1 概述
智能网联汽车是指搭载先进的车载传感器、控制器、执行器等装置，并融合现代通信与网络技术，实现车与X（人、车、路、云端等）智能信息交换、共享，具备复杂环境感知、智能决策、协同控制等功能，可实现“安全、高效、舒适、节能”行驶，并最终可实现替代人来操作的新一代汽车。
车路协同平台综合感知、通信、计算、控制等技术，基于标准化通信协议，实现物理空间与信息空间中包括“车、交通、环境”等要素的相互映射，标准化交互与高效协同、利用云计算大数据能力，解决系统性的资源优化与配置问题。
平台为智能汽车及其用户、管理及服务机构等提供车辆运行、基础设施、交通环境、交通管理等动态基础数据，具有高性能信息共享、高实时性云计算、大数据分析、信息安全等基础服务机制，支持智能网联汽车实际应用需求的基础支撑平台。主要包含标准化互联互通和共性基础支持两方面。其中标准化互联互通包括统一交互标准化语言，减少多领域协同时在理解和认识上的差异化；针对车辆与各类资源互联互通的实际应用需求，设计标准化基础设施体系部署与分段实施路径。共性技术支持包括提供针对智能网联具体应用需求的基础、共性技术服务，包括数据的安全性管理，存储，运维，大数据计算、仿真与测试评价技术等；为解决异构集成、互操作等实际业务需求提供一系列标准化开发接口与工具集。
平台包含了面向效率和面向安全两个方面。其中面向效率包括基于车路协同信息的交叉口智能控制技术、基于车路协同信息的集群诱导技术、交通控制与交通诱导协同优化技术、动态协同专用车道技术、精准停车控制技术。面向安全包括智能车速预警与控制，弯道测速/侧翻事故预警、无分隔带玩到安全会车、车间距离预警与控制、临时性障碍预警。
平台面向产业链应用，面向全行业提供体系化的安全，高效，节能等在内的汽车智能网联驾驶应用，以及包括共享汽车，电子支付等一系列新型汽车应用形态；为测试开发体系，公共服务体系，保险体系，医疗体系等提供协同化的实际业务应用。
2 需求与应用场景分析
根据中国汽车工程学会标准《合作式智能运输系统 车用通信系统应用层及应用数据交互标准》（T/CSAE53-2017），车联网基础功能涵盖安全、效率和信息服务三大类17个应用。
表 1 一期应用列表
序号 |
类别 |
通信方式 |
应用名称 |
1 |
安全 |
V2V |
前向碰撞预警 |
2 |
V2VN2I |
交叉路口碰撞预警 |
|
3 |
V2VN2I |
左转辅助 |
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4 |
V2V |
盲区预警／变道辅助 |
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5 |
V2V |
逆向超车预警 |
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6 |
V2V-Event |
紧急制动预警 |
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7 |
V2V-Event |
异常车辆提醒 |
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8 |
V2V-Event |
车辆失控预警 |
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9 |
V2I |
道路危险状况提示 |
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10 |
V2I |
限速预警 |
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11 |
