高速公路路側感知設備布設方案評估方法研究

朱曉東，姚翔林，李思宇

(1.中國公路工程咨詢集團有限公司，北京 100089；2.北京工業(yè)大學，北京 100124)

0 引言

智慧高速公路是1個集成程度高且功能全面的公路基礎設施系統(tǒng)，其基礎架構主要由感知層、網絡層、計算層和服務層組成[1]. 其中，感知層是系統(tǒng)獲得全面、精準與實時的信息的基礎，而路側感知設備作為智慧高速感知層的重要組成部分，其布設方案直接影響系統(tǒng)的功能實現.

為更好地設計智慧高速路側感知系統(tǒng)，國內外學者從布設位置和數據采集結果等角度進行了深入研究. 在國內學者的研究中，欒鑫等[2]以降低綜合布設費用和提高路段流量推算可靠性為目標，構建了多目標檢測器優(yōu)化布設模型. 李翠翠[3]根據交通流3參數理論，從數據完整性、有效性等方面出發(fā)提出交通流數據質量評價與控制方法. 隨著不斷發(fā)展和完善，感知設備被廣泛應用于智慧公路中，相較于傳統(tǒng)交通觀測和采集設備，感知設備具有形式多樣、融合性高、采集速度快、存儲能力強等特點. 在智慧公路的建設過程中，多種感知設備融合是一大特色，對于數據感知效能的評估可作為方案的評價角度之一. 徐志剛等[4]梳理了目前智慧高速的結構層次并指出了感知層的內涵和要求. 王淼等[5]面向未來自動駕駛應用場景，提出了針對道路結構、運行環(huán)境等不同信息來源的路側感知系統(tǒng)設計方法. 胡飛等[6]結合滬杭甬高速試驗路段需求，闡述了路側感知設備的選型和安裝，設計了不同感知設備的安裝方案并進行評價. 李霞等[7]結合道路線形特征參數分別建立了高速公路平曲線段、豎曲線段和平縱組合曲線段下的全程監(jiān)控布設模型. 然而，目前我國路側感知設備布設尚無標準規(guī)范，設備選型和布設原則受具體產品影響較大，亟需形成布設方案的綜合評估體系.

在國外學者的研究中，大量學者通過車路協(xié)同與智慧高速技術，研究了網聯(lián)車輛的高效安全運行. Osman等[8]通過對高速公路基礎設施中的路側設備進行網聯(lián)化提升，設計了自動駕駛貨車隊列控制方法，從而提升高速公路的運營周期. Muhammad等[9]基于交通事故檢測技術以及事故路段的調查研究，研究了網聯(lián)車輛OBU與路側RSU的通信機制. Zhao等[10]利用路側激光雷達獲取車輛及行人實時位置、速度等參數，針對車輛行駛軌跡以及行人通過交叉口的軌跡進行跟蹤預測，建立了碰撞預測模型. Feng等[11-12]建立了高速公路車路協(xié)同測試場景庫的系統(tǒng)框架，從而對各場景的智能路側設備與車載設備進行測試評估. Wang等[13]以某校園為例，提出了監(jiān)控攝像機等感知設備的優(yōu)化布設方法. 由此可見，國外的研究大多集中在車路通信、智能網聯(lián)車輛方面，對道路方面特別是路側感知設備的布設方案研究較少.

本文聚焦高速公路路側感知設備，分析數字基礎設施狀態(tài)、交通運行狀態(tài)、車輛微觀行為狀態(tài)和氣象環(huán)境狀態(tài)對數據采集的不同需求，提出1套布設方案綜合評估流程. 以經濟、全面、有效為原則，建立布設方案評估指標體系，構建評估模型，并進行了案例分析，為未來高速公路路側感知系統(tǒng)的設計提供參考準則.

1 高速公路數據采集需求分析

1.1 數據采集需求

隨著精準感知技術和基礎設施數字化技術在高速公路領域的深入應用，智慧高速的建設將實現基礎設施的全要素感知和數字化. 在信息時代，高質量的數據資源能為高速公路建設、管理、運營和養(yǎng)護等提供支撐.

