基于智能交通的車路協(xié)同系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用研究

桑中山 景峻 李杰 張英潮 宋增磊

摘要：車路協(xié)同系統(tǒng)（CVIS）是將車輛和道路的各種信息融合在一起，實(shí)現(xiàn)了智慧交通中車和路在智慧交通中的一體化的系統(tǒng)。本文列舉了當(dāng)前國內(nèi)外關(guān)于車路協(xié)同的研究現(xiàn)狀，并對車路協(xié)同中存在的主要技術(shù)進(jìn)行了簡要分析。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合時(shí)代發(fā)展趨勢，對展望了5G技術(shù)和大數(shù)據(jù)環(huán)境下車路協(xié)同系統(tǒng)的發(fā)展前景進(jìn)行展望，并對分析了5G技術(shù)支持下的交通系統(tǒng)帶來的便利及應(yīng)用進(jìn)行分析，為未來車路協(xié)同系統(tǒng)的研究奠定理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：車路協(xié)同；研究現(xiàn)狀；關(guān)鍵技術(shù)；未來5G技術(shù)

在過去的幾十年里，隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們的經(jīng)濟(jì)條件和生活水平都有了很大的提高。隨著汽車數(shù)量的不斷增加，與汽車相關(guān)的交通問題也逐漸增多，例如人們現(xiàn)在所面臨的交通擁堵、交通安全問題，它們都是隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展而出現(xiàn)的新問題。以往對于解決這類問題的經(jīng)驗(yàn)并不多。在當(dāng)今的社會(huì)環(huán)境中，科學(xué)技術(shù)一直在不斷地進(jìn)步，車輛研發(fā)技術(shù)與以往已經(jīng)有了很大的不同，道路的建設(shè)和管理都有了一套更加科學(xué)的方法。在這種情況下，車輛與道路的有機(jī)結(jié)合研究方法就應(yīng)運(yùn)而生了。

車路協(xié)同，顧名思義就是車輛和道路的相互作用，使車輛與道路成為一個(gè)整體。在這個(gè)整體中，道路主要影響的是路面管理系統(tǒng)。在鋪路過程中，要嚴(yán)格遵守各項(xiàng)鋪路指標(biāo)，引進(jìn)設(shè)備對鋪路進(jìn)行精細(xì)施工，盡量減少誤差，確保鋪路質(zhì)量。如果道路的路面系統(tǒng)得不到良好的管理與控制，車路協(xié)同系統(tǒng)就無法有效地發(fā)揮作用。因此，車路協(xié)同系統(tǒng)是以車輛系統(tǒng)和道路系統(tǒng)為基礎(chǔ)進(jìn)行研究與發(fā)展的。

車路協(xié)同技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)勢，可以實(shí)時(shí)觀測、分析車輛周圍環(huán)境及自身運(yùn)行狀態(tài)，為駕駛員提供最優(yōu)的出行方案和駕駛行為建議。同時(shí)，它還可以減少車輛出行延誤、節(jié)能降耗、提高道路通行能力和道路服務(wù)水平，因此受到了交通管理者的廣泛關(guān)注與研究。世界各國也進(jìn)行了較早的研究，目前車路協(xié)同系統(tǒng)正在呈現(xiàn)出較強(qiáng)的發(fā)展勢頭。

一、車路協(xié)同系統(tǒng)功能及主要技術(shù)

（一）協(xié)同系統(tǒng)的功能

車路協(xié)同系統(tǒng)為駕駛員提供更多的駕駛信息，使其了解車輛的運(yùn)行狀態(tài)和道路的信息。同時(shí)，該系統(tǒng)還能夠讓交通服務(wù)提供商及時(shí)提供必要的交通服務(wù)，以確保路網(wǎng)安全、快速、暢通，并改善出行者的出行體驗(yàn)，保障他們的出行安全。此外，該系統(tǒng)還能提升道路的通行能力與服務(wù)水平。

（二）車路協(xié)同系統(tǒng)主要技術(shù)

1.車與車，車與路通信技術(shù)

