李 斌，侯德藻，張紀(jì)升，李宏海，黃子超

(1. 交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088；2. 北京中交國通智能交通系統(tǒng)技術(shù)有限公司，北京 100088)

0 引言

汽車文明是現(xiàn)代社會的重要標(biāo)志，道路交通運(yùn)輸是現(xiàn)代生活中最重要的運(yùn)輸方式，其發(fā)達(dá)程度已成為衡量一個國家現(xiàn)代化程度的標(biāo)志之一。但是道路交通如同一把雙刃劍，在給人們帶來便利、樂趣、為社會帶來財富的同時，也帶來了諸多的問題，如交通擁堵、交通事故、環(huán)境污染和能源消耗等。交通問題的根源是交通需求與交通供給之間的不平衡，由于城市空間的限制，道路建設(shè)速度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上交通量的發(fā)展，單純考慮增加供給，或使用交通管制措施限制交通，已經(jīng)很難緩解當(dāng)前的交通壓力，因此人們從很早開始就寄希望于交通系統(tǒng)的智能化，通過更加合理的分配與調(diào)度交通資源，來解決或緩解交通問題[1-3]。

20世紀(jì)60年代，計算機(jī)出現(xiàn)后，人們就開始考慮利用計算機(jī)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)汽車的自動駕駛和交通管理。20世紀(jì)70年代，通用汽車公司在美國交通部的支持下開始了自動公路(Automated Highway)的研究與試驗(yàn)，這標(biāo)志著智能交通系統(tǒng)從構(gòu)想階段進(jìn)入了研發(fā)階段。20世紀(jì)80年代，加州大學(xué)(伯克利)的PATH項目(Partner for Advanced Transit and Highways)在自動公路研究方面的成果(見圖1)令人矚目[4-5]。2000年，美國加州交通局提出并開展協(xié)同式自動車路系統(tǒng)(Cooperative Vehicle-Highway Automation Systems, CVHAS)的研究。2009年美國運(yùn)輸部啟動了IntelliDrive計劃，這是美國運(yùn)輸部組織開展的為交通系統(tǒng)運(yùn)行提供全新解決方案的大型ITS研發(fā)計劃，在車路一體化項目的基礎(chǔ)上深化研究車路協(xié)同控制[6-7]。

圖1 美國智能車路系統(tǒng)(1988年)Fig.1 American intelligent vehicle-highway system(1988)

1988年，歐洲開始啟動集中解決道路智能化問題的DRIVE計劃，同時啟動主要是由汽車制造商開展PROMETHEUS計劃解決汽車的智能化問題[8-9]。2001年歐盟發(fā)表題為“歐盟交通政策2010年：由時間來決定”的白皮書。白皮書提出到2010年道路死亡人數(shù)減少一半的宏偉目標(biāo)。為實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)，歐盟啟動了eSafety計劃，該計劃期望通過信息和通信技術(shù)作為解決方案，開發(fā)更安全的智能汽車安全系統(tǒng)。2015年5月為深化V2X通信服務(wù)方面的研究，歐洲開始了CODECS(Cooperative ITS Deployment Coordination Support)項目以促進(jìn)協(xié)同式智能交通系統(tǒng)的研究。

同樣在1988年，日本也開始了包括超級智能車輛系統(tǒng)(Super Smart Vehicle System, SSVS) 和先進(jìn)的道路交通系統(tǒng)(Advanced Road Traffic System, ARTS)在內(nèi)的研究計劃[10]。2004年日本提出了Smartway項目，并從2005年開始研究新一代的道路交通服務(wù)系統(tǒng)，2007年形成了ITS車載和路側(cè)單元標(biāo)準(zhǔn)，并進(jìn)行了Smartway的成果示范，2009年開展了基于ITS的安全行車技術(shù)示范；以Smartway的研究做基礎(chǔ)，2011年，ITS Spot在全日本高速公路上開始安裝使用。日本已經(jīng)在全國安裝了1 600個ITS Spot路側(cè)設(shè)備，城際高速安裝間隔為10～15 km，城市高速路安裝間隔約為4 km。從ITS Spot項目開始，日本進(jìn)入了系統(tǒng)研究車路協(xié)同的新階段。2015年，ITS Spot項目正式更名為“ETC 2.0”項目[11]。

