對車路協(xié)同(V2X) 技術(shù)協(xié)助汽車自動駕駛的思考

馬曉易

關(guān)鍵詞：車路協(xié)同;自動駕駛汽車;車輛網(wǎng);智能交通;道路交通

隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，我國居民收入和生活水平不斷增長，隨著我國機(jī)動車保有量在持續(xù)上升。2022年1月11日公安部公布的數(shù)據(jù)顯示：2021年，全國機(jī)動車保有量達(dá)到3.95億輛，其中汽車3.02億輛;機(jī)動車駕駛?cè)诉_(dá)4.81億人，其中汽車駕駛?cè)?.44億人。新注冊登記機(jī)動車3674萬輛，同比增長10.38%。

越來越多的機(jī)動車在給人們帶來生活與工作便利的同時，也帶來了一些問題，比如更多的交通擁堵、更高的交通事故發(fā)生率以及污染增加等問題。近年來，即使有著ABS、EBD、SRS等不斷更新的軟硬件安全保障系統(tǒng)，我國道路交通事故起數(shù)及死亡人數(shù)依然居高不下（如圖1）。另據(jù)統(tǒng)計(jì)，公路與城市道路事故起數(shù)比為1.4：1，而公路交通事故死亡人數(shù)是城市道路死亡人數(shù)的3倍，公路上平均每5起事故死亡1人，城市道路上平均每12起事故死亡1人。為減少交通事故，降低能耗，一種新的交通模勢在必行——智能交通系統(tǒng)（ITS）。智能交通系統(tǒng)是將先進(jìn)的信息技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊傳輸技術(shù)、電子傳感技術(shù)、控制技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)等有效地集成運(yùn)用于整個地面交通管理系統(tǒng)而建立的一種在大范圍內(nèi)、全方位發(fā)揮作用的，實(shí)時、準(zhǔn)確、高效的綜合交通運(yùn)輸管理系統(tǒng);它有2個顯著特點(diǎn)：一是著眼于交通信息的廣泛應(yīng)用與服務(wù)，二是著眼于提高既有交通設(shè)施的運(yùn)行效率。

1.基于自動駕駛的智能交通系統(tǒng)

據(jù)記載，智能交通創(chuàng)始于1973年。

但早期受限于通信手段，智能交通發(fā)展緩慢。1995—2000年，通信技術(shù)在數(shù)據(jù)傳輸速度和位置服務(wù)技術(shù)方面的發(fā)展突飛猛進(jìn)，智能交通發(fā)展明顯加快。2000—2010年，計(jì)算能力與云端傳輸技術(shù)的發(fā)展拓寬了智能交通的維度。

2010年至今，隨著大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)的發(fā)展，基于智能輔助駕駛及自動駕駛的智能交通系統(tǒng)成為未來發(fā)展的重要方向，并成為建設(shè)智慧城市的重要一環(huán)。

在實(shí)踐與研究中，人們將汽車駕駛的自動化程度分為若干階段。目前公認(rèn)的自動駕駛分級標(biāo)準(zhǔn)由SAE（國際自動機(jī)工程師學(xué)會）制定，即將汽車的駕駛程度分為L0～L5共6個等級。L0代表沒有自動駕駛加入的傳統(tǒng)人類駕駛，而L1～L5則隨自動駕駛的技術(shù)配置進(jìn)行了分級。分別概述如下：Level0（無自動化）：由人類駕駛者全權(quán)操作汽車，在行駛過程中可以得到警告和保護(hù)系統(tǒng)的輔助。

Level1（駕駛支援）：通過駕駛環(huán)境對放線盤和加減速中的一項(xiàng)操作提供駕駛支援，對其他的駕駛動作都由人類駕駛員進(jìn)行操作。

Level2（部分自動化）：通過駕駛環(huán)境對方向盤和加減速中的多項(xiàng)操作提供駕駛支援，其他的駕駛動作都由人類駕駛員進(jìn)行操作。

Level3（有條件自動化）：由無人駕駛系統(tǒng)完成所有的駕駛操作。根據(jù)系統(tǒng)請求，人類駕駛者提供適當(dāng)?shù)膽?yīng)答。

