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数字网联指路标志的应用研究
2021-11-16 22:40:59· 来源：车联网研究院 作者：杨美华
《道路交通科学技术》2021年第05期，刊登发表了由江苏科创车联网产业研究院有限公司、淮阴工学院交通工程学院等专家联合撰写的《数字网联指路标志的应用研究》。
《道路交通科学技术》2021年第05期，刊登发表了由江苏科创车联网产业研究院有限公司、淮阴工学院交通工程学院等专家联合撰写的《数字网联指路标志的应用研究》。
摘要：本文分析了传统指路标志和LED道路交通诱导可变信息标志的发展现状，及其在智能路径规划、行车诱导、交通流调控和视认性等方面的不足。基于面板显示主动发光技术，提出了多源数据融合的新型数字网联指路标志技术方案。数字网联指路标志可以广泛应用于复杂环境下的城市道路网与公路网，实时接收和发布交通事件和信息，对交通流进行诱导，实现时间与空间上的同步交通组织，对于缓解交通拥堵和处理交通事故等问题有着重要的意义。
关键词：数字网联指路标志；主动发光标志；交通诱导。
0 前言
指路标志设置的目的在于传递道路方向、地点、距离信息，提供准确及时的信息和引导，使道路使用者顺利抵达目的地，促进交通畅通和行车安全。
随着城市的快速扩张、机动车保有量激增，道路基础设施建设也显著加快，路网越来越复杂。2010-2017年，中国城市的建成区面积从4.05万平方公里增长到14.61万平方公里。2010年，全国机动车保有量为7000万辆。而截至2020年6月，全国机动车保有量达3.6亿辆。2010-2019年，全国公路里程从398.4万公里增加到501.25万公里。新的地名、路名大量涌现，迫使驾驶员更加依赖指路标志的科学合理设置以及准确的信息引导。为此，我国近年来持续对道路交通标志进行规范和升级。截至2019年10月，全国国家高速公路及国道共新增或调整交通标志28.3万块，而指路标志是其中最为主要的调整内容。因此，指路标志的设置是否科学合理，对出行影响至关重要。
1.传统指路标志的不足
2015年国家颁布了《城市道路交通标志和标线设置规范》，期待能够科学性、规范性和系统性地管理城市道路指路标志设置。但随着城市的发展和道路里程的增长，路网更为复杂、外部环境更加多变，导致指路标志信息量不断增大，而驾驶人的能力有限，其感知、决策、执行的能力易受外界环境限制。因此，指路标志良好的路径规划、交通诱导和警示功能，就显得更加重要。
现有的研究表明，出行者对出行中信息的反应要强于出行前获得的信息，即驾驶员在行车过程中会更在意交通标志信息。而传统的指路标志，只提供定性和定量的方向、地点等描述信息，而缺乏实时交通诱导信息，其诱导功能不足。同时，静态标志无法对动态的通行风险进行有效预警，视距之外的风险无法有效传递；无法在速度与通行风险管控中建立平衡，很难兼顾效率与安全；依赖视觉的辨别方式存在诸多局限性。因此，指路标志迫切需要由被动识别向协同感知、协同控制发展：利用新的技术手段赋予更多的动态实时信息，在标志信息丰富与易识别之间做好平衡，以满足全天候的视认需求；并根据道路运行状态的变化，及时发布交通事件和预警等相关信息，建议驾驶人选择合适的路径。
2.数字网联指路标志
为了做到交通管控和交通服务的统一，数字网联指路标志应运而生。数字网联指路标志不只是交通标志本身，而是由感知、通信、计算、控制以及交通标志本体组成的标志系统。数字网联指路标志可以同时发布静态的道路节点信息、动态的行程时间、路况信息、事件和交通管制等相关信息。有研究表明，约有90%以上的驾驶员会根据动态信息进行路径决策，因此数字网联指路标志可以较好的进行交通流的引导和管控。通过在时间和空间上进行协调，最大限度的利用道路资源，调度交通流、规划通行路径、优化道路平面空间，提供最优的时空解决方案，化堵为疏。
数字网联指路标志不仅可以被视觉识别，还可以被机器识别。通过路侧感知与云端计算相结合，将通信、数据和云计算功能汇集，进而实现车路协同。数字网联指路标志能满足人工驾驶汽车与不同等级自动驾驶汽车并存的道路交通环境，并可以广泛适用于城市和高速公路场景，能让更多的交通参与者体会到数字网联技术带来的出行环境与服务水平变化。
图1 数字网联指路标志
图2 数字网联指路标志的不同表达形式
3.数字孪生技术
道路交通状态瞬息万变，单点或者局部的优化，很难解决全局问题。而随着物联网、云计算、数字孪生等技术的发展，为数字网联指路标志融入智慧交通解决方案带来了契机。
数字孪生技术可以充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，海量传感器数据可以实时同步到数字孪生系统中，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的城市交通状态的完整演化过程。在数字孪生技术塑造的仿真场景中，可以根据实时交通流状态瞬间完成上千种交通方案的测试，并向现实世界提供最优解，为交通管理者提供科学决策的依据。
