李 斌，侯德藻，張紀(jì)升，李宏海，黃子超

(1. 交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088；2. 北京中交國(guó)通智能交通系統(tǒng)技術(shù)有限公司，北京 100088)

0 引言

汽車文明是現(xiàn)代社會(huì)的重要標(biāo)志，道路交通運(yùn)輸是現(xiàn)代生活中最重要的運(yùn)輸方式，其發(fā)達(dá)程度已成為衡量一個(gè)國(guó)家現(xiàn)代化程度的標(biāo)志之一。但是道路交通如同一把雙刃劍，在給人們帶來(lái)便利、樂(lè)趣、為社會(huì)帶來(lái)財(cái)富的同時(shí)，也帶來(lái)了諸多的問(wèn)題，如交通擁堵、交通事故、環(huán)境污染和能源消耗等。交通問(wèn)題的根源是交通需求與交通供給之間的不平衡，由于城市空間的限制，道路建設(shè)速度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上交通量的發(fā)展，單純考慮增加供給，或使用交通管制措施限制交通，已經(jīng)很難緩解當(dāng)前的交通壓力，因此人們從很早開(kāi)始就寄希望于交通系統(tǒng)的智能化，通過(guò)更加合理的分配與調(diào)度交通資源，來(lái)解決或緩解交通問(wèn)題[1-3]。

20世紀(jì)60年代，計(jì)算機(jī)出現(xiàn)后，人們就開(kāi)始考慮利用計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)汽車的自動(dòng)駕駛和交通管理。20世紀(jì)70年代，通用汽車公司在美國(guó)交通部的支持下開(kāi)始了自動(dòng)公路(Automated Highway)的研究與試驗(yàn)，這標(biāo)志著智能交通系統(tǒng)從構(gòu)想階段進(jìn)入了研發(fā)階段。20世紀(jì)80年代，加州大學(xué)(伯克利)的PATH項(xiàng)目(Partner for Advanced Transit and Highways)在自動(dòng)公路研究方面的成果(見(jiàn)圖1)令人矚目[4-5]。2000年，美國(guó)加州交通局提出并開(kāi)展協(xié)同式自動(dòng)車路系統(tǒng)(Cooperative Vehicle-Highway Automation Systems, CVHAS)的研究。2009年美國(guó)運(yùn)輸部啟動(dòng)了IntelliDrive計(jì)劃，這是美國(guó)運(yùn)輸部組織開(kāi)展的為交通系統(tǒng)運(yùn)行提供全新解決方案的大型ITS研發(fā)計(jì)劃，在車路一體化項(xiàng)目的基礎(chǔ)上深化研究車路協(xié)同控制[6-7]。

圖1 美國(guó)智能車路系統(tǒng)(1988年)Fig.1 American intelligent vehicle-highway system(1988)

1988年，歐洲開(kāi)始啟動(dòng)集中解決道路智能化問(wèn)題的DRIVE計(jì)劃，同時(shí)啟動(dòng)主要是由汽車制造商開(kāi)展PROMETHEUS計(jì)劃解決汽車的智能化問(wèn)題[8-9]。2001年歐盟發(fā)表題為“歐盟交通政策2010年：由時(shí)間來(lái)決定”的白皮書。白皮書提出到2010年道路死亡人數(shù)減少一半的宏偉目標(biāo)。為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，歐盟啟動(dòng)了eSafety計(jì)劃，該計(jì)劃期望通過(guò)信息和通信技術(shù)作為解決方案，開(kāi)發(fā)更安全的智能汽車安全系統(tǒng)。2015年5月為深化V2X通信服務(wù)方面的研究，歐洲開(kāi)始了CODECS(Cooperative ITS Deployment Coordination Support)項(xiàng)目以促進(jìn)協(xié)同式智能交通系統(tǒng)的研究。

