通往未來之路 Road to the Future
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新一代智慧高速公路（NGSH，New generation smart highway），已成為提高運輸效率和安全性的不可抗拒的全球趨勢。NGSH 的特性和框架的探索，可以指導我們升級當前的高速公路系統。本文從汽車工業與道路交通交互演進的角度，總結了 NGSH 的基本特徵。隨著自動化和網聯汽車的普及，NGSH 的主要技術特徵被提出為（I）完整元素感測，（II）資訊實體系統，（III）協同車輛基礎設施應用，以及（IV）5th 一 代行動通信技術。介紹了相應的實體框架和數據流，其中三個數據屬性（數據精度、維度、和新鮮度）被突出來描述各種場景的數據需求。
NGSH 的發展路徑，將根據不同的車輛自動化水準進一步討論。從 R1 到 R5 確定了 NGSH 的五個級別的特徵。NGSH 級別和車輛自動化級別的不同組合，導致產生不同的系統功能。指出了現階段在系統相容性、標準規範、資訊安全等方面極待解決的幾個問題。本文為永續和可重覆的公路改造提供了新的見解，為 NGSH 設計提供了一些啟示。
一、簡介
公路是公路運輸系統的基本組成部分，它連接沿線的主要城市，穿越所有行政區域，幾乎到達所有都會城市[ 1 ]，是對國民經濟的有力支撐。
國際上，早在 1940 年代就提出了智慧高速公路的概念[ 6 ]。1992年，美國啟動了自動公路系統（AHS）計劃，並建立了車-車（V2V）和車-基礎設施（V2I）通信模組，以減少交通堵塞，提高行車安全[ 7 ]。21世紀初，弗吉尼亞州的智慧高速公路項目，是美國智慧交通系統的一個重要里程碑。它整合了設施性能監控、能量回收和自動駕駛等多項技術，打造了一條 2.2 英里的智慧高速公路 [ 8 ]。智慧走廊是美國最具代表性的智慧高速公路項目之一，在加利福尼亞州的 I-80 高速公路上進行 [ 9]。該系統透過電子辨識和專用短程通信（DSRC），整合了多種感測和主動交通技術，以提高駕駛安全性和運輸時間可靠性[ 10 ]。
自 1990 年代以來，日本展開了許多智慧交通系統的研究和項目 [ 11 ]。2006 年發布的 SmartWay 公開測試已成為全球 ITS 基準。該系統包含車輛資訊與通信系統（VICS）、電子收費系統（ETC）、高級安全車系統（ASV）等功能模組，以提升用戶的出行體驗[ 12]。2015 年東京車展展出了 ETC 2.0，以 V2I 為核心，加強車輛和設施之間的收費和資訊交換[ 13 ]。日本在全國形成統一的標準，採用 ETC 和 VICS 系統。上世紀中葉，歐洲開始了智慧道路基礎設施的研究，主要以永續性、生態交通和安全為導向，包括著名的「Euraka」計劃[ 14 ]，和 EasyWay 項目[ 15 ]。2013 年，哥德堡試驗道路 Drive Me 為車輛即時提供路邊感測數據，用於自動泊車和自適應巡航等功能 [ 16]。
2016 年，挪威 E8 高速公路應用車路協同，打造了卡車自動駕駛的獨特場景應用 [ 17 ]。大多數國家利用路邊攝影機、毫米波雷達等，實現對道路環境的大規模感知，並結合不同的通信方式，進行車輛與基礎設施之間的資訊交互。目標包括自動駕駛、事故警報、生態駕駛、安全增強等。表1比較了全球典型智慧高速公路項目的技術特徵。
2020 年中國高速公路通車里程超過15萬公里，居世界第一[ 2 ]。隨著高速公路覆蓋率的快速成長，如何利用先進的感測、計算和通信技術，提高其服務能力，一直是下一代智慧高速公路（NGSH）的關鍵問題。中國的快速發展，使其成為在技術融入 NGSH 方面最靈活的國家之一 [ 3]。2014年，中國交通運輸部發布「四通」策略，提出「智慧交通」的概念[ 4 ]。隨後幾年，智慧交通的概念不斷豐富和細化，催生了智慧公路、智慧路面、智慧基礎設施等諸多新技術形態[ 5]。中國的浙江、上海、山東等全國各地區和城市，在智慧公路體系建設方面，展開了大量探索性試點，取得了豐碩成果。但是，其中一些是針對特定案例和面向功能的，因此很難在其他領域複製。NGSH 的架構直接影響其可移植性和有效性，這對於當前道路運輸系統的演進，也具有相當重要的意義。
