《道路交通科學(xué)技術(shù)》2021年第05期，刊登發(fā)表了由江蘇科創(chuàng)車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)研究院有限公司、淮陰工學(xué)院交通工程學(xué)院等專家聯(lián)合撰寫的《數(shù)字網(wǎng)聯(lián)指路標(biāo)志的應(yīng)用研究》。
摘要：本文分析了傳統(tǒng)指路標(biāo)志和LED道路交通誘導(dǎo)可變信息標(biāo)志的發(fā)展現(xiàn)狀，及其在智能路徑規(guī)劃、行車誘導(dǎo)、交通流調(diào)控和視認(rèn)性等方面的不足?；诿姘屣@示主動(dòng)發(fā)光技術(shù)，提出了多源數(shù)據(jù)融合的新型數(shù)字網(wǎng)聯(lián)指路標(biāo)志技術(shù)方案。數(shù)字網(wǎng)聯(lián)指路標(biāo)志可以廣泛應(yīng)用于復(fù)雜環(huán)境下的城市道路網(wǎng)與公路網(wǎng)，實(shí)時(shí)接收和發(fā)布交通事件和信息，對(duì)交通流進(jìn)行誘導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)時(shí)間與空間上的同步交通組織，對(duì)于緩解交通擁堵和處理交通事故等問(wèn)題有著重要的意義。
關(guān)鍵詞：數(shù)字網(wǎng)聯(lián)指路標(biāo)志；主動(dòng)發(fā)光標(biāo)志；交通誘導(dǎo)。
0 前言
指路標(biāo)志設(shè)置的目的在于傳遞道路方向、地點(diǎn)、距離信息，提供準(zhǔn)確及時(shí)的信息和引導(dǎo)，使道路使用者順利抵達(dá)目的地，促進(jìn)交通暢通和行車安全。
隨著城市的快速擴(kuò)張、機(jī)動(dòng)車保有量激增，道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也顯著加快，路網(wǎng)越來(lái)越復(fù)雜。2010-2017年，中國(guó)城市的建成區(qū)面積從4.05萬(wàn)平方公里增長(zhǎng)到14.61萬(wàn)平方公里。2010年，全國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量為7000萬(wàn)輛。而截至2020年6月，全國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)3.6億輛。2010-2019年，全國(guó)公路里程從398.4萬(wàn)公里增加到501.25萬(wàn)公里。新的地名、路名大量涌現(xiàn)，迫使駕駛員更加依賴指路標(biāo)志的科學(xué)合理設(shè)置以及準(zhǔn)確的信息引導(dǎo)。為此，我國(guó)近年來(lái)持續(xù)對(duì)道路交通標(biāo)志進(jìn)行規(guī)范和升級(jí)。截至2019年10月，全國(guó)高速公路及國(guó)道共新增或調(diào)整交通標(biāo)志28.3萬(wàn)塊，而指路標(biāo)志是其中為主要的調(diào)整內(nèi)容。因此，指路標(biāo)志的設(shè)置是否科學(xué)合理，對(duì)出行影響至關(guān)重要。
1.傳統(tǒng)指路標(biāo)志的不足
2015年頒布了《城市道路交通標(biāo)志和標(biāo)線設(shè)置規(guī)范》，期待能夠科學(xué)性、規(guī)范性和系統(tǒng)性地管理城市道路指路標(biāo)志設(shè)置。但隨著城市的發(fā)展和道路里程的增長(zhǎng)，路網(wǎng)更為復(fù)雜、外部環(huán)境更加多變，導(dǎo)致指路標(biāo)志信息量不斷增大，而駕駛?cè)说哪芰τ邢?，其感知、決策、執(zhí)行的能力易受外界環(huán)境限制。因此，指路標(biāo)志良好的路徑規(guī)劃、交通誘導(dǎo)和警示功能，就顯得更加重要。
