高速公路车路协同网络需求研究(上）

高速公路车路协同网络需求研究

1 概述

1.1 高速公路车路协同系统的建设现状

（1）政策现状

车路协同（车联网）是传统汽车产业与信息通信行业加速融合发展的产物，对于实现传统产业转型升级和“换道超车”起到至关重要的作用，在提升车辆行驶安全、提高交通效率、提供出行信息服务和支持自动驾驶等方面具有重要的意义。

全球范围内，汽车智能化、网联化和电动化催生的车联网产业已经成为包括美、欧、亚等汽车发达国家或地区的重要战略性方向，各国家和地区纷纷加快产业布局、制定发展规划、推进车联网产业化进程。我国也高度重视车联网产业发展，国家各个部委正在积极推动车联网技术研究和产业落地。

2016 年 4 月，《交通运输部信息化十三五发展规划》中提出了要推进智慧公路示范工程，选取重点区域公路项目或路段，开展高速无线通信、车路协同等智能应用。2017 年 1 月，交通运输部在《推进智慧交通发展行动计划》，提出推动智慧交通试点示范工程，推广应用具有短程通信、电子标识、高精度定位、自动监测、自动驾驶等功能的智能运输装备。新建或改造智能交通核心技术检测平台及试验场所，提高车载智能终端、车路协同设备等智能化运输装备的检测能力。2018年 2 月，交通运输部在《加快推进新一代国家交通控制网和智慧公路试点》中提出路运一体化车路协同试点方向。2018年 11 月，工信部发布《车联网（智能网联汽车）直连通信使用 5905-5925MHz 频段的频率管理规定（暂行）》，确定了基于 LTE-V2X 技术的车联网（智能网联汽车）直连通信的工作频段及使用要求。12 月，工信部印发《车联网（智能网联汽车）产业发展行动计划》

，推动形成深度融合、创新活跃、安全可信、竞争力强的车联网产业新生态。2019 年 7 月，交通运输部《数字交通发展规划纲要》中提出推进车联网部署应用。 2019 年 9 月，中共中央、国务院《交通强国建设纲要》提出，加强智能网联汽车（智能汽车、自动驾驶、车路协同）研发，形成自主可控完整的产业链。2020 年 2 月，国家发改委牵头十一部委印发《智能汽车创新发展战略》，提出到 2025 年，智能交通系统相关设施建设取得积极进展，车用无线通信网络（LTE-V2X 等）实现区域覆盖。2020 年 4 月，工信部发布《关于推动 5G 加快发展的通知》，提出要促进“5G+ 车联网”协同发展，推动将车联网纳入国家新型信息基础设施建设工程，促进 LTE-V2X 规模部署。建设国家级车联网先导区，丰富应用场景，探索完善商业模式。2020 年 8 月，交通运输部印发《关于推动交通运输领域新型基础设施建设的指导意见》，提出结合 5G 商用部署，统筹利用物联网、车联网、光纤网等，推动交通基础设施与公共信息基础设施协调建设。

2021 年 2 月，中共中央、国务院印发《国家综合立体交通网规划纲要》，提出推进交通基础设施网与信息网融合发展，推动车联网部署和应用。2021 年 5 月，住建部、工信部联合印发《关于确定智慧城市基础设施与智能网联汽车协同发展第一批试点城市的通知》，确定北京、上海、广州、武汉、长沙、无锡等 6 个城市为智慧城市基础设施与智能网联汽车协同发展第一批试点城市 ；12 月，确定重庆、深圳、厦门等 10 个城市为第二批试点城市。2021 年 7 月，工信部联合 10 部门印发《5G 应用“扬帆”行动计划（2021-2023 年）》，提出要强化汽车、通信、交通等行业的协同，共同建立完备的 5G 与车联网测试评估体系。2021 年 11 月，工业和信息化部发布了《“十四五”信息通信行业发展规划》，提出要加强基于 C-V2X的车联网基础设施部署的顶层设计，“条块结合”推进高速公路车联网升级改造和国家级车联网先导区建设。2021 年 12 月，国家标准化管理委员会、中央网信办、科技部等 10 部门印发《“十四五”推动高质量发展的国家标准体系建设规划》的通知，提出要完善智能网联汽车标准体系，加快智能驾驶辅助、自动驾驶、汽车无线充电、网联通信、信息安全等标准研制。

