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    車路協同與智慧公路

    來源:中國智能交通協會   發布時間: 2021-08-20 14:40:31

    一、車路協同與技術發展
    1.車路協同與智能網聯技術間的比較

    隨著我國交通系統的發展,尤其是我們國家具體發展戰略確定了車路協同的重要發展路線后,智慧公路的發展就跟車路協同一定是分不開了。車路協同是我在2002、2003年做科技部交通領域專家的時候,根據下一代互聯網和傳感器網絡發展提出來的概念,當時我們認為這兩個技術的發展,必然會對交通系統產生革命性的影響。后來經過大家很多年的發展,真正開始落地是在2011。今天我主要從兩個方面給大家介紹。一是車路協同的發展,重點是技術發展,今天我不談車路協同是什么,主要談目前車路協同最新技術的發展怎么支持新基建的建設。二是車路協同在智慧公路的應用實踐,介紹我們參與的或者我們感覺的一些新的應用,跟大家共享一下。


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    車路協同是去年9月份國家發布交通強國建設綱要中確定了車路協同為重要建設內容之一,在這之前的2018年2月,時任交通部副部長劉小明在參加電動車百人會時已經表明了,我們的交通部準備沿著車路協同的技術路線去開展相關研究工作,甚至提到了要基于車路協同做自動駕駛;谲嚶穮f同做自動駕駛,簡單的講就是要智慧的車加聰明的路加智能交通系統。交通強國建設綱要的發布進一步確定了我們國家在交通基礎設施的發展上,在交通發展方面要采用車路協同技術路線,開展下一代智能交通的建設工作。同期發展的還有我們熟悉的其他術語,包括車聯網,網聯車,V2X,不管用什么名稱,專有術語來源的出發點雖然不一樣,隨著各個系統的應用和建設,目前都走向了趨同發展的情況。另外,我們還有智能網聯交通系統等等不同的名詞,但我們發現他們的目標是一樣的,都是要走把車和路結合起來,而且重點是要完成交通功能的實現。最開始我們考慮車和路之間的關系,但隨著技術的發展,車和路的協同已經不僅僅是車和路了,包括人車路的協同,而協同不僅僅是一個信息通訊問題,其重點是車路協同提出來的一個初衷,就是交通功能的實現應該是最終目標。最主要的是用現存所有通訊方式,把交通系統的所有交通主體,也就是人車路、基礎設施全部連起來,實現協同安全和協同控制問題,這是我們的終極目標。
    2.車路協同的產生與發展


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    現在遇到的關鍵問題還不是車路協同的應用問題,而是車路協同應用以后,我們這么龐大的交通系統怎么集成,演進的問題。這就要考慮到國家智能交通系統體系框架,2002年國家發布了第一版體系框架,共設計了8個服務領域。隨著車路協同的出現,這樣的技術與系統會給我們帶來一些新的變化,于是我們團隊在承擔國家第一個863計劃的車路協同項目中安排了研究,當我們在現有的交通系統中引入車路協同平臺以后,交通系統的結構、功能、服務、標準和協議都會發生變化,于是我們發現,當把車路協同引進后,原有的ITS體系框架將要發生變化,我們把原來的8個服務領域變成了6個,車路協同作為交通系統的公用平臺,即車、路和我們的交通參與人之間已經構成了一個新的平臺以后,原本很多服務功能就統一了。例如電子收費,考慮現在全國聯網的ETC收費,考慮不同的技術路線,如果采用車路協同的平臺,也就是所有車、所有的智慧公路的基礎設施,全部采用車路協同連接以后,我們就會發現電子收費平臺,剩下的只有一個清算問題,即只有費用的結算問題。于是,電子收費整個服務領域就不復存在了,于是我們做了調整。調整的結果在2015年出版的基于車路協同的智能交通系統體系框架里已經做了明確詳細的設計,分別圍繞邏輯結構、物理結構、用戶服務、標準與協議已經做了完整的說明。
    3.車路協同技術


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    車路協同在世界范圍內有很長的發展過程,我們國家正式立項比較晚,是2011年才開始設立的,我們用了7年時間走過了美國、歐洲、日本14年走過的路?梢哉f到2018年我們已經與他們平齊了,我們不僅有了相關的一批研究成果,還有了測試場地,而且在典型示范上也已經取得了成果。在雄安和2022年冬奧會的建設方面,都已經開始正式應用推廣了。在這個程度上,我們可以看到不僅在交通強國戰略綱要里體現了其重要性,在實際建設里面車路協同也已經成為了交通系統的一個必然發展趨勢。
    4.實時可靠的信息交互與技術、平臺和廠商的集成


