自动驾驶对公路基础设施有何深刻影响？（上）| 自动驾驶系列

Posted 2021-11-24 5G行业应用

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了自动驾驶对公路基础设施有何深刻影响？（上）| 自动驾驶系列相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

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FHWA（Federal HighWay Administration，美国联邦公路局）在2021年3月发布《自动驾驶对公路基础设施的影响》报告，详细分析了自动驾驶对公路物理基础设施、交通控制设备（TCD）、运输管理和运营系统（TSMO）、多式联运基础设施的影响。本文将分上下两篇介绍相关内容，上篇介绍自动驾驶对公路基础设施的影响、自动驾驶准备就绪的各类道路要求；下篇介绍自动驾驶对公路基础设施影响的关键因素、路面标线对自动驾驶的作用。

全文6000字，预计阅读16分钟

文 | 吴冬升

自动驾驶对公路基础设施的影响

自动驾驶对公路基础设施的影响主要包括物理基础设施、交通控制设备（TCD）和其它路边基础设施、运输管理和运营系统（TSMO）及其基础设施、多式联运基础设施。

表1 受AVs影响的道路基础设施类别及其相应要素

基础设施类别	考虑的基础设施类型
物理基础设施	路面桥涵
交通控制设备（TCD）和其它路边基础设施	路面标线交通标志交通信号工作区设备垂直描绘装置路旁路障
运输管理和运营系统（TSMO）及其基础设施	ITS路侧设备 TSMO策略 TSMO系统
多式联运基础设施	自行车、行人和交通基础设施路缘空间

（1）物理基础设施

AVs预计将对道路基础设施的状况和长期性能产生影响，除了改进当前的设计、维护和资产管理策略外，还可能需要更新的施工技术和材料。相应地，物理基础设施预计也会影响AV运营。

典型的路面类型有柔性路面（沥青混凝土）、刚性路面（有接缝的素混凝土或连续钢筋混凝土）、复合路面和其他类型。桥梁本质上可以是单跨或多跨，桥梁类型包括板、梁、桁架、拱、悬臂等。典型的涵洞类型包括管涵、箱涵和拱形涵洞。

AV车轮漂移和分布模式、车道通行能力和交通速度的变化可通过影响路面的车辙性能、疲劳寿命和水力滑行潜力，对路面使用寿命产生正面或负面影响。此外，AV编队（尤其是自动驾驶卡车）会影响路面的状况和长期性能。然而，现有数据有限，无法充分评估AVs对道路基础设施的当前实际影响，包括AV实施和运营将如何影响路面和桥梁设计、维护和资产管理策略。

（a）路面

表2 AVs对路面的影响

路面状况和长期性能	设计和资产管理	新兴基础设施技术
AVs路面破损（如路面破损、凹坑、边缘磨损）的较低阈值。	广泛的排队可能会增加动态负荷。	智能路面。
增加路面车辙可能性（例如，减少车轮漂移，增加车道通行能力）。	不断变化的交通负荷模式和车辆特性。	编码沥青材料/嵌入式传感器。
加速路面损坏累积的可能性。	设计和资产管理实践的变更。	—

路面状况和长期性能：AV系统在具有可见道路缺陷道路环境中的性能存在不确定性。不确定性的例子包括AVs无法获得足够的信息来改变速度或方向以避免道路上的碎片，以及增强传感器以向AVs提供最后一分钟的信息以帮助避免轻微碰撞。路面破损或缺陷，如凹坑、边缘磨损和事故损坏，一旦路面退化超过联邦政府可接受的AV阈值水平，则需要进行监测和维护。

设计和资产管理：AV（尤其是卡车）编队对路面和其他结构的状况和性能有重大影响。预计自动化重型车辆编队将增加路面和结构（包括桥梁和涵洞）上的动态荷载，因此需要调整物理基础设施以适应交通荷载模式的变化。由于AV可能遵循其他车辆的精确车轮路径，且AV比例较高的路面将需要使用改进的设计和路面资产管理策略，因此AV编队操作可能会导致车辙和表面磨损增加。AVs的实时数据可用于评估路面和结构状况（例如，路面平整度/粗糙度、坑洞位置），这将使道路运营商能够使用更加一致和主动的资产管理技术，并帮助维护AV基础设施。

