汽車自動駕駛網絡體系技術探討

文/劉躍

隨著社會的發展，科技的進步，對快捷的出行有了更高要求。建立信息時代全國超級公路網，發展智慧交通、發展綠色交通，有助于滿足人民不斷提高的物質文化生活需求。建立全國性智慧交通網絡體系，實現真正的自動駕駛，是未來汽車交通的革命性變革。

自動駕駛路網系統，是一項惠及民生的系統性大工程，在規劃、建設、推廣中結合新能源汽車戰略，發展清潔交通運輸模式，可以有效的削減污染，實現綠色發展。

規劃建設全國自動駕駛路網系統，形成新的經濟增長點，提高我國的軟實力，成為在“中國制造2025”之后影響力遠超中國高鐵的新名片，在政治、經濟、社會、國家戰略方面獲得巨大收益。通過率先制定自動駕駛相關產業的一攬子技術協議和相關標準，先推廣、先使用、先成熟，以先發優勢占領市場，形成市場領導地位，抑制競爭對手，保持領先地位，成為游戲規則的制定者，站在全球價值鏈的頂端。

作為未來社會智慧交通的典范，全國汽車自動駕駛路網建成以后，將使得中國與“一帶一路”沿線各國在交通基礎設施、區域一體化等領域有著進一步全面深化合作的可能性。普通公路將革命性的升級為滿足自動駕駛的 “超級公路”，形成新一輪的高科技含量工程建設輸出，“一帶一路”沿線國家將會接受我國從道路智慧基礎設施、公路物聯網到交通控制與信息平臺等高附加值成套技術產品，有助于我國產業經濟轉型升級，加強與周邊國家經濟、文化交流，建立長期合作伙伴關系，攜手實現共同建設、共同發展、共同繁榮。

1.實現汽車自動駕駛的夢想與現實困境

信息、材料和能源常被譽為人類文明的三個要素。新信息技術、新材料和新能源革命促進了汽車工業的發展，未來發展方向將是使用清潔電力能源，實現自動行駛的汽車。

按照國際汽車工程師協會（SAE）制定的汽車自動駕駛分級標準，L0～L5級由人工駕駛到完全自動駕駛逐級遞進（詳見表1）。

表1 汽車自動駕駛等級

目前，各主流汽車自動駕駛研究單位推出的模式中，技術路線側重于單車的獨立行駛，通過視頻攝像頭、雷達傳感器以及激光測距器等技術設備，來獲取路面交通狀況和指示信號，借助專門詳盡的電子地圖進行導航，模仿人類駕駛的方式實現在路面上的自動駕駛，最好的情況下也只能達到L2或L3一級。由各個公司、商業機構主導的汽車自動駕駛研究思路，因其內在局限性，特定簡易環境下的路測中就不斷出現各種重大人身傷亡事故，如果路上大部分車輛都是無人駕駛，交通將會變成一場災難。誠然，技術需要完善，但是問題的本質在于這種路線模式的固有缺陷。按照現在的技術路線，要實現安全便利的自動駕駛出行，向L4甚至L5級發展，將是不可能達成的任務。

因此，要想真正的實現全自動化駕駛，就要將乘客、車輛、道路、信號等交通諸元整合起來，建立全局化、系統化、網絡化、智能化的自動駕駛體系，建立全國性汽車自動駕駛路網系統，實現汽車交通運輸革命性跨越。

2.全國汽車自動駕駛與管控路網系統構想

2.1 體系架構概述

真正實現安全、高效、便捷、舒適的將駕駛員完全解放出來的汽車自動駕駛出行方式，需要國家主持的頂層設計，建立統一的規范、標準，建立全國汽車自動駕駛與管控路網系統。

全國汽車自動駕駛與管控路路網系統，是以先進的傳感器技術、通信技術、數據處理技術、網絡技術、自動控制技術、信息發布技術等有機地結合起來的，智能化、信息化、網絡化的路面交通全要素動態、實時綜合管理控制體系，是基于北斗導航系統、全國道路物聯網網絡下的汽車自動駕駛網絡體系。

