車路協同技術在城市交通中的應用研究

金紹晨

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092]

0 引 言

城市建設，交通先行，交通是城市經濟發展的動脈，智慧交通更是智慧城市建設的重要構成部分。智慧交通能助力緩解交通擁堵，改善城市交通狀況，發揮最大城市交通效能，建設車路協同運行的新一代綜合交通運行協調體系，提高城市交通系統的整體運行效率，在智慧城市建設浪潮中發揮著非常重要的作用[1-2]。2019 年9 月，黨中央國務院發布《交通強國建設綱要》，明確提出：我國要從交通大國向交通強國邁進，要大力發展智慧交通，推動大數據、互聯網、人工智能、區塊鏈、超級計算等新技術與交通行業深度融合；推進數據資源賦能交通發展，加速交通基礎設施網、運輸服務網、能源網與信息網絡融合發展，構建先進的交通信息基礎設施。

1 車路協同技術概述

車路協同系統（Intelligent Vehicle Infrastructure Cooperation System，IVICS）是基于無線通信、傳感探測等技術獲取車輛和環境信息，通過車車、車路通信進行信息交互和共享，實現車輛和基礎設施之間智能協同與配合，達到優化利用系統資源、提高道路安全、緩解交通擁堵的目標[3]。

環境信息和車輛信息的采集與處理，涉及道路邊界檢測、車輛檢測、行人檢測等多項技術，可認為是一種先進的傳感器技術，所采用的傳感器包括激光雷達、攝像頭、毫米波雷達、超聲波雷達、速度和加速度傳感器等。由于單一傳感器存在感知的局限性，不能滿足各種工況下的精確感知，車路協同系統要實現在各種環境下平穩運行，就需要運用多傳感器融合技術，該技術也是感知層的關鍵技術。

依據感知信息來進行決策判斷，確定適當工作模型，制定相應控制策略，替代或提示駕駛員做出駕駛決策。例如：在車道保持、車道偏離預警、車距保持、障礙物警告等系統中，需要預測本車及相遇的其他車輛、車道、行人等在未來一段時間內的狀態。先進的決策理論包括模糊推理、強化學習、神經網絡和貝葉斯網絡等[4]。

2 車路協同在城市交通系統應用的實現途徑

以車路協同技術為核心，從車、路、邊、網、云等方面展開，實現基于車路協同技術的智能交通綜合應用，如圖1 所示。

圖1 車路協同系統架構圖

2.1 車端

針對L4 級以上自動駕駛車輛、L2 至L3 級智能網聯車，L0 至L2 級存量車，分別采用軟、硬終端車機（新增車機/原有車機/車輛智能服務終端/ 導航/ 小程序/移動APP）等形式實現車輛數字化。

智能車載終端的加裝主要實現與車輛運行系統和車端顯示系統的對接，智能車載終端一方面獲取自動駕駛車輛運行狀態信息，另一方面通過車車/ 車路交互技術獲取周邊動態目標信息、邏輯地圖信息、道路基礎設施信息、交通事件信息和路側安全信息等。在輔助駕駛層面，智能車載終端基于上述信息進行內置智能應用計算，進而提供安全輔助、通行引導和信息服務；在自動駕駛方面，智能車載終端通過對接自動駕駛決策系統提供上述感知信息，為車輛決策提供信息支撐；在智慧管理方面，智能車載終端實時上傳自動駕駛車輛運行信息并接收中心平臺下發指令，實現管理者對智能車輛的遠程跟蹤與管理。

2.2 路端

智能路側單元主要包含路側感知設備和路側通信單元（RSU）。

路側感知設備主要包含激光雷達、毫米波雷達、攝像機等智能感知設備，以及智能交通信號系統、定位系統、智慧公交站臺系統、智能人行橫道系統、智能信息牌等。通過上述各類傳感器及智能設施能夠實現交通事件的實時感知。

