車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧道路建設(shè)中的應(yīng)用

石 鵬,毛少東

（華昕設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,江蘇 無(wú)錫 214026）

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，汽車保有量不斷增加，車輛對(duì)道路造成的壓力也隨之增加。社會(huì)交通運(yùn)輸行業(yè)的快速發(fā)展、汽車工業(yè)的不斷發(fā)展和進(jìn)步、信息技術(shù)及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的廣泛應(yīng)用，促進(jìn)了新一代移動(dòng)通信與車載電子系統(tǒng)（Vehicle & Electronics System）技術(shù)在車載電子系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用與普及。在此背景下，車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并得到迅速發(fā)展。車聯(lián)網(wǎng)是指基于移動(dòng)通信、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的一種新型車輛交通信息服務(wù)系統(tǒng)。作為利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與傳統(tǒng)車輛交通信息服務(wù)相結(jié)合而形成的一種新業(yè)態(tài)，車聯(lián)網(wǎng)是當(dāng)前最具發(fā)展前景的一項(xiàng)先進(jìn)、實(shí)用、靈活、便捷的新型通信信息服務(wù)技術(shù)體系。

1 車聯(lián)網(wǎng)及其發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 車聯(lián)網(wǎng)含義和特征

車聯(lián)網(wǎng)即車輛物聯(lián)網(wǎng)，是一個(gè)由汽車信息、通信技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)等組成的交互式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。通過(guò)車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以有效地提高車輛的智能駕駛性能，改善車輛的乘坐體驗(yàn)，保證車輛的安全，并提高車輛的使用效率。車聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)如下：①保證安全。通過(guò)車聯(lián)網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍環(huán)境、狀態(tài)等信息的收集，為車輛的交通安全提供預(yù)警和保障，從而減少交通事故的發(fā)生。②改善運(yùn)輸?shù)男?。車?lián)網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)車輛的實(shí)時(shí)導(dǎo)航，并對(duì)車輛的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，確定最優(yōu)行駛路徑，從而達(dá)到提高車輛行駛速度的目的。③實(shí)施智能化的控制（sensor）。車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是將傳感技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)和智能信息技術(shù)結(jié)合起來(lái)，使車輛管理、決策、控制成為可能[1]。

1.2 車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀

美國(guó)聯(lián)邦通訊委員會(huì)在2019年12月為C-V2X提供了一個(gè)20 MHz的頻帶，以促進(jìn)C-V2X的發(fā)展；日本在2019年通過(guò)了《道路運(yùn)輸車輛法》的修正案，并著手對(duì)使用C-V2X進(jìn)行頻次分配的可行性進(jìn)行了研究；歐洲理事會(huì)還在2019年3月宣布，將在車輛、交通標(biāo)志和高速公路上安裝與聯(lián)網(wǎng)有關(guān)的設(shè)備。

無(wú)錫于2017年9月建設(shè)第一個(gè)以LTE-V2X為基礎(chǔ)的十字路口信號(hào)燈和交通影像推送試驗(yàn)場(chǎng)地，覆蓋無(wú)錫太湖會(huì)展中心周圍3.7 km的開放路段6個(gè)交叉路口，包括9個(gè)V2I場(chǎng)景、3個(gè)V2V場(chǎng)景。

2019年5 月，首個(gè)國(guó)家級(jí)車聯(lián)網(wǎng)先導(dǎo)區(qū)——江蘇（無(wú)錫）車聯(lián)網(wǎng)先導(dǎo)區(qū)揭牌，打造全球規(guī)模最大的城市級(jí)C-V2X網(wǎng)絡(luò)，涉及618個(gè)點(diǎn)段數(shù)字化改造，覆蓋面積350 km2，應(yīng)用場(chǎng)景包含特種車輛優(yōu)先通行、交通信號(hào)上圖等40余項(xiàng)。首創(chuàng)“一中心三平臺(tái)”架構(gòu)，全面打通交管、車輛、出行服務(wù)等領(lǐng)域的橫向數(shù)據(jù)交互，形成國(guó)內(nèi)最齊全、最完備的交管信息接入；突破車聯(lián)網(wǎng)核心關(guān)鍵技術(shù)，全球首次規(guī)模實(shí)現(xiàn)“人、車、路、網(wǎng)、云”數(shù)據(jù)的高效互聯(lián)互通。

