王 鋒

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,湖北 武漢 430063）

0 引言

世界的聯(lián)系隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展越來越緊密，網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的應(yīng)用從最基本的上網(wǎng)、打電話、導(dǎo)航到現(xiàn)在的前沿應(yīng)用無人駕駛技術(shù)、云計(jì)算等。可以說，日新月異的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)時(shí)刻都在影響著人們的生活，改變著人們的出行方式。如今為滿足人們生活方便、出行便捷等多元化的需求，使得跨學(xué)科融合、多領(lǐng)域交叉成為科學(xué)研究的常態(tài)。交通設(shè)施作為連接地區(qū)間貨物交流的紐帶、城市內(nèi)出行必須的途徑，其重要性不言而喻。截至目前，我國經(jīng)歷了30 多年高速公路建養(yǎng)的發(fā)展，道路建設(shè)不斷地根據(jù)需求而升級換代，道路水平前進(jìn)式的發(fā)展也逐步賦予道路更豐富的內(nèi)涵，越來越多的使用功能也豐富了人們的物質(zhì)生活、提升了人們的生活品質(zhì)。我國公路高速公路總里程居世界第一[1]，為響應(yīng)交通強(qiáng)國號召，建立安全、便捷、高效、綠色、經(jīng)濟(jì)的現(xiàn)代化交通體系，以交通強(qiáng)國、質(zhì)量強(qiáng)國、科技強(qiáng)國等為指針去構(gòu)建智慧交通和智能道路，將是未來路面工程的發(fā)展新方向。

車路協(xié)同系統(tǒng)是基于智能交通的外延，是智能車路協(xié)同系統(tǒng)的簡稱，是相對于傳統(tǒng)道路提出的一個新的理念，其目的在于彌補(bǔ)傳統(tǒng)道路依賴人的駕駛、交叉口等危險(xiǎn)地段交通事故多發(fā)、大中小型城市都存在不同程度擁堵等弊端，實(shí)現(xiàn)逐步解除人力的操作依賴性、執(zhí)行高效、出行安全、過程精確的目標(biāo)。其原理是，首先實(shí)現(xiàn)人、車、路的實(shí)時(shí)動態(tài)交互信息的自動化采集識別，然后由無線通訊執(zhí)行信息反饋與發(fā)送，再基于網(wǎng)絡(luò)互連進(jìn)行多元交互信息的處理及反饋命令，全過程實(shí)現(xiàn)車輛的安全控制、道路的協(xié)同管理，從而實(shí)現(xiàn)了通行效率高、解除出行的情緒駕駛危險(xiǎn)、高效的目的[2]。實(shí)現(xiàn)車路協(xié)同系統(tǒng)在智慧道路的應(yīng)用不僅僅需要智能的車輛，還需要搭載車輛相關(guān)的智能路面。這一切的構(gòu)想的落實(shí)需要結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)發(fā)展共同努力思考，同時(shí)車路協(xié)同系統(tǒng)應(yīng)具備何種具體功能，應(yīng)該按需求去完善。該文就車路協(xié)同系統(tǒng)基本功能進(jìn)行分析，并對其在智慧道路的應(yīng)用進(jìn)行展望。

1 車路協(xié)同系統(tǒng)基本功能

車路協(xié)同系統(tǒng)涉及汽車領(lǐng)域、通信工程、交通行業(yè)等多個領(lǐng)域與學(xué)科，在每個領(lǐng)域內(nèi)的定義有所區(qū)別，但其基本定義為人、車、路、環(huán)境的多因素耦合與交互協(xié)同，是基于智能運(yùn)輸系統(tǒng)的延伸，因此也稱為合作式（協(xié)作式）智能運(yùn)輸系統(tǒng)?；竟δ苄枰Y(jié)合“以人為本”的設(shè)計(jì)理念，協(xié)同理念是滿足出行者目的前提下，要求車輛協(xié)同安全、道路協(xié)同管理、同時(shí)滿足使用者的需求、豐富使用者的多元化選擇。旨在實(shí)現(xiàn)全區(qū)域的人—車—路基于傳感器、手機(jī)終端互連互通，圍繞提升交通安全的服務(wù)水平，有效緩解目前交通中存在的問題和不足，保障道路通行能力并創(chuàng)建智能綠色的交通環(huán)境。