車路通信主要通過在路側通信單元（RSU），與智能網聯車輛或其他車載智能終端建立直接的通信連接來實現。RSU 由交互單元和控制單元組成，實現車路協同系統路側設施與車輛的信息交互及通信管理與安全認證。RSU 可向車輛播發路網基本信息、交通控制信息、交通事件信息等，同時可通過車載終端采集車輛速度、軌跡等信息。

2.3 邊端

邊緣計算設備（MEC）是車路協同路側設備的核心運算中樞，其中事件分析邊緣節點為GPU 架構，負責對接入的視頻和雷達數據進行結構化分析，判斷與識別影響交通安全運行的隱患事件。

邊緣計算設備（MEC），對接路側設備，對道路機、非、人等信息感知采集，邊緣計算設備對雷達、攝像頭感知到的視頻、數據進行實時分析處理，并上傳到云端進行分析研判，快速廣播發布給對應車輛，提供伴隨式交通信息服務，并對基于MEC 的C-V2X場景進行分析；負責為所對接的路側設備、經RSU 接入的車載終端進行身份認證及安全管理，同時動態分配通信資源，與路側北斗/GPS 連續運行基站系統進行對接和數據交換，對接入設備的檢測結果進行標定，關聯事件與事件坐標，此外還可對路側可變情報板、交通信號機等設備進行協議轉化與信號控制。

2.4 網端

通過車路協同系統運行區域5G 網絡或建設ITS專網，滿足智能車輛、感知設備、邊緣計算、云端平臺等的網聯通信需求，全面支持車聯網應用V2X 建設、信息發布、信息采集等服務。

2.5 云端

智能網聯云控應用平臺系統是車路協同系統方案的中樞部分，平臺根據實際應用需求，可結合實際系統功能建設劃分功能模塊，如智能網聯基礎設施、智能網聯自動泊車系統（AVP）、智能網聯公交、沿線智能網聯測試車輛服務、功能場景服務等。

云控平臺實時獲取海量車輛運行數據、路側感知數據以及交通系統數據，實現對車路協同系統的中心化管理，支撐智能網聯基礎設施建設區域交通狀態實時展現、交通狀態大數據分析、交通管控等各項功能，實現區域管控智能化、網聯化、精細化。此外平臺可提供基于車路協同的數據服務，為交通管理決策、自動駕駛平臺提供數據支撐。

3 車路協同技術典型應用場景研究

3.1 自動泊車系統

在城市，困擾人們最多的是停車難、充電難的問題，具有網聯功能的智能停車管理系統，能夠實現高效停車。

（1）車位檢測系統

車位檢測系統是通過在停車位部署攝像頭或地磁等感知設備，對車位狀態信息及停車信息實時感知，并通過控制機將信息發送給部署在附近的RSU，再廣播給附近的車輛。具體的功能主要有停車場空余車位識別、停車場空余車位路徑引導等。

（2）可用車位引導系統

系統通過發送停車場的車位及充電樁信息并提前規劃路徑，提高充電與停車效率。通過攝像頭或地磁對停車場內的可用車位進行檢測，同時結合部署在停車場內的充電樁狀態信息，將可用車位及可用充電樁的位置信息通過控制機將信息發送給部署在附近的RSU，再廣播給附近的車輛，如圖2 所示。

圖2 AVP 系統布設示意圖

（3）智能收費系統

車輛離開泊位時，繳費系統自動生成繳費信息，支持無感支付，手機APP 客戶端支付，跟綜繳費信息，同時生成歷史繳費記錄。

3.2 自動駕駛公交系統

自動駕駛公交功能包括智能網聯高級輔助駕駛、路口網聯安全預警系統（盲區檢測預警系統）、智能網聯協同信號車速引導系統、AI 智慧公交狀態及網聯信息共享發布系統、AI 智慧網聯公交乘客體驗系統等增值保障服務功能。

（1）站臺占用檢測系統

車站占用檢測系統基于路側感知系統與V2I 信息交互系統，實現對車站停靠區域的行人、非機動車等闖入目標進行檢測，并對即將進站的車輛告警，進行減速和避讓，如圖3 所示。