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    最后車路協同能不能實現,還需要考慮技術發展過程中遇到的瓶頸問題。第一個瓶頸問題是在車路協同環境下信息交互的實時性與可靠性的保證。非常高興地看到,在去年10月份國內多家企業一起完成了一個大規模的V2X智能網聯終端通訊可靠性測試,這是世界上第一次由200多個終端同時在不同的9個場景下,實現了不同通訊性能的完整測試,目的是看看車路協同應用過程中不同場景下,不同的通訊模式會不會保證通訊實現,如果通訊實現不了,信息交互不可靠,那么車路協同有再好的設計方案都沒有用,這樣的一個測試完成后,正式說明技術是可以落地的,這個大的疑難瓶頸問題解決了,是一個非常大的進步。第二瓶頸問題是由汽車工程學會解決的。近年來,他們每年都會做不同廠商、不同車企、不同平臺之間的集成,來證明車路協同技術的推廣價值。從2018年開始,實現了芯片模組、車載終端和整車的三跨,即不同的通訊芯片模組+不同的車載終端+不同品牌的車,隨意組成以后構建了三跨,證明了技術方案的可行性;19年完成了四跨,即在原有基礎上增加了安全平臺,解決信息安全問題。今年又加了一跨,本來叫五跨,后來他們商量后還是取名新四跨,加上了一個圖商,即證明不同的高精度地圖廠商是可以集成在一起,因此也從另外一個層面證明了車路協同的落地是現實的,是可以完成的。
    從PPT中可以看到,第一次測試的時候車輛不太多,也就十幾輛車,第二次車輛多了,品牌也多了,第三次更多了。我們給出一個具體數據。第一次到第二次是從20家發展到63家企業,當時測試的業務是7種,到第二年變成了11種。今年41家國內外的整車企業,41家終端企業,10余家芯片模組企業,20余家信息安全企業,5家圖商,以及5家定位提供商,這么大規模的集成在測試里完成了,就證明了車路協同不僅僅只是技術解決方案,更重要的是可以落地的。有了這兩大技術發展支撐我們就放心了。
    二、智慧公路與應用實踐
    1.智慧公路發展的嶄新動力


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    第二方面是智慧公路應用與實踐。剛才談到了智慧公路發展過程中遇到了很多問題,尤其是在新的實踐過程中,項目的推進也反過來推進了技術的發展問題。新一代國家交通控制網和智慧公路的試點工作,給我們帶來了非常好的條件,這里需要解決的是基礎設施數字化的問題,前面報告已經談到了,解決了交通控制網的問題,也解決了互聯網+的一些應用服務問題,在這個基礎上就可以完成一些智慧公路的基本展示了,而且也是必備的對技術的驗證問題。智能技術的引入,也加速了高速公路自動駕駛的問題探討,我們知道現在浙江省在建設國內首條超級高速公路,當然后來各省市也有不同的新項目,挑戰了很多智能技術在智能功能的應用問題。在這些應用中對一些傳統的辦法、傳統的控制手段進行了提升。目前我們能看見的個性化的展現,一是匝道的協同決策控制問題,匝道合流的時候怎么能夠通過協同使其更好的暢通,二是兩客一微的安全預警問題,三是智能網聯汽車,或者車路協同車載設備,不可能今天一輛都不裝,明天百分之百都裝,這是不斷裝的過程,要發揮它的作用,我們要討論研究不同滲透率或者不同裝車率條件下,如何利用已經有車載設備車輛行為去調整高速公路的車流,這是一個通行特性分析問題,也是我們遇到的一個挑戰,我們可以將此描述為在沒有達到最終景象之前怎么辦,有什么收益。四是可以在高速公路上實現可變速度誘導,這和傳統的端面式的誘導是不一樣的,是延續的,在此基礎上可以提供個性化的服務。
    2.車路協同環境下匝道協同通行控制


