美国汽车互联技术发展

汽车产业在工业4.0的大背景下与其他产业一样，正在被创新技术和创新的商用模式颠覆，汽车智能化、互联化、共享化、电动化是全球汽车产业发展的大趋势。美国在汽车互联化发展中不断对安全、机动性和环境影响进行评估，汽车互联化发展中对社会、企业经济效益和获得的经验教训值得我们学习和借鉴。

美国智能交通发展战略愿景[1]是转变社会移动方式，而智能交通中的互联汽车技术的发展目标就是要解决道路交通中的安全、移动和环境问题带来的挑战。

基于DSRC(Dedicated Short-Range Communica⁃tions)技术的V2X通信技术是美国互联汽车采用的主要技术。美国NHTSA(National Highway Traffic Safety Administration)在此领域不断制定相关规则。支持DSRC的车载设备广播安全信息可能受美国交通部监管，因此美国交通部也负责一整套特定的研发和采用问题。美国交通部通过激励早期互联技术部署，包括互联汽车、移动设备和基础设施，不断测量部署代来的好处，包括安全、机动性和环境的好处，最终解决部署中的技术、机构和财务问题。其他互联技术和通信网络包括蜂窝、Wi-Fi或卫星。虽然美国交通部没有研究与这些其他通信技术相关的监管，但是决策是整个研发焦点的一部分。ITS计划将考虑各种技术和通信媒体相互作用，以及在预期的互联环境中运行状况，包括安全和其他类型应用和消息。

目前互联汽车技术示范部署已经完成了第2阶段，即从2016年9月开始的设计构造和测试阶段，2018年3月完成了该阶段总结，从今年5月开始进行项目的第3阶段，即维护和示范运行阶段，该阶段将持续18个月，本文总结了第2阶段项目主要成就和获得的经验。

2 美国V2X技术发展现状

21年来美国ITS JPO在持续评估ITS相关技术，发表了很多智能交通的研究报告，专注收益、成本和经验教训，其中对于汽车互联性也做了很多研究，主要包括V2X主要应用在汽车安全、移动出行和减少环境影响。

联网车辆-安全[2]（DOT.Intelligent Transportation Systems Benefits,Costs,and Lessons Learned.FHWAJPO-17-500.03.2017 p3）

·美国国家公路交通安全管理局（NHTSA）已发布拟议规则制定通知，要求汽车制造商在短期实施时间表内开始在新车上安装V2V通信。

·大规模现场作业测试（euroFOT）中70%的驾驶员认为前方碰撞警告系统提高了安全性。

·经验教训：明确地向连接的车辆设备开发人员传达需求和测试程序，并允许对不太成熟的设备进行行业输入和迭代。

联网车辆-机动性[2]

·动态移动应用程序的愿景是加速创新移动应用程序的开发、测试、商业化和部署，充分利用新技术和联邦投资来改变运输系统管理，最大限度地提高系统的生产率，并增强系统内个人的可访问性。

·开发、演示和评估代表17个连接的车辆应用概念的六个动态移动应用程序包，以衡量移动性影响。

·在西雅图INFLO DMA应用程序包的小规模演示期间，高级车载队列警告消息减少了参与者突然减速或停止的需要。

联网车辆-环境[2]

·采用多模式方法，AERIS（Applications for the Environment:Real-time Information Synthesis）研究计划旨在鼓励开发支持运输与环境之间更可持续关系的技术和应用，主要是通过减少燃料使用和减少排放。

·生态信号操作应用程序在完全连接的车辆穿透中提供了高达11%的二氧化碳和燃料消耗减少改善。

3 美国V2X技术应用现状

互联车辆（CV）安全应用程序将使驾驶员能够360度意识到他们甚至看不到的危险和情况。通过车内警告，驾驶员将收到即将发生的碰撞情况的警报，例如并线的卡车，驾驶员盲人驾驶的车辆，或前方车辆突然刹车时。通过与路边基础设施进行通信，驾驶员在进入学区时会收到警报，如果工人在路边，并且即将到来的交通信号灯即将发生变化。CV部署站点主要以安全应用为驱动力。CV安全应用包括车辆到基础设施（V2I），车辆到车辆（V2V）和车辆到行人（V2P）应用。

纽约市在城市交通发展中积极追求“零”愿景，即“城市街道上的交通伤亡是不可接受的”，“零”愿景的目标就是到2024年消除交通死亡。在这样的交通愿景驱动下，纽约规划了其交通发展规划，其中图1为纽约市交通规划下的汽车互联技术构架。

图1 互联汽车的互联构架(New York City)[3]