圖3 V2X 站臺占用檢測系統示意圖

（2）智慧公交網聯安全預警系統

通過部署智能路側終端、網聯式微波雷達檢測器、網聯式視頻事件檢測器和AI 交通信號感知終端等設備和相應配套軟件，實現對運動目標（行人、機動車輛、非機動車輛）進行目標跟蹤與軌跡研判等監管、學習及獲取交通信號燈的狀態信息推送給智能路側RSU，同時推送給網聯公交車輛，為駕駛員提供安全預警。主要實現場景包括限速預警、盲區預警、濕滑預警、異常事件預警、車內標牌提醒、交叉口碰撞預警、公交優先通行、綠波車速引導等。

（3）綠波車速引導系統

智能網聯公交車途經部署智能路側系統的信號燈交叉口時，能夠實時獲取信號燈的相位及配時信息，并結合自車位置、運行狀態及交叉口位置信息計算能夠使車輛在綠燈狀態下通過交叉口的速度區間，通過車載顯示裝置或手持終端APP 實時顯示引導速度，輔助駕駛員調整車輛速度實現不停車通過信號燈交叉口。必要時，智能網聯公交車安裝的智能車載終端可實時向智能路側系統廣播自車靠近信息，智能路側系統可主動控制紅綠燈信號機對信號燈配時進行調整，必要時通過紅燈早斷或綠燈延長的方式保證公交車到達信號燈交叉口時信號燈為綠燈，實現面向智能網聯公交的信號優先。

3.3 車道級網聯誘導信息發布系統

車道級誘導系統為自動駕駛車輛、非自動駕駛車輛以及其他交通參與者提供信息提示功能，包括發布交通狀態信息、提供變道提示、超速預警信息、弱勢交通參與者預警信息等。除網聯車輛外，智慧道路提示系統可為非網聯車輛及其他交通參與者提供交通信息共享和發布，實現全路段全范圍的預警信息提醒、交通事件提醒等功能。

（1）車道級交通事故提醒功能

因道路交通事故導致正常行駛的車道數減少，造成局部路段瓶頸，引發交通擁堵或二次事故。通過智慧車道級網聯信息系統，利用路側感知設備，精準獲取發生交通事故的車道位置，并通過通信網絡將事故信息及車道信息實時發布到車道級顯示屏、車載終端，提醒交通參與者提前減速或變道，減小交通擁堵程度，避免二次事故發生。

（2）車道級道路異常提醒功能

車輛未能及時獲取前方道路異常信息，往往是引發交通事故、造成交通擁堵的重要原因。基于路側感知系統，實現對道路異常事件的識別，與智慧車道級網聯信息系統聯動，及時發布精準的道路異常信息，包含位置信息、事件信息等，為交通參與者提前決策提供支撐，減少或避免交通事故發生，降低交通擁堵程度。

（3）動態潮汐車道與可變限速系統

動態潮汐車道與可變限速系統根據城市交通實時運行狀況實現潮汐車道與限速規則的動態調整、合理調配，動態分配路權、提升道路通行效率的同時，有效提升道路通行的安全性，實現交通時間、空間資源的最大化利用，如圖4 所示。

圖4 動態潮汐車道示意圖

系統通過網聯感知系統全息感知路網運行情況，根據道路早晚或是節假日交通流量的不同情況，動態劃分設置一個或多個車輛行駛方向規定隨不同時段變化的車道，車道限速規則隨交通運行狀態調整，通過路邊智能限速牌實現限速信息發布。

4 實例分析

4.1 項目簡介

2019 年12 月，住建部發布了《住房和城鄉建設部關于深化開展城市智慧汽車基礎設施和機制建設試點工作的函》決定在寧波、泉州、莆田、廣州、武漢和德清等六市深化開展試點工作。寧波市按照“互聯互通、場景豐富原則”，選擇杭州灣新區濱海新城12.8 km2、道路總長約36 km，為深化試點區域實現網聯道路網絡化運行、濱海新城全域覆蓋。