V2I |
阁红灯预警 |
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12 |
V2P/V2I |
弱势交通参与者碰撞预警 |
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13 |
效率 |
V2I |
绿波车速引导 |
14 |
V2I |
车内标牌 |
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15 |
V2I |
前方拥堵提醒 |
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16 |
V2V |
紧急车辆提醒 |
|
17 |
信息服务 |
V2I |
汽车近场支付 |
车路协同服务的需求可以从政府、企业和个人三方面的需求分析。政府监管部门通过车路协同服务平台实现对交通进行实时监管、交通行业管理和交通规划管理。
企业包括智能汽车研发企业和运营企业两大类。智能汽车研发企业可以通过车路协同提供的超视距信息服务、地图服务等为无人驾驶汽车提供更完备的服务。运营企业可以通过车路协同服务提高运营效率和安全性。
图 2‑1 车路协同需求与应用场景分析图
个人服务现实阶段可以得到车路协同的安全和交通诱导信息服务，远期当车路系统完善后可以实现车辆远程遥控和自动控制。
3 总体方案
3.1 V2X分级体系架构
当网络具备边缘计算能力后，许多核心层和终端层的计算负荷都可以整合到边缘层进行，极大地降低网络传输的数据量，也为低时延赋能。
（1）终端层
车辆终端层决策的最大优势为时延小，主要进行与车辆安全性紧密相关的决策，如紧急刹车制动等。
（2）边缘云
该层配备的MEC平台具有强大的计算能力和虚拟化能力，能够承载多种自动驾驶应用。并且能够对基站数据进行匹配分流，在移动网络边缘完成对自动驾驶车辆数据分析处理。
（3）核心层
覆盖范围极广，计算能力最为强大，但由于距离机动车较远，传输时延相对较大，主要进行对时延要求不是特别敏感的初始规划、道路级规划、宏观交通调度、车辆大数据监管、全局路径规划和全局高精度地图管理。如实时完成每个自动驾驶车辆的道路级规划，优化整个道路交通网的车流。
图 3‑1 车路协同分级体系架构
3.2 总体架构
本次建设主要应用都部署在云上。参考云计算分层模型，本方案云计算数据中心在横向上分为数据源层、基础设施服务(IaaS)层、平台服务（PaaS）层、行业应用层（SaaS）。总体架构如下图。
图 3‑2 车路协同运控平台架构
感知设备层通过采集视频监控数据、交通流检测、违章监测数据、事件监测数据、GPS数据、互联网大数据、手机信令数据、以及热线或投诉电话的事件报告数据等，汇聚接入到云计算平台，为云计算平台提供基础数据支撑。
IaaS基础设施服务层对政务云的服务器、存储、网络等资源，进行统一的、集中的运维和管理。利用虚拟化技术按照用户或者业务的需求，从池化资源层中选择资源并打包，形成不同规模的计算资源。根据本方案的特点，基础设施层还包括边缘云计算资源，主要用于路口和小区级别的车路协同感知信息处理和实时信息发布。
PaaS平台服务层依托基础设施服务层，通过开放的架构，提供共享云计算的有效机制。构建在虚拟服务器集群之上，把端到端的分布式软件开发、部属、运行环境以及复杂的应用程序托管当作服务提供给用户。PaaS平台服务层依托基础设施服务层，建立系统应用所必须的基础数据库、业务数据库和主题数据库，为系统提供共享数据服务。
SaaS应用层包括协同感知系统、交通管控协调系统、驾驶安全信息服务系统、交通信息服务系统、终端APP应用系统和无人驾驶服务系统等应用系统。
