馬萬經(jīng)，郝若辰，戚新洲，俞春輝，王 玲

（同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804）

0 引言

智能網(wǎng)聯(lián)汽車已進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期，《中國(guó)制造2025》[1]將其列為重點(diǎn)發(fā)展方向之一：到2020 年掌握智能輔助駕駛總體技術(shù)及各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，初步建立智能網(wǎng)聯(lián)汽車自主研發(fā)體系及生產(chǎn)配套體系；到2025年掌握自動(dòng)駕駛總體技術(shù)及各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，建立較完善的智能網(wǎng)聯(lián)汽車自主研發(fā)體系、生產(chǎn)配套體系及產(chǎn)業(yè)群。智能網(wǎng)聯(lián)汽車的潛能需要結(jié)合一系列車路協(xié)同環(huán)境下的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)。這些應(yīng)用依據(jù)國(guó)標(biāo)分為信息服務(wù)類、安全類和效率類，現(xiàn)有應(yīng)用多集中在前兩類[2]，而研究多集中在效率類。例如，利用網(wǎng)聯(lián)車軌跡數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)優(yōu)化信號(hào)配時(shí)[3-4]，基于信號(hào)燈信息實(shí)現(xiàn)速度誘導(dǎo)[5-9]，或?qū)烧咄瑫r(shí)進(jìn)行優(yōu)化[10-12]。更有研究基于智能網(wǎng)聯(lián)車，提出車輛軌跡與信號(hào)配時(shí)協(xié)同優(yōu)化乃至無信號(hào)燈交叉口控制，提高交叉口時(shí)空資源的利用效率[13-17]。越來越多的前瞻性研究表明，車路協(xié)同環(huán)境為構(gòu)建新型的高效通行機(jī)制提供了技術(shù)基礎(chǔ)。在實(shí)際交通場(chǎng)景中，往往需要同時(shí)實(shí)現(xiàn)安全、效率、信息服務(wù)等多類應(yīng)用。而不同應(yīng)用對(duì)于系統(tǒng)框架的不同需求可能導(dǎo)致資源浪費(fèi)乃至沖突。在這樣的背景下，有必要梳理現(xiàn)有應(yīng)用及演進(jìn)方向，總結(jié)典型業(yè)務(wù)，以業(yè)務(wù)所含應(yīng)用的集成實(shí)現(xiàn)為目標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。然而，現(xiàn)有研究多面向獨(dú)立功能實(shí)現(xiàn)和獨(dú)立應(yīng)用實(shí)現(xiàn)的展示場(chǎng)景[18]，無法很好地解決資源浪費(fèi)和應(yīng)用沖突問題。本文基于實(shí)際交通管理需求和真實(shí)道路運(yùn)行場(chǎng)景進(jìn)行應(yīng)用的整合，以實(shí)際交通場(chǎng)景中的多應(yīng)用協(xié)作運(yùn)行為導(dǎo)向進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，建立一個(gè)可以適用于各類業(yè)務(wù)及其所含應(yīng)用的通用系統(tǒng)，避免不同應(yīng)用在真實(shí)道路上獨(dú)立部署可能出現(xiàn)的應(yīng)用指令級(jí)別沖突、信息流沖突以及基礎(chǔ)設(shè)施的浪費(fèi)。

1 車路協(xié)同應(yīng)用發(fā)展分析

智能網(wǎng)聯(lián)汽車為交通行業(yè)帶來了信息交互、交通感知和車輛軌跡控制等技術(shù)的變革?，F(xiàn)有國(guó)標(biāo)的17 項(xiàng)應(yīng)用中，安全類應(yīng)用達(dá)13 項(xiàng)[2]。目前為止，國(guó)內(nèi)以中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)、中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)、車載信息服務(wù)聯(lián)盟、未來移動(dòng)通信論壇為主要的研究平臺(tái)，國(guó)際上以ETSI-SAE,3GPP,5GAA 為主的研究組織，關(guān)注的應(yīng)用主要都集中在安全方面。原因主要有兩點(diǎn)：