同樣在1988年，日本也開(kāi)始了包括超級(jí)智能車輛系統(tǒng)(Super Smart Vehicle System, SSVS) 和先進(jìn)的道路交通系統(tǒng)(Advanced Road Traffic System, ARTS)在內(nèi)的研究計(jì)劃[10]。2004年日本提出了Smartway項(xiàng)目，并從2005年開(kāi)始研究新一代的道路交通服務(wù)系統(tǒng)，2007年形成了ITS車載和路側(cè)單元標(biāo)準(zhǔn)，并進(jìn)行了Smartway的成果示范，2009年開(kāi)展了基于ITS的安全行車技術(shù)示范；以Smartway的研究做基礎(chǔ)，2011年，ITS Spot在全日本高速公路上開(kāi)始安裝使用。日本已經(jīng)在全國(guó)安裝了1 600個(gè)ITS Spot路側(cè)設(shè)備，城際高速安裝間隔為10～15 km，城市高速路安裝間隔約為4 km。從ITS Spot項(xiàng)目開(kāi)始，日本進(jìn)入了系統(tǒng)研究車路協(xié)同的新階段。2015年，ITS Spot項(xiàng)目正式更名為“ETC 2.0”項(xiàng)目[11]。

實(shí)際上，歐美日于1994年正式提出ITS概念時(shí)，本身就含有車路協(xié)同的思想，即車與路以及車與車之間可進(jìn)行信息交互與協(xié)同控制。1995年我國(guó)的研究者也開(kāi)始注意到了智能車路系統(tǒng)的相關(guān)研究，當(dāng)時(shí)對(duì)智能車路系統(tǒng)的理解主要集中在先進(jìn)的汽車控制系統(tǒng)、先進(jìn)的交通管理系統(tǒng)與先進(jìn)的駕駛員信息系統(tǒng)3個(gè)部分[12]，但彼時(shí)相關(guān)研究在中國(guó)并未大規(guī)模開(kāi)展。2003年，筆者隨交通部代表團(tuán)赴西班牙馬德里參加第10屆ITS世界大會(huì)，注意到發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)車載系統(tǒng)與道路設(shè)施的協(xié)調(diào)配合日益重視，仔細(xì)調(diào)研了美國(guó)VII(Vehicle-Infrastructure Integration)、CVHAS (Cooperative Vehicle-Highway Automation Systems)、日本Smartway等項(xiàng)目情況[13]，回國(guó)后立即組織在交通運(yùn)輸部公路試驗(yàn)場(chǎng)搭建智能車路系統(tǒng)的原型試驗(yàn)系統(tǒng)(圖2)，并于2007年北京14屆ITS世界大會(huì)期間，向各國(guó)來(lái)賓做了集中展示。自此車路協(xié)同的理念在國(guó)內(nèi)逐步得到認(rèn)同。

圖2 中國(guó)智能車路原型試驗(yàn)系統(tǒng)(2003年)Fig.2 Chinese intelligent vehicle-infrastructure prototype test system (2003)

自2009年開(kāi)始，在國(guó)家科技支撐計(jì)劃、863計(jì)劃等支持下，交通運(yùn)輸部公路院、清華大學(xué)等陸續(xù)開(kāi)展了京津塘高速公路運(yùn)營(yíng)安全與服務(wù)、智能車路協(xié)同關(guān)鍵技術(shù)等研究級(jí)示范應(yīng)用。而隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)的爆發(fā)式發(fā)展，并伴隨著大數(shù)據(jù)和5G技術(shù)的快速發(fā)展，不光要發(fā)展智慧的車輛還要發(fā)展智慧的道路，將車輛和道路整合成一個(gè)有機(jī)的整體，成為研發(fā)熱點(diǎn)。

1 車路協(xié)同思想和內(nèi)涵的演進(jìn)

