美國汽車互聯(lián)技術發(fā)展

汽車產(chǎn)業(yè)在工業(yè)4.0的大背景下與其他產(chǎn)業(yè)一樣，正在被創(chuàng)新技術和創(chuàng)新的商用模式顛覆，汽車智能化、互聯(lián)化、共享化、電動化是全球汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的大趨勢。美國在汽車互聯(lián)化發(fā)展中不斷對安全、機動性和環(huán)境影響進行評估，汽車互聯(lián)化發(fā)展中對社會、企業(yè)經(jīng)濟效益和獲得的經(jīng)驗教訓值得我們學習和借鑒。

美國智能交通發(fā)展戰(zhàn)略愿景[1]是轉(zhuǎn)變社會移動方式，而智能交通中的互聯(lián)汽車技術的發(fā)展目標就是要解決道路交通中的安全、移動和環(huán)境問題帶來的挑戰(zhàn)。

基于DSRC(Dedicated Short-Range Communica?tions)技術的V2X通信技術是美國互聯(lián)汽車采用的主要技術。美國NHTSA(National Highway Traffic Safety Administration)在此領域不斷制定相關規(guī)則。支持DSRC的車載設備廣播安全信息可能受美國交通部監(jiān)管，因此美國交通部也負責一整套特定的研發(fā)和采用問題。美國交通部通過激勵早期互聯(lián)技術部署，包括互聯(lián)汽車、移動設備和基礎設施，不斷測量部署代來的好處，包括安全、機動性和環(huán)境的好處，最終解決部署中的技術、機構和財務問題。其他互聯(lián)技術和通信網(wǎng)絡包括蜂窩、Wi-Fi或衛(wèi)星。雖然美國交通部沒有研究與這些其他通信技術相關的監(jiān)管，但是決策是整個研發(fā)焦點的一部分。ITS計劃將考慮各種技術和通信媒體相互作用，以及在預期的互聯(lián)環(huán)境中運行狀況，包括安全和其他類型應用和消息。

目前互聯(lián)汽車技術示范部署已經(jīng)完成了第2階段，即從2016年9月開始的設計構造和測試階段，2018年3月完成了該階段總結(jié)，從今年5月開始進行項目的第3階段，即維護和示范運行階段，該階段將持續(xù)18個月，本文總結(jié)了第2階段項目主要成就和獲得的經(jīng)驗。

2 美國V2X技術發(fā)展現(xiàn)狀

21年來美國ITS JPO在持續(xù)評估ITS相關技術，發(fā)表了很多智能交通的研究報告，專注收益、成本和經(jīng)驗教訓，其中對于汽車互聯(lián)性也做了很多研究，主要包括V2X主要應用在汽車安全、移動出行和減少環(huán)境影響。

聯(lián)網(wǎng)車輛-安全[2]（DOT.Intelligent Transportation Systems Benefits,Costs,and Lessons Learned.FHWAJPO-17-500.03.2017 p3）

·美國國家公路交通安全管理局（NHTSA）已發(fā)布擬議規(guī)則制定通知，要求汽車制造商在短期實施時間表內(nèi)開始在新車上安裝V2V通信。

·大規(guī)模現(xiàn)場作業(yè)測試（euroFOT）中70%的駕駛員認為前方碰撞警告系統(tǒng)提高了安全性。

·經(jīng)驗教訓：明確地向連接的車輛設備開發(fā)人員傳達需求和測試程序，并允許對不太成熟的設備進行行業(yè)輸入和迭代。

聯(lián)網(wǎng)車輛-機動性[2]

·動態(tài)移動應用程序的愿景是加速創(chuàng)新移動應用程序的開發(fā)、測試、商業(yè)化和部署，充分利用新技術和聯(lián)邦投資來改變運輸系統(tǒng)管理，最大限度地提高系統(tǒng)的生產(chǎn)率，并增強系統(tǒng)內(nèi)個人的可訪問性。

·開發(fā)、演示和評估代表17個連接的車輛應用概念的六個動態(tài)移動應用程序包，以衡量移動性影響。

·在西雅圖INFLO DMA應用程序包的小規(guī)模演示期間，高級車載隊列警告消息減少了參與者突然減速或停止的需要。

聯(lián)網(wǎng)車輛-環(huán)境[2]

·采用多模式方法，AERIS（Applications for the Environment:Real-time Information Synthesis）研究計劃旨在鼓勵開發(fā)支持運輸與環(huán)境之間更可持續(xù)關系的技術和應用，主要是通過減少燃料使用和減少排放。

·生態(tài)信號操作應用程序在完全連接的車輛穿透中提供了高達11%的二氧化碳和燃料消耗減少改善。

3 美國V2X技術應用現(xiàn)狀

互聯(lián)車輛（CV）安全應用程序?qū)⑹柜{駛員能夠360度意識到他們甚至看不到的危險和情況。通過車內(nèi)警告，駕駛員將收到即將發(fā)生的碰撞情況的警報，例如并線的卡車，駕駛員盲人駕駛的車輛，或前方車輛突然剎車時。通過與路邊基礎設施進行通信，駕駛員在進入學區(qū)時會收到警報，如果工人在路邊，并且即將到來的交通信號燈即將發(fā)生變化。CV部署站點主要以安全應用為驅(qū)動力。CV安全應用包括車輛到基礎設施（V2I），車輛到車輛（V2V）和車輛到行人（V2P）應用。

紐約市在城市交通發(fā)展中積極追求“零”愿景，即“城市街道上的交通傷亡是不可接受的”，“零”愿景的目標就是到2024年消除交通死亡。在這樣的交通愿景驅(qū)動下，紐約規(guī)劃了其交通發(fā)展規(guī)劃，其中圖1為紐約市交通規(guī)劃下的汽車互聯(lián)技術構架。