客户端车载终端、移动终端、可变诱导屏、智慧城市指挥中心大屏幕等为政府部门、交通管理部门、企业和普通民众提供交通的各种服务。
3.3 边云框架
边缘计算不是单一的部件，也不是单一的层次，而是涉及到EC-IaaS、EC-PaaS、EC-SaaS的端到端开放平台。典型的边缘计算节点一般涉及网络、虚拟化资源、RTOS、数据面、控制面、管理面、行业应用等，其中网络、虚拟化资源、RTOS等属于EC-IaaS能力，数据面、控制面、管理面等属于EC-PaaS能力，行业应用属于EC-SaaS范畴。
边云协同的能力涉及IaaS、PaaS、SaaS各层面的全面协同。EC-IaaS与云端IaaS应可实现对网络、虚拟化资源、安全等的资源协同；EC-PaaS与云端PaaS应可实现数据协同、智能协同、应用管理协同、业务管理协同；EC-SaaS与云端SaaS应可实现服务协同。
图3‑3 边云协同能力框架
4 车路协同应用系统
4.1 协同感知系统
车辆获取的信息既有来自车载传感器（激光雷达、毫米波雷达、视频、GPS／BD等）的各种数据（自己的位置、状态，周边目标的位置、速度），也有来自外部传感器（协同获取的其他车辆 GPS/BD、路侧设备微波雷达、信号机等）的数据（周边目标的位置、速度、特征、状态；周边道路状态；路口信号灯状态等），这些数据特征差异很大，需要在协同感知系统进行融合。
4.1.1 道路交通路侧感知系统
路侧感知系统是由安装在道路上的地磁、超声波、红外、RFID、信标、视频检测器和道路气象站、路面、路况检测器等组成，该子系统又分为道路交通感知模块、道路气象感知模块和路面状况感知模块3部分。
4.1.2 车载感知系统
车载感知系统是由安装在车辆上的各种车辆运行参数传感器、车载摄像头和雷达、GPS卫星定位装置以及车载微处理单元等组成。该子系统又分为车辆感知模块、环境感知模块和GPS定位模块3部分。
4.1.3 多传感器信息融合系统
多传感器信息融合系统也是协同感知系统的关键技术之一。信息融合系统是利用计算机技术将来自多个传感器或多源的观测信息进行分析、综合处理。从而得出决策和估计任务所需的信息的处理过程。信息融合的基本原理是：充分利用传感器资源，通过对各种传感器及人工观测信息的合理支配与使用。将各种传感器在空间和时间上的互补与冗余信息依据某种优化准则或算法组合来，产生对观测对象的一致性解释和描述。车路协同系统需要处理大量的源自路网的各种车载感知信息和路侧感知信息，如果运用数据融合技术对其进行数据级融合、特征级融合以及决策级融合，将有利于通过对信息的优化和组合从中获得更多的有效信息。
4.1.4 实时数据处理系统
在车路协同服务平台中，边缘计算、局部计算和云端计算组成了数据分析系统。在这样的复杂新型交通系统里面才能很好的解决协同和控制问题。边缘计算主要是路测计算单元；局部的是情景中的集中部分，比如说路侧的信号机为核心的区域计算单元；云端计算的就是中心。三者结合形成有机的计算平台，分配好计算任务才能解决问题。该系统主要用于海量交通数据的处理，分析计算道路交通状态、大规模车辆诱导策略、智能交通调度等。
（1）通过边缘计算与云计算，综合分析交通与空间、气象与道路等信息以及与GIS匹配等，及时发现道路上的交通异常或潜在的交通危险，实现对道路交通状态的实时监测；
（2）通过对区域交通数据的综合分析，提出科学合理的交通组织与优化对策，实现对全路网交通的有效组织与疏导；
（3）通过对单个车辆运行轨迹和运行参数的分析，由边缘计算单元实现对个别违章车辆的实时预警或交通事故车辆的实时报警；
（4）通过对特定车辆监视及行驶参数的分析，实现最优路径的诱导；
（5）通过对气象条件与道路路况信息的综合分析，实现对道路路况条件与恶劣气象条件的提前预警；