實(shí)際上，歐美日于1994年正式提出ITS概念時，本身就含有車路協(xié)同的思想，即車與路以及車與車之間可進(jìn)行信息交互與協(xié)同控制。1995年我國的研究者也開始注意到了智能車路系統(tǒng)的相關(guān)研究，當(dāng)時對智能車路系統(tǒng)的理解主要集中在先進(jìn)的汽車控制系統(tǒng)、先進(jìn)的交通管理系統(tǒng)與先進(jìn)的駕駛員信息系統(tǒng)3個部分[12]，但彼時相關(guān)研究在中國并未大規(guī)模開展。2003年，筆者隨交通部代表團(tuán)赴西班牙馬德里參加第10屆ITS世界大會，注意到發(fā)達(dá)國家對車載系統(tǒng)與道路設(shè)施的協(xié)調(diào)配合日益重視，仔細(xì)調(diào)研了美國VII(Vehicle-Infrastructure Integration)、CVHAS (Cooperative Vehicle-Highway Automation Systems)、日本Smartway等項目情況[13]，回國后立即組織在交通運(yùn)輸部公路試驗(yàn)場搭建智能車路系統(tǒng)的原型試驗(yàn)系統(tǒng)(圖2)，并于2007年北京14屆ITS世界大會期間，向各國來賓做了集中展示。自此車路協(xié)同的理念在國內(nèi)逐步得到認(rèn)同。

圖2 中國智能車路原型試驗(yàn)系統(tǒng)(2003年)Fig.2 Chinese intelligent vehicle-infrastructure prototype test system (2003)

自2009年開始，在國家科技支撐計劃、863計劃等支持下，交通運(yùn)輸部公路院、清華大學(xué)等陸續(xù)開展了京津塘高速公路運(yùn)營安全與服務(wù)、智能車路協(xié)同關(guān)鍵技術(shù)等研究級示范應(yīng)用。而隨著自動駕駛技術(shù)的爆發(fā)式發(fā)展，并伴隨著大數(shù)據(jù)和5G技術(shù)的快速發(fā)展，不光要發(fā)展智慧的車輛還要發(fā)展智慧的道路，將車輛和道路整合成一個有機(jī)的整體，成為研發(fā)熱點(diǎn)。

1 車路協(xié)同思想和內(nèi)涵的演進(jìn)

近年來，隨著自動駕駛技術(shù)的發(fā)展，車路協(xié)同經(jīng)常作為與“自主式”自動駕駛相對應(yīng)的一種技術(shù)路線被提及，但正如引言中所述，車路協(xié)同本身并不是近年才出現(xiàn)的新概念。所謂協(xié)同，就是指協(xié)調(diào)兩個或者兩個以上的不同資源或者個體，協(xié)同一致地完成某一目標(biāo)的過程或能力。對于道路交通系統(tǒng)而言，“車”與“路”作為基本組成要素，由于不同“車”的道路占有權(quán)是彼此互斥的，隨著車輛數(shù)量的增加，必然導(dǎo)致道路交通系統(tǒng)的根本矛盾，即個體駕駛行為的自利性與道路資源有限性的矛盾。這種矛盾一方面會導(dǎo)致交通擁堵，另一方面也會顯著的增加交通事故的概率[14]。因此，交通管理控制的終極目標(biāo)就是減小乃至消除“車”與“路”的根本矛盾，實(shí)現(xiàn)道路交通系統(tǒng)的安全、高效、穩(wěn)定運(yùn)行，這也正是車路協(xié)同的基本思想。