現(xiàn)有的研究表明，出行者對(duì)出行中信息的反應(yīng)要強(qiáng)于出行前獲得的信息，即駕駛員在行車過(guò)程中會(huì)更在意交通標(biāo)志信息。而傳統(tǒng)的指路標(biāo)志，只提供定性和定量的方向、地點(diǎn)等描述信息，而缺乏實(shí)時(shí)交通誘導(dǎo)信息，其誘導(dǎo)功能不足。同時(shí)，靜態(tài)標(biāo)志無(wú)法對(duì)動(dòng)態(tài)的通行風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行有效預(yù)警，視距之外的風(fēng)險(xiǎn)無(wú)法有效傳遞；無(wú)法在速度與通行風(fēng)險(xiǎn)管控中建立平衡，很難兼顧效率與安全；依賴視覺(jué)的辨別方式存在諸多局限性。因此，指路標(biāo)志迫切需要由被動(dòng)識(shí)別向協(xié)同感知、協(xié)同控制發(fā)展：利用新的技術(shù)手段賦予更多的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)信息，在標(biāo)志信息豐富與易識(shí)別之間做好平衡，以滿足全天候的視認(rèn)需求；并根據(jù)道路運(yùn)行狀態(tài)的變化，及時(shí)發(fā)布交通事件和預(yù)警等相關(guān)信息，建議駕駛?cè)诉x擇合適的路徑。
2.數(shù)字網(wǎng)聯(lián)指路標(biāo)志
為了做到交通管控和交通服務(wù)的統(tǒng)一，數(shù)字網(wǎng)聯(lián)指路標(biāo)志應(yīng)運(yùn)而生。數(shù)字網(wǎng)聯(lián)指路標(biāo)志不只是交通標(biāo)志本身，而是由感知、通信、計(jì)算、控制以及交通標(biāo)志本體組成的標(biāo)志系統(tǒng)。數(shù)字網(wǎng)聯(lián)指路標(biāo)志可以同時(shí)發(fā)布靜態(tài)的道路節(jié)點(diǎn)信息、動(dòng)態(tài)的行程時(shí)間、路況信息、事件和交通管制等相關(guān)信息。有研究表明，約有90%以上的駕駛員會(huì)根據(jù)動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行路徑?jīng)Q策，因此數(shù)字網(wǎng)聯(lián)指路標(biāo)志可以較好的進(jìn)行交通流的引導(dǎo)和管控。通過(guò)在時(shí)間和空間上進(jìn)行協(xié)調(diào)，限度的利用道路資源，調(diào)度交通流、規(guī)劃通行路徑、優(yōu)化道路平面空間，提供的時(shí)空解決方案，化堵為疏。
數(shù)字網(wǎng)聯(lián)指路標(biāo)志不僅可以被視覺(jué)識(shí)別，還可以被機(jī)器識(shí)別。通過(guò)路側(cè)感知與云端計(jì)算相結(jié)合，將通信、數(shù)據(jù)和云計(jì)算功能匯集，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)車路協(xié)同。數(shù)字網(wǎng)聯(lián)指路標(biāo)志能滿足人工駕駛汽車與不同等級(jí)自動(dòng)駕駛汽車并存的道路交通環(huán)境，并可以廣泛適用于城市和高速公路場(chǎng)景，能讓更多的交通參與者體會(huì)到數(shù)字網(wǎng)聯(lián)技術(shù)帶來(lái)的出行環(huán)境與服務(wù)水平變化。
圖1 數(shù)字網(wǎng)聯(lián)指路標(biāo)志
圖2 數(shù)字網(wǎng)聯(lián)指路標(biāo)志的不同表達(dá)形式
3.數(shù)字孿生技術(shù)
道路交通狀態(tài)瞬息萬(wàn)變，單點(diǎn)或者局部的優(yōu)化，很難解決全局問(wèn)題。而隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、數(shù)字孿生等技術(shù)的發(fā)展，為數(shù)字網(wǎng)聯(lián)指路標(biāo)志融入智慧交通解決方案帶來(lái)了契機(jī)。
數(shù)字孿生技術(shù)可以充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過(guò)程，海量傳感器數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)同步到數(shù)字孿生系統(tǒng)中，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)的城市交通狀態(tài)的完整演化過(guò)程。在數(shù)字孿生技術(shù)塑造的仿真場(chǎng)景中，可以根據(jù)實(shí)時(shí)交通流狀態(tài)瞬間完成上千種交通方案的測(cè)試，并向現(xiàn)實(shí)世界提供解，為交通管理者提供科學(xué)決策的依據(jù)。
