余冰雁，毛祺琦**

（1.中國信息通信研究院，北京 100010；2.車聯(lián)網(wǎng)技術創(chuàng)新與測試評價工業(yè)和信息化部重點實驗室，北京 100101）

0 引言

近年來，我國持續(xù)為車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展營造良好規(guī)?；渴瓠h(huán)境[1-7]。國家“十四五”規(guī)劃中明確指出，要統(tǒng)籌推進傳統(tǒng)基礎設施和新型基礎設施建設，積極穩(wěn)妥發(fā)展車聯(lián)網(wǎng)。工信部、住建部等協(xié)同推進，支持車聯(lián)網(wǎng)示范區(qū)、先導區(qū)、“雙智”城市等建設；江蘇（無錫）、天津（西青）、湖南（長沙）、重慶（兩江新區(qū)）、京滬高速等在城市、高速等不同場景規(guī)?；茝V車聯(lián)網(wǎng)應用，形成了廣泛布局、重點突破、具有地方特色的發(fā)展格局。IMT-2020（5G）推進組C-V2X（Vehicle-to-Everything）工作組等行業(yè)組織積極推進車聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)互通測試、大規(guī)模通信測試及應用實踐活動[8-10]，促進技術交叉融合和應用落地。至此，信息通信、感知、汽車、交通、互聯(lián)網(wǎng)等跨行業(yè)融合創(chuàng)新的車聯(lián)網(wǎng)生態(tài)體系初步形成。

在此背景下，車聯(lián)網(wǎng)應用服務體系日益豐富，服務對象涵蓋個人用戶、行業(yè)用戶和政府用戶，應用場景眾多。其中，圍繞交通信號燈信息的車聯(lián)網(wǎng)應用是目前各地方應用范圍最大、推廣力度最高、應用效果最顯著的場景，受到產(chǎn)業(yè)界和消費者的諸多關注。因此，針對基于交通信號燈信息的車聯(lián)網(wǎng)應用場景的深入研究和打磨細化，是進一步支撐規(guī)?；茝V車聯(lián)網(wǎng)應用的強有力支撐。

1 產(chǎn)業(yè)需求與發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國際產(chǎn)業(yè)需求與發(fā)展現(xiàn)狀

國際上發(fā)達國家和地區(qū)均將智能網(wǎng)聯(lián)汽車和車聯(lián)網(wǎng)作為未來發(fā)展的重要方向，紛紛推動相關產(chǎn)業(yè)政策落地。美國已在加利福尼亞州圣迭戈和密西根州底特律進行C-V2X試驗，并且積極推動C-V2X 的基礎設施建設。歐洲以智能交通系統(tǒng)為核心，歐盟大力發(fā)展出行即服務（MaaS,Mobility as a Senvice），極大地促進了車聯(lián)網(wǎng)應用推廣，推動發(fā)展交互式智能交通。在研究方面，大眾、通用、福特、波士頓大學等機構(gòu)紛紛開展基于交通信號燈信息的車聯(lián)網(wǎng)應用研究[11-14]。在產(chǎn)業(yè)方面，2019 年，德國寶馬以及戴姆勒、奧迪等汽車生產(chǎn)企業(yè)作為5G 汽車聯(lián)盟（5GAA,5G Automotive Association）成員單位，在德國柏林、意大利都靈舉辦的5GAA C-V2X 應用演示活動中開展多廠商互聯(lián)互通測試，對闖紅燈預警等交通管理類應用進行了驗證。在應用落地推廣方面，奧迪已在美國內(nèi)華達州拉斯維加斯等多個城市率先支持交通信號燈信息系統(tǒng)（TLI,Traffic Light Information）的使用，通過4G 通信與當?shù)氐慕煌粜畔⒒ヂ?lián)，在車內(nèi)的儀表盤或抬頭顯示系統(tǒng)實現(xiàn)交通燈狀態(tài)、紅/綠燈時間等信息的顯示。國外高校也紛紛就十字路口紅綠燈信息應用和優(yōu)化開展研究與分析[15-17]。

