车路协同在智慧道路中的应用展望

王 锋

（中铁第四勘察设计院集团有限公司,湖北 武汉 430063）

0 引言

世界的联系随着互联网技术的发展越来越紧密，网络通讯技术的应用从最基本的上网、打电话、导航到现在的前沿应用无人驾驶技术、云计算等。可以说，日新月异的互联网技术时刻都在影响着人们的生活，改变着人们的出行方式。如今为满足人们生活方便、出行便捷等多元化的需求，使得跨学科融合、多领域交叉成为科学研究的常态。交通设施作为连接地区间货物交流的纽带、城市内出行必须的途径，其重要性不言而喻。截至目前，我国经历了30 多年高速公路建养的发展，道路建设不断地根据需求而升级换代，道路水平前进式的发展也逐步赋予道路更丰富的内涵，越来越多的使用功能也丰富了人们的物质生活、提升了人们的生活品质。我国公路高速公路总里程居世界第一[1]，为响应交通强国号召，建立安全、便捷、高效、绿色、经济的现代化交通体系，以交通强国、质量强国、科技强国等为指针去构建智慧交通和智能道路，将是未来路面工程的发展新方向。

车路协同系统是基于智能交通的外延，是智能车路协同系统的简称，是相对于传统道路提出的一个新的理念，其目的在于弥补传统道路依赖人的驾驶、交叉口等危险地段交通事故多发、大中小型城市都存在不同程度拥堵等弊端，实现逐步解除人力的操作依赖性、执行高效、出行安全、过程精确的目标。其原理是，首先实现人、车、路的实时动态交互信息的自动化采集识别，然后由无线通讯执行信息反馈与发送，再基于网络互连进行多元交互信息的处理及反馈命令，全过程实现车辆的安全控制、道路的协同管理，从而实现了通行效率高、解除出行的情绪驾驶危险、高效的目的[2]。实现车路协同系统在智慧道路的应用不仅仅需要智能的车辆，还需要搭载车辆相关的智能路面。这一切的构想的落实需要结合现有技术发展共同努力思考，同时车路协同系统应具备何种具体功能，应该按需求去完善。该文就车路协同系统基本功能进行分析，并对其在智慧道路的应用进行展望。

1 车路协同系统基本功能

车路协同系统涉及汽车领域、通信工程、交通行业等多个领域与学科，在每个领域内的定义有所区别，但其基本定义为人、车、路、环境的多因素耦合与交互协同，是基于智能运输系统的延伸，因此也称为合作式（协作式）智能运输系统。基本功能需要结合“以人为本”的设计理念，协同理念是满足出行者目的前提下，要求车辆协同安全、道路协同管理、同时满足使用者的需求、丰富使用者的多元化选择。旨在实现全区域的人—车—路基于传感器、手机终端互连互通，围绕提升交通安全的服务水平，有效缓解目前交通中存在的问题和不足，保障道路通行能力并创建智能绿色的交通环境。

1.1 道路交通弊端现状

由于私家车保有量的增加，全国大中小城市道路交通都出现了不同程度的拥挤，具体表现在停车拥挤、交通拥堵、环境污染严重等方面，车辆的增多也导致城市交通事故概率的上升。国务院安全生产委员会发布的《道路交通安全“十三五”规划》的统计资料提到：“十二五”期间，高速公路交通事故起数和死亡人数分别占事故总数的4.4%和10.0%[3]。事故发生率与车辆安全性能、疲劳驾驶、人的情绪化驾驶、道路的安全性因素等各方面因素有关。毫无疑问现阶段的诸多探索能一定程度降低事故率，但是这些因为客观因素仍然发生的事故，在原本传统道路上是必须面对的。

1.2 车路协同的机制

车路协同机制源于交通工程、道路工程，研究对象是汽车、道路以及如何使两者根据人的需求协同。因此，基本着手点在于处理路线线形、道路实况、天气、周围环境之间的相互协作关系。处理好车与车、车与人之间的关系，需要结合主动需求、良好的管理与控制、安全预警的识别与管理。从最初的概念设计到现在初步成型，大致经历了三代技术的发展：第一代为普通汽车可变限速系统；第二代为普通汽车的雾天行车安全诱导装置、公路发光型诱导设施、视觉盲区的微波车辆检测器；第三代为现在普通车的ETC 系统、视觉盲区预警的毫米波雷达系统等，第四代为车路协同系统下的联网智慧汽车。车路协同机制使得车辆从普通车辆转向智能联网汽车，对于科技的发展是一个巨大的跨越，车路协同的机制如图1 所示。