中國為自動/半自動駕駛和協同車輛基礎設施系統（CVIS），建設了多條智慧高速公路。例如，浙江整合了自由流充電、無線充電、部分自動駕駛等技術，打造了161公里的「高速公路」。其行駛速度預計將超過 120 公里/小時 [ 18 , 19 ]。湖南建設113公里「5G+」智慧高速公路，實現每路段、每輛車精準感知，打造 L3 - L5 級自動駕駛動態數位高清地圖[ 20 ]]。廣西以北斗衛星導航系統（BDS）為基礎，建構具有車輛引導、安全監控、駕駛員設施數位化等功能的智慧公路系統。山東省推出其中國國內首條全自動智慧高速公路，採用先進的雷射雷達、微波雷達等技術，對車輛進行總體調控[ 20]。該方案可以顯著提高全網聯自動駕駛汽車的通行效率和安全性，但測試只能在現階段的指定訓練場進行，不能在開放環境中進行。儘管中國在智慧高速公路建設方面取得了巨大成就，但尚未形成統一的、具有指導意義的 NGSH 定義和架構。缺乏統一的標準和設計，影 響了 NGSH 在他們中國全國的大規模推廣。
NGSH 作為一種新型的道路運輸技術形式，將成為解決交通堵塞和道路事故的可靠措施。其基本架構的清晰性，可以有效地指導 NGSH 的設計，並作為對當前交通系統的補充。本文的其餘部分安排如下：第 2 節介紹了汽車工業與道路運輸之間的互動發展，由此得出了 NGSH 的內涵；第 3 節從實體架構和數據屬性的角度，闡述了相應的技術架構；第 4 節描述了其發展路徑並定義了 NGSH 的不同層次；最後，結論部分介紹了本研究的結果。
二、對新一代智慧公路的認識
2.1. NGSH 的技術特點
道路的核心功能，是道路使用者的載體。從道路交通系統的演進歷史來看（見圖 1），呈現出與汽車產業互動的發展趨勢。1881 年發明了第一輛電動汽車，標誌著汽車已成為人類出行的新工具[ 21 ]。賓士專利汽車建於 1885 年，被廣泛認為是世界上第一輛由內燃機驅動的燃油汽車。
此後，汽車逐步實現量產[ 22]。然而，道路設施的性能不足限制了車輛的效率。因此，1901 年產生的柏油路，為汽車技術的發展提供了堅實的基礎，從而提高了車輛的行駛速度[ 23 ]。隨著人類社交距離和出行距離的迅速擴大，汽車需要更安全、更高效的駕駛環境。高速公路系統出現了，它具有專用的通行權和有限的駕駛空間。世界上第一條高速公路於 1932 年建成，隨後在國際上被廣泛採用 [ 24]。
21 世紀以來，自動駕駛和車聯網對現有的高速公路系統，提出了新的要求。車輛與道路的相互作用得到加強，使之前的「弱連接」連接成為「強連接」耦合。它們之間的資訊交換，一直是下一代道路運輸系統中，不可或缺的一部分。因此，NGSH 的技術特性，需要充分考慮汽車行業的發展現狀和功能需求。
使用者需求，是高速公路系統升級的第一動力。20 世紀初，硬化路面是提高路面使用性能的最重要措施。透過硬化路面，單車道通行能力提高到 600-800 pcu/h，行駛速度可達 40-60 km/h [ 25 ]。隨著經濟活動的蓬勃發展，人們的活動範圍進一步擴大，產生了大量的城際出行需求。因此，工程師們在 1932 年提出了一個「專屬」的公路系統，僅作為機動車使用的通道。高速公路系統將單車道容量擴大到 1800 - 2400 pcu/h，並將車速提高到 80-120 km/h [ 26]。由於土地資源逐漸飽和，建設新道路的土地有限。精準快速的感測技術和低延遲的通信，幫助車輛在現有基礎設施條件下，縮短車頭距離，確保車輛控制的穩定性。根據仿真和現場測試，通行能力可躍升至 3000 - 3500 pcu/h，行駛速度將超過 120 km/h [ 27 ]。NGSH 的基本思想是結合多元、分佈式、精確的感測、計算和通信技術，提高高速公路的通行能力和行駛速度，同時服務於數位基礎設施管理和安全增強（見圖 2）。