新兴基础设施技术：通过CV和AV技术在车辆之间共享关于危险路面状况的高级警告信息，可以帮助提醒旅行者注意安全相关问题，并帮助车辆改道。

（b）桥涵

表3 AVs对桥涵的影响

交通负荷影响	设计和资产管理
重型车辆分组（车头时距小，横向偏移小）。	广泛的排队可能会增加动态负荷。
I2V策略（例如，间隙控制）有助于减轻桥梁荷载。	不断变化的交通负荷模式和车辆特性。
—	加强对关键物理基础设施的屏障保护。

交通负荷影响：减少桥梁上的交通荷载有助于防止桥梁损坏。采用基础设施对车辆I2V通信策略，可以减轻桥梁荷载。创新型间隙控制装置可以在与领先车辆的间隙低于某个阈值时向卡车驾驶员发出警告。当用于减轻大跨度桥梁上的荷载时，间隙控制系统表明，有10%的卡车响应该装置时，200m桥梁跨度上的交通荷载可减少10%，如果90%的卡车做出响应，那么交通负荷将减少多达47%。由于间隙控制系统减轻了桥梁荷载，预计可节省桥梁维护成本。

设计和资产管理：自动驾驶卡车编队对桥梁相关结构的影响将取决于静态重量增加以外的因素，因为与拥堵事件不同，密集车辆高速行驶并与桥梁动态互动。

（2）交通控制设备（TCD）和其它路边基础设施

TCD和其他物理基础设施要素，如路边路障，为人类驾驶的车辆提供安全车辆运行的关键信息。随着车辆自动化功能变得越来越普遍，可以实现的最早和最显著的安全效益之一是减少道路偏离碰撞，这是美国致命和严重伤害碰撞的最大部分。从2016年到2019年，道路偏离事故占美国所有交通死亡事故的52%（FHWA 2019）。

TCD和路边基础设施区域的要素，与车辆自动化技术相互作用提供相关功能，如车道偏离预警（LDW）、车道保持辅助（LKA）和车道居中控制。对于ADAS而言，2020年LDW技术在40-80%的新车销售中成为标准，到2025年，这一数字将增加到70-99%。目前LKA技术占新车销量的10%-24%，到2025年预计这一数字将增加到30%-73%。

（a）路面标线

用于向道路使用者传达信息，这些标记指示使用道路的哪一部分，提供有关前方条件的信息，并指示允许通行的位置。

路面标线支持自动驾驶技术，因为摄像头和机器视觉系统可以检测和跟踪ADAS功能的路面标线，如LDW、LKA和车道居中控。这些ADAS功能是更高级别自动驾驶的基础。

加利福尼亚州（2018年）和肯塔基州（2019年）采用了6英寸宽的路面标线，为AV部署做准备。此外，加州已经终止了使用波茨圆点标记等。

路面标线质量也是一个值得关注的话题，包括耐用的标记、高对比度标记、保持其色牢度的标记、潮湿条件下可见的标记、在眩光条件下可见的标记、与激光雷达技术兼容的标记等。

（b）交通标志

用于调节、警告或引导交通。由具有管辖权的公共机构或官员授权，或由具有管辖权的私人或私人官员授权，将其放置在开放供公众出行的街道、公路或私人道路、步行设施或共用道路、上方或附近。

交通标志的应用、统一性和设计是行业面临的挑战，尽管挑战不如路面标线那么大。例如，许多机构制定了MUTCD（Manual on Uniform Traffic Control Devices，统一交通控制设备手册）中没有的标志；植被遮挡了传感器技术检测到的标志；电子标志的照明部分应具有标准刷新/闪烁率，发光二极管（LED）的刷新率应大于200 Hz，以便于车辆摄像头检测，如果所有电子标志的刷新率都是标准化的，那么AV系统将能够更容易地检测到它们。

（c）交通信号

交通信号是关键的道路基础设施，用于让交通停止或继续。

交通信号的挑战包括：交通信号灯布置一致性；车道方向一致性指导，一些机构使用绿色和红色箭头，一些机构不使用箭头，一些机构使用闪烁箭头；LED交通信号会产生与其工作频率（以Hz为单位）相关的可见性挑战。

（d）工作区设备

用于帮助确定因工作区或事故而改变道路使用条件的道路区域。属于临时性TCD，可安全、方便地部署，灵活适应所需的交通模式变化，并在工作完成后快速移除。临时性TCD往往不如永久性TCD统一。