Level4（高度自動化）：由無人駕駛系統(tǒng)完成所有的駕駛操作。根據(jù)系統(tǒng)請求，人類駕駛者不一定需要對所有的系統(tǒng)請求作出應(yīng)答，限定道路和環(huán)境條件等。

Level5（完全自動化）：由無人駕駛系統(tǒng)完成所有的駕駛操作。人類駕駛者在可能的情況下接管。在所有的道路和環(huán)境條件下駕駛。

從國內(nèi)實(shí)踐看，目前自動駕駛汽車的應(yīng)用場景及水平處于處在L3、L4階段，并有人表示L3級自動駕駛并不實(shí)用，產(chǎn)品應(yīng)該從L2直接跨越到L4級。目前L4級自動駕駛車輛的商業(yè)化主要體現(xiàn)在商用車領(lǐng)域，已運(yùn)用于港口碼頭的封閉區(qū)域以及各個城市劃定的封閉路段或部分開放路段。例如：2018年，天津港，由中國重汽等方面聯(lián)手打造的全球首輛無人駕駛電動卡車開啟試運(yùn)營;2019年，上海洋山深水港，由上汽紅巖等聯(lián)手打造的5G+自動駕駛重卡首次投入商業(yè)化應(yīng)用;2019年，由宇通客車等聯(lián)手打造的4輛自動駕駛巴士在鄭州市智慧島公開道路上試運(yùn)行;等等。這些自動駕駛車輛普遍使用了移動車聯(lián)網(wǎng)（C-V2X）技術(shù)，即：通過攝像頭、毫米波雷達(dá)和激光雷達(dá)，以蜂窩通信技術(shù)為基礎(chǔ)開發(fā)的移動車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了車聯(lián)網(wǎng)與L4級自動駕駛。但它們只能在特定的范圍內(nèi)行駛，而且據(jù)悉有的車輛在遇到緊急情況或禮讓行人進(jìn)行制動時的平順性和乘坐舒適性還有待改善;實(shí)現(xiàn)自動駕駛的投入成本也很高;目前仍然處在試運(yùn)行階段，還需要不斷積累運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行提升。

2.自動駕駛中的車路協(xié)同（V2X）技術(shù)

在實(shí)現(xiàn)自動駕駛的過程中，車路協(xié)同（V2X，vehicletoeveything）技術(shù)起著至關(guān)重要的作用。V2X是一種能讓車輛與交通系統(tǒng)中周圍的移動物進(jìn)行通信的技術(shù)，主要涉及3個端口：車端、路側(cè)端和云端。

自動駕駛在很多人的設(shè)想中，有許多不同的實(shí)現(xiàn)方式;單車智能與車路協(xié)同都是在自動駕駛道路上的不同探索，但在一輪一輪的商業(yè)實(shí)踐下，單車智能的發(fā)展遭遇了瓶頸。于是，車企們不約而同地開始走向車路協(xié)同技術(shù)與單車智能相結(jié)合的道路（圖2示出車路協(xié)同下的自動駕駛體系），把自動駕駛汽車看作是智能交通的一環(huán)，作為智能交通循環(huán)參與者與構(gòu)建者，將車路協(xié)同與單車智能漸進(jìn)演化發(fā)展為一套自動反饋的體系。

