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1、智慧交通车辆协同方案 一、智慧交通智慧车路协同概述 智能智慧交通车路协同系统即 IVICS(Intelligent Vehicle Infrastructure Cooperative Systems)，简称智慧车路协同系统，是智能交通系统（ITS）的最新发展方向。智慧车路协同是采用先进的无线通信和新一代互联网等技术，全方位实施车车、车路动态实时信息交互，并在全时空动态交通信息采集与融合的基础上开展车辆主动安全控制和道路协同管理，充分实现人车路的有效协同，保证交通安全，提高通行效率，从而形成的安全、高效和环保的道路交通系统。智慧车路协同系统（CVIS），主要是通过多学科交叉与融合，采用无线通信
2、、传感探测等先进技术手段，实现对人、车、路的信息的全面感知和车辆与基础设施之间、车辆与车辆之间的智能协同和配合，从而达到优化并利用系统资源、提高道路交通安全和效率、缓解道路交通拥挤的目标，从而推动交叉学科新理论、新技术、新应用等的产生与发展。简言之，智慧车路协同的实质就是将控制指挥方案与道路交通条件的需求相匹配，从而实现交通的安全、环保、高效。智慧车路协同系统作为 ITS 的重要子系统备受国内外科研人员的关注，同时也是世界上交通发达国家研究、发展和应用的热点。智慧车路协同：安全畅通的新出行模式 驾车出行时，你能否想象这样的场景:盲区出现其他汽车时，车载显示屏和语音系统分别进行提示，避免做出换道
3、等不安全驾驶行为；两车从垂直方向高速通过路口，有可能发生碰撞时，车载系统报警并主动刹车；车辆自动获取前方红绿灯状态信息，提示驾驶员以适当车速行驶，不必停车正好适时通过路口，既提高通行能力，也降低污染排放；紧急车辆如救护车、消防车等接近路口时，信号灯提前获悉到达时间，延长绿灯时间或提前结束红灯，确保紧急车辆优先通过；前方道路发生拥堵、湿滑、有障碍物（如故障车）时，智能路侧设备将实时感知并提示周边车辆绕行。在“智能智慧车路协同关键技术研究”集成测试现场这一切都得以实现。参加验收的专家、学者和嘉宾登上一辆辆装载智慧车路协同智能设备的车辆，体验了现代交通带来的安全、舒适和畅通。相关教授介绍说，智慧车路
4、协同系统是目前智能交通系统的前沿技术，它采用先进的无线通信和新一代互联网等技术，全方位实施车车、车路动态实时信息交互，并在全时空动态交通信息采集与融合的基础上开展车辆主动安全控制和道路协同管理，充分实现人车路的有效协同，保证交通安全，提高通行效率，从而形成安全、高效和环保的道路交通系统。业内专家们认为，项目组提出的“智能智慧车路协同系统体系框架”对我国智能交通系统技术发展具有重要的价值，所开发的智能车载系统与智能路侧系统对提升我国交通系统智能化水平具有积极的促进作用，研究成果对推动车辆主动安全技术发展、提升道路通行能力、引导产业发展具有重要意义。先后起步：国内外共同追求的新交通理念 2004
5、年前后，美、欧、日等发达国家就纷纷开始立项，集中对智慧车路协同系统的关键技术进行研发。时至今日，智慧车路协同技术发展日新月异，对智慧车路协同的理解也趋近相同：利用无线通信、检测技术和智能设备技术提供车与车之间、车与路侧设备之间、车与行人之间的“对话”，使交通参与者行人与车辆实时掌握其他行人与车辆的位置、速度和方向，通过智能分析提高车辆、行人的安全性，提高道路通行能力，减少污染排放。美国交通部今年2 月 3 日对外发表声明：“决定推动车车通信技术在轻型车上应用。”声明中决定在轻型车上使用车车通信技术，避免碰撞，提高行车安全性。美国交通运输部长 Anthony Foxx 如是评价该项技术：车车通信