3.1 V2X技术描述

V2I安全应用的技术描述如下[4]：

·红灯违规警告（RLVW）-向车载设备广播信号相位和时间（SPaT）以及其他数据的应用程序，允许车辆计算即将发生红灯违规的警告。

·停车标志违规警告（SSVW）-一种应用程序，如果驾驶员有违反停车的风险标志，可用于向车载设备广播停车标志的存在和位置，允许车辆确定并提供警报和警告。

·停车标志间隙辅助（SSGA）-利用路边设备广播的交通信息来警告驾驶员在双向停车控制交叉路口发生潜在碰撞的应用程序。

·信号交叉路口警告中的行人-当信号交叉口的人行横道内的行人处于车辆的预定路径时，警告驾驶员的应用程序。

·弯道速度警告（CSW）-向车载设备广播精确几何信息和路面摩擦的应用程序，允许车辆以不安全的速度向接近弯道的驾驶员发出警报和警告。

·现场天气影响警告（SWIW）-通过将天气数据传输到路边设备，然后重新向附近车辆广播，向驾驶员发出当地危险天气状况警报的应用程序。

·降低速度/工作区警告（RSZW）-利用路边设备向驾驶员广播警报的应用程序，警告他们降低速度，改变车道或观察工作区内前方停止的交通。

其他V2I安全应用包括超大型车辆警告（OVW）和铁路道口违规警告（RCVW）。这些应用程序已经开发了操作概念和系统要求，但尚未在操作环境中进行原型设计和测试。

V2V通信可以为车辆和驾驶员提供增强的能力来解决额外的碰撞情况，包括例如驾驶员需要确定是否可以安全地通过双车道道路（潜在的正面碰撞），在迎面而来的交通路径左转，或确定接近交叉路口的车辆是否出现在碰撞路线上。在这些情况下，V2V通信可以检测数百码之外变化中的威胁情况，并且通常仅在驾驶员和车载传感器无法检测到威胁的情况下进行。

V2V安全应用的技术描述如下[4]：

（1）前方碰撞警告（FCW）-警告驾驶员前方停车，减速或放慢车辆。FCW根据引导车辆的运动分为三个关键场景的后端碰撞：引导车辆停止，引导车辆以较慢的恒定速度移动，以及引导车辆减速。

（2）紧急电子制动灯（EEBL）-警告驾驶员在交通队列中前方严重制动。EEBL将使车辆能够广播其紧急制动并允许周围的车辆应用程序确定紧急制动事件的相关性并警告驾驶员。当驾驶员的能见度受限或受阻时，预计EEBL对驾驶员特别有帮助。

（3）交叉路口运动辅助系统（IMA）-警告驾驶员在交叉路口从横向接近车辆。IMA旨在避免交叉口交叉事故，最严重的碰撞根据死亡人数计算。交叉路口碰撞包括交叉路口、车道/小巷以及与车道相关的车祸。IMA碰撞分为两个主要场景：转入相同方向或相反方向的路径和直线交叉路径。

（4）左转弯辅助系统（LTA）-在尝试向左转弯时警告驾驶员存在迎面而来的反向交通。LTA解决了一个涉及车辆左转弯的车祸交叉路口和另一辆车正从相反方向直行。

（5）不通过警告（DNPW）-当驾驶员试图在一条未分开的双车道道路上通过较慢的车辆时，警告驾驶员即将驶向相反方向的车辆。DNPW将协助驾驶员避免过往机动导致的反向碰撞。这些碰撞包括正面碰撞和前倾撞击以及角度侧擦撞。

（6）盲点/车道变更警告（BS/LCW）-警告驾驶员是否有车辆接近或进入他们在相邻车道上的盲点。BS/LCW解决了在碰撞之前车辆进行车道改变/合并行驶的碰撞。V2P检测系统可以在车辆、基础设施或行人自身中实施，以通过车载系统和手持设备向驾驶员、行人或两者提供警告。

V2P安全应用的描述如下：

·移动无障碍行人信号系统（PED-SIG）：允许智能手机从视障人士到交通信号的自动呼叫。该应用程序为行人提供音频提示，以安全地导航人行横道，并提醒司机试图转向视障人士。

·行人和信号人行横道（PED-X）：当行人位于信号交叉口的人行横道内或处于车辆的预定路径时警告驾驶员。

·智能行人交通信号（IPTS）：利用VRU2I（易受伤害的道路用户与基础设施）通信，行人可通过其智能手机激活绿灯需求以穿越交叉路口。当行人穿越时，IPTS可以检测行人以确定是否应该延长行人通行时间以确保安全穿越。

·智能行人探测器（IPD）：自动检测行人并代表他们发出行人信号请求，通常可缩短行人在穿越之前必须等待的时间。

3.2 V2X应用成果与分析

V2X获得的收益:

美国国家公路交通安全管理局估计，V2V和V2I启用的安全应用可以消除或减轻高达80%的非受损碰撞的严重程度，包括交叉路口或变换车道时的碰撞。

V2I安全应用：对V2I安全应用程序的研究揭示了可能通过各种应用程序解决的潜在碰撞问题。假设完全市场渗透率和应用程序的100%有效性，则可以避免碰撞。虽然我们知道情况并非如此，但它提供了可以实现的上限。