本文將智慧高速建設中涉及的功能服務進行梳理，分析不同功能對感知數據的不同需求，并將其歸納為：交通微觀行為、交通運行狀態(tài)、數字基礎設施、交通氣候4種. 其中，通過數字基礎設施狀態(tài)類數據能對高速公路健康狀況進行監(jiān)測，從而為道路養(yǎng)護與防災減災提供數據基礎. 通過交通運行狀態(tài)類數據能實時了解高速公路的交通流特性，掌握路段擁堵狀況. 通過微觀行為狀態(tài)數據能對不同車輛的行駛軌跡和狀態(tài)進行監(jiān)測，從而為車輛提供精細化的管控措施與服務. 通過氣象環(huán)境狀態(tài)類數據能對實時天氣狀況進行監(jiān)測，是保障全天候出行的基本需求.

1.2 路側感知技術

基于路側設備數據采集需求，本文進一步梳理高速公路路側傳感器技術，明確各類需求對應的信息參數和對應的感知設備.

1.2.1 交通微觀行為

交通微觀行為指交通參與者在出行過程中各種行為的總和. 微觀行為信息包括可測量參數和可計算參數兩類，其中可測量參數包括速度、加速度、位置和交通參與者信息等，可計算參數包括車頭間距、車頭時距、行駛轉向角和橫向間距等. 具體參數和對應設備如表1所示.

表1 交通微觀行為信息參數與對應設備統(tǒng)計

1.2.2 交通運行狀態(tài)

交通運行狀態(tài)指路網交通運行的暢通與擁堵狀態(tài)，目前主要依靠交通流參數描述，分為宏觀交通參數和微觀交通參數. 宏觀交通參數是用來描述交通流作為1個整體表現出來的特性，包括交通流量、速度和密度等. 微觀交通參數用來描述交通流中彼此相關的車輛之間的運行特征，包括車頭時距、車頭間距等. 具體信息參數和對應設備如表2所示.

表2 交通運行狀態(tài)信息參數與對應設備統(tǒng)計

1.2.3 數字基礎設施

數字化基礎設施是指將道路基礎設施的空間物理模型、傳感器、運行歷史等數據在虛擬空間中進行映射和表達，從而反映基礎設施實體的全生命周期過程(本文相關定義僅限于支撐智慧高速應用). 根據信息更新頻率的不同，將數字基礎設施信息分為靜態(tài)信息(更新頻率為月級)、半靜態(tài)信息(更新頻率為小時級)、半動態(tài)信息(更新頻率為分鐘級)、動態(tài)信息(更新頻率為秒級)4類，具體信息參數如 表3 所示.

表3 數字基礎設施信息參數統(tǒng)計

1.2.4 交通氣候

交通氣候狀態(tài)是指交通環(huán)境下的氣候變化，如大霧、大風、大雪、路面結冰等，惡劣氣象條件對高速公路安全運營帶來極大危害. 不同氣象條件對交通運行的影響體現在很多方面，主要表征為改變路面的物理性質、駕駛人的觀察視線、汽車自身安全性能等. 按影響車輛行駛的不同維度，將交通氣候狀態(tài)劃分為3個要素：能見度、路面狀況、大風. 感知設備主要有能見度傳感器、大氣透射儀、激光能見度自動測量儀、交通氣象監(jiān)測站、微氣象站等.

1.3 現存主要問題

目前高速公路路側感知系統(tǒng)設計過程中主要存在以下問題：高速公路路側感知設備單價普遍較高，且運營里程較長，因此布設路側感知設備時費用高昂. 由于缺乏對布設方案的有效評估，示范項目往往等間距密布使成本增加. 實際推廣過程中，如何在有限預算下實現最佳系統(tǒng)功能是一大挑戰(zhàn)，對設備的選型與布設方案提出更高要求.

2 布設方案綜合評估方法

2.1 評估流程

本文針對高速公路路側感知設備布設方案提出1套綜合評估方法，該方法的評估流程如圖1所示，首先根據目前存在的問題，提出1套路側感知設備布設方案的評估原則；進而基于不同評估原則，選定能表征該原則的評估指標，針對實現不同狀態(tài)功能的感知設備，構建評估指標體系；根據交通運行狀態(tài)等4種不同的數據采集需求，基于構建的評估指標體系提出數學評估模型，最終進行綜合評估并得出最優(yōu)的路側感知設備布設方案.