回顧道路交通系統(tǒng)發(fā)展歷史，人們一直在利用交通規(guī)則來緩解“車”與“路”的矛盾，從最開始的道路劃分左右車道行駛，到標(biāo)志標(biāo)線、信號燈，直至為更加充分利用道路資源而設(shè)計的潮汐式車道，都是為了讓復(fù)雜的道路交通系統(tǒng)能有序協(xié)同運(yùn)行。在道路交通的人、車、路(環(huán)境)閉環(huán)系統(tǒng)中，人(駕駛員)是決策與實(shí)施控制的主體，“車”只是人物理的延伸，所以傳統(tǒng)的道路交通系統(tǒng)本質(zhì)上是一個“人-人”協(xié)同系統(tǒng)。但隨著路網(wǎng)規(guī)模增大、車輛數(shù)量增加、規(guī)則復(fù)雜程度越來越高，由人來主導(dǎo)的協(xié)同效能也逐漸達(dá)到瓶頸；同時人也是系統(tǒng)中“穩(wěn)定性”最差的一個要素，人容易受自身和環(huán)境影響，導(dǎo)致感知、決策和執(zhí)行等方面能力的變化，而這種變化多數(shù)是不可預(yù)測的，因此僅依靠人自身的能力來協(xié)調(diào)解決“車”與“路”的矛盾變得越來越困難。

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)以及人工智能技術(shù)快速發(fā)展，智能交通技術(shù)深度應(yīng)用，傳統(tǒng)的車路協(xié)同手段也逐漸向智能化的車路協(xié)同技術(shù)轉(zhuǎn)變，即通過不斷提升車輛以及道路智能化水平，降低乃至消除對“人”的依賴，同時依賴個體的決策方式向依賴更加豐富信息的全局決策方式方向發(fā)展，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全高效運(yùn)行。由于過去20年移動通信技術(shù)發(fā)展始終無法滿足低延時、高可靠的車路交互要求，針對交通安全的智能車路協(xié)同應(yīng)用一直進(jìn)展緩慢，但車路協(xié)同思想在公路收費(fèi)服務(wù)以及個別領(lǐng)域得到了積極探索和實(shí)踐。例如，研究始于2000年的智能公路磁誘導(dǎo)技術(shù)，以布設(shè)在車道上的磁道釘及其編碼為參考標(biāo)記，以車載傳感器探測磁信號并經(jīng)運(yùn)算確定車輛相對位置，并據(jù)此進(jìn)行車道保持控制或偏離預(yù)警(圖3)，由于其全天候工作的特點(diǎn)，基于該技術(shù)的輔助駕駛系統(tǒng)在新疆冬季除雪車輛上得到應(yīng)用，為駕駛員提供視野增強(qiáng)和拓展功能，取得了良好的效果[15]。另外，我國公路電子不停車收費(fèi)ETC技術(shù)研發(fā)始于20世紀(jì)90年代中期，其核心底層技術(shù)是交通專用短程通信(DSRC)技術(shù)(圖4)，支撐了OBU與RSU之間的實(shí)時支付交易[16]；2019年全國取消高速公路省界收費(fèi)站后，在高速公路省界、每個互通立交、入出口之間設(shè)置ETC門架系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對所有車輛“分段計費(fèi)、出口收費(fèi)”，可以說是當(dāng)前規(guī)模最大的車路協(xié)同應(yīng)用。

圖3 智能公路磁誘導(dǎo)技術(shù)Fig.3 Magnetic guidance technology for intelligent highway

圖4 基于DSRC的電子不停車收費(fèi)Fig.4 ETC based on DSRC

綜上，車路協(xié)同反映了載運(yùn)工具與基礎(chǔ)設(shè)施之間的一種關(guān)系，它是以解決“車”與“路”的矛盾為基本宗旨，代表著將“車”與“路”看成一個整體來構(gòu)建完整的智能交通系統(tǒng)的思想，是當(dāng)前技術(shù)條件下智能交通系統(tǒng)在道路交通領(lǐng)域的具體表現(xiàn)之一。

2 智能車路協(xié)同的概念及架構(gòu)

正如上節(jié)所述，從解決車路矛盾的角度看，車路協(xié)同是一個相對廣義的概念，包含了車路(含車車)間信息或能量交互，及其所支撐的信息服務(wù)、交通管理以及車輛調(diào)度與控制功能。之所以稱廣義，主要體現(xiàn)在兩個方面：一是車路交互是廣義的，車路交互的內(nèi)容除了信息，也可以是能量，因此電動汽車在行駛過程中的無線充電行為也屬于車路協(xié)同，關(guān)于信息交互形式，除了無線通信，磁道釘編碼也屬于信息交互；廣義的另一方面含義是指車路交互支撐的應(yīng)用是廣義的，既包括信息服務(wù)、交通流管控、收費(fèi)等宏觀全局性的應(yīng)用，也包括車輛駕駛操控等微觀局部應(yīng)用(圖5)。

