對車路協同(V2X) 技術協助汽車自動駕駛的思考

馬曉易

關鍵詞：車路協同;自動駕駛汽車;車輛網;智能交通;道路交通

隨著經濟的持續快速發展，我國居民收入和生活水平不斷增長，隨著我國機動車保有量在持續上升。2022年1月11日公安部公布的數據顯示：2021年，全國機動車保有量達到3.95億輛，其中汽車3.02億輛;機動車駕駛人達4.81億人，其中汽車駕駛人4.44億人。新注冊登記機動車3674萬輛，同比增長10.38%。

越來越多的機動車在給人們帶來生活與工作便利的同時，也帶來了一些問題，比如更多的交通擁堵、更高的交通事故發生率以及污染增加等問題。近年來，即使有著ABS、EBD、SRS等不斷更新的軟硬件安全保障系統，我國道路交通事故起數及死亡人數依然居高不下（如圖1）。另據統計，公路與城市道路事故起數比為1.4：1，而公路交通事故死亡人數是城市道路死亡人數的3倍，公路上平均每5起事故死亡1人，城市道路上平均每12起事故死亡1人。為減少交通事故，降低能耗，一種新的交通模勢在必行——智能交通系統（ITS）。智能交通系統是將先進的信息技術、數據通訊傳輸技術、電子傳感技術、控制技術及計算機技術等有效地集成運用于整個地面交通管理系統而建立的一種在大范圍內、全方位發揮作用的，實時、準確、高效的綜合交通運輸管理系統;它有2個顯著特點：一是著眼于交通信息的廣泛應用與服務，二是著眼于提高既有交通設施的運行效率。

1.基于自動駕駛的智能交通系統

據記載，智能交通創始于1973年。

但早期受限于通信手段，智能交通發展緩慢。1995—2000年，通信技術在數據傳輸速度和位置服務技術方面的發展突飛猛進，智能交通發展明顯加快。2000—2010年，計算能力與云端傳輸技術的發展拓寬了智能交通的維度。

2010年至今，隨著大數據、機器學習等技術的發展，基于智能輔助駕駛及自動駕駛的智能交通系統成為未來發展的重要方向，并成為建設智慧城市的重要一環。

在實踐與研究中，人們將汽車駕駛的自動化程度分為若干階段。目前公認的自動駕駛分級標準由SAE（國際自動機工程師學會）制定，即將汽車的駕駛程度分為L0～L5共6個等級。L0代表沒有自動駕駛加入的傳統人類駕駛，而L1～L5則隨自動駕駛的技術配置進行了分級。分別概述如下：Level0（無自動化）：由人類駕駛者全權操作汽車，在行駛過程中可以得到警告和保護系統的輔助。