工作区设备的挑战包括：接近和离开工作区标准距离处的标准标志；通过工作区的车道应明确；垂直面板、管道和其他通道装置的宽度应至少为8英寸，带有反光材料，以便在所有天气条件下进行可靠的机器检测；进入工作区和通过的标记应使用高度可见和连续的材料，而不是间歇按钮和反射器；应使用橙色标记来描绘通过工作区的车辆路径；需要确定垂直工作区设备的最大间距。

（e）垂直描绘装置

安装在道路上，用于分隔相邻的交通车道。很多时候，它们用于分隔高占用率收费（HOT）或高占用率车辆（HOV）车道，否则这些车道将仅具有路面标记缓冲区。它们还用于引导和/或限制某些转向运动。当使用塔架时，应使用适当的彩色路面标记进行补充，并包括反光材料。

（f）路旁路障

安装在路边，用于安全重定向和/或停止失控车辆。混凝土墙，如分隔墙，应使用高反射标记进行标记，尤其是在墙的起始部分，以增强可见性；屏障应提供与相邻路面的高对比度；与钢梁护栏相比，钢丝绳护栏对计算机视觉的可视性较差，最好使用带有反光标记的钢梁护栏或混凝土墙。

（3）运输管理和运营系统（TSMO）及其基础设施

运输管理和运营系统（TSMO）及其基础设施主要包括ITS路侧设备、TSMO策略和TSMO系统。

表4 TSMO以及AVs的相关问题

ITS路侧设备	TSMO策略	TSMO系统
需要SPaT和交叉路口地图（MAP）数据作为早期用例。	短期内对TSMO战略的需求实际上可能更大。	将需要新的或升级的系统来接收和管理大量CAV数据。
AVs读取LED标志（包括可变限速和可变信息标志）的挑战。	需求管理策略对于可靠性管理（如定价）可能变得更为关键。	新的数据管理框架将需要一个明确定义的数据治理结构。
障碍物道路交叉口（如通行收费站）可能会妨碍AVs提供连续的视线离开/手离开的行驶能力。	可能需要新的绩效衡量标准。	数据共享协议、隐私政策和IT/网络安全方面的风险。

（a）ITS路侧设备

设备分布在道路上和道路沿线，用于监测和控制交通以及监测和管理道路。该设备还包括收费系统和停车管理系统的组件。

该设备提供环境监测，包括测量道路状况、地面天气和车辆排放的传感器。还包括工作区系统，如工作区监控、交通控制、驾驶员警告和工作人员安全系统。以及交通检测器、环境传感器、交通信号、公路咨询无线电（HARs）、动态信息标志、闭路电视摄像机和视频图像处理系统、平面交叉警告系统和匝道计量系统，还包括控制交通基础设施（如道路、桥梁和隧道）通道的车道管理和屏障系统。

从ITS的角度来看，ADSs在阅读发光二极管（LED）标志（包括可变限速和可变信息标志）和障碍物道路交叉口（如通行收费站）方面仍然面临重大挑战，这可能会阻碍ADSs提供连续的视线/手控行程。

（b）TSMO策略

用于管理运输系统以实现可靠性、安全性和机动性的策略。对于TSMO而言，设施的主动管理，包括动态车道分配、拥堵定价和其他用于管理需求和供应以提高系统效率的方法，可能对IOO（Infrastructure Owner-Operator，基础设施所有者运营商）至关重要，因为竞争车队和AV占用了道路空间。

（c）TSMO系统

用于实施TSMO战略和管理其路边设备的后台系统。

交通管理中心（TMC）是大多数高速公路管理系统的枢纽或神经中心。TMC是收集和处理高速公路系统数据的地方，与其他运营和控制数据融合，合成信息，并分发给利益相关者，如媒体、机构和公众。TMC工作人员使用这些信息监控高速公路运营并启动改变高速公路网络运营的控制策略。TMC还用于协调对交通状况和事件的响应。CAV将产生大量原始数据，因此，TMC将需要新的或升级的系统来高效、安全地收集和管理这些数据。

还需要定义数据治理结构，以扩大政府拥有的交通系统数据的开放实时信息可用性，并建立政府和商业交通服务提供商之间的数据共享原则。

（4）多式联运基础设施

多式联运基础设施主要指支持非自动运输模式、这些模式之间的连接，以及一般运输系统的基础设施要素。多式联运ODDs可能对AVs构成重大挑战。弱势道路使用者的安全是OEM和IOO的一个关键问题。AV传感器通常难以在人车混合的运行环境中检测和预测非机动道路使用者（如自行车和行人）的行驶路径。IOOs考虑改善和规范多式联运基础设施，包括自行车/行人基础设施、ADA（Americans with Disabilities Act，美国残障法案）可访问的基础设施、TCDs、街道设计、路边设计、泊车等。

