車路協同發展階段及路徑

賀安欣　高立志　朱芬　夏寧馨

摘 要：車路協同是當前研究的熱點問題之一，從車、路、云平臺三個角度分析了車路協同，提出了著重發展以道路為核心的車路協同。提出了車路協同的4個發展階段：無協同、初級協同、中級協同、高級協同，其中中級協同又包括以車為主和以路為主的兩個典型狀態。提出了從當前位置的初級-中級車路協同到將來的高級車路協同的5條發展路徑。鑒于當前的技術發展、行業特征以及相關政策、法律法規支持等，選擇主要發展道路設施，車輛的自動化等級的提高能加快其進入高級協同階段的發展路徑，更符合現狀以及長期發展目標。

關鍵詞：車路協同 發展階段 發展路徑

Vehicle-Road Cooperative Development Stages and Path

He Anxin Lu Jun Xia Ningxin

Abstract：Vehicle-road collaboration is one of the current hot research issues. Vehicle-road collaboration is analyzed from the perspectives of vehicle， road， and cloud platform， and the road-centric，and the vehicle-road collaboration are proposed. Four development stages of vehicle-road coordination are proposed： no coordination， primary coordination， intermediate coordination， and advanced coordination. Intermediate coordination includes two typical states of vehicle-oriented and road-oriented. Five development paths are proposed from the primary-intermediate vehicle-road coordination at the current location to the advanced vehicle-road coordination in the future. In view of the current technological development， industry characteristics and related policies， legal and regulatory support， etc.， are discussed to help develop road facilities mainly. The improvement of the automation level of vehicles can accelerate their development path into the advanced coordination stage， which is more in line with the status quo and long-term development goals.

Key words：vehicle-road coordination， development stage， development path

1 緒論

1.1 車路協同概念及內涵

車路協同（Cooperative Vehicle Infrastructure System， CVIS）是采用先進的無線通信和新一代互聯網等技術，在全時空動態交通信息采集與融合的基礎上，全方位實現車-車、車-路動態實時數據交互及車輛主動安全控制和道路協同管理，提升交通安全，提高通行效率1，2。

車路協同一詞是國內對cooperative ITS和connected vehicle不完整的翻譯，這個概念最開始由歐洲提出，在2009年歐洲與美國簽訂的政府備忘錄中，被正式命名為車路協同3。車路協同是智能交通系統（Intelligent Transportation System， ITS）的最新發展方向，是交通智能化的核心，是輔助智能網聯汽車完成高度自動化行駛的重要手段。車路協同主要由智能路側系統、智能車載系統和云平臺三個部分組成。其中，車載系統負責采集自身車輛狀態信息和感知周圍行車環境;智能路側系統負責采集交通流信息（車流量、平均車速等）和道路異常信息、道路路面狀況、道路幾何狀況等;云平臺主要是負責整個系統的通訊和實現路側設備與車載設備之間的信息交互。

從智能汽車發展角度看，車路協同是智能汽車發展在產業化輔助階段的重要組成，在智能汽車未達到完全的無人駕駛階段前，通過車路協同，達到行駛安全、舒適的功能。

以道路為核心出發，車路協同更側重公路基礎設施數字化、智能化、自動化，交通系統能夠實時感知道路、車輛與行人的各種狀況，通過路網的采集、過濾、分析、處理能力，使人、車、路能夠高度協同。

在云平臺立場上，車路協同的本質是信息交互。所有的交通要素的狀態信息都實施了數字化采集，同時通過先進的通信技術進行快速交換。交通參與者可以根據交互的信息進行協同，交通管控中心則對收集到的海量信息進行大數據分析提取，從而進行全局交通管控。

車與路都是非常傳統的產業，一直以來的重心都在其功能性上，導致車與路分離的狀態，車路協同能夠改變現狀。提高交通效率、保證交通安全，是車路協同背后隱藏的巨大價值，也逐漸成為智慧交通規劃中的共識。對車路協同的理解隨行業、位置等各有側重，毋庸置疑的是車路協同的具體措施應當落實在汽車與道路的管理與控制上，而不單單是將現實交通數字化。車路協同發展的標志之一是道路運載工具的高度智能化，從1936年出現自動駕駛，傳感技術、通信技術、控制技術等先進技術便紛紛被應用在這個領域，到現在智能網聯汽車已經能夠實現有條件的自動駕駛，而鑒于自動駕駛傳感器價格高、技術要求高、可靠性和穩定性差，何時能夠實現完全的無人駕駛尚不清晰。智能公路使智能網聯汽車提高行駛環境感知和適應能力，是提升車輛自動化水平的可靠保障。然而，現今的道路設施大都無法支持智能網聯汽車的快速發展，存在較大的提升空間。因此，要想實現車路協同的最終目標，當務之急是大力發展以道路為核心的車路協同。

1.2 國內外研究現狀

健全的道路運輸系統是社會經濟文化發展的必要，在公路里程、城市機動車保有量不斷增長的同時，道路交通通行效率低下、安全水平下降、數據共享、污染能耗等問題日漸突出，如何高效地應對此類問題成為各國政府的關注點之一，車路協同在此孕育而生，并受到國家、政府、社會的高度關注。