6、是继安全带、安全气囊之后的新一代安全技术，在维持美国处于全球汽车工业领导者地位中扮演重要角色。相对发达国家，我国在智慧车路协同技术领域的研究启动较晚。但是进入“十二五”后，科技部立项的“智能智慧车路协同关键技术研究”项目围绕智慧车路协同核心关键技术和典型应用开展了系统性的探索研究，这一项目由清华大学、北京航天航空大学、同济大学、北京交通大学、武汉理工大学、武汉大学、东南大学、国家 ITS 研究中心、中国汽车技术研究中心和重庆长安汽车股份有限公司等 10 家单位参与，有效地推动了我国智能智慧车路协同技术的迅速发展。目前我国的相关研究水平在总体设计、车载设备等方面已经与国际先进技术比肩，在多模式数
7、据交互、管理技术、交通协调控制、集成测试等方面处于国际领先水平。智能车载系统：保证行车安全性 姚丹亚教授打了一个形象的比喻，智能车载系统就像一个智能人，由眼睛、耳朵、嘴、大脑和手脚组成，协助驾驶员完成车辆的安全驾驶，比如车车避撞、人车避撞、交叉口安全通行、换道辅助驾驶等。车载传感器是汽车的眼睛，能看见前方的道路、车辆和障碍物；数据交互系统是汽车的耳朵和嘴，能与其他车辆进行交流，在获得周围车辆位置、速度和状态的同时也将自己的情况通报给其他车辆；主控计算机是汽车的大脑，对看到和听到的信息进行综合分析，如果车辆行驶是安全的，她不会干预驾驶员操作，一旦她发现有危险，首先会提示驾驶员小心，当出现危急状况
8、时，她会直接指挥作为手脚的刹车将汽车停下来，避免危险真正发生。智能路侧系统：提高道路通行能力 智能路侧系统不会移动，但她的传感器就像我们的眼睛，能“看到”往来车辆、行人的运动和道路的湿滑状态，还能与路口的红绿灯控制系统连接获取各个方向的灯色和剩余时间。她的耳朵能“听到”安装了智能车载设备的汽车发给她的信息，更重要的是她可以用“嘴巴”把得到的所有信息广播给来往的车辆，让大家协调运行。比如，她可以把检测到的异常停车、行人过街等危险情况通知周边车辆，保证车辆安全；她可以根据车辆位置和信号灯状态，给驾驶员建议一个合理的行驶速度，保证车辆不停车而通过路口；当获悉驶近路口的车辆是救护车或消防车时，她可以调
9、整信号灯让他们先行；当然，她还可以与智能车载系统合作，当驾驶员不小心要闯红灯的时候强制停车，避免危险。智能数据交互系统：保证人车路的对话 智慧车路协同系统基础是车辆之间、车辆与不同地方的路侧设备之间的相互交流。智能数据交互系统除了能看能说能听以外，还是一个全能的翻译，无论你是来自哪里，不论你有多重的口音，无论你说话快慢，只要你说的是中国话，她都可以翻译成标准的普通话，保证所有驾驶员能听懂它传递的信息。有了它的帮助，所有的智慧车路协同系统应用就可以大范围的推广应用。这一切都可以通过项目组开发的智能智慧车路协同数据交互系统能来实现，目前该系统能通过专用短程通信、无线网络和移动通信等多种通信模式实现
10、车车、车路的数据交互，不同单位开发的各种行车安全、交通控制和信息服务等应用都能通过该系统实现对话，共同为提供安全、高效、便捷的交通服务做出贡献。二、技术架构 随着智能交通技术和车联网的发展，为智慧车路协同技术带来了很多重要的发展机遇，例如云计算、大数据、移动互联等技术，使我们在高精度定位、精细化信息服务和新一代传感网络构建等方面，都有了更加可靠的技术保证。三、建设内容 发达国家基本建立了智慧车路协同系统的体系框架，定义了一系列应用场景，开展了一些试验和应用，但智慧车路协同系统的某些核心技术仍处于研究和试验阶段，制约了系统的应用。目前智慧车路协同技术发展具有如下趋势：智慧车路协同系统体系框架的构
