交通流系统车-路协同特征分析

1）车-路协同系统的概念与发展

交通系统是一个复杂的巨系统，依靠传统从道路和车辆的角度考虑的交通建设及管理方式很难解决近年来不断恶化的交通拥堵、事故频发、环境污染等问题，智能运输技术正在从单个交通要素的智能化向交通要素一体化的方向发展，从而助推了车-路协同技术的发展。在这种背景下，把车辆和道路整合起来，以计算机、通信及自动控制等先进技术为手段，旨在系统高效地解决交通拥堵、交通安全、交通环境等问题的智能交通系统应运而生。基于车-车、车-路信息交互，人-车-路（环境）一体的协同系统作为ITS的重要组成部分，一直是世界交通发达国家研究、发展与应用的热点，车-路协同系统对提高交通运输系统的效率和安全性，实现交通系统的可持续性发展具有十分重要的意义。

（1）国外车-路协同系统的发展。

目前许多国家都在积极进行车-路协同方面的研究与应用，已经成为当今国际智能交通领域的前沿技术和研究热点，许多国家力图突破车-路协同智能控制关键技术。一方面，以美国、欧盟和日本为代表的发达国家对车-路协同系统的应用场景基本定义完毕，不同组织对应用场景的定义基本一致。另一方面，美国和欧盟分别定义了车-车，车-路通信协议标准，美国将5.9GHz的频率定为专用于车-车、车-路协同通信的专用短程通信（DSRC）。

美国自1997年加州自动公路（AHS）演示的DEMO97项目后，组织实施了智能车辆行动（IVI）计划，促进了基于车-路协同的避碰系统的研发与实际应用。美国实施了通过车载传感器与车-车或车-路通信方式来获取信息，为驾驶者提供安全辅助控制或全自动控制支持的智能车辆计划、车辆道路智能集成系统。近几年，美国在汽车与道路基础设施的集成（VII）计划的基础上，开展了CVHAS和InteliDrive等国家项目，成立了InteliDrive项目组织深化车-路协同研究，通过开发和集成各种车载和路侧设备以及通信技术，使得驾驶者在驾驶中能够作出更好和更安全的决策。VII的设想是在美国生产的所有车辆上装备通信设备以及GPS模块，以使车辆能够与全国性的道路网进行数据交换；CVHAS旨在通过车载传感器以车-路或车-车通信等信息获取方式提供驾驶的辅助控制或全自动控制；InteliDrive计划是在VII的基础上深化研究车-路协同控制。

美国公路交通安全局的一项研究表明，车辆换道警示系统有可能在37%的相撞事故中发挥作用；偏离车道警示系统可在24%的翻车、相撞或冲出车道等事故中发挥预防作用；而事故预警系统能在51%的事故中发挥作用。从减轻撞后伤害的被动安全控制到辅助驾驶的主动安全控制，车-路协同系统体现了更为积极的主动安全思想。

欧盟自1986年以来，主要是在欧洲高效安全交通系统计划（PROMETHEUS）和保障车辆安全的欧洲道路基础设施计划（DRIVE）两大计划的指导下利用先进的信息通信技术开展交通运输信息化领域的研究、开发与应用。在第10届ITS世界大会上，欧洲ITS组织ERTICO最先提出eSafety的基本概念并得到欧盟委员会的认可，同时其被列人欧盟的计划。eSafety的70余项研发项目，都将车-路通信与协同控制作为研究重点，提出了包括eSafety、SAFES⁃POT等在内的道路安全计划。欧洲成立了车辆间通信联盟（Car2Car Communication Consortium），制定车-路协同标准和规范，并开展了PReVENT、NoW（Network on Wheels）、CVIS、CarTalk2000和COMeSafety等车-路协同相关项目的研究。