（1）技術(shù)難度?，F(xiàn)有的通信技術(shù)已能滿足安全出行應(yīng)用對(duì)通信的可靠性和頻率要求，而效率類應(yīng)用還對(duì)車輛控制技術(shù)和跨平臺(tái)信息集成技術(shù)提出了更高要求。

（2）市場(chǎng)接受度。安全問題是市場(chǎng)的痛點(diǎn)，而現(xiàn)有安全類應(yīng)用主要依托信息發(fā)布手段，開發(fā)周期短，是合理的市場(chǎng)切入點(diǎn)。因此，車路協(xié)同環(huán)境下的交通業(yè)務(wù)服務(wù)系統(tǒng)應(yīng)先以信息服務(wù)類應(yīng)用為依托，以安全出行類應(yīng)用為突破口，建立明確的市場(chǎng)和堅(jiān)實(shí)的通信技術(shù)基礎(chǔ)。而后，通過不斷豐富安全類、效率類和信息服務(wù)類應(yīng)用，進(jìn)一步完善該服務(wù)系統(tǒng)。隨著通信技術(shù)和車輛控制技術(shù)的提高，安全類、效率類和信息服務(wù)類應(yīng)用將朝個(gè)體定制化、精細(xì)化、高效化的方向演進(jìn)，如圖1 所示。其中，將演進(jìn)分為共性演進(jìn)方向和個(gè)性演進(jìn)方向：個(gè)性演進(jìn)方向指某些應(yīng)用的特定演進(jìn)；共性演進(jìn)方向指該種演進(jìn)可以全方位提升各類應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)效果，如車輛可控性的增加以及通信環(huán)境的增強(qiáng)等。目前學(xué)界提出的個(gè)性演進(jìn)方向主要包括編隊(duì)管理、交通管理、收費(fèi)策略、停車管理等，如IEEE 世界交通大會(huì)主席Urbano J.Nunes 總結(jié)提出的框架等[19]。從總體上看提升效率的業(yè)務(wù)將逐漸增加，從個(gè)性上看，安全和效率提升都會(huì)向精細(xì)化方向發(fā)展，信息服務(wù)業(yè)則繼續(xù)作為其他業(yè)務(wù)的載體并實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)信息發(fā)布業(yè)務(wù)。

圖1 現(xiàn)有熱點(diǎn)應(yīng)用及演進(jìn)

隨著圖1 中應(yīng)用的成熟，同一場(chǎng)景中會(huì)并存若干應(yīng)用。例如，在高速公路管理中，當(dāng)出現(xiàn)故障車輛時(shí)，異常車輛提醒、前向碰撞預(yù)警、緊急制動(dòng)預(yù)警、調(diào)節(jié)宏觀交通流速度差的限速預(yù)警、擁堵提醒等都可能會(huì)被同步觸發(fā)。由此可見，應(yīng)用會(huì)在實(shí)踐中依托場(chǎng)景、事件逐步演進(jìn)為集安全、效率、信息發(fā)布為一體的多應(yīng)用集成業(yè)務(wù)。本文在現(xiàn)有應(yīng)用和演進(jìn)方向的基礎(chǔ)上，整合需求場(chǎng)景和各類應(yīng)用得到14個(gè)集成業(yè)務(wù)，如表1所示。

