車聯網技術在智慧道路建設中的應用

石 鵬,毛少東

（華昕設計集團有限公司,江蘇 無錫 214026）

0 引言

近年來，隨著我國經濟的不斷發展，汽車保有量不斷增加，車輛對道路造成的壓力也隨之增加。社會交通運輸行業的快速發展、汽車工業的不斷發展和進步、信息技術及移動互聯網等技術的廣泛應用，促進了新一代移動通信與車載電子系統（Vehicle & Electronics System）技術在車載電子系統中得到了廣泛應用與普及。在此背景下，車聯網技術應運而生并得到迅速發展。車聯網是指基于移動通信、互聯網等技術的一種新型車輛交通信息服務系統。作為利用計算機網絡技術與傳統車輛交通信息服務相結合而形成的一種新業態，車聯網是當前最具發展前景的一項先進、實用、靈活、便捷的新型通信信息服務技術體系。

1 車聯網及其發展現狀

1.1 車聯網含義和特征

車聯網即車輛物聯網，是一個由汽車信息、通信技術、互聯網等組成的交互式網絡系統。通過車聯網技術，可以有效地提高車輛的智能駕駛性能，改善車輛的乘坐體驗，保證車輛的安全，并提高車輛的使用效率。車聯網的特點如下：①保證安全。通過車聯網，可以實現對周圍環境、狀態等信息的收集，為車輛的交通安全提供預警和保障，從而減少交通事故的發生。②改善運輸的效能。車聯網能夠實現對車輛的實時導航，并對車輛的網絡進行分析，確定最優行駛路徑，從而達到提高車輛行駛速度的目的。③實施智能化的控制（sensor）。車聯網技術是將傳感技術、無線通信技術和智能信息技術結合起來，使車輛管理、決策、控制成為可能[1]。

1.2 車聯網的發展現狀

美國聯邦通訊委員會在2019年12月為C-V2X提供了一個20 MHz的頻帶，以促進C-V2X的發展；日本在2019年通過了《道路運輸車輛法》的修正案，并著手對使用C-V2X進行頻次分配的可行性進行了研究；歐洲理事會還在2019年3月宣布，將在車輛、交通標志和高速公路上安裝與聯網有關的設備。

無錫于2017年9月建設第一個以LTE-V2X為基礎的十字路口信號燈和交通影像推送試驗場地，覆蓋無錫太湖會展中心周圍3.7 km的開放路段6個交叉路口，包括9個V2I場景、3個V2V場景。

2019年5 月，首個國家級車聯網先導區——江蘇（無錫）車聯網先導區揭牌，打造全球規模最大的城市級C-V2X網絡，涉及618個點段數字化改造，覆蓋面積350 km2，應用場景包含特種車輛優先通行、交通信號上圖等40余項。首創“一中心三平臺”架構，全面打通交管、車輛、出行服務等領域的橫向數據交互，形成國內最齊全、最完備的交管信息接入；突破車聯網核心關鍵技術，全球首次規模實現“人、車、路、網、云”數據的高效互聯互通。

2021年5 月，無錫與北京、上海、廣州、武漢、長沙等城市共同成為住建部和工信部組織的智慧城市基礎設施建設與智能網聯汽車協同發展首批試點城市。數字化基礎設施將更廣泛地布局、提供更精準的服務、更大力度支持車聯網（智能網聯汽車）產業的發展。而車聯網（智能網聯汽車）作為交通大數據的來源，也將成為智慧城市生長的動力來源。

2 車聯網的體系結構

2.1 感知層

感知層是車聯網系統中最基本的功能單元，能夠將道路環境、車輛和行人等交通信息通過網絡實時傳送給用戶，從而實現對交通狀態和行駛狀況的全面感知。感知層包括了車載終端（車載設備）和通信基站（通信網絡單元）兩個部分。車載終端即車載無線通信設備，可以是一部或多部具有獨立功能的汽車，如汽車音響、GPS定位等，也可以是多臺具有相同功能的車輛，如手機、平板電腦等。在不同類型的車聯網系統中（如智能移動網關系統）其硬件架構和軟件架構也有所不同。感知層實現了車聯網中交通狀態、道路狀況、行人信息的實時采集功能，為車聯網通信網絡提供實時數據服務[2]。