1.1 道路交通弊端現(xiàn)狀

由于私家車保有量的增加，全國大中小城市道路交通都出現(xiàn)了不同程度的擁擠，具體表現(xiàn)在停車擁擠、交通擁堵、環(huán)境污染嚴(yán)重等方面，車輛的增多也導(dǎo)致城市交通事故概率的上升。國務(wù)院安全生產(chǎn)委員會發(fā)布的《道路交通安全“十三五”規(guī)劃》的統(tǒng)計(jì)資料提到：“十二五”期間，高速公路交通事故起數(shù)和死亡人數(shù)分別占事故總數(shù)的4.4%和10.0%[3]。事故發(fā)生率與車輛安全性能、疲勞駕駛、人的情緒化駕駛、道路的安全性因素等各方面因素有關(guān)。毫無疑問現(xiàn)階段的諸多探索能一定程度降低事故率，但是這些因?yàn)榭陀^因素仍然發(fā)生的事故，在原本傳統(tǒng)道路上是必須面對的。

1.2 車路協(xié)同的機(jī)制

車路協(xié)同機(jī)制源于交通工程、道路工程，研究對象是汽車、道路以及如何使兩者根據(jù)人的需求協(xié)同。因此，基本著手點(diǎn)在于處理路線線形、道路實(shí)況、天氣、周圍環(huán)境之間的相互協(xié)作關(guān)系。處理好車與車、車與人之間的關(guān)系，需要結(jié)合主動需求、良好的管理與控制、安全預(yù)警的識別與管理。從最初的概念設(shè)計(jì)到現(xiàn)在初步成型，大致經(jīng)歷了三代技術(shù)的發(fā)展：第一代為普通汽車可變限速系統(tǒng)；第二代為普通汽車的霧天行車安全誘導(dǎo)裝置、公路發(fā)光型誘導(dǎo)設(shè)施、視覺盲區(qū)的微波車輛檢測器；第三代為現(xiàn)在普通車的ETC 系統(tǒng)、視覺盲區(qū)預(yù)警的毫米波雷達(dá)系統(tǒng)等，第四代為車路協(xié)同系統(tǒng)下的聯(lián)網(wǎng)智慧汽車。車路協(xié)同機(jī)制使得車輛從普通車輛轉(zhuǎn)向智能聯(lián)網(wǎng)汽車，對于科技的發(fā)展是一個巨大的跨越，車路協(xié)同的機(jī)制如圖1 所示。

圖1 車路協(xié)同示意圖

因此，針對這幾方面的需求與管理需要先進(jìn)的技術(shù)作為支撐，當(dāng)下5G 通訊技術(shù)的發(fā)展為智慧交通和車路協(xié)同提供了可能，對于快速實(shí)現(xiàn)云計(jì)算和互聯(lián)網(wǎng)提供了強(qiáng)大的支撐?；谠朴?jì)算的交通服務(wù)系統(tǒng)是執(zhí)行行為全過程的監(jiān)控和管理的關(guān)鍵，通過高精度的信息采集設(shè)備和電子傳感器的綜合應(yīng)用，可以實(shí)時(shí)溝通車輛和周圍環(huán)境的信息變化，結(jié)合定位系統(tǒng)與5G 基站快速的信息交互與傳遞，可以在瞬間完成整個信息的傳遞與控制。

1.3 車路協(xié)同的任務(wù)要求

智慧道路的關(guān)鍵核心在于車路協(xié)同技術(shù)，隨著科技進(jìn)步車路協(xié)同賦予的任務(wù)也越來越多，內(nèi)涵越來越豐富。承擔(dān)更多需求功能任務(wù)的落實(shí)，不僅需要智能的汽車，還需要智能的道路與云計(jì)算等先進(jìn)科技支撐。車路協(xié)同的基礎(chǔ)是要將信息接收和傳遞技術(shù)、電子傳感器、車輛控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、GPS 定位系統(tǒng)等結(jié)合起來，各部分各司其職、協(xié)同運(yùn)作。使得滿足車輛可以實(shí)時(shí)自動化識別任何斷面的道路及環(huán)境情況，實(shí)時(shí)地傳遞信息進(jìn)入處理系統(tǒng)，獲得反饋信息的車輛可以執(zhí)行相關(guān)指令。