2021年5 月，無(wú)錫與北京、上海、廣州、武漢、長(zhǎng)沙等城市共同成為住建部和工信部組織的智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與智能網(wǎng)聯(lián)汽車協(xié)同發(fā)展首批試點(diǎn)城市。數(shù)字化基礎(chǔ)設(shè)施將更廣泛地布局、提供更精準(zhǔn)的服務(wù)、更大力度支持車聯(lián)網(wǎng)（智能網(wǎng)聯(lián)汽車）產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。而車聯(lián)網(wǎng)（智能網(wǎng)聯(lián)汽車）作為交通大數(shù)據(jù)的來(lái)源，也將成為智慧城市生長(zhǎng)的動(dòng)力來(lái)源。

2 車聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)

2.1 感知層

感知層是車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中最基本的功能單元，能夠?qū)⒌缆翻h(huán)境、車輛和行人等交通信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳送給用戶，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)交通狀態(tài)和行駛狀況的全面感知。感知層包括了車載終端（車載設(shè)備）和通信基站（通信網(wǎng)絡(luò)單元）兩個(gè)部分。車載終端即車載無(wú)線通信設(shè)備，可以是一部或多部具有獨(dú)立功能的汽車，如汽車音響、GPS定位等，也可以是多臺(tái)具有相同功能的車輛，如手機(jī)、平板電腦等。在不同類型的車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中（如智能移動(dòng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)）其硬件架構(gòu)和軟件架構(gòu)也有所不同。感知層實(shí)現(xiàn)了車聯(lián)網(wǎng)中交通狀態(tài)、道路狀況、行人信息的實(shí)時(shí)采集功能，為車聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)[2]。

2.2 網(wǎng)絡(luò)層

車聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層主要包括移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和固定網(wǎng)絡(luò)。移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，由于車輛的移動(dòng)性，因此其使用范圍相對(duì)固定，一般用于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用等高速數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。固定通信網(wǎng)絡(luò)，是指由車載終端與互聯(lián)網(wǎng)連接而形成的局域網(wǎng)連接，可用于對(duì)信息進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)等服務(wù)。

2.3 應(yīng)用層

在車聯(lián)網(wǎng)中，應(yīng)用層可以針對(duì)不同的用戶需要，為其提供不同的應(yīng)用功能。該系統(tǒng)根據(jù)車路協(xié)作信息，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛、車載娛樂、遠(yuǎn)程監(jiān)控、應(yīng)急救助等功能，以及汽車自動(dòng)駕駛等實(shí)用技術(shù)。

3 智慧道路分級(jí)

3.1 分級(jí)原則

依據(jù)智慧道路的基礎(chǔ)設(shè)施、通信設(shè)施、感知與計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施的構(gòu)成和設(shè)施的數(shù)字化、信息化、智能化水平，以及支持的應(yīng)用場(chǎng)景類別等要素進(jìn)行能力等級(jí)劃分，劃分為基礎(chǔ)智能網(wǎng)聯(lián)道路、中級(jí)智能網(wǎng)聯(lián)道路、高級(jí)智能網(wǎng)聯(lián)道路。

3.2 等級(jí)劃分要素

基于以下要素對(duì)智能網(wǎng)聯(lián)道路等級(jí)進(jìn)行劃分：

（1）是否部署符合相關(guān)行業(yè)需求的道路基礎(chǔ)設(shè)施，設(shè)施至少包括：交通標(biāo)志標(biāo)線、交通信號(hào)控制、交通運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、交通違法行為監(jiān)測(cè)等設(shè)施。

