賈偉娜 申杰

1.鄭州升達(dá)經(jīng)貿(mào)管理學(xué)院 河南省鄭州市 451191 2.華北水利水電大學(xué) 河南省鄭州市 450045

1 引言

進(jìn)入新世紀(jì)以來，世界各國(guó)交通壓力不斷增加及人工智能科技興起，智能聯(lián)網(wǎng)汽車（ICVs）逐漸成為研究領(lǐng)域的一個(gè)熱門，在不久的將來ICVs將應(yīng)用車身本體傳感器精準(zhǔn)感知交通環(huán)境條件，確保車輛安全行駛的基礎(chǔ)上，減輕交通運(yùn)輸壓力及降低事故發(fā)生率。傳統(tǒng)車路協(xié)同進(jìn)能實(shí)現(xiàn)車輛和路側(cè)設(shè)備之間的協(xié)同，實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景明顯受限，并且很難達(dá)到面向路網(wǎng)的群體協(xié)同決策。為處理以上問題，應(yīng)從系統(tǒng)協(xié)同視角出發(fā)，重建ICVs產(chǎn)業(yè)核心領(lǐng)域之間的技術(shù)鏈與價(jià)值流，打造出信息安全開放、穩(wěn)定共享特征并存的系統(tǒng)架構(gòu)——云控系統(tǒng)。

2 云控系統(tǒng)的架構(gòu)

2.1 云控基礎(chǔ)平臺(tái)

這是云控系統(tǒng)的核心部分，其最大的特征是整合了汽車、道路和外界環(huán)境及有關(guān)行業(yè)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，為ICVs產(chǎn)業(yè)相關(guān)部門及提供提供標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)與運(yùn)算基礎(chǔ)服務(wù)。結(jié)合汽車行駛和交通服務(wù)區(qū)的現(xiàn)實(shí)運(yùn)用特點(diǎn)，把云控基礎(chǔ)平臺(tái)規(guī)劃設(shè)計(jì)成囊括邊緣云、區(qū)域云與中心云的三級(jí)化云平臺(tái)，以上三者的服務(wù)范疇不同，逐級(jí)拓展，相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)交互和運(yùn)算時(shí)效性要求逐漸呈降低趨勢(shì)，進(jìn)而在符合網(wǎng)聯(lián)運(yùn)用在時(shí)效性、服務(wù)范疇方面提出的要求基礎(chǔ)上，確保了各類基礎(chǔ)設(shè)施建造的高效性與性價(jià)比。

2.2 云控應(yīng)用平臺(tái)

該平臺(tái)是指在云控系統(tǒng)體系的穩(wěn)定支撐下，行業(yè)監(jiān)理、服務(wù)、駕駛與交通等諸多傳統(tǒng)業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)了提高車輛行駛安全性、能效等目標(biāo)，確保了交通運(yùn)行效率和性能，并以車輛與交通大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)了行業(yè)監(jiān)督管理與服務(wù)類運(yùn)用之間的有效融合。結(jié)合相關(guān)應(yīng)用項(xiàng)目在信息傳輸及運(yùn)算時(shí)延方面提出要求的差異，可以將該平臺(tái)的運(yùn)用細(xì)化成實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)、非實(shí)時(shí)協(xié)同應(yīng)用兩種類型。通過運(yùn)用云控應(yīng)用平臺(tái)能獲得更加全面、標(biāo)準(zhǔn)化的智能汽車及交通有關(guān)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)而為行業(yè)監(jiān)督管理、服務(wù)類部門等提供個(gè)性化的可靠支持，關(guān)注客戶群體現(xiàn)實(shí)需求，降低行業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本；配合運(yùn)用車輛控制、交通調(diào)度與管理技術(shù)等，全面提高車輛行駛性能及實(shí)現(xiàn)對(duì)交通運(yùn)行及出行活動(dòng)的精細(xì)化管控，最大限度的改善服務(wù)品質(zhì)。