（6）通过对交通数据存储、管理、编辑、检索、查询和分析等综合应用，实现各子系统间的信息协同、数据共享与互通，提高交通信息的综合利用度。
云计算的应用，一方面可以实现业务的快速部署，在短期内为交通用户提供信息服务；另一方面，平台具有的强大运算能力、最新实时数据和广泛的服务支持，能够对综合交通服务起到强大的支撑作用。云平台则可以根据用户的需求及道路交通的实际情况、异常交通因素等，进行大范围的交通数据的分析、计算与规划，从而实现宏观区域的交通组织与优化，并通过服务整合为路网中车载终端提供更丰富、更富有价值的综合交通服务等。
图 4‑1 车路协同交通感知数据处理流程
4.2 交通管控协调系统
交通控制与诱导系统是由安装在道路沿线的信号控制装置、可变信息板和路旁广播等装置组成，该子系统能够通过通信装置接收来自车路协同服务平台的交通控制信息，实现对道路上车辆的交通信号实时控制；也可接收来自车路协同服务平台的交通诱导信息，实现对特定路段或特定区域交通诱导信息的发布。该系统发布的信息主要是该路段或区域内的群体车辆，也可以是指定车辆；该系统的控制与信息发布主要依赖路侧各种信息发布装置，如信号灯、交通诱导屏等。
（1）智能红绿灯预警/红绿灯车速引导系统
基于车路协同技术，当汽车在接近信号交叉口时，接收来自路侧单元的信号配时和交叉口地理信息，通过计算车辆行驶速度和加速度，结合信号配时和地理信息，判断本车在剩余绿灯时间内能否安全通过交叉路口，如果存在违规风险，车辆将受到相应的告警，如果判定可以通过，给出建议车速。
（2）特殊车辆信号优先系统
基于车路协同技术，当特殊车辆（救护车、消防车等）接近信号控制交叉口时，车载单元向路口信号控制机发送特殊车辆定位距离和当前车速信息，由智能路侧单元计算出的预计到达时间，信号控制机根据当前信号的状态，对相位进行红灯早断、绿灯延时等干预操作，保证特殊车辆的顺利通过。
4.3 驾驶安全信息服务系统
车辆行驶安全信息服务系统主要用于对道路交通异常状态、单车运行异常状况、恶劣天气与路况异常变化等情况提前预警和实时报警，以便最大限度地减少交通异常所造成的损失。车路协同服务平台可根据监测目标数目的多少采用单屏多窗口或者多屏幕显示方式，分别监测不同的目标和区域。一旦发现或预测到可能发生的交通异常或交通危险，则以声光报警方式发出预报或报警信息，并锁定和显示报警目标，提示工作人员及时处理警情。
（1）智能交叉口预警
基于车车通信技术，两辆在不同道路行驶的网联汽车接近交叉口时，根据车辆速度、位置、行驶方向等信息，利用碰撞算法判别，如存在碰撞风险，则向两辆网联汽车发出告警，提示避让。
在交通基础设施不完善或者郊区普通道路或公路交叉路口，车辆在交叉路口左转，与对向来车存在碰撞危险时，系统基于无线通信技术应对驾驶员进行预警。避免或减轻侧向碰撞，提高交叉口通行安全。
（2）智能人车冲突预警
基于车路协同技术，以红外视频、微波等检测器作为行人检测设备，通过深度学习技术判断人车冲突隐患，在路侧通过显示屏及语音提示器，提醒行人注意通行安全，在车内通过车载设备提醒网联汽车注意行人。
车辆行驶过程中，路侧感知单元检测到的行人、非机动车位置与人、车的GNSS信息在平台融合处理，并实时接收行人过街请求，再通过车路通信，把人行道及其周围环境的行人、自行车的位置信息以及行人过街信息发布给车辆，同时，也可以向行人、非机动车的手机发布安全提示信息，以防止事故的发生。
（3）行车超视距服务
将道路前方路侧视频或前车车内视频传输给周边汽车，实现网联汽车超视距（如1km）接受前方道路交通信息。
车辆行驶在道路上时，与前车存在一定距离，当前车进行紧急制动时，后车将通过无线通信技术收到这一信息，并通过车载终端对驾驶员进行预警。