2.1.1 該系統由以下七大基本模塊組成：

（1）建立全國交通信息數據存儲交換和交通管理調度控制中心，實現對交通參與對象的信息收集、處理、發布，實現對地面交通的規劃、控制和管理等；

（2）建立以車輛交通管理為核心的物聯網，按照約定的通信協議和數據交互標準，通過無線通信網將道路交通參與各方聯系在一起，實現信息實時交換；

（3）物聯網覆蓋下的經過信號與系統改造、規范的全面信息化的道路及沿路固定交通設施，能不斷采集路面交通參與者信息，并向其發布指令和反饋信息；

（4）智能交通參與車輛，具備獨立輔助駕駛及應急避讓功能，行車狀態由汽車芯片、電子機械系統精確控制，具備周邊環境監測緊急預警功能，具有移動數據雙向交換能力，可將車輛行駛速度、加速度、方位、方向等通過物聯網實時上傳到最近信息交換節點；

（5）北斗導航系統和北斗地基增強系統（暨北斗CORS），該系統實現覆蓋全路面的厘米級以上高精度車輛定位；

（6）行車電子地圖。電子地圖是基礎地理信息系統的重要組成部分，主要是用于路徑的規劃和導航功能上的實現。電子地圖導航要配合北斗系統來進行。

（7）注冊與管理機構。在自動駕駛路網系統道路上運行的車輛，需要通過注冊，精細化管理。對于“駕駛”自動駕駛模式下車輛的駕駛員，也需要通過培訓考試，注冊這一新型準駕車型。

全國汽車自動駕駛與管控系統路網建成后，通過云存儲、云計算技術，物聯網技術、北斗系統與電子地圖配合的定位導航技術，實現一張全國地面公路交通路網，所有交通參與單位在統一指揮調度下有序運行。從駕駛員/乘員角度將是完全自動駕駛，實現并超越L5級標準，從上路行駛的車輛角度看，車輛運行是受到精確制導、嚴格管控的。

2.2 汽車自動駕駛全國路網與管控系統各部分技術功能及其實現

下面就全國汽車自動駕駛與管控系統各組成部分實現的詳細功能，分別加以具體闡述。

2.2.1 電子地圖

自動駕駛汽車需要高精度電子導航地圖系統，精度至少達到10厘米才能配合實現L5級自動駕駛模式。目前通用的民用電子地圖精度還達不到要求，需要對全國道路系統進行高級精度地圖采集，建立覆蓋全國的二維、三維導航地圖。

可以從衛星城鎮試點，測繪完成高精度地圖，建立高精度地圖導航區域，實施路面測試，再逐步擴展。

2.2.2 北斗系統及地面增強系統

當前，全球共有四大衛星導航系統，既美國GPS、俄羅斯GLONASS(格洛納斯)、歐盟的Galileo(伽利略)以及我國的北斗 (BDS)。全球衛星導航定位系統，主要提供位置信息，尤其是經度緯度和高度這樣的三維信息，提供實時、全天候和全球性的導航服務。而電子地圖，如百度、高德等主要提供基于位置的信息服務。

建立全國汽車自動駕駛綜合路網，首選自主知識產權的北斗衛星導航系統，這包含著國家安全也是從實際應用角度考慮的。

目前北斗定位已進入第三階段，2018年12月27日開始提供全球服務，北斗三號基本系統完成建設。我國將在2020年建成由30顆北斗衛星組成的全球導航定位系統，在完成全球組網之后，北斗系統的覆蓋范圍和性能都將大幅提升。

北斗地基增強系統是導航應用的核心，是基于北斗的一體化快速、高精度應用服務體系。它是利用多基站網絡載波相位差分技術建立的連續運行衛星定位服務綜合系統（CORS）。當前，北斗地基增強系統已完成基本系統的研制建設，具備為用戶提供廣域實時米級、分米級、厘米級和后處理毫米級定位精度的能力。北斗導航地面增強系統基本方案已確定，全國范圍內將建數百個基站，實現全國廣域的精確定位。