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    高速公路有路段、分流、合流,我們重點研究合流,在這樣的場景下假定多輛汽車都具有車載設備需要進行協同通行,可以采用不同的方式、不同的模式進行群體車輛的協同。國外專家提出了先進先出FIFO的決策策略,我們深圳前幾年做過拉鏈式合流通行,當你遇到兩個車流合并到一個車流的時候,要求左邊一輛,右邊一輛分別通行,這是非常簡單有效的方法,但當不同方向的車流壓力不一樣時,不能夠更好提升系統最優,只能保證通行效率在一定范圍內的提升,但是再提升就不夠了,就需要采用群體協同的策略。于是我們研究了不同狀態情況下的一些決策方法,研究后提出四種方法并進行了比較。一是樹搜索,車輛進來以后排序,把不同的車進行排序,比如說通訊時間最短,或者能耗最少,進行排序后選出最優的排序,也稱為路權分配,按照順序給他放行。第二種方法是動態規劃的方式,考慮車序是可以調整的,于是做了動態規劃,也能找到一個決策,不是最優也是次優。再一個方式是基于一定的規則,左邊一輛,右邊一輛,這就是一個規則。還有一個是主路層面上車流量比較大,支路車流量必須小,主路每次過兩輛,支路每次過一輛。還有一種方法是做分組,車輛的來源不均勻,分布是隨機的,于是根據來車的情況,在控制區域內發現來車的分布不一樣的時候,有意根據車輛的分布情況,把車輛組成一個一個小組進行通行,這樣相比于拉鏈式的合流效率要高,系統整體優化目標要好一些。我們經過四種方式的比較,最后發現動態規劃的方式是最好的,可以達到系統最優。

    3.車路協同環境下兩客一危安全預警


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    國家要求兩客一危的運營車輛上首先安裝上車載設備,能夠支持車路協同,前提是路側設備也得要有,或者同時要有。光是兩客一危裝了,其他社會車輛沒有裝依然不行。兩客一危的車裝了車載設備,可以往周邊廣播車輛的運營狀態,甚至危險情況。周邊的社會車輛雖然沒裝車載設備,但現在大家知道,我們都可以安裝或者開發APP,如果周邊的車輛能夠收到高速公路上大車的預警信息,對他們的出行感覺是安全的,于是越來越多的人就會自主安裝APP,這是現階段的發展現狀,希望做到所有社會車輛都裝,當然是后裝。部分車輛裝上了車載設備,不管是后裝還是前裝的,就可以和兩客一危進行交互,于是就會解決你跟隨在大車后面怎么辦的問題。這是開車的一大忌,大家開車時總關心是否是在危險情況,我們知道一般情況下在高速公路上開車一是不要尾隨在大車后面,二是不要讓大車尾隨你,三是最嚴的或者最要注意的不能夾在兩輛大車中間,這是最危險的情況。有時候司機開車不清楚這種情況,如果車上也能夠跟他們進行交互,很快能得到這些狀態,就會調整駕駛;谶@樣的考慮,利用國家運營的兩客一危作為先導,然后逐漸推廣應用,這是一種商業模式的建議。真正怎么用,這個事情還要看企業的運行,這是一個可以考慮的發展思路。
    4.不同滲透率條件下智能網聯汽車對通行特性的影響


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    第三類應用,是混合交通狀態下的,F在的實際交通情況,不是一個單純構建的單類型的情形,即都是人開的,網聯車會逐漸增加,自動駕駛也會增加,甚至無人駕駛也會增加,我們稱之為新型混合交通系統?紤]新的混合交通系統的構成,與考慮智能網聯汽車滲透率是一樣的,現在自動駕駛不可能增加太多,我們只是探討一下,現在研究的更多的情況是智能網聯車輛裝車率不同的情況,F在的車路協同應用中,可以看見不同場合下都提到了很多做車路協同的企業可以實現車速引導。但是大家想想看自車的速度是可以誘導了,但不管你是在路口還是在高速公路上,如果周邊車輛不給你讓出道,雖然你認為你的速度是最有利于節油、最有利于駕駛安全的,但人家不讓路你目標的實現就困難了。當滲透率為10%以下時只能做個體的駕駛引導,但受周邊車輛的制約。滲透率在10%到40%的時候,通行效率誘導就開始發揮作用了,畢竟在某些時間這些車輛處在先導位置,它的引導會帶動其它車輛,但效果是有限的。第三種情況是當滲透率快接近一半的時候,有40%以上的車通過車路協同按照最合適的車速行駛,其他的車就會跟著走,F在當滲透率小的時候,你是被限制的,當滲透率達到一定程度的時候,如右邊的圖給出的不同條件下,即不同滲透率下考慮運營時間、安全系數和能耗、排放等因素時的交通流影響的對比,說明了不同情況下的作用效果。當滲透率達到60%以上后,群體引導就會發揮非常好的作用。
    5.車路協同環境下可變速度誘導與個性化服務


