对车路协同(V2X) 技术协助汽车自动驾驶的思考

马晓易

关键词：车路协同;自动驾驶汽车;车辆网;智能交通;道路交通

随着经济的持续快速发展，我国居民收入和生活水平不断增长，随着我国机动车保有量在持续上升。2022年1月11日公安部公布的数据显示：2021年，全国机动车保有量达到3.95亿辆，其中汽车3.02亿辆;机动车驾驶人达4.81亿人，其中汽车驾驶人4.44亿人。新注册登记机动车3674万辆，同比增长10.38%。

越来越多的机动车在给人们带来生活与工作便利的同时，也带来了一些问题，比如更多的交通拥堵、更高的交通事故发生率以及污染增加等问题。近年来，即使有着ABS、EBD、SRS等不断更新的软硬件安全保障系统，我国道路交通事故起数及死亡人数依然居高不下（如图1）。另据统计，公路与城市道路事故起数比为1.4：1，而公路交通事故死亡人数是城市道路死亡人数的3倍，公路上平均每5起事故死亡1人，城市道路上平均每12起事故死亡1人。为减少交通事故，降低能耗，一种新的交通模势在必行——智能交通系统（ITS）。智能交通系统是将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子传感技术、控制技术及计算机技术等有效地集成运用于整个地面交通管理系统而建立的一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合交通运输管理系统;它有2个显著特点：一是着眼于交通信息的广泛应用与服务，二是着眼于提高既有交通设施的运行效率。

1.基于自动驾驶的智能交通系统

据记载，智能交通创始于1973年。

但早期受限于通信手段，智能交通发展缓慢。1995—2000年，通信技术在数据传输速度和位置服务技术方面的发展突飞猛进，智能交通发展明显加快。2000—2010年，计算能力与云端传输技术的发展拓宽了智能交通的维度。

2010年至今，随着大数据、机器学习等技术的发展，基于智能辅助驾驶及自动驾驶的智能交通系统成为未来发展的重要方向，并成为建设智慧城市的重要一环。

在实践与研究中，人们将汽车驾驶的自动化程度分为若干阶段。目前公认的自动驾驶分级标准由SAE（国际自动机工程师学会）制定，即将汽车的驾驶程度分为L0～L5共6个等级。L0代表没有自动驾驶加入的传统人类驾驶，而L1～L5则随自动驾驶的技术配置进行了分级。分别概述如下：Level0（无自动化）：由人类驾驶者全权操作汽车，在行驶过程中可以得到警告和保护系统的辅助。

