論智能車路協同的概念與機理

李 斌，侯德藻，張紀升，李宏海，黃子超

(1. 交通運輸部公路科學研究院，北京 100088；2. 北京中交國通智能交通系統技術有限公司，北京 100088)

0 引言

汽車文明是現代社會的重要標志，道路交通運輸是現代生活中最重要的運輸方式，其發達程度已成為衡量一個國家現代化程度的標志之一。但是道路交通如同一把雙刃劍，在給人們帶來便利、樂趣、為社會帶來財富的同時，也帶來了諸多的問題，如交通擁堵、交通事故、環境污染和能源消耗等。交通問題的根源是交通需求與交通供給之間的不平衡，由于城市空間的限制，道路建設速度已經遠遠跟不上交通量的發展，單純考慮增加供給，或使用交通管制措施限制交通，已經很難緩解當前的交通壓力，因此人們從很早開始就寄希望于交通系統的智能化，通過更加合理的分配與調度交通資源，來解決或緩解交通問題[1-3]。

20世紀60年代，計算機出現后，人們就開始考慮利用計算機技術來實現汽車的自動駕駛和交通管理。20世紀70年代，通用汽車公司在美國交通部的支持下開始了自動公路(Automated Highway)的研究與試驗，這標志著智能交通系統從構想階段進入了研發階段。20世紀80年代，加州大學(伯克利)的PATH項目(Partner for Advanced Transit and Highways)在自動公路研究方面的成果(見圖1)令人矚目[4-5]。2000年，美國加州交通局提出并開展協同式自動車路系統(Cooperative Vehicle-Highway Automation Systems, CVHAS)的研究。2009年美國運輸部啟動了IntelliDrive計劃，這是美國運輸部組織開展的為交通系統運行提供全新解決方案的大型ITS研發計劃，在車路一體化項目的基礎上深化研究車路協同控制[6-7]。

圖1 美國智能車路系統(1988年)Fig.1 American intelligent vehicle-highway system(1988)

1988年，歐洲開始啟動集中解決道路智能化問題的DRIVE計劃，同時啟動主要是由汽車制造商開展PROMETHEUS計劃解決汽車的智能化問題[8-9]。2001年歐盟發表題為“歐盟交通政策2010年：由時間來決定”的白皮書。白皮書提出到2010年道路死亡人數減少一半的宏偉目標。為實現這個目標，歐盟啟動了eSafety計劃，該計劃期望通過信息和通信技術作為解決方案，開發更安全的智能汽車安全系統。2015年5月為深化V2X通信服務方面的研究，歐洲開始了CODECS(Cooperative ITS Deployment Coordination Support)項目以促進協同式智能交通系統的研究。

同樣在1988年，日本也開始了包括超級智能車輛系統(Super Smart Vehicle System, SSVS) 和先進的道路交通系統(Advanced Road Traffic System, ARTS)在內的研究計劃[10]。2004年日本提出了Smartway項目，并從2005年開始研究新一代的道路交通服務系統，2007年形成了ITS車載和路側單元標準，并進行了Smartway的成果示范，2009年開展了基于ITS的安全行車技術示范；以Smartway的研究做基礎，2011年，ITS Spot在全日本高速公路上開始安裝使用。日本已經在全國安裝了1 600個ITS Spot路側設備，城際高速安裝間隔為10～15 km，城市高速路安裝間隔約為4 km。從ITS Spot項目開始，日本進入了系統研究車路協同的新階段。2015年，ITS Spot項目正式更名為“ETC 2.0”項目[11]。

實際上，歐美日于1994年正式提出ITS概念時，本身就含有車路協同的思想，即車與路以及車與車之間可進行信息交互與協同控制。1995年我國的研究者也開始注意到了智能車路系統的相關研究，當時對智能車路系統的理解主要集中在先進的汽車控制系統、先進的交通管理系統與先進的駕駛員信息系統3個部分[12]，但彼時相關研究在中國并未大規模開展。2003年，筆者隨交通部代表團赴西班牙馬德里參加第10屆ITS世界大會，注意到發達國家對車載系統與道路設施的協調配合日益重視，仔細調研了美國VII(Vehicle-Infrastructure Integration)、CVHAS (Cooperative Vehicle-Highway Automation Systems)、日本Smartway等項目情況[13]，回國后立即組織在交通運輸部公路試驗場搭建智能車路系統的原型試驗系統(圖2)，并于2007年北京14屆ITS世界大會期間，向各國來賓做了集中展示。自此車路協同的理念在國內逐步得到認同。