通过数字孪生技术与数字网联指路标志的结合，在“时间”与“空间”两个要素上做同步优化，能够把“交通标志、标线、信号灯”这三种物理的交通信号设施组织联系到一起，通讯、传感、数据融合。采用时空一体协同优化的方法，将区域交通诱导、车道功能动态控制和基于通行能力的时间分配于集成于一个系统。在宏观层面结合指路标志发布诱导信息，主动引导驾驶员进行路径选择，以平衡交通压力。在中微观层面，将车道数量、车道功能、允许流向等空间变量与信号控制的绿信比、相序、相位差等时间变量结合，实现时空一体的优化控制（如图3 所示）。在保证路口高效通行的同时，考虑节点与节点的协调性、节点与路段的相容性，既有基于宏观的主动交通管理，也有中微观的时空一体化协同控制。
图3 数字网联三级交通信号诱导系统
4.数字网联指路标志的显著优势
在智慧交通发展过程中，为解决指路标志信息量不断增大的问题，已经制定了行业标准GA/T484《LED道路交通诱导可变信息标志》，通过使用采用LED像素信息屏来进行道路交通信息发布。但是，该方案在使用过程中发现存在诸多问题。
（1）LED屏自身成本和安装成本较高，特别是杆件和基础的生产与建设成本难以控制；（2）由于亮度大、功耗高、容易产生炫光与失效等原因，LED信息屏在展示细节的文字信息时，无法被驾驶人快速、准确的有效视认；（3）在断电时，LED屏无法显示任何信息，甚至不能作为传统的的静态指路标志使用。这对于对指路标志的运行和维护提出了比较高的保障要求；（4）LED屏的使用功耗高和养护难度较大。
图4 LED道路交通诱导可变信息标志失效
为解决LED信息屏失效的问题，行业内逐渐形成了普通反光标志内嵌LED信息屏的方案。这种方式部分解决了整幅LED信息屏的高成本、高功耗等问题，但是也带来了夜间LED信息屏过于夺目，反光标志的信息无法识读。有些城市为此LED信息屏加装补光灯，但是由于标志的板面较大以及LED信息屏亮度过高，仍无法很好的解决视认性问题。
图5 普通反光标志内嵌LED信息屏的视认效果
数字网联指路标志采用先进的面板显示主动发光技术，结合实时动态信息发布，具备显著优点：一是符合驾驶人视觉识别的特点。智能网联指路标志可以提供与普通标志类似的版面设计，在提供更丰富交通信息的同时，并没有增加驾驶人的识读难度。二是更好的显示效果。显示级LED光源的应用，使得数字网联指路标志低照度、低能见度等特定环境下具有良好的视认效果。既避免了LED信息屏易产生炫光、无法表达复杂信息的尴尬，又解决了普通标志嵌入的LED信息屏对比度过大、无法有效视认标志信息的问题。三是更均衡的发布方案。面板显示与LED光源两种显示技术融合而成的数字网联指路标志，其施工和杆件设计类似普通标志，具有比全面板LED信息屏更低的成本、更低的功耗和更低的施工建设难度。其综合成本可下降70%，能耗下降达50%以上，养护难度大为降低，是一种视认效果与实施便利程度比较均衡的交通诱导信息发布方案。四是更智慧的交通信息载体。交通流等多源数据通过数字运算与数字孪生技术，在数字网联指路标志上可以实现实时路况与行程数据的接收和发布。这不但增强了驾驶人与指路标志之间的信任度与互动性，也大幅度优化了通行秩序并提升了通行效率。
图6 数字网联指路标志的夜间效果
5.数字网联指路标志赋能智能网联汽车发展
目前，智能网联汽车的发展方兴未艾。据美国电气和电子工程师协会（IEEE）预测， 21 世纪中叶前，无人驾驶汽车将占据全球汽车保有量的 75%。智能网联汽车的发展对道路交通基础设施、通信和网络基础设施以及不同基础设施间的互联互通都有迫切需求。
中国道路交通环境复杂，区域割据，单车智能显然无法满足未来智能网联车辆发展的需要。因此，在车路协同背景下，数字网联指路标志将会发挥巨大的作用。
在智慧城市的数字孪生系统支持下，数字网联指路标志作为路侧交通信息基础设施，可以实时采集道路交通信息；可以解决智能网联车辆对传统道路交通标志辨识度低的问题；可以将城市交通的最优解决方案实时发送给智能网联车辆，为它们提供最优路径；未来数字网联指路标志还可以有针对性地向特定车辆提供特定的交通标志信息。从而提升交通信息发布的实时性、有效性与可靠性，降低车辆运行安全风险，进一步提高交通管理与服务水平。
6.结语
综上所述，数字网联指路标志应用了互联网+多源数据、多种新型材料，解决了传统反光标志、LED信息屏的多种技术缺陷，实现驾驶任务与交通规则环境互动、多源交通数据与道路交通的时间空间互动。既可以服务于当前人工驾驶，也可以通过车路协同，服务于未来的无人驾驶。
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