2.2 評估原則

高速公路路側感知系統(tǒng)建設時應能提供滿足上層系統(tǒng)需要的感知數據. 為適應日新月異的融合感知方法，本文提出1套路側感知設備布設方案評估原則，具體如下：

1)經濟性 工程造價是高速公路設計的重要影響因素，路側感知設備布設方案需考慮經濟性原則，在符合功能要求的基礎上盡量提供集約型設計方案.

2)全面性 一方面，布設方案需保證能采集到高速公路最大覆蓋范圍的數據；另一方面，方案選用設備應當能提供種類全面、精度高、質量好的基礎數據.

3)有效性 路側感知設備應符合應用系統(tǒng)設計需要，能最大限度覆蓋目標檢測區(qū)域；同時，需保證設備能全天候穩(wěn)定運行.

圖2 綜合評估指標體系

2.3 評估指標體系

基于以上原則，選定評估指標，構建綜合評估指標體系，如圖2所示. 其中經濟性原則主要由平均每公里工程造價與平均每公里維護成本2個指標表征；全面性原則主要由數據采集種類、物理覆蓋度與物理重疊度3個指標表征；有效性原則主要由功能覆蓋度與平均故障間隔時間兩個指標表征. 評價指標具體含義如表4所示.

表4 評價指標含義

2.4 評估模型

灰色關聯(lián)分析主要用來利用多目標決策判斷方案間的關聯(lián)程度[14-16]. 該方法通過有關指標數據的比較，求出參考數列與各比較數列的關聯(lián)度. 與參考數列關聯(lián)度越大的比較數列，與參考數列越接近. 其原理是首先將評價指標進行無量綱化處理，計算各方案的關聯(lián)系數、關聯(lián)度，并根據關聯(lián)度的大小對方案進行排序[17-18].

具體計算步驟如下：

1)確定分析數列

確定要分析的參考數列和比較數列.設參考數列為Y={Y(k)|k=1,2,…,n}，比較數列為Xi={Xi(k)|k=,2,…,n},i=1,2,…,m

2)變量的為一量綱化

由于方案中各指標數據可能因量綱不同，不便于比較或比較時難以得出正確的結論.因此在進行灰色關聯(lián)分析時，需要進行數據無量綱化處理，將各指標值映射到[0,1]區(qū)間內.

(1)

3)評價指標定義

一般來說，評價指標分為效益型指標和成本型指標，效益型指標屬性越大越好；成本型指標越小越好.

對于效益型指標，令：

(2)

對于成本型指標，令：

(3)

4)計算關聯(lián)系數

X0(k)與Xi(k)的關聯(lián)系數：

(4)

ρ∈(0,∞)，稱為分辨系數，通常取ρ=0.5.

5)計算關聯(lián)度(優(yōu)屬度)

由于關聯(lián)系數是比較數列與參考數列在各時刻的關聯(lián)程度值，其數值不止一個，而過于分散則不便于進行整體性比較.因此需要將各時刻的關聯(lián)系數集中為1個值，即平均值，作為比較數列與參考數列間關聯(lián)程度的表示，關聯(lián)度ri公式如下：

(5)

6)關聯(lián)度排序

將關聯(lián)度按大小排序，如果r1

3 案例分析

3.1 方案設計

本評估方法將針對數字基礎設施狀態(tài)、交通運行狀態(tài)、微觀行為狀態(tài)、氣象環(huán)境狀態(tài)等分別構建評估指標體系，從而進行評估，本文將以交通運行狀態(tài)為例進行案例分析. 本案例為解決目前的路側感知設備布設方案設計僅憑經驗、無理論支撐的問題，以得出最優(yōu)路側感知設備布設方案為目標，應用場景為高速公路基本路段以及包含典型事故黑點區(qū)域的路段.