圖2 中國智能車路原型試驗系統(2003年)Fig.2 Chinese intelligent vehicle-infrastructure prototype test system (2003)

自2009年開始，在國家科技支撐計劃、863計劃等支持下，交通運輸部公路院、清華大學等陸續開展了京津塘高速公路運營安全與服務、智能車路協同關鍵技術等研究級示范應用。而隨著自動駕駛技術的爆發式發展，并伴隨著大數據和5G技術的快速發展，不光要發展智慧的車輛還要發展智慧的道路，將車輛和道路整合成一個有機的整體，成為研發熱點。

1 車路協同思想和內涵的演進

近年來，隨著自動駕駛技術的發展，車路協同經常作為與“自主式”自動駕駛相對應的一種技術路線被提及，但正如引言中所述，車路協同本身并不是近年才出現的新概念。所謂協同，就是指協調兩個或者兩個以上的不同資源或者個體，協同一致地完成某一目標的過程或能力。對于道路交通系統而言，“車”與“路”作為基本組成要素，由于不同“車”的道路占有權是彼此互斥的，隨著車輛數量的增加，必然導致道路交通系統的根本矛盾，即個體駕駛行為的自利性與道路資源有限性的矛盾。這種矛盾一方面會導致交通擁堵，另一方面也會顯著的增加交通事故的概率[14]。因此，交通管理控制的終極目標就是減小乃至消除“車”與“路”的根本矛盾，實現道路交通系統的安全、高效、穩定運行，這也正是車路協同的基本思想。

回顧道路交通系統發展歷史，人們一直在利用交通規則來緩解“車”與“路”的矛盾，從最開始的道路劃分左右車道行駛，到標志標線、信號燈，直至為更加充分利用道路資源而設計的潮汐式車道，都是為了讓復雜的道路交通系統能有序協同運行。在道路交通的人、車、路(環境)閉環系統中，人(駕駛員)是決策與實施控制的主體，“車”只是人物理的延伸，所以傳統的道路交通系統本質上是一個“人-人”協同系統。但隨著路網規模增大、車輛數量增加、規則復雜程度越來越高，由人來主導的協同效能也逐漸達到瓶頸；同時人也是系統中“穩定性”最差的一個要素，人容易受自身和環境影響，導致感知、決策和執行等方面能力的變化，而這種變化多數是不可預測的，因此僅依靠人自身的能力來協調解決“車”與“路”的矛盾變得越來越困難。

隨著現代信息技術以及人工智能技術快速發展，智能交通技術深度應用，傳統的車路協同手段也逐漸向智能化的車路協同技術轉變，即通過不斷提升車輛以及道路智能化水平，降低乃至消除對“人”的依賴，同時依賴個體的決策方式向依賴更加豐富信息的全局決策方式方向發展，從而實現系統安全高效運行。由于過去20年移動通信技術發展始終無法滿足低延時、高可靠的車路交互要求，針對交通安全的智能車路協同應用一直進展緩慢，但車路協同思想在公路收費服務以及個別領域得到了積極探索和實踐。例如，研究始于2000年的智能公路磁誘導技術，以布設在車道上的磁道釘及其編碼為參考標記，以車載傳感器探測磁信號并經運算確定車輛相對位置，并據此進行車道保持控制或偏離預警(圖3)，由于其全天候工作的特點，基于該技術的輔助駕駛系統在新疆冬季除雪車輛上得到應用，為駕駛員提供視野增強和拓展功能，取得了良好的效果[15]。另外，我國公路電子不停車收費ETC技術研發始于20世紀90年代中期，其核心底層技術是交通專用短程通信(DSRC)技術(圖4)，支撐了OBU與RSU之間的實時支付交易[16]；2019年全國取消高速公路省界收費站后，在高速公路省界、每個互通立交、入出口之間設置ETC門架系統，實現對所有車輛“分段計費、出口收費”，可以說是當前規模最大的車路協同應用。

