智能網聯車路協同城市大腦建設框架研究

文／常振廷 謝振東 董志國

隨著V2X技術的逐步成熟，車路協同技術已初步具備車輛行駛狀態下“車—路—網—云”安全、可靠、低延時的瞬間通信和應用交互能力，其對道路交通行業的影響將甚于GPS技術，持續推動與公交、出租等道路交通行業的深度融合，掀起智慧交通新一輪建設熱潮。本文在概述V2X產業技術及應用現狀的基礎上，提出了智能網聯車路協同城市大腦、建設框架及車路協同路側設施布點原則和典型場景，并對下一步工作進行了展望。

V2X 產業技術及應用現狀

V2X（Vehicle to Everything，車路協同）是車與外界進行信息交換的一種通信方式，包括車與車之間的直接通信（V2V）、汽車與行人通信（V2P）、汽車與道路基礎設施通信（V2I），以及車輛通過移動網絡與云端進行通信（V2N）。

利用V2X 技術搭建的車輛網絡屬于車載自組織網絡(Vehicular Ad-hoc Network，VANET) 。目前，世界上用于V2X 通信的主流技術包括專用短程通信（Dedicated Short Range Communication，DSRC）技術和基于蜂窩移動通信系統的C-V2X（Cellular Vehicle to Everything）技術（包括LTEV2X 和5G NR-V2X）。

C-V2X 技術基于蜂窩網絡，提供Uu 接口（蜂窩通信接口）和PC5 接口（直連通信接口）。蜂窩方式是利用基站作為集中式的控制中心和數據信息轉發中心，由基站完成集中式調度、擁塞控制和干擾協調等，可以顯著提高LTEV2X 的接入和組網效率，保證業務的連續性和可靠性。直通方式是車與車間直接通信，針對道路安全業務的低時延高可靠傳輸要求、節點高速運動、隱藏終端等挑戰，進行了資源分配機制增強。C-V2X技術旨在將“人—車—路—云”等交通參與要素有機地聯系在一起，不僅可以為交通安全和效率類應用提供通信基礎，還可以將車輛與其他車輛、行人、路側設施等交通元素有機結合，彌補了單車智能的不足，推動了協同式應用服務發展，且擁有清晰地、具有前向兼容性的5G 演進路線，可以利用5G的低延時、高可靠性、高速率、大容量等網絡特性。

車路協同產業是智能網聯汽車、電子設備、信息通信、道路交通運輸等行業深度融合的新型產業形態。

近年來，我國出臺了一系列指導性文件，以推動C-V2X 技術的快速發展。2018 年1 月，國家發展和改革委員會發布《智能汽車創新發展戰略》（征求意見稿），將構建自主可控的智能汽車技術創新體系、構建跨界融合的智能汽車產業生態體系、構建先進完備的智能汽車路網設施體系、構建系統完善的智能汽車法規標準體系、構建科學規范的智能汽車產品監管體系、構建全面高效的智能汽車信息安全體系這六大體系作為國家戰略任務。2018 年12 月，工業和信息化部發布《車聯網（智能網聯汽車）產業發展行動計劃》，將通過持續努力，推動車聯網產業實現跨越發展，技術創新、標準體系、基礎設施、應用服務和安全保障體系全面建成，高級別自動駕駛功能的智能網聯汽車和5G-V2X 逐步實現規?；虡I應用，“人—車—路—云”實現高度協同。2019 年9 月，中共中央、國務院印發了《交通強國建設綱要》，要求加強智能網聯汽車（智能汽車、自動駕駛、車路協同）研發，形成自主、可控、完整的產業鏈。

為促進我國C-V2X 技術發展和產業化加速，2018 年10 月工業和信息化部發布《車聯網（智能網聯汽車）直連通信使用5905-5925MHz 頻段管理規定（暫行）》，規劃5905-5925MHz 作為LTEV2X 技術的車聯網（智能網聯汽車）直連通信的工作頻段，規定了頻率許可、無線電臺執照、無線電發射設備型號核準、對現有合法業務保護準則、車聯網（智能網聯汽車）直連通信無線電設備技術要求（信道帶寬20MHz、發射功率限值EIRP、載頻容限、鄰道抑制比、頻譜發射模板等），標志著我國LTE-V2X 正式進入產業化階段。