Level1（駕駛支援）：通過駕駛環境對放線盤和加減速中的一項操作提供駕駛支援，對其他的駕駛動作都由人類駕駛員進行操作。

Level2（部分自動化）：通過駕駛環境對方向盤和加減速中的多項操作提供駕駛支援，其他的駕駛動作都由人類駕駛員進行操作。

Level3（有條件自動化）：由無人駕駛系統完成所有的駕駛操作。根據系統請求，人類駕駛者提供適當的應答。

Level4（高度自動化）：由無人駕駛系統完成所有的駕駛操作。根據系統請求，人類駕駛者不一定需要對所有的系統請求作出應答，限定道路和環境條件等。

Level5（完全自動化）：由無人駕駛系統完成所有的駕駛操作。人類駕駛者在可能的情況下接管。在所有的道路和環境條件下駕駛。

從國內實踐看，目前自動駕駛汽車的應用場景及水平處于處在L3、L4階段，并有人表示L3級自動駕駛并不實用，產品應該從L2直接跨越到L4級。目前L4級自動駕駛車輛的商業化主要體現在商用車領域，已運用于港口碼頭的封閉區域以及各個城市劃定的封閉路段或部分開放路段。例如：2018年，天津港，由中國重汽等方面聯手打造的全球首輛無人駕駛電動卡車開啟試運營;2019年，上海洋山深水港，由上汽紅巖等聯手打造的5G+自動駕駛重卡首次投入商業化應用;2019年，由宇通客車等聯手打造的4輛自動駕駛巴士在鄭州市智慧島公開道路上試運行;等等。這些自動駕駛車輛普遍使用了移動車聯網（C-V2X）技術，即：通過攝像頭、毫米波雷達和激光雷達，以蜂窩通信技術為基礎開發的移動車聯網技術，實現了車聯網與L4級自動駕駛。但它們只能在特定的范圍內行駛，而且據悉有的車輛在遇到緊急情況或禮讓行人進行制動時的平順性和乘坐舒適性還有待改善;實現自動駕駛的投入成本也很高;目前仍然處在試運行階段，還需要不斷積累運行數據進行提升。

2.自動駕駛中的車路協同（V2X）技術

在實現自動駕駛的過程中，車路協同（V2X，vehicletoeveything）技術起著至關重要的作用。V2X是一種能讓車輛與交通系統中周圍的移動物進行通信的技術，主要涉及3個端口：車端、路側端和云端。

自動駕駛在很多人的設想中，有許多不同的實現方式;單車智能與車路協同都是在自動駕駛道路上的不同探索，但在一輪一輪的商業實踐下，單車智能的發展遭遇了瓶頸。于是，車企們不約而同地開始走向車路協同技術與單車智能相結合的道路（圖2示出車路協同下的自動駕駛體系），把自動駕駛汽車看作是智能交通的一環，作為智能交通循環參與者與構建者，將車路協同與單車智能漸進演化發展為一套自動反饋的體系。

3.為什么實現自動駕駛，需要車路協同（V2X）？

隨著研發的逐步深入，單車智能化的弊端不斷顯現，其一是單車智能需要獲取多維信息。毫米波雷達、攝像頭、激光雷達等硬件設備雖然可以讓車輛的“視覺”符合駕駛要求，但隨著自動駕駛信息采集的多維化，不斷增加的硬件需求持續提高著車輛成本，維護難度與人員投入，使研發進入惡性循環。其二是單車智能的運算力不足以針對道路的所有突發情況，例如：圖像采集時的光照影響面目識別;表情姿態會影響陰影進而影響識別率;采集的人臉圖像不完整影響后面的特征提取與識別;對不同年齡段的算法識別率也不同;對于分辨率低/噪聲大/質量差的人臉圖像難以識別;隨著大規模人臉識別與數據庫規模的增長，人臉算法的性能下降，以及在這個過程中要處理的海量數據等種種問題，單車智能的計算力和控制力顯著不足。而且，對于尚未解決的單車感知最后5%的長尾問題：受車端傳感器安裝位置、探測距離、視場角、數據吞吐、標定精度、時間同步等限制，車輛在極端環境與復雜交通時仍然難以徹底解決準確感知識別和高精度定位問題。這些問題會嚴重干擾自動駕駛車輛商業化的落地，而車路協同是解決這些問題的可能辦法。

4.車路協同（V2X）的優勢

為解決上述問題，車路協同（V2X）可以將車體作為整個車與車、車與路、車與人的循環中的一環，彌補單個車輛的不足，把車、路、人的信息交互化為車輛的“視覺”，這可大幅減少車輛的成本、填補單個車輛視角盲區，彌合技術缺陷等。

2021年12月30日，由中國汽車工程學會等共同主辦的第3屆國際汽車智能共享出行大會上，高新興智能網聯副總經理李大成表示：V2X技術可以從直接信息來源、超視距通信、不同時間空間檢測、高效交互協作等方面對自動駕駛進行賦能。例如，車路協同系統可綜合天氣、交通狀況、路面狀況等因素為無人快遞車規劃最優路線，保障貨物安全、精確地到達。規劃路線時也可實時錄入因為城市綠化、暫時事故引起的微小道路變化，確保行車安全。車聯網的應用從道路安全類、交通效率類、信息服務類等基本應用向智慧交通、自動駕駛等增強應用演進，滿足多樣化的通信性能需求。在基本應用中，道路安全類對通信性能要求最高，以高頻度、低時延、高可靠為主要需求，而日益發展完善的5G可依靠高速率、超高可靠性和低延時的優點可以滿足V2X的應用需求。