基于北斗衛星導航系統和北斗導航地面增強系統，可以在我國地面上厘米級高精度定位，提供定位、測速、授時服務；可以實現道路規劃、道路導航和轉彎指示，與傳感器的結合還能支持室內導航。

北斗導航技術與地基增強技術、車輛物聯網等技術融合，能夠有效提升時空信息的精確度，滿足高精度、高頻次時空信息需求。

2.2.3 全國公路物聯網

公路物聯網是能夠實現智能化交通管理、智能動態信息服務和車輛智能化控制的一體化網絡，是物聯網技術在交通系統領域的典型應用。

汽車與道路上其他單元之間無線通訊，指的是車與路側設施、設備之間的短距離無線通信，包括汽車與其他車輛、路側設備、基礎設施以及行人等。通過公路物聯網，道路上一系列交通信息就匯聚到交通信息中心，并讓交通參與對象互相能“看見”彼此，更合理調度安排交通，實現智慧交通。

全國汽車自動駕駛與管控系統路網的信息指揮控制節點，在通過北斗系統實現車輛高精度定位前提下，結合電子導航地圖系統的高精度基礎地理數據，根據“轄區”管控下的每一輛汽車通過無線物聯網發回的識別信息、車輛狀態信息、行駛意圖等，向道路上行駛的車輛提供其周邊的車輛信息。路上自動駕駛狀態下行駛的車輛，對與之臨近的一定距離內車輛距離自己的距離，對周圍車輛的行駛方向角、車速、加速度及路線等一目了然，“知己知彼”。結合智能公路系統，每輛汽車電子感知系統對路上交通參與者和固定交通設施實現三維立體的探測和歸類。

同時，該信息指揮控制節點也根據“轄區”交通狀態信息、車輛自身屬性信息和駕駛意圖運算給出行駛指令，車輛根據信息指揮控制節點給出的指令，在自身計算機電子行車系統控制下，以既定車道、方向角度、速度、加速度，在車水馬龍中流暢的行進。

5G、6G的發展將滿足全國汽車物聯網高級應用多樣化需求。反過來，發展汽車自動駕駛網絡系統也會促進5G、6G的發展應用。

2.2.4 智能基礎設施暨公路系統改造

進行公路系統改造，使之適應汽車自動駕駛需求，成為全國公路物聯網的一部分。道路基礎設施經過智能改造建設，道路上隔離非機動車輛與行人，道路流量綜合感知與紅綠燈系統聯動，提升道路運行效率和安全水平。在道路上形成電子及視覺信息標記串供車輛感知所在位置和周圍環境，車載計算機可以據此構建小范圍詳細三維地圖。更進一步的，這樣的智慧交通設施可以延伸進入社區、樓宇，進入地下停車場等。

沿路移動網絡通信暢通，實現區域內精確的信息，諸如道路作業施工、交通管控限行、道路事故及處置、路面障礙物等實時搜集并發送到最近的上一級交通調度中心節點，而上一級交通調度中心節點也將與某路段相關的交通信息、管控信息等向下分發到該路段。屆時，汽車導航電子地圖上，各種交通信息一目了然，合理規劃出行路徑。

按照此體系，高速公路區間收費站可以取消，高速公路智能化，駛入駛出時間、路線、以及上下高速點及中間關鍵點（高速交叉點等）的自動記錄，屆時電子統計收費賬單自動發送、扣費，提高物流效率，解放社會生產力。

這樣的智能公路系統即便是非自動駕駛汽車也可以獲得各種便利的交通服務。

2.2.5 交通信息中心與交通控制中心

未來車輛在地面行駛將會依照規范化路徑，按照需求形成行車計劃，就像乘坐火車一樣，在全國汽車自動駕駛與管控路網中遵照交通控制中心的調度指令，駛往目的地。

在全國路網總交通控制中心下，依次在全國劃分幾個大區路網，建立大區交通控制中心，在大區下再分省（市）級別路網，建立?。ㄊ校┘壗煌刂浦行?，依次建立區域中心、區片中心，一直到沿路間距一定距離的調度節點。依靠云計算、云存儲，實現交通規劃計算和交通數據信息、指令信息的存儲分發。