（2）是否具備聯(lián)網(wǎng)及信息交互能力，交互信息至少包括：設(shè)備基本屬性信息、靜態(tài)信息和動(dòng)態(tài)運(yùn)行信息。

（3）是否具備感知、全域交通信息采集和感知融合能力，設(shè)施至少包括道路基礎(chǔ)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)、道路橋梁檢測(cè)、交通事件檢測(cè)等設(shè)施，感知融合信息應(yīng)能支撐車路協(xié)同信息服務(wù)應(yīng)用。

（4）是否具備高精度的全域信息采集和數(shù)據(jù)融合感知能力，設(shè)施至少包括高精度的定位設(shè)備、路側(cè)感知設(shè)備、路側(cè)計(jì)算單元；高精度信息至少包括道路全息信息、車輛運(yùn)行信息、交通事件信息，應(yīng)能支撐輔助駕駛、自動(dòng)駕駛功能以及高精度的車路協(xié)同信息服務(wù)應(yīng)用[3]。

3.3 基礎(chǔ)智能網(wǎng)聯(lián)道路

基礎(chǔ)智能網(wǎng)聯(lián)道路設(shè)施應(yīng)滿足對(duì)應(yīng)行業(yè)的基本智能化需求，并能獨(dú)立接入各行業(yè)專用平臺(tái)，部署交通標(biāo)志標(biāo)線、交通信號(hào)控制設(shè)備、交通運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)施、交通違法行為監(jiān)測(cè)設(shè)施等，通過(guò)公網(wǎng)或行業(yè)專網(wǎng)，獲取道路的監(jiān)控視頻，采集道路交通流量等數(shù)據(jù)，滿足相關(guān)部門管理和服務(wù)的需求。

3.4 中級(jí)智能網(wǎng)聯(lián)道路

中級(jí)智能網(wǎng)聯(lián)道路在基礎(chǔ)智能網(wǎng)聯(lián)道路基礎(chǔ)上支持全域交通信息采集和感知融合，可提供車路協(xié)同和支撐精細(xì)化行業(yè)管理的信息服務(wù)能力。部署道路基礎(chǔ)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)、道路橋梁監(jiān)測(cè)、交通事件檢測(cè)等設(shè)施，通過(guò)基于移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的車用無(wú)線通信技術(shù)直連通信或蜂窩通信，獲取道路信息、交通參與者、交通事件等靜態(tài)與動(dòng)態(tài)信息，支持安全類、效率類車路協(xié)同應(yīng)用；車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)匯聚路側(cè)融合感知數(shù)據(jù)，對(duì)行業(yè)平臺(tái)提供開放服務(wù)，通過(guò)信息發(fā)布、交通出行誘導(dǎo)、事件預(yù)警、行駛安全輔助信息實(shí)時(shí)傳輸推送等，實(shí)現(xiàn)路網(wǎng)均衡暢通，

提高交通安全系數(shù)。

3.5 高級(jí)智能網(wǎng)聯(lián)道路

高級(jí)智能網(wǎng)聯(lián)道路在中級(jí)智能網(wǎng)聯(lián)道路基礎(chǔ)上支持高精度的全域信息采集和數(shù)據(jù)融合感知能力，可提供全天候、高可靠、全方位的路網(wǎng)服務(wù)及監(jiān)管能力，部署高精度的定位、感知、路側(cè)計(jì)算單元等設(shè)施，獲取道路全息信息，以及精準(zhǔn)的交通參與者、交通事件等靜態(tài)與動(dòng)態(tài)信息，支持面向自動(dòng)駕駛車輛的協(xié)同決策、調(diào)度和控制。車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)對(duì)行業(yè)平臺(tái)提供開放服務(wù)，支持城市數(shù)字孿生、道路智慧養(yǎng)護(hù)、智慧城管等涉及城市數(shù)字化治理的各類應(yīng)用[4]。

4 車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在城市道路的主要應(yīng)用場(chǎng)景

4.1 綠波車速引導(dǎo)