圖3 智能公路磁誘導技術Fig.3 Magnetic guidance technology for intelligent highway

圖4 基于DSRC的電子不停車收費Fig.4 ETC based on DSRC

綜上，車路協同反映了載運工具與基礎設施之間的一種關系，它是以解決“車”與“路”的矛盾為基本宗旨，代表著將“車”與“路”看成一個整體來構建完整的智能交通系統的思想，是當前技術條件下智能交通系統在道路交通領域的具體表現之一。

2 智能車路協同的概念及架構

正如上節所述，從解決車路矛盾的角度看，車路協同是一個相對廣義的概念，包含了車路(含車車)間信息或能量交互，及其所支撐的信息服務、交通管理以及車輛調度與控制功能。之所以稱廣義，主要體現在兩個方面：一是車路交互是廣義的，車路交互的內容除了信息，也可以是能量，因此電動汽車在行駛過程中的無線充電行為也屬于車路協同，關于信息交互形式，除了無線通信，磁道釘編碼也屬于信息交互；廣義的另一方面含義是指車路交互支撐的應用是廣義的，既包括信息服務、交通流管控、收費等宏觀全局性的應用，也包括車輛駕駛操控等微觀局部應用(圖5)。

圖5 智能車路協同系統示意圖Fig.5 Schematic diagram of intelligent vehicle- infrastructure cooperation system

但隨著無線通信和人工智能技術的發展，特別是5G技術的應用，業界對智能車路協同的期待更多聚焦在依托高可靠、低延時的車路直連通信，面向交通安全和車輛控制功能的應用上。其核心是強調運載工具和基礎設施間的實時交互和動態調整，改變傳統的車和路之間交互方式，實現車載功能和路側功能的合理劃分和協同操控、信息資源在車輛和基礎設施之間的優化分配與平衡，大幅地提高道路交通的安全性和可靠性，同時達到優化利用系統資源、降低成本及節能減排的目的。

智能車路協同系統的通用架構如圖6所示，其中，在車載端，由車載傳感器感知周邊局部環境，并融合路側及中心的控制指令后進行相應的執行操作；路側端可通過傳感、通信等方式對關鍵節點、路段的交通運行狀況進行采集，并及時將決策與執行指令下發至車載端，同時將相關的節點、路段信息上傳至云控中心；云控中心主要負責匯總各路側節點以及車輛端的信息，可進行路段或整個路網的交通信息匯集與存儲，執行全局優化算法，實現整個路網的優化調度管控。

圖6 智能車路協同通用架構Fig.6 General framework of intelligent vehicle- infrastructure cooperation

車路/車車間直接信息交互，即車路直連通信(V2X)，是構建智能車路協同應用的底層和基礎支撐技術，這也是智能車路協同應用區別于其他傳統的智能交通應用的最顯著特征。這里所指的直連通信是指路側、車載設備通過無線傳輸方式，實現車與車、車與路直接通信和信息交換。目前國家規劃5905-5925MHz頻段作為車路直連通信的工作頻段。關于我國V2X技術路線，一方面，交通專用短程通信DSRC已成功應用于ETC，車載用戶已突破2億，產業鏈相對成熟，同時已為車路協同拓展應用預留了接口和信道資源；另一方面，基于4G-LTE的LTE-V2X技術已逐漸成熟，并且正在向5G-V2X演進過程中，為V2X提供了更多的技術選擇。目前業界已經就DSRC和LTE-V2X 融合形成了初步共識，例如：采用雙模芯片的T-Box，作為DSRC與LTE-V2X協同方案的一種探索。

3 智能車路協同的機理

智能車路協同系統以低延時、高可靠的車路直連通信技術為基礎，將“車”與“路”看成一個整體來實現智能交通創新應用。而關于如何實現車路智能協同？本研究認為至少應從功能協同、運行協同以及體制協同等3個方面深入探討(如圖7所示)，其中，功能協同涉及車路間功能合理劃分及其軟硬件成本均衡分攤，主要面向系統設計階段；運行協同主要解決系統運行時計算、通信等信息資源的動態分配問題；體制協同主要指推動車載和路側系統協同部署的標準、政策、法規等。