圖1 中所有業(yè)務(wù)所含應(yīng)用在表1中每個(gè)業(yè)務(wù)最后一列都有所體現(xiàn)，涵蓋了全部子應(yīng)用及演進(jìn)方向（子應(yīng)用及演進(jìn)方向編號(hào)見圖1），應(yīng)當(dāng)注意的是，共性演進(jìn)方向并未在表中標(biāo)出，而是將其作為總體背景進(jìn)行考慮。一方面，這些集成業(yè)務(wù)是基于現(xiàn)有應(yīng)用及演進(jìn)方向提出的，另一方面，集成業(yè)務(wù)基本涵蓋了現(xiàn)有道路交通環(huán)境場(chǎng)景。如純安全方面應(yīng)用，公路上考慮交通流狀態(tài)變化時(shí)的安全問題，城市道路主要考慮慢行交通安全；效率應(yīng)用則多由原安全應(yīng)用發(fā)展而來，在保證安全的前提下對(duì)效率進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化，公路上的效率應(yīng)用中，考慮瓶頸點(diǎn)控制、正常路段編隊(duì)行駛、特殊車輛行駛需求，城市道路的效率應(yīng)用中，考慮更為全局化和個(gè)性化的瓶頸點(diǎn)控制與優(yōu)化、路段的動(dòng)態(tài)化和精細(xì)化管理以及公交專用道的使用，另外還考慮了停車問題；信息服務(wù)方面綜合考慮各層次信息，為社會(huì)車輛、電動(dòng)車輛乃至個(gè)體出行者提供必要的出行信息和方案?？傊?，集成業(yè)務(wù)表涵蓋了連續(xù)流路段、連續(xù)流匝道、間斷流路段、交叉口等主要交通場(chǎng)景和慢行交通、駕駛員、公眾等主要交通參與者，實(shí)現(xiàn)了基本場(chǎng)景、現(xiàn)有應(yīng)用及演進(jìn)的全覆蓋。本部分將此集成業(yè)務(wù)體系作為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)和目標(biāo)。

表1 車路協(xié)同環(huán)境下交通業(yè)務(wù)總結(jié)

表1 （續(xù)）

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

交通業(yè)務(wù)服務(wù)系統(tǒng)由云端、路側(cè)端和車載端三部分組成。路側(cè)端與車載端通過LTE-V-Direct/5G-Direct 通信連接；路側(cè)端與云端通過LTECell/5G-Cell通信或有線通信連接；車載端與云端通過LTE-Cell/5G-Cell 通信連接。云端接收、處理和發(fā)送區(qū)域級(jí)服務(wù)及管控誘導(dǎo)信息，可通過LTE-Cell/5G-Cell 通信發(fā)送給車輛，也可根據(jù)路側(cè)端上報(bào)的交通狀態(tài)等信息生成區(qū)域初步指令并發(fā)送給路側(cè)。路側(cè)端結(jié)合檢測(cè)器、車載端和云端信息制訂和發(fā)布控制方案。車輛端整合車輛與環(huán)境各方面信息，提取并廣播自身狀態(tài)，同時(shí)匯總信息并給出駕駛引導(dǎo)，供駕駛員決策或?qū)⒖刂浦噶钕逻_(dá)給車輛控制器。車路協(xié)同環(huán)境下交通業(yè)務(wù)服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)見圖2。

圖2 車路協(xié)同環(huán)境下交通業(yè)務(wù)服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)圖