由此可以看出，國際上十分重視和積極推進車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，基于交通信號機信息的應用是其中的典型場景，部分企業(yè)已經(jīng)積極開展商業(yè)化運營。但從整體態(tài)勢來仍處于研究與測試驗證階段，無法提供大規(guī)模的連續(xù)穩(wěn)定服務。

1.2 國內(nèi)產(chǎn)業(yè)需求與發(fā)展現(xiàn)狀

我國高度重視車聯(lián)網(wǎng)（智能網(wǎng)聯(lián)汽車）產(chǎn)業(yè)發(fā)展，工信部、交通運輸部等部門和各地方政府積極出臺政策規(guī)劃引領產(chǎn)業(yè)發(fā)展，并在“智慧出行”、“網(wǎng)聯(lián)輔助駕駛”、“智慧公交”、“智慧交通”、“網(wǎng)聯(lián)自動駕駛”等多方面廣泛布局，形成了一批有特色、先導性的示范應用，不斷提升交通智能化管理水平和居民出行服務體驗。在此過程中，各地方建設車聯(lián)網(wǎng)先導區(qū)、示范區(qū)時均考慮將基于交通燈信息的場景作為優(yōu)先場景，例如江蘇無錫率先開放了紅綠燈等交管數(shù)據(jù)信息支持車聯(lián)網(wǎng)應用，實現(xiàn)了紅綠燈誘導通行、危險路段預警等應用服務。在車輛前裝應用方面，大眾（奧迪）、福特為代表的車企積極推進網(wǎng)聯(lián)輔助駕駛功能在新車型上前裝量產(chǎn)。奧迪（中國）基于C-V2X 直連通信技術，結(jié)合中國道路交通環(huán)境，將向中國市場推出配備5G 模塊和C-V2X 功能的奧迪A7L 和奧迪A6L 兩款車型，引入的三個C-V2X 功能之一就是TLI，可在本地基礎設施支持的條件下，提供“綠燈優(yōu)化速度建議”和“綠燈倒計時”兩種服務。福特（中國）已在其量產(chǎn)車型EVOS 等上搭載車路協(xié)同應用，并在無錫、長沙、廣州、西安等地實現(xiàn)紅綠燈信息推送、闖紅燈預警等場景。此外，國內(nèi)各高校也針對基于交通信號燈信息的車聯(lián)網(wǎng)應用開展了一系列理論分析和測試研究[18-19]。

綜合國際和國內(nèi)發(fā)展態(tài)勢可以看出，圍繞交通信號燈信息的車聯(lián)網(wǎng)應用是目前受到業(yè)界廣泛認可、且具備一定建設基礎和實踐經(jīng)驗的車聯(lián)網(wǎng)應用。因此，進行深入的場景研究、理清系統(tǒng)架構(gòu)，梳理基礎設施建設需求，并分析支撐該場景的關鍵技術，是支撐該應用的規(guī)?；涞睾瞳@得良好應用效果的必要條件，也是為車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供的強有力支撐。

