公安交管视角下的车路协同技术探讨及应用

代磊磊， 何广进， 刘东波， 徐 棱

(公安部交通管理科学研究所， 江苏无锡 214151)

0 引言

当前，车联网和自动驾驶技术发展迅速，汽车智能化、网联化的发展趋势锐不可当。但是单车智能发展正面临技术和法律上的瓶颈，国内外关注点更多地开始转向车路协同的突破，特别是近年来互联网、物联网技术的发展，为车路协同发展提供了智能网联环境，车路协同已经成为全球关注的热点。车路协同技术的研究，不仅可以推动车联网产业发展，提升我国智能驾驶发展水平，还可以改善驾乘体验，满足人们对美好交通出行的新期待。

早在3G时代，国际通信业界已经联合整车厂开展了基于移动通信网络的V2V/V2I试验项目。启动于2006年的CoCar项目，参与公司包括爱立信、沃达丰、MAN Trucks、大众等，演示了在高速行驶的车辆之间通过沃达丰的3G蜂窝网络传送关键安全告警消息的应用，做到了端到端时延低于500 ms。德国奥迪公司于2016年底在新款A4和Q7上推出了一项V2I技术，蜂窝网络把红绿灯相位信息推送给车载终端，提供驾驶人红灯等待时间以及绿灯剩余时间，并用于发动机的熄火和发动。德国联邦公路所发起制定的道路交通控制系统开放式通信接口协议(OCIT)定义了交通信号控制系统内外场设备的接口协议标准[1]。我国从2011年9月开始，由清华大学姚丹亚牵头开展了“863”计划项目“智能车路协同关键技术研究”，实地验证了车车协同换道、车车/车路协同避撞、车辆主动安全辅助、行人避撞、盲区预警、障碍物预警、紧急车辆信号优先、车队控制与和速度引导、车队协同路口通行等15个典型应用场景[2]。2015年9月开始，工信部先后与浙江、京津冀、重庆、吉林、湖北5个区域的省市政府签订《基于移动宽带物联网的智能汽车和智慧交通应用示范》合作协议，从国家层面确定我国车路协同的技术发展方向。2017年，工信部联合20个部门联合成立车联网产业发展专委会，进一步加强跨部门、跨行业协同推进车联网产业发展。2018年4月，工信部、公安部、交通运输部联合发布了《智能网联汽车道路测试管理规范(试行)》。2018年6月，工信部、国家标准化管理委员会发布了《国家车联网产业标准体系建设指南》，明确包括智能网联汽车、信息通信、电子产品与服务、智能交通和车辆智能管理5个方面标准体系内容[3]。目前，全国层面的车联网和车路协同应用测试基地/试点示范区共有10处，包括无锡、上海、北京、河北、重庆、长沙、浙江、广州、长春、武汉和成都。其中，无锡、上海、北京- 河北、重庆和长沙目前的建设已经达到了一定规模，在全国具有一定影响力[4]。

总体上来看，针对车路协同关键技术的研究与应用仍然是彼此独立，技术协同仍然有限，更多的是试点或试验类项目，开放道路的大规模应用落地项目少。另一方面，技术路径和运营模式还不明确，特别是公安交管在车路协同中的定位和作用还不清晰，跨部门协作仍有待进一步探索。基于此，本文拟立足于公安交管角度，研究探讨车路协同技术架构和应用突破，推动智慧交管技术的发展。

1 智能网联下公安交管数据驱动

从物联网到移动互联网，再到车联网，当前正处于智能网联的大环境下，从公安交管领域，主要包括路侧前端物联和中心系统互联两个层面。

路侧前端物联是通过以信号机为核心的管控设备的横向直连和开放互通，对多源数据进行及时汇总、处理和使用，在前端处理成结构化的数据并且将信息推送出去，突破横向数据交互壁垒，提高数据交互的时效性。主要数据项包括来源于交通检测设备的流量、速度、排队长度等，来源于控制设备的信号灯色、周期、相位时间等，来源于车载设备的车辆位置、速度、状态等，如图1所示。

图1 以信号机为核心的前端设备物联接入

中心系统互联是通过以信号控制系统为核心的系统横向互联和开放共享，打通交管系统、公交运营系统、互联网出行服务平台等数据流交互各环节，提高数据汇聚和交换的连通性，打破系统内部封闭、实现数据开放共享。主要数据项包括来源于信号控制系统的控制方案、策略及方式等，来源于交警指挥系统的违法车辆、交通事件等，来源于互联网平台的拥堵指数、行程时间等，如图2所示。