2017 年至 2021 年，工业和信息化部、公安部、交通运输部及国家标准化管理委员会发布《国家车联网产业标准体系建设指南》系列文件，提出发挥标准在车联网产业生态环境构建中的引领和规范作用。

政策的引导促进了车联网行业的发展，在国家及各部委的政策引导下，近年来各地方政府也积极落实，各省市在开展智慧高速的建设过程中，也将车路协同示范验证考虑在内，目前北京、河北、江苏、浙江、江西、广东、湖南、海南、四川、山东等省市均在探索车路协同在智慧高速中的应用，大大加快了车路协同系统的验证。

（2）项目现状

目前国内多条高速公路的设计和建设中均考虑了车路协同的示范验证，包括延崇高速北京段、京雄高速北京段、京沪高速北京、山东及江苏段、京台高速山东泰安至枣庄段、贵阳至安顺复线、成宜高速等多个项目。

延崇高速北京段是 2022 年冬奥会的重要交通保障通道，是交通运输部绿色公路、智慧公路、品质工程的示范路，全长约 3.2KM，其中车路协同测试段 18KM。车路协同示范路段涉及隧道、服务区、匝道分合流、主线四种应用场景，项目中的智能网联车辆均为奥组委专用车辆，围绕冬奥服务。车路协同示范路段主线设置的高清摄像机、毫米波雷达、RSU等设备均利用沿线照明灯杆进行部署。作为第一条车路协同示范高速，目前该路段已经通车运行，可支持 L4+ 自动驾驶。

京雄高速按照“雄安质量”的总要求，打造新时代可持续发展的高速公路新模式，京雄高速北京段全线 27KM，全线建设车路协同试验路段，在匝道分合流、主线、桥梁三种应用场景部署车路协同系统，并在最内侧车道设置自动驾驶车道，开展车路协同及自动驾驶试点应用研究。除全息感知及车路协同通信系统的设置外，建设基于北斗卫星导航系统的地面时空服务系统，为具有北斗增强信号处理功能的车载终端和路侧设施设备提供稳定可靠的高精度定位和授时服务，支撑重点营运车辆精准管控、车路协同、自动驾驶、应急管理与指挥调度等应用实现。

京沪高速车路协同示范验证路段贯穿北京、天津、河北、山东、江苏等 5 个省市，涉及路段长度约 670 公里，应用场景包括分合流安全预警与诱导场景、隧道安全预警与诱导场景、准全天候辅助通行场景、自由流差异化服务场景等。

项目将完成 10000 辆 C-V2X 车载终端搭载，实现车路协同应用场景 100 个，建成包括部级车路协同平台、区域车路协同云控平台、智慧物流平台、高精地图平台在内的多个云平台，通过车路协同基础设施的规模部署，构建车联网先导应用环境，对车路协同技术及应用场景进行全面测试验证，项目具有“省域跨度大、覆盖范围长、应用场景多、车载终端体量大”等亮点。

京台高速山东泰安至枣庄段是山东省第一条智慧高速，全长 189KM，选取满庄收费站至贤村水库特大桥单侧约20km 建设车路协同试验路段。车路协同示范路段涉及服务区、匝道分合流、桥梁、主线四种应用场景。针对货车占比高的特性，在示范路段最外侧设置自动驾驶专用车道，支持货车编队和 L3 级以上车辆的自动驾驶。

贵阳至安顺复线是贵州省智慧高速重点建设项目，全长 90 公里，全线设置车路协同示范路段，并利用起点 21 公里

路段先试先行，开展智能网联汽车（车路协同）测试与自动驾驶比赛示范应用，在已建设施的基础上增加必要的软硬件设施，进行智慧交通产品测试、自动驾驶仿真测试、车路协同场景验证测试、货车编队测试及示范、专用车道柔性管控测试及示范，促进贵州省智能交通和智能网联汽车产业发展。

蜀道集团通过申请 5905~5925MHz 频道，基于 LTE-V2X 技术，分阶段在蓉城二绕约 8 公里路段、成宜高速约 157公里路段开展车路协同试点。通过部署视频监控、车辆综合检测（毫米波雷达）、气象检测、北斗定位、可变情报板、IP 广播、可变限速标志、RSU 和边缘计算单元等前端系统，实现道路路况、车辆、气象等综合信息的采集和车 - 路（V2I）应用信息的发布，通过车路协同中心云平台、智能网联车载终端、移动 APP、路侧交通诱导设施等联动构建完整的车路协同服务体系。