通過對目前已有的典型高速公路路側感知設備布設方案進行分析，本文設計出3種路側感知設備布設方案，選取的設備均為能采集交通運行狀態(tài)類數據的智能路側設備，包括高清攝像機(有效檢測區(qū)域約為100 m)、毫米波雷達(有效檢測區(qū)域約為350 m)、激光雷達(有效檢測區(qū)域約為300 m).

不同設計方案的路側設備布設方式如圖3所示. 其中方案A為每隔200 m布設1套高清攝像機，每隔200 m布設1套毫米波雷達，共需布設 50臺 高清攝像機，50臺毫米波雷達；方案B為每隔 400 m 布設1套高清攝像機，每隔400 m布設1套毫米波雷達，在其中一處事故黑點區(qū)域布設1套激光雷達，共需布設25臺高清攝像機，25臺毫米波雷達，1臺激光雷達；方案C為每隔200 m布設1套高清攝像機，每隔400 m布設1套毫米波雷達，在2處事故黑點區(qū)域各布設1套激光雷達，共需布設7臺高清攝像機，4臺毫米波雷達，2臺激光雷達.

應用路段為1段10 km長的高速公路,其中有2段事故黑點區(qū)域，1段長約600 m，另1段長約400 m.

圖3 布設方案示意圖

3.2 評估結果

針對設計的3個布設方案，選取平均每公里工程造價、平均每公里維護成本、數據采集種類、物理覆蓋度、物理重疊度、功能覆蓋度、平均故障間隔時間等指標進行分析，構建綜合評估指標體系，通過運算分析，各個方案的指標值如表5所示.

表5 各布設方案指標值

根據經驗可得出平均每公里工程造價、平均每公里維護成本、物理重疊度等指標，值越小越接近于最優(yōu)布設方案，因此為成本型指標；數據采集種類、物理覆蓋度、功能覆蓋度、平均故障間隔時間等指標，值越大越接近于最優(yōu)布設方案，因此為效益型指標. 利用灰色關聯(lián)分析模型對各指標進行深入計算，得出3個方案優(yōu)屬度如圖4所示，方案A的優(yōu)屬度為0.476，方案B的優(yōu)屬度為0.559，方案C的優(yōu)屬度為0.670. 從中可看出，方案C(檢測范圍未全面覆蓋道路、功能覆蓋度高)最接近于最優(yōu)布設方案，說明在重點區(qū)域進行設備布設、非重點區(qū)域適當減少設備布設可大幅優(yōu)化設備布設方案；方案A(檢測范圍全面覆蓋、但重疊度高)優(yōu)屬度最低，說明全路段進行設備密布使得造價成本升高，且設備檢測重疊范圍較高，易造成建設成本浪費，利用效率不高；方案B(檢測范圍全面覆蓋、重疊度低)較為適中，說明在設備布設時需綜合考慮經濟性、全面性、有效性等原則.

圖4 各方案優(yōu)屬度排序

4 結束語

路側感知系統(tǒng)設計方案受道路線形、交通實際運行狀況、設計目標、工程造價等多方面因素影響，方案評估是智慧高速設計的1項基礎性工作. 本文以數據采集的參數和不同類型為切入點，以路側感知設備布設方案評估為目標，提出了1套綜合評估方法，綜合考慮經濟性、全面性、有效性原則，選取了平均每公里工程造價成本、平均每公里維護成本、數據采集種類、物理覆蓋度、物理重疊度、功能覆蓋度、平均故障間隔時間7項指標.

通過案例結果，3個方案優(yōu)屬度分別為0.476、0.559、0.670，可得出：在重點區(qū)域進行設備密布、非重點區(qū)域適當減少設備布設可大幅優(yōu)化設備布設方案；全路段進行設備密布會使成本升高；若感知設備的檢測范圍重疊較大，則易造成大量資源及設備性能的浪費.

由于電子信息技術飛速發(fā)展，智能路側設備更新迭代速度飛快，本文僅選取工程實踐中常見的設備進行研究，仍有一定局限性，后續(xù)將面向自動駕駛、車路協(xié)同等新技術帶來的新需求，繼續(xù)展開研究，以不斷優(yōu)化智能路側系統(tǒng)的設計方案，為智慧高速建設提供新思路.