2.2. NGSH 系統的基本組成部分
NGSH 的應用，因道路使用者和管理者而異。對於使用者來說，服務功能是針對不同自動化水準的車輛而設計的。對於 L2 及以下，NGSH 主要提供可靠的環境資訊和相應的服務支持，如暢通收費、災害天氣預警、路線和速度引導[ 28 ]。對於半自動駕駛車輛（L3 ~ L4），NGSH 利用其大規模整合感測的優勢，來增強車輛的感知，並提供更多的專用資訊以確保駕駛安全。對於全自動車輛（L5），NGSH 從總體角度控制車隊和隊列，以提高整個高速公路的效率，如圖 3 所示。
對於管理者來說，NGSH 即時監控靜態設施和動態車輛的狀態，進行全生命週期維護管理和優化，提高了突發事件的響應能力，保障了系統運行的穩定性。基於上述要求，NGSH 的組成部分大致分為四類：（一）全要素感測，（二）資訊實體系統（CPS），（三）協同車 - 基礎設施應用，（四）高速度通信（見圖 4）。
全要素感知主要應用影像、毫米波雷達、高精度定位系統等，先進的分佈式感測技術，實現交通系統全要素感知，是 NGSH 的底層結構。例如，車輛重新辨識、軌跡重建和速度檢測，被應用於描述動態對象。採用遇險檢測、粗糙度感知、標記辨識等方法，對人行道和路邊設施等準靜態物體進行評估。災害天氣、積水和能見度差等環境資訊，也會以較短的間隔記錄下來。NGSH 融合併關聯所有這些感測數據，構建一個動態完整的元素感測網路。
網路實體系統 (CPS) 是一種電算系統，其中一種機制由基於電腦的算法控製或監控 [ 29 ]。CPS 類似於數位孿生平台[ 30 ]，它反映了元素在其整個生命週期中的動態運行資訊，並可以透過全局辨標籤和數據融合模型在空間上，表示感測數據。CPS 具有物聯網 (IoT) 的特點，但 CPS 呈現出實體和計算元素之間，更高的組合和協調性 [ 31]。CPS 平台是一個活的數位模擬，它將所有感測數據匯集在一起，並從多個來源對其進行更新，以動態描繪其實體對應物。CPS 是 NGSH 的核心平台。
CVIS 應用是指利用完整的感測數據和 CPS 平台，實現自動駕駛和生命週期基礎設施管理的應用，包括基於 CVIS 的全自動駕駛、車輛隊列控制、永續維護調度、快速應急反應等。根據 NGSH 的不同發展階段，系統應用可能從單個模組到多個疊加功能。
通信媒體是指利用 5G、DSRC、C-V2X 等通信技術，在智慧公路系統核心部件之間傳遞數據流。5G 通信有望成為大規模車路資訊交換的合適工具[ 32 ]，從而實現整合感測數據的即時計算和處理。反過來，來自 CPS 平台的融合結果和控制命令，可以透過 5G 即時發送到車輛。
三、新一代智慧公路技術架構
NGSH 的技術架構，是根據其實體和應用類型設計的。前者解釋了 NGSH 系統的基本要素、實體組成、數據模式和資訊流。後者列舉了應用場景。
3.1. NGSH 的基本要素
開發 NGSH 技術框架的第一步，是確定其基本要素。目前的研究更傾向於根據應用場景，或資訊類型來確定基本要素。但由於 NGSH 系統中的項目和功能複雜，這樣的定義並不適合 NGSH 的頂層架構設計。因此，本研究採用了一種從數據新鮮度方面，確定 NGSH 基本要素的新方法。透過總結 NGSH 中各個應用場景的數據需求，將 NGSH 的基本要素確定為四類要素：高動態要素、瞬態動態要素、瞬態靜態要素、永久靜態要素，如圖 5 所示.(1)高動態元素主要包括不同類型的交通狀態，包括車輛、路障、軌跡和控制命令。(2)瞬態動態要素主要包括路網狀況，包括工作區、交通擁堵、天氣狀況、道路收費資訊、信號控制資訊等。(3)瞬態靜態要素主要是路網基礎設施條件，包括路面抗滑性、路面不平度、路面不良狀況和標線狀況。(4)永久靜態元素是指穩定且幾乎不變的特徵，包括道路幾何形狀、地標、交通標誌和障礙物。
3.2. NGSH 的實體架構
智慧系統的體系結構，可以透過兩種方法開發：面向對象的方法和面向過程的方法。與面向過程的方法相比，面向對象的方法主要關注系統中的對象，很少對對象之間的過程進行刻畫，具有更強的可擴展性、可重用性和適應性。因此，本研究採用面向對象的方法，來開發 NGSH 的實體架構。