圖5 智能車路協(xié)同系統(tǒng)示意圖Fig.5 Schematic diagram of intelligent vehicle- infrastructure cooperation system

但隨著無線通信和人工智能技術(shù)的發(fā)展，特別是5G技術(shù)的應(yīng)用，業(yè)界對智能車路協(xié)同的期待更多聚焦在依托高可靠、低延時的車路直連通信，面向交通安全和車輛控制功能的應(yīng)用上。其核心是強(qiáng)調(diào)運(yùn)載工具和基礎(chǔ)設(shè)施間的實(shí)時交互和動態(tài)調(diào)整，改變傳統(tǒng)的車和路之間交互方式，實(shí)現(xiàn)車載功能和路側(cè)功能的合理劃分和協(xié)同操控、信息資源在車輛和基礎(chǔ)設(shè)施之間的優(yōu)化分配與平衡，大幅地提高道路交通的安全性和可靠性，同時達(dá)到優(yōu)化利用系統(tǒng)資源、降低成本及節(jié)能減排的目的。

智能車路協(xié)同系統(tǒng)的通用架構(gòu)如圖6所示，其中，在車載端，由車載傳感器感知周邊局部環(huán)境，并融合路側(cè)及中心的控制指令后進(jìn)行相應(yīng)的執(zhí)行操作；路側(cè)端可通過傳感、通信等方式對關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)、路段的交通運(yùn)行狀況進(jìn)行采集，并及時將決策與執(zhí)行指令下發(fā)至車載端，同時將相關(guān)的節(jié)點(diǎn)、路段信息上傳至云控中心；云控中心主要負(fù)責(zé)匯總各路側(cè)節(jié)點(diǎn)以及車輛端的信息，可進(jìn)行路段或整個路網(wǎng)的交通信息匯集與存儲，執(zhí)行全局優(yōu)化算法，實(shí)現(xiàn)整個路網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度管控。

圖6 智能車路協(xié)同通用架構(gòu)Fig.6 General framework of intelligent vehicle- infrastructure cooperation

車路/車車間直接信息交互，即車路直連通信(V2X)，是構(gòu)建智能車路協(xié)同應(yīng)用的底層和基礎(chǔ)支撐技術(shù)，這也是智能車路協(xié)同應(yīng)用區(qū)別于其他傳統(tǒng)的智能交通應(yīng)用的最顯著特征。這里所指的直連通信是指路側(cè)、車載設(shè)備通過無線傳輸方式，實(shí)現(xiàn)車與車、車與路直接通信和信息交換。目前國家規(guī)劃5905-5925MHz頻段作為車路直連通信的工作頻段。關(guān)于我國V2X技術(shù)路線，一方面，交通專用短程通信DSRC已成功應(yīng)用于ETC，車載用戶已突破2億，產(chǎn)業(yè)鏈相對成熟，同時已為車路協(xié)同拓展應(yīng)用預(yù)留了接口和信道資源；另一方面，基于4G-LTE的LTE-V2X技術(shù)已逐漸成熟，并且正在向5G-V2X演進(jìn)過程中，為V2X提供了更多的技術(shù)選擇。目前業(yè)界已經(jīng)就DSRC和LTE-V2X 融合形成了初步共識，例如：采用雙模芯片的T-Box，作為DSRC與LTE-V2X協(xié)同方案的一種探索。

3 智能車路協(xié)同的機(jī)理

智能車路協(xié)同系統(tǒng)以低延時、高可靠的車路直連通信技術(shù)為基礎(chǔ)，將“車”與“路”看成一個整體來實(shí)現(xiàn)智能交通創(chuàng)新應(yīng)用。而關(guān)于如何實(shí)現(xiàn)車路智能協(xié)同？本研究認(rèn)為至少應(yīng)從功能協(xié)同、運(yùn)行協(xié)同以及體制協(xié)同等3個方面深入探討(如圖7所示)，其中，功能協(xié)同涉及車路間功能合理劃分及其軟硬件成本均衡分?jǐn)?，主要面向系統(tǒng)設(shè)計階段；運(yùn)行協(xié)同主要解決系統(tǒng)運(yùn)行時計算、通信等信息資源的動態(tài)分配問題；體制協(xié)同主要指推動車載和路側(cè)系統(tǒng)協(xié)同部署的標(biāo)準(zhǔn)、政策、法規(guī)等。