图2为美国交通V2I应用避撞的目标。以交叉路口为中心的安全应用可能每年可能解决多达575,000次碰撞。弯道速度警告安全应用程序每年最多可能避免169,000次碰撞[5]

图2 V2I安全应用的预计收益范围（年度目标碰撞数）[4]

V2V安全应用：美国国家公路交通安全管理局发布了拟议制定V2X规则的通知，通知要求汽车制造商在短时间内实施计划中安装V2V通信，能够产生基本安全信息（BSM）并与其他车辆通信[6]。V2V每年最大的好处是在DSRC和安全相关应用程序全面采用后每年可以减少的车祸、死亡、伤害和车辆（PDOV）财产损失。完全部署后，DOT估计V2X拟议的规则将：

·每年防止439,000至615,000次撞车事故（相当于多辆轻型车辆撞车事故的13%至18%）

·拯救987至1,366人

·减少305,000至418,000 MAIS 1-5级伤害（MAIS：最大缩减伤害量表），和

·避免仅车辆（PDOV）537,000至746,000件财产损失。

拟议规则的成本和收益是通过考虑制造商除了DSRC技术之外自愿安装两个目前被认为仅由V2V启用的安全应用程序的情况来估算的。这两个安全应用程序是交叉口运动辅助（IMA）和左转辅助（LTA）。这种情况是合理的，因为IMA和LTA的增量成本不到DSRC成本的1%，业界已表示这两个应用已经在他们的研究和部署计划中。此外，这种情况可能会低估利益，因为制造商可能会选择提供使用V2V技术的其他安全应用，以及使用DSRC的各种其他技术，例如车辆到基础设施（V2I）或车辆到行人（V2P）技术。DOT在项目开展过程中也参考了世界各国互联汽车技术带来的收益，见表1。

表1 世界各国互联汽车的效益[4]

关于V2V系统成本问题

对于具有IMA和LTA应用的V2V安全设备，拟议规则的车辆技术成本最初估计为每个受影响车辆249美元至351美元，包括DSRC无线电、DSRC天线、GPS、硬件安全模块，两个应用程序和故障的组件成本指标以及安装人工成本。车辆部件单位成本基于供应商对该机构的成本信息是保密的。到2025年，这些费用降至每辆车不到200美元[6]。

3.3 V2X安全示范部署案例分析与经验教训(Ann Arbor)总结

在部署复杂ITS项目（例如具有联网车辆技术的项目）时，请使用模块化项目结构，并专注于高优先级目标和项目组件。

·在启动互联汽车项目时，制定一个重点突出计划，确定所有利益攸关方，适合每个利益攸关方的信息以及与利益攸关方联系的方法。

·在确定连接车辆项目的地理位置的范围、大小和识别时，执行彻底和深思熟虑的分析，并确保用于招募测试对象或驱动程序的策略与这些假设和实验计划的假设一致。

·明确地向连接的车辆设备开发人员传达需求和测试程序，并允许对不太成熟的设备进行行业输入和迭代。

·在开始多轮测试、反馈、重置和重新测试之前，指定互操作性测试要求和步骤作为连接的车辆设备要求的一部分。

·进行数据收集试点测试，以验证端到端数据采集、传输、处理和质量评估流程。

在通信领域，互联汽车示范站点尽可能使用既定标准，但在许多情况下，是首次在该领域试用标准，或者正在实施尚未建立国家或国际标准的信息。联网车辆通信的关键组成部分是5.9 GHz频段的专用短程通信（DSRC），见图3。在这个频段内有几个频道。信道172是主要信道，其携带安全相关信息和WAVE服务公告（WSA），其宣传其他信道上的其他信息和服务的可用性。IEEE 1609.4标准解决了车载环境中无线接入（WAVE）的多信道操作，因此是互联汽车示范站点的无线消息的“官方”规则集。

图3 专用短程通信（DSRC）频段与信道[13]

纽约和坦帕团队计划在每辆车中使用双无线电：一个用于收听172频道，另一个用于收听其他频道以获取旅行者信息等补充信息。另一方面，怀俄明州团队最初计划使用单个无线电，大部分时间都在收听172频道，但切换到其他频道以收听其他消息。这种信道切换计划符合IEEE 1609.4规范。然而，IEEE 1609.4委员会和几家正在展望国家公路交通安全管理局（NHTSA）裁决要求实施DSRC的制造商坚持认为，从172航道切换是不安全的，因为安全关键信息可能会错过该频道。

怀俄明州团队已同意重新设计其通信系统，以包括双无线电。然而，发现单通道切换无线电在技术上符合1609.4标准是标准中的一个主要漏洞，必须由1609.4委员会解决和纠正。