4G、近距離通信、WiFi等通信技術(shù)在車路協(xié)同系統(tǒng)中的應(yīng)用可以有效保障車輛之間的信息互通。早在2009年，美國大學(xué)就已經(jīng)成功研發(fā)出了車路協(xié)同駕駛實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并命名為CVeT，引起了美國學(xué)者的關(guān)注。在國內(nèi)，也早已經(jīng)有相關(guān)的車路協(xié)同通信技術(shù)體系，例如圖1所示的雄安新區(qū)車路協(xié)同系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，還可以構(gòu)建面向“車路網(wǎng)云”的融合車路協(xié)作智慧交通應(yīng)用技術(shù)體系，并構(gòu)建智慧交通應(yīng)用體系。這樣，示范區(qū)中的網(wǎng)聯(lián)車輛就能夠安全、實(shí)時(shí)、可控地進(jìn)行信息連通，為各種智慧服務(wù)的實(shí)驗(yàn)、試點(diǎn)和示范提供支持。同時(shí)，還可以對適合于新區(qū)的智慧交通新模式進(jìn)行試用，取得顯著的

成效。車車、車路通信主要基于現(xiàn)有的通信、網(wǎng)絡(luò)和信息采集技術(shù)進(jìn)行。例如，利用已有的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，結(jié)合設(shè)置在道路上的信息采集技術(shù)，以及安裝在高速行駛的車輛上的信息接收技術(shù)，將收集到的信息進(jìn)行轉(zhuǎn)化和融合。最后，將最終的信息反饋給車輛駕駛員。這樣，車輛與道路之間就能夠展開可靠的信息溝通，并且獲得準(zhǔn)確的信息。

2.車路協(xié)同系統(tǒng)的交通安全技術(shù)

車路協(xié)同在保障道路交通安全方面起到了重要作用。當(dāng)?shù)缆飞闲旭偟能囕v通過信息交互系統(tǒng)獲取到實(shí)時(shí)信息后，能夠準(zhǔn)確定位道路上的其他車輛。當(dāng)兩輛車之間的距離小于安全距離時(shí)，系統(tǒng)會(huì)向兩輛車發(fā)送預(yù)警信息，及時(shí)提醒駕駛員注意并采取措施以避免車輛相撞。此外，在道路交通量較大時(shí)，車路協(xié)同系統(tǒng)通過分析道路上車輛的位置信息，計(jì)算出車流量較少的車道，然后向駕駛員提供換道提示。這樣可以保證車輛在大交通流中的行車安全性，同時(shí)最大程度地利用已有的道路資源，緩解交通擁堵?？偟膩碚f，車路協(xié)同系統(tǒng)通過信息交互和智能化技術(shù)，提高了道路交通的安全性和效率，為駕駛員提供了更加便捷和安全的出行環(huán)境。

3.車路協(xié)同的交通控制技術(shù)

在車路協(xié)同系統(tǒng)中，交通控制也是一項(xiàng)十分重要的技術(shù)。利用車路協(xié)同系統(tǒng)所收集到的信息，能夠?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)誘導(dǎo)道路交叉口的車輛，提前引導(dǎo)駕駛員控制車速，最大程度地減少交叉口等待通行時(shí)間。通過系統(tǒng)的控制技術(shù)，能夠提升駕駛效率?？刂萍夹g(shù)還可以控制車輛安全距離，其作用類似于交通安全技術(shù)在系統(tǒng)中的應(yīng)用。包括各種預(yù)警機(jī)制，當(dāng)發(fā)現(xiàn)車輛存在安全距離過近時(shí)，發(fā)出預(yù)警。

二、車路協(xié)同系統(tǒng)現(xiàn)存問題及未來發(fā)展

（一）車路協(xié)同系統(tǒng)的現(xiàn)存問題探討

從上述分析可以看出，車路協(xié)同系統(tǒng)在很大程度上依賴于車輛和車輛之間、車輛和道路之間快速、準(zhǔn)確的信息交互，實(shí)現(xiàn)了車路協(xié)同。然而，在現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)下，車輛與車輛、車與路之間無法快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行信息交互，難以實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行條件下的快速介入和快速、可靠的信息傳輸。而且，目前的路側(cè)信息設(shè)備并未有規(guī)劃建設(shè)，車輛在道路上行駛時(shí)，無法及時(shí)地實(shí)現(xiàn)對路側(cè)設(shè)備信息的采集，無法與道路進(jìn)行實(shí)時(shí)的信息交互。目前，道路上的車輛并非全部都能接收到這些信息，對于一些操作系統(tǒng)相對落后的車輛來說，無法實(shí)現(xiàn)這些信息的交互。

總體來說，車路協(xié)同系統(tǒng)的信息傳輸效率很低，主要是因?yàn)榧夹g(shù)、基礎(chǔ)設(shè)施、車輛等方面的原因。研究者們雖然提出了各種方法來提高信息交互的效率，但車路協(xié)同的效果卻并不理想。此外，實(shí)現(xiàn)車輛的碰撞預(yù)警、自動(dòng)剎車、車道偏離預(yù)警等功能還需要專門的團(tuán)隊(duì)來完成。