圖7 智能車路協同機理Fig.7 Mechanism of intelligent vehicle-infrastructure cooperation

3.1 車載和路側的系統功能劃分

(1)功能安全導向的比較優勢分析

車載智能化可以逐步代替人類駕駛員實現自動駕駛，但仍屬于單車自主駕駛行為，每輛智能汽車都努力建立一個為自己所用的環境模型，獲取車輛周邊的信息并進行決策；汽車對環境的感知范圍受到車載傳感器探測范圍(相當于人類駕駛員的目視范圍)的限制，局部環境信息所涉及的范圍不會增加很大，其提高交通安全的程度也受到很大制約。

而路側智能化則不然，車載智能不擅長的遠距離、盲區信息感知以及大算力任務需求等功能可以轉移到路側系統實現，無論是局部環境信息還是宏觀全局信息，特別是安全行駛所需的信息，都可由路側信息基礎設施實時獲取后加以處理，并適時地提供給過往汽車，甚至包括直接駕駛控制指令。

分析車載和路側智能的技術比較優勢(表1)，可以從優勢互補的角度更加合理地配置車載和路側的功能，同時從提高系統功能安全的角度進行適當的冗余設計。

表1 路側功能和車載功能的技術比較優勢Tab.1 Comparative advantages between roadside function and on-board function

(2)軟硬件成本分攤

為了保證智能汽車的功能安全和可靠性，對車載系統一般會采用冗余設計的原則，從而使系統成本居高不下，例如Waymo的L4級無人駕駛車的單車成本在40萬美元左右，這些成本中大部分都用在確保安全的車載傳感器以及冗余系統上。同時，智能汽車為了不至于使自己的駕駛行為過于短視，所建立的環境世界模型都盡可能擴大，很多多余的信息被每輛智能汽車重復獲得，這些軟硬件及時間上的開銷都是不必要的。

按照車路協同的思想，將部分環境信息感知功能，特別是遠距離和盲區信息感知功能，轉移到路側系統來完成，經過處理后再廣播分發給過往車輛，可以最大程度地擴大汽車期望獲得的局部環境信息范圍，此外由于路側信息可被所有經過車輛充分共享，使系統總成本大大降低。同時，我們可以將車載和路側系統作為一個整體來考慮冗余設計，可以減少智能汽車自身的冗余功能，從而進一步降低車載系統的成本。

車載系統和路側設施具有不同的屬性。公路基礎設施屬于準公共物品，具有非競爭性和非排他性，投資大、回報周期長，還具有網絡經濟性的特征，在網絡建成并投入使用后，運營企業的固定成本很高而邊際成本極低，即隨著道路使用用戶規模的增加，單位服務成本將大大降低。汽車屬于消費品，遵循市場規律，新功能和產品價格隨著產銷量(用戶規模)增加會迅速下降。但用戶規模的增加有一個市場導入和培育的問題，即用戶需要體驗到車路協同功能帶來的好處和收益，而這必須有路側系統的配合。這就是俗話所說的“先有雞，還是先有蛋？”問題。路側設施和車載系統本質上是服務和被服務的關系，一般而言，基礎設施作為服務方應先行一步，為車載用戶創造好的環境和條件，從而引導用戶規模的迅速擴大。可以考慮在高速公路流量大的路段率先部署路側系統，普通公路的視距不良路段等也可先期試點，吸引車載用戶使用。

3.2 車載與路側的資源動態分配

在現代信息系統中，所有的基礎設施以及運行模型，都是在存儲、計算、通信這3大資源中取舍與調度[17]。車路協同運行的核心思想就是計算和通信資源在車載設備和路側設備間的優化分配，優化目標是系統開銷最小化。計算任務一般是由車載設備發起的，但車載的計算和存儲資源不如路側設備豐富，計算能力有限，對計算時延和能量消耗非常敏感；如果將計算任務交給路側設備執行，利用路側設備強大的計算和存儲能力，使計算時延大大降低，但需要容忍傳輸時延的影響。

本研究將時延和能耗作為衡量系統開銷的主要因素。假設有n個車載計算任務Taski，si為任務Taski所需要的計算量，可具體表示為CPU周期數。對每一個任務Taski，均有車載和路側兩種執行方式可選擇，盡管兩種方式均會帶來時延和能耗，但不同方式對時延和能耗的敏感和容忍程度是不一樣的，可通過設置權重因子來表示[18]。下面討論兩種執行方式的時延和能耗模型。