此系統(tǒng)的核心是需要大量的云端數(shù)據(jù)和快速的云端計(jì)算處理器，使得車輛滿足在任何緊急情況下得到相應(yīng)確保安全性的響應(yīng)。此外，車路協(xié)同系統(tǒng)還要承擔(dān)實(shí)時(shí)的信息收集系統(tǒng)，在道路上行駛的車輛就是一個動態(tài)信息采集器，可以隨時(shí)反饋道路擁堵情況，并經(jīng)過云計(jì)算處理器規(guī)劃合理的出行路線，實(shí)現(xiàn)合理節(jié)約出行時(shí)間和有效分配道路資源的目標(biāo)。使得出行效率更高，減少交通堵塞導(dǎo)致不必要的燃油消耗、實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保低碳出行，同時(shí)可以協(xié)助道路管理部門對于道路的應(yīng)急管理作出針對性舉措，為智慧城市打下堅(jiān)定基礎(chǔ)。

2 國內(nèi)外車路協(xié)同研究現(xiàn)狀

世界各國交通業(yè)內(nèi)人士一直都在探索如何使車路與道路更好的協(xié)同發(fā)展，車路協(xié)同的發(fā)展與完善對交通運(yùn)輸產(chǎn)生了積極的影響，其典型特征為車輛的智能化程度提高，基礎(chǔ)領(lǐng)域如信息處理、儲存、傳感器、計(jì)算機(jī)自動控制、云計(jì)算等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了跨學(xué)科的交叉融合，并發(fā)揮著不可替代的作用。

近年來，美國、日本、歐洲等國家均在開展車路協(xié)同的研究且制定了相關(guān)規(guī)劃。美國聯(lián)邦公路局、AASHTO、汽車工業(yè)聯(lián)盟等聯(lián)合研發(fā)了美國車路協(xié)同系統(tǒng)（Vehicle InfrastructureIntegration，VII），Waymo（google）開發(fā)了Honeycomb 激光雷達(dá)及Carcraft 自動駕駛模擬測試系統(tǒng)等[4]；日本對車輛通信方向的研究提出了Demo2000[5]，JARI 計(jì)劃之后，日本出現(xiàn)了綜合智能交通設(shè)備“智能公路”（Smartway），并成功應(yīng)用于當(dāng)年新修建的高速公路中[6]；歐洲探索智能交通的腳步啟動較早，因此智能交通水平一直處于世界前列，歐洲相繼開展了Car Talk 平臺研究[7]，隨后啟動了包含CVIS 等車路協(xié)同綜合協(xié)同技術(shù)。其中，歐洲在車路協(xié)同領(lǐng)域提出了通用的智能交通系統(tǒng)體系架構(gòu)，這對于國家組建大規(guī)模的智能交通系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)具有里程碑意義。

我國車路協(xié)同探索較其他國家晚，我國第一輛智能車是在20 世紀(jì)90 年代國防科技大學(xué)誕生，直到2000 年左右無人駕駛試驗(yàn)才取得了成功。但進(jìn)步很快，2003 年左右研發(fā)的紅旗無人駕駛汽車可以達(dá)到最高時(shí)速130 km/h。近年來，隨著5G 技術(shù)的飛速發(fā)展，不僅意味著我國在車路協(xié)同領(lǐng)域的信息傳遞交互方面有了有力的保障，更代表了邊緣云計(jì)算等方面將會有巨大的提升。這一技術(shù)會改進(jìn)原來道路感知能力差、突發(fā)情況處理速度緩慢、極端天氣下道路監(jiān)控運(yùn)行不力等缺點(diǎn)。不久的將來會逐步實(shí)現(xiàn)道路全面監(jiān)控、滿足車輛高速運(yùn)行的通信需求，解決多發(fā)復(fù)雜意外情況，豐富處理手段和提高處理能力。