目前，工業和信息化部支持無錫創建全國首個車聯網先導區。無錫示范區已構建全球首個城市級開放道路的示范環境，涉及240個路口、170 平方公里、5 條快速路、1 段高速公路，全面開放40余項交通管控信息，計劃于2021年實現1000 個路口、500 平方公里，到2023 年實現2000 個路口、1200 平方公里的交通管控信息開放。國家發展和改革委員會在上海實施了全國首個2019 增強制造業核心競爭力專項——基于智能汽車云控基礎平臺的 “車路網云一體化”綜合示范建設項目，建設區域覆蓋25 平方公里，智能化改造道路70 公里，支持的智能網聯車輛規模達1 萬輛。此外，北京、廣州、天津、長沙、重慶、武漢、深圳等

車路協同技術已逐步具備車輛行駛狀態下“車—路—網—云”安全可靠、低延時的瞬間通信和應用交互能力。地也都開展了C-V2X 測試驗證與示范應用工作。

隨著各地示范應用工作的開展，產業界開始越來越多地關注車路協同和智能網聯汽車、道路交通運輸三者協同為駕駛安全、通行效率以及新型出行服務帶來的重大影響，主要表現車路協同技術能提高車輛對道路交通環境的信息感知和實時雙向交互能力，提升車輛本身的協同控制能力。

隨著LTE-V2X 技術的逐漸成熟及5G NR-V2X 技術標準的逐步完善，車路協同技術已逐步具備車輛行駛狀態下“車—路—網—云”安全可靠、低延時的瞬間通信和應用交互能力，其對道路交通運輸行業的影響將甚于GPS 技術，持續推動與公交、出租、貨運等道路交通行業的深度融合，掀起智慧交通新一輪熱潮。

智能網聯車路協同城市大腦

智能網聯車路協同城市大腦主要是指利用C-V2X 技術提供的低延時通信能力、終端—邊緣—區域—中心的多級分布式V2X 計算能力，構建“人—車—路—云”高度協同的大數據決策控制云平臺，實現智能網聯汽車車載單元、路側單元、蜂窩網絡、云平臺和道路交通的融合應用，逐步打造“協同感知、協同控制、協同決策”的新一代智慧交通管控體系，提升城市交通行車安全和運行效率，促進城市高質量可持續發展。

智能網聯車路協同城市大腦主要由車路協同路側單元、車路協同車載單元、決策控制云平臺和道路交通應用四部分組成。平臺框架如表1 所示：

（一）車路協同路側設施

車路協同路側設施主要包括路側單元（RSU）、感知單元、邊緣計算單元和道路交通路側設施網聯化改造。其中，路側單元集成C-V2X 技術，實現路與車、路與人、路與云平臺之間的全方位連接，為車輛提供行車安全、交通效率和信息服務，同時也為協同控制、協同決策提供手段。感知單元由一系列感知設備與處理設備構成，實現對本地交通環境和狀態的實時感知，交通環境信息包括信號燈信息、交通參與者信息、交通事件信息、定位信息等，傳感器包括激光雷達、毫米波雷達、圖像采集器、環境傳感器等。邊緣計算單元負責對本地或區域的數據進行處理、存儲以及應用、服務的計算與發布，有多種實現方式，可以融合到RSU 終端內，可以到邊緣MEC 單元，可以是區域計算中心，也可以形成終端—邊緣—區域—中心的多級分布式V2X 計算架構。道路交通路側設施網聯化改造主要包含交通信號控制、交通誘導信息發布等設施網聯化改造，將道路交通管理設施數據直接給到路側單元和邊緣計算單元。

表1 智能網聯車路協同城市大腦平臺框架

（二）車路協同車載單元

車路協同車載單元（OBU，前裝也叫“T-Box”）是集成C-V2X 技術，實現車與路、車與車、車與人、車與云平臺之間的全方位連接，為車輛提供行車安全、交通效率和信息服務，主要包括通信芯片、通信模組、終端設備、V2X 協議棧及V2X 應用軟件。應用過程中，要重點考慮車輛安全駕駛信息交互設計，以避免司機端信息過載及與自動駕駛車輛感知信息不互通。