路側(cè)端與車載端的核心設(shè)備分別為路側(cè)控制單元和車載控制單元，也是本系統(tǒng)的核心設(shè)備。這兩個(gè)控制單元的系統(tǒng)定位在于：（1）路側(cè)單元連接云端、信號(hào)機(jī)和檢測(cè)器，承載各路側(cè)功能模塊算法；（2）車載單元承載各車載功能模塊算法，實(shí)現(xiàn)與道路周邊環(huán)境及駕駛員的交互。兩個(gè)核心設(shè)備具備通信功能，集成了大部分功能算法，是系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)的核心。在實(shí)現(xiàn)的功能中，諸如車隊(duì)管控、動(dòng)態(tài)限速等功能在部分實(shí)現(xiàn)環(huán)境中需要云端、路側(cè)單元和車載單元的協(xié)同合作。本文依據(jù)各單元扮演的角色，對(duì)功能的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行拆分并歸入各單元對(duì)應(yīng)的模塊中。云端根據(jù)車輛、路側(cè)單元提供的交通狀態(tài)信息進(jìn)行宏觀層面決策，并基于應(yīng)用執(zhí)行環(huán)境及要求將初步?jīng)Q策指令提供給路側(cè)單元或車載單元。路側(cè)單元結(jié)合控制路段內(nèi)交通情況，對(duì)初步?jīng)Q策指令進(jìn)行優(yōu)化和細(xì)化，轉(zhuǎn)化為可執(zhí)行指令或目標(biāo)指令（如車隊(duì)管控指令、個(gè)體控制指令、車速引導(dǎo)指令等），并提供給車輛。車載控制單元將收到的指令進(jìn)行匯總。考慮到收到的控制指令可能存在沖突，車輛將根據(jù)周邊環(huán)境信息及車輛行駛工況對(duì)控制指令進(jìn)行整合和細(xì)化，轉(zhuǎn)化為可執(zhí)行指令傳遞給車載控制器或駕駛員。若涉及車輛間協(xié)同指令，車輛需根據(jù)在車隊(duì)中的身份進(jìn)行指令的進(jìn)一步制定、發(fā)布及接收。

3 業(yè)務(wù)布局設(shè)計(jì)

前文表1 總結(jié)的集成業(yè)務(wù)涵蓋了圖1 所列的現(xiàn)有應(yīng)用及其演進(jìn)方向，故本系統(tǒng)可滿足現(xiàn)有應(yīng)用及其未來發(fā)展演進(jìn)乃至集成的兼容需求。圖2系統(tǒng)中的各功能模塊可以完整兼容表1 中的集成業(yè)務(wù)列表。各部分功能的實(shí)現(xiàn)以及各通信鏈路上傳輸?shù)男畔⑷绫? 所示。需要說明的是，系統(tǒng)框架可適用于純網(wǎng)聯(lián)和新型混合流環(huán)境，控制對(duì)象可包括網(wǎng)聯(lián)車及網(wǎng)聯(lián)自動(dòng)駕駛車。本系統(tǒng)框架主要關(guān)注業(yè)務(wù)功能的實(shí)現(xiàn)，不詳細(xì)探討各類應(yīng)用在不同交通環(huán)境和控制對(duì)象下的具體算法。

表2 車路協(xié)同環(huán)境下的業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)說明表

4 系統(tǒng)案例驗(yàn)證

本文重點(diǎn)測(cè)試車載控制單元及路側(cè)控制單元兩個(gè)核心設(shè)備與其他設(shè)備的聯(lián)通性和算法承載能力，包括車載單元功能和路側(cè)單元功能實(shí)現(xiàn)。選用碰撞預(yù)警和車速引導(dǎo)及信號(hào)優(yōu)先分別作為具有代表性的安全類和效率類樣例應(yīng)用。其中，車速引導(dǎo)及信號(hào)優(yōu)先應(yīng)用包含了車內(nèi)信號(hào)燈功能這一典型的信息服務(wù)類應(yīng)用。因此，本文的樣例應(yīng)用涵蓋了所有應(yīng)用種類。

4.1 功能架構(gòu)

車載控制單元實(shí)現(xiàn)的算法包括碰撞預(yù)警和車速引導(dǎo)。車輛碰撞預(yù)警的關(guān)鍵在于車輛距離判斷和沖突方位判斷。根據(jù)GPS 坐標(biāo)計(jì)算兩車輛間的直線距離，再根據(jù)車輛行駛方向確定是否沖突以及沖突時(shí)間、預(yù)警方向等關(guān)鍵要素。車速引導(dǎo)包含兩個(gè)層次：

（1）確定駕駛員車速引導(dǎo)區(qū)間。根據(jù)車輛至停止線距離和速度計(jì)算到達(dá)時(shí)間窗，確定與信號(hào)配時(shí)綠燈時(shí)間區(qū)間的交集，以此計(jì)算不停車通過的車速區(qū)間。