2.3 路側(cè)基礎(chǔ)設(shè)施

路側(cè)基礎(chǔ)設(shè)施一般指的是部署在道路左右兩側(cè)的路側(cè)桿件、燈桿等設(shè)施，路側(cè)感知、通信設(shè)備、計(jì)算設(shè)備等是常見的設(shè)備類型，其中路側(cè)感知及計(jì)算設(shè)備能實(shí)時(shí)辨別、追蹤、預(yù)測(cè)當(dāng)前道路交通實(shí)況及參與對(duì)象，部分情景下能為汽車提供局部輔助定位運(yùn)算功能。通信設(shè)備能基于低時(shí)延網(wǎng)絡(luò)建立有關(guān)運(yùn)算結(jié)果。交通信號(hào)及管控狀態(tài)等和車端、云端的互聯(lián)互通關(guān)系。交通信號(hào)設(shè)施最大的特點(diǎn)是結(jié)合交通實(shí)際運(yùn)行需求達(dá)到動(dòng)態(tài)化的聯(lián)網(wǎng)控制。

2.4 車輛與交通參與者

通過精準(zhǔn)連接云控系統(tǒng)內(nèi)的車輛和交通參與者才能使云控基礎(chǔ)平臺(tái)運(yùn)行過程中捕獲相關(guān)信息、級(jí)別不同的網(wǎng)聯(lián)車輛及交通參與者均可能成為云控系統(tǒng)的目標(biāo)服務(wù)對(duì)象?？陀^上講，和云控系統(tǒng)有關(guān)服務(wù)內(nèi)容匹配度較高的車輛與交通參與者能獲得更多的信息資源及運(yùn)算結(jié)果，進(jìn)而輔助提升相關(guān)的智能化等級(jí)，在這樣的情景下終端用戶能獲得更加多樣化的交通出行服務(wù)，使出行活動(dòng)安全、有效、低能耗。

2.5 通信網(wǎng)

在云控系統(tǒng)內(nèi)，通信網(wǎng)主要有無線、有線通信網(wǎng)絡(luò)兩種類型，前者又包括兩類，一種是以LTE-V 協(xié)議為基礎(chǔ)的車路、車車點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信網(wǎng)；另一種是以5G網(wǎng)專用標(biāo)準(zhǔn)建造成的通信網(wǎng)。以上兩種無線通信網(wǎng)是ICVs與路側(cè)設(shè)施及三級(jí)云之間進(jìn)行通信的基礎(chǔ)，并結(jié)合當(dāng)前行業(yè)發(fā)展需求，漸進(jìn)式的完善無線通信協(xié)議。云控系統(tǒng)還以有線網(wǎng)絡(luò)作為依托和云控基礎(chǔ)平臺(tái)之間建立穩(wěn)定的聯(lián)通關(guān)系，后期伴隨無線網(wǎng)絡(luò)可靠性與低時(shí)延性能的強(qiáng)化，會(huì)運(yùn)用無線網(wǎng)絡(luò)連接部分設(shè)備。

2.6 行業(yè)相關(guān)支撐平臺(tái)

部分社會(huì)化運(yùn)用、服務(wù)和管理平臺(tái)會(huì)基于標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議和云控平臺(tái)實(shí)時(shí)交互信息，在云控平臺(tái)的輔助下不僅能全面采集目前微觀車輛、宏觀交通及有關(guān)授權(quán)運(yùn)用的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)而協(xié)助對(duì)應(yīng)平臺(tái)充實(shí)及優(yōu)化多種業(yè)務(wù)服務(wù)模式，各類汽車、交通出行參與者、服務(wù)研發(fā)者均可以直接運(yùn)用平臺(tái)內(nèi)包含的數(shù)據(jù)資源，使ICVs和交通產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用服務(wù)體系更加豐富化，促進(jìn)云控系統(tǒng)和各種支撐平臺(tái)之間服務(wù)過程的良性循環(huán)，為行業(yè)長(zhǎng)久發(fā)展提供更大的幫助。