圖7 智能車路協(xié)同機(jī)理Fig.7 Mechanism of intelligent vehicle-infrastructure cooperation

3.1 車載和路側(cè)的系統(tǒng)功能劃分

(1)功能安全導(dǎo)向的比較優(yōu)勢分析

車載智能化可以逐步代替人類駕駛員實(shí)現(xiàn)自動駕駛，但仍屬于單車自主駕駛行為，每輛智能汽車都努力建立一個為自己所用的環(huán)境模型，獲取車輛周邊的信息并進(jìn)行決策；汽車對環(huán)境的感知范圍受到車載傳感器探測范圍(相當(dāng)于人類駕駛員的目視范圍)的限制，局部環(huán)境信息所涉及的范圍不會增加很大，其提高交通安全的程度也受到很大制約。

而路側(cè)智能化則不然，車載智能不擅長的遠(yuǎn)距離、盲區(qū)信息感知以及大算力任務(wù)需求等功能可以轉(zhuǎn)移到路側(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，無論是局部環(huán)境信息還是宏觀全局信息，特別是安全行駛所需的信息，都可由路側(cè)信息基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)時獲取后加以處理，并適時地提供給過往汽車，甚至包括直接駕駛控制指令。

分析車載和路側(cè)智能的技術(shù)比較優(yōu)勢(表1)，可以從優(yōu)勢互補(bǔ)的角度更加合理地配置車載和路側(cè)的功能，同時從提高系統(tǒng)功能安全的角度進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜哂嘣O(shè)計。

表1 路側(cè)功能和車載功能的技術(shù)比較優(yōu)勢Tab.1 Comparative advantages between roadside function and on-board function

(2)軟硬件成本分?jǐn)?/p>

為了保證智能汽車的功能安全和可靠性，對車載系統(tǒng)一般會采用冗余設(shè)計的原則，從而使系統(tǒng)成本居高不下，例如Waymo的L4級無人駕駛車的單車成本在40萬美元左右，這些成本中大部分都用在確保安全的車載傳感器以及冗余系統(tǒng)上。同時，智能汽車為了不至于使自己的駕駛行為過于短視，所建立的環(huán)境世界模型都盡可能擴(kuò)大，很多多余的信息被每輛智能汽車重復(fù)獲得，這些軟硬件及時間上的開銷都是不必要的。

按照車路協(xié)同的思想，將部分環(huán)境信息感知功能，特別是遠(yuǎn)距離和盲區(qū)信息感知功能，轉(zhuǎn)移到路側(cè)系統(tǒng)來完成，經(jīng)過處理后再廣播分發(fā)給過往車輛，可以最大程度地擴(kuò)大汽車期望獲得的局部環(huán)境信息范圍，此外由于路側(cè)信息可被所有經(jīng)過車輛充分共享，使系統(tǒng)總成本大大降低。同時，我們可以將車載和路側(cè)系統(tǒng)作為一個整體來考慮冗余設(shè)計，可以減少智能汽車自身的冗余功能，從而進(jìn)一步降低車載系統(tǒng)的成本。

車載系統(tǒng)和路側(cè)設(shè)施具有不同的屬性。公路基礎(chǔ)設(shè)施屬于準(zhǔn)公共物品，具有非競爭性和非排他性，投資大、回報周期長，還具有網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)性的特征，在網(wǎng)絡(luò)建成并投入使用后，運(yùn)營企業(yè)的固定成本很高而邊際成本極低，即隨著道路使用用戶規(guī)模的增加，單位服務(wù)成本將大大降低。汽車屬于消費(fèi)品，遵循市場規(guī)律，新功能和產(chǎn)品價格隨著產(chǎn)銷量(用戶規(guī)模)增加會迅速下降。但用戶規(guī)模的增加有一個市場導(dǎo)入和培育的問題，即用戶需要體驗(yàn)到車路協(xié)同功能帶來的好處和收益，而這必須有路側(cè)系統(tǒng)的配合。這就是俗話所說的“先有雞，還是先有蛋？”問題。路側(cè)設(shè)施和車載系統(tǒng)本質(zhì)上是服務(wù)和被服務(wù)的關(guān)系，一般而言，基礎(chǔ)設(shè)施作為服務(wù)方應(yīng)先行一步，為車載用戶創(chuàng)造好的環(huán)境和條件，從而引導(dǎo)用戶規(guī)模的迅速擴(kuò)大。可以考慮在高速公路流量大的路段率先部署路側(cè)系統(tǒng)，普通公路的視距不良路段等也可先期試點(diǎn)，吸引車載用戶使用。