11、建：智慧车路协同系统的发展方向是由特例实验走向场景应用和制定通信协议标准。车路通信平台的开放性：将从单一通信模式向多种通信手段的互补与融合方向发展。可用于车路通信的方式包括：DSRC、WiFi、DSR、GSM/GPRS、3G、RFID、WLAN、BlueTooth 等，由于通信技术各有优缺点，单一通信的方式很难满足车路通信需求，需建立一种多方式兼容的通信平台。车载单元的多功能一体化集成：由单项服务向集成服务转变，从单目标控制向多目标控制集成转换。例如，把 ETC 和北斗导航系统集成到一个系统里，形成多功能一体化的车载单元，即集成的车载终端装置能够提供路桥收费、信息发布、信息采集等多种服务。高速
12、公路的安全管理信息服务走廊：通过车车、车路信息交互，在高速公路沿线构建一个安全信息服务走廊。例如，在高速公路汇流区，车辆进入主线以前，将主线交通运行状况和安全信息发布给驾驶员，从而避免在交汇区发生交通事故。多通道信息采集技术：单一传感器无法满足信息实时采集的需求，因此，必须结合多传感器信息采集技术，通过多种信息的融合，从而提高路网交通状态实时检测精度。大范围内实现交通协调控制：如交通信号协调控制、实时路径诱导、公交优先控制等。通过对智慧车路协同技术国内外研究现状以及其发展趋势的分析，智慧车路协同需要通过多途径获取数据信息，包括车辆自身状态、周围行车环境、路面状态、交通流等信息；同时，通过精准的
13、定位与可靠的通信技术将这些数据信息传输到云服务器，以便云服务器对这些信息进行处理，形成有效的控制指挥方案，并将方案发布出去。所以，将智慧车路协同相关技术总结为信息采集技术、通信技术、信息处理技术，这些功能分别由交通信息传感器、通信网络、云服务中心来实现.(一)信息采集 智能智慧车路协同技术在实时、可靠的全时空交通信息的基础上，实现车辆与道路设施的智能化和信息共享，保证交通安全，提高通行效率。智能智慧车路协同系统主要由智能路侧系统、智能车载系统和通讯平台三个部分组成。其中，智能车载系统负责采集自身车辆状态信息和感知周围行车环境；智能路侧系统负责采集交通流信息（车流量、平均车速等）和道路异常信息、
14、道路路面状况、道路几何状况等；通讯平台主要是负责整个系统的通讯和实现路侧设备与车载设备之间的信息交互。从根本上来说，交通信息的采集是车路协调的前提和基础，采集到的信息越多，对驾驶安全就越有利。确定车辆和道路的状态是智慧车路协同的基础和关键，并能够同时获取前方道路的标志、标线等交通设施信息。通过 GPS 定位线路，航位推算并和地图匹配，在车载终端上显示，道路路线、地名等静态信息。同时，在交通标志上装上无线电发射装置，驾驶员可提前预警。当然，静态的交通信息采集比较容易实现，但是当车辆在道路上运行时，需要很多动态的交通信息，比如，在交叉口的红绿灯信息、需要等待排队时间和路段交通状态等信息。需要视频图
15、像的实时采集，并融合计算机技术、模式识别和图像处理等技术将视频信息转化为可读信息。(二)通讯设计 高可靠的无线通信技术可以实现车路/车车之间数据的稳定有效的实时通讯与传输。无线通信技术主要是：无线个域网通信（Bluetooth、Zigbee）、基于自组织网络和双向数据通信技术、无线局域网通信（Wi-Fi）、多信道多收发器通信技术、无线广域网通信（WiMax）和新型的 3G、IPv6 等，以及专用短程无线通信（DSRC，Dedicated Short Range Communication）。车路无线通信技术主要分为两类：一是专用短程无线通讯技术（DSRC）；二是基于固定信标（Beacon）的定