3 云控系統(tǒng)的技術(shù)分析

3.1 端邊云結(jié)合的一體化

ICVs和智能交通業(yè)務(wù)正常運(yùn)作時(shí)針對(duì)云控系統(tǒng)本體異構(gòu)的通信和運(yùn)算網(wǎng)絡(luò)在時(shí)效性、可用性與并發(fā)性等方面均提出了較高的要求。為了滿足提供高品質(zhì)服務(wù)的現(xiàn)實(shí)需求，不僅要打造出超越傳統(tǒng)云計(jì)算架構(gòu)，具備毫秒級(jí)信息傳送時(shí)延與超高可靠性標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)算技能；也要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)通信節(jié)點(diǎn)與鏈路當(dāng)前的工況，統(tǒng)一調(diào)度網(wǎng)絡(luò)內(nèi)路由和節(jié)點(diǎn)處理下的高并發(fā)數(shù)據(jù)。

云控系統(tǒng)在正常使用過程中基于云控基礎(chǔ)平臺(tái)編制了統(tǒng)一的信息交互標(biāo)準(zhǔn)，并設(shè)計(jì)研發(fā)了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分級(jí)式共享接口，由針對(duì)性完善了數(shù)據(jù)資源的存儲(chǔ)模型，打造出了超高性能消息系統(tǒng)，結(jié)合不同應(yīng)用模式于系統(tǒng)響應(yīng)的時(shí)效性、信息傳送的時(shí)延和接進(jìn)申請(qǐng)的并發(fā)標(biāo)準(zhǔn)要求，配合運(yùn)用了量級(jí)由差異的基礎(chǔ)設(shè)施及虛擬管控科技，最大限度的運(yùn)用SG、LTE-V網(wǎng)絡(luò)及有線骨干網(wǎng)，從不同方面完善各等級(jí)基礎(chǔ)設(shè)施上傳和下發(fā)通信鏈路的使用功能，有機(jī)融合了實(shí)時(shí)通信、數(shù)據(jù)交互與協(xié)同運(yùn)算技術(shù)，顯著提升了車端、路端、邊緣運(yùn)算與各層云結(jié)構(gòu)的整合效率。比如，基于布設(shè)邊緣云的形式整合到數(shù)量更多的本地應(yīng)用服務(wù)項(xiàng)目，并對(duì)更多的交通運(yùn)用情景起到穩(wěn)定支撐作用，落實(shí)好現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)的應(yīng)用目標(biāo)，比如動(dòng)態(tài)管理控制路口的車輛和交通運(yùn)輸狀態(tài)。科學(xué)部署實(shí)、非實(shí)時(shí)區(qū)域云，遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)性及弱實(shí)時(shí)性路網(wǎng)級(jí)的精準(zhǔn)控制與有效應(yīng)用，例如貨車編隊(duì)運(yùn)行列屬于區(qū)域云實(shí)時(shí)性要求偏高的規(guī)劃與管控運(yùn)用范疇。