3 車路協(xié)同技術(shù)的應(yīng)用

車路協(xié)同系統(tǒng)不僅在于智慧的運(yùn)載工具，還在于智慧的道路和高效的中心處理器。我國智能交通目前主要在城市交通智能化、高速公路交通智能化、其他領(lǐng)域智能化三個領(lǐng)域。應(yīng)用車路協(xié)同旨在解決道路中遇到的難點(diǎn)與痛點(diǎn)，體現(xiàn)在高速公路收費(fèi)系統(tǒng)、道路違規(guī)抓拍、長大坡等特殊路段安全預(yù)警、城市交叉路口、車輛跟馳行為、智慧道路升級、交叉口信號控制、道路車流檢測、智能停車導(dǎo)航、智慧車人感知系統(tǒng)、智能路側(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、自動駕駛技術(shù)等方面。

3.1 車路協(xié)同技術(shù)對城市交叉口的優(yōu)化展望

目前我國大中小城市道路中都存在一定程度的交通擁堵，車輛保有率增加是客觀存在的原因。但也有一部分不利影響在于傳統(tǒng)道路設(shè)計(jì)因素的制約，比如道路傳統(tǒng)交叉口控制分為信號控制與無信號控制，兩種控制方式會造成許多不必要的停車，使得交叉路口通行效率降低，導(dǎo)致路段的持續(xù)擁堵和不必要的能源消耗。車輛流暢運(yùn)行取決于道路和車輛的時(shí)間—空間資源的合理分配，而伴隨著車路協(xié)同技術(shù)的推廣必將促進(jìn)道路車輛聯(lián)網(wǎng)化。因此，基于聯(lián)網(wǎng)化的智能車流在交叉路口可以根據(jù)車流密度和長度來自感知、自適應(yīng)地調(diào)整紅綠燈的時(shí)間長度，使得高速擁堵地段紅綠燈時(shí)間可以滿足規(guī)定范圍車輛通行，同時(shí)，根據(jù)過街行人數(shù)量多少適度減少和增加對應(yīng)綠燈的時(shí)間，這樣可以大大提升高峰期車輛通行效率。通過車輛的實(shí)時(shí)信號傳遞、交叉口過街行人自動人像識別技術(shù)、行人的手機(jī)雷達(dá)定位等功能實(shí)現(xiàn)過街行人與中心處理器的信息交互，采用間隙理論的時(shí)空法以最安全的間隙實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控最后輛車通過的安全間隙，以安全的間隙計(jì)算行人過街的時(shí)間，這樣既可以確保行人過街的安全也提高了路口的安全屬性。

3.2 車路協(xié)同技術(shù)對高速公路的優(yōu)化展望

高速公路作為交通運(yùn)輸?shù)闹饕獎用}線，在物資運(yùn)輸、客運(yùn)流動、區(qū)域經(jīng)濟(jì)溝通等方面發(fā)揮著不可代替的作用。高速公路由出入口、公路段、隧道段、橋梁段組成，其應(yīng)用相比城市道路有許多不同點(diǎn)，若不采用改建和擴(kuò)建方式提高高速公路通行效率，將一直是管理者們十分棘手的問題。車路協(xié)同系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高速公路安全性提升，出入口瓶頸的效率提升，綜合信息服務(wù)優(yōu)化等功能。

提升出入口瓶頸的效率、優(yōu)化綜合信息服務(wù)、高速公路進(jìn)出口車輛的高效識別，進(jìn)而逐步改革取消收費(fèi)站，這是國家極力倡導(dǎo)交通基礎(chǔ)設(shè)施、運(yùn)載工具等基本要素信息全面實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的必經(jīng)之路。國家交通發(fā)展規(guī)劃極力倡導(dǎo)交通基礎(chǔ)設(shè)施、運(yùn)載工具等基本要素信息全面實(shí)現(xiàn)數(shù)字化[8]，實(shí)現(xiàn)路網(wǎng)管理、車路協(xié)同和出行信息服務(wù)的智能化。特別是目前鼓勵太陽能、風(fēng)能等清潔能源的應(yīng)用，電力汽車漸漸走入消費(fèi)者眼中，未來充換電配套設(shè)施在交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)運(yùn)營中的應(yīng)用，將會是車路協(xié)同的信息優(yōu)化的重要節(jié)點(diǎn)。