在5G技術(shù)條件下，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，人、車、路、環(huán)境將完全融合。在這樣的技術(shù)條件下，車輛可以及時(shí)地獲取道路信息，對道路上的突發(fā)情況做出快速地判斷，并采取有效地應(yīng)對措施。這將大大減少道路上的交通事故，給駕駛員帶來更加安全地出行體驗(yàn)。因此，人們認(rèn)為未來的汽車不僅僅是一臺(tái)可以自主駕駛的機(jī)器，而是一臺(tái)擁有情感與溫暖的機(jī)器。

（二）車路協(xié)同系統(tǒng)的未來發(fā)展

為適應(yīng)5G時(shí)代的發(fā)展趨勢，更好地解決交通安全與效率問題，需要研究面向5G的智慧路邊系統(tǒng)架構(gòu)。

1.V2X通信技術(shù)

V2X通信指的是借助某種通信技術(shù)，使車輛與車輛、車輛與道路以及其他信息設(shè)備能夠完成信息的交互。這種通信技術(shù)應(yīng)具有較低的延時(shí)、較高的可靠性。目前主流的V2X通信技術(shù)包括以802.11p為基礎(chǔ)的DSRC、以蜂窩通信為基礎(chǔ)的LTE-V以及5G通信。DSRC技術(shù)體系已趨于穩(wěn)定，LTE-V技術(shù)正在演進(jìn)中，但因由于LTE-V技術(shù)可以平穩(wěn)過渡到5G，所以LTE-V技術(shù)還有更大的發(fā)展空間。

圖2顯示了通信車端的視距多徑信號(hào)，其中N軸上為陣列天線排布，實(shí)線箭頭表示接收信號(hào)。

在圖2中，第k個(gè)OFDM子載波和第n個(gè)天線陣元的信道響應(yīng)最小二乘估計(jì)可表示為：

（1）

式中：εp，κp，φp分別代表第p條路徑上的復(fù)信道增益、信道時(shí)延和到達(dá)角;為第n個(gè)天線陣元的陣列響應(yīng)。

考慮到雙工天線的間隔d一般設(shè)計(jì)為半波長，并遠(yuǎn)小于傳播路徑長度。接收端信道估計(jì)可簡化為：

（2）

接收端CFR估計(jì)矩陣為：

Y=[y1，y2，…，yK ]

其根據(jù)信息論準(zhǔn)則，將頻域協(xié)方差矩陣分解為信號(hào)源矩陣與噪聲矩陣，可得：

X=Zs Σs Zs*+Zn Σn Zn*? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式中：Σs=diag{λ1，λ2，…，λs }為X信號(hào)源矩陣，為較大特征值的合集;Σn=diag{λs+1，λs+2，…，λN }為較小特征值的合集，作為噪聲矩陣。以s作為矩陣束窗口長度，用標(biāo)量ζ定義矩陣束為Z1-ζZ2。其中Z1為信號(hào)源矩陣1～s-1列，Z2為信號(hào)源矩陣2～s列。求解矩陣束在零空間上的廣義特征值如下：

（4）

由式（1）、（2）及（3）進(jìn)行運(yùn)算，考慮到電磁波速度遠(yuǎn)大于車速，可以忽略車速的影響，計(jì)算得AOA的估計(jì)值φ為：

（5）

2.高精度定位基地臺(tái)

目前，大多數(shù)定位系統(tǒng)受限于技術(shù)水平，僅能達(dá)到米級(jí)的定位精度。然而，在5G技術(shù)的支持下，可利用其極低的信息傳輸延遲和高可靠性來跟蹤衛(wèi)星并獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。接著，將數(shù)據(jù)傳輸至移動(dòng)基站，并通過基站對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析解算，從而獲得流動(dòng)車輛的準(zhǔn)確位置，實(shí)現(xiàn)高精度的車輛定位。

3.高精度地圖的發(fā)布

高精度地圖指的是在常規(guī)地圖上疊加更精細(xì)的道路參數(shù)圖層和更實(shí)時(shí)的交通狀態(tài)圖層，也就是靜態(tài)高精圖層和動(dòng)態(tài)高精圖層。在5G技術(shù)的支持下，實(shí)現(xiàn)了高精度地圖的發(fā)布。不同于傳統(tǒng)地圖，高精度地圖采用局部地圖動(dòng)態(tài)更新方式，靜態(tài)高精圖層數(shù)據(jù)主要通過云端獲取，而動(dòng)態(tài)高精圖層數(shù)據(jù)則需從鄰近區(qū)域RSU獲取最實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)。