对于示范项目，THEA正在安装“智能”交通信号控制器，以帮助改善交通流量。随着THEA进入设计阶段，项目工程师与亚利桑那大学信号控制过程的设计人员一起深入研究信号优化的细节。他们了解到信号控制优化只有在超过90%接近交叉路口的车辆已知位置和速度时才能发挥其全部潜力。作为互联汽车示范计划的一部分，用于V2I通信的车辆数量将提供更小的车辆覆盖率。

佛罗里达州交通局（FDOT）7区和HNTB（THEA的通用工程顾问）采用了一种方法来获取有关接近交叉路口的所有车辆的信息。在考虑了包括环路探测器和微波探测器在内的多种技术后，FDOT同意支付在佛罗里达大道12个交叉路口采购和安装40多个视频交通探测器的费用，和内布拉斯加大道作为与THEA的联合合作协议的一部分。根据现有合同，HNTB将提供设计以将其与其他CV试验操作集成，而互联示范计划则不收取任何费用。THEA将提供10个“蓝牙”探测器，以确定这些街道和Meridian Avenue沿线之间的行车时间。这些检测技术将获取所需数量的未装备车辆，而无需识别或保留有关个别驾驶员或车辆的任何信息。

4 自动驾驶卡车的编队行驶（Platooning）

在卡车上，车载计算机监控传感器系统并集成来自自适应速度控制、自动制动、车道偏离警告系统和车辆到车辆（V2V）专用短程通信（DSRC）系统的数据。通过允许一辆卡车上的传感器与另一辆卡车上的传感器通信，部分自动化卡车可以更紧密地一起行驶以提高燃油效率，这种做法被称为卡车列车或卡车编队。

4.1 卡车编队主要阶段

加利福尼亚先进运输技术合作伙伴（PATH）的研究人员描述了卡车编队的四个主要阶段[7]:

（1）编队成型-在卡车编队的第一阶段，卡车必须根据一系列特征识别潜在的编队伙伴，包括他们的当前位置、目的地、站点数量、卡车类型和其他变量。这些信息可能难以确定其他驱动因素是否适用于竞争公司。为了缓解这个问题，目前的研究正在评估形成编队的三种不同方法：

一是预定编队（Scheduled Platooning）-运输公司规划人员可以安排多辆卡车在指定的出发时间和地点形成编队。作为编队的一部分分配的卡车知道何时终断编队。

二是编队服务提供商（PSP）-与计划排队类似，在这种方法中，外部专业公司与多个货运公司和个别卡车司机合作，根据他们的起始位置、出发时间和最终目的地进行匹配。卡车需要配备编队技术和设备，使PSP能够知道他们的前进方向和行程时间。使用这些信息，PSP将卡车与他们行驶的特定部分进行匹配，然后在不同的卡车向其他方向行驶时形成新的编队。

三是即时编队-随着编队变得更加主流，卡车不需要像PSP这样的单一实体来协调行驶。卡车将能够自动形成编队，并在合作卡车之间传输所需的信息。与其他方法相比，这种方法提供了最大的灵活性，但也需要配备齐全卡车的最大市场渗透率才能正确执行。

（2）稳态巡航-巡航阶段占据最大的时间段，同时队列系统被激活。一旦形成编队，驾驶员将基于车辆中的自动化水平来操作车辆。当卡车加入或退出编队或未装备的车辆切入时，稳态巡航将被修改。在巡航阶段，大部分卡车编队的好处都会增加。

（3）出发或分离-卡车可能在需要时离开编队，以完成行程或不同的出行。一旦一台卡车离开，跟随它的卡车跟进前车，并缩短离开的车辆留下的间隙。

（4）异常情况-最后一个阶段解释了前三个阶段未解决的其他情况。此阶段可能包括系统中的潜在错误或异常操作条件。任何卡车编队系统都需要能够识别和解决这些意外的异常情况。

4.2 卡车编队技术描述

卡车编队技术描述主要包含如下内容：

·传感器-短距离和长距离传感器的组合用于评估车辆周围的完整环境，因此它不仅可以跟踪编队中的其他车辆，还可以跟踪道路中的所有其他物体，包括行人和骑车人。LIDAR（光探测和测距）、雷达和摄像机等传感器可以协同工作，提供周围环境的完整图像（图4），使用不同类型的传感器可在系统中提供设计的冗余。

图4 卡车编队与通讯[4]

·本地化服务-全球定位系统（GPS）和惯性导航系统（INS）用于确定车辆的位置。这些系统为车辆提供必要的信息，以准确地确定编队车辆之间的间距。与传感器一样，系统需要冗余，因此如果GPS暂时失效（如在低覆盖区域或隧道中），INS可以使用运动传感器和旋转传感器来确定车辆方向，直到GPS重新建立其连接。