更全面的體系，可在人車鏈接方面針對無信號燈、事故多發的人行道口開發智慧斑馬線。將行人、機動車的信息匯總給機動車，提醒車主降速并提高注意力，并在路口亮起信號燈提醒人群躲避。針對惡劣天氣造成的路面損傷、信號牌的模糊遮掩、大車相撞，可通過車路協同系統提醒車主，結合紅綠燈倒計時與車輛行駛情況給與車主合適的駕駛建議，從而減少制動造成的能量損耗。

針對變道、專用車道、特殊車輛（如警車）的優先行駛需求，可基于機器學習與人工智能算法來制定區域通行最優辦法，或將特殊情況即時匯報到醫院、交警、保險公司和搶險救援單位等。

5.目前車聯網及車路協同（V2X）方面待解決的問題及支持政策

車聯網的概念源于物聯網，即車輛物聯網，是以行駛中的車輛為信息感知對象，借助新一代信息通信技術，實現車與X（即車與車、人、路、服務平臺）之間的網絡連接。

車聯網通過整合GPS導航技術、車對車交流技術（車路協同（V2X））、無線通信及遠程感應技術奠定了新的汽車技術發展方向，包括提升車輛的智能駕駛水平，為用戶提供安全、舒適、智能、高效的駕駛感受與交通服務，同時提高交通運行效率，提升交通的社會服務的水平。

從技術層面來看，目前車聯網通信技術標準主要有2大類：DSRC（即IEEE802.11p）標準、蜂窩車聯網（C-V2X）標準。DSRC（IEEE802.11p）標準是在IEEE802.11標準基礎上增強設計的V2X無線接入技術標準，支持V2X直通通信，在車輛相對密集時延遲高、魯棒性低。其中，蜂窩移動通信（如4GLTE和5G）范圍廣、容量大、強度高，適應遠程通信，但無法勝任點對點、點對多點的通信任務，也就是說，單一通信制式無法滿足車聯網通信需求，而需要多種技術的混合應用。

從實踐來看，近年車路協同技術得到了長足進步（如圖3所示），但仍有3個待解決的問題：一是車路協同通信的國家標準仍未制訂;二是車路協同在中外的發展仍停留在理論研究、實驗測驗與局部商用的階段，并未大幅度商用、民用，有待提升技術及應用水平;三是信息安全問題，車路協同意味著可以掌握所有路徑上的信息，對這種信息還沒有得到安全上的保障。

近年來，國家有關政策為車聯網以及包括智能輔助駕駛汽車、自動駕駛汽車在內的智能汽車及智能網聯汽車的發展指明了方向。2015年，國務院印發的《中國制造2025》指出：到2020年要掌握智能輔助駕駛總體技術及各項關鍵技術，到2025年要掌握自動駕駛總體技術及各項關鍵技術。2017年工信部、發改委、科技部聯合印發的《汽車產業中長期發展規劃》指出：加大智能網聯汽車關鍵技術攻關，重點攻克環境感知、智能決策、協同控制等核心關鍵技術。開展智能網聯汽車示范推廣，分階段、有步驟推進智能網聯汽車應用示范;探索適合中國國情、多領域聯動的智能網聯汽車創新發展模式。2020年2月10日，國家發改委等11部門聯合發布的《智能汽車創新發展戰略》提出：到2025年，車用無線通信網絡（LTE-V2X）實現區域覆蓋，新一代車用無線通信網絡（5G-V2X）在部分城市、高速公路逐步開展應用，高精度時空基準服務網絡實現全覆蓋。2020年2月，國家發改委等23部門發布的《關于促進消費擴容提質，加快形成強大國內市場的實施意見》提出：推動車聯網部署應用。2020年3月，工信部發出《關于推動5G+車聯網加速發展的通知》。等等。