近年來(lái)，隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展，車路協(xié)同經(jīng)常作為與“自主式”自動(dòng)駕駛相對(duì)應(yīng)的一種技術(shù)路線被提及，但正如引言中所述，車路協(xié)同本身并不是近年才出現(xiàn)的新概念。所謂協(xié)同，就是指協(xié)調(diào)兩個(gè)或者兩個(gè)以上的不同資源或者個(gè)體，協(xié)同一致地完成某一目標(biāo)的過(guò)程或能力。對(duì)于道路交通系統(tǒng)而言，“車”與“路”作為基本組成要素，由于不同“車”的道路占有權(quán)是彼此互斥的，隨著車輛數(shù)量的增加，必然導(dǎo)致道路交通系統(tǒng)的根本矛盾，即個(gè)體駕駛行為的自利性與道路資源有限性的矛盾。這種矛盾一方面會(huì)導(dǎo)致交通擁堵，另一方面也會(huì)顯著的增加交通事故的概率[14]。因此，交通管理控制的終極目標(biāo)就是減小乃至消除“車”與“路”的根本矛盾，實(shí)現(xiàn)道路交通系統(tǒng)的安全、高效、穩(wěn)定運(yùn)行，這也正是車路協(xié)同的基本思想。

回顧道路交通系統(tǒng)發(fā)展歷史，人們一直在利用交通規(guī)則來(lái)緩解“車”與“路”的矛盾，從最開(kāi)始的道路劃分左右車道行駛，到標(biāo)志標(biāo)線、信號(hào)燈，直至為更加充分利用道路資源而設(shè)計(jì)的潮汐式車道，都是為了讓復(fù)雜的道路交通系統(tǒng)能有序協(xié)同運(yùn)行。在道路交通的人、車、路(環(huán)境)閉環(huán)系統(tǒng)中，人(駕駛員)是決策與實(shí)施控制的主體，“車”只是人物理的延伸，所以傳統(tǒng)的道路交通系統(tǒng)本質(zhì)上是一個(gè)“人-人”協(xié)同系統(tǒng)。但隨著路網(wǎng)規(guī)模增大、車輛數(shù)量增加、規(guī)則復(fù)雜程度越來(lái)越高，由人來(lái)主導(dǎo)的協(xié)同效能也逐漸達(dá)到瓶頸；同時(shí)人也是系統(tǒng)中“穩(wěn)定性”最差的一個(gè)要素，人容易受自身和環(huán)境影響，導(dǎo)致感知、決策和執(zhí)行等方面能力的變化，而這種變化多數(shù)是不可預(yù)測(cè)的，因此僅依靠人自身的能力來(lái)協(xié)調(diào)解決“車”與“路”的矛盾變得越來(lái)越困難。

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)以及人工智能技術(shù)快速發(fā)展，智能交通技術(shù)深度應(yīng)用，傳統(tǒng)的車路協(xié)同手段也逐漸向智能化的車路協(xié)同技術(shù)轉(zhuǎn)變，即通過(guò)不斷提升車輛以及道路智能化水平，降低乃至消除對(duì)“人”的依賴，同時(shí)依賴個(gè)體的決策方式向依賴更加豐富信息的全局決策方式方向發(fā)展，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全高效運(yùn)行。由于過(guò)去20年移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展始終無(wú)法滿足低延時(shí)、高可靠的車路交互要求，針對(duì)交通安全的智能車路協(xié)同應(yīng)用一直進(jìn)展緩慢，但車路協(xié)同思想在公路收費(fèi)服務(wù)以及個(gè)別領(lǐng)域得到了積極探索和實(shí)踐。例如，研究始于2000年的智能公路磁誘導(dǎo)技術(shù)，以布設(shè)在車道上的磁道釘及其編碼為參考標(biāo)記，以車載傳感器探測(cè)磁信號(hào)并經(jīng)運(yùn)算確定車輛相對(duì)位置，并據(jù)此進(jìn)行車道保持控制或偏離預(yù)警(圖3)，由于其全天候工作的特點(diǎn)，基于該技術(shù)的輔助駕駛系統(tǒng)在新疆冬季除雪車輛上得到應(yīng)用，為駕駛員提供視野增強(qiáng)和拓展功能，取得了良好的效果[15]。另外，我國(guó)公路電子不停車收費(fèi)ETC技術(shù)研發(fā)始于20世紀(jì)90年代中期，其核心底層技術(shù)是交通專用短程通信(DSRC)技術(shù)(圖4)，支撐了OBU與RSU之間的實(shí)時(shí)支付交易[16]；2019年全國(guó)取消高速公路省界收費(fèi)站后，在高速公路省界、每個(gè)互通立交、入出口之間設(shè)置ETC門架系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有車輛“分段計(jì)費(fèi)、出口收費(fèi)”，可以說(shuō)是當(dāng)前規(guī)模最大的車路協(xié)同應(yīng)用。