16、向无线通讯技术。欧美国家的智慧车路协同通讯技术主要采用 DSRC，主要因为 DSRC 具有数据传输速度高、延时小、信号覆盖范围相对集中、抗干扰能力强等特点。但 DSRC 还没有制定完整的国际标准，美日欧分别建立了自己的 DSRC 标准。本小节将对智慧车路协同通信中应用较普遍的通信技术进行介绍，实际应用中的智慧车路协同系统的短程通信和远程通信需要采用多种通信技术的融合才能实现。移动自组织网络，又称移动 Ad Hoc 网络，是由一组自主的无线节点或终端相互合作而形成的，独立于固定的基础设施的并且采用分布式管理的网络，是一种自创造、自组织和自管理网络。与传统的蜂窝网络相比，无线 Ad Hoc 没有基
17、站与中心交换节点，所有节点分布式运行，具有路由器的功能，负责发现和维护到其他节点的路由，向邻居节点发射或转发分组。这种网络既可以单独运行，又可以通过网关接入到有线骨干网络（如因特网）。从节点的作用和职责来分，Ad Hoc 网络拓扑结构具有以下几种形式：1）全对称环境网络：所有节点具有相同的能力和职责。2）对称能力网络：各个节点在信号传输距离、电池寿命、信息处理能力、移动速度等方面均有可能不同。3）非对称职责网络：即分层结构，网络中只有一部分节点有能力对分组信息进行路由选择，另一些则不能。对于采用簇结构形式的网络，一部分节点还要充当一些相邻节点的簇头。这种结构的应用范围比较广，有以下几种形式：单
18、挑星型结构这种结构最大特征就是设计相当的简单，无线传感器网络（WSN）用的就是单跳星状拓扑类型。在这种类型中，每一个节点直接向网关发送数据，网络节点之间的相关性降到最低，然而缺少健壮性和可测量性，如果在一个较大区域内节点离网关较远时将导致无线链路的传输质量很低。平面多跳网络结构这种结构适合面积较大区域的网络中，存在多跳路由。两层簇状结构因为单个节点距离有限，在每一簇内部的通信可以是单跳也可以是多跳通信。一旦信息到达簇头，信息将被传往上级网络，上级网络可以利用更高的传输带宽，或者可以将上级网络直接连接到一个有线网络上。(三)应用层 应用层规定应用服务资料的切段与重组(fragmentation
19、and defragmentation)，为实现应用服务提供通信工具，这些工具由一些核心单元组成，用于执行应用操作。应用层由三个核心单元(KEKernel Element)组成：初始化核心单元(I-KE)、广播核心单元(B-KE)、传输核心单元(T-KE)。T-KE 在通信双方对等服务用户之间传输信息，实现简化了的 OSI 七层协议结构中网络层(L3)到表现层(L6)的功能，包括编解码、多路访问技术、分离信号及优先级处理等。I-KE 负责车上单元与路侧单元建立通信的初始化，这一过程通过在对等实体之间交换与参数集合或应用有关的信息来实现。I-KE 管理链路地址将接收到的与 RSU 应用服务有关的
20、信息通知 OBU 的对等应用用户。B-KE 负责数据收集、广播和发布，这些数据用于多种应用服务或多个移动用户。DSRC 数据帧如图所示，数据从左向右传送，去掉两边的引导同步和结束同步，剩下的其实就是 HDLC 帧格式 DSRC。(四)云服务中心 云服务中心在智慧车路协同系统中主要用于预测道路交通姿态、大规模车辆诱导、车辆调度等。云服务中心系统由感知层、中间件、服务层及应用层组成。感知层由信息采集设备、信息处理分析设备、信息传输转换设备、信息发布设备构成。中间件由系统安全管理软件、数据库管理软件、信息处理分析软件及系统服务应用软件等构成，服务层由人与云服务中心（P2C）、车与云服务中心(V2C)
21、、道路设施与云服务中心(I2C)、环境与云服务中心(E2C)、交通与云服务中心(T2C)五大云服务系统与云服务总中心连接构成，具有标准统一、信息共享的特点，并且具有良好的系统兼容性。应用层是智能交通系统为了满足交通服务对象的交通需求而开发的应用服务系统层。(五)交通信息分析处理层 该层包括储存有时空数据及其特征属性的大型对象关系型数据库以及道路几何数据框架模型与时空索引、分布式交通信息等，也包括基于车载传感器级的道路环境状况信息的有效性分析与数据层融合、基于特征级道路环境状况信息的融合处理、基于浮动车技术的数据挖掘理论与方法以及基于自组织理论的道路交通信息的知识发现与动态预测等。(六)交通信息