3.為什么實(shí)現(xiàn)自動駕駛，需要車路協(xié)同（V2X）？

隨著研發(fā)的逐步深入，單車智能化的弊端不斷顯現(xiàn)，其一是單車智能需要獲取多維信息。毫米波雷達(dá)、攝像頭、激光雷達(dá)等硬件設(shè)備雖然可以讓車輛的“視覺”符合駕駛要求，但隨著自動駕駛信息采集的多維化，不斷增加的硬件需求持續(xù)提高著車輛成本，維護(hù)難度與人員投入，使研發(fā)進(jìn)入惡性循環(huán)。其二是單車智能的運(yùn)算力不足以針對道路的所有突發(fā)情況，例如：圖像采集時的光照影響面目識別;表情姿態(tài)會影響陰影進(jìn)而影響識別率;采集的人臉圖像不完整影響后面的特征提取與識別;對不同年齡段的算法識別率也不同;對于分辨率低/噪聲大/質(zhì)量差的人臉圖像難以識別;隨著大規(guī)模人臉識別與數(shù)據(jù)庫規(guī)模的增長，人臉?biāo)惴ǖ男阅芟陆?，以及在這個過程中要處理的海量數(shù)據(jù)等種種問題，單車智能的計(jì)算力和控制力顯著不足。而且，對于尚未解決的單車感知最后5%的長尾問題：受車端傳感器安裝位置、探測距離、視場角、數(shù)據(jù)吞吐、標(biāo)定精度、時間同步等限制，車輛在極端環(huán)境與復(fù)雜交通時仍然難以徹底解決準(zhǔn)確感知識別和高精度定位問題。這些問題會嚴(yán)重干擾自動駕駛車輛商業(yè)化的落地，而車路協(xié)同是解決這些問題的可能辦法。

4.車路協(xié)同（V2X）的優(yōu)勢

為解決上述問題，車路協(xié)同（V2X）可以將車體作為整個車與車、車與路、車與人的循環(huán)中的一環(huán)，彌補(bǔ)單個車輛的不足，把車、路、人的信息交互化為車輛的“視覺”，這可大幅減少車輛的成本、填補(bǔ)單個車輛視角盲區(qū)，彌合技術(shù)缺陷等。

2021年12月30日，由中國汽車工程學(xué)會等共同主辦的第3屆國際汽車智能共享出行大會上，高新興智能網(wǎng)聯(lián)副總經(jīng)理李大成表示：V2X技術(shù)可以從直接信息來源、超視距通信、不同時間空間檢測、高效交互協(xié)作等方面對自動駕駛進(jìn)行賦能。例如，車路協(xié)同系統(tǒng)可綜合天氣、交通狀況、路面狀況等因素為無人快遞車規(guī)劃最優(yōu)路線，保障貨物安全、精確地到達(dá)。規(guī)劃路線時也可實(shí)時錄入因?yàn)槌鞘芯G化、暫時事故引起的微小道路變化，確保行車安全。車聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用從道路安全類、交通效率類、信息服務(wù)類等基本應(yīng)用向智慧交通、自動駕駛等增強(qiáng)應(yīng)用演進(jìn)，滿足多樣化的通信性能需求。在基本應(yīng)用中，道路安全類對通信性能要求最高，以高頻度、低時延、高可靠為主要需求，而日益發(fā)展完善的5G可依靠高速率、超高可靠性和低延時的優(yōu)點(diǎn)可以滿足V2X的應(yīng)用需求。

更全面的體系，可在人車鏈接方面針對無信號燈、事故多發(fā)的人行道口開發(fā)智慧斑馬線。將行人、機(jī)動車的信息匯總給機(jī)動車，提醒車主降速并提高注意力，并在路口亮起信號燈提醒人群躲避。針對惡劣天氣造成的路面損傷、信號牌的模糊遮掩、大車相撞，可通過車路協(xié)同系統(tǒng)提醒車主，結(jié)合紅綠燈倒計(jì)時與車輛行駛情況給與車主合適的駕駛建議，從而減少制動造成的能量損耗。

針對變道、專用車道、特殊車輛（如警車）的優(yōu)先行駛需求，可基于機(jī)器學(xué)習(xí)與人工智能算法來制定區(qū)域通行最優(yōu)辦法，或?qū)⑻厥馇闆r即時匯報(bào)到醫(yī)院、交警、保險公司和搶險救援單位等。

5.目前車聯(lián)網(wǎng)及車路協(xié)同（V2X）方面待解決的問題及支持政策

車聯(lián)網(wǎng)的概念源于物聯(lián)網(wǎng)，即車輛物聯(lián)網(wǎng)，是以行駛中的車輛為信息感知對象，借助新一代信息通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)車與X（即車與車、人、路、服務(wù)平臺）之間的網(wǎng)絡(luò)連接。