2 基于交通信號燈信息的應用場景

2.1 基于交通信號燈信息的應用場景分析

最直觀的基于交通信號燈信息的應用場景是紅綠燈信息播發(fā)，當車輛經(jīng)過有信號燈控制的交叉路口，紅綠燈讀秒應用向駕駛員展示或播報紅綠燈讀秒信息，輔助駕駛員更好地在通過路口時進行加減速的決策，促進提升行車安全與效率。該場景可以通過車聯(lián)網(wǎng)直連通信技術（LTE-V2X）或車聯(lián)網(wǎng)5G 蜂窩通信技術這兩種通信方式實現(xiàn)。當采用LTE-V2X 實現(xiàn)時，路側(cè)通信單元（RSU,Road Side Unit）通過本地配置或車聯(lián)網(wǎng)平臺下發(fā)的方式獲得地圖信息，并通過對接交通信號機或者車聯(lián)網(wǎng)平臺下發(fā)的方式獲得結(jié)構(gòu)化的交通信號燈信息，進而RSU 可以將兩類信息進行廣播，周圍搭載了LTE-V2X 通信功能的車輛可以接收信息并結(jié)合自身的定位和行駛數(shù)據(jù)信息，展示或播報紅綠燈讀秒信息。當采用5G 蜂窩通信實現(xiàn)時，車聯(lián)網(wǎng)平臺存儲了地圖信息，并通過對接交通管理信息平臺或交通信號機獲得結(jié)構(gòu)化的交通信號燈信息，同時，用戶車輛通過5G 網(wǎng)絡周期性向車聯(lián)網(wǎng)平臺上報自身行駛狀態(tài)信息，車聯(lián)網(wǎng)平臺匹配到用戶信息后可通過5G 網(wǎng)絡對進入用戶車輛推送信號燈信息和地圖信息，車端在收到相應信息后可結(jié)合自身位置、行駛狀態(tài)展示或播報紅綠燈讀秒信息。

此外，中國汽車工程學會《合作式智能運輸系統(tǒng) 車用通信系統(tǒng)應用層及應用數(shù)據(jù)交互標準》[13]中，也規(guī)范了兩個涉及交通信號燈信息的應用場景，分別是綠波車速引導和闖紅燈預警。綠波車速引導是指當車輛駛向信號燈控制交叉路口時，應用將給予駕駛員一個建議車速區(qū)間，以使車輛能夠經(jīng)濟地、舒適地（不需要停車等待）通過信號路口。闖紅燈預警是指車輛經(jīng)過有信號控制的交叉口或匝道，車輛存在不按信號燈規(guī)定或指示行駛的風險時，應用對駕駛員進行預警，如圖1 所示。兩個場景均可通過LTE-V2X 直連通信或者5G 蜂窩通信的方式實現(xiàn)，其交互的數(shù)據(jù)類型與前述的紅綠燈信息播發(fā)基本一致。不同的是，綠波車速引導應用在接收到相應信息后需要結(jié)合自身的定位和行駛數(shù)據(jù)信息，計算出通過路口的引導車速區(qū)間；闖紅燈預警應用在接收到相應信息后，需要結(jié)合自身的定位和行駛數(shù)據(jù)信息，通過計算預測車頭經(jīng)過路口停止線時信號燈的狀態(tài)來判斷是否需要對駕駛員進行預警。

圖1 闖紅燈預警場景示意圖

由此可見，不同基于交通信號燈的應用場景對于車聯(lián)網(wǎng)基礎設施（包括路側(cè)基礎設施及車聯(lián)網(wǎng)平臺）發(fā)送的信息要求是類似的，僅車載應用的數(shù)據(jù)分析、觸發(fā)邏輯、展示方式有所不同。這意味著一方面基礎設施信息服務能力可以得到充分復用，以較低平均成本支撐多個場景實現(xiàn)，另一方面基礎設施的實現(xiàn)方案、系統(tǒng)架構(gòu)、關鍵技術更加值得深入研究，以確保應用場景的實現(xiàn)質(zhì)量。

2.2 基于交通信號燈信息的應用場景實現(xiàn)研究

在實踐中，不同地方建設車聯(lián)網(wǎng)基礎設施、打造應用示范時，普遍將紅綠燈信息播發(fā)、綠波車速引導、闖紅燈預警等基于交通信號燈的場景優(yōu)先規(guī)模部署，為了更好地開展此類應用場景的實現(xiàn)研究，本文對國內(nèi)13 家車聯(lián)網(wǎng)基礎設施投資建設單位進行了方案調(diào)研。調(diào)研以圖2 所示的系統(tǒng)框圖為基礎，圍繞交通信號機與路邊設備的信息交互（圖中標號①的位置，后文依次對應）、交管平臺與車聯(lián)網(wǎng)平臺的信息交互、車聯(lián)網(wǎng)平臺與路邊設備的信息交互、車聯(lián)網(wǎng)平臺與5G 智能終端的信息交互、車聯(lián)網(wǎng)平臺與第三方平臺的信息交互等五個方面開展。