3.2 車載與路側(cè)的資源動態(tài)分配

在現(xiàn)代信息系統(tǒng)中，所有的基礎(chǔ)設(shè)施以及運(yùn)行模型，都是在存儲、計算、通信這3大資源中取舍與調(diào)度[17]。車路協(xié)同運(yùn)行的核心思想就是計算和通信資源在車載設(shè)備和路側(cè)設(shè)備間的優(yōu)化分配，優(yōu)化目標(biāo)是系統(tǒng)開銷最小化。計算任務(wù)一般是由車載設(shè)備發(fā)起的，但車載的計算和存儲資源不如路側(cè)設(shè)備豐富，計算能力有限，對計算時延和能量消耗非常敏感；如果將計算任務(wù)交給路側(cè)設(shè)備執(zhí)行，利用路側(cè)設(shè)備強(qiáng)大的計算和存儲能力，使計算時延大大降低，但需要容忍傳輸時延的影響。

本研究將時延和能耗作為衡量系統(tǒng)開銷的主要因素。假設(shè)有n個車載計算任務(wù)Taski，si為任務(wù)Taski所需要的計算量，可具體表示為CPU周期數(shù)。對每一個任務(wù)Taski，均有車載和路側(cè)兩種執(zhí)行方式可選擇，盡管兩種方式均會帶來時延和能耗，但不同方式對時延和能耗的敏感和容忍程度是不一樣的，可通過設(shè)置權(quán)重因子來表示[18]。下面討論兩種執(zhí)行方式的時延和能耗模型。

(1)車載執(zhí)行方式

(1)

式中α和β分別為車載執(zhí)行的時延和能耗權(quán)重因子。

(2)路側(cè)執(zhí)行方式

(2)

式中γ和δ分別為路側(cè)執(zhí)行方式的時延和能耗權(quán)重因子。

(3)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

對于任務(wù)Taski，假設(shè)不考慮計算冗余的情況，即一個任務(wù)只能在兩種方式中選擇其一，則該任務(wù)的系統(tǒng)總開銷為：

(3)

式中，di為決策參數(shù)，di∈{0,1}。當(dāng)di取1時，表示該任務(wù)在車載執(zhí)行；當(dāng)di取0時，表示該任務(wù)在路側(cè)執(zhí)行。

則系統(tǒng)資源分配優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)為：

(4)

式中D={d1,d2,d3,…,dn}為智能車路協(xié)同系統(tǒng)執(zhí)行n個車載計算任務(wù)時，計算和通信資源在車載與路側(cè)之間的優(yōu)化分配決策集，它充分考慮了車載執(zhí)行方式和路側(cè)執(zhí)行方式的計算能力和通信資源差異，以及二者對時延和能耗的敏感和容忍程度，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)總的時延和能耗開銷最小。

3.3 體制機(jī)制層面的協(xié)同部署

提到車路矛盾問題，除了前面第3.2節(jié)提到的技術(shù)層面原因，還有體制層面的原因，即道路基礎(chǔ)設(shè)施與汽車制造分別屬于不同的行業(yè)，尤其在我國分別由不同的行業(yè)部門管理，因此長期以來道路和汽車的技術(shù)升級發(fā)展基本是相對獨(dú)立的。同時兩者的物理形態(tài)和運(yùn)行模式差異很大，道路基礎(chǔ)設(shè)施屬于土木工程，一般道路設(shè)計壽命周期在20～30 a左右，橋梁和隧道等重要構(gòu)造物設(shè)計壽命在50～100 a；而汽車整車壽命一般10 a，很多私家車5 a左右就更新，近年來車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展使車載電子和信息設(shè)備的比重越來越高，從某種意義上講現(xiàn)在的汽車就是一輛移動的信息終端，其車載設(shè)備壽命周期2～5 a，車載軟件和數(shù)據(jù)甚至可以實(shí)時下載更新。