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    還有一個應用是高速公路可變速調控。傳統的是門架,這幾年英國變化很大,每個門架會告訴你要求駕駛的速度是多少,每一次都在變化,但這是間斷的,也就是說你到了這個地方才知道速度是多少。車路協同實現以后,由于路側設備是全覆蓋的,于是可以無縫的對道路上車輛的速度進行誘導,是連續性的。在這種情況下可以調整高速路上的車流狀態,可以實現全時空的調整。右邊的圖顯示了不同狀態下的控制效果,當用了連續可調的速度調控以后,再配上換道控制LC(LC是發現需要速度調整時前方有車輛擋道,于是可以實現換道)。這樣的策略流量控制效果非常好,如綠色;如果一點不控制是藍線,光誘導不換道是紅線,把換道加上去,綠線非常好地展示了道路通行得到改善的情形。

    6.基于車路協同的自動駕駛智慧公路


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    基于車路協同的自動駕駛有一些不同的情況需要解釋。什么叫基于車路協同的自動駕駛?即此時自動駕駛的信息來源或者自動駕駛的決策信息,不是主要取決于單車感知的信息實現對環境的感知,基于車路協同的自動駕駛的主要信息,即起決定性的信息都是通過車路協同平臺獲得的,比如說周邊車輛的位置、速度、加速度,是否要換道,這些信息是主動發給我的。這種方式自動駕駛只需要解決近程的環境感知,中遠程不做環境感知,而是通過通信方式實現。遠程20米以上的感知都依托車路協同平臺,車輛和路側設備給我提供環境情況,包括高精度地圖,配上實時的交通信息。我們項目組研究后列了五大關鍵技術,跟現在基于單車智能的自動駕駛的技術路線是完全不一樣的,其中包括路徑規劃。整個規劃可以做到全域動態變化,這樣的路徑規劃不再是只考慮周邊環境,而是可以實現200米以上的全部路徑規劃。
    基于車路協同實現自動駕駛的關鍵技術,一是高精度地圖和定位問題,即利用路側設備,再利用通信支持,可以實現亞米級的定位,足以支撐自動駕駛,簡單講是借鑒差分定位的方式,因為路側設備的絕對位置是固定的。二是交通環境的協同感知,也可以做超視距的感知。這方面我們做得更完整一點,車上的傳感器和路上的傳感器可以協同,可以全是車上的,也可以是車路協同的,所有的傳感器都可以組合出來。列出所有現在交通協同中存在的傳感器可以形成一個傳感器譜,他們可以進行搭配,搭配以后就可以實現協同感知。超視距感知時有些信息是可以用的,如所有車輛的位置、速度、加速度、操作信息是可以廣播出來的,這些不靠傳感器獲得,同時要考慮自車運行狀態的遷移,來確定路上所有的車輛狀態。一個具體需求是大霧天高速公路不要關閉,這時車路通信是非常重要的了解路上的狀態的手段。再有,就是考慮所有車輛同處一個系統,在這樣的交通系統中,所有車輛沒有主次之分,也沒有中心控制。于是需要研究群體決策和控制問題,這就牽扯到控制理論或者交通優化管理方面的挑戰,以前模型都不適用了,完全需要創新去實現。
    我們可以設想,我們也一直在創意,如果車路協同技術可以在高速公路上應用,同時還要讓自動駕駛落地,可以構建一種新的自動駕駛的貨運系統,第一輛車是人開的,后面的車是自動駕駛的。于是在車路協同平臺下,可以想象和傳統的自動駕駛有什么差別,自動駕駛貨運車隊的第一輛車踩剎車,剎車的控制信息就可以通過車路協同平臺直接傳到最后一輛車,這樣就使貨車車隊如同軟連接的列車。這種情況下車間距是可以做到很小的?紤]我們國家目前在建有幾條智慧高速公路項目,希望近期能夠盡快建設一條基于車路協同的自動駕駛的智慧高速公路,并在此基礎上構建一個運輸網絡,將有效發揮車路協同技術的優勢。我們希望這樣的夢想能夠早日實現。

    (作者:清華大學自動化系系統工程研究所所長 張毅教授)

     

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