（a）自行车、行人和交通基础设施

自行车和行人基础设施包括由条纹、标志和路面标记指定的道路或人行道部分，供自行车手或行人优先或专用。

多式联运条件下的AV检测算法必须具有足够的鲁棒性，以便在各种交通场景、道路配置和环境条件下了解行人和骑车人的意图。然而，目前的传感器套件和算法可能难以在所有场景中检测和响应骑车人和行人，因为它们“小、不可预测且难以看到”。

自行车基础设施、人行道和其它基础设施要素，如交通信号，可通过传感器或V2X技术进行增强，以向AVs提供自行车或行人存在的提前通知。

自行车和行人的TCD是由综合标志和/或路面标线组成的寻路系统，用于引导自行车和行人沿着首选路线到达目的地。装置可包括护柱，其在机动车和非机动车道路使用者之间提供物理隔离。

交叉口控制应具有行人和自行车专用阶段，闪烁的可听信号灯可以指示车辆低速进入交叉口，但仍必须向行人和自行车驾驶员让路。

（b）路缘空间

随着越来越多的车队转向AVs，以及对路边通道的需求增长，有效的路边设计和管理的重要性可能会增加。多式联运基础设施的这一要素是指沿道路和人行道设计路边资源，以提供可靠的住宅、工作、商业和公共设施和便利设施，并为每项活动分配空间。路边设计的示例包括为共乘上下车、货物交付、路边停车和公交站点指定路边空间等。

交通枢纽使用带有专用路缘空间、路标或灵活中间带的清晰标记区域，提供各种共享交通选项。随着共享移动选项的不断增加和自动驾驶车辆的引入，这些空间可能变得越来越重要。在这种情况下，移动枢纽可以支持节点到节点的出行（而不是门到门的出行），以更有效地利用路缘空间并鼓励使用共享模式。

自动驾驶准备就绪的各类道路要求

表5 AV准备就绪的各类道路要求

功能类	TCDs	物理基础设施	ITS-TSMO	多式联运
州际公路、高速公路、快速干道和主要干道	将所有纵向标线的路面标线标准化为6英寸宽。沿坡道使用虚线边缘线延伸。在三角区域包括人字形标记。对所有工作区锥度使用连续标记。消除波茨点作为标记的替代物。在浅色路面上使用对比标记。尽量减少/消除平行路线上令人困惑的限速标志。	加大预防性维护力度，解决凹坑、边缘磨损和车辙等问题。	在全国范围内实施更大程度的主动交通管理和动态管理标志标准化（例如，可变限速、车道控制、工作区管理）。	优先处理公交运营、卡车编队、可管理车道，以利于未来的AV运营。
小干道，主要和次要集散道路	对于标示速度小于40英里/小时的道路，将边缘线路面标记宽度标准化为6英寸。对所有工作区锥度使用连续标记。消除波茨点作为标记的替代物。在浅色路面上使用对比标记。尽量减少平行路线上令人困惑的限速标志。	加大预防性维护的力度，包括修补坑洞、边缘磨损和车辙。	实施更大程度的主动交通管理和动态管理标志标准化（例如，可变限速、车道控制、工作区管理）。为信号控制交叉口配备基础设施到车辆（I2V）硬件，包括支持SPaT的技术和能够告知弱势道路使用者的硬件。为停车系统配备I2V功能。	管理路缘空间并进行安全审核。
城市和地方公路	对所有工作区锥度使用连续标记。消除波茨点作为标记的替代物。	加大预防性维护力度，解决凹坑、边缘磨损和车辙等问题。	实施更大程度的主动交通管理和动态管理标志标准化（例如，可变限速、车道控制、工作区管理）。为信号控制交叉口配备I2V硬件，包括支持SPaT的技术和能够告知弱势道路使用者的硬件。为停车系统配备I2V功能。	采用模式分离政策（例如，整条街道）。预计现场设计、街道设计和通道管理实践中不断增长的路边需求。使用AV技术改造快速公交车道，为自动公交系统测试提供机会。