·V2V通信-DSRC用于车辆之间的车辆性能参数的低延迟交换信息。作为Wi-Fi技术的延伸，DSRC传达通过速度和位置信息，使CACC系统能够快速适应不断变化的速度和位置，从而促进有效的编队。

·软件-每个CACC系统都需要基于软件的算法，用于处理来自传感器、车辆和V2V通信的所有信息。这些算法是CACC系统的核心，因为它们需要预测前方车辆的运动和速度以设定后续车辆的新速度。

·硬件-整个车辆中分布着广泛的硬件组件，其中包含用于CACC的软件，连接关键系统以及控制车辆速度和制动。

·人机界面-人机接口通知用户CACC阶段的变化（见图5）。随着CACC的成熟，需要开发和测试提供CACC信息而不会导致驾驶员分心的方法。

图5 卡车编队与人机界面[4]

下面描述了如何将编队纳入SAE自动驾驶[8]:

0级：没有自动化，在这个级别上无法进行卡车编队。

第1级：驾驶员辅助，ACC目前处于这种自动化水平，因为卡车编队技术只是在协助驾驶员，驾驶员主要控制车辆并且每个自动功能是分开的。

第2级：部分自动驾驶，在此级别，车辆通信和加速功能与车道对中技术相结合，以控制大多数车辆功能。然而，驾驶员仍然存在并且保持对动态驾驶功能的控制。

第3级：有条件自动驾驶，在此级别，驾驶员可以在某些交通道路或天气条件下完全控制车辆功能。现在，自动驾驶系统的任务是监控外部行驶环境。司机仍负责及时响应干预和恢复车辆控制的请求。

第4级：高度自动驾驶，在这个级别有一个指定的驾驶员，但是卡车可以在某些道路、交通和天气条件下自行驾驶，在特定的驾驶模式驾驶员无需了解道路或卡车的动作。

第5级：完全自动驾驶，在此级别没有指定的驱动程序。5级允许在所有驾驶模式下进行全自动驾驶，包括高速公路巡航、并线、低速、交通拥堵和其他条件。这种自动化水平仍处于研究的早期阶段，并且近期不会在公路上出现。

4.3 卡车编队行驶的好处

卡车编队的评估研究侧重于通过更紧密的车辆间距的空气动力学效应，以改善燃料经济性（和更低的运营成本），并通过增加的机动性和吞吐量更有效地使用公路设施。

·配备自动车辆技术的卡车之间的连接使其能够作为一个整体更加平稳地运行，并自动减少和控制车辆之间的间隙。配备标准拖车的8级卡车在三卡车CACC排中节省了5.2%至7.8%的燃油。使用空气动力学拖车，这些节省增加到14.2%，最小间隔距离为17.4米（57.1英尺）。

·由能源部NREL使用DSRC V2V通信资助的牵引车拖车编队示范显示了主卡车（高达5.3%）和尾随卡车（高达9.7%）的节油情况。结论是编队对节油高达6.4%，可变条件-环境温度，牵引车和拖车之间的距离以及有效负载重量会影响节油效果。

·加利福尼亚州的UC PATH计划模拟了风阻的影响，并通过CACC实现了更短的跟踪，估计潜在的峰值燃油效率提高20%至25%。然而，研究人员指出，如此短的跟随间隙（10到20英尺）可能需要专用的卡车车道，因为其他交通改变整个车道的能力将受到限制，并且编队很难安全地应对紧急情况。

由Auburn大学进行的FHWA赞助的研究已经产生了关于卡车编队节省行驶时间的初步结果。驾驶员辅助卡车编队（DATP）的交通微观模拟研究发现，每个具有当前交通量的模拟案例的行驶时间减少的好处，以及在阿拉巴马州I-85公里的交通量、5英里路段上的两个增加交通时间的情况（115%和130%）。高峰时段交通状况下的行驶时间缩短了2%（20%的市场渗透率）到缩短了69%（100%的市场渗透率）。

在荷兰为三家物流服务提供商进行的卡车编队商业案例研究发现，与传统的巡航控制相比，仅仅通过编队节省燃料已经抵消了年度成本，而节省劳动力成本则是纯粹的利润。

4.4 卡车编队研究主要成就成本方面的问题

虽然很有希望，但卡车编队的商业案例或投资回报率（ROI）仍然不明确。在美国卡车运输研究所（ATRI）就FHWA赞助的DATP研究的一部分对卡车编队的商业案例进行调查时，业主运营商预计投资期平均为10个月，而车队受访者则表示平均回报期望为18个月。货运公司目前正在分析采用编队技术的好处和成本。额外费用可能包括设备购置、驾驶员培训、后勤和协调、测试和保险费用[9]。