日本遵循ITS的系统集成理念，利用ITS的相关技术，如先进的车辆信息和通信系统、不停车电子收费系统等以及信息与通信技术，进行道路基础设施的整合，实现其智慧道路（Smartway）系统Ⅲ。经过20余年的发展，日本的ITS计划已完成第四期的先进安全汽车（ASV）项目和智能型公路系统（AHS），基本完成了基础技术和核心技术的开发，进人了实用技术开发阶段，其开发的车辆信息通信系统（VICS）已经形成了成熟的产品和庞大的产业。智慧道路（Smartway）计划将重点发展整合日本ITS的各项功能并建立车上单元的共同平台，将建立“安全·安心的汽车社会”作为最优先解决的课题。其目前已进人技术普及阶段，2005—2010年期间围绕5个重点展开研究，其中包括车-路协调系统、智能汽车系统等；从2005年开始AHS进人其实用化技术普及的第2阶段，2010年后，重点加强利用无线通信技术的车-车/车-路协调系统实用化技术的研发，构筑人车路一体化的高度紧密的信息网络，研发交通对象协同式安全控制技术，使道路与车辆由ITS咨询的双向传输成为Smartway与Smartcar，以减少交通事故和缓解交通拥堵。

（2）中国车-路协同系统的发展。

与国外相比，我国车-路协同实施起步较晚，目前仍处于初步探索阶段，以国家ITS体系框架为指导，逐步形成了我国智能公路系统的发展思路，即以道路基础设施智能化为核心，以公路智能与车载智能的协调合作为基础，重视人的因素应用研究，促进人、车、路（环境）三位一体协调发展。“十五”和“十一五”期间，我国在汽车安全辅助驾驶、车载导航设备、驾驶员状态识别、车辆运行安全状态监控预警、交通信息采集、车辆自组织网络等方面进行了大量研究，基本掌握了智能汽车共性技术、车辆运行状态辨识、高精度导航及地图匹配、高可靠信息采集与交互等核心技术。另外，部分高校和研究机构进行了相关智能化车-路协同控制技术的研究，设立了国家科技攻关专题“智能公路技术跟踪”和“智能车-路协同关键技术研究”主题项目，重点研究其关键技术，建立我国车-路协同技术体系框架，抢占车-路协同前沿技术战略的制高点，培育智能交通产业发展的增长点。国家“863”计划中现代交通技术领域围绕提高我国道路交通安全保障水平的重大需求，开展“智能道路系统信息结构及环境感知与重构技术研究”“基于车-路协调的道路智能标识与感知技术研究”“驾驶人安全状态监测及预警技术”等，相关核心技术仅取得阶段性成果，尚未对智能车-路集成进行系统的研究。

车-路协同系统是智能运输系统的一个重要的子系统，其基本思想是运用多学科交叉与融合的方法，充分利用大规模并行计算、传感器网络等先进技术，实现道路交通信息的智能感知与人、车、路（环境）三位一体协调发展，大幅提高道路交通信息的利用效率与应用水平，在缓解道路交通拥堵、提高道路通行能力、改善道路交通安全等方面发挥重要的作用，同时也为相关学科和产业的发展提供新的研究方向和发展机遇，从而推动交叉学科新理论、新方法、新技术、新应用的产生和发展。

车-路协同系统是基于无线通信、传感探测等技术进行车-路信息获取，通过车-车、车-路信息交互和共享，实现车辆和基础设施之间、车辆与车辆之间的智能协同与配合，达到优化利用系统资源、提高道路交通安全、缓解交通拥堵的目标。

车-路协同以道路和车辆为基础，以传感技术、信息处理与通信技术为核心、以出行安全和行车效率为目的，并将道路交通基础设施的智能化及其与车载终端一体化系统的协调合作作为研发方向和突破重点。车-路、车-车协同系统已经成为现阶段各国的发展重点。