（2）確定面向生態(tài)駕駛的加速度曲線。借鑒現(xiàn)有研究[20]，將時(shí)間離散化，并假定車輛在每個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)以恒定加速度行駛（包括勻速行駛和停止?fàn)顟B(tài)）。以保障車輛在綠燈時(shí)間通過交叉口為約束，以車輛油耗最小為目標(biāo)，建立線性規(guī)劃模型，求解最優(yōu)的車輛加速度曲線。

路側(cè)控制單元實(shí)現(xiàn)的算法為信號(hào)優(yōu)先控制。路側(cè)單元接受車輛優(yōu)先請(qǐng)求并獲取車輛的實(shí)時(shí)位置、速度等信息，確定針對(duì)兩相位信號(hào)燈的信號(hào)優(yōu)先策略，包括紅燈早斷及綠燈延長(zhǎng)。本研究主要驗(yàn)證樣例應(yīng)用的系統(tǒng)可行性，故采用簡(jiǎn)單的絕對(duì)優(yōu)先策略，具體算法流程如圖3所示。

4.2 物理架構(gòu)

圖3 信號(hào)優(yōu)先算法流程圖

本系統(tǒng)依托國(guó)家智能網(wǎng)聯(lián)汽車（上海）試點(diǎn)示范區(qū)封閉測(cè)試區(qū)進(jìn)行系統(tǒng)集成測(cè)試。測(cè)試區(qū)配備有信號(hào)控制機(jī)及其控制的信號(hào)燈，信號(hào)控制機(jī)的信號(hào)配時(shí)方案可通過測(cè)試區(qū)的控制中心（云端）進(jìn)行遠(yuǎn)程修改。車載端包括車載通信單元與車載控制單元/人機(jī)交互設(shè)備。采用車載平板電腦作為車載控制單元/人機(jī)交互設(shè)備，開發(fā)實(shí)現(xiàn)樣例應(yīng)用算法。路側(cè)端包括路側(cè)通信單元和路側(cè)控制單元。采用小型工控機(jī)作為路側(cè)控制單元，開發(fā)實(shí)現(xiàn)樣例應(yīng)用算法。工控機(jī)與信號(hào)控制機(jī)通過網(wǎng)線連接，可依據(jù)通信協(xié)議修改信號(hào)控制方案。

系統(tǒng)物理架構(gòu)及信息流如圖4 所示。車載控制單元接受駕駛員的需求信息（如優(yōu)先請(qǐng)求），車載通信單元將需求信息和車輛狀態(tài)信息發(fā)送到路側(cè)通信單元。路側(cè)控制單元整合路側(cè)通信單元傳輸?shù)母鬈囕v信息優(yōu)化信號(hào)配時(shí)方案，并將優(yōu)化結(jié)果傳達(dá)給信號(hào)控制機(jī)。同時(shí)，信號(hào)配時(shí)信息會(huì)通過路側(cè)通信單元和車載通信單元發(fā)送給車載控制單元，車載控制單元進(jìn)一步通過UI界面實(shí)現(xiàn)車輛駕駛引導(dǎo)功能。

UI 界面設(shè)計(jì)如圖5 所示。左側(cè)為車速引導(dǎo)及信號(hào)優(yōu)先功能區(qū)，包括信號(hào)燈顯示、車速顯示、引導(dǎo)車速區(qū)間及曲線顯示。中間為車輛碰撞預(yù)警顯示區(qū)以及需求交互區(qū)，駕駛員可在該區(qū)域收到碰撞預(yù)警信息或發(fā)出優(yōu)先請(qǐng)求。右側(cè)區(qū)域?yàn)榈貓D區(qū)，駕駛員可以觀測(cè)到車輛實(shí)時(shí)位置及地圖信息。

圖4 案例系統(tǒng)物理架構(gòu)及信息流圖

圖5 UI界面設(shè)計(jì)