获得的宝贵经验教训

69个参与者利益相关者确定了以下主要问题和知识差距，他们设想到2025年为卡车编队提供广泛的支持。

安全和保障方面

·展示了编队的功能安全性、网络安全、黑客和无线通信安全、紧急情况下安全可靠的制动行为。还包括传感器、组件、部件、无线通信的可靠性、安全管理（记录与排队有关的事故、交通状况和驾驶员状况）、卡车司机的隐私和记录数据安全和无线信号干扰器的免干扰能力。

技术需要更多的考验

·多品牌车辆编队和标准化通信协议、主动编队车辆使用信号灯，对其他道路使用者的影响、编队顺序（适用于具有各种扭矩额定值、制动能力和负载重量的卡车）、无线V2X通信可靠性、在所有混合交通情况下的全编对控制、卡车制造商之间的技术发展路线图差异、安全的车间间隙的有效和实时估计等，这些技术仍需要更多的考验。

法律问题有待解决

·控制权转移到系统时发生事故时的责任和义务、修订无人驾驶车辆的驾驶和休息时间规定、车辆审批程序、车辆遵循间隙立法、编队长度限制（每队车辆数量）、劳动法评估在编队时驾驶员可以做什么。

物流业务有改进空间

·识别和指导可以一起编队的卡车，以动态形成一个自主编队、SAE 1级或2级编队的系统成本和业务案例、编队服务提供商，由不同的车队所有者和品牌执行编队、货运公司和司机的认证，以提高信心、物流流程整合，以适应编队（路由、库存管理、仓库运营）、促进商业利益（解释编队的价值）、确定编队的最佳排列方法（预定或特别编队或两者兼而有之）、有效地允许转移/绕行形成编队所需的最小运输长度、使用实时数据物流控制塔进行临时编队的形成、通过在同一方向上整合更多的负荷，促使托运人和承运人让编队更具吸引力。

用户接受和人类行为有待改进

·与其他道路使用者的互动，例如进出高速公路时、通过证明安全和学习信任系统来接受驾驶员、培训其他道路使用者以接受编队行驶、驾驶员任务权衡，还有驾驶员注意与无聊、工作满意度、不安全问题、公众舆论强烈反对“卡车墙”，通过积极的沟通促进社会公平，使编队车间隙距离小，减少焦虑和疲惫，加强编队卡车的驾驶员培训和认证。

4.5 卡车编队研究案例分析-FHWA的探索性高级研究（EAR）计划

在美国，FHWA的探索性高级研究（EAR）计划目前正在评估自动卡车技术，以评估排队运营的可行性。最近在弗吉尼亚州森特维尔的I-66实况交通中进行的现场测试中，使用最先进的Level-1协同自适应巡航控制（CACC）技术证明了卡车编队的概念。安装在三辆沃尔沃卡车上的系统使用先进的DSRC（5.9 GHz）无线通讯（图6），以每秒10次的速率发送和接收SAE J2735基本安全信息（BSM），如位置、速度、航向和制动状态。自动巡航控制（ACC）雷达系统按照距离测量并与车载计算机通信，根据需要自动启动制动和油门控制，以55英里/小时的速度保持45至50英尺的车头距离[10]。驾驶员负责转向，但依靠CACC系统来检测加入的乘用车，并根据安全操作的需要增加或减少跟车的车距。

图6 卡车V2X 装备图[4]

CACC的好处[11]:

V2V无线通信使装备卡车之间更紧密的车辆跟随支持：

·空气动力学性能好以节省能源；

·卡车车道通过量更高，交通密度更高，但拥堵减少；

·增强交通流量稳定性；

·通过更快地应对未来潜在问题，提高安全性；

·通过减少其他驾驶员的切入频率来减轻驾驶员的压力。

4.6 在互联环境下驾驶辅助系统（Driver Assistance）

所有这些车载技术都是生态驾驶的先进方面。生态驾驶只是改变驾驶员的模式和风格，以减少燃料消耗和排放。当与车载通信结合使用时，可以向驾驶员提供定制的实时驾驶建议，以便他们可以调整驾驶行为以节省燃料并减少排放。该建议包括基于当前交通状况和与附近车辆的相互作用推荐行驶速度、最佳加速度和最佳减速曲线。可以向驾驶员提供关于其驾驶行为的反馈，以鼓励以更环保的方式驾驶。车辆辅助策略，其中车辆自动实施诸如ACC和编队的环保驾驶策略是使驾驶员更容易实现环保驾驶的好方法。

图7显示了这些技术的安全性、移动性和环境效益。ACC和自动控制车辆的队列提供了减少碰撞的安全性。所有这些技术都带来了环境效益，包括减少排放（通常是二氧化碳）和减少燃料消耗。

图7 互联生态驾驶、智能速度控制、自适应巡航控制和编队行驶的优势范围（来源：ITS ITS Knowledge Resources)[4].