交通信息控制系統與衛星導航系統、電子地圖、車輛物聯網系統相結合，可以實現車輛跟蹤和交通管理等諸多功能。

2.2.6 計算機電子自動行車系統

這里的計算機電子行車系統，指的是按照行車指令來操控汽車行駛的系統。

依靠無線汽車物聯網和智能交通設施提供交通信息和指令信號，上路的自動駕駛汽車按照全國路網的交通控制中心“批復”的規劃路徑，在北斗導航及地面增強系統指引下，參照電子地圖，形成一連串的行車指令，在汽車行車電腦控制下完成起步、加速、轉彎、超車并線、停泊、加油（充電）、送檢等工作。

計算機電子自動行車系統的核心是車載行車控制芯片單元，具備接收外部信息并處理后，向車輛各個控制組塊發出行車指令進而控制車輛的功能，具備與車載物聯網芯片單元以及交通控制中心、交通信息中心通信功能。這部分需要擁有全部核心知識產權。

2.2.7 輔助行車預警避讓系統

為了增加安全性，還需要車輛自身擁有獨立探測、預警、避讓系統，加入自動駕駛路網的汽車可以選裝相機、毫米波雷達、激光探測與測量裝置、前置運算處理器及慣性導航裝置，實現對路面障礙物、突發情況的預警監控，及時控制車輛采取合理避讓操作措施，增強主動安全性。

同時，相關突發路況信息，也通過移動互聯網向最近交通節點報告，由交通節點對突發情況，包括障礙類型、位置信息、危險等級等提前向附近所有車輛發出警告，讓后續車輛處理規避。

2.2.8 車輛注冊管理系統

加入全國自動駕駛路網系統運行的車輛，需要符合基本的技術標準，并預先注冊，獲得準入資格證書。

一款汽車在研制生產時，需取得全國自動駕駛路網準入資格，車輛需配有車載控制芯片和車輛物聯網芯片，參照統一的通信協議和數據交互標準來進行無線數據通訊和識別，滿足在全國自動駕駛路網系統道路上自動行駛的要求。登記汽車自身基本性能信息，如外廓三維尺寸、軸距、輪距、最小離地間距、縱向通過半徑、橫向通過半徑、最小轉向半徑、自重、座位數、制動參數、油箱容積（電池容量）和油耗參數等等。

全國汽車自動駕駛與管控路網系統將獲得準入資格的車型錄入數據庫中存儲，這樣的車輛才可聯入自動駕駛路網物聯網，實現車輛識別、定位、通訊，準許上路通行。

新購入具備自動駕駛路網準入資格的汽車，需要注冊后方能啟動自動駕駛功能。車輛的保養年檢、保險、所有人、被授權駕駛人等注入車輛信息芯片中，同時也存儲在全國交通信息數據存儲云平臺上。

2.2.9 人員注冊管理系統

每一位駕駛員需領取芯片式駕駛執照ID。人們需要學習如何使用自動駕駛系統，考取自動駕駛執照，并存儲在駕照芯片ID中，注明自動駕駛準駕類型等信息。駕車時，駕駛者的芯片ID通過車輛的核驗后才可發動起來。芯片分自動駕駛和自動與人工兼容類別，賦予人們可以使用不同的模式“駕駛”車輛。

3.全國自動駕駛網絡體系下出行基本模式

3.1 手機APP日常管理汽車

在自動駕駛時代，個人使用手機就可以方便調度已綁定授權的汽車。人員與車輛在全國汽車自動駕駛與管控系統路網注冊后，在全國路網專用APP中登錄認證后，實現人、車、路網融合。