22、综合服务层 该层由交通信息服务中心以及智慧车路协同智能道路系统综合服务平台构成,包括基于车载信息终端、交通信息提示板、交通信息电台以及车路通信等多种媒体形式的实时交通出行信息的发布与更新、动态车辆导航与诱导、车辆实时监控与调度、不停车电子自动收费以及紧急事件的求援与处理等信息服务。(七)应用建设 智能交通技术正在从交通要素的单一智能化向交通要素的一体化方向发展，智慧车路协同系统作为智能交通的重要子系统，智慧车路协同技术正成为各国智能交通系统研发的热点，尤其是欧美等发达国家都在积极推进相关技术的研究。开展智慧车路协同系统研究，突破智慧车路协同的关键技术，抢占智能交通前沿技术的制高点，是关乎我国未
23、来能否在智能交通产业形成核心竞争力的关键，这对提高我国交通运输系统的效率和安全，实现交通系统的可持续性发展具有重大意义。做智慧车路协同技术研究，需要以场景做驱动，测试在不同场景下，车路之间、车车之间协同管理效果。例如，针对交叉口的智慧车路协同，针对路段的行车安全，针对智慧车路协同与信号灯之间的引导、闯红灯的定时和定位等等。智慧车路协同技术不但可以提升道路交通系统的安全性和通行效率，还可以缓解交通拥堵、优化利用系统资源。下面针对交叉口和危险路段应用场景分析智慧车路协同技术向车辆用户和交通管理部门提供的服务。交叉口场景智慧车路协同技术应用分析 道路交叉口应用场景，智慧车路协同系统可提供如下应用：1
24、）交通信号信息发布系统 当车辆达到交叉口时，通过车路通信，向车辆发布红绿灯相位和配时信息，并提醒驾驶员不要危险驾驶和协助其做出正确判断和操作。另外，公交优先信号控制也可以通过智慧车路协同技术实现。2）盲点区域图像提供系统 当车辆在视距不足或无信号交叉口转弯时，通过车路通信，可以向准备转弯或在停止标志前停车的车辆提供盲点区域的图像信息，从而防止车辆的直角碰撞事故。3）过街行人检测系统 当车辆达到交叉口时，通过车路通信，把人行道及其周围环境的行人、自行车的位置信息发布给车辆，以防止机非、人机冲突。4）交叉口通行车辆启停信息服务 当车辆达到交叉口时，前车通过车路通信把启动信息及时传递给后车，以提高交
25、叉口的通行能力；另外，前车向后车传递紧急制动信息，以避免追尾事故的发生。5）先进的紧急救援体系 当发生交通事故或车辆故障时，自动把事故地点、性质和严重程度等求助信息发送给急救中心及管理机构，通过车路通信实现信号灯优先控制的调度，从而让急救车辆先行并及时救援受伤人员。危险路段场景协同技术应用分析 1）车辆安全辅助驾驶信息服务 通过路侧设置的传感器检测前方道路转弯处或线死角区域，若发生交通阻塞、突发事件或路面存在障碍物等，通过车路通信系统向驾驶员传输实时的道路信息。6）路面信息发布系统 把路面信息(冰冻、积水或积雪等)，发布给接近转弯路段的车辆，以提醒驾驶员注意减速，防止追尾事故。7）最优路径导航服务 路侧设备通过车路、车车通信系统以及车载终端显示设备，把检测到前方道路拥堵状况发布给驾驶员，提醒驾驶员避开拥挤道路，并为其优化一条达目的地的最佳路线。8）前方障碍物碰撞预防系统 把危险信息（如障碍物的位置、速度等）通过车路、车车通信传递给车辆，从而避免车辆之间或车辆与其它障碍物之间发生碰撞。9）弯道自适应车速控制 把前方弯道的相对距离、形状（曲率半径、车线等）等信息传递给车辆，车辆再结合自身运动状态信息，为驾驶员提供最优车速，避免车辆在转弯时发生侧滑或侧翻。