智能網聯先導區道路交叉口車路協同系統設計

董金瑋　苑壽同　胡鑫

摘 要：近年來，車路協同是汽車與交通行業發展的重要方向之一，而車路協同環境建設和推廣也成為先導區建設的重中之重。車路協同系統利用無線通信、傳感器檢測、高精度地圖定位、人工智能、計算機等眾多技術來獲取車輛和道路信息，在實現人、車、路充分協同的同時，從而達到主動提高道路交通安全、最優化利用系統資源、緩解交通擁擠的目標，形成安全、效率、環保的道路交通系統。先導區一般選址在車流量大、道路環境復雜、附近居住人口密集的區域。先導區內汽車智能與網聯化測試、V2X場景實現均需要借助于車路協同系統環境。本文介紹了先導區道路交叉口車路協同系統涵蓋的技術，以及實現的功能和信息服務場景，并從車端、路端給出了相應場景的解決方案。

關鍵詞：先導區 車路協同 道路交叉口 無線通信

Design of Vehicle Road Coordination System for Intelligent Network Leading Area Road Intersection

Dong Jinwei Yuan Shoutong Hu Xin

Abstract：In recent years， vehicle-road coordination has been one of the important directions for the development of the automobile and transportation industries， and the construction and promotion of the vehicle-road coordination environment has also become the top priority in the construction of the pilot zone. The vehicle-road collaboration system uses wireless communication， sensor detection， high-precision map positioning， artificial intelligence， computers， and many other technologies to obtain vehicle and road information. While achieving full collaboration between people， vehicles， and roads， it can actively improve road traffic safety. The goal is to optimize the use of system resources and alleviating traffic congestion to form a safe， efficient， and environmentally friendly road traffic system. The pilot area is generally located in an area with a large traffic volume， a complex road environment， and a densely populated area nearby. In the pilot area， vehicle intelligence and networked testing， and the realization of V2X scenarios all require the aid of a vehicle-road collaborative system environment. This article introduces the technologies covered by the vehicle-road collaboration system at road intersections in the pilot zone， as well as the realized functions and information service scenarios， and provides solutions for the corresponding scenarios from the vehicle and the road.

Key words：demonstration area， cooperative vehicle infrastructure， road intersection， wireless communication

1 前言

隨著新一代無線通信技術、高精尖制造技術、人工智能技術的發展，我國車路協同技術產業進入快車道，技術創新日益活躍，新興行業與技術的發展，產業規模不斷擴大，但也存在相關核心技術有待提高、產業生態尚需完善以及政策法規亟待完善等問題。一是技術核心產品還未完全達到落地水平，車路協同核心產品如車載設備芯片、車載終端、路側基礎通信設備等在我國雖已獲得巨大進展，但產品本身離商業化的部署還有較大的距離。二是車路協同商業運作模式尚不清晰，拓撲網絡部署方案不明確，還由于車路協同涉及的產業鏈較長，上下游相關的不同行業廠商眾多，目前尚未形成強有力的行業主導方，整體未有統一的網絡部署方案，缺乏核心凝聚力與競爭力，產業推動力量發散。

為解決上面的問題，國家和地方政府均大力推廣建設智能網聯汽車先導區，開展規模化試應用，推動核心技術研發迭代、車路協同與其他行業的協作融合，探索車路協同產業成長和商用部署途徑，加速我國車路協同產業規模化應用：

一需標準化車路協同應用基礎環境建設[1]。由于場景實現需進行車-車、車-路、車-云等不同主體的信息交互，但目前面臨多源主體間信息交互格式標準不統一以及信息孤島問題，仍需探索標準化的車聯網應用環境建設模式;

二是V2X應用場景有待補充豐富。目前車路協同系統場景覆蓋范圍有限，經濟效益和社會效益的轉化并不明顯，需要發掘車路協同在出行以及交通運輸領域的應用場景，發揮車路協同在智慧城市建設中的作用。

三是車路協同行業服務質量有待提高。目前主機廠均已制定車路協同相關產品的量產計劃，仍需開展行業服務能力建設助力車路協同新產品開發、落地應用。

四是車路協同商業模式缺失。車路協同產業推進發展需要大量RSU、高精度定位基站與高精度地圖采集和數據服務器的投入。因此如何找到合理的商業模式，推動車路協同應用發展，使得產業鏈參與方得到一定的利潤回報，是當前車路協同產業發展急需解決的問題，也是促進產業進一步發展的保障。

國內外對車路協同系統及其技術的相關研究已有多年，2015年底，日本開始著力推行 ETC2.0。2017年2月，新加坡LTA組織宣布MHI和NCS公司聯合體中標ERP2.0，基于V2X技術，2021年正式實施。2018年12月，美國交通部發布標準要求，要求新上市輕型車輛安裝車路協同設備。各國大力推動車路協同系統的發展目的都在于解決汽車的安全、能效和環境保護等問題。