作为AERIS计划的一部分评估的生态速度协调和生态连接自适应巡航控制应用显示，能源减少高达22%，行程时间减少33%。安装在部分自动驾驶车辆上的GlidePath协同自适应巡航控制（CACC）系统的现场测试和评估显示，这些系统可将燃油经济性提高17%至22%，并将行驶时间缩短至64%。其他研究表明，随着市场渗透率的提高，采用合作协议的Eco-CACC算法可以将高速公路容量提高至少三分之二。

华盛顿州西雅图的一项联网汽车现场测试的一部分，配备CV技术的志愿者驾驶员在智能速度控制应用中立即获得了价值。一项针对21名志愿参与者的调查显示，车载应用程序如编队警告、速度协调和天气响应交通管理（WRTM）消息传递，这些参与者驾驶DSRC配备的车辆旨在收集来自其他相连车辆和基于基础设施的系统的速度和道路天气数据。系统使司机能够在拥堵前采取行动，降低减速或突然停车的需要。

随着互联汽车技术的成熟，预计首先会实现减少拥堵，随着技术的成熟和市场渗透水平的提高，安全效益也会提高。仿真模型显示，支持基于编队的交叉路口管理应用的联网车辆技术可以在交通量高时将平均行程时间缩短4%至30%。然而，在自适应信号控制的多智能体环境中，由于在交通繁忙时形成和处理编队的困难，在基于繁忙的主干编队系统可能导致略高的燃料消耗和排放。

互联装置成本问题

随着技术的变化和改进，这些车载系统的成本迅速变化。虽然大多数选项仅适用于豪华型号，但随着相机、雷达和激光组件的制造和集成到新车辆中的成本越来越低，该技术变得越来越容易获得。诸如自动转向控制功能之类的附加功能可能是主要的成本驱动因素。在过去几年中对OEM驾驶员辅助技术定价的观察表明，这些系统可以将新车的购买价格增加从300美元增加到10,800美元，而大多数系统的价格都在4,500美元以下。

4.7 Eco-Lanes操作场景模拟（Operational Scenar⁃io Modeling）主要成就

该研究对环境应用：实时信息综合（AERIS）计划定义的Eco-Lanes操作场景进行了建模。Eco-Lanes操作场景构成六个应用程序，它们使用连接环境中可用的数据，通过提供驾驶反馈和速度建议，以及促进编队和专用的“生态车道”来帮助减少燃料消耗和排放。在这种建模工作中模拟了在Eco-Lanes操作场景下捆绑的七个应用中的两个：生态速度协调（ESH）和生态协同自适应巡航控制（Eco-CACC）。

研究方法包括ESH和Eco-CACC应用的模拟和建模是在加利福尼亚州南部的Orange County Line和Tyler Street之间的91号国道东行（SR-91 E）进行的。SR-91 E模拟网络的交通需求、车辆混合、起始-目的地（OD）模式和驾驶员行为被校准为在代表性夏季工作日收集的现场数据。借助Paramics微观模拟工具和EPA的机动车辆排放模拟器（MOVES）排放估算工具，根据实施的方案对各个车辆的运动进行建模，从而可以准确估算燃料消耗、车辆排放和平均行程时间。建模了各种灵敏度场景，其中包括不同的参数，如交通网络的车辆需求、互联（CV）车载设备（OBE）的渗透率、Eco-CACC应用的触发距离以及内部编队的清除率。在对两个应用程序进行单独建模之后，它们被组合在同一建模环境中同时运行，以评估它们的兼容性。假设没有应用部署（即，CV渗透率设置为零）的基线模型也是从SR-91 E模型开发的并用于比较目的。

研究主要成就包括：

建模研究表明，除了通用车道之外，设计用于支持专用环保车道的高速公路设施可以为驾驶员提供选择，以最大限度地节省行驶时间或根据交通状况和个人行驶需求最小化燃料消耗。

·在较低的交通量下，由于编队的形成所需的能量较小，通用车道比专用的Eco-lane更节能。相比之下，在最高的交通量下，由于Eco-CACC应用提供的容量增加，专用Eco-lane比通用车道节能更多。

·总体而言，互联效益可节省4%至22%的能源，行驶时间节省-1%至33%。

5 互联汽车技术标准、信息安全与隐私保护

5.1 互联汽车技术标准

美国汽车行业在不断完善互联汽车技术标准，这是汽车行业发展的基石，汽车行业互联技术发展的共同语言，美国SAE International承担着这方面的技术标准需求规划、标准起草、标准与各利益攸关方的协同、标准的推广工作。美国汽车互联技术也采纳IEEE和ISO等国际上成熟的标准体系，其标准体系框架和界面见图8和图9。

图8 美国互联汽车与ITS标准框架[12]

图9 美国互联汽车的互联界面[12]