圖1 互聯(lián)汽車的互聯(lián)構架(New York City)[3]

3.1 V2X技術描述

V2I安全應用的技術描述如下[4]：

·紅燈違規(guī)警告（RLVW）-向車載設備廣播信號相位和時間（SPaT）以及其他數(shù)據(jù)的應用程序，允許車輛計算即將發(fā)生紅燈違規(guī)的警告。

·停車標志違規(guī)警告（SSVW）-一種應用程序，如果駕駛員有違反停車的風險標志，可用于向車載設備廣播停車標志的存在和位置，允許車輛確定并提供警報和警告。

·停車標志間隙輔助（SSGA）-利用路邊設備廣播的交通信息來警告駕駛員在雙向停車控制交叉路口發(fā)生潛在碰撞的應用程序。

·信號交叉路口警告中的行人-當信號交叉口的人行橫道內(nèi)的行人處于車輛的預定路徑時，警告駕駛員的應用程序。

·彎道速度警告（CSW）-向車載設備廣播精確幾何信息和路面摩擦的應用程序，允許車輛以不安全的速度向接近彎道的駕駛員發(fā)出警報和警告。

·現(xiàn)場天氣影響警告（SWIW）-通過將天氣數(shù)據(jù)傳輸?shù)铰愤呍O備，然后重新向附近車輛廣播，向駕駛員發(fā)出當?shù)匚ｋU天氣狀況警報的應用程序。

·降低速度/工作區(qū)警告（RSZW）-利用路邊設備向駕駛員廣播警報的應用程序，警告他們降低速度，改變車道或觀察工作區(qū)內(nèi)前方停止的交通。

其他V2I安全應用包括超大型車輛警告（OVW）和鐵路道口違規(guī)警告（RCVW）。這些應用程序已經(jīng)開發(fā)了操作概念和系統(tǒng)要求，但尚未在操作環(huán)境中進行原型設計和測試。

V2V通信可以為車輛和駕駛員提供增強的能力來解決額外的碰撞情況，包括例如駕駛員需要確定是否可以安全地通過雙車道道路（潛在的正面碰撞），在迎面而來的交通路徑左轉(zhuǎn)，或確定接近交叉路口的車輛是否出現(xiàn)在碰撞路線上。在這些情況下，V2V通信可以檢測數(shù)百碼之外變化中的威脅情況，并且通常僅在駕駛員和車載傳感器無法檢測到威脅的情況下進行。

V2V安全應用的技術描述如下[4]：

（1）前方碰撞警告（FCW）-警告駕駛員前方停車，減速或放慢車輛。FCW根據(jù)引導車輛的運動分為三個關鍵場景的后端碰撞：引導車輛停止，引導車輛以較慢的恒定速度移動，以及引導車輛減速。

（2）緊急電子制動燈（EEBL）-警告駕駛員在交通隊列中前方嚴重制動。EEBL將使車輛能夠廣播其緊急制動并允許周圍的車輛應用程序確定緊急制動事件的相關性并警告駕駛員。當駕駛員的能見度受限或受阻時，預計EEBL對駕駛員特別有幫助。

（3）交叉路口運動輔助系統(tǒng)（IMA）-警告駕駛員在交叉路口從橫向接近車輛。IMA旨在避免交叉口交叉事故，最嚴重的碰撞根據(jù)死亡人數(shù)計算。交叉路口碰撞包括交叉路口、車道/小巷以及與車道相關的車禍。IMA碰撞分為兩個主要場景：轉(zhuǎn)入相同方向或相反方向的路徑和直線交叉路徑。

（4）左轉(zhuǎn)彎輔助系統(tǒng)（LTA）-在嘗試向左轉(zhuǎn)彎時警告駕駛員存在迎面而來的反向交通。LTA解決了一個涉及車輛左轉(zhuǎn)彎的車禍交叉路口和另一輛車正從相反方向直行。

（5）不通過警告（DNPW）-當駕駛員試圖在一條未分開的雙車道道路上通過較慢的車輛時，警告駕駛員即將駛向相反方向的車輛。DNPW將協(xié)助駕駛員避免過往機動導致的反向碰撞。這些碰撞包括正面碰撞和前傾撞擊以及角度側(cè)擦撞。

（6）盲點/車道變更警告（BS/LCW）-警告駕駛員是否有車輛接近或進入他們在相鄰車道上的盲點。BS/LCW解決了在碰撞之前車輛進行車道改變/合并行駛的碰撞。V2P檢測系統(tǒng)可以在車輛、基礎設施或行人自身中實施，以通過車載系統(tǒng)和手持設備向駕駛員、行人或兩者提供警告。

V2P安全應用的描述如下：

·移動無障礙行人信號系統(tǒng)（PED-SIG）：允許智能手機從視障人士到交通信號的自動呼叫。該應用程序為行人提供音頻提示，以安全地導航人行橫道，并提醒司機試圖轉(zhuǎn)向視障人士。

·行人和信號人行橫道（PED-X）：當行人位于信號交叉口的人行橫道內(nèi)或處于車輛的預定路徑時警告駕駛員。

·智能行人交通信號（IPTS）：利用VRU2I（易受傷害的道路用戶與基礎設施）通信，行人可通過其智能手機激活綠燈需求以穿越交叉路口。當行人穿越時，IPTS可以檢測行人以確定是否應該延長行人通行時間以確保安全穿越。

·智能行人探測器（IPD）：自動檢測行人并代表他們發(fā)出行人信號請求，通?？煽s短行人在穿越之前必須等待的時間。

3.2 V2X應用成果與分析

V2X獲得的收益:

