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高速公路车路协同自动驾驶条件及技术研究(上)
2019-02-08 13:53   作者:   来源:杨晓寒 智慧高速公路   浏览:429   我要评论
一、背景及任务的提出
    目前车路协同自动驾驶随着LTE-V通信技术发展推动成为交通领域热点。国际自动机工程师学会(SAE)对自动驾驶分级定义了自动驾驶分级[1](见表1所示),这个定义也可以视为自动驾驶实现的路线图。
    从车、路、人、环境交通四要素出发来考察自动驾驶技术发展历程便会认识到,自动驾驶技术首先实现车的智能化无疑有着其较为务实的考虑,诸如要面对各种状况的道路、不同能见度、与普通车混行、在城市道路与人混行等复杂条件。只有首先发展智能车使其具有感知及控制系统[2],才能走出自动驾驶的第一步,这可以称为自动驾驶技术的“破冰之旅”。
    车路协同自动驾驶与车辆自动驾驶的区别在于,完善道路感知并与智能信息协同可以在降低车辆系统复杂度、降低自动驾驶车辆的成本、扩大感知范围、提升自动驾驶安全等多方面具有优势[3]。但车路协同式自动驾驶存在一个先决基础条件,那便是需要提供车与路侧设备、车与车的通信,才能完成协同式自动驾驶——这便是自动驾驶的第二步,确定V2X(车辆到一切)通信。在这一领域,DSRC技术与LTE-V技术路线之争的由来已久[4],但随着2018年我国工业和信息化部对LTE-V的频段授权,确定了LTE-V作为我国车路协同通信技术,以此为新基点,开启了车路协同探索的新篇章。
    车路协同的第三步就是关于支持车路协同的智慧道路建设问题。2018年11月1日-3日,第一届车路协同自动驾驶国际论坛在北京国际会议中心召开,相关领导和国内不少专家提出我国在高速公路率先推进车路协同自动驾驶的构想。本文就高速公路基础设施现状结合如何实现车路协同驾驶若干问题进行探讨,希望对车路协同自动驾驶技术的落地、高速公路管理和服务、自动驾驶产业发展有所裨益。
▲第一届车路协同自动驾驶国际论坛

二、高速公路车路协同自动驾驶的条件
    众多领导专家对高速公路实现车路协同自动驾驶寄予厚望,是基于高速公路车路协同自动驾驶条件有着较乐观估计。本文对高速公路实现车路协同自动驾驶的条件大体按照优势条件、需保障的条件、需改进条件三类进行分析。
1、优势条件
    高速公路对车路协同自动驾驶的优势体现在车路协同的运行环境较简单、主体权责清晰、设施建设等较为齐全等方面。
(1)运行环境较简单
    我国高速公路基本属于封闭式道路,对进入高速公路人员有严格管控。这样,相对市政开放式道路来说,人对交通不利影响得到大幅度遏制,这是交通环境简单的最大原因。其次是高速公路道路条件优良,相比市政道路路面、弯道、交叉道口来说,高速公路具有更平整的路面、更简捷的线性、更简单的互通结构。这些条件更有利于车路协同自动驾驶的实现。
(2)有较清晰主体权责
    高速公路虽然属于公共基础设施,但运营主体权责清晰,属于企业性质,以效益为目标,在“投资-回报”模式下,有动力在保障安全的基础上提升道路运力,提供服务。车路协同自动驾驶在提高安全、提升道路运行效率方面具有较大促进作用,吸引了高速公路运营方高度关注。
(3)路侧机电设施齐全
    高速公路通过三十年发展,发展了包括收费、监控、通信在内较为齐全的机电设施。在建设、管理、养护、维护等方面更是积累了丰富的经验,这有利于车路协同系统建设。

▲高速公路已安装的各项机电设施
2、需保障条件
    需保障的条件是指以高速公路现有运行方式、机电设施储备,需要进一步发展才可支持车路协同自动驾驶的那些条件。其中包括采用自动收费方式、提供路侧车路协通信设施并发展符合车路协同应用的感知系统、导航技术等。
(1)车路协同自动驾驶收费方式
    根据自动驾驶分级不同,自动驾驶所能适应的收费方式也不尽相同。在L4级别以下(包含L4)的自动驾驶对人工收费和自动收费均可适应,自动收费方式可以让自动驾驶更为平滑、干预更少、系统更简洁。高速公路已实现ETC收费、自由流收费等自动收费技术,但目前面临的是人工收费(MTC)、自动收费(ETC)和自由流车道系统混合布设的状况,自动驾驶车辆进出高速时需要通过导航保证其行进在自动收费车道内。
(2)路侧通信设施
    路侧通信设施是保障车路通信能够正常进行的必要装备,LTE-V既定义了车路无线通信标准,又定义了车载设备之间通信的标准。在智能汽车与非智能汽车混行的条件下,智能车需要借助路侧感知设施对道路状况进行感知,V2X通信主要内容是车与路侧设备的信息交换,因此路侧设备是车路协同能够进行的基础。