（三）車路協同決策控制云平臺

車路協同決策控制云平臺主要由地圖（含場景化高精度地圖），路側設施、車載單元的狀態管理和數據交互，交通管理平臺間信息交互，道路交通環境協同感知管理，行車安全協同控制策略管理，交通運行效率協同管理策略，交通信息服務協同發布策略，智能網聯可視化應用分析和數據開放管理等組成，為智能網聯汽車、C-V2X 基礎設施、通訊網絡、交通運行指揮等提供平臺側服務，實現車路協同的全局管控和運行態勢監測，保障車路協同體系運作的有序和高效。

（四）道路交通應用

車路協同技術只有同道路交通應用進行深度融合，才能建立滿足道路交通安全行車與營運管理需求的一系列業務規則，賦予V2X技術行業生命力。道路交通應用主要包括重點營運車輛管理系統（公交、出租、客運、校車、公務、網約、貨運等）、特種車輛管理系統（110、120、119 等）、車企車聯網系統、自動駕駛汽車管理系統、道路交通誘導系統、汽車電子網聯管理系統、導航地圖應用系統及車聯網信息服務系統，不同應用對路側設施的布點及數據要求也不同。

車路協同路側設施布點既要充分考慮公交、出租等有人駕駛智能網聯汽車需求，又要滿足自動駕駛汽車行車需求。

車路協同典型場景

車路協同路側設施布點既要充分考慮公交、出租等有人駕駛智能網聯汽車需求，又要滿足自動駕駛汽車行車需求，在信號交叉口、事故黑點、橋隧、學校行人過街等進行布點，從而提升行駛安全、提高交通效率。主要典型場景包括：

（一）行車安全場景

通過車路協同路側設施的多源感知融合，對道路環境實時狀況進行感知、分析和決策，在可能發生危險或碰撞的情況下，向駕駛員提供超視距安全信息、進行車輛碰撞預警，提升駕駛員對駕駛環境、其他交通參與者的感知能力，從而減少交通事故或降低交通致傷亡率。

典型場景包括事故黑點碰撞預警、超視距會車信息提醒、學校門口行人過街提醒、橋隧限高及涉水情況提醒、復雜交叉路口全息交通環境預警、前方事故預警、盲區監測、道路突發危險情況提醒、車間距離預警與控制、彎道超速、側翻事故預警等。

（二）交通效率場景

通過C-V2X 技術增強道路交通的協同感知能力，將收集的道路信息發給車輛，駕駛員根據實時信息規劃路線、動態控制車速，從而降低等待焦慮，提高出行舒適感。除此之外，它還為公共交通及特殊車輛提供優先通行，提高交通管理效率和區域化協同管控能力。

典型場景包括紅綠燈信號播報、智能車速引導、限速限行、事故/施工占道、交通管制、特殊車輛優先通行、編隊行駛等。

（三）出行信息場景

出行信息服務基于通信制式分為兩類，一是車聯網應用，二是位置服務。車聯網應用讓車輛成為互聯網組成部分，整車廠、互聯網企業高度重視，位置服務主要是對周邊小范圍進行信息推送，如停車位引導、路側商務推廣等。

（四）自動駕駛場景

C-V2X 車路協同路側設施可以為自動駕駛車輛提供增強交通環境信息，提升自動駕駛的安全性。典型應用場景包括車輛編隊行駛、遠程駕駛等。

發展展望

未來出行是“人—車—路—云”高度協同的移動信息走廊，是一個由“政產學研用”共同推動持續迭代的過程。智能網聯車路協同設施既是廣義上的智能網聯交通工程設施，又是狹義的智能網聯汽車電子設備，是目前產業界承載“人—車—路—云”高度協同的最可能技術路徑。當然，由于C-V2X 技術仍處在研究與小規模示范驗證階段。但隨著城市C-V2X 網絡大規模落地應用，下一步車路協同建設框架需深入開展協同感知、協同控制、協同決策以及城市C-V2X 網絡運營主體和運營機制研究，從而促進自動駕駛與車路協同（智能網聯汽車）產業可持續發展。