各國先后推出了與車路協同相關的研究計劃，如美國的IntelliDrive、歐盟的COOPERS、日本的SmartWay、我國863計劃中的I-VICS等。車路協同在通行效率、交通安全、和節能環保中發揮重要作用，總的來說，其功能可被概括為駕駛安全、交通效率、信息服務、管理綜合四大類。與車路協同有關的技術研究是關注的重點，如高精度定位與導航技術、激光測距技術、數據融合技術、機器學習、邊緣計算、控制技術、無線充電技術等。通過技術的集成，實現車路協同單個功能的研究較多，如在信號交叉口4、無信號交叉口5、路段掉頭6、實時交通狀態7、車輛跟馳8等。車路協同的場景測試工作在各示范區火熱推進。

在車路協同的技術和功能研究上，取得了一系列的成果，且部分成果已經被廣泛應用在現實交通管制中，如智能網聯測試示范區與智慧高速公路的建設。與自動駕駛技術與自動駕駛基礎設施的發展相同，車路協同從提出到實現，是一個相當漫長的過程。當前，全球在自動駕駛技術與自動駕駛基礎設施的發展階段定義上，有較統一的標準可依，而車路協同的發展階段卻沒有權威機構定義。但是，一個清晰明確的車路協同發展階段劃分以及其可能的發展路徑描述，對車路協同相關研究工作的進行及其落地的實施步驟有積極推進作用。因此，有必要深入分析車路協同的發展階段及發展路徑。

2 車路協同發展階段

車路協同與道路設施、自動駕駛技術的發展有密切聯系。車路協同的歷史演變，從車與路之間是否主動進行信息交互角度出發，可大致分為四個階段：無協同、初級協同、中級協同、高級協同，如圖1所示。各階段在車載設備、路側設施、交通信息采集、車路信息交互、駕駛指令和操作的比較如表1所示。（注：自動駕駛技術等級來自美國汽車工程師學會SAE，道路分級標準來自歐盟的自動駕駛基礎設施分級）

無協同階段：車與路之間完全沒有主動信息交互，完全憑借駕駛人員主動獲取路側的信息，實施相對應的駕駛行為，達到安全駕駛、減少通行時間、降低能耗的目的。交通信號燈、交通標志標線是該階段的主要路側設施設備，這些設施設備的使用，極大的降低了事故的發生。從交通信號燈、交通標志標線對交通系統起到的積極作用，在一定程度上，明確了發展車路協同系統的需要以及推行車路協同系統的必要。

初級協同階段：車與路之間存在主動信息交互過程，通過在車端與路側安裝特定功能的設備，可實現單個車路協同功能，如ETC自動收費、公交優先信號控制等。車載設備、智能信號控制器、毫米波雷達、激光雷達、視頻攝像頭、通信設備、高精度地圖、云平臺等在此階段發揮著重要作用。初級協同階段實現的車路協同功能在提高道路通行效率、避免道路擁堵、節能環保方面都有立竿見影的效果，但駕駛員仍然是不可或缺的。雖然在初級協同階段，能夠解決當前面臨的一些問題，但對更高級的車路協同系統的追求仍然是努力的方向。

中級協同階段：車與路之間主動進行信息交互，在車輛、路側通過安裝各種需要的設備，功能涉及駕駛安全、交通效率、信息服務、管理綜合中部分功能。此階段有以車為主和以路為主兩個典型狀態，主要區別是車載設備與路側設施的完備程度，交通信息采集的主體。以車為主的中級協同階段，車載設備獲取交通信息的能力遠大于道路，道路的主要功能依然停留在物理支持程度，信息化、智能化、自動化有待增強。以路為主的中級協同階段，交通信息收集、數據處理、控制指令、控制操作大多由道路來完成，處理后的交通信息通過路側設備發送指令至車輛，車輛通過接收指令，來完成相應操作。在特殊情況下，需要駕駛員的干預。

高級協同階段：車與路之間主動進行完全的信息交互，在車輛、路側通過安裝各種需要的設備，達到車路協同系統的最終目的。更加先進的車載設備、智能信號控制器、毫米波雷達、激光雷達、視頻攝像頭、通信設備、高精度地圖、云平臺、邊緣計算等都將在此階段應用以充分服務于車路協同系統。在此階段，車與路的“默契”程度達到最高，車輛不再必須依靠駕駛人的感知與行動來獲取信息和采取相應措施，能夠更及時的感知交通流狀態并且預知潛在危險，能夠高度自動化的行駛，并基于感知信息優化本車的運行狀態從而提高運行效率，保障運行安全。

車路協同系統是解決當前道路交通矛盾、提高通行效率、減少污染的有效途徑。在車路協同系統的發展中，階段性的實現系統功能，通過多種信息的融合統一實現高級的車路協同系統功能是當前的發展支撐戰略。