圖3 智能公路磁誘導(dǎo)技術(shù)Fig.3 Magnetic guidance technology for intelligent highway

圖4 基于DSRC的電子不停車收費(fèi)Fig.4 ETC based on DSRC

綜上，車路協(xié)同反映了載運(yùn)工具與基礎(chǔ)設(shè)施之間的一種關(guān)系，它是以解決“車”與“路”的矛盾為基本宗旨，代表著將“車”與“路”看成一個(gè)整體來(lái)構(gòu)建完整的智能交通系統(tǒng)的思想，是當(dāng)前技術(shù)條件下智能交通系統(tǒng)在道路交通領(lǐng)域的具體表現(xiàn)之一。

2 智能車路協(xié)同的概念及架構(gòu)

正如上節(jié)所述，從解決車路矛盾的角度看，車路協(xié)同是一個(gè)相對(duì)廣義的概念，包含了車路(含車車)間信息或能量交互，及其所支撐的信息服務(wù)、交通管理以及車輛調(diào)度與控制功能。之所以稱廣義，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是車路交互是廣義的，車路交互的內(nèi)容除了信息，也可以是能量，因此電動(dòng)汽車在行駛過(guò)程中的無(wú)線充電行為也屬于車路協(xié)同，關(guān)于信息交互形式，除了無(wú)線通信，磁道釘編碼也屬于信息交互；廣義的另一方面含義是指車路交互支撐的應(yīng)用是廣義的，既包括信息服務(wù)、交通流管控、收費(fèi)等宏觀全局性的應(yīng)用，也包括車輛駕駛操控等微觀局部應(yīng)用(圖5)。

圖5 智能車路協(xié)同系統(tǒng)示意圖Fig.5 Schematic diagram of intelligent vehicle- infrastructure cooperation system

但隨著無(wú)線通信和人工智能技術(shù)的發(fā)展，特別是5G技術(shù)的應(yīng)用，業(yè)界對(duì)智能車路協(xié)同的期待更多聚焦在依托高可靠、低延時(shí)的車路直連通信，面向交通安全和車輛控制功能的應(yīng)用上。其核心是強(qiáng)調(diào)運(yùn)載工具和基礎(chǔ)設(shè)施間的實(shí)時(shí)交互和動(dòng)態(tài)調(diào)整，改變傳統(tǒng)的車和路之間交互方式，實(shí)現(xiàn)車載功能和路側(cè)功能的合理劃分和協(xié)同操控、信息資源在車輛和基礎(chǔ)設(shè)施之間的優(yōu)化分配與平衡，大幅地提高道路交通的安全性和可靠性，同時(shí)達(dá)到優(yōu)化利用系統(tǒng)資源、降低成本及節(jié)能減排的目的。

智能車路協(xié)同系統(tǒng)的通用架構(gòu)如圖6所示，其中，在車載端，由車載傳感器感知周邊局部環(huán)境，并融合路側(cè)及中心的控制指令后進(jìn)行相應(yīng)的執(zhí)行操作；路側(cè)端可通過(guò)傳感、通信等方式對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)、路段的交通運(yùn)行狀況進(jìn)行采集，并及時(shí)將決策與執(zhí)行指令下發(fā)至車載端，同時(shí)將相關(guān)的節(jié)點(diǎn)、路段信息上傳至云控中心；云控中心主要負(fù)責(zé)匯總各路側(cè)節(jié)點(diǎn)以及車輛端的信息，可進(jìn)行路段或整個(gè)路網(wǎng)的交通信息匯集與存儲(chǔ)，執(zhí)行全局優(yōu)化算法，實(shí)現(xiàn)整個(gè)路網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度管控。