由此可以看出，隨著5G技術(shù)的發(fā)展，車路協(xié)同系統(tǒng)將能夠很好地解決當(dāng)前一些較難解決的難題。在5G環(huán)境下，車路協(xié)同系統(tǒng)將成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。

三、結(jié)束語

綜上所述，目前車路協(xié)同系統(tǒng)尚處于發(fā)展階段。隨著5G技術(shù)的發(fā)展，車路協(xié)同系統(tǒng)的研究將會(huì)取得更大的進(jìn)展。在未來的發(fā)展過程中，各種車載設(shè)備和道路所需設(shè)備將會(huì)更全面地建設(shè)起來，從而使車路協(xié)同系統(tǒng)更加完善。這將保證人、車、路和環(huán)境可以更快速、可靠地連接在一起，提供更智能化、安全化、舒適化的交通出行服務(wù)和駕駛體驗(yàn)。車路協(xié)同系統(tǒng)綜合考慮了車輛、道路、行人和環(huán)境，將成為未來智能交通發(fā)展的重要方向。因此，研究車路協(xié)同系統(tǒng)是非常有意義和必要的。

作者單位：桑中山 景峻 李杰 張英潮 宋增磊

山東高速信息集團(tuán)有限公司

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]靳雯婷，白昀，付強(qiáng)，等.基于駕駛模擬技術(shù)的車路協(xié)同生態(tài)駕駛預(yù)警系統(tǒng)節(jié)能減排效果分析[J]. 交通節(jié)能與環(huán)保，2023，19（2）：91-99.

[2]陳長浩. 城市道路車路協(xié)同系統(tǒng)解決方案的研究與應(yīng)用[J]. 電子技術(shù)與軟件工程， 2022，（24）：161-165.

[3]丁飛，張楠，李升波，等. 智能網(wǎng)聯(lián)車路云協(xié)同系統(tǒng)架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)研究綜述[J]. 自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2022，48（12）：2863-2885.

[4]嚴(yán)炎. 基于C-V2X的車路云協(xié)同系統(tǒng)架構(gòu)及場景化部署方法研究[J]. 廣東通信技術(shù)， 2022，42（12）：35-39+43.

[5]榮少華，王松浩，歐陽波濤. 基于蜂窩車聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的智軌電車車路協(xié)同系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 控制與信息技術(shù)，2022，（06）：56-61.

[6]鄭玲玲. 智慧高速公路車路協(xié)同系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析[J]. 中國交通信息化，2022，（S1）：25-27.

[7]李翠萍，趙鵬超，胡鑫，等. 車路協(xié)同V2X仿真驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 汽車與新動(dòng)力， 2022，5（03）：36-39.

桑中山（1974.02-），男，漢族，濟(jì)南，山東高速信息集團(tuán)有限公司工會(huì)主席，高級(jí)工程師，研究方向：高速公路信息化及監(jiān)控、通信、收費(fèi)三大系統(tǒng)的建設(shè)、運(yùn)維；

景峻（1977.08-），男，漢族，濟(jì)南，山東高速信息集團(tuán)有限公司董事長，正高級(jí)工程師，研究方向：高速公路信息化，負(fù)責(zé)智慧高速建設(shè)方案總體設(shè)計(jì)、云收費(fèi)系統(tǒng)研發(fā)，主導(dǎo)建設(shè)智能網(wǎng)聯(lián)測試基地項(xiàng)目；

李杰（1980.06-），男，漢族，濟(jì)南，山東高速信息集團(tuán)有限公司總經(jīng)理，高級(jí)工程師，研究方向：負(fù)責(zé)智慧高速科研與工程落地工作，推動(dòng)山東省智慧高速建設(shè)，并依托工程項(xiàng)目開展標(biāo)準(zhǔn)制定、科研項(xiàng)目研發(fā)等一系列科技創(chuàng)新工作；

張英潮（1984.01-），男，漢族，濟(jì)南，研究方向：負(fù)責(zé)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)可行性評(píng)價(jià)、項(xiàng)目資金管理；

宋增磊（1992.01-），男，漢族，濟(jì)南，研究方向：負(fù)責(zé)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)。