5.2 信息安全与隐私保护

信息安全是互联汽车发展的基本前提，信息安全的首要任务是安全系统的构架设计，构架设计的主要目标是确保每个连接都是安全的，确保系统设计解决所有连接的安全问题。本文以纽约为例，纽约信息安全系统的构架主要包括交通管理中心（TMC）、交通控制、路边单元、行人移动设备，纽约市的互联交通技术的信息安全构架见图10，风险控制案例见图11。行人在交通参与过程中是弱势群体，其安全系统的设计给予了足够的重视，行人移动设备的连接必须防止入侵和损坏，与行人有关的信息必须加密，数据库必须得到保护并加密，其安全系统构架见图12。

图10 信息安全系统构架[3]

图11 信息安全的风险[3]

互联汽车的信息安全与隐私-设计[13]

（1）由安全凭证管理系统-SCMS提供支持

（2）消息认证（由认证指导者签名）

（3）消息加密（如果需要）

（4）每周轮换安全证书～60个

（5）更改标识符-5分钟2公里

-MAC地址，临时ID，消息计数器

（6）不良行为检测-“检测坏人”

（7）证书撤销清单分配

-列出Bad Actors和受损设备

（8）特权车辆的特殊服务许可

-紧急车辆、运输车辆、货运

图12 行人PED 应用构架[3]

汽车互联技术取决于“可信”的环境-车辆和基础设施[3]：

（1）消息验证（BSM，SPaT，MAP，TIM等......）

（2）数据加密（保护隐私）

（3）需要设备认证

-射频技术（IEEE 802.11p，IEEE1609.x）

-消息内容-SAE J2735

-BSM Performance-SAE J2945/1

-应用（和数据准确性）

（3）组织上的IT安全

-TMC系统的物理安全性

-登录和安全实践

（4）保护所有连接和数据交换

（5）互联汽车（CV）硬件影响

-用于TMC系统的硬件安全模块（HSM）

-ASD/OBU和RSU内的HSM

6 汽车互联（V2X）认证的管理

汽车互联技术认证是关系到互联汽车示范运行和正常运行安全的重要手段，目前美国已经建立了一套完整的认证体系，认证过程由研究机构、供应商、设备仪器供应商等组成的联合体公司OMNIAIR进行操作，具体的认证流程见图13，第1次认证主要包括最低性能要求、信息互操作等，第2次认证主要内容包括互操作和道路使用验证。

图13 OMNIAIR试验和认证流程[14]

V2X第1次认证授予（基于2016年标准）

（1）IEEE 802.11p物理层

（2）IEEE 1609.2安全/认证

（3）IEEE 1609.3网络（包括WSA）

（4）IEEE 1609.4多通道操作

（5）SAE J2945.1 V-V BSMs最低性能要求

（6）信息互操作（试验室设置）

V2X第2次授予

（1）互操作应用

（2）道路试验

美国NHTSA早在2014年发布了信息需求（RFI），寻求确保安全系统相关的信息支持V2X，RFI主要关注了解可能有兴趣探索开发和/或操作V2V安全凭证管理系统（SCMS）组件的可能性的私人实体，收到有关建立SCMS的问题的答复，获取所有感兴趣的公共、私人和学术实体关于SCMS任何方面的反馈，感兴趣的表达和评论。SCMS的框架如图13所示。

图13 简化的SCMS构架[15]

SCMS POC提供安全基础设施，以发布和管理安全证书，这些证书构成了车辆到车辆（V2V）和车辆到基础设施（V2I）通信的信任基础。已连接的车辆设备注册到SCMS，从证书颁发机构（CA）获取安全证书，并将这些证书作为数字签名的一部分附加到其消息中。SCMS系统和过程提供了高度的信心，即设备是系统中受信任的参与者，同时还保持隐私。

7 结束语

本文总结了美国DOT在互联汽车发展中取得的成就、经济上的投入和获得的经验，主要解决包括互联汽车的安全问题，互联汽车的机动和互联汽车技术对环境的影响问题，通过对这三方面的阶段性的总结与评估，为第3阶段示范运行和维护提供了输入、奠定了基础。这些成就和经验的总结对中国互联汽车技术的发展有一定的启发作用。

美国互联汽车示范项目也产生了大量的数据，包括智能汽车数据、基础设施数据、汽车排队警示数据、ITS传感器数据、车辆编队数据、信号系统运行数据、行驶时间数据、基本安全信息、行驶轨迹数据、旅行人员信息和信号阶段和时间数据等。这些大数据将在第3阶段继续进行挖掘，包括数据规范、数据过滤与输出能力、分析与可视化、数据获取与发现、公共数据库建设、实时数据提供等。

第3阶段示范运行和维护（O＆M）主要包括、收集性能数据以衡量收益、收集混杂数据（用于分析）、静音期间操作、带警报的主动操作、可靠性评估、正在进行的运营和维护活动，包括处理运营期间的车队周转率和正在进行的设备维护和支持。