圖6 智能車路協(xié)同通用架構(gòu)Fig.6 General framework of intelligent vehicle- infrastructure cooperation

車路/車車間直接信息交互，即車路直連通信(V2X)，是構(gòu)建智能車路協(xié)同應(yīng)用的底層和基礎(chǔ)支撐技術(shù)，這也是智能車路協(xié)同應(yīng)用區(qū)別于其他傳統(tǒng)的智能交通應(yīng)用的最顯著特征。這里所指的直連通信是指路側(cè)、車載設(shè)備通過(guò)無(wú)線傳輸方式，實(shí)現(xiàn)車與車、車與路直接通信和信息交換。目前國(guó)家規(guī)劃5905-5925MHz頻段作為車路直連通信的工作頻段。關(guān)于我國(guó)V2X技術(shù)路線，一方面，交通專用短程通信DSRC已成功應(yīng)用于ETC，車載用戶已突破2億，產(chǎn)業(yè)鏈相對(duì)成熟，同時(shí)已為車路協(xié)同拓展應(yīng)用預(yù)留了接口和信道資源；另一方面，基于4G-LTE的LTE-V2X技術(shù)已逐漸成熟，并且正在向5G-V2X演進(jìn)過(guò)程中，為V2X提供了更多的技術(shù)選擇。目前業(yè)界已經(jīng)就DSRC和LTE-V2X 融合形成了初步共識(shí)，例如：采用雙模芯片的T-Box，作為DSRC與LTE-V2X協(xié)同方案的一種探索。

3 智能車路協(xié)同的機(jī)理

智能車路協(xié)同系統(tǒng)以低延時(shí)、高可靠的車路直連通信技術(shù)為基礎(chǔ)，將“車”與“路”看成一個(gè)整體來(lái)實(shí)現(xiàn)智能交通創(chuàng)新應(yīng)用。而關(guān)于如何實(shí)現(xiàn)車路智能協(xié)同？本研究認(rèn)為至少應(yīng)從功能協(xié)同、運(yùn)行協(xié)同以及體制協(xié)同等3個(gè)方面深入探討(如圖7所示)，其中，功能協(xié)同涉及車路間功能合理劃分及其軟硬件成本均衡分?jǐn)偅饕嫦蛳到y(tǒng)設(shè)計(jì)階段；運(yùn)行協(xié)同主要解決系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)計(jì)算、通信等信息資源的動(dòng)態(tài)分配問(wèn)題；體制協(xié)同主要指推動(dòng)車載和路側(cè)系統(tǒng)協(xié)同部署的標(biāo)準(zhǔn)、政策、法規(guī)等。

圖7 智能車路協(xié)同機(jī)理Fig.7 Mechanism of intelligent vehicle-infrastructure cooperation

3.1 車載和路側(cè)的系統(tǒng)功能劃分

(1)功能安全導(dǎo)向的比較優(yōu)勢(shì)分析

車載智能化可以逐步代替人類駕駛員實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛，但仍屬于單車自主駕駛行為，每輛智能汽車都努力建立一個(gè)為自己所用的環(huán)境模型，獲取車輛周邊的信息并進(jìn)行決策；汽車對(duì)環(huán)境的感知范圍受到車載傳感器探測(cè)范圍(相當(dāng)于人類駕駛員的目視范圍)的限制，局部環(huán)境信息所涉及的范圍不會(huì)增加很大，其提高交通安全的程度也受到很大制約。

而路側(cè)智能化則不然，車載智能不擅長(zhǎng)的遠(yuǎn)距離、盲區(qū)信息感知以及大算力任務(wù)需求等功能可以轉(zhuǎn)移到路側(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，無(wú)論是局部環(huán)境信息還是宏觀全局信息，特別是安全行駛所需的信息，都可由路側(cè)信息基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)時(shí)獲取后加以處理，并適時(shí)地提供給過(guò)往汽車，甚至包括直接駕駛控制指令。