3 車路協同的發展路徑

對當前車路協同的位置的充分了解，是分析車路協同未來發展的前提。截至2020年6月，L2級智聯網聯車輛已經實現量產，全球范圍內還沒有針對L3級自動駕駛汽車的法律框架，L3級量產車的落地還需要一段時間，但各車企對L3級車輛的研發、測試從未停止。中國道路系統路網龐大且復雜，管理相對落后，其發展較車輛相對緩慢。在大部分道路，還處于E階段，一些城市主干道、高速公路處于D階段，也有少量路段達到C等級。無感通行、盲區監測、綠波通行等是當前車路協同的主要體現形式。按照車輛量產情況以及主干道實際支持情況，當前的自動駕駛和道路分別位于L2和C階段，車路協同L2/C對應的部分協同階段，如圖1所示。

3.1 發展路徑

從當前位置的初級-中級車路協同，要想達到將來的高級車路協同，具體來說，有5條路徑，如圖1所示，各路徑的車路協同在發展過程中的技術特征及外在呈現有所差異。

路徑1是著眼于自動駕駛技術，不斷的提高車輛的自動化水平，車輛自動化水平達到L4等級，再轉向交通基礎設施系統發展。激光雷達、毫米波雷達、高清攝像頭、車載終端等車載設備發展迅速，車輛快速獲取低時延信息、處理信息以及作出決策、實施控制的能力逐漸增強，逐步實現在設計工況下自動駕駛。前期，路側主要功能是進行駕駛輔助，在中后期，路側設備的完善，進入全面的車路協同。

路徑2是將車輛與道路的發展同等重視，二者發展步調基本一致。車輛自動化的提升，促使道路往信息化、智能化、自動化方向發展;同樣，交通基礎設施系統的進步，亦推動車輛自動化的前進。二者為達到全面協同的目標，在功能上取長補短，相輔相成。

路徑3是先以道路基礎設施為發展對象，重點發展道路的信息化、智能化、自動化，道路設施達到A級后，再轉向A以達到車路協同的目的。車輛行駛在復雜的道路路網，依靠發達的信息網，高度智能化、自動化的路側設備將實現對車輛的控制。

路徑4是以車輛自動化發展為主線，在技術或實際需要時，輔以道路等級的提升，實現高級的車路協同;路徑5是主要發展道路設施，車輛的自動化等級的提高能加快其進入高級協同階段。路徑4和5，在一定程度上可看作是路徑2的衍生路徑。

3.2 發展建議

從政策、技術、產業化等角度分析，自動駕駛汽車發展總體超前道路設施。道路系統與社會經濟發展、文化交流的重要紐帶，其發展與國家、政府、社會、企業、個人的發展息息相關，也因此，道路設施的信息化建設和改造與單車相比，關注方更多、復雜度更高、周期更長、難度更大，這也是道路設施落后于車輛的直接原因。

路線1是整車企業的期望，利用新一代的感知及通信技術，不斷提高車輛自身的自動化水平，但受到軟硬件設施設備、技術水平、法律法規等的制約，即使車輛在測試階段已經達到高水平的自動化，距離實際的量產落地仍然有不容忽視的阻力。路徑3是道路規劃、管理等部門的意向路徑，大力發展道路設施設備，減少車輛自身的設備裝備，能夠快速收集靜態、動態信息，在單點、路段、區域層面進行交通規劃，提供更加全面可靠的車輛通行信息，且能夠服務于不同等級的車輛。道路系統的龐大復雜是制約其信息化、智能化、自動化的重要原因之一，技術的可靠性、成熟性也限制了其應用范圍。路徑2是相對較理想的路線，但現實做到二者的協調發展并不容易，車路協同更容易出現路徑4或5的發展軌跡。即車輛和道路的發展存在先后的現象，但總體上，二者的協同程度在不斷提升。

鑒于當前的技術發展、行業特征以及政策支持等，車輛的自動化發展領先于道路，提升道路的服務水平迫在眉睫，路徑5更符合現狀和長期發展目標。因此，當前的任務是提升道路的信息化水平、智能化程度和自動化能力，以便能夠更準確的輔助車輛的自動化行駛，達到車路協同的目的。

4 總結與展望

通行效率、交通安全、和節能環保是道路交通問題面臨的三大挑戰。根據交通運輸發展戰略需求，以改善道路交通安全與提高交通效率為重點，兼顧節能、環保，車路協同由此而產生，并隨著技術的不斷進步，車路協同建設日趨完善。

1）從車、路、通信三個角度分析了車路協同，提出了著重發展以道路為核心的車路協同。

2）提出了車路協同的4個發展階段：無協同、初級協同、中級協同、高級協同，其中中級協同又包括以車為主和以路為主的兩個典型狀態。

3）提出了從當前位置的初級-中級車路協同到將來的高級車路協同的5條發展路徑。

4）鑒于當前的技術發展、行業特征以及政策支持等，選擇主要發展道路設施，車輛的自動化等級的提高能加快其進入高級協同階段的發展路徑，更符合現狀和長期發展目標。

本文主要論述了關于車路協同的發展階段及路徑，車路協同發展具體的技術呈現未展開討論。結合發展階段及路徑的技術集成概述，將有助于具體的開發工作。

課題：無人車網聯關鍵技術研究及應用驗證，2019YFB1804202

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