綜上，道路設(shè)施和汽車系統(tǒng)的技術(shù)升級改造往往是不同步的。我國智能交通20多年的發(fā)展大大推動了城市道路和高速公路信息化應(yīng)用水平，使得道路設(shè)施智能化程度越來越高，但與車載系統(tǒng)和移動終端相比，道路設(shè)施對新技術(shù)的反應(yīng)速度一般是滯后的。因此，所謂車路協(xié)同，不僅僅指功能配置和資源優(yōu)化層面，還應(yīng)包括體制層面的協(xié)同，需要不同管理部門及產(chǎn)業(yè)鏈各方對涵蓋技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)、法規(guī)等各方面的實(shí)現(xiàn)路徑和時間節(jié)點(diǎn)等達(dá)成共識，才有可能實(shí)現(xiàn)車載系統(tǒng)和路側(cè)系統(tǒng)的一體設(shè)計、協(xié)同部署。

標(biāo)準(zhǔn)化是體制機(jī)制協(xié)同推進(jìn)的主要手段和方式。一方面，標(biāo)準(zhǔn)是車路、車車間直連通信和功能互操作的基礎(chǔ)；另一方面，地域分布的廣泛性和移動的隨機(jī)性是道路交通的突出特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)全國兼容是車路協(xié)同系統(tǒng)的基本要求，而標(biāo)準(zhǔn)化是實(shí)現(xiàn)全國兼容性的最有力保障，應(yīng)推動汽車、交通、通信等各領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)化工作協(xié)同。

4 結(jié)論

車路協(xié)同并不是近年才出現(xiàn)的新概念，它是20世紀(jì)末伴隨智能交通系統(tǒng)(ITS)發(fā)展而提出的。從解決車路矛盾的角度看，車路協(xié)同是一個相對廣義的思想和概念，即由車路(含車車)間信息或能量交互，所支撐的信息服務(wù)、交通管理以及車輛調(diào)度與控制功能。由于過去20 a無線通信技術(shù)發(fā)展難以滿足低延時、高可靠的車路交互要求，針對交通安全的車路協(xié)同應(yīng)用一直進(jìn)展緩慢，但車路協(xié)同思想在電子不停車收費(fèi)ETC、公路磁誘導(dǎo)等領(lǐng)域得到了積極探索和實(shí)踐。

隨著無線通信技術(shù)特別是5G技術(shù)以及人工智能技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，基于低延時、高可靠的車路直連通信技術(shù)、聚焦交通安全和車輛控制功能的智能車路協(xié)同應(yīng)用成為業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)。關(guān)于智能車路協(xié)同的工作機(jī)理，即如何實(shí)現(xiàn)車路協(xié)同,本研究認(rèn)為至少應(yīng)包括功能協(xié)同、運(yùn)行協(xié)同、體制協(xié)同等3個層面，在系統(tǒng)設(shè)計階段的功能協(xié)同層面，應(yīng)重點(diǎn)考慮路側(cè)功能與車載功能的技術(shù)比較優(yōu)勢，并將車載和路側(cè)功能作為一個整體進(jìn)行冗余設(shè)計和軟硬件成本控制；針對系統(tǒng)運(yùn)行階段的資源協(xié)同問題，初步建立了以計算和通信資源為對象、以系統(tǒng)時延和能耗開銷最小為目標(biāo)的車載和路側(cè)系統(tǒng)間資源優(yōu)化分配方法；在體制協(xié)同層面，主要從體制機(jī)制的角度闡述了涵蓋標(biāo)準(zhǔn)、政策、法規(guī)等的路車一體設(shè)計、協(xié)同部署的原則。本研究成果對智能車路協(xié)同系統(tǒng)的設(shè)計、開發(fā)以及工程部署具有重要的指導(dǎo)意義。