4.3 實(shí)現(xiàn)效果

系統(tǒng)測(cè)試效果良好。在碰撞預(yù)警測(cè)試中，當(dāng)車輛出現(xiàn)碰撞危險(xiǎn)時(shí)，會(huì)在沖突方位顯示紅色塊并發(fā)出聲音提醒。車身周圍共設(shè)計(jì)了8 個(gè)沖突方位，圖6為正前方的碰撞預(yù)警場(chǎng)景。

圖6 碰撞預(yù)警UI界面

在車速引導(dǎo)及信號(hào)優(yōu)先測(cè)試中，車速引導(dǎo)UI界面會(huì)顯示燈色、倒計(jì)時(shí)以及駕駛員引導(dǎo)車速，其中的綠色條形為不停車通過的車速區(qū)間，如圖7 所示。駕駛員通過調(diào)整車速將代表實(shí)際車速的白條移動(dòng)到綠色區(qū)間內(nèi)，即能不停車通過交叉口。UI 界面左側(cè)下方為更為精細(xì)的車速引導(dǎo)曲線，綠色曲線為計(jì)算出的最優(yōu)曲線，粉色曲線為實(shí)際行駛曲線。駕駛員可以通過UI界面請(qǐng)求交叉口優(yōu)先通行權(quán)，車載端將優(yōu)先請(qǐng)求指令發(fā)送給路側(cè)端，路側(cè)端收到信息后進(jìn)行反饋，車載端在接受反饋信息后顯示優(yōu)先請(qǐng)求處理結(jié)果。

圖7 車速引導(dǎo)UI界面

本系統(tǒng)的核心設(shè)備包括車載控制單元和路側(cè)控制單元。車載控制單元可作為獨(dú)立設(shè)備進(jìn)行安裝，路側(cè)控制單元可通過網(wǎng)線連接安裝在路側(cè)信號(hào)控制機(jī)中，并通過通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)信息交互。因此，本系統(tǒng)具有較好的可移植性。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了車路協(xié)同環(huán)境下的業(yè)務(wù)服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)，總結(jié)展望現(xiàn)有應(yīng)用，結(jié)合用戶需求和基本場(chǎng)景進(jìn)行業(yè)務(wù)集成。為滿足集成業(yè)務(wù)需求，依托車載控制單元和路側(cè)控制單元將云端處理中心、信號(hào)控制機(jī)、車輛、通信設(shè)備、檢測(cè)器等進(jìn)行了有機(jī)整合，形成了業(yè)務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。本系統(tǒng)包含的集成業(yè)務(wù)涵蓋各類基本場(chǎng)景及主要應(yīng)用，具有較好的整體性和兼容性。在系統(tǒng)中，云端通過路側(cè)端感知整體交通狀態(tài)，制訂初步方案，整合綜合信息并發(fā)布給車載端和路側(cè)端；路側(cè)端通過整合云端宏觀方案、車載端信息和路側(cè)感知信息制訂管控方案；車載端通過整合路側(cè)端、云端信息和指令進(jìn)行決策。依托國(guó)家智能網(wǎng)聯(lián)汽車（上海）試點(diǎn)示范區(qū)封閉測(cè)試區(qū)進(jìn)行了系統(tǒng)集成測(cè)試，包括碰撞預(yù)警（典型效率類應(yīng)用）和車速引導(dǎo)及信號(hào)優(yōu)先控制（典型安全、信息服務(wù)類應(yīng)用）。結(jié)果表明，系統(tǒng)具有良好的適應(yīng)性和可移植性。

后續(xù)研究中，需要對(duì)案例系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)充，結(jié)合5G 技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行業(yè)務(wù)框架和數(shù)據(jù)流的擴(kuò)展及調(diào)整，考慮同一場(chǎng)景的多應(yīng)用“并發(fā)”問題，進(jìn)一步探究所提出的集成業(yè)務(wù)在實(shí)際應(yīng)用過程中的問題和解決方案。