2.2 網絡層

車聯網的網絡層主要包括移動網絡和固定網絡。移動通信網絡，由于車輛的移動性，因此其使用范圍相對固定，一般用于移動互聯網應用等高速數據傳輸服務。固定通信網絡，是指由車載終端與互聯網連接而形成的局域網連接，可用于對信息進行采集、存儲、轉發等服務。

2.3 應用層

在車聯網中，應用層可以針對不同的用戶需要，為其提供不同的應用功能。該系統根據車路協作信息，實現自動駕駛、車載娛樂、遠程監控、應急救助等功能，以及汽車自動駕駛等實用技術。

3 智慧道路分級

3.1 分級原則

依據智慧道路的基礎設施、通信設施、感知與計算基礎設施的構成和設施的數字化、信息化、智能化水平，以及支持的應用場景類別等要素進行能力等級劃分，劃分為基礎智能網聯道路、中級智能網聯道路、高級智能網聯道路。

3.2 等級劃分要素

基于以下要素對智能網聯道路等級進行劃分：

（1）是否部署符合相關行業需求的道路基礎設施，設施至少包括：交通標志標線、交通信號控制、交通運行狀態監測、交通違法行為監測等設施。

（2）是否具備聯網及信息交互能力，交互信息至少包括：設備基本屬性信息、靜態信息和動態運行信息。

（3）是否具備感知、全域交通信息采集和感知融合能力，設施至少包括道路基礎狀態監測、氣象環境監測、道路橋梁檢測、交通事件檢測等設施，感知融合信息應能支撐車路協同信息服務應用。

（4）是否具備高精度的全域信息采集和數據融合感知能力，設施至少包括高精度的定位設備、路側感知設備、路側計算單元；高精度信息至少包括道路全息信息、車輛運行信息、交通事件信息，應能支撐輔助駕駛、自動駕駛功能以及高精度的車路協同信息服務應用[3]。

3.3 基礎智能網聯道路

基礎智能網聯道路設施應滿足對應行業的基本智能化需求，并能獨立接入各行業專用平臺，部署交通標志標線、交通信號控制設備、交通運行狀態監測設施、交通違法行為監測設施等，通過公網或行業專網，獲取道路的監控視頻，采集道路交通流量等數據，滿足相關部門管理和服務的需求。

3.4 中級智能網聯道路

中級智能網聯道路在基礎智能網聯道路基礎上支持全域交通信息采集和感知融合，可提供車路協同和支撐精細化行業管理的信息服務能力。部署道路基礎狀態監測、氣象環境監測、道路橋梁監測、交通事件檢測等設施，通過基于移動蜂窩網絡的車用無線通信技術直連通信或蜂窩通信，獲取道路信息、交通參與者、交通事件等靜態與動態信息，支持安全類、效率類車路協同應用；車聯網應用服務平臺匯聚路側融合感知數據，對行業平臺提供開放服務，通過信息發布、交通出行誘導、事件預警、行駛安全輔助信息實時傳輸推送等，實現路網均衡暢通，

提高交通安全系數。

3.5 高級智能網聯道路

高級智能網聯道路在中級智能網聯道路基礎上支持高精度的全域信息采集和數據融合感知能力，可提供全天候、高可靠、全方位的路網服務及監管能力，部署高精度的定位、感知、路側計算單元等設施，獲取道路全息信息，以及精準的交通參與者、交通事件等靜態與動態信息，支持面向自動駕駛車輛的協同決策、調度和控制。車聯網應用服務平臺對行業平臺提供開放服務，支持城市數字孿生、道路智慧養護、智慧城管等涉及城市數字化治理的各類應用[4]。

4 車聯網技術在城市道路的主要應用場景

4.1 綠波車速引導

采用雷達、視頻等感知設備，實現高精度全天候數據采集及車聯網數據融合，為路口信號配時、動態綠波控制、信號數據實時推送提供基礎數據支撐。

4.2 交叉口碰撞預警

當車輛駛向交叉路口時，駕駛員的視線可能被路口的障礙物或車輛右側盲區阻擋，使得車輛駕駛員無法對當前路口左側或者右側駛向路口的車輛作出判斷時，特別容易出現碰撞事故。利用視頻檢測設備、毫米波雷達、激光雷達、MEC、RSU等感知計算設備，在主車行駛過程中，與側向行駛的遠車存在碰撞危險時，碰撞預警應用將對主車駕駛員進行預警，避免或減輕側向碰撞，提高通行安全[5]。