車聯(lián)網(wǎng)通過整合GPS導(dǎo)航技術(shù)、車對車交流技術(shù)（車路協(xié)同（V2X））、無線通信及遠(yuǎn)程感應(yīng)技術(shù)奠定了新的汽車技術(shù)發(fā)展方向，包括提升車輛的智能駕駛水平，為用戶提供安全、舒適、智能、高效的駕駛感受與交通服務(wù)，同時提高交通運(yùn)行效率，提升交通的社會服務(wù)的水平。

從技術(shù)層面來看，目前車聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要有2大類：DSRC（即IEEE802.11p）標(biāo)準(zhǔn)、蜂窩車聯(lián)網(wǎng)（C-V2X）標(biāo)準(zhǔn)。DSRC（IEEE802.11p）標(biāo)準(zhǔn)是在IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上增強(qiáng)設(shè)計(jì)的V2X無線接入技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，支持V2X直通通信，在車輛相對密集時延遲高、魯棒性低。其中，蜂窩移動通信（如4GLTE和5G）范圍廣、容量大、強(qiáng)度高，適應(yīng)遠(yuǎn)程通信，但無法勝任點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多點(diǎn)的通信任務(wù)，也就是說，單一通信制式無法滿足車聯(lián)網(wǎng)通信需求，而需要多種技術(shù)的混合應(yīng)用。

從實(shí)踐來看，近年車路協(xié)同技術(shù)得到了長足進(jìn)步（如圖3所示），但仍有3個待解決的問題：一是車路協(xié)同通信的國家標(biāo)準(zhǔn)仍未制訂;二是車路協(xié)同在中外的發(fā)展仍停留在理論研究、實(shí)驗(yàn)測驗(yàn)與局部商用的階段，并未大幅度商用、民用，有待提升技術(shù)及應(yīng)用水平;三是信息安全問題，車路協(xié)同意味著可以掌握所有路徑上的信息，對這種信息還沒有得到安全上的保障。

近年來，國家有關(guān)政策為車聯(lián)網(wǎng)以及包括智能輔助駕駛汽車、自動駕駛汽車在內(nèi)的智能汽車及智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展指明了方向。2015年，國務(wù)院印發(fā)的《中國制造2025》指出：到2020年要掌握智能輔助駕駛總體技術(shù)及各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，到2025年要掌握自動駕駛總體技術(shù)及各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。2017年工信部、發(fā)改委、科技部聯(lián)合印發(fā)的《汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》指出：加大智能網(wǎng)聯(lián)汽車關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，重點(diǎn)攻克環(huán)境感知、智能決策、協(xié)同控制等核心關(guān)鍵技術(shù)。開展智能網(wǎng)聯(lián)汽車示范推廣，分階段、有步驟推進(jìn)智能網(wǎng)聯(lián)汽車應(yīng)用示范;探索適合中國國情、多領(lǐng)域聯(lián)動的智能網(wǎng)聯(lián)汽車創(chuàng)新發(fā)展模式。2020年2月10日，國家發(fā)改委等11部門聯(lián)合發(fā)布的《智能汽車創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略》提出：到2025年，車用無線通信網(wǎng)絡(luò)（LTE-V2X）實(shí)現(xiàn)區(qū)域覆蓋，新一代車用無線通信網(wǎng)絡(luò)（5G-V2X）在部分城市、高速公路逐步開展應(yīng)用，高精度時空基準(zhǔn)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)全覆蓋。2020年2月，國家發(fā)改委等23部門發(fā)布的《關(guān)于促進(jìn)消費(fèi)擴(kuò)容提質(zhì)，加快形成強(qiáng)大國內(nèi)市場的實(shí)施意見》提出：推動車聯(lián)網(wǎng)部署應(yīng)用。2020年3月，工信部發(fā)出《關(guān)于推動5G+車聯(lián)網(wǎng)加速發(fā)展的通知》。等等。