1.2 高速公路车路协同网络面临的主要问题

1.2.1 网络结构不尽合理

目前国内各省（市、自治区）的高速公路主要采用树型多级管理模式，高速公路通信网络系统与管理模式基本相应，形成“省（市、自治区）通信中心 - 区域 / 路段通信（分）中心 - 基层通信站”的三级管理架构。

高速公路通信网络干线层数据交换网络与传统的高速公路业务管理逻辑高度同构，表现为典型的下级节点以上级通信节点为核心构成星型结构，总体形成多级树形结构。网络结构以解决上下级节点数据传输为主，同级节点之间没有直接的信息交互。

车路协同要求为车辆提供全程的高时效信息交互服务。这就必然要求边缘节点之间、路段分中心之间进行实时的数据交互。同级节点之间的数据流量急剧增加，而现有网络结构无法适应数据多点流向的复杂应用需求。

1.2.2 网络设备承载能力受限

按照《高速公路通信技术要求》，各省（市、自治区）的高速公路网络系统由省域干线传输网（简称“干线网”）和路段接入网（简称“接入网”）两层系统组成。

干线网方面 ：通过前期调研（结果详见后表）可以发现，各省（市、自治区）高速公路通信网传输网正在向以 OTN 为主流技术体制的方向演变。部分省份仍然采用 SDH 技术。少数省份没有实施单独的传输网。除了以四川为代表的少数省份，其余省（市、自治区）均未实施干线层路由型 IP 网。

接入网方面 ：国内高速公路接入网的通信设备多样，新旧技术混杂的情况，以太网、SDH、MSTP 等多种新旧网络技术并存。早期通信设备（例如 ：STM-1 的 ONU 设备）业务适应和承载能力受限，不足以支撑车路协同、智慧交通等新型业务信息高速可靠交互的带宽需求，必然会出现网络上管理消息传递不畅、调度不够灵活、链路保护不完善等诸多问题。

总体来看，高速公路通信网承载的业务已经全面向IP 业务演进，通信传输业务需求呈爆发式增长趋势，现有通信传输设备的提档升级势在必行。

1.2.3 网络需求有待系统梳理

车路协同应用是未来高速公路网络承载的主要业务。

按照《智能网联汽车技术路线图 2.0》，车路协同等高新技术仍在发展中，具体的解决方案存在多种技术选择。

网络架构以及部署方案的选择需要由场景需求来决定，车路协同的体系建设非常复杂，加之国内行业组织提出的应用场景中，很多实用的网络相关指标并没有明确量化。另外，个人用户、行业车辆、高速公路运营公司、政府部门对车路协同业务的需求存在差异化 ：个人关注的是如何提高安全性、驾驶体验 ；车端设备关注的是数据是否可信、可靠，信息量是否充足、如何有效使用 ；高速公路运营公司关心的是效益和成本、道路的安全与畅通 ；政府 ( 或公安部门 ) 的需求是高速公路管控，优化交通治理。综上，车路协同体系网络设计开展的依据有待系统研究和梳理，高速公路车路协同试点项目建设可落地可推广的应用领域有待明确，营运车辆和个人车辆的车路协同应用场景标准有待进一步细化和量化，以尽量避免系统建成后的网络方案反复调整。

1.2.4 网络体系演进迭代困难

国内高速公路网络系统基本成型，由于近几年通信技术发展迅速，设备更新换代较快，早期采用的通信网络设备技术相对落后，无法通过简单方式（例如 ：增加或替换通信板卡），实现网络设备提档升级。另外，随着网络拓扑从传统树型网络向网状网演变，边缘通信节点能力需要升级，节点之间的通信链路需要补充，这都需要大量的资金投入，且要强化顶层设计，按规划、有步骤地实施，以保证网络平稳演进迭代。