（4）盲区预警/变道辅助
当汽车准备实施变道操作时（例如激活转向灯等），若其相邻车道上有同向行驶的车辆出现在网联汽车的盲区时，换道告警应用对网联汽车进行提醒，避免其与相邻车道上的车辆发生侧向碰撞，保证变道安全。
在道路行驶过程中，因借用逆向车道超车，与逆向车道上的逆向行驶车存在碰撞危险时，及时对车辆驾驶员进行预警。辅助驾驶员避免或减轻超车过程中产生的碰撞，提高逆向超车通行安全。
（5）道路施工预警
基于车路协同技术，当网联汽车接近施工区域前，智能路侧单元向特定范围内的网联汽车发送施工信息预警，提醒车辆注意施工区域及施工人员，适用于可视条件不好的环境。
（6）限速提醒
基于车路协同技术，通过智能路侧单元将结合天气、交通流量、施工、事故等信息动态调整限速信息、或前方道路的弯道限速信息向周边广播，为网联汽车提供可变限速提醒。
（7）前向碰撞预警
系统通过GPS定位系统和无线通信技术实现前向车辆距离过近时提前预警。以保护人员及车辆安全，主要针对追尾等前向碰撞事故，降低城市道路交通事故率。
（8）异常车辆预警
当感知系统发现有车在行驶中打开故障报警灯时，边缘计算单元根据车辆状态（静止或慢速）若分析其属于异常车辆，并可能影响影响本车行驶路线时，通过无线通信技术将这一状况发布至车载终端，对驾驶员进行预警。适用于城市及郊区普通道路及公路的交叉口、环岛入口等环境中的异常车辆提醒。帮助驾驶员及时发现前方异常车辆，从而避免或减轻碰撞，提高通行能力。
（9）道路危险状况提示
车辆行驶到潜在危险状况（如桥下存在较深积水、路面有深坑、道路湿滑、前方急转弯等）路段，存在发生事故风险时，边缘计算单元对周围车辆进行预警，便于驾驶员提前进行处置，提高车辆对危险路况的感知能力，降低驶入该危险区域的车辆发生事故的风险。
（10）紧急车辆提醒
基于车车通信技术，将救援车辆（救护车、消防车等）的位置和移动方位信息向特定范围内的网联汽车发送，提示网联汽车提前做好让行准备。
（11）闯红灯预警
经过有信号控制的交叉口或车道时，由于前方有大车遮挡视线或恶劣天气影响视线，或由于其他原因驾驶员看不清信号灯的，系统检测车辆当前所处位置和速度等，通过计算预测车头经过停车线时信号灯的状态，若系统认定车辆存在不按信号灯规定或指示行驶的风险时，向驾驶员进行预警。
4.4 驾驶安全辅助控制系统
对于特定生产或改装的，经过授权控制的特种车辆、公务车辆、公共汽车、营运车辆等，系统可以在紧急的情况下，对车辆进行控制，以避免事故的发生。
对车辆的自动控制包括刹车、转向与油门控制。驾驶安全辅助控制系统可以利用V2X低延时通信网络，根据需要对车辆采取控制措施，避免因驾驶员反应不及时引发的事故。
图 4‑2 传统油门踏板与电子油门控制系统对比
4.5 交通信息服务系统
4.5.1 路况交通信息服务
主要用于对前方道路拥堵状况、道路危险状况、事故状况、道路施工状况和车辆故障状况发布给驾驶员，实现提前预警和实时报警，提醒驾驶员避开拥挤道路，以便最大限度地减少交通异常所造成的损失。
4.5.2 精确定位服务
车载终端集成卫星定位模块，可以利用全球卫星定位系统来实现车辆定位。第一，因为该系统同时集成了卫星定位模块和移动通信模块，通过利用移动通信网络辅助GPS来给车辆提供实时定位信息。这样就可以大幅提升系统搜索定位时间、提高定位精度同时还可以在卫星信号无法覆盖的区域内提供定位服务。第二，可以通过对定位数据进行加密后上传至专业服务平台还可以拓展出很多其他服务。例如，紧急救援服务、智能交通管理、车辆防盗等。特别是智能交通管理，如果可以精确获取一定区域内的车辆实时位置信息，就可以在此基础上对交通流进行有效管理，并结合通信服务等将疏导信息传达到驾驶人员，进而解决交通拥堵问题。同时，统一的定位信息也可以为交通管理提供第一手的基础数据。