分析車載和路側(cè)智能的技術(shù)比較優(yōu)勢(shì)(表1)，可以從優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的角度更加合理地配置車載和路側(cè)的功能，同時(shí)從提高系統(tǒng)功能安全的角度進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜哂嘣O(shè)計(jì)。

表1 路側(cè)功能和車載功能的技術(shù)比較優(yōu)勢(shì)Tab.1 Comparative advantages between roadside function and on-board function

(2)軟硬件成本分?jǐn)?/p>

為了保證智能汽車的功能安全和可靠性，對(duì)車載系統(tǒng)一般會(huì)采用冗余設(shè)計(jì)的原則，從而使系統(tǒng)成本居高不下，例如Waymo的L4級(jí)無(wú)人駕駛車的單車成本在40萬(wàn)美元左右，這些成本中大部分都用在確保安全的車載傳感器以及冗余系統(tǒng)上。同時(shí)，智能汽車為了不至于使自己的駕駛行為過(guò)于短視，所建立的環(huán)境世界模型都盡可能擴(kuò)大，很多多余的信息被每輛智能汽車重復(fù)獲得，這些軟硬件及時(shí)間上的開(kāi)銷都是不必要的。

按照車路協(xié)同的思想，將部分環(huán)境信息感知功能，特別是遠(yuǎn)距離和盲區(qū)信息感知功能，轉(zhuǎn)移到路側(cè)系統(tǒng)來(lái)完成，經(jīng)過(guò)處理后再?gòu)V播分發(fā)給過(guò)往車輛，可以最大程度地?cái)U(kuò)大汽車期望獲得的局部環(huán)境信息范圍，此外由于路側(cè)信息可被所有經(jīng)過(guò)車輛充分共享，使系統(tǒng)總成本大大降低。同時(shí)，我們可以將車載和路側(cè)系統(tǒng)作為一個(gè)整體來(lái)考慮冗余設(shè)計(jì)，可以減少智能汽車自身的冗余功能，從而進(jìn)一步降低車載系統(tǒng)的成本。

車載系統(tǒng)和路側(cè)設(shè)施具有不同的屬性。公路基礎(chǔ)設(shè)施屬于準(zhǔn)公共物品，具有非競(jìng)爭(zhēng)性和非排他性，投資大、回報(bào)周期長(zhǎng)，還具有網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)性的特征，在網(wǎng)絡(luò)建成并投入使用后，運(yùn)營(yíng)企業(yè)的固定成本很高而邊際成本極低，即隨著道路使用用戶規(guī)模的增加，單位服務(wù)成本將大大降低。汽車屬于消費(fèi)品，遵循市場(chǎng)規(guī)律，新功能和產(chǎn)品價(jià)格隨著產(chǎn)銷量(用戶規(guī)模)增加會(huì)迅速下降。但用戶規(guī)模的增加有一個(gè)市場(chǎng)導(dǎo)入和培育的問(wèn)題，即用戶需要體驗(yàn)到車路協(xié)同功能帶來(lái)的好處和收益，而這必須有路側(cè)系統(tǒng)的配合。這就是俗話所說(shuō)的“先有雞，還是先有蛋？”問(wèn)題。路側(cè)設(shè)施和車載系統(tǒng)本質(zhì)上是服務(wù)和被服務(wù)的關(guān)系，一般而言，基礎(chǔ)設(shè)施作為服務(wù)方應(yīng)先行一步，為車載用戶創(chuàng)造好的環(huán)境和條件，從而引導(dǎo)用戶規(guī)模的迅速擴(kuò)大?？梢钥紤]在高速公路流量大的路段率先部署路側(cè)系統(tǒng)，普通公路的視距不良路段等也可先期試點(diǎn)，吸引車載用戶使用。