车-路协同系统的大范围应用，将带来基于时空信息的新一代交通管理与控制革新，车-路协同系统的应用前景主要体现在车辆协同安全（包括人-车主动避撞、车-车主动避撞、危险路段预警与控制）、交通协调控制（包括交通信号协调控制、实时路径诱导、公交优先控制）、综合信息共享服务（包括交通需求管理、实时交通信息查询）三个方面。

电子信息和通信技术的迅速发展与应用，推动了以车-车通信、车-路通信为基础的车-路协同的实现，车-路协同实现人、车、路（环境）三者之间的信息共享、协同与交互，从而建立全方位、实时、准确、高效的综合交通运输管理与服务系统。从国内外智能交通系统发展的历程和现状来看，尽管各国对车-路协同的称谓不一，内容也不尽相同，但研究的方向一致。总之，车-路协同系统以道路和车辆为基础，以传感技术、信息处理与通信技术为核心，将道路交通基础设施的智能化及其与车载终端一体化系统的协调合作作为研发方向和突破重点，以提高出行安全和行车效率为目的。

作为智能运输的重要组成部分，车-路协同对提高交通运输系统的效率和安全性，实现交通系统的可持续性发展具有十分重要的意义。在车-路协同环境下，交通控制与交通诱导一体化将得以实现，道路资源得到合理分配并发挥更高效率。

安全与效率已经成为制约我国交通运输发展的关键问题，基于车-车、车-路信息交互的人、车、路（环境）一体的车-路协同系统，将会成为平衡交通运输系统效率和安全性的有效手段。与车-路协同相关的核心技术在各国都处于实验室研究和试验阶段，关键技术问题无法有效解决将制约系统的应用，我国能否突破车-路协同智能控制关键技术，是未来形成智能交通产业核心竞争力的关键。展望2030年的交通世界，交通如同一个有机体，人、车、路通过无线信息连接，不再是独立的个体，而是庞大智能交通系统中的一员。

自然，协同论的领域与许多学科有关，它的一些理论是建立在多学科联系的基础上的（如动力系统理论和统计物理学之间的联系），因此协同论的发展与许多学科的发展紧密相关，并且正在形成自己的跨学科框架。协同论还是一门很年轻的学科，尽管它已经取得许多重大应用研究成果，但是有时人们所应用的还只是一些定性的现象，处理方法也较粗糙。但毫无疑问，协同论的出现是现代系统思想的发展，它为人们处理复杂问题提供了新的思路。

（3）车-路协同系统的关键技术及发展。

车-路协同系统主要包括智能路侧系统和智能车辆系统，其关键技术主要涉及智能车辆关键技术、智能路侧系统关键技术以及车-路/车-车协同信息交互技术等，对于这些技术已在相关章节作了概述，这里就不再赘述。

发达国家经过多年的技术积累，基本建立了车-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，取得了一定的成果，但相关的核心技术仍处于实验室研究和试验阶段，车-路协同系统的一些关键技术问题仍没有得到有效解决，这制约了系统的应用。

目前车-路协同系统的发展具有以下趋势：

①建立车-路协同系统体系框架：从特例实验走向应用场景和通信协议的标准制定。车-路协同系统的研究已经从小规模/特例实验向应用系统和通信协议的标准制定方向发展。

②车-路通信平台的开放性：从单一模式走向多种通信手段的互补与融合。可用于车-路通信的方式包括DSRC、WiFi、WiMAX、GSM/GPRS、3G、RFID、BlueTooth等，但是每种通信技术各有优缺点，单独一种很难满足车-路通信的需求，需建立一种多方式兼容的通信平台。

③车载终端一体化：从单项服务向集成服务转换，从单目标控制向多目标控制集成转变。通过统一的车载装置提供路桥收费、信息发布、信息采集等多种服务，减少多终端带来的负面影响，加快车载终端的普及。

④重视人的行为对安全的重要影响：从简单的安全控制发展到考虑人的可接受性和反馈影响。重视信息对人的行为的研究以及人机交互界面的优化设计等工作，更加突出“人机协作”和“人机交互”。