采用雷達(dá)、視頻等感知設(shè)備，實(shí)現(xiàn)高精度全天候數(shù)據(jù)采集及車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)融合，為路口信號(hào)配時(shí)、動(dòng)態(tài)綠波控制、信號(hào)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)推送提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

4.2 交叉口碰撞預(yù)警

當(dāng)車輛駛向交叉路口時(shí)，駕駛員的視線可能被路口的障礙物或車輛右側(cè)盲區(qū)阻擋，使得車輛駕駛員無(wú)法對(duì)當(dāng)前路口左側(cè)或者右側(cè)駛向路口的車輛作出判斷時(shí)，特別容易出現(xiàn)碰撞事故。利用視頻檢測(cè)設(shè)備、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)、MEC、RSU等感知計(jì)算設(shè)備，在主車行駛過(guò)程中，與側(cè)向行駛的遠(yuǎn)車存在碰撞危險(xiǎn)時(shí)，碰撞預(yù)警應(yīng)用將對(duì)主車駕駛員進(jìn)行預(yù)警，避免或減輕側(cè)向碰撞，提高通行安全[5]。

4.3 路段行人過(guò)街預(yù)警

部分路段行人過(guò)街因橋墩、綠化遮擋，導(dǎo)致視線不良，尤其在夜間光環(huán)境較差，容易引發(fā)交通事故。感知設(shè)備檢測(cè)出行人或者非機(jī)動(dòng)車的過(guò)街信息，通過(guò)RSU廣播給周圍的車輛，車載OBU根據(jù)該車的位置、速度等信息計(jì)算出碰撞可能并及時(shí)預(yù)警。

4.4 協(xié)作式優(yōu)先車輛通行

無(wú)錫現(xiàn)有公交專用道僅109 km，約占干道路網(wǎng)總量的7.8%。老城區(qū)內(nèi)部及對(duì)外放射走廊嚴(yán)重缺乏公交專用道，導(dǎo)致公交運(yùn)行速度和效率難以保障。設(shè)置公交優(yōu)先信號(hào)管理系統(tǒng)，時(shí)空聯(lián)動(dòng)促暢通；遠(yuǎn)距離RFID可以準(zhǔn)確判斷來(lái)車身份，使綠燈在公交到達(dá)路口或到達(dá)路口后等候不長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)開啟，從而保證公交車的優(yōu)先通過(guò)，又最低程度減輕對(duì)其他車輛的影響。

4.5 匝道匯入預(yù)警

匝道匯入是一個(gè)間隙選擇的過(guò)程，不同的駕駛員對(duì)安全間隙的判斷存在差異，導(dǎo)致合流處突然加減速，影響安全，降低運(yùn)行效率。當(dāng)前無(wú)錫內(nèi)環(huán)擁堵指數(shù)居高不下，其中最主要的就是分合流交織段。因此，可以通過(guò)匝道匯入預(yù)警智能路側(cè)單元利用傳感器感知匝道（輔道）上的車輛并對(duì)其進(jìn)行識(shí)別和跟蹤。根據(jù)碰撞安全預(yù)警模型判斷碰撞可能，給駕駛員一個(gè)安全匯入的信息，一旦存在碰撞危險(xiǎn)，便根據(jù)預(yù)警規(guī)則及時(shí)給予駕駛員主動(dòng)預(yù)警[6]。

4.6 自動(dòng)泊車

目前，城市停車難、充電難是困擾居民的主要問題，而智能停車管理系統(tǒng)則是一種有效的停車方式。①停車場(chǎng)探測(cè)裝置。車位探測(cè)系統(tǒng)是利用監(jiān)控、磁力等傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)車位狀況和停車信息的實(shí)時(shí)感知，并將其傳輸?shù)洁徑腞SU，然后向周圍的車輛進(jìn)行廣播。其具體功能包括停車場(chǎng)空余車位識(shí)別、空余車位導(dǎo)航等。②停車場(chǎng)導(dǎo)向系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以根據(jù)停車場(chǎng)和充電樁的位置信息，預(yù)先規(guī)劃道路，從而有效地提升停車和充電的效率。利用攝像機(jī)或磁力探測(cè)停車場(chǎng)中的可用停車位，并結(jié)合已配置的充電站狀態(tài)信息，由控制器向鄰近的RSU通過(guò)廣播傳送信息[7]。