此外，典型綜合信息服務(wù)系統(tǒng)可以應(yīng)用于交通指揮、交通監(jiān)控系統(tǒng)等領(lǐng)域。該系統(tǒng)可以嚴(yán)格監(jiān)督道路超速駕駛行為和車輛超載行為從而規(guī)范駕駛行為、降低事故發(fā)生率。針對特殊緊急情況下對應(yīng)急車輛、救護(hù)車輛等調(diào)動時(shí)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)預(yù)先路線交通信號的發(fā)布，在緊急情況下預(yù)先實(shí)現(xiàn)道路交通流的疏通，從而實(shí)現(xiàn)對緊急情況的高效率處理，更好地保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全不被侵害。

3.3 車路協(xié)同系統(tǒng)對于實(shí)現(xiàn)公路運(yùn)維優(yōu)化的展望

根據(jù)我國道路發(fā)展全局來看，目前大規(guī)模的基礎(chǔ)建設(shè)階段正在逐步轉(zhuǎn)向運(yùn)營維護(hù)階段。實(shí)現(xiàn)車、路、人云計(jì)算協(xié)同的智慧路面是更好地解決現(xiàn)在道路未來運(yùn)營發(fā)展問題的關(guān)鍵。傳統(tǒng)道路維護(hù)檢測模式為管理人員定期駕駛車輛在高速公路上巡邏，記錄在行駛過程中的問題，整理出檢測的報(bào)告上交維修部門。這種模式帶有很大人為因素且存在檢測不到位的情況，留下了許多隱患。車路協(xié)同機(jī)制下智能的車結(jié)合智能的路將實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)測，可以實(shí)現(xiàn)維護(hù)最佳時(shí)機(jī)。具有了最科學(xué)且系統(tǒng)的數(shù)據(jù)支撐，可以根據(jù)實(shí)際的軸載作用次數(shù)對道路建設(shè)和養(yǎng)護(hù)開展最科學(xué)的研究。及時(shí)的道路養(yǎng)護(hù)能夠減少道路早期的嚴(yán)重破壞，實(shí)現(xiàn)道路使用壽命最大化，能充分發(fā)揮道路資產(chǎn)最大使用價(jià)值?？梢詫ΜF(xiàn)有道路大數(shù)據(jù)的挖掘分析，對于道路通車類型、軸載分布、軸載次數(shù)等有了系統(tǒng)的資料數(shù)據(jù)，使得對于新的道路修建和擴(kuò)建、道路破損程度全面掌握。

4 結(jié)論

智慧道路的建設(shè)將隨著科技進(jìn)步煥發(fā)出極強(qiáng)的生命力，歐美國家已經(jīng)早早地全面布局了智慧交通戰(zhàn)略策略，我國智能交通從信號交通控制到現(xiàn)在ETC 也一直在不斷發(fā)展。近年來，隨著5G 通訊技術(shù)的大發(fā)展，開展車路協(xié)同系統(tǒng)研究對于解決我國傳統(tǒng)道路的短板問題、智慧道路升級建設(shè)具有重大意義。

智慧道路建設(shè)需要相關(guān)“法律法規(guī)”的支持與保障，將通信設(shè)備、車輛、道路的互連互通等采用雷達(dá)定位或手機(jī)遙感并交給中心處理器處理，信息交互的過程中會涉及個人的隱私，這一切都需要法律先行，切實(shí)保障人民信息安全，并打擊科技犯罪的發(fā)生。

目前，我國已經(jīng)有部分城市正在開始實(shí)施車路協(xié)同系統(tǒng)，著力打造智慧城市，但要實(shí)現(xiàn)智慧道路更先進(jìn)應(yīng)用、更人性化的服務(wù)等還需要著力建設(shè)智慧道路的感知網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的信息感知及推廣。經(jīng)濟(jì)成本是一個不容忽視的制約因素，目前大范圍推廣應(yīng)用有一定的難度，相信隨著經(jīng)濟(jì)水平的提升將來科技會解決眼前的難題，真正意義上實(shí)現(xiàn)車、路、人的協(xié)同是可以實(shí)現(xiàn)的。