车联网技术在智慧道路建设中的应用

石 鹏,毛少东

（华昕设计集团有限公司,江苏 无锡 214026）

0 引言

近年来，随着我国经济的不断发展，汽车保有量不断增加，车辆对道路造成的压力也随之增加。社会交通运输行业的快速发展、汽车工业的不断发展和进步、信息技术及移动互联网等技术的广泛应用，促进了新一代移动通信与车载电子系统（Vehicle & Electronics System）技术在车载电子系统中得到了广泛应用与普及。在此背景下，车联网技术应运而生并得到迅速发展。车联网是指基于移动通信、互联网等技术的一种新型车辆交通信息服务系统。作为利用计算机网络技术与传统车辆交通信息服务相结合而形成的一种新业态，车联网是当前最具发展前景的一项先进、实用、灵活、便捷的新型通信信息服务技术体系。

1 车联网及其发展现状

1.1 车联网含义和特征

车联网即车辆物联网，是一个由汽车信息、通信技术、互联网等组成的交互式网络系统。通过车联网技术，可以有效地提高车辆的智能驾驶性能，改善车辆的乘坐体验，保证车辆的安全，并提高车辆的使用效率。车联网的特点如下：①保证安全。通过车联网，可以实现对周围环境、状态等信息的收集，为车辆的交通安全提供预警和保障，从而减少交通事故的发生。②改善运输的效能。车联网能够实现对车辆的实时导航，并对车辆的网络进行分析，确定最优行驶路径，从而达到提高车辆行驶速度的目的。③实施智能化的控制（sensor）。车联网技术是将传感技术、无线通信技术和智能信息技术结合起来，使车辆管理、决策、控制成为可能[1]。

1.2 车联网的发展现状

美国联邦通讯委员会在2019年12月为C-V2X提供了一个20 MHz的频带，以促进C-V2X的发展；日本在2019年通过了《道路运输车辆法》的修正案，并着手对使用C-V2X进行频次分配的可行性进行了研究；欧洲理事会还在2019年3月宣布，将在车辆、交通标志和高速公路上安装与联网有关的设备。

无锡于2017年9月建设第一个以LTE-V2X为基础的十字路口信号灯和交通影像推送试验场地，覆盖无锡太湖会展中心周围3.7 km的开放路段6个交叉路口，包括9个V2I场景、3个V2V场景。

2019年5 月，首个国家级车联网先导区——江苏（无锡）车联网先导区揭牌，打造全球规模最大的城市级C-V2X网络，涉及618个点段数字化改造，覆盖面积350 km2，应用场景包含特种车辆优先通行、交通信号上图等40余项。首创“一中心三平台”架构，全面打通交管、车辆、出行服务等领域的横向数据交互，形成国内最齐全、最完备的交管信息接入；突破车联网核心关键技术，全球首次规模实现“人、车、路、网、云”数据的高效互联互通。

2021年5 月，无锡与北京、上海、广州、武汉、长沙等城市共同成为住建部和工信部组织的智慧城市基础设施建设与智能网联汽车协同发展首批试点城市。数字化基础设施将更广泛地布局、提供更精准的服务、更大力度支持车联网（智能网联汽车）产业的发展。而车联网（智能网联汽车）作为交通大数据的来源，也将成为智慧城市生长的动力来源。

2 车联网的体系结构

2.1 感知层

感知层是车联网系统中最基本的功能单元，能够将道路环境、车辆和行人等交通信息通过网络实时传送给用户，从而实现对交通状态和行驶状况的全面感知。感知层包括了车载终端（车载设备）和通信基站（通信网络单元）两个部分。车载终端即车载无线通信设备，可以是一部或多部具有独立功能的汽车，如汽车音响、GPS定位等，也可以是多台具有相同功能的车辆，如手机、平板电脑等。在不同类型的车联网系统中（如智能移动网关系统）其硬件架构和软件架构也有所不同。感知层实现了车联网中交通状态、道路状况、行人信息的实时采集功能，为车联网通信网络提供实时数据服务[2]。