图1 车路协同示意图

因此，针对这几方面的需求与管理需要先进的技术作为支撑，当下5G 通讯技术的发展为智慧交通和车路协同提供了可能，对于快速实现云计算和互联网提供了强大的支撑。基于云计算的交通服务系统是执行行为全过程的监控和管理的关键，通过高精度的信息采集设备和电子传感器的综合应用，可以实时沟通车辆和周围环境的信息变化，结合定位系统与5G 基站快速的信息交互与传递，可以在瞬间完成整个信息的传递与控制。

1.3 车路协同的任务要求

智慧道路的关键核心在于车路协同技术，随着科技进步车路协同赋予的任务也越来越多，内涵越来越丰富。承担更多需求功能任务的落实，不仅需要智能的汽车，还需要智能的道路与云计算等先进科技支撑。车路协同的基础是要将信息接收和传递技术、电子传感器、车辆控制技术、计算机技术、GPS 定位系统等结合起来，各部分各司其职、协同运作。使得满足车辆可以实时自动化识别任何断面的道路及环境情况，实时地传递信息进入处理系统，获得反馈信息的车辆可以执行相关指令。

此系统的核心是需要大量的云端数据和快速的云端计算处理器，使得车辆满足在任何紧急情况下得到相应确保安全性的响应。此外，车路协同系统还要承担实时的信息收集系统，在道路上行驶的车辆就是一个动态信息采集器，可以随时反馈道路拥堵情况，并经过云计算处理器规划合理的出行路线，实现合理节约出行时间和有效分配道路资源的目标。使得出行效率更高，减少交通堵塞导致不必要的燃油消耗、实现节能环保低碳出行，同时可以协助道路管理部门对于道路的应急管理作出针对性举措，为智慧城市打下坚定基础。

2 国内外车路协同研究现状

世界各国交通业内人士一直都在探索如何使车路与道路更好的协同发展，车路协同的发展与完善对交通运输产生了积极的影响，其典型特征为车辆的智能化程度提高，基础领域如信息处理、储存、传感器、计算机自动控制、云计算等领域实现了跨学科的交叉融合，并发挥着不可替代的作用。

近年来，美国、日本、欧洲等国家均在开展车路协同的研究且制定了相关规划。美国联邦公路局、AASHTO、汽车工业联盟等联合研发了美国车路协同系统（Vehicle InfrastructureIntegration，VII），Waymo（google）开发了Honeycomb 激光雷达及Carcraft 自动驾驶模拟测试系统等[4]；日本对车辆通信方向的研究提出了Demo2000[5]，JARI 计划之后，日本出现了综合智能交通设备“智能公路”（Smartway），并成功应用于当年新修建的高速公路中[6]；欧洲探索智能交通的脚步启动较早，因此智能交通水平一直处于世界前列，欧洲相继开展了Car Talk 平台研究[7]，随后启动了包含CVIS 等车路协同综合协同技术。其中，欧洲在车路协同领域提出了通用的智能交通系统体系架构，这对于国家组建大规模的智能交通系统网络具有里程碑意义。

我国车路协同探索较其他国家晚，我国第一辆智能车是在20 世纪90 年代国防科技大学诞生，直到2000 年左右无人驾驶试验才取得了成功。但进步很快，2003 年左右研发的红旗无人驾驶汽车可以达到最高时速130 km/h。近年来，随着5G 技术的飞速发展，不仅意味着我国在车路协同领域的信息传递交互方面有了有力的保障，更代表了边缘云计算等方面将会有巨大的提升。这一技术会改进原来道路感知能力差、突发情况处理速度缓慢、极端天气下道路监控运行不力等缺点。不久的将来会逐步实现道路全面监控、满足车辆高速运行的通信需求，解决多发复杂意外情况，丰富处理手段和提高处理能力。

3 车路协同技术的应用

车路协同系统不仅在于智慧的运载工具，还在于智慧的道路和高效的中心处理器。我国智能交通目前主要在城市交通智能化、高速公路交通智能化、其他领域智能化三个领域。应用车路协同旨在解决道路中遇到的难点与痛点，体现在高速公路收费系统、道路违规抓拍、长大坡等特殊路段安全预警、城市交叉路口、车辆跟驰行为、智慧道路升级、交叉口信号控制、道路车流检测、智能停车导航、智慧车人感知系统、智能路侧系统设计、自动驾驶技术等方面。