如圖5 所示，2021 年，實施濱海四路、濱海六路、濱海七路、金源大道、海墾路和越耕路等六條主、次干路，總計約10.3 km, 與前期智慧道路銜接，修建自動泊車（AVP）停車場1 處，采用道路路端全覆蓋的方法布設路側網聯設備和設施，提供網聯車（公交、環衛、L1 至L4、AVP）的測試條件；結合土建工程的具體建設情況，實施海墾路、玉海西路等兩條主、次干路，采用交叉口設置網聯設備、雙創大廈地下停車庫預留AVP 停車設備實施條件的方式，提供總計約5.0 km 開放測試道路及一處地下AVP 停車場，與前期已建智慧道路聯通成環。

圖5 項目總體布局圖

本文通過項目中自動駕駛公交系統的建設，闡述車路協同技術在城市交通中的典型應用場景。

4.2 自動駕駛公交系統

自動駕駛公交測試線路沿蘆汀路、濱海四路敷設，全長（雙向）約3 km，世紀城公交首末站收發車，新設三對路拋式公交站、利用一對已改建公交站，如圖6 所示。

圖6 自動駕駛公交測試線總體布局圖

建設智能公交車：部署自動駕駛接駁公交，實現自動駕駛功能及其相關車載網聯功能，實現L3 級自動駕駛（大巴）、L4 級自動駕駛（小巴），具備超級巡航、精確進站、交叉口通行輔助、換道超車、三點調頭、自動泊車等自動駕駛功能。

建設道路智能化：包括建設道路沿線智慧化系統（智能網聯C-V2X 通信系統）、智能網聯信息感知融合與傳輸系統、交叉路口智能網聯監管及安全預警系統、智能網聯公交交通信號綠波控制系統、特殊路段安全預警智能網聯系統、公交信號優先管理系統、車路協同管理系統、盲區監測管理系統。

典型應用系統簡介：

（1）安全預警系統

通過部署智能路側終端、網聯式V2X 微波雷達檢測器、網聯式V2X 視頻事件檢測器和AI 交通信號感知終端等設備和相應配套軟件，實現對運動目標（行人、機動車輛、非機動車輛）進行目標跟蹤與軌跡研判等監管、學習及獲取交通信號燈的狀態信息推送給智能路側RSU，同時推送給網聯公交車輛，為駕駛員提供安全預警。主要實現場景包括限速預警、盲區預警、濕滑預警、異常事件預警、車內標牌提醒、交叉口碰撞預警、公交優先通行、綠波車速引導等，如圖7 所示。

圖7 典型安全預警示意圖

（2）綠波車速引導系統

智能網聯公交車途徑部署了車路協同智能路側系統的信號燈交叉口時，能夠實時獲取信號燈的相位及配時信息，并結合自車位置、運行狀態及交叉口位置信息計算能夠使車輛在綠燈狀態下通過交叉口的速度區間，并通過車載顯示裝置或手持終端APP實時顯示引導速度，輔助駕駛員調整車輛速度實現不停車通過信號燈交叉口，如圖8 所示。

圖8 綠波車速引導系統示意圖

4.3 項目實際應用成效

該項目主要建設內容為城市智慧汽車基礎設施建設，為前期項目的延伸和深化，繼續深度融合車路協同、5G 等先進技術，推動城市未來出行方式以及交通管理方式的變革；進一步探索智慧城市動態和靜態信息整合，引領新型智慧城市新理念。同時推動創新實踐智慧汽車基礎設施建設，打造全國示范試點樣板，形成城市道路智能化建設可復制、可推廣的經驗。

5 結 語

智慧交通作為智慧城市公共設施及新基建的重要組成部分，將智能網聯技術與城市交通、城市建設管理和運維相結合，有利于提升城市交通智能化、信息化水平及5G 等技術的應用，解決城市交通擁堵、道路安全等問題，提升交通系統運行效率，實現公交優先、節能減排、保護城市環境，滿足人民群眾對汽車的共享化、智能化的要求；同時通過智能網聯技術與城市建設管理等相結合，也能夠提高城市建設管理智能化水平，提高管理效益、降低管理成本。