Level1（驾驶支援）：通过驾驶环境对放线盘和加减速中的一项操作提供驾驶支援，对其他的驾驶动作都由人类驾驶员进行操作。

Level2（部分自动化）：通过驾驶环境对方向盘和加减速中的多项操作提供驾驶支援，其他的驾驶动作都由人类驾驶员进行操作。

Level3（有条件自动化）：由无人驾驶系统完成所有的驾驶操作。根据系统请求，人类驾驶者提供适当的应答。

Level4（高度自动化）：由无人驾驶系统完成所有的驾驶操作。根据系统请求，人类驾驶者不一定需要对所有的系统请求作出应答，限定道路和环境条件等。

Level5（完全自动化）：由无人驾驶系统完成所有的驾驶操作。人类驾驶者在可能的情况下接管。在所有的道路和环境条件下驾驶。

从国内实践看，目前自动驾驶汽车的应用场景及水平处于处在L3、L4阶段，并有人表示L3级自动驾驶并不实用，产品应该从L2直接跨越到L4级。目前L4级自动驾驶车辆的商业化主要体现在商用车领域，已运用于港口码头的封闭区域以及各个城市划定的封闭路段或部分开放路段。例如：2018年，天津港，由中国重汽等方面联手打造的全球首辆无人驾驶电动卡车开启试运营;2019年，上海洋山深水港，由上汽红岩等联手打造的5G+自动驾驶重卡首次投入商业化应用;2019年，由宇通客车等联手打造的4辆自动驾驶巴士在郑州市智慧岛公开道路上试运行;等等。这些自动驾驶车辆普遍使用了移动车联网（C-V2X）技术，即：通过摄像头、毫米波雷达和激光雷达，以蜂窝通信技术为基础开发的移动车联网技术，实现了车联网与L4级自动驾驶。但它们只能在特定的范围内行驶，而且据悉有的车辆在遇到紧急情况或礼让行人进行制动时的平顺性和乘坐舒适性还有待改善;实现自动驾驶的投入成本也很高;目前仍然处在试运行阶段，还需要不断积累运行数据进行提升。

2.自动驾驶中的车路协同（V2X）技术

在实现自动驾驶的过程中，车路协同（V2X，vehicletoeveything）技术起着至关重要的作用。V2X是一种能让车辆与交通系统中周围的移动物进行通信的技术，主要涉及3个端口：车端、路侧端和云端。

自动驾驶在很多人的设想中，有许多不同的实现方式;单车智能与车路协同都是在自动驾驶道路上的不同探索，但在一轮一轮的商业实践下，单车智能的发展遭遇了瓶颈。于是，车企们不约而同地开始走向车路协同技术与单车智能相结合的道路（图2示出车路协同下的自动驾驶体系），把自动驾驶汽车看作是智能交通的一环，作为智能交通循环参与者与构建者，将车路协同与单车智能渐进演化发展为一套自动反馈的体系。

3.为什么实现自动驾驶，需要车路协同（V2X）？

随着研发的逐步深入，单车智能化的弊端不断显现，其一是单车智能需要获取多维信息。毫米波雷达、摄像头、激光雷达等硬件设备虽然可以让车辆的“视觉”符合驾驶要求，但随着自动驾驶信息采集的多维化，不断增加的硬件需求持续提高着车辆成本，维护难度与人员投入，使研发进入恶性循环。其二是单车智能的运算力不足以针对道路的所有突发情况，例如：图像采集时的光照影响面目识别;表情姿态会影响阴影进而影响识别率;采集的人脸图像不完整影响后面的特征提取与识别;对不同年龄段的算法识别率也不同;对于分辨率低/噪声大/质量差的人臉图像难以识别;随着大规模人脸识别与数据库规模的增长，人脸算法的性能下降，以及在这个过程中要处理的海量数据等种种问题，单车智能的计算力和控制力显著不足。而且，对于尚未解决的单车感知最后5%的长尾问题：受车端传感器安装位置、探测距离、视场角、数据吞吐、标定精度、时间同步等限制，车辆在极端环境与复杂交通时仍然难以彻底解决准确感知识别和高精度定位问题。这些问题会严重干扰自动驾驶车辆商业化的落地，而车路协同是解决这些问题的可能办法。

4.车路协同（V2X）的优势

为解决上述问题，车路协同（V2X）可以将车体作为整个车与车、车与路、车与人的循环中的一环，弥补单个车辆的不足，把车、路、人的信息交互化为车辆的“视觉”，这可大幅减少车辆的成本、填补单个车辆视角盲区，弥合技术缺陷等。

2021年12月30日，由中国汽车工程学会等共同主办的第3届国际汽车智能共享出行大会上，高新兴智能网联副总经理李大成表示：V2X技术可以从直接信息来源、超视距通信、不同时间空间检测、高效交互协作等方面对自动驾驶进行赋能。例如，车路协同系统可综合天气、交通状况、路面状况等因素为无人快递车规划最优路线，保障货物安全、精确地到达。规划路线时也可实时录入因为城市绿化、暂时事故引起的微小道路变化，确保行车安全。车联网的应用从道路安全类、交通效率类、信息服务类等基本应用向智慧交通、自动驾驶等增强应用演进，满足多样化的通信性能需求。在基本应用中，道路安全类对通信性能要求最高，以高频度、低时延、高可靠为主要需求，而日益发展完善的5G可依靠高速率、超高可靠性和低延时的优点可以满足V2X的应用需求。