圖 6 說明了 NGSH 的實體架構。首先根據基本要素確定架構的四個對象。將屬性資訊、感知方法、處理分析方法，封裝在元素確定中，構成感知層。對於每個對象，採用不同的感知方法進行數據收集和資訊收集。
然後透過新興的通信技術（例如 5G 通信），將感知數據上傳到 CPS 層。CPS 平台由數據庫、基礎平台、計算中心、功能平台等實體元素組成。CPS 平台依賴於高解析度數位底圖。NGSH 的實體元素在 CPS 平台中進行映射和管理。基礎數據庫是數位基礎設施資訊、運行狀況、環境數據等海量多源異構數據的管理中心，其核心是保證實體世界和虛擬世界的數據同步。基礎平台按照數據協議，呈現各種類型的數據。計算中心包含多個虛擬模型、決策模型。
NGSH 架構的頂層是應用系統，包含了 CVIS、智慧基礎設施管理與維護、資訊服務、智慧交通管理等多項服務。與其他兩層相比，應用系統的架構更加靈活，可以由一個或多個功能構成。
實體架構的基礎，是完整的感測網路和 CPS 管理平台。兩部分必須相容可複製，有利於推動 NGSH 的產品化和商業化。還需要注意的是，單個應用的操作可能需要來自 CPS 層和感知層的多個資訊。例如，CVIS 中的自動駕駛汽車需要道路幾何資訊（永久靜態對象）、防滑資訊（瞬態靜態對象）、信號控制資訊（瞬態動態對象）和周圍車輛資訊（高動態對象）進行數據融合和處理以生成控制策略。
3.3. NGSH 的數據要求
實體架構定義了 NGSH 系統中的基本元素和主要組件。對於不同的應用場景或系統，數據需求是不同的。必須首先明確它們，因為它們決定了感知方法的選擇，和感知設備的技術要求。因此，我們從數據維度和準確性方面討論數據需求，參考數據豐富度和數據精度。表 2 總結了不同應用場景對應的數據需求。
3.4. NGSH 的應用架構
從應用來看，NGSH 的用戶涉及私家車、商用車、交通營運部門和資產管理部門等。圖 7 描述了多類使用者的應用。私人司機可以有效地捕獲包括交通狀況、基礎設施狀況，和環境狀況在內的數據，以提高他們的駕駛安全性和效率[ 33 ]。對於商業駕駛，可以遠端控制車輛，根據即時交通和環境數據，實現自動駕駛和車輛編隊。NGSH 基於基礎設施和交通運行數據，賦能智慧資產管理和全生命週期維護能力。
四、新一代智慧公路發展路徑
4.1. NGSH 與自動駕駛汽車的互動開發
NGSH 的發展，是智慧汽車和智慧道路相互促進的過程，需要與新興技術共同建構。有效性取決於車輛的自動化程度，和高速公路的智慧程度。
與自動駕駛汽車（AV）的自動化等級分類類似，NGSH 也可以根據其數位化能力，分為不同的智慧等級。卡雷拉斯等人。建立了 AV 的道路基礎設施支持級別（ISA 級別）[ 34]。這些級別可以分配給部分網路，以便為即將到來的高速公路自動化時代提供 AV 指導。這種分類方案的核心思想，是根據基礎設施的數位功能，如數位資訊、協同感知和協同駕駛，來區分基礎設施。NGSH 整體由許多智慧基礎設施組成。NGSH 不僅服務於 AV，還服務於交通營運商。因此，NGSH 的智慧程度取決於其數據特徵和支持功能，如表3所示。從傳統高速公路（道路智慧級別 1，R1）到完全智慧高速公路（道路智慧級別 5，R5）定義了五個智慧級別。數據屬性詳見表2，功能屬性根據 ISA 等級大致分為三個方面。
從使用者的角度來看，不同自動化和智慧化程度的車輛和高速公路的組合，可以實現多樣化的功能，如圖 8 所示. 沒有車路通信，即使是最高等級的道路，也無法為 L0 級車輛提供資訊服務。但是，對於 L5 AV，它們可以在沒有任何外部基礎設施支持的情況下實現自動駕駛，因此可以應用在 R1∼R5 高速公路上。同樣，如果沒有高度動態的數據，協同駕駛也無法生效。對於 R4 道路和 L4 車輛，車輛在正常情況下感知的動態數據最多，道路可以提供感興趣區域的輔助感知數據。它們共同實現全要素感知，使協同駕駛成為可能。隨著 NGSH 的升級，高速公路的智慧基礎設施，將為車輛提供更強的感知能力，賦予車輛高級自動駕駛的功能。在某些情況下，不同級別的 AV 和 NGSH 的組合達到了類似的效果。比如「L4 車 + R3 高速公路」和「L2車 + R5高速公路」都可以達到自動駕駛。因此，在實踐中應根據主要營運車輛的自動化水準，合理設計 NGSH 的智慧化水準。