2.2 网络层

车联网的网络层主要包括移动网络和固定网络。移动通信网络，由于车辆的移动性，因此其使用范围相对固定，一般用于移动互联网应用等高速数据传输服务。固定通信网络，是指由车载终端与互联网连接而形成的局域网连接，可用于对信息进行采集、存储、转发等服务。

2.3 应用层

在车联网中，应用层可以针对不同的用户需要，为其提供不同的应用功能。该系统根据车路协作信息，实现自动驾驶、车载娱乐、远程监控、应急救助等功能，以及汽车自动驾驶等实用技术。

3 智慧道路分级

3.1 分级原则

依据智慧道路的基础设施、通信设施、感知与计算基础设施的构成和设施的数字化、信息化、智能化水平，以及支持的应用场景类别等要素进行能力等级划分，划分为基础智能网联道路、中级智能网联道路、高级智能网联道路。

3.2 等级划分要素

基于以下要素对智能网联道路等级进行划分：

（1）是否部署符合相关行业需求的道路基础设施，设施至少包括：交通标志标线、交通信号控制、交通运行状态监测、交通违法行为监测等设施。

（2）是否具备联网及信息交互能力，交互信息至少包括：设备基本属性信息、静态信息和动态运行信息。

（3）是否具备感知、全域交通信息采集和感知融合能力，设施至少包括道路基础状态监测、气象环境监测、道路桥梁检测、交通事件检测等设施，感知融合信息应能支撑车路协同信息服务应用。

（4）是否具备高精度的全域信息采集和数据融合感知能力，设施至少包括高精度的定位设备、路侧感知设备、路侧计算单元；高精度信息至少包括道路全息信息、车辆运行信息、交通事件信息，应能支撑辅助驾驶、自动驾驶功能以及高精度的车路协同信息服务应用[3]。

3.3 基础智能网联道路

基础智能网联道路设施应满足对应行业的基本智能化需求，并能独立接入各行业专用平台，部署交通标志标线、交通信号控制设备、交通运行状态监测设施、交通违法行为监测设施等，通过公网或行业专网，获取道路的监控视频，采集道路交通流量等数据，满足相关部门管理和服务的需求。

3.4 中级智能网联道路

中级智能网联道路在基础智能网联道路基础上支持全域交通信息采集和感知融合，可提供车路协同和支撑精细化行业管理的信息服务能力。部署道路基础状态监测、气象环境监测、道路桥梁监测、交通事件检测等设施，通过基于移动蜂窝网络的车用无线通信技术直连通信或蜂窝通信，获取道路信息、交通参与者、交通事件等静态与动态信息，支持安全类、效率类车路协同应用；车联网应用服务平台汇聚路侧融合感知数据，对行业平台提供开放服务，通过信息发布、交通出行诱导、事件预警、行驶安全辅助信息实时传输推送等，实现路网均衡畅通，

提高交通安全系数。

3.5 高级智能网联道路

高级智能网联道路在中级智能网联道路基础上支持高精度的全域信息采集和数据融合感知能力，可提供全天候、高可靠、全方位的路网服务及监管能力，部署高精度的定位、感知、路侧计算单元等设施，获取道路全息信息，以及精准的交通参与者、交通事件等静态与动态信息，支持面向自动驾驶车辆的协同决策、调度和控制。车联网应用服务平台对行业平台提供开放服务，支持城市数字孪生、道路智慧养护、智慧城管等涉及城市数字化治理的各类应用[4]。

4 车联网技术在城市道路的主要应用场景

4.1 绿波车速引导

采用雷达、视频等感知设备，实现高精度全天候数据采集及车联网数据融合，为路口信号配时、动态绿波控制、信号数据实时推送提供基础数据支撑。

4.2 交叉口碰撞预警

当车辆驶向交叉路口时，驾驶员的视线可能被路口的障碍物或车辆右侧盲区阻挡，使得车辆驾驶员无法对当前路口左侧或者右侧驶向路口的车辆作出判断时，特别容易出现碰撞事故。利用视频检测设备、毫米波雷达、激光雷达、MEC、RSU等感知计算设备，在主车行驶过程中，与侧向行驶的远车存在碰撞危险时，碰撞预警应用将对主车驾驶员进行预警，避免或减轻侧向碰撞，提高通行安全[5]。