3.2 動(dòng)態(tài)資源調(diào)度

云控系統(tǒng)正常使用過程中要對(duì)大量應(yīng)用項(xiàng)目執(zhí)行行為起到良好的支撐作用，只有這樣其才能滿足ICVs和交通系統(tǒng)于不同場(chǎng)景之下的性能完善需求。為了解除高并發(fā)之下各種應(yīng)用項(xiàng)目在資源利用方面產(chǎn)生的沖突及物理客觀世界內(nèi)車輛行為的沖突。云控基礎(chǔ)平臺(tái)要依照云控使用情況在時(shí)效性、通信形式、資源應(yīng)用及運(yùn)作模式等方面一一提出確切要求，合理選定服務(wù)的具體運(yùn)行地點(diǎn)及為其調(diào)配的資源類型、數(shù)量等，按照現(xiàn)實(shí)需求動(dòng)態(tài)化、可靠的執(zhí)行保障性服務(wù)項(xiàng)目，確保被服務(wù)車輛行駛過程的安全性、穩(wěn)定性。以上過程涉及到的有關(guān)技術(shù)主要包括：基于平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化管理或自主式管理的形式實(shí)現(xiàn)負(fù)載平衡、全壽命周期的動(dòng)態(tài)化管理，按照實(shí)際所需調(diào)用云端車輛感知共享功能、強(qiáng)化安全告警、車輛運(yùn)行狀態(tài)在線檢查診斷、高精度地圖實(shí)時(shí)呈現(xiàn)、輔助駕駛、車載信息強(qiáng)化及全局式協(xié)同調(diào)度等。

基于云控系統(tǒng)建造出一體化系統(tǒng)架構(gòu)的雖然協(xié)同調(diào)度數(shù)個(gè)系統(tǒng)業(yè)務(wù)，但也使數(shù)個(gè)異構(gòu)體在信息感知精準(zhǔn)度、協(xié)同運(yùn)算時(shí)間維度的一致性、數(shù)字映射方位的匹配性等方面也帶來了新的挑戰(zhàn)，云控系統(tǒng)未來應(yīng)完善的方向有眾多核心業(yè)務(wù)感知系統(tǒng)的布局、多源化數(shù)據(jù)的時(shí)間同步性、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)之間的高關(guān)聯(lián)度等。

4 云控系統(tǒng)的典型運(yùn)用

4.1 云控汽車節(jié)能駕駛系統(tǒng)（Cloud EDS）

設(shè)計(jì)與應(yīng)用Cloud EDS的目的是基于車輛前方行進(jìn)路線與地圖數(shù)據(jù)的條件下，利用云控系統(tǒng)平臺(tái)結(jié)合真實(shí)道路狀況及交通運(yùn)輸狀態(tài)實(shí)時(shí)運(yùn)算車輛行駛速度，同時(shí)會(huì)快速的把最優(yōu)車速控制序列訊息傳送給車輛，以上已經(jīng)被認(rèn)定是增加車輛燃油經(jīng)濟(jì)性的一種有效辦法。為了最大限度提升汽車燃油經(jīng)濟(jì)性，更好的落實(shí)節(jié)能、環(huán)保理念，可以規(guī)劃設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)型駕駛控制系統(tǒng)的兩大目標(biāo)：

目標(biāo)1：平均經(jīng)濟(jì)車速。和常規(guī)經(jīng)濟(jì)車速調(diào)控系統(tǒng)做比較，以云控系統(tǒng)為基礎(chǔ)建成的

經(jīng)濟(jì)型控制系統(tǒng)能夠動(dòng)態(tài)、精準(zhǔn)的捕獲交通信號(hào)燈及交通流信息，進(jìn)而使汽車以相對(duì)較科學(xué)、合理的車速在各個(gè)路段上水平行進(jìn)，整體減少了車輛油耗數(shù)量。

目標(biāo)2：實(shí)時(shí)經(jīng)濟(jì)車速。參照云控系統(tǒng)采集到的道路及交通狀況信息，并綜合目標(biāo)1執(zhí)行過程中所得數(shù)據(jù)，科學(xué)設(shè)計(jì)汽車于鄰近十字路口、上下坡道及動(dòng)態(tài)式交通條件下的實(shí)時(shí)最優(yōu)化經(jīng)濟(jì)車速，借此方式使燃油經(jīng)濟(jì)性抵達(dá)最優(yōu)水平。