图2 以信号控制系统为核心的中心互联接入

2 车路协同技术架构

2.1 技术应用架构

基于公安交通管理大数据，形成了车路协同技术应用路径。在路口侧(端)，基于以信号机为核心的路侧智慧节点，汇聚交通感知、信号控制、网联通信、数据交换等于一体；通过C- V2X网络实现在边缘侧(边)的实时数据交互，降低数据通信延时，同时将相关管控信息推送给网联汽车，提供个性定制信息服务；在中心层(云)，交通管理平台接入前端感知数据和交管业务数据，并与V2X服务平台进行平台级数据交换，同时将相关信息提供给互联网、车企等出行服务TSP平台，服务于汽车产业及车生活服务领域。从而构成“端- 边- 云”的技术应用架构，如图3所示，突破不同行业协同应用，推动智慧交通管理发展。

图3 “端- 边- 云”一体化技术应用架构

2.2 信息交互架构

车路协同应用立足公众出行精准服务、重点行业应用、辅助安全驾驶等功能，以应用场景为切入点，基于城市交通大数据平台，从路侧设施、系统平台层面，重点打造以车辆信息为主的V2X数据应用服务平台，以交通管理运行信息为主的公安交通管理赋能平台，以路网交通诊断为主的路况诊断与信息发布平台[5]，实现不同平台间的信息交互，推动行业车辆管理平台、交通出行服务平台升级，形成跨行业、跨平台、跨网络信息交互及应用的技术解决方案。平台之间信息交互架构如图4所示。

3 关键技术及平台研发

3.1 路侧信息交互技术

在路侧管控设备层面，依托具有车联网信息交互功能的信号机，增设支持Uu模式和PC5模式的RSU，信号机通过RSU直连接入LTE- V2X网络。信号机推送数据包括信号灯色、交通状态、交通事件等信息，发送给车载终端设备和V2X服务平台，如图5所示。基于边缘侧信息实时交互方案，充分发挥边缘侧的数据处理能力，降低了V2X平台的数据转发压力，保障了信息传输的低时延、高可靠[6]。

图4 跨行业、跨平台的信息交互架构

图5 路侧管控设备互联交互物理架构

3.2 管控设备安全认证

行驶车辆与路侧信号控制机等管控设备进行V2I交互通信时，应当进行双向身份鉴别，进行合法性/完整性验证后的消息才是可信的相关操作，如图6所示。GB25280《道路交通信号控制机》增加了信号控制机唯一编码要求，增加了对接入设备身份鉴别、控制指令验证等安全要求。基于内嵌安全芯片的信号机及路侧单元，通过安全芯片对信息数字签名和验签，构建以电子标识为信任根的车联网安全认证机制，实现发布和采集信息真实性和完整性保护，保证身份认证过程完全自主可控。

图6 以信号控制为核心的管控设备安全认证

3.3 公安交管赋能平台

立足于交通大数据云平台的部署，以运行监测、状态诊断、信号优化、信息发布等为核心突破，融合互联网/车联网等交通大数据，对交叉口、路段和区域交通数据进行分析计算，实现公安交管系统与互联网平台数据共享、交互及深度应用，打破系统各自独立的壁垒，推动交管系统向具有数据思维、智慧决策的方向革新发展，丰富信息应用服务，如图7所示。

图7 公安交管赋能平台功能框架

4 示范应用验证

为验证车路协同应用效果，依托江苏(无锡)车联网先导区示范项目，结合无锡智慧城市建设，大范围改造了240个路口路侧管控及通信设施，覆盖主城区、太湖新城近170平方公里范围、道路总长280公里，应用大数据和云端计算新技术，建成“人- 车- 路- 云”系统协同平台，如图8所示。

图8 示范应用范围图

在出行信息服务方面，让驾驶车辆先知先觉，动态实时获取前方路况、道路施工情况，在出行之前或者过程中可以第一时间获取可变车道、潮汐车道、可变限速等动态信息。服务公交车、120救护车等行业车辆，实现公交车优先，120救护车一路绿灯，同时也把优先信息推送给周边车辆，打通生命绿色通道，如图9所示。

图9 出行信息服务应用场景

在辅助安全驾驶方面，路侧斑马线上的摄像头检测到有行人，即时推送信息至车辆，提前进行避让决策；提前获取交通事故等事件信息，选择最佳通行路线；路口盲区会车/变道时，发送预警信息，为车辆辅助驾驶提供支撑，如图10所示。

图10 辅助安全驾驶应用场景

5 结语

依托无锡车联网先导性应用示范项目，全面构建了“人- 车- 路- 云”全域数据感知的车路协同体系，设计以信号控制为核心的车路协同技术应用架构和开放数据交互共享体系，探索车路协同关键技术，验证涵盖交通出行全过程的车路协同应用服务场景，从而推动公安交管数据开放，将封闭的管控数据转化为服务信息推送给出行者，秉承了管理即服务的理念，对智慧交管发展意义重大。