应用于车载导航等场景中，5G可为VR/AR应用提供足够的带宽和超低时延，并可结合MEC为云化AR/VR提供算力支撑。5G可应用于多个高速公路领域，用来增强已有的应用场景并实现新型应用场景。5G前期，主要为大带宽应用，在智能高速、智能车联网领域应用于车、路数据的回传，车载应用数据的下载等，以信息服务、远程路网监管为主。未来随着5G低时延标准的成熟，将与大带宽一起赋能远程路网控制、车路智能协同等应用。第一，5G采用eMBB技术，应用于高速公路远程监管指挥场景，具体包括提供无线专网覆盖、“两客一危”监控、远程路网指挥等。第二，5G采用eMBB、uRLLC、边缘云技术，应用于高速公路道路养护施工场景，具体包括高速公路道路养护、高速公路道路施工等。第三，5G采用eMBB、uRRLC、边缘云、eMTC技术，应用于高速公路交通出行服务场景，具体包括高速公路智慧大脑、车路协同辅助驾驶、自动驾驶共享车等。第四，5G采用eMBB、uRLLC、边缘云技术，应用于高速公路多元化经营场景，具体包括货运物流、客运人流等。基于5G+MEC构建高速公路大带宽无线专网，在重点区域替代现有Wi-Fi等无线及部分IP有线网络，可接入高速公路移动办公设备、无线传感设备、视频监控设备、融合通信设备等移动终端，承载高速公路现有无线业务场景，并推动有线业务向无线迁移，降低布线成本，赋能各种移动业务。“两客一危”是指从事旅游的包车、长途客车和运输危险化学品、烟花爆竹、民用爆炸物品的道路专用车辆。国务院安委会要求“两客一危”车辆要全部安装智能视频监控系统，实施有效监管，确保安全行驶。一般客车最少需要安装4个摄像头，分别对准旅客、车门、驾驶员、车前等位置，外置摄像头和车载显示器可辅助驾驶，后续可进行车联网改造，内置摄像头实现驾驶员疲劳检测预警、驾驶员人脸识别、驾驶行为分析等功能，形成全方位的监控管理。高清摄像头视频回传按2~4Mbps/路计算，每车需要8~16M的无线上行带宽，目前4G回传的方案上行带宽不足，只能降码率或降低回传路数，监控中心体验较差。“两客一危”监控场景对上行带宽有较高的需求，对时延不敏感，利用5G大带宽优势，可以更好地满足实时监控的需求，并为未来行业车联网改造应用提供网络保障。该场景下，现有车载设备只需要外接一个5G模块，可同时满足多路摄像头视频实时上传需求，随着智能高速公路的改造，视频及其他车载传感信息可实时回传到路边边缘计算设备进行分析，更好地辅助驾驶，全面保障安全并推动“两客一危”车辆向自动驾驶演进。遇到突发性交通拥堵、事故等情况时，常规交管车辆无法及时到达现场，需要第一时间立体式、广角度地掌握交管相关信息，并远程下达指挥，才能够及时进行现场指挥，保障交通顺畅。通过无人机挂载5G终端和超清相机，可完成高空视频采集，实现现场高清视频实时回传，响应警情或针对重点路线开展实时高清视频巡视，实现无人机低时延的人机协作。监控区域的高清画面被实时回传给指挥中心或现场处置人员，经后台人工与智能分析，及时发出告警，采取对应措施进行高速公路路网管理、交通违法行为、交通事故等现场的远程指挥、远程查勘等业务，提高交通指挥效率。远程路网指挥场景需求如表2所示。高速公路路面需要图像分析的方案对异物进行检测、分析、报警，在高速公路沿线部署高清摄像头进行数据采集，利用5G回传数据到平台进行图像分析。施工、维护、巡检时常需要实时传输大量视频和照片，便于后端调度与互动指导，传统无线网络不足以满足前端工作人员作业过程中的图像上传诉求。5G+MEC可承载高清视频巡检业务，并提供音视频通讯及定位服务，巡检维护人员可使用普通巡检终端，实时回传前端数据，后台专家联动及时处理，优化巡检过程、提高处理效率。高速公路机电设备种类繁多，有些设备维修较为复杂，大多数设备都处于24小时运行状态，设备突发故障在所难免。使用5G+AR的方式，以几个专家为核心，后台指导多个普通工程师操作，可以提高维修工程师工作效率，降低工作强度，且方便积累经验，提高工程师成长速度。该方案将设备维修工作程序，导入AR智能眼镜辅助维修人员工作，前端工作视角可利用5G实时回传，后端专家按需第一视角实时远程协助支持。AR眼镜取代了传统手持通信设备的方式，前端工程师使用语音交互，解放了双手，大大提高了工作效率。AR眼镜+后端平台还可捕获员工维修过程中的好的经验和技能，对一线员工维修大数据进行收集与分析，沉淀知识、管理知识，提高培训及实操效率。高速公路道路养护场景需求如表3所示。在偏远地区、环境恶劣场所的工作场景中，人工操作挖掘机、运输车等特种车辆的危险性大、成本高，远程操控的方式可以提高作业效率，保障作业人员安全。该场景下，施工区域5G覆盖，对车辆进行远程驾驶改造，每辆车需安装至少内部1个、外部前后左右4个摄像头（1080P），车辆支持远程控制，并安装5G OBU通信模块。操控中心部署远程驾驶模拟系统，充分利用5G大带宽、低时延的能力，通过车辆上的摄像头等信息采集系统，实时采集车辆的运行信息并在远端实时呈现，远端基于采集的现场信息对车辆行驶、位置、方向、速度、机械操作等进行实时控制来完成作业。