在實(shí)施第1層規(guī)劃目標(biāo)時(shí)，云控系統(tǒng)平臺(tái)精準(zhǔn)運(yùn)算出汽車于各個(gè)路段上的最優(yōu)經(jīng)濟(jì)車速均值，將該車速設(shè)定成目標(biāo)車速以調(diào)節(jié)控制汽車的行駛狀態(tài)，借此方式確保汽車能嚴(yán)格按照最經(jīng)濟(jì)化車速前行。在充分分析平路工況下經(jīng)濟(jì)車速規(guī)劃方法可行性、合理性的基礎(chǔ)上，做出了第2層規(guī)劃目標(biāo)，其最大的特點(diǎn)是分析了現(xiàn)實(shí)車輛行駛過程中對(duì)路段中油耗多少產(chǎn)生影響最大的幾類典型工況，在此基礎(chǔ)上逐一進(jìn)行車速優(yōu)化設(shè)計(jì)工作：

（1）跟車工況。平直道路之上車輛自然駕駛過程中的巡航會(huì)耗用較多時(shí)間，燃油耗用量相應(yīng)增加，此時(shí)采用節(jié)油、省油策略能取得較高的經(jīng)濟(jì)效益；

（2）坡道工況：坡道是山區(qū)與丘陵地區(qū)高速公路上常見的構(gòu)造，車輛在這樣的路段行駛時(shí)有較大的節(jié)油潛能；

（3）起停工況：車輛突然加速為造成不同駕駛?cè)藛T節(jié)油表現(xiàn)方式有明顯差異的一項(xiàng)主要因素，具有較大的可完善空間。

綜合如上論述的內(nèi)容，在汽車行駛進(jìn)一個(gè)路段以后，運(yùn)用第一個(gè)規(guī)劃目標(biāo)所得的平均車速作為目標(biāo)車速行駛。第2層控制管理主要集中在路段中行進(jìn)車輛車速優(yōu)化改進(jìn)方面，若前方道路局部存在著坡道情況，則一定要按照坡道經(jīng)濟(jì)車速標(biāo)準(zhǔn)去調(diào)控車速大??；如果依然是平直道路，即沒有坡道，那么汽車就一直以第1層控制運(yùn)算得出經(jīng)濟(jì)車速均值作為整個(gè)行駛區(qū)間中的目標(biāo)車速前行；當(dāng)汽車鄰近本路段終點(diǎn)時(shí)，駕駛?cè)藛T要使汽車在第1層規(guī)劃目標(biāo)控制運(yùn)算出的時(shí)間點(diǎn)抵達(dá)本路段的終點(diǎn)。

本課題對(duì)重型商用車輛上進(jìn)行實(shí)車道路實(shí)驗(yàn)分析，配置運(yùn)用了自主研發(fā)的云控節(jié)能控制算法，測(cè)試路段全程長(zhǎng)度達(dá)到36.55km，統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果，車輛使用客觀條件一致的工況下，區(qū)間中定速巡航耗用的時(shí)間平均是1845 s，每行進(jìn)100 km平均燃油耗用量是41.496L，在平均耗時(shí)是1 837s的工況下，運(yùn)用云控節(jié)能駕駛算法達(dá)到的省油成效是2.46～6.00%，平均省油率是4.69%，表現(xiàn)出十分明顯的行駛經(jīng)濟(jì)特性。

4.2 云控交通信號(hào)管控系統(tǒng)