美國國家公路交通安全管理局估計，V2V和V2I啟用的安全應用可以消除或減輕高達80%的非受損碰撞的嚴重程度，包括交叉路口或變換車道時的碰撞。

V2I安全應用：對V2I安全應用程序的研究揭示了可能通過各種應用程序解決的潛在碰撞問題。假設完全市場滲透率和應用程序的100%有效性，則可以避免碰撞。雖然我們知道情況并非如此，但它提供了可以實現(xiàn)的上限。

圖2為美國交通V2I應用避撞的目標。以交叉路口為中心的安全應用可能每年可能解決多達575,000次碰撞。彎道速度警告安全應用程序每年最多可能避免169,000次碰撞[5]

圖2 V2I安全應用的預計收益范圍（年度目標碰撞數(shù)）[4]

V2V安全應用：美國國家公路交通安全管理局發(fā)布了擬議制定V2X規(guī)則的通知，通知要求汽車制造商在短時間內(nèi)實施計劃中安裝V2V通信，能夠產(chǎn)生基本安全信息（BSM）并與其他車輛通信[6]。V2V每年最大的好處是在DSRC和安全相關應用程序全面采用后每年可以減少的車禍、死亡、傷害和車輛（PDOV）財產(chǎn)損失。完全部署后，DOT估計V2X擬議的規(guī)則將：

·每年防止439,000至615,000次撞車事故（相當于多輛輕型車輛撞車事故的13%至18%）

·拯救987至1,366人

·減少305,000至418,000 MAIS 1-5級傷害（MAIS：最大縮減傷害量表），和

·避免僅車輛（PDOV）537,000至746,000件財產(chǎn)損失。

擬議規(guī)則的成本和收益是通過考慮制造商除了DSRC技術之外自愿安裝兩個目前被認為僅由V2V啟用的安全應用程序的情況來估算的。這兩個安全應用程序是交叉口運動輔助（IMA）和左轉(zhuǎn)輔助（LTA）。這種情況是合理的，因為IMA和LTA的增量成本不到DSRC成本的1%，業(yè)界已表示這兩個應用已經(jīng)在他們的研究和部署計劃中。此外，這種情況可能會低估利益，因為制造商可能會選擇提供使用V2V技術的其他安全應用，以及使用DSRC的各種其他技術，例如車輛到基礎設施（V2I）或車輛到行人（V2P）技術。DOT在項目開展過程中也參考了世界各國互聯(lián)汽車技術帶來的收益，見表1。

表1 世界各國互聯(lián)汽車的效益[4]

關于V2V系統(tǒng)成本問題

對于具有IMA和LTA應用的V2V安全設備，擬議規(guī)則的車輛技術成本最初估計為每個受影響車輛249美元至351美元，包括DSRC無線電、DSRC天線、GPS、硬件安全模塊，兩個應用程序和故障的組件成本指標以及安裝人工成本。車輛部件單位成本基于供應商對該機構的成本信息是保密的。到2025年，這些費用降至每輛車不到200美元[6]。

3.3 V2X安全示范部署案例分析與經(jīng)驗教訓(Ann Arbor)總結(jié)

在部署復雜ITS項目（例如具有聯(lián)網(wǎng)車輛技術的項目）時，請使用模塊化項目結(jié)構，并專注于高優(yōu)先級目標和項目組件。

·在啟動互聯(lián)汽車項目時，制定一個重點突出計劃，確定所有利益攸關方，適合每個利益攸關方的信息以及與利益攸關方聯(lián)系的方法。

·在確定連接車輛項目的地理位置的范圍、大小和識別時，執(zhí)行徹底和深思熟慮的分析，并確保用于招募測試對象或驅(qū)動程序的策略與這些假設和實驗計劃的假設一致。

·明確地向連接的車輛設備開發(fā)人員傳達需求和測試程序，并允許對不太成熟的設備進行行業(yè)輸入和迭代。

·在開始多輪測試、反饋、重置和重新測試之前，指定互操作性測試要求和步驟作為連接的車輛設備要求的一部分。

·進行數(shù)據(jù)收集試點測試，以驗證端到端數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理和質(zhì)量評估流程。

在通信領域，互聯(lián)汽車示范站點盡可能使用既定標準，但在許多情況下，是首次在該領域試用標準，或者正在實施尚未建立國家或國際標準的信息。聯(lián)網(wǎng)車輛通信的關鍵組成部分是5.9 GHz頻段的專用短程通信（DSRC），見圖3。在這個頻段內(nèi)有幾個頻道。信道172是主要信道，其攜帶安全相關信息和WAVE服務公告（WSA），其宣傳其他信道上的其他信息和服務的可用性。IEEE 1609.4標準解決了車載環(huán)境中無線接入（WAVE）的多信道操作，因此是互聯(lián)汽車示范站點的無線消息的“官方”規(guī)則集。

圖3 專用短程通信（DSRC）頻段與信道[13]

紐約和坦帕團隊計劃在每輛車中使用雙無線電：一個用于收聽172頻道，另一個用于收聽其他頻道以獲取旅行者信息等補充信息。另一方面，懷俄明州團隊最初計劃使用單個無線電，大部分時間都在收聽172頻道，但切換到其他頻道以收聽其他消息。這種信道切換計劃符合IEEE 1609.4規(guī)范。然而，IEEE 1609.4委員會和幾家正在展望國家公路交通安全管理局（NHTSA）裁決要求實施DSRC的制造商堅持認為，從172航道切換是不安全的，因為安全關鍵信息可能會錯過該頻道。

懷俄明州團隊已同意重新設計其通信系統(tǒng)，以包括雙無線電。然而，發(fā)現(xiàn)單通道切換無線電在技術上符合1609.4標準是標準中的一個主要漏洞，必須由1609.4委員會解決和糾正。