高速公路道路施工场景需求如表4所示。5G网络的大范围部署，将推动车辆信息、高速公路信息、突发事件信息等的实时传输，针对海量的高速公路实时数据进行全时、全量的感知。可基于高精地图进行可视化表达，将交通量、交通组成、排队长度、行程时间等统一呈现。基于实时回传的高速公路运行数据，依托云计算和AI技术准确研判路网交通运行状态与需求，第一时间发现问题，并生成优化策略。协调联动信号灯、交通诱导、交管资源调度等多种优化手段，对高速公路进行精准管控，实现提升高速公路运行效率和出行安全的总体目标。当前高速大脑主要基于路侧设备对现有交通进行优化，未来随着车路协同技术的成熟、智能车联网的发展，将逐渐向车路全网大范围协同优化调度演进。高速公路智慧大脑场景需求如表5所示。辅助驾驶是通过安装在车上的传感器、路侧的传感、计算单元，在行驶过程中感应周围环境、进行静态、动态物体的辨识、侦测与追踪、以及计算分析，从而预先让驾驶者察觉到可能发生的危险，增加汽车驾驶的舒适性和安全性。5G网络下的车联网，通过高速、低时延的网络与路侧边缘计算单元结合，为用户提供更具特色的辅助驾驶服务，典型服务如下。通过在道路边缘部署激光雷达、高清摄像头等传感设备，将车、路、人实时状况回传到路侧边缘计算节点，对当前高速公路参与者时空状态进行数据融合和分析，实现道路盲区场景实时感知，对应用服务车辆进行预警，降低开车时因视力不可及而发生事故的可能性。该种方案可应用于现阶段车辆的辅助驾驶，也可以对未来自动驾驶进行辅助，路侧检测到有碰撞风险时发送给车辆，供车辆判断后进行刹车减速处理。基于MEC的路侧盲区监测如图1所示。
图1 基于MEC的路侧盲区监测
通过路边边缘计算节点将具备环境感知车辆的结果转发至周围其他车辆，用于扩展其他车辆的感知范围，减少交通堵塞、事故的发生。该场景下，车辆、路侧监控单元提供道路情况的传感信息，边缘节点负责转发。AR导航通过将实时路况指引信息在车载显示场景中叠加显示，使人们可以以最直观的方式理解导航信息。比如可在高速公路上直观地提示用户何处该转弯，何处需要提前变道并线，以及在岔路口等复杂路况下做更清晰的方向指引，避免用户在高速行驶中因决策延误而导致错过路口。此外，车载AR导航还能够对过往车辆、行人、车道线以及颜色、限速牌等周边环境进行智能的图像识别，从而为驾驶员提供跟车距离预警、压线预警、红绿灯监测与提醒、前车启动提醒、提前变道提醒等一系列驾驶安全辅助，给用户带来比传统地图导航更加精细、更加安全的服务体验。5G网络部署后，可降低车载端信息处理成本，AR信息处理可由路边边缘计算单元完成，然后回传到车载端，大大降低了车载终端成本。车路协同辅助驾驶场景需求如表6所示。未来乘客可通过App召唤共享车，车辆自己“找到”乘客，自动规划最优路线，行驶过程中车载系统随时传递车辆状态，确保车辆与乘客的良好沟通，安全性高，待安全抵达目的地后，乘客完成还车操作，车辆自主完成泊车，等待下一个乘客的“召唤”。自动驾驶共享车场景需求如表7所示。5G车联网低时延特性可帮助货运车辆实现编队行驶，车辆可按需编队，比如：车组编队只需第一辆司机进行领队驾驶，驶入高速公路自动编队，离开高速公路自动解散，从而最大限度提升出行安全，降低能源消耗，减少人力成本。5G大带宽可帮助车辆实现视频实时回传，方便后方智能监控，出现问题及时人工介入处理。货运物流车编队行驶场景中，2～3辆车即可组成编队，相邻车辆之间进行直接或车路通信。对于较长的编队，消息的传播需要更长的时间。制动和同步要求低时延的网络通信，对于3辆以上的编队，急需5G网络。车辆编队如图2所示。编队行驶对于运输公司具有较大的商业价值。通过改造现有货车或购买新车以支持编队行驶功能，并向运营商/车联网平台商购买平台服务，运输公司可以打造低成本、高安全的物流体系。货运物流场景需求如表8所示。客运是公共交通的重要组成部分，随着智慧城市的发展，如何更好地服务民众，让每一个人的出行体验更好、更安全，是客运信息化建设的重要目标和方向。随着5G的建设和路侧边缘计算节点的部署，网络、算力与智能客运结合正在推动客运在高效调度、安全驾驶、乘客体验提升等多方面的改进。5G智慧客运可为乘客提供高速移动网络环境，并可提供行业监管、效率提升和公众信息服务等功能，为乘客带来了出行新体验。客运人流场景需求如表9所示。随着5G在智慧高速领域中的应用，物联网、车联网、边缘计算等先进信息技术将逐步应用于智慧高速公路的建设当中，并将带来飞跃式发展。5G+智慧高速公路想象的场景将会不断成为现实。智能的路和高级的车辆协同合作，彼此互通信息，形成一个强大的智能系统，将使出行更加安全、智能、绿色。
参考文献
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[9] 前瞻产业研究院.智能交通行业市场前瞻与投资战略规划研究报告.
（原文刊载于2021年《中国交通信息化》增刊）
责任编辑 | 崔雪薇