3.1 车路协同技术对城市交叉口的优化展望

目前我国大中小城市道路中都存在一定程度的交通拥堵，车辆保有率增加是客观存在的原因。但也有一部分不利影响在于传统道路设计因素的制约，比如道路传统交叉口控制分为信号控制与无信号控制，两种控制方式会造成许多不必要的停车，使得交叉路口通行效率降低，导致路段的持续拥堵和不必要的能源消耗。车辆流畅运行取决于道路和车辆的时间—空间资源的合理分配，而伴随着车路协同技术的推广必将促进道路车辆联网化。因此，基于联网化的智能车流在交叉路口可以根据车流密度和长度来自感知、自适应地调整红绿灯的时间长度，使得高速拥堵地段红绿灯时间可以满足规定范围车辆通行，同时，根据过街行人数量多少适度减少和增加对应绿灯的时间，这样可以大大提升高峰期车辆通行效率。通过车辆的实时信号传递、交叉口过街行人自动人像识别技术、行人的手机雷达定位等功能实现过街行人与中心处理器的信息交互，采用间隙理论的时空法以最安全的间隙实现实时监控最后辆车通过的安全间隙，以安全的间隙计算行人过街的时间，这样既可以确保行人过街的安全也提高了路口的安全属性。

3.2 车路协同技术对高速公路的优化展望

高速公路作为交通运输的主要动脉线，在物资运输、客运流动、区域经济沟通等方面发挥着不可代替的作用。高速公路由出入口、公路段、隧道段、桥梁段组成，其应用相比城市道路有许多不同点，若不采用改建和扩建方式提高高速公路通行效率，将一直是管理者们十分棘手的问题。车路协同系统可以实现高速公路安全性提升，出入口瓶颈的效率提升，综合信息服务优化等功能。

提升出入口瓶颈的效率、优化综合信息服务、高速公路进出口车辆的高效识别，进而逐步改革取消收费站，这是国家极力倡导交通基础设施、运载工具等基本要素信息全面实现数字化的必经之路。国家交通发展规划极力倡导交通基础设施、运载工具等基本要素信息全面实现数字化[8]，实现路网管理、车路协同和出行信息服务的智能化。特别是目前鼓励太阳能、风能等清洁能源的应用，电力汽车渐渐走入消费者眼中，未来充换电配套设施在交通基础设施建设运营中的应用，将会是车路协同的信息优化的重要节点。

此外，典型综合信息服务系统可以应用于交通指挥、交通监控系统等领域。该系统可以严格监督道路超速驾驶行为和车辆超载行为从而规范驾驶行为、降低事故发生率。针对特殊紧急情况下对应急车辆、救护车辆等调动时，该系统可以实现预先路线交通信号的发布，在紧急情况下预先实现道路交通流的疏通，从而实现对紧急情况的高效率处理，更好地保障人民生命财产安全不被侵害。

3.3 车路协同系统对于实现公路运维优化的展望

根据我国道路发展全局来看，目前大规模的基础建设阶段正在逐步转向运营维护阶段。实现车、路、人云计算协同的智慧路面是更好地解决现在道路未来运营发展问题的关键。传统道路维护检测模式为管理人员定期驾驶车辆在高速公路上巡逻，记录在行驶过程中的问题，整理出检测的报告上交维修部门。这种模式带有很大人为因素且存在检测不到位的情况，留下了许多隐患。车路协同机制下智能的车结合智能的路将实现实时动态监测，可以实现维护最佳时机。具有了最科学且系统的数据支撑，可以根据实际的轴载作用次数对道路建设和养护开展最科学的研究。及时的道路养护能够减少道路早期的严重破坏，实现道路使用寿命最大化，能充分发挥道路资产最大使用价值。可以对现有道路大数据的挖掘分析，对于道路通车类型、轴载分布、轴载次数等有了系统的资料数据，使得对于新的道路修建和扩建、道路破损程度全面掌握。

4 结论

智慧道路的建设将随着科技进步焕发出极强的生命力，欧美国家已经早早地全面布局了智慧交通战略策略，我国智能交通从信号交通控制到现在ETC 也一直在不断发展。近年来，随着5G 通讯技术的大发展，开展车路协同系统研究对于解决我国传统道路的短板问题、智慧道路升级建设具有重大意义。

智慧道路建设需要相关“法律法规”的支持与保障，将通信设备、车辆、道路的互连互通等采用雷达定位或手机遥感并交给中心处理器处理，信息交互的过程中会涉及个人的隐私，这一切都需要法律先行，切实保障人民信息安全，并打击科技犯罪的发生。

目前，我国已经有部分城市正在开始实施车路协同系统，着力打造智慧城市，但要实现智慧道路更先进应用、更人性化的服务等还需要着力建设智慧道路的感知网络，实现准确的信息感知及推广。经济成本是一个不容忽视的制约因素，目前大范围推广应用有一定的难度，相信随着经济水平的提升将来科技会解决眼前的难题，真正意义上实现车、路、人的协同是可以实现的。