對于示范項目，THEA正在安裝“智能”交通信號控制器，以幫助改善交通流量。隨著THEA進入設計階段，項目工程師與亞利桑那大學信號控制過程的設計人員一起深入研究信號優(yōu)化的細節(jié)。他們了解到信號控制優(yōu)化只有在超過90%接近交叉路口的車輛已知位置和速度時才能發(fā)揮其全部潛力。作為互聯(lián)汽車示范計劃的一部分，用于V2I通信的車輛數(shù)量將提供更小的車輛覆蓋率。

佛羅里達州交通局（FDOT）7區(qū)和HNTB（THEA的通用工程顧問）采用了一種方法來獲取有關接近交叉路口的所有車輛的信息。在考慮了包括環(huán)路探測器和微波探測器在內(nèi)的多種技術后，F(xiàn)DOT同意支付在佛羅里達大道12個交叉路口采購和安裝40多個視頻交通探測器的費用，和內(nèi)布拉斯加大道作為與THEA的聯(lián)合合作協(xié)議的一部分。根據(jù)現(xiàn)有合同，HNTB將提供設計以將其與其他CV試驗操作集成，而互聯(lián)示范計劃則不收取任何費用。THEA將提供10個“藍牙”探測器，以確定這些街道和Meridian Avenue沿線之間的行車時間。這些檢測技術將獲取所需數(shù)量的未裝備車輛，而無需識別或保留有關個別駕駛員或車輛的任何信息。

4 自動駕駛卡車的編隊行駛（Platooning）

在卡車上，車載計算機監(jiān)控傳感器系統(tǒng)并集成來自自適應速度控制、自動制動、車道偏離警告系統(tǒng)和車輛到車輛（V2V）專用短程通信（DSRC）系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。通過允許一輛卡車上的傳感器與另一輛卡車上的傳感器通信，部分自動化卡車可以更緊密地一起行駛以提高燃油效率，這種做法被稱為卡車列車或卡車編隊。

4.1 卡車編隊主要階段

加利福尼亞先進運輸技術合作伙伴（PATH）的研究人員描述了卡車編隊的四個主要階段[7]:

（1）編隊成型-在卡車編隊的第一階段，卡車必須根據(jù)一系列特征識別潛在的編隊伙伴，包括他們的當前位置、目的地、站點數(shù)量、卡車類型和其他變量。這些信息可能難以確定其他驅(qū)動因素是否適用于競爭公司。為了緩解這個問題，目前的研究正在評估形成編隊的三種不同方法：

一是預定編隊（Scheduled Platooning）-運輸公司規(guī)劃人員可以安排多輛卡車在指定的出發(fā)時間和地點形成編隊。作為編隊的一部分分配的卡車知道何時終斷編隊。

二是編隊服務提供商（PSP）-與計劃排隊類似，在這種方法中，外部專業(yè)公司與多個貨運公司和個別卡車司機合作，根據(jù)他們的起始位置、出發(fā)時間和最終目的地進行匹配?？ㄜ囆枰鋫渚庩牸夹g和設備，使PSP能夠知道他們的前進方向和行程時間。使用這些信息，PSP將卡車與他們行駛的特定部分進行匹配，然后在不同的卡車向其他方向行駛時形成新的編隊。

三是即時編隊-隨著編隊變得更加主流，卡車不需要像PSP這樣的單一實體來協(xié)調(diào)行駛?？ㄜ噷⒛軌蜃詣有纬删庩牐⒃诤献骺ㄜ囍g傳輸所需的信息。與其他方法相比，這種方法提供了最大的靈活性，但也需要配備齊全卡車的最大市場滲透率才能正確執(zhí)行。

（2）穩(wěn)態(tài)巡航-巡航階段占據(jù)最大的時間段，同時隊列系統(tǒng)被激活。一旦形成編隊，駕駛員將基于車輛中的自動化水平來操作車輛。當卡車加入或退出編隊或未裝備的車輛切入時，穩(wěn)態(tài)巡航將被修改。在巡航階段，大部分卡車編隊的好處都會增加。

（3）出發(fā)或分離-卡車可能在需要時離開編隊，以完成行程或不同的出行。一旦一臺卡車離開，跟隨它的卡車跟進前車，并縮短離開的車輛留下的間隙。

（4）異常情況-最后一個階段解釋了前三個階段未解決的其他情況。此階段可能包括系統(tǒng)中的潛在錯誤或異常操作條件。任何卡車編隊系統(tǒng)都需要能夠識別和解決這些意外的異常情況。

4.2 卡車編隊技術描述

卡車編隊技術描述主要包含如下內(nèi)容：

·傳感器-短距離和長距離傳感器的組合用于評估車輛周圍的完整環(huán)境，因此它不僅可以跟蹤編隊中的其他車輛，還可以跟蹤道路中的所有其他物體，包括行人和騎車人。LIDAR（光探測和測距）、雷達和攝像機等傳感器可以協(xié)同工作，提供周圍環(huán)境的完整圖像（圖4），使用不同類型的傳感器可在系統(tǒng)中提供設計的冗余。

圖4 卡車編隊與通訊[4]

·本地化服務-全球定位系統(tǒng)（GPS）和慣性導航系統(tǒng)（INS）用于確定車輛的位置。這些系統(tǒng)為車輛提供必要的信息，以準確地確定編隊車輛之間的間距。與傳感器一樣，系統(tǒng)需要冗余，因此如果GPS暫時失效（如在低覆蓋區(qū)域或隧道中），INS可以使用運動傳感器和旋轉(zhuǎn)傳感器來確定車輛方向，直到GPS重新建立其連接。