通過專用APP，可以在線實時查找車輛，了解車輛各種狀況，調度車輛到指定地點。

3.2 出行規劃

駕駛者通過全國自動駕駛路網APP提交出行計劃，采用自動或人工方式規劃線路。

（1）自動線路規劃

駕駛者確定起點、目的地和途中?？啃菹Ⅻc，由全國路網交通控制中心云計算平臺自動設計最佳及備選的幾條行駛路線，供駕駛者選擇。

（2）人工線路規劃

由駕駛員自己初步制定路線；或者依靠車載計算機/手機，使用行車電子導航地圖進行線路設計規劃。人工規劃的線路完成后，按照就近原則提交全國路網基層交通控制中心。自動線路規劃的線路，或經過復核后批準的人工路線，作為“路書”注入汽車行車操作系統，才可以執行自動駕駛動作。每一個行車線路計劃及包含各種基本信息，提交到路網相關各級交通信息中心，存儲在云平臺。交通信息中心與交通控制中心緊密配合，各司其職。

3.3 上路行駛

每一輛車與智能道路設施，與周邊行駛中車輛與交通控制中心、交通信息中心，在5G網絡支持下進行實時信息交換，實現智慧交通管理，動態獲取智能化信息服務，實現完全自動駕駛。

自動駕駛汽車上路后，可以精確的感知自身位置，對周邊交通設施及周圍車輛能建立動態三維數據模型，根據自己的行駛意圖，實現文明駕駛，做出例如排隊等候、超車、并線、加速、減速、轉彎等等動作。它的行駛意圖和一系列動作信息，在最近的基層交通信息平臺中獲得擴散而被周圍交通參與對象感知。

3.4 途中管理

在駕車途中，可能需要臨時停車、變更線路以滿足人們或者車輛自身的各種基本需求，還可能由于個人原因或突發情況導致計劃變更。途中，車輛可以接收駕駛員發出新的指令，或者接受最近交通控制中心的管制指令，調整任務。

在全國道路汽車物聯網建成后，各種道路設施、附屬資源情況，可以通過交通信息服務中心查詢到，并提前申請配給占用，實現精細化、精確化管理。

車輛自身自檢功能可能會發出各種預警，必要時進入服務區內進行檢測維修。自動駕駛途中可能會有乘客中途上下車，或者旅行時間較長需要定時去休息區（服務區）休息。乘客甚至可以下來休息購物，看場電影后再上路。

3.5 到達

自動駕駛車輛駛入導航電子地圖及交通信息中心內登記標注的地上或地下車庫內，然后人員鎖車離開。有時候目的地（下車地點）是比較規范的滿足自動駕駛車輛臨時?？柯淇偷膮^域。比如上下車在智慧型停車島，即停即走，駕駛員（乘客）下車，在手機APP上確認后汽車自行行駛到自動化停車場或者智能立體車庫停車。

4.應用場景暢想

自動駕駛功能將會帶來交通領域的一場革命，就像蒸汽機的發明，開啟了火車時代。

物流企業的公路運輸，礦山企業運輸，城區公交、城際長途客運以及固定線路的班車，都實現自動駕駛后，可以將駕駛員從辛勤操作中解放出來。

日常出行模式的變化。在郊區、非中心城區與中心城區交界的地方，在落客區下車，所乘車輛自己尋找停車場地停車等待或者自行回家，人們換乘大批量公共交通工具或私人租賃交通工具進入市區中心地帶。充分利用各種交通資源，減少路面車輛，給人們提供更便捷省心的出行。大城市中心地帶減少路面汽車保有量，節能減排，緩解擁堵，提高地面汽車利用效率。如果全部轉換為新能源車還可以減少中心城區的大氣污染，大幅提高空氣質量。

旅游或者異地出行，就和在本地一樣。在機場、碼頭等集散地，無論會不會開車的人，都可以方便的自助租車，實現與航空、海運接駁。在旅游城市、景區，自駕的概念將更改為租用自動駕駛汽車，按自己的計劃和興趣偏好自由行。中短途旅行或商務活動，人們可以坐著車邊欣賞風景或辦公邊駛向目的地，沒有途中駕駛之辛苦。

如果新能源汽車結合以無線方式供電、供能，一些車輛就可以長期自主在線運行，提高使用效率，而且不用電池或者只用配備小容量電池組，減少廢棄電池處理造成的環境污染。