我國的車路協同行業技術研究相對國外起步較晚，為搶占市場先機，近幾年國內也積極開展智能網聯汽車測試示范區的建設工作。目前各地測試環境建設已初具成效，各地充分利用地形、氣候差異，實現測試環境建設的差異化發展[2]。但在推進測試示范區建設中，提供大規模實際應用與切實為行業服務等方面的環境建設仍存在不足，需要以先導區為建設為契機，全面發展車路協同產業生態鏈。

2 先導區車路協同系統功能分析

對基于先導區交叉口車路協同系統功能需求分析，得知該系統基本實現6類功能：V2X綜合管理、路口車輛環境感知、路口智能設備運維、特殊車輛優先通行、路口預警與提醒、信息數據網絡服務。

V2X綜合管理：V2X 綜合管理可以接入RSU和車載終端（車載后視鏡、OBU），手機APP和車載端數據，為用戶提供V2X基礎數據服務，支撐車載終端/手機APP上的V2X應用。

路口車輛環境感知：對道路運行的車輛進行實時監測， 同時對車道線以外行駛的其他車輛、路邊行人以及周邊的靜止物體等進行信息采集，對車道線內行駛的車輛位置、速度和交通流信息進行分析統計，對于惡劣天氣條件下道路的路況信息進行管控。

路口智能設備運維：智能終端設備管理平臺建設主要圍繞設備的實時監測進行智能監管，這能更全面地管理先導區內的路側設備。設備管理平臺需匯集所有路側設備的狀態數據，對接口數據進行脫敏、封裝、存儲處理[3]。

特殊車輛優先通行：當有特勤車輛如消防車、救護車、警車或其他緊急呼叫車輛等需要優先通行時，能夠通過車載OBU向道路其他車輛進行廣播，同時附近路側RSU能夠實時獲取其行駛位置，通過車路協同系統控制車輛行駛路線上的信控路口配時，優先通行該車輛。

路口預警與提醒：前向碰撞預警、交叉路口碰撞告警、逆向行駛預警、車輛失控預警、闖紅燈預警、靜止車輛預警、左轉輔助預警等。

信息數據網絡服務：以路側端和車端的多傳感器、攝像頭毫米波雷達等設備的數據為數據源，提供動態感知、融合定位等技術以及全面覆蓋、泛在互聯、智能應用等信息服務。

3 車路協同系統架構

車路協同系統架構主要分為四層：設備層、網絡層、平臺層、應用服務層。

設備層包括路側設備和車載設備兩部分內容，路側設備包括路側感知設備、路側通信設備RSU、邊緣計算設備MEC等，車載設備主要為車載OBU設備。

網絡層主要提供通信網絡服務，包括5G等移動通信網絡、固網通信、PC5直連通信。

平臺層包括車路協同云控平臺，通過設備的統一接入管控，提供互聯互通、融合感知、決策控制、數據分析、運營管理等車聯網服務。云數據中心為上層各類應用提供計算、存儲、網絡、安全服務。

應用服務層主要包含V2X車聯網應用、自動駕駛應用、自動接泊應用。

此外，系統還將與出行服務平臺、地圖、交通、氣象系統等業務系統對接，實現數據與服務的互聯互通。

系統還將構建安全保障體系、標準規范體系、運維管理體系，通過管理、標準，制度等規范手段保障各系統正常運行。

4 車路協同系統關鍵技術

4.1 無線通信技術

V2X車路協同通信技術主要包括三種形式，分別為車輛與車輛通信（Vehicle to Vehicle，簡稱V2V）、車輛與基礎設施通信（Vehicle to Infrastructure，簡稱V2I）以及車輛與行人通信（Vehicle to Pedestrian，簡 稱V2P），通過人、車、道路設施相互之間的信息交互，實現在復雜交通環境中智能決策、感知融合、協同控制等功能。協同的前提是交通要素間快速、準確的信息交換，因此一個超可靠低時延的車路間通信系統是車路協同的基礎。同樣，道路基礎設施的信息（如信號燈狀態、電子標牌、地圖）、路側感知的交通參與者信息、交通事件（如擁堵、遺灑、施工）、交通管理部門的管控指令（如限速、禁行、交通管制）也要通過車路通信網絡傳輸到車側，供車輛的駕駛行為決策使用。