3.2 車載與路側(cè)的資源動(dòng)態(tài)分配

在現(xiàn)代信息系統(tǒng)中，所有的基礎(chǔ)設(shè)施以及運(yùn)行模型，都是在存儲(chǔ)、計(jì)算、通信這3大資源中取舍與調(diào)度[17]。車路協(xié)同運(yùn)行的核心思想就是計(jì)算和通信資源在車載設(shè)備和路側(cè)設(shè)備間的優(yōu)化分配，優(yōu)化目標(biāo)是系統(tǒng)開(kāi)銷最小化。計(jì)算任務(wù)一般是由車載設(shè)備發(fā)起的，但車載的計(jì)算和存儲(chǔ)資源不如路側(cè)設(shè)備豐富，計(jì)算能力有限，對(duì)計(jì)算時(shí)延和能量消耗非常敏感；如果將計(jì)算任務(wù)交給路側(cè)設(shè)備執(zhí)行，利用路側(cè)設(shè)備強(qiáng)大的計(jì)算和存儲(chǔ)能力，使計(jì)算時(shí)延大大降低，但需要容忍傳輸時(shí)延的影響。

本研究將時(shí)延和能耗作為衡量系統(tǒng)開(kāi)銷的主要因素。假設(shè)有n個(gè)車載計(jì)算任務(wù)Taski，si為任務(wù)Taski所需要的計(jì)算量，可具體表示為CPU周期數(shù)。對(duì)每一個(gè)任務(wù)Taski，均有車載和路側(cè)兩種執(zhí)行方式可選擇，盡管兩種方式均會(huì)帶來(lái)時(shí)延和能耗，但不同方式對(duì)時(shí)延和能耗的敏感和容忍程度是不一樣的，可通過(guò)設(shè)置權(quán)重因子來(lái)表示[18]。下面討論兩種執(zhí)行方式的時(shí)延和能耗模型。

(1)車載執(zhí)行方式

(1)

式中α和β分別為車載執(zhí)行的時(shí)延和能耗權(quán)重因子。

(2)路側(cè)執(zhí)行方式

(2)

式中γ和δ分別為路側(cè)執(zhí)行方式的時(shí)延和能耗權(quán)重因子。

(3)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

對(duì)于任務(wù)Taski，假設(shè)不考慮計(jì)算冗余的情況，即一個(gè)任務(wù)只能在兩種方式中選擇其一，則該任務(wù)的系統(tǒng)總開(kāi)銷為：

(3)

式中，di為決策參數(shù)，di∈{0,1}。當(dāng)di取1時(shí)，表示該任務(wù)在車載執(zhí)行；當(dāng)di取0時(shí)，表示該任務(wù)在路側(cè)執(zhí)行。

則系統(tǒng)資源分配優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)為：

(4)

式中D={d1,d2,d3,…,dn}為智能車路協(xié)同系統(tǒng)執(zhí)行n個(gè)車載計(jì)算任務(wù)時(shí)，計(jì)算和通信資源在車載與路側(cè)之間的優(yōu)化分配決策集，它充分考慮了車載執(zhí)行方式和路側(cè)執(zhí)行方式的計(jì)算能力和通信資源差異，以及二者對(duì)時(shí)延和能耗的敏感和容忍程度，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)總的時(shí)延和能耗開(kāi)銷最小。

3.3 體制機(jī)制層面的協(xié)同部署

提到車路矛盾問(wèn)題，除了前面第3.2節(jié)提到的技術(shù)層面原因，還有體制層面的原因，即道路基礎(chǔ)設(shè)施與汽車制造分別屬于不同的行業(yè)，尤其在我國(guó)分別由不同的行業(yè)部門管理，因此長(zhǎng)期以來(lái)道路和汽車的技術(shù)升級(jí)發(fā)展基本是相對(duì)獨(dú)立的。同時(shí)兩者的物理形態(tài)和運(yùn)行模式差異很大，道路基礎(chǔ)設(shè)施屬于土木工程，一般道路設(shè)計(jì)壽命周期在20～30 a左右，橋梁和隧道等重要構(gòu)造物設(shè)計(jì)壽命在50～100 a；而汽車整車壽命一般10 a，很多私家車5 a左右就更新，近年來(lái)車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展使車載電子和信息設(shè)備的比重越來(lái)越高，從某種意義上講現(xiàn)在的汽車就是一輛移動(dòng)的信息終端，其車載設(shè)備壽命周期2～5 a，車載軟件和數(shù)據(jù)甚至可以實(shí)時(shí)下載更新。