從營運商的角度來看，不同智慧水準的 NGSH 在不同程度上提升了營運能力。我們專注於三大任務（資產管理、安全提升和效率提升），以辨識不同級別 NGSH 的有效性（見圖 9）。對於低智慧程度的高速公路，大部分操作工作都是人工進行的，既費時又費力。對於智慧化程度較高的高速公路，可以透過分佈式感測器採集數據，透過自動化設備完成任務。由於大多數營運工作，不需要了解每輛行駛車輛的高動態數據，R4 和 R5 高速公路的功能基本相同。隨著 NGSH 智慧化水準的提高，也將產生顯著的經濟效益和環境效益。透過減少延誤時間、提高交通效率、優化車輛軌跡，可以有效降低污染排放和油耗。本文提出的分類方法，主要面向高速公路的智慧化和數位化水準。
4.2. NGSH 發展階段的關鍵問題
NGSH 透過數為化和智慧化技術，重塑現有高速公路系統，提高通行能力、行車速度、行車安全等服務性。NGSH 探索了當前實體理設施的潛力。但在實踐中仍存在許多關鍵問題，總結如下：(1)目前，一些 NGSH 功能過於「超前」，導致與當前系統的相容性較差。例如，某些場景是專門為 L4/L5 AV 設計的。但考慮到法律法規的限制，高速公路只能用於自動駕駛的測試。為 AV 佈署過多的路邊設施，很難在現階段發揮 NGSH 的價值。建議根據地區特點和主要使用者，設置合適的建設內容。NGSH 的架構必須考慮其可持續性，以保證擬議的智慧高速公路適用於不同的發展階段。(2)現有的 NGSH 設計和建設主要集中在單一場景，缺乏統籌考慮。許多項目是為特定目標（即自動駕駛、生命週期維護和資訊發布）而設計的，這導致完整元素感測的效用沒有發揮作用。需要充分整合現有資源，打造綜合系統，適用於各種場景。(3)NGSH 的建設缺乏統一的數據規範和標準，導致成熟應用的遷移和複製性較差。由於 NGSH 的建設仍處於探索階段，在數據類型、格式、協議、通信方式等方面，仍存在較大差異。因此，需要制訂相關的標準，保證不同架構的 NGSH 應用可以互通。(4)雖然目前 NGSH 功能如 CVIS、超視距感知、安全增強等，已經取得了豐碩的研究成果，但在通信穩定性、數據安全、隱私保護等方面存在一定的問題，尤其是在多終端交互環境的情況下。因此，下一階段的研究需要提高 NGSH 對外部攻擊的強健性，保護用戶隱私。
5. 結論
本文提出了新一代智慧高速公路（NGSH）的框架，它是一個資訊實體系統，整合了各種計算、通信和控制技術。根據道路交通與汽車工業的耦合發展，總結了 NGSH 的基本技術特點。得出以下發現和影響：(1)NGSH 由四個主要部分組成：完整元素感測、CPS 平台、CVIS 應用和電信。NGSH 的核心特點是自動駕駛汽車與智慧基礎設施的交互協作。(2)NGSH 的實體架構，定義了 NGSH 系統中的基本元素和主要組件。對不同應用場景的數據要求，在準確性、維度、新鮮度等方面進行了明確。(3)NGSH 的智慧級別，按照數據時效特性和功能特性來劃分。從傳統高速公路 (R1) 到完全智慧高速公路 (R5)，定義了五個智慧級別。(4)根據更新頻率，CPS平台由永久靜態數據（即道路幾何、地標）、瞬態靜態數據（即道路品質、可視性）、瞬態動態數據（即堵塞、天氣）和高動態數據組成。數據（即，移動的車輛、行人）。(5)CVIS 應用分為資訊提供、感知增強和協同駕駛，面向不同自動化水準的車輛。(6)討論了車輛自動化水準和高速公路智能水準的綜合效應，揭示了 NGSH 和自動化車輛系統的不同階段。同時，從 NGSH 的永續性和經濟適用性的角度闡述了現階段的關鍵問題。
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