·V2V通信-DSRC用于車輛之間的車輛性能參數(shù)的低延遲交換信息。作為Wi-Fi技術的延伸，DSRC傳達通過速度和位置信息，使CACC系統(tǒng)能夠快速適應不斷變化的速度和位置，從而促進有效的編隊。

·軟件-每個CACC系統(tǒng)都需要基于軟件的算法，用于處理來自傳感器、車輛和V2V通信的所有信息。這些算法是CACC系統(tǒng)的核心，因為它們需要預測前方車輛的運動和速度以設定后續(xù)車輛的新速度。

·硬件-整個車輛中分布著廣泛的硬件組件，其中包含用于CACC的軟件，連接關鍵系統(tǒng)以及控制車輛速度和制動。

·人機界面-人機接口通知用戶CACC階段的變化（見圖5）。隨著CACC的成熟，需要開發(fā)和測試提供CACC信息而不會導致駕駛員分心的方法。

圖5 卡車編隊與人機界面[4]

下面描述了如何將編隊納入SAE自動駕駛[8]:

0級：沒有自動化，在這個級別上無法進行卡車編隊。

第1級：駕駛員輔助，ACC目前處于這種自動化水平，因為卡車編隊技術只是在協(xié)助駕駛員，駕駛員主要控制車輛并且每個自動功能是分開的。

第2級：部分自動駕駛，在此級別，車輛通信和加速功能與車道對中技術相結(jié)合，以控制大多數(shù)車輛功能。然而，駕駛員仍然存在并且保持對動態(tài)駕駛功能的控制。

第3級：有條件自動駕駛，在此級別，駕駛員可以在某些交通道路或天氣條件下完全控制車輛功能?，F(xiàn)在，自動駕駛系統(tǒng)的任務是監(jiān)控外部行駛環(huán)境。司機仍負責及時響應干預和恢復車輛控制的請求。

第4級：高度自動駕駛，在這個級別有一個指定的駕駛員，但是卡車可以在某些道路、交通和天氣條件下自行駕駛，在特定的駕駛模式駕駛員無需了解道路或卡車的動作。

第5級：完全自動駕駛，在此級別沒有指定的驅(qū)動程序。5級允許在所有駕駛模式下進行全自動駕駛，包括高速公路巡航、并線、低速、交通擁堵和其他條件。這種自動化水平仍處于研究的早期階段，并且近期不會在公路上出現(xiàn)。

4.3 卡車編隊行駛的好處

卡車編隊的評估研究側(cè)重于通過更緊密的車輛間距的空氣動力學效應，以改善燃料經(jīng)濟性（和更低的運營成本），并通過增加的機動性和吞吐量更有效地使用公路設施。

·配備自動車輛技術的卡車之間的連接使其能夠作為一個整體更加平穩(wěn)地運行，并自動減少和控制車輛之間的間隙。配備標準拖車的8級卡車在三卡車CACC排中節(jié)省了5.2%至7.8%的燃油。使用空氣動力學拖車，這些節(jié)省增加到14.2%，最小間隔距離為17.4米（57.1英尺）。

·由能源部NREL使用DSRC V2V通信資助的牽引車拖車編隊示范顯示了主卡車（高達5.3%）和尾隨卡車（高達9.7%）的節(jié)油情況。結(jié)論是編隊對節(jié)油高達6.4%，可變條件-環(huán)境溫度，牽引車和拖車之間的距離以及有效負載重量會影響節(jié)油效果。

·加利福尼亞州的UC PATH計劃模擬了風阻的影響，并通過CACC實現(xiàn)了更短的跟蹤，估計潛在的峰值燃油效率提高20%至25%。然而，研究人員指出，如此短的跟隨間隙（10到20英尺）可能需要專用的卡車車道，因為其他交通改變整個車道的能力將受到限制，并且編隊很難安全地應對緊急情況。

由Auburn大學進行的FHWA贊助的研究已經(jīng)產(chǎn)生了關于卡車編隊節(jié)省行駛時間的初步結(jié)果。駕駛員輔助卡車編隊（DATP）的交通微觀模擬研究發(fā)現(xiàn)，每個具有當前交通量的模擬案例的行駛時間減少的好處，以及在阿拉巴馬州I-85公里的交通量、5英里路段上的兩個增加交通時間的情況（115%和130%）。高峰時段交通狀況下的行駛時間縮短了2%（20%的市場滲透率）到縮短了69%（100%的市場滲透率）。

在荷蘭為三家物流服務提供商進行的卡車編隊商業(yè)案例研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的巡航控制相比，僅僅通過編隊節(jié)省燃料已經(jīng)抵消了年度成本，而節(jié)省勞動力成本則是純粹的利潤。

4.4 卡車編隊研究主要成就成本方面的問題

雖然很有希望，但卡車編隊的商業(yè)案例或投資回報率（ROI）仍然不明確。在美國卡車運輸研究所（ATRI）就FHWA贊助的DATP研究的一部分對卡車編隊的商業(yè)案例進行調(diào)查時，業(yè)主運營商預計投資期平均為10個月，而車隊受訪者則表示平均回報期望為18個月。貨運公司目前正在分析采用編隊技術的好處和成本。額外費用可能包括設備購置、駕駛員培訓、后勤和協(xié)調(diào)、測試和保險費用[9]。

獲得的寶貴經(jīng)驗教訓

69個參與者利益相關者確定了以下主要問題和知識差距，他們設想到2025年為卡車編隊提供廣泛的支持。

安全和保障方面

·展示了編隊的功能安全性、網(wǎng)絡安全、黑客和無線通信安全、緊急情況下安全可靠的制動行為。還包括傳感器、組件、部件、無線通信的可靠性、安全管理（記錄與排隊有關的事故、交通狀況和駕駛員狀況）、卡車司機的隱私和記錄數(shù)據(jù)安全和無線信號干擾器的免干擾能力。