4.5.3 路径导航服务
车载终端可以有选择的接入全球卫星定位系统，从而得到定位数据。进而当在终端上标注出目的地后，终端便会自动根据当前的位置，依据距离和道路等级为车主设计行车路线。结合智能交通服务，道路上的车辆都将自身的定位数据发送到相关服务器上，导航系统可以综合距离、道路等级和当前实时路况来为用户设计更加优化路线。另外，这项服务还要依赖于地图数据服务商提供高精度地图数据。
4.5.4 车辆紧急救援求助服务
通过在车辆上安装相关传感器并在车载终端上安装相关软件可以最大限度地减少道路交通事故中因救援迟缓造成的人员伤亡。如在发生严重交通事故后，即使司机和乘客失去知觉不能拨打电话，该终端也能够自动拨叫紧急救援电话，并且自动报告事故车辆所处的位置。车载终端综合使用卫星通信、移动通信手段，实现紧急情况下的手动或者自动报警和救援呼叫，最大限度地减少道路交通事故中因救援迟缓造成的损失。
4.5.5 车辆维护保养信息服务
在车辆运行过程中，感知系统会实时向驾驶员显示或报告车辆运转的工作状况，一旦出现车辆运转异常状况，系统会及时发出预警或报警信息提醒驾驶人员密切注意车辆自身运转情况并采取应急措施。
车载感知系统检测车辆自身运转状态，并通过车载通信模块及其它通信设施，实现由监控中心对车辆各种工况的远程监测，平台对此为驾驶员提供目的地或者沿途的维护与保养服务网点的信息。
4.6 车辆安全信用评价系统
根据车辆行驶记录大数据，对车辆行驶安全性进行分析和评价，给出车辆行驶安全信用的综合评价，建立车辆安全信用评价数据档案。可对车辆车主进行有针对性的安全教育，重点对安全信用评价不好的大型客、货车进行安全监督。保险公司可以根据车辆司机的安全信用提供有针对性的汽车安全保险服务。
4.7 无人驾驶辅助系统
目前绝大多数的无人车技术方案都可以称为“单车智能”，这种技术方案由于自身传感器等的局限，不能达到安全的要求。车路协同技术可以通过宽带、低延时的无线网将感知的道路和交通环境实时传递给无人车，拓展无人车的感知空间，辅助无人车达到L5级别的自动驾驶水平。
4.8 车载终端服务
车载终端应用系统是无线通信技术、卫星导航系统、网络通信技术和车载电脑综合的产物。车载终端可以提供以下服务：
（1）实时为过往车辆提供实时的车辆安全信息，提示司机可能疏忽或者无法了解的危险，及时采取措施，提高驾驶安全性。
（2）通过终端接收并查看交通地图、路况介绍、交通信息、安全与治安服务，实时确认当前位置，及时反馈预警与报警。
（3）汽车在行驶过程中出现故障时，通过无线通信连接车路协同服务平台进行远程车辆诊断，内置在车辆的车载感知单元记录汽车主要部件的工作状态，并随时为驾驶员和平台提供准确的故障位置和原因。
（4）可以了解临近停车场的车位状况和娱乐信息服务等，后排座位可以玩电子游戏、应用网络（包括金融、新闻、邮件等）。
图 4‑3 车载终端
5 小结
车路协同服务平台利用LTE/5G V2X宽带、低延时通信技术实现从终端到路侧边缘端再到云端的瞬时通信，对实时交通大数据进行分析和研判，对车辆安全和高效行驶提供信息服务（甚至是远程遥控）。解决自主自动驾驶汽车对周边环境感知的不足问题，可大幅度低成本地提升自动驾驶汽车的水平。
车路协同服务平台是政府部门利用政策优势为自动驾驶汽车行业发展提供的最直接的服务。也是未来城市智慧交通发展的必由之路。
车路协同服务平台可由政府建设，成立专门的运营公司运营。运营车路协同服务平台的公司可以通过为车企、保险公司提供大数据服务盈利。可以为政府交通相关部门提供数据而实现社会效益。
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