1.2.5 网管维护体系普遍薄弱

按照高速公路通信的三级管理架构 ：“省级通信中心 - 区域 / 路段通信（分）中心 - 基层通信站”，各级通信节点的维护分别落在省级管理部门（如 ：省监控结算中心）和路公司两个层面，导致通信网络的运维和后期运营的技术管理和行政管理存在不统一、多交叉、多界面，网管维护系统建设普遍薄弱。

按照《高速公路通信技术要求》，干线网络网管系统和接入网络网管系统均有功能要求，但在实际建设中，由于设备种类不同，网络管理信息不畅，无法实现一套后端平台进行统一维护。车路协同这种复杂业务更是加剧了上述矛盾，编制技术方案时需要考虑高速公路运维能力弱的实际情况。

2 高速公路车路协同 体系框架

2.1 高速公路车路协同业务的体系架构

车路协同业务系统主要由路侧终端、边缘端、云端、外部应用组成，其中一个路侧边缘计算平台会连接多组路侧感知设备，一个区域计算平台连接多个路侧边缘计算平台，一个业务运营平台连接多个区域计算平台。其业务架构和业务流向如图 2.1–1 所示 ：整体架构图流程来源于实际项目经验，某些业务数据流向可能和一些标准规定有一定的出入。

1）路侧感知设备（A）主要是指路侧声光一体机、情报板等设备，其采集的数据根据其数据类型和业务需求不同分别输入到业务运营平台（B）、区域计算平台（C）、路侧边缘计算平台（D）。

2）路侧边缘计算平台（D）进行数据融合计算并把结果形成标准的消息帧，把相应的消息帧传输给区域计算平台（C）、路侧 RSU（F）。

3）区域计算平台（C）进行区域数据以及业务运营平台（B）的数据整合，及 OBU（G）上报车辆自身状态信息的融合，把相应的消息传输给路侧 RSU（F）和路侧通知设备（E），同时把相应的业务数据传输给业务运行平台（B），实现区域内和区域间的数据共享。

4）业务运行平台（B）通过 Uu 口与车载 OBU（G）交互，OBU 上报车辆自身状态信息，同时业务运营平台为车辆提供相应的数据服务。

5）路侧 RSU（F）通过 PC5 接口与车载 OBU（G）和其它路侧交通参与者通信，把区域计算平台（C）的全域消息帧广播给路侧交通参者，实现区域内的 RSU 数据共享。

6）OBU（G）可以根据需求通过 Uu 口连接区域计算平台（C）或业务运营平台（B），获取相应的数据服务。此外，考虑到某些路侧感知设备智能化水平较高，处理分析结果可满足业务场景应用需求，因此存在路侧感知设备直接传输数值至 RSU 的过渡场景。

2.1.1 三级业务平台架构

路侧边缘计算平台 ：实时获取路侧传感器数据进行融合计算，以高性能计算能力提供更高精度和更可靠的融合感知结果和交通事件，完成目标的识别、分类、追踪和轨迹拼接等功能，还能够对车辆车牌识别、运动属性预测等，为路侧交通参与者提供准确的数据服务。路侧边缘计算平台的感知缓存主要存储路侧传感器历史数据，同时对于路侧海量、繁杂的数据进行清洗过滤，抽取业务所需的数据发送给区域计算平台。

区域计算平台 ：区域计算平台完成设备管理、模型管理、算法管理和应用管理，以及和边缘计算平台节点管理等相关功能。同时对路侧传感器的结构化数据、路侧边缘计算平台融合感知的结构化数据进行提取，将计算结果按照标准 T/CSAE 53-2020 和 T/CSAE 157-2020 对应用层要求，形成标准消息帧，发送给路侧 RSU 和业务运营平台。

业务运营平台 ：业务运营平台根据需求有选择性的从路侧感知设备获取所需的实时数据，历史数据可以从路侧计算平台的感知缓存处获取。业务运营平台对全域数据进行挖掘分析，以支撑路侧智能网联汽车整体运行环境，为智能网联汽车提供高精地图、智能导航、交通引导等服务支持，为交通指挥调度提供高精度态势认知等服务支持。同时业务运营平台可对终端设备和边缘设备进行统一的管理，提供针对所有路侧、边缘和区域设备“接入 - 监控 - 管理”的服务，包括对设备的查询、修改和升级配置、删除节点等。收集路侧单元设备的基本信息和状态性能信息，监控设备运行情况，及时对工作异常设备进行故障诊断，并基于终端管理协议对路侧单元设备进行远程管理。