技術需要更多的考驗

·多品牌車輛編隊和標準化通信協(xié)議、主動編隊車輛使用信號燈，對其他道路使用者的影響、編隊順序（適用于具有各種扭矩額定值、制動能力和負載重量的卡車）、無線V2X通信可靠性、在所有混合交通情況下的全編對控制、卡車制造商之間的技術發(fā)展路線圖差異、安全的車間間隙的有效和實時估計等，這些技術仍需要更多的考驗。

法律問題有待解決

·控制權轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)時發(fā)生事故時的責任和義務、修訂無人駕駛車輛的駕駛和休息時間規(guī)定、車輛審批程序、車輛遵循間隙立法、編隊長度限制（每隊車輛數(shù)量）、勞動法評估在編隊時駕駛員可以做什么。

物流業(yè)務有改進空間

·識別和指導可以一起編隊的卡車，以動態(tài)形成一個自主編隊、SAE 1級或2級編隊的系統(tǒng)成本和業(yè)務案例、編隊服務提供商，由不同的車隊所有者和品牌執(zhí)行編隊、貨運公司和司機的認證，以提高信心、物流流程整合，以適應編隊（路由、庫存管理、倉庫運營）、促進商業(yè)利益（解釋編隊的價值）、確定編隊的最佳排列方法（預定或特別編隊或兩者兼而有之）、有效地允許轉(zhuǎn)移/繞行形成編隊所需的最小運輸長度、使用實時數(shù)據(jù)物流控制塔進行臨時編隊的形成、通過在同一方向上整合更多的負荷，促使托運人和承運人讓編隊更具吸引力。

用戶接受和人類行為有待改進

·與其他道路使用者的互動，例如進出高速公路時、通過證明安全和學習信任系統(tǒng)來接受駕駛員、培訓其他道路使用者以接受編隊行駛、駕駛員任務權衡，還有駕駛員注意與無聊、工作滿意度、不安全問題、公眾輿論強烈反對“卡車墻”，通過積極的溝通促進社會公平，使編隊車間隙距離小，減少焦慮和疲憊，加強編隊卡車的駕駛員培訓和認證。

4.5 卡車編隊研究案例分析-FHWA的探索性高級研究（EAR）計劃

在美國，F(xiàn)HWA的探索性高級研究（EAR）計劃目前正在評估自動卡車技術，以評估排隊運營的可行性。最近在弗吉尼亞州森特維爾的I-66實況交通中進行的現(xiàn)場測試中，使用最先進的Level-1協(xié)同自適應巡航控制（CACC）技術證明了卡車編隊的概念。安裝在三輛沃爾沃卡車上的系統(tǒng)使用先進的DSRC（5.9 GHz）無線通訊（圖6），以每秒10次的速率發(fā)送和接收SAE J2735基本安全信息（BSM），如位置、速度、航向和制動狀態(tài)。自動巡航控制（ACC）雷達系統(tǒng)按照距離測量并與車載計算機通信，根據(jù)需要自動啟動制動和油門控制，以55英里/小時的速度保持45至50英尺的車頭距離[10]。駕駛員負責轉(zhuǎn)向，但依靠CACC系統(tǒng)來檢測加入的乘用車，并根據(jù)安全操作的需要增加或減少跟車的車距。

圖6 卡車V2X 裝備圖[4]

CACC的好處[11]:

V2V無線通信使裝備卡車之間更緊密的車輛跟隨支持：

·空氣動力學性能好以節(jié)省能源；

·卡車車道通過量更高，交通密度更高，但擁堵減少；

·增強交通流量穩(wěn)定性；

·通過更快地應對未來潛在問題，提高安全性；

·通過減少其他駕駛員的切入頻率來減輕駕駛員的壓力。

4.6 在互聯(lián)環(huán)境下駕駛輔助系統(tǒng)（Driver Assistance）

所有這些車載技術都是生態(tài)駕駛的先進方面。生態(tài)駕駛只是改變駕駛員的模式和風格，以減少燃料消耗和排放。當與車載通信結(jié)合使用時，可以向駕駛員提供定制的實時駕駛建議，以便他們可以調(diào)整駕駛行為以節(jié)省燃料并減少排放。該建議包括基于當前交通狀況和與附近車輛的相互作用推薦行駛速度、最佳加速度和最佳減速曲線。可以向駕駛員提供關于其駕駛行為的反饋，以鼓勵以更環(huán)保的方式駕駛。車輛輔助策略，其中車輛自動實施諸如ACC和編隊的環(huán)保駕駛策略是使駕駛員更容易實現(xiàn)環(huán)保駕駛的好方法。

圖7顯示了這些技術的安全性、移動性和環(huán)境效益。ACC和自動控制車輛的隊列提供了減少碰撞的安全性。所有這些技術都帶來了環(huán)境效益，包括減少排放（通常是二氧化碳）和減少燃料消耗。

圖7 互聯(lián)生態(tài)駕駛、智能速度控制、自適應巡航控制和編隊行駛的優(yōu)勢范圍（來源：ITS ITS Knowledge Resources)[4].