4.3 路段行人過街預警

部分路段行人過街因橋墩、綠化遮擋，導致視線不良，尤其在夜間光環境較差，容易引發交通事故。感知設備檢測出行人或者非機動車的過街信息，通過RSU廣播給周圍的車輛，車載OBU根據該車的位置、速度等信息計算出碰撞可能并及時預警。

4.4 協作式優先車輛通行

無錫現有公交專用道僅109 km，約占干道路網總量的7.8%。老城區內部及對外放射走廊嚴重缺乏公交專用道，導致公交運行速度和效率難以保障。設置公交優先信號管理系統，時空聯動促暢通；遠距離RFID可以準確判斷來車身份，使綠燈在公交到達路口或到達路口后等候不長的時間內開啟，從而保證公交車的優先通過，又最低程度減輕對其他車輛的影響。

4.5 匝道匯入預警

匝道匯入是一個間隙選擇的過程，不同的駕駛員對安全間隙的判斷存在差異，導致合流處突然加減速，影響安全，降低運行效率。當前無錫內環擁堵指數居高不下，其中最主要的就是分合流交織段。因此，可以通過匝道匯入預警智能路側單元利用傳感器感知匝道（輔道）上的車輛并對其進行識別和跟蹤。根據碰撞安全預警模型判斷碰撞可能，給駕駛員一個安全匯入的信息，一旦存在碰撞危險，便根據預警規則及時給予駕駛員主動預警[6]。

4.6 自動泊車

目前，城市停車難、充電難是困擾居民的主要問題，而智能停車管理系統則是一種有效的停車方式。①停車場探測裝置。車位探測系統是利用監控、磁力等傳感器，實現對車位狀況和停車信息的實時感知，并將其傳輸到鄰近的RSU，然后向周圍的車輛進行廣播。其具體功能包括停車場空余車位識別、空余車位導航等。②停車場導向系統。該系統可以根據停車場和充電樁的位置信息，預先規劃道路，從而有效地提升停車和充電的效率。利用攝像機或磁力探測停車場中的可用停車位，并結合已配置的充電站狀態信息，由控制器向鄰近的RSU通過廣播傳送信息[7]。

5 設施部署

5.1 基礎智能網聯道路設施部署架構

基礎智能網聯道路設施部署架構圖見圖1，基礎智能網聯道路設施構成包含智能化基礎設施、通信設施（公網及行業專網）。智能化基礎設施包含交通標志標線、交通信號控制、交通運行狀態監測、交通違法行為監測等設施。基礎智能網聯道路宜配套行業專用平臺（公安平臺、交通平臺等）[8]。

圖1 基礎智能網聯道路設施部署架構圖

5.2 中級智能網聯道路設施部署架構

在基礎智能網聯道路基礎上，中級智能網聯道路基礎設施應包含車路協同感知與計算基礎設施（部署在路側的由路側感知設備及路側計算單元所組成的用于對道路交通參與者、交通事件和交通運行狀況等進行實時監測的設施）、通信設施（路側通信單元）。中級智能網聯道路宜配套行業專用平臺和車聯網應用服務平臺（服務于車路協同業務的平臺系統，具有實時信息融合與共享、實時計算編排、智能應用編排、大數據分析、信息安全等基礎服務能力，可為智能網聯汽車、管理及服務機構、終端用戶提供輔助駕駛、自動駕駛、交通運輸安全、交通管理等協同應用和數據服務）[9]。

5.3 高級智能網聯道路設施部署架構

在中級智能網聯道路基礎上，高級智能網聯道路基礎設施應包含更高性能的車路協同感知與計算基礎設施。高級智能網聯道路宜配套行業專用平臺、車聯網應用服務平臺和第三方應用服務平臺（車企平臺、地圖平臺、定位服務平臺等）[10]。

6 結語

總而言之，智能交通是城市基礎建設中的一個關鍵環節，其與城市交通、城市建設管理與運營管理緊密聯系，對提高城市交通智能化水平、信息化水平和5G技術的發展具有積極意義。并且其還能夠有效地緩解城市交通擁堵，保障交通安全，提高交通運輸的效率，實現公交優先，節能減排，保護城市環境，滿足人們對機動車的共享化、智能化的要求。同時，將智能網絡技術和市政工程管理有機地融合在一起，可以提高管理的智能化程度，提高管理效益，降低管理成本。