通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)與數(shù)字網(wǎng)聯(lián)指路標(biāo)志的結(jié)合，在“時(shí)間”與“空間”兩個(gè)要素上做同步優(yōu)化，能夠把“交通標(biāo)志、標(biāo)線、信號(hào)燈”這三種物理的交通信號(hào)設(shè)施組織聯(lián)系到一起，通訊、傳感、數(shù)據(jù)融合。采用時(shí)空一體協(xié)同優(yōu)化的方法，將區(qū)域交通誘導(dǎo)、車道功能動(dòng)態(tài)控制和基于通行能力的時(shí)間分配于集成于一個(gè)系統(tǒng)。在宏觀層面結(jié)合指路標(biāo)志發(fā)布誘導(dǎo)信息，主動(dòng)引導(dǎo)駕駛員進(jìn)行路徑選擇，以平衡交通壓力。在中微觀層面，將車道數(shù)量、車道功能、允許流向等空間變量與信號(hào)控制的綠信比、相序、相位差等時(shí)間變量結(jié)合，實(shí)現(xiàn)時(shí)空一體的優(yōu)化控制（如圖3 所示）。在保證路口通行的同時(shí)，考慮節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)的協(xié)調(diào)性、節(jié)點(diǎn)與路段的相容性，既有基于宏觀的主動(dòng)交通管理，也有中微觀的時(shí)空一體化協(xié)同控制。
圖3 數(shù)字網(wǎng)聯(lián)三級(jí)交通信號(hào)誘導(dǎo)系統(tǒng)
4.數(shù)字網(wǎng)聯(lián)指路標(biāo)志的顯著優(yōu)勢(shì)
在智慧交通發(fā)展過(guò)程中，為解決指路標(biāo)志信息量不斷增大的問(wèn)題，已經(jīng)制定了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GA/T484《LED道路交通誘導(dǎo)可變信息標(biāo)志》，通過(guò)使用采用LED像素信息屏來(lái)進(jìn)行道路交通信息發(fā)布。但是，該方案在使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)存在諸多問(wèn)題。
（1）LED屏自身成本和安裝成本較高，特別是桿件和基礎(chǔ)的生產(chǎn)與建設(shè)成本難以控制；（2）由于亮度大、功耗高、容易產(chǎn)生炫光與失效等原因，LED信息屏在展示細(xì)節(jié)的文字信息時(shí)，無(wú)法被駕駛?cè)丝焖?、?zhǔn)確的有效視認(rèn)；（3）在斷電時(shí)，LED屏無(wú)法顯示信息，甚至不能作為傳統(tǒng)的的靜態(tài)指路標(biāo)志使用。這對(duì)于對(duì)指路標(biāo)志的運(yùn)行和維護(hù)提出了比較高的保障要求；（4）LED屏的使用功耗高和養(yǎng)護(hù)難度較大。
圖4 LED道路交通誘導(dǎo)可變信息標(biāo)志失效
為解決LED信息屏失效的問(wèn)題，行業(yè)內(nèi)逐漸形成了普通反光標(biāo)志內(nèi)嵌LED信息屏的方案。這種方式部分解決了整幅LED信息屏的高成本、高功耗等問(wèn)題，但是也帶來(lái)了夜間LED信息屏過(guò)于奪目，反光標(biāo)志的信息無(wú)法識(shí)讀。有些城市為此LED信息屏加裝補(bǔ)光燈，但是由于標(biāo)志的板面較大以及LED信息屏亮度過(guò)高，仍無(wú)法很好的解決視認(rèn)性問(wèn)題。
圖5 普通反光標(biāo)志內(nèi)嵌LED信息屏的視認(rèn)效果
數(shù)字網(wǎng)聯(lián)指路標(biāo)志采用的面板顯示主動(dòng)發(fā)光技術(shù)，結(jié)合實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息發(fā)布，具備顯著優(yōu)點(diǎn)：一是符合駕駛?cè)艘曈X(jué)識(shí)別的特點(diǎn)。智能網(wǎng)聯(lián)指路標(biāo)志可以提供與普通標(biāo)志類似的版面設(shè)計(jì)，在提供更豐富交通信息的同時(shí)，并沒(méi)有增加駕駛?cè)说淖R(shí)讀難度。二是更好的顯示效果。