2.1.2 业务接口

AD 接口 ：为路侧传感器设备与路侧边缘计算平台之间的接口（包括感知缓存），主要负责路侧传感器数据根据业务需求上传原始数据至路侧边缘计算平台。

AB 接口 ：为路侧传感器设备与业务运营平台之间的接口，主要负责业务运营平台根据业务需求直接从路侧传感器获取实时数据。

AC 接口 ：为路侧传感器设备与区域计算平台之间的接口，主要负责区域计算平台根据业务需求直接从路侧传感器获取实时数据，或进行传感器直接输出的结构化数据的获取。

DC/CD 接口 ：为路侧边缘计算平台与区域计算平台之间的接口，主要负责路侧边缘计算的结构化数据上传至区域计算平台，和业务运营平台下发业务数据或设备管理数据至路侧边缘计算平台。

CB/BC 接口 ：为区域计算平台与业务运营平台之间的接口，主要负责业务运营平台把标准的消息帧传递给业务运营平台，或业务运营平台根据业务需求，获取路侧传感器历史数据，同时业务运营平台根据请求下发相应的事件数据。

CE 接口 ：区域计算平台与路侧通知设备之间的接口，区域计算平台把交通事件信息下发给路侧通知设备，包括但不限于道路危险状况提、限速提醒、道路施工提醒、弯道提醒、前方拥堵等信息。

DF/FD 接口 ：路侧边缘计算平台与路侧 RSU 之间的接口，主要负责路侧边缘计算平台融合传感器数据后，将计算结果按照标准 T/CSAE 53-2020 和 T/CASE 157-2020 对应用层要求，把数据打包为标准规定的消息帧格式，发给路侧 RSU，同时 RSU 会把接收到 OBU 的数据发给路侧边缘计算平台，丰富其数据，提高其算法的准确度。

CF/FC 接口 ：区域计算平台与路侧 RSU 之间的接口，区域计算平台接收业务运营平台下发的数据，区域计算平台结合实际情况做处理，把数据下发给区域内的 RSU ；同时 RSU 会把相关信息发送给区域平台和业务运营平台，通过这种方式和其它区域内的 RSU 进行数据交互，比如前方事故预警，可以跨区域进行预警信息的播报。

GB/BG、GC/CG 接口 ：车辆 OBU 与区域计算平台和业务运营平台之间的接口，OBU 根据需求通过 Uu 口和区域计算平台或业务运营平台进行数据互通。

根据图 2.1–1，车路协同网络数据业务流向见表 2.1-1：

2.2 高速公路车路协同系统的网络架构

高速公路车路协同系统的网络可以细分为路段接入网和省干网两部分，网络架构如图 2.2-1 所示 ：

路段接入网负责把路侧设备、边缘计算单元等设备和路段分中心（区域计算平台）互联 ；没有路段分中心的，直接和路段中心（区域计算平台）互连。其中，路侧设备包括 RSU、智能化路侧感知设备（各类摄像头、激光雷达、毫米波雷达等）、动态交通情报板、路侧气象感知站等，边缘计算单元可通过对路侧设备输出的原始数据信息进行融合判断，提取结构化道路及目标物状态信息，实现数据的分析、处理，以支持车路协同各种应用 ；很多车路协同业务在路侧网络完成业务流程，对网络实时性和带宽要求高。 路段接入网的网络架构可能有多种模式，以支持边缘计算单元全分布或相对集中等多种部署方式。

省干网络负责路段分中心间通信互连、路段分中心到路段中心间通信互连、路段中心间通信互连、路段中心至省中心的通信互连、以及省中心与 2C 服务商 /2B 用户间业务通信。路段分中心间，路段分中心到路段中心间的车路协同业务通信有实时性要求。 UU 模式的车路协同信息是通过连接到 2B 用户（包括运营商）的外联专线来传输的。

计算中心内部网络，是标准的云中心网络架构 ；与 2C 服务商/2B用户的外联网络为专线网络。这两种网络类型的需求明确，都已经大量部署，有比较统一的网络方案。 故本文不做进一步网络需求分析。

原文作者：爱是与世界平行

原文链接：https://blog.51cto.com/lovebetterworld/5626198