(1)車載執行方式

(1)

式中α和β分別為車載執行的時延和能耗權重因子。

(2)路側執行方式

(2)

式中γ和δ分別為路側執行方式的時延和能耗權重因子。

(3)優化目標函數

對于任務Taski，假設不考慮計算冗余的情況，即一個任務只能在兩種方式中選擇其一，則該任務的系統總開銷為：

(3)

式中，di為決策參數，di∈{0,1}。當di取1時，表示該任務在車載執行；當di取0時，表示該任務在路側執行。

則系統資源分配優化的目標函數為：

(4)

式中D={d1,d2,d3,…,dn}為智能車路協同系統執行n個車載計算任務時，計算和通信資源在車載與路側之間的優化分配決策集，它充分考慮了車載執行方式和路側執行方式的計算能力和通信資源差異，以及二者對時延和能耗的敏感和容忍程度，最終實現系統總的時延和能耗開銷最小。

3.3 體制機制層面的協同部署

提到車路矛盾問題，除了前面第3.2節提到的技術層面原因，還有體制層面的原因，即道路基礎設施與汽車制造分別屬于不同的行業，尤其在我國分別由不同的行業部門管理，因此長期以來道路和汽車的技術升級發展基本是相對獨立的。同時兩者的物理形態和運行模式差異很大，道路基礎設施屬于土木工程，一般道路設計壽命周期在20～30 a左右，橋梁和隧道等重要構造物設計壽命在50～100 a；而汽車整車壽命一般10 a，很多私家車5 a左右就更新，近年來車聯網的發展使車載電子和信息設備的比重越來越高，從某種意義上講現在的汽車就是一輛移動的信息終端，其車載設備壽命周期2～5 a，車載軟件和數據甚至可以實時下載更新。

綜上，道路設施和汽車系統的技術升級改造往往是不同步的。我國智能交通20多年的發展大大推動了城市道路和高速公路信息化應用水平，使得道路設施智能化程度越來越高，但與車載系統和移動終端相比，道路設施對新技術的反應速度一般是滯后的。因此，所謂車路協同，不僅僅指功能配置和資源優化層面，還應包括體制層面的協同，需要不同管理部門及產業鏈各方對涵蓋技術、標準、法規等各方面的實現路徑和時間節點等達成共識，才有可能實現車載系統和路側系統的一體設計、協同部署。

標準化是體制機制協同推進的主要手段和方式。一方面，標準是車路、車車間直連通信和功能互操作的基礎；另一方面，地域分布的廣泛性和移動的隨機性是道路交通的突出特點，實現全國兼容是車路協同系統的基本要求，而標準化是實現全國兼容性的最有力保障，應推動汽車、交通、通信等各領域標準化工作協同。

4 結論

車路協同并不是近年才出現的新概念，它是20世紀末伴隨智能交通系統(ITS)發展而提出的。從解決車路矛盾的角度看，車路協同是一個相對廣義的思想和概念，即由車路(含車車)間信息或能量交互，所支撐的信息服務、交通管理以及車輛調度與控制功能。由于過去20 a無線通信技術發展難以滿足低延時、高可靠的車路交互要求，針對交通安全的車路協同應用一直進展緩慢，但車路協同思想在電子不停車收費ETC、公路磁誘導等領域得到了積極探索和實踐。

隨著無線通信技術特別是5G技術以及人工智能技術的發展應用，基于低延時、高可靠的車路直連通信技術、聚焦交通安全和車輛控制功能的智能車路協同應用成為業界關注的熱點。關于智能車路協同的工作機理，即如何實現車路協同,本研究認為至少應包括功能協同、運行協同、體制協同等3個層面，在系統設計階段的功能協同層面，應重點考慮路側功能與車載功能的技術比較優勢，并將車載和路側功能作為一個整體進行冗余設計和軟硬件成本控制；針對系統運行階段的資源協同問題，初步建立了以計算和通信資源為對象、以系統時延和能耗開銷最小為目標的車載和路側系統間資源優化分配方法；在體制協同層面，主要從體制機制的角度闡述了涵蓋標準、政策、法規等的路車一體設計、協同部署的原則。本研究成果對智能車路協同系統的設計、開發以及工程部署具有重要的指導意義。