顯示級(jí)LED光源的應(yīng)用，使得數(shù)字網(wǎng)聯(lián)指路標(biāo)志低照度、低能見(jiàn)度等特定環(huán)境下具有良好的視認(rèn)效果。既避免了LED信息屏易產(chǎn)生炫光、無(wú)法表達(dá)復(fù)雜信息的尷尬，又解決了普通標(biāo)志嵌入的LED信息屏對(duì)比度過(guò)大、無(wú)法有效視認(rèn)標(biāo)志信息的問(wèn)題。三是更均衡的發(fā)布方案。面板顯示與LED光源兩種顯示技術(shù)融合而成的數(shù)字網(wǎng)聯(lián)指路標(biāo)志，其施工和桿件設(shè)計(jì)類似普通標(biāo)志，具有比板LED信息屏更低的成本、更低的功耗和更低的施工建設(shè)難度。其綜合成本可下降70%，能耗下降達(dá)以上，養(yǎng)護(hù)難度大為降低，是一種視認(rèn)效果與實(shí)施便利程度比較均衡的交通誘導(dǎo)信息發(fā)布方案。四是更智慧的交通信息載體。交通流等多源數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)字運(yùn)算與數(shù)字孿生技術(shù)，在數(shù)字網(wǎng)聯(lián)指路標(biāo)志上可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)路況與行程數(shù)據(jù)的接收和發(fā)布。這不但增強(qiáng)了駕駛?cè)伺c指路標(biāo)志之間的信任度與互動(dòng)性，也大幅度優(yōu)化了通行秩序并提升了通行效率。
圖6 數(shù)字網(wǎng)聯(lián)指路標(biāo)志的夜間效果
5.數(shù)字網(wǎng)聯(lián)指路標(biāo)志賦能智能網(wǎng)聯(lián)汽車發(fā)展
目前，智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展方興未艾。據(jù)美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）預(yù)測(cè)， 21 世紀(jì)中葉前，無(wú)人駕駛汽車將占據(jù)全球汽車保有量的 75%。智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展對(duì)道路交通基礎(chǔ)設(shè)施、通信和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施以及不同基礎(chǔ)設(shè)施間的互聯(lián)互通都有迫切需求。
中國(guó)道路交通環(huán)境復(fù)雜，區(qū)域割據(jù)，單車智能顯然無(wú)法滿足未來(lái)智能網(wǎng)聯(lián)車輛發(fā)展的需要。因此，在車路協(xié)同背景下，數(shù)字網(wǎng)聯(lián)指路標(biāo)志將會(huì)發(fā)揮巨大的作用。
在智慧城市的數(shù)字孿生系統(tǒng)支持下，數(shù)字網(wǎng)聯(lián)指路標(biāo)志作為路側(cè)交通信息基礎(chǔ)設(shè)施，可以實(shí)時(shí)采集道路交通信息；可以解決智能網(wǎng)聯(lián)車輛對(duì)傳統(tǒng)道路交通標(biāo)志辨識(shí)度低的問(wèn)題；可以將城市交通的解決方案實(shí)時(shí)發(fā)送給智能網(wǎng)聯(lián)車輛，為它們提供路徑；未來(lái)數(shù)字網(wǎng)聯(lián)指路標(biāo)志還可以有針對(duì)性地向特定車輛提供特定的交通標(biāo)志信息。從而提升交通信息發(fā)布的實(shí)時(shí)性、有效性與可靠性，降低車輛運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)一步提高交通管理與服務(wù)水平。
6.結(jié)語(yǔ)
綜上所述，數(shù)字網(wǎng)聯(lián)指路標(biāo)志應(yīng)用了互聯(lián)網(wǎng)+多源數(shù)據(jù)、多種新型材料，解決了傳統(tǒng)反光標(biāo)志、LED信息屏的多種技術(shù)缺陷，實(shí)現(xiàn)駕駛?cè)蝿?wù)與交通規(guī)則環(huán)境互動(dòng)、多源交通數(shù)據(jù)與道路交通的時(shí)間空間互動(dòng)。既可以服務(wù)于當(dāng)前人工駕駛，也可以通過(guò)車路協(xié)同，服務(wù)于未來(lái)的無(wú)人駕駛。