V2X無線通信技術是將車輛與一切事物建立連接的新一代信息通信技術。它可以保障100ms以內的傳輸時延，不依賴基站的區域覆蓋從而進行直連通信，提供高效的廣播機制，是一種非常適合車、路間通信的技術。在V2X通信技術的支持下，車輛可以迅速獲得周邊車輛和道路的狀態信息，從而支持車輛行駛路徑的動態規劃，達到避免碰撞、快速通行的目的，實現交通局部的協同。云控中心則可以實時獲得全時空動態交通信息，進而支持交通的全局管控。目前， 國際上主流的V2X技術有電氣和電子工程協會標準（IEEE 802.11p）和蜂窩車用無線通信（C-V2X）2 條技術路線[5]。與IEEE802.11p 相比，C-V2X 有2 方面的優勢 ：用戶間干擾小，支持并發用戶數更多，有效通信距離大，可以給駕駛員提供更長的剎車反應時間。 V2X車路協同系統充分實現了人、車、路的有效協同，提高駕駛安全性，減少城市交通擁堵、從而提高城市交通管理效率，同時為自動駕駛領域起到“保駕護航”的作用。

4.2 智能感知技術

除了可以繼續利用圖像處理技術進行交通事件識別，利用氣象傳感技術進行氣象事件識別，利用線圈、雷達技術進行交通流量統計外，還可以利用激光雷達、雷視一體機等先進的感知手段進行交通參與者的目標識別與跟蹤。

在V2X技術的支持下，公共車輛（如公交車、出租車、交警車輛、道路養護車輛）上可加裝感知設備，對交通狀態信息進行采集，并通過V2X技術實時匯聚到路側，與路側直接感知到的信息進行融合。隨著多種感知設備的使用，不同設備感知結果之間的同步和去重成為新的研究課題。

4.3 邊緣云控技術

車路協同的目標是實現局部交通的快速協同和全局交通的綜合管控，這就要求部分信息在本地快速處理，并快速通知到周邊車輛，也就是邊緣云控;部分信息要匯聚到云控中心進行全局數據分析和全局的交通流管控，也就是中心云控。邊緣云控利用移動邊緣計算（MEC）技術將計算、決策能力向網絡邊緣進行遷移，實現局部交通協同的分布式、本地化部署，進而可以通過V2X技術為區域內行駛的車輛提供低時延車路協同服務。采用 MEC 技術，可以將敏感數據或隱私信息控制在區域內部，同時降低回傳網絡的負載壓力。

4.4 多傳感器信息融合技術

多傳感器信息融合是利用信息處理技術將來自多個傳感器的監測信息進行分析、綜合處理， 從而得出輔助決策和估計任務所需信息的處理過程。多傳感器信息融合的基本原理是：通過對各種傳感器及人工觀測信息的合理支配與使用，將各種傳感器的信息在空間和時間上進行互補與冗余，進而產生某種優化準則而對觀測對象的客觀描述。

5 車路協同系統架構及設備組成

5.1 車路協同系統硬件結構

智能網聯先導區交叉路口車路協同硬件系統由車載端設備、路側設備、云控平臺、5G基站等組成。路側設備主要包含：智能路測單元RSU、毫米波雷達、激光雷達、高清攝像機、邊緣計算節點MEC等，車載端設備主要由智能車載終端OBU組成、用于獲取車輛位置、狀態以及駕駛路徑信息;

系統硬件連接示意圖示例如圖2所示。

5.2 硬件設備組成

車載端設備：OBU（On Board Unit），是一種安裝在車輛上的可實現V2X通信，支持V2X應用的硬件單元，是車載終端的核心單元。OBU的部署是實現V2X產業化落地應用的前提與關鍵環節。OBU支持數據的接收，包括通過PC5接收RSU廣播的數據。

車載智能終端搭載 GPS 的定位模塊、信號發射天線、接收天線、加速度和陀螺儀等傳感器模塊，可充分獲取車輛運動狀態信息。作為車載設備，可以通過導航 APP 實現對車輛的位置識別、速度引導、地圖導航和交通狀況查詢。GPS 定位模塊主要用于車輛運行位置、行車時間、行駛速度等數據的采集。

路側端設備：RSU（Road Side Unit），RSU的基本功能包括業務、管理和安全三類，其中業務能力圍繞V2X業務的實現，匯集路側交通設施和道路交通參與者的信息，并將V2X消息廣播給道路交通參與者;管理功能負責完成設備的認證、管理與維護;安全功能負責實現RSU設備自身，以及RSU與其他交互對象之間信息交互的安全保護。毫米波雷達主要應用于先導區路口路況監測，可探測前方200米道路上違章停車、超速、違規并線、應急車道行駛等事件，獲取當前監視場景中各個車輛的位置并跟蹤所有車輛行駛軌跡，同時支持車速、車流量、車道占有率、平均車速等信息，并實時獲悉路況信息，從而判別出交通道路擁堵、異常等事件等。高清攝像機架設在路口或路段上，實現對路口停靠區域的行人、非機動車等闖入目標進行檢測，并發送給邊緣計算節點MEC服務器，提取視頻中的交通目標，包括行人、非機動車、機動車，并將處理之后的結構化數據反饋至智能路側設備。激光雷達為道路大量運動物體，包括車輛、行人、自行車、摩托車等，提供高精度的速度、位置、方向等，以及運動狀態、姿態、形狀等信息，相比于毫米波雷達與傳感器，激光雷達的輻射范圍、覆蓋角度更廣、測距更準確。