更全面的体系，可在人车链接方面针对无信号灯、事故多发的人行道口开发智慧斑马线。将行人、機动车的信息汇总给机动车，提醒车主降速并提高注意力，并在路口亮起信号灯提醒人群躲避。针对恶劣天气造成的路面损伤、信号牌的模糊遮掩、大车相撞，可通过车路协同系统提醒车主，结合红绿灯倒计时与车辆行驶情况给与车主合适的驾驶建议，从而减少制动造成的能量损耗。

针对变道、专用车道、特殊车辆（如警车）的优先行驶需求，可基于机器学习与人工智能算法来制定区域通行最优办法，或将特殊情况即时汇报到医院、交警、保险公司和抢险救援单位等。

5.目前车联网及车路协同（V2X）方面待解决的问题及支持政策

车联网的概念源于物联网，即车辆物联网，是以行驶中的车辆为信息感知对象，借助新一代信息通信技术，实现车与X（即车与车、人、路、服务平台）之间的网络连接。

车联网通过整合GPS导航技术、车对车交流技术（车路协同（V2X））、无线通信及远程感应技术奠定了新的汽车技术发展方向，包括提升车辆的智能驾驶水平，为用户提供安全、舒适、智能、高效的驾驶感受与交通服务，同时提高交通运行效率，提升交通的社会服务的水平。

从技术层面来看，目前车联网通信技术标准主要有2大类：DSRC（即IEEE802.11p）标准、蜂窝车联网（C-V2X）标准。DSRC（IEEE802.11p）标准是在IEEE802.11标准基础上增强设计的V2X无线接入技术标准，支持V2X直通通信，在车辆相对密集时延迟高、鲁棒性低。其中，蜂窝移动通信（如4GLTE和5G）范围广、容量大、强度高，适应远程通信，但无法胜任点对点、点对多点的通信任务，也就是说，单一通信制式无法满足车联网通信需求，而需要多种技术的混合应用。

从实践来看，近年车路协同技术得到了长足进步（如图3所示），但仍有3个待解决的问题：一是车路协同通信的国家标准仍未制订;二是车路协同在中外的发展仍停留在理论研究、实验测验与局部商用的阶段，并未大幅度商用、民用，有待提升技术及应用水平;三是信息安全问题，车路协同意味着可以掌握所有路径上的信息，对这种信息还没有得到安全上的保障。

近年来，国家有关政策为车联网以及包括智能辅助驾驶汽车、自动驾驶汽车在内的智能汽车及智能网联汽车的发展指明了方向。2015年，国务院印发的《中国制造2025》指出：到2020年要掌握智能辅助驾驶总体技术及各项关键技术，到2025年要掌握自动驾驶总体技术及各项关键技术。2017年工信部、发改委、科技部联合印发的《汽车产业中长期发展规划》指出：加大智能网联汽车关键技术攻关，重点攻克环境感知、智能决策、协同控制等核心关键技术。开展智能网联汽车示范推广，分阶段、有步骤推进智能网联汽车应用示范;探索适合中国国情、多领域联动的智能网联汽车创新发展模式。2020年2月10日，国家发改委等11部门联合发布的《智能汽车创新发展战略》提出：到2025年，车用无线通信网络（LTE-V2X）实现区域覆盖，新一代车用无线通信网络（5G-V2X）在部分城市、高速公路逐步开展应用，高精度时空基准服务网络实现全覆盖。2020年2月，国家发改委等23部门发布的《关于促进消费扩容提质，加快形成强大国内市场的实施意见》提出：推动车联网部署应用。2020年3月，工信部发出《关于推动5G+车联网加速发展的通知》。等等。