作為AERIS計劃的一部分評估的生態(tài)速度協(xié)調(diào)和生態(tài)連接自適應巡航控制應用顯示，能源減少高達22%，行程時間減少33%。安裝在部分自動駕駛車輛上的GlidePath協(xié)同自適應巡航控制（CACC）系統(tǒng)的現(xiàn)場測試和評估顯示，這些系統(tǒng)可將燃油經(jīng)濟性提高17%至22%，并將行駛時間縮短至64%。其他研究表明，隨著市場滲透率的提高，采用合作協(xié)議的Eco-CACC算法可以將高速公路容量提高至少三分之二。

華盛頓州西雅圖的一項聯(lián)網(wǎng)汽車現(xiàn)場測試的一部分，配備CV技術的志愿者駕駛員在智能速度控制應用中立即獲得了價值。一項針對21名志愿參與者的調(diào)查顯示，車載應用程序如編隊警告、速度協(xié)調(diào)和天氣響應交通管理（WRTM）消息傳遞，這些參與者駕駛DSRC配備的車輛旨在收集來自其他相連車輛和基于基礎設施的系統(tǒng)的速度和道路天氣數(shù)據(jù)。系統(tǒng)使司機能夠在擁堵前采取行動，降低減速或突然停車的需要。

隨著互聯(lián)汽車技術的成熟，預計首先會實現(xiàn)減少擁堵，隨著技術的成熟和市場滲透水平的提高，安全效益也會提高。仿真模型顯示，支持基于編隊的交叉路口管理應用的聯(lián)網(wǎng)車輛技術可以在交通量高時將平均行程時間縮短4%至30%。然而，在自適應信號控制的多智能體環(huán)境中，由于在交通繁忙時形成和處理編隊的困難，在基于繁忙的主干編隊系統(tǒng)可能導致略高的燃料消耗和排放。

互聯(lián)裝置成本問題

隨著技術的變化和改進，這些車載系統(tǒng)的成本迅速變化。雖然大多數(shù)選項僅適用于豪華型號，但隨著相機、雷達和激光組件的制造和集成到新車輛中的成本越來越低，該技術變得越來越容易獲得。諸如自動轉(zhuǎn)向控制功能之類的附加功能可能是主要的成本驅(qū)動因素。在過去幾年中對OEM駕駛員輔助技術定價的觀察表明，這些系統(tǒng)可以將新車的購買價格增加從300美元增加到10,800美元，而大多數(shù)系統(tǒng)的價格都在4,500美元以下。

4.7 Eco-Lanes操作場景模擬（Operational Scenar?io Modeling）主要成就

該研究對環(huán)境應用：實時信息綜合（AERIS）計劃定義的Eco-Lanes操作場景進行了建模。Eco-Lanes操作場景構成六個應用程序，它們使用連接環(huán)境中可用的數(shù)據(jù)，通過提供駕駛反饋和速度建議，以及促進編隊和專用的“生態(tài)車道”來幫助減少燃料消耗和排放。在這種建模工作中模擬了在Eco-Lanes操作場景下捆綁的七個應用中的兩個：生態(tài)速度協(xié)調(diào)（ESH）和生態(tài)協(xié)同自適應巡航控制（Eco-CACC）。

研究方法包括ESH和Eco-CACC應用的模擬和建模是在加利福尼亞州南部的Orange County Line和Tyler Street之間的91號國道東行（SR-91 E）進行的。SR-91 E模擬網(wǎng)絡的交通需求、車輛混合、起始-目的地（OD）模式和駕駛員行為被校準為在代表性夏季工作日收集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)。借助Paramics微觀模擬工具和EPA的機動車輛排放模擬器（MOVES）排放估算工具，根據(jù)實施的方案對各個車輛的運動進行建模，從而可以準確估算燃料消耗、車輛排放和平均行程時間。建模了各種靈敏度場景，其中包括不同的參數(shù)，如交通網(wǎng)絡的車輛需求、互聯(lián)（CV）車載設備（OBE）的滲透率、Eco-CACC應用的觸發(fā)距離以及內(nèi)部編隊的清除率。在對兩個應用程序進行單獨建模之后，它們被組合在同一建模環(huán)境中同時運行，以評估它們的兼容性。假設沒有應用部署（即，CV滲透率設置為零）的基線模型也是從SR-91 E模型開發(fā)的并用于比較目的。

研究主要成就包括：

建模研究表明，除了通用車道之外，設計用于支持專用環(huán)保車道的高速公路設施可以為駕駛員提供選擇，以最大限度地節(jié)省行駛時間或根據(jù)交通狀況和個人行駛需求最小化燃料消耗。

·在較低的交通量下，由于編隊的形成所需的能量較小，通用車道比專用的Eco-lane更節(jié)能。相比之下，在最高的交通量下，由于Eco-CACC應用提供的容量增加，專用Eco-lane比通用車道節(jié)能更多。

·總體而言，互聯(lián)效益可節(jié)省4%至22%的能源，行駛時間節(jié)省-1%至33%。

5 互聯(lián)汽車技術標準、信息安全與隱私保護

5.1 互聯(lián)汽車技術標準

美國汽車行業(yè)在不斷完善互聯(lián)汽車技術標準，這是汽車行業(yè)發(fā)展的基石，汽車行業(yè)互聯(lián)技術發(fā)展的共同語言，美國SAE International承擔著這方面的技術標準需求規(guī)劃、標準起草、標準與各利益攸關方的協(xié)同、標準的推廣工作。美國汽車互聯(lián)技術也采納IEEE和ISO等國際上成熟的標準體系，其標準體系框架和界面見圖8和圖9。

圖8 美國互聯(lián)汽車與ITS標準框架[12]

圖9 美國互聯(lián)汽車的互聯(lián)界面[12]

5.2 信息安全與隱私保護

信息安全是互聯(lián)汽車發(fā)展的基本前提，信息安全的首要任務是安全系統(tǒng)的構架設計，構架設計的主要目標是確保每個連接都是安全的，確保系統(tǒng)設計解決所有連接的安全問題。本文以紐約為例，紐約信息安全系統(tǒng)的構架主要包括交通管理中心（TMC）、交通控制、路邊單元、行人移動設備，紐約市的互聯(lián)交通技術的信息安全構架見圖10，風險控制案例見圖11。行人在交通參與過程中是弱勢群體，其安全系統(tǒng)的設計給予了足夠的重視，行人移動設備的連接必須防止入侵和損壞，與行人有關的信息必須加密，數(shù)據(jù)庫必須得到保護并加密，其安全系統(tǒng)構架見圖12。