4.3 路段行人过街预警

部分路段行人过街因桥墩、绿化遮挡，导致视线不良，尤其在夜间光环境较差，容易引发交通事故。感知设备检测出行人或者非机动车的过街信息，通过RSU广播给周围的车辆，车载OBU根据该车的位置、速度等信息计算出碰撞可能并及时预警。

4.4 协作式优先车辆通行

无锡现有公交专用道仅109 km，约占干道路网总量的7.8%。老城区内部及对外放射走廊严重缺乏公交专用道，导致公交运行速度和效率难以保障。设置公交优先信号管理系统，时空联动促畅通；远距离RFID可以准确判断来车身份，使绿灯在公交到达路口或到达路口后等候不长的时间内开启，从而保证公交车的优先通过，又最低程度减轻对其他车辆的影响。

4.5 匝道汇入预警

匝道汇入是一个间隙选择的过程，不同的驾驶员对安全间隙的判断存在差异，导致合流处突然加减速，影响安全，降低运行效率。当前无锡内环拥堵指数居高不下，其中最主要的就是分合流交织段。因此，可以通过匝道汇入预警智能路侧单元利用传感器感知匝道（辅道）上的车辆并对其进行识别和跟踪。根据碰撞安全预警模型判断碰撞可能，给驾驶员一个安全汇入的信息，一旦存在碰撞危险，便根据预警规则及时给予驾驶员主动预警[6]。

4.6 自动泊车

目前，城市停车难、充电难是困扰居民的主要问题，而智能停车管理系统则是一种有效的停车方式。①停车场探测装置。车位探测系统是利用监控、磁力等传感器，实现对车位状况和停车信息的实时感知，并将其传输到邻近的RSU，然后向周围的车辆进行广播。其具体功能包括停车场空余车位识别、空余车位导航等。②停车场导向系统。该系统可以根据停车场和充电桩的位置信息，预先规划道路，从而有效地提升停车和充电的效率。利用摄像机或磁力探测停车场中的可用停车位，并结合已配置的充电站状态信息，由控制器向邻近的RSU通过广播传送信息[7]。

5 设施部署

5.1 基础智能网联道路设施部署架构

基础智能网联道路设施部署架构图见图1，基础智能网联道路设施构成包含智能化基础设施、通信设施（公网及行业专网）。智能化基础设施包含交通标志标线、交通信号控制、交通运行状态监测、交通违法行为监测等设施。基础智能网联道路宜配套行业专用平台（公安平台、交通平台等）[8]。

图1 基础智能网联道路设施部署架构图

5.2 中级智能网联道路设施部署架构

在基础智能网联道路基础上，中级智能网联道路基础设施应包含车路协同感知与计算基础设施（部署在路侧的由路侧感知设备及路侧计算单元所组成的用于对道路交通参与者、交通事件和交通运行状况等进行实时监测的设施）、通信设施（路侧通信单元）。中级智能网联道路宜配套行业专用平台和车联网应用服务平台（服务于车路协同业务的平台系统，具有实时信息融合与共享、实时计算编排、智能应用编排、大数据分析、信息安全等基础服务能力，可为智能网联汽车、管理及服务机构、终端用户提供辅助驾驶、自动驾驶、交通运输安全、交通管理等协同应用和数据服务）[9]。

5.3 高级智能网联道路设施部署架构

在中级智能网联道路基础上，高级智能网联道路基础设施应包含更高性能的车路协同感知与计算基础设施。高级智能网联道路宜配套行业专用平台、车联网应用服务平台和第三方应用服务平台（车企平台、地图平台、定位服务平台等）[10]。

6 结语

总而言之，智能交通是城市基础建设中的一个关键环节，其与城市交通、城市建设管理与运营管理紧密联系，对提高城市交通智能化水平、信息化水平和5G技术的发展具有积极意义。并且其还能够有效地缓解城市交通拥堵，保障交通安全，提高交通运输的效率，实现公交优先，节能减排，保护城市环境，满足人们对机动车的共享化、智能化的要求。同时，将智能网络技术和市政工程管理有机地融合在一起，可以提高管理的智能化程度，提高管理效益，降低管理成本。