▲路侧通信设施与车载单元的通讯
(3)符合车路协同应用的感知系统
    车路协同顾名思义是指车能够理解并运用路侧系统的信息,路侧感知设备也能够按照车辆的需要来提供信息及部分计算结果。如果仅仅是原始信息的传递,一方面会造成车路通信带宽过高,另一方面也造成车载运算系统过于庞大,对于整个系统的实现造成障碍。因此路侧传感层有义务提供车辆所需的必要并且足够充分信息,才能有效支持车路协同自动驾驶。目前高速公路机电系统中缺乏按照车辆去理解道路的思维,所发展的系统基本是按照管理者视角来搭建系统并布设采集设备及计算设备,例如一些道路仿真指挥系统、GIS地理信息系统等,这些工具对于车辆在运行场景下而言都过于宏大,颗粒度太粗。因此按照车路协同应用来补充感知系统就很有必要。
    其中路侧通信设备和感知系统是本文着重要在技术的实现中重点展开,因此本节不赘述其实现方式。
(4)符合车路协同的导航技术
    在L3及以下级别的自动驾驶按照驾驶员的认知习惯发展导航是必要的,所以现阶段有必要围绕车路协同自动驾驶发展车辆导航用高精度地图。目前北斗卫星通过辅助的地面增强站系统,可以实现精度在20厘米左右的导航。但需要解决车载高精度卫星地图如何与路侧感知系统协同加载实时数据的问题,按照地图系统在车内导航端来考虑,车载导航端则需要根据路侧感知去呈现对驾驶有影响的物体。这一点类似目前商用导航系统在道路出入口提供弹出的更精细道路出入口车道指示模型,不过相比目前的模型,自动驾驶导航道路模型需要更精细,而且能够叠加实时感知数据呈现实时的交通运行状态。在L4及以上级别的自动驾驶,车辆有可能通过车路通信实时从路侧系统下载彼此理解的更简洁、精确的场景模型,借助车辆感知和路侧感知完成车辆在该场景下的自动行驶导航。
3、需改进条件
    需改进条件是指创造高速公路车路协同运行政策和管理环境所需必要条件。这里着重对自动驾驶安全责任立法、自动驾驶的保险与交警管控协同提出大略的思路。
(1)自动驾驶安全责任立法
    在非自动驾驶时代,交通事故的责任主体是驾驶员,这一主体认定方式在L3以下级别的自动驾驶均可继续延用。但在L3及以上级别的自动驾驶中,系统将自主承担驾驶任务,交通事故责任的判定便涉及到自动驾驶技术运营方或技术提供方。若依旧保持对驾驶人员的责任判定,势必导致自动驾驶技术被搁置并扼制了该技术的正常发展。因此关于自动驾驶责任方面的立法应先行,确保自动驾驶技术能够保证行驶安全,并且能够有成长空间,保障整个产业有序发展。关于自动驾驶安全责任认定,从系统开发到应用实施环节众多,但应该重点抓两头,一头是运营方,一头是装备和系统的提供方。国家和行业对自动驾驶管控应强化安全方面的检测、监测和资质牌照的颁发。这方面可以航空业发展为鉴,应用“黑匣子”安全技术,逐步将自动驾驶技术推向成熟并开创行业繁荣局面。
(2)自动驾驶保险
    保险是推动自动驾驶产业有序发展的又一大助力,保险会在分担风险、提高消费者信心方面贡献力量,从而促进自动驾驶发展。这方面也可以航空保险发展为鉴,创新体制,共建共享自动驾驶技术所代表的交通文明新时代。
(3)与交警管控的协同
    高速公路运营管理方是高速公路企业,但交通秩序由高速公路交通警察局执维护,在恶劣气象条件下或发生交通事故时封路的指令便由高速交警发出并执行,事故现场处理也是由高速交警执行,因此和高速交警在车路协同自动驾驶方面必须做到信息的协同。

三、高速公路车路协同自动驾驶系统建设目标

    车路协同自动驾驶系统建设目标主要有安全、效率、经济性和能耗、发展等。建设目标应具体结合自动驾驶级别设定,总体而言,自动驾驶级别越高,目标要求也将越高。

▲高速公路车路协同自动驾驶系统建设目标
1、安全
    对高速公路管理来说,安全是第一要务,没有安全就没有效益;对自动驾驶而言,安全就是生命,没有安全就意味着生命危险。因此,安全是车路协同自动驾驶的第一要务,一切其他目标都应建立在安全的基础上。高速公路车路协同自动驾驶安全目标应既包含对宏观安全层面事故发生率、交通事故死亡率的追求,又包含系统安全、数据安全与可靠性等技术指标。
2、效率
    效率是自动化最根本的追求,车路协同自动驾驶作为自动化的一个分支领域,效率自然是其重要目标之一。效率应包含高速公路通行效率提升、应急处置效率、人工成本下降等。
3、经济性与能耗
    车路协同自动驾驶涉及路侧系统的建设,投入与产出需要通过经济性的检验。同时,能耗指标也应满足相关要求。但车路协同系统具有明显的外溢性和公共服务特点,因此经济性和能耗目标应充分考虑其公共性和社会效益。
4、发展
    作为新兴被寄予厚望车路协同自动驾驶技术,我们应清醒认识到其发展不充分和各环节技术的不均衡性、产业衔接尚未理顺等问题。因此需要进行大量实验、建立仿真环境检验测试、规模化试用,并且按照自动驾驶级别制订发展目标并细化指标体系,只有满足低级别的实现度并充分通过高级阶段的条件评估后方可进入下一高级阶段,如此按照计划次第推进,稳步实现车路协同自动驾驶技术在高速公路的应用。


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