5 設(shè)施部署

5.1 基礎(chǔ)智能網(wǎng)聯(lián)道路設(shè)施部署架構(gòu)

基礎(chǔ)智能網(wǎng)聯(lián)道路設(shè)施部署架構(gòu)圖見圖1，基礎(chǔ)智能網(wǎng)聯(lián)道路設(shè)施構(gòu)成包含智能化基礎(chǔ)設(shè)施、通信設(shè)施（公網(wǎng)及行業(yè)專網(wǎng)）。智能化基礎(chǔ)設(shè)施包含交通標(biāo)志標(biāo)線、交通信號(hào)控制、交通運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、交通違法行為監(jiān)測(cè)等設(shè)施?；A(chǔ)智能網(wǎng)聯(lián)道路宜配套行業(yè)專用平臺(tái)（公安平臺(tái)、交通平臺(tái)等）[8]。

圖1 基礎(chǔ)智能網(wǎng)聯(lián)道路設(shè)施部署架構(gòu)圖

5.2 中級(jí)智能網(wǎng)聯(lián)道路設(shè)施部署架構(gòu)

在基礎(chǔ)智能網(wǎng)聯(lián)道路基礎(chǔ)上，中級(jí)智能網(wǎng)聯(lián)道路基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)包含車路協(xié)同感知與計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施（部署在路側(cè)的由路側(cè)感知設(shè)備及路側(cè)計(jì)算單元所組成的用于對(duì)道路交通參與者、交通事件和交通運(yùn)行狀況等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的設(shè)施）、通信設(shè)施（路側(cè)通信單元）。中級(jí)智能網(wǎng)聯(lián)道路宜配套行業(yè)專用平臺(tái)和車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)（服務(wù)于車路協(xié)同業(yè)務(wù)的平臺(tái)系統(tǒng)，具有實(shí)時(shí)信息融合與共享、實(shí)時(shí)計(jì)算編排、智能應(yīng)用編排、大數(shù)據(jù)分析、信息安全等基礎(chǔ)服務(wù)能力，可為智能網(wǎng)聯(lián)汽車、管理及服務(wù)機(jī)構(gòu)、終端用戶提供輔助駕駛、自動(dòng)駕駛、交通運(yùn)輸安全、交通管理等協(xié)同應(yīng)用和數(shù)據(jù)服務(wù)）[9]。

5.3 高級(jí)智能網(wǎng)聯(lián)道路設(shè)施部署架構(gòu)

在中級(jí)智能網(wǎng)聯(lián)道路基礎(chǔ)上，高級(jí)智能網(wǎng)聯(lián)道路基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)包含更高性能的車路協(xié)同感知與計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施。高級(jí)智能網(wǎng)聯(lián)道路宜配套行業(yè)專用平臺(tái)、車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)和第三方應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)（車企平臺(tái)、地圖平臺(tái)、定位服務(wù)平臺(tái)等）[10]。

6 結(jié)語(yǔ)

總而言之，智能交通是城市基礎(chǔ)建設(shè)中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其與城市交通、城市建設(shè)管理與運(yùn)營(yíng)管理緊密聯(lián)系，對(duì)提高城市交通智能化水平、信息化水平和5G技術(shù)的發(fā)展具有積極意義。并且其還能夠有效地緩解城市交通擁堵，保障交通安全，提高交通運(yùn)輸?shù)男?，?shí)現(xiàn)公交優(yōu)先，節(jié)能減排，保護(hù)城市環(huán)境，滿足人們對(duì)機(jī)動(dòng)車的共享化、智能化的要求。同時(shí)，將智能網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和市政工程管理有機(jī)地融合在一起，可以提高管理的智能化程度，提高管理效益，降低管理成本。