圖10 信息安全系統(tǒng)構架[3]

圖11 信息安全的風險[3]

互聯(lián)汽車的信息安全與隱私-設計[13]

（1）由安全憑證管理系統(tǒng)-SCMS提供支持

（2）消息認證（由認證指導者簽名）

（3）消息加密（如果需要）

（4）每周輪換安全證書～60個

（5）更改標識符-5分鐘2公里

-MAC地址，臨時ID，消息計數(shù)器

（6）不良行為檢測-“檢測壞人”

（7）證書撤銷清單分配

-列出Bad Actors和受損設備

（8）特權車輛的特殊服務許可

-緊急車輛、運輸車輛、貨運

圖12 行人PED 應用構架[3]

汽車互聯(lián)技術取決于“可信”的環(huán)境-車輛和基礎設施[3]：

（1）消息驗證（BSM，SPaT，MAP，TIM等......）

（2）數(shù)據(jù)加密（保護隱私）

（3）需要設備認證

-射頻技術（IEEE 802.11p，IEEE1609.x）

-消息內(nèi)容-SAE J2735

-BSM Performance-SAE J2945/1

-應用（和數(shù)據(jù)準確性）

（3）組織上的IT安全

-TMC系統(tǒng)的物理安全性

-登錄和安全實踐

（4）保護所有連接和數(shù)據(jù)交換

（5）互聯(lián)汽車（CV）硬件影響

-用于TMC系統(tǒng)的硬件安全模塊（HSM）

-ASD/OBU和RSU內(nèi)的HSM

6 汽車互聯(lián)（V2X）認證的管理

汽車互聯(lián)技術認證是關系到互聯(lián)汽車示范運行和正常運行安全的重要手段，目前美國已經(jīng)建立了一套完整的認證體系，認證過程由研究機構、供應商、設備儀器供應商等組成的聯(lián)合體公司OMNIAIR進行操作，具體的認證流程見圖13，第1次認證主要包括最低性能要求、信息互操作等，第2次認證主要內(nèi)容包括互操作和道路使用驗證。

圖13 OMNIAIR試驗和認證流程[14]

V2X第1次認證授予（基于2016年標準）

（1）IEEE 802.11p物理層

（2）IEEE 1609.2安全/認證

（3）IEEE 1609.3網(wǎng)絡（包括WSA）

（4）IEEE 1609.4多通道操作

（5）SAE J2945.1 V-V BSMs最低性能要求

（6）信息互操作（試驗室設置）

V2X第2次授予

（1）互操作應用

（2）道路試驗

美國NHTSA早在2014年發(fā)布了信息需求（RFI），尋求確保安全系統(tǒng)相關的信息支持V2X，RFI主要關注了解可能有興趣探索開發(fā)和/或操作V2V安全憑證管理系統(tǒng)（SCMS）組件的可能性的私人實體，收到有關建立SCMS的問題的答復，獲取所有感興趣的公共、私人和學術實體關于SCMS任何方面的反饋，感興趣的表達和評論。SCMS的框架如圖13所示。

圖13 簡化的SCMS構架[15]

SCMS POC提供安全基礎設施，以發(fā)布和管理安全證書，這些證書構成了車輛到車輛（V2V）和車輛到基礎設施（V2I）通信的信任基礎。已連接的車輛設備注冊到SCMS，從證書頒發(fā)機構（CA）獲取安全證書，并將這些證書作為數(shù)字簽名的一部分附加到其消息中。SCMS系統(tǒng)和過程提供了高度的信心，即設備是系統(tǒng)中受信任的參與者，同時還保持隱私。

7 結(jié)束語

本文總結(jié)了美國DOT在互聯(lián)汽車發(fā)展中取得的成就、經(jīng)濟上的投入和獲得的經(jīng)驗，主要解決包括互聯(lián)汽車的安全問題，互聯(lián)汽車的機動和互聯(lián)汽車技術對環(huán)境的影響問題，通過對這三方面的階段性的總結(jié)與評估，為第3階段示范運行和維護提供了輸入、奠定了基礎。這些成就和經(jīng)驗的總結(jié)對中國互聯(lián)汽車技術的發(fā)展有一定的啟發(fā)作用。

美國互聯(lián)汽車示范項目也產(chǎn)生了大量的數(shù)據(jù)，包括智能汽車數(shù)據(jù)、基礎設施數(shù)據(jù)、汽車排隊警示數(shù)據(jù)、ITS傳感器數(shù)據(jù)、車輛編隊數(shù)據(jù)、信號系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)、行駛時間數(shù)據(jù)、基本安全信息、行駛軌跡數(shù)據(jù)、旅行人員信息和信號階段和時間數(shù)據(jù)等。這些大數(shù)據(jù)將在第3階段繼續(xù)進行挖掘，包括數(shù)據(jù)規(guī)范、數(shù)據(jù)過濾與輸出能力、分析與可視化、數(shù)據(jù)獲取與發(fā)現(xiàn)、公共數(shù)據(jù)庫建設、實時數(shù)據(jù)提供等。

第3階段示范運行和維護（O＆M）主要包括、收集性能數(shù)據(jù)以衡量收益、收集混雜數(shù)據(jù)（用于分析）、靜音期間操作、帶警報的主動操作、可靠性評估、正在進行的運營和維護活動，包括處理運營期間的車隊周轉(zhuǎn)率和正在進行的設備維護和支持。