近些年中，我國(guó)各地城市交通路網(wǎng)建設(shè)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)增，逐漸建設(shè)了以路側(cè)信號(hào)機(jī)作為處置核心的交通管控模式，設(shè)備供應(yīng)商群體龐大、計(jì)算能力嚴(yán)重匱乏，并且不同區(qū)域之間信息資源共享效率整體偏低，以致顯著增加了大范疇交通狀態(tài)動(dòng)態(tài)預(yù)估難度，車流狀態(tài)調(diào)整響應(yīng)過程遲緩，很難滿足實(shí)時(shí)多變的城市交通信號(hào)管理工作的現(xiàn)實(shí)需求。本課題把城市主干路網(wǎng)設(shè)定成目標(biāo)對(duì)象，以云控架構(gòu)作為依托設(shè)計(jì)了“網(wǎng)聯(lián)車一信號(hào)燈一云平臺(tái)”三者互為交融的車流狀態(tài)混合式引導(dǎo)調(diào)控辦法。動(dòng)態(tài)全面的收集網(wǎng)聯(lián)汽車的大量行駛軌跡信息，配合云控部署并行優(yōu)化算法，成功混合引導(dǎo)了信控路口和網(wǎng)聯(lián)車輛，不僅有效運(yùn)用不同云路之間的網(wǎng)聯(lián)端口設(shè)施快捷下傳信控路口的配時(shí)數(shù)據(jù)，顯著強(qiáng)化了信號(hào)燈對(duì)交通突發(fā)事件的實(shí)時(shí)應(yīng)答能力，還合理應(yīng)用云車之間的交互終端實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)聯(lián)汽車行駛行為做出科學(xué)引導(dǎo)，通過整改局部車輛行為的辦法調(diào)控車流的整體狀態(tài)，輔助提高城市主干路網(wǎng)上車輛的正常通行效率。

以這種方法為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)研發(fā)的云控交通信號(hào)管理系統(tǒng)綜合車輛既往與實(shí)時(shí)軌跡信息，在面對(duì)經(jīng)常性與偶發(fā)性問題事，能動(dòng)態(tài)測(cè)評(píng)診斷大范圍區(qū)域中信號(hào)系統(tǒng)的異常狀況，并實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)化的整頓完善。系統(tǒng)具有的技術(shù)特征主要包括：（1）運(yùn)用優(yōu)質(zhì)的聯(lián)網(wǎng)浮動(dòng)車軌跡信息，可以擺脫對(duì)外場(chǎng)檢測(cè)裝置的依賴性，或者采用融合檢測(cè)器信息的方式去強(qiáng)化系統(tǒng)的使用性能；（2）能夠快速、精準(zhǔn)的辨識(shí)出道路交叉口等特殊地段內(nèi)車輛擁堵狀態(tài)，快速提出完善方案，減少人為干預(yù)；（3）對(duì)輕量化部署過程能起到良好的支撐作用，有上線快速、見效迅速、用戶操作界面直觀性強(qiáng)及便捷性高、可復(fù)制性優(yōu)良、兼容度高等特點(diǎn)。

早在2017年時(shí)這一系統(tǒng)在濟(jì)南等城市交通領(lǐng)域落地應(yīng)用，濟(jì)南歷下區(qū)局部干道運(yùn)用前后的車流狀態(tài)比較輕快。由此可以系統(tǒng)使用后重點(diǎn)干道的路口停車等待頻次顯著減少，干道平均延誤指標(biāo)減少率超出30%，系統(tǒng)顯著減輕了城市主干路網(wǎng)的擁堵現(xiàn)象。

5 結(jié)語(yǔ)

云控系統(tǒng)自身是一種創(chuàng)新型的社會(huì)化基礎(chǔ)設(shè)施體系，在技術(shù)、資源基行業(yè)等方面均表現(xiàn)出較高的協(xié)同性，故而應(yīng)加大優(yōu)勢(shì)資源的整合力度，共同建設(shè)，共同經(jīng)營(yíng)?？梢曰谡靶袠I(yè)引導(dǎo)辦法，在部分領(lǐng)域內(nèi)先試行。為使云控系統(tǒng)得到更大的發(fā)展，進(jìn)而創(chuàng)造更理想的效益，應(yīng)盡早于標(biāo)地地區(qū)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)收集、應(yīng)用開發(fā)及執(zhí)行機(jī)制，使云控系統(tǒng)具有為行業(yè)發(fā)展提供授權(quán)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的能力，并協(xié)助企業(yè)塑造富有競(jìng)爭(zhēng)力的服務(wù)項(xiàng)目，并為產(chǎn)業(yè)鏈持續(xù)發(fā)展提供可靠支撐。