綜上，道路設(shè)施和汽車系統(tǒng)的技術(shù)升級(jí)改造往往是不同步的。我國(guó)智能交通20多年的發(fā)展大大推動(dòng)了城市道路和高速公路信息化應(yīng)用水平，使得道路設(shè)施智能化程度越來(lái)越高，但與車載系統(tǒng)和移動(dòng)終端相比，道路設(shè)施對(duì)新技術(shù)的反應(yīng)速度一般是滯后的。因此，所謂車路協(xié)同，不僅僅指功能配置和資源優(yōu)化層面，還應(yīng)包括體制層面的協(xié)同，需要不同管理部門及產(chǎn)業(yè)鏈各方對(duì)涵蓋技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)、法規(guī)等各方面的實(shí)現(xiàn)路徑和時(shí)間節(jié)點(diǎn)等達(dá)成共識(shí)，才有可能實(shí)現(xiàn)車載系統(tǒng)和路側(cè)系統(tǒng)的一體設(shè)計(jì)、協(xié)同部署。

標(biāo)準(zhǔn)化是體制機(jī)制協(xié)同推進(jìn)的主要手段和方式。一方面，標(biāo)準(zhǔn)是車路、車車間直連通信和功能互操作的基礎(chǔ)；另一方面，地域分布的廣泛性和移動(dòng)的隨機(jī)性是道路交通的突出特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)全國(guó)兼容是車路協(xié)同系統(tǒng)的基本要求，而標(biāo)準(zhǔn)化是實(shí)現(xiàn)全國(guó)兼容性的最有力保障，應(yīng)推動(dòng)汽車、交通、通信等各領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)化工作協(xié)同。

4 結(jié)論

車路協(xié)同并不是近年才出現(xiàn)的新概念，它是20世紀(jì)末伴隨智能交通系統(tǒng)(ITS)發(fā)展而提出的。從解決車路矛盾的角度看，車路協(xié)同是一個(gè)相對(duì)廣義的思想和概念，即由車路(含車車)間信息或能量交互，所支撐的信息服務(wù)、交通管理以及車輛調(diào)度與控制功能。由于過(guò)去20 a無(wú)線通信技術(shù)發(fā)展難以滿足低延時(shí)、高可靠的車路交互要求，針對(duì)交通安全的車路協(xié)同應(yīng)用一直進(jìn)展緩慢，但車路協(xié)同思想在電子不停車收費(fèi)ETC、公路磁誘導(dǎo)等領(lǐng)域得到了積極探索和實(shí)踐。

隨著無(wú)線通信技術(shù)特別是5G技術(shù)以及人工智能技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，基于低延時(shí)、高可靠的車路直連通信技術(shù)、聚焦交通安全和車輛控制功能的智能車路協(xié)同應(yīng)用成為業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)。關(guān)于智能車路協(xié)同的工作機(jī)理，即如何實(shí)現(xiàn)車路協(xié)同,本研究認(rèn)為至少應(yīng)包括功能協(xié)同、運(yùn)行協(xié)同、體制協(xié)同等3個(gè)層面，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段的功能協(xié)同層面，應(yīng)重點(diǎn)考慮路側(cè)功能與車載功能的技術(shù)比較優(yōu)勢(shì)，并將車載和路側(cè)功能作為一個(gè)整體進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)和軟硬件成本控制；針對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行階段的資源協(xié)同問(wèn)題，初步建立了以計(jì)算和通信資源為對(duì)象、以系統(tǒng)時(shí)延和能耗開(kāi)銷最小為目標(biāo)的車載和路側(cè)系統(tǒng)間資源優(yōu)化分配方法；在體制協(xié)同層面，主要從體制機(jī)制的角度闡述了涵蓋標(biāo)準(zhǔn)、政策、法規(guī)等的路車一體設(shè)計(jì)、協(xié)同部署的原則。本研究成果對(duì)智能車路協(xié)同系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)以及工程部署具有重要的指導(dǎo)意義。