5.3 軟件系統框架及組成

車路協同軟件系統框架由云控平臺、手持終端軟件組成，其系統連接圖如圖3所示：

云控平臺：云控平臺作為車聯網業務的基礎能力平臺，旨在為業務及上層應用提供數據高接入、融合分析、高精度定位、邊緣計算、業務連續性保障等基礎能力，以滿足車路協同、自動駕駛的業務需求。它為道路建設及汽車配置提供基礎設施、車輛運行、交通管理等動態基礎數據，具有數據存儲、數據運維、大數據分析并支持智能網聯汽車實際應用需求的支撐平臺。

平臺展示內容包括路側網聯設備信息顯示、信號燈信息顯示、網聯汽車個體信息展示等。同時主視圖界面會包含網聯信息查看和處理功能，信號燈信息顯示可顯示該信號燈的ID，以及所有相應的實時狀態信息，包括紅綠燈色，倒計時秒數、控制模式等。

手持終端軟件：是對智能網聯車輛或自動駕駛車輛進行管理，可以在線查看車輛信息，同時可以在線實時查看該車在地圖層的實時位置。手持終端可對路側端設備進行監控，支持對路側監控進行管理，路側監控模型展示、顯示設備總數和異常設備數量，可展示V2X通信過程，如車車通訊（V2V），接收到車輛之間的交互信號時的交互效果，車路通訊（V2I），接受車輛與路側設備的交互信號時展示車輛與路側設備之間的交互效果等。

6 V2X場景驗證

V2X應用場景驗證以中國天津（西青）國家級先導區域內的路端作為測試場地，如圖4所示，選定張家窩鎮家合里周邊8個道路交叉口布置車路協同系統設備。

測試過程中，選取先導區內不同復雜道路交通場景路口，如丁字路口、十字路口、Y型路口等，同時在不同類型車上搭載車載終端進行測試，具體測試方法與結果如下：

1）基于信號燈的車速引導。任選一個配置OBU的自動駕駛汽車，當車輛A距離十字路口100-200m左右時，路側端RSU接收到來自OBU發送的信息，RSU給周邊配置OBU的車輛廣播信號燈配時、路口行人移動狀態、道路擁堵狀況等信息，車輛A車載終端OBU根據紅綠燈配時、路口行人狀態選擇減速，加速通過路口，保障路口不擁塞。測試結果表明：系統能夠有效的引導車輛通行交叉口。

2）闖紅燈預警。車輛在經過有信號燈控制的交叉口時，存在不按信號燈規定或指示行時，車路協同系統對裝有OBU車輛的駕駛員進行預警。闖紅燈預警同時適用于城市及郊區道路及公路的交叉路口、環道的出入口和可控車道、高速路入口和隧道等有信號控制的車道。測試結果表明：車路協同系統能準確識別到闖紅燈的異常車輛。

3）特殊車輛優先通行。特殊車輛調度是指智能交通系統調度交通資源針對特殊車輛采取提前預留車道、封閉道路或切換信號燈等方式，為特殊車輛提供安全高效到達目的地的綠色通道。特殊車輛包括警車、消防車、救護車、工程搶險車、事故勘查車等。本實驗選取警車、救護車來模擬特殊車輛。

4）盲區預警/變道預警，指當主車的相鄰車道上有同向行駛的遠車出現在主車盲區時，主車沒有變道意圖，車路協同系統應用對主車駕駛員進行提醒。變道預警則是當主車準備實施變道操作時（例如激活轉向燈等），若此時相鄰車道上有同向行駛的遠車處于或即將進入主車盲區，車路協同系統同應用對主車駕駛員進行預警。測試結果表明：智能網聯車路協同系統能準確的對盲區進行預警，以及在變道前預警。

7 結束語

本文探討了智能網聯先導區車路協同系統的設計應用場景，分析了交叉口車路協同系統功能實現的場景測試方案。給出了道路交叉口車路協同系統硬件配置方案、設備連接示意圖等。并在西青先導區域內驗證了所設計方案的合理性與可行性，經驗證，系統可感知路況實時信息，獲取車輛的速度、方位等行駛狀況信息。車輛與車輛之間、車輛與路端設備之間可實現信息的即時處理，這為駕駛員道路行駛提供相關輔助支持。同時也優化了系統資源，緩解交通擁堵，提高道路交通安全和效率，為之后先導區車路協同環境改造及設備部署提供參考。

參考文獻：

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