圖2 基于交通信號燈信息的車聯(lián)網(wǎng)應用場景實現(xiàn)的基本技術框圖

通過調(diào)研結(jié)果分析，可以發(fā)現(xiàn)，在交通信號機與路邊設備的信息交互方面，所有建設方案中均支持路邊設備從交通信號機獲取信息，其中80% 以上的方案使用RSU 來接收和處理交通信號燈信息，剩下的不到20%的方案中使用路側(cè)計算單元來處理信息；此外，僅有約一半的方案中遵循了公安行業(yè)標準《道路交通信號控制機信息發(fā)布接口規(guī)范》，其他方案的交通信號機仍使用了私有協(xié)議。在交管平臺與車聯(lián)網(wǎng)平臺的信息交互方面，約7 成方案支持車聯(lián)網(wǎng)平臺從交管平臺獲取信息，主要應用需求包括通過蜂窩（Uu）接口向終端提供服務、用于支撐交通模型研究或交通管控、用作統(tǒng)計和展示和向第三方平臺提供數(shù)據(jù)服務等，但其中數(shù)據(jù)接口標準化仍相對空缺。在車聯(lián)網(wǎng)平臺與路邊設備的信息交互方面，絕大部分方案都支持車聯(lián)網(wǎng)平臺與路邊設備之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸，即既支持車聯(lián)網(wǎng)平臺從路邊設備獲取信號燈信息，也支持車聯(lián)網(wǎng)平臺向路邊設備下發(fā)信號燈信息（也可下發(fā)地圖信息），考慮到車聯(lián)網(wǎng)平臺和路邊設備分別從兩個數(shù)據(jù)源獲取信息，這種雙向支持有利于系統(tǒng)的實現(xiàn)數(shù)據(jù)和鏈路備份、提升可靠性。在車聯(lián)網(wǎng)平臺與5G智能終端的信息交互及與第三方平臺的信息交互方面，分別有超過90% 和超過80% 的方案中支持與5G 智能終端和第三方平臺進行交互，但其中數(shù)據(jù)接口標準化程度低，均不到20%。

通過調(diào)研結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)兩個主要結(jié)論，一是從方案功能上，路邊設備和車聯(lián)網(wǎng)平臺都會獲取交通信號燈信息，其中路邊設備主要從交通信號機獲取，車聯(lián)網(wǎng)平臺多數(shù)從交管平臺獲取、獲取不到時也可以從路邊設備讀取，從而分別支持LTE-V2X 和5G 蜂窩通信兩類通信模式的應用。二是從標準化程度上，無論是路邊設備與交通信號機的數(shù)據(jù)接口，還是車聯(lián)網(wǎng)平臺的對外數(shù)據(jù)接口，其標準化程度相對較低，仍需進一步研究和推進。

3 基于交通信號燈信息的車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)與關鍵技術

3.1 基于交通信號燈信息的車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)最小架構(gòu)

基于第2 節(jié)開展的應用場景分析和實現(xiàn)研究，創(chuàng)新性地給出了基于交通信號燈信息的車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)最小架構(gòu)，該最小架構(gòu)可在不依賴路側(cè)感知與計算設備的條件下，通過LTE-V2X 直連通信或者5G 蜂窩通信的方式，支持在車端實現(xiàn)紅綠燈信息播發(fā)、綠波車速引導、闖紅燈預警等車聯(lián)網(wǎng)應用。系統(tǒng)架構(gòu)中包括平臺、路側(cè)設施和終端三個組成部分，總體架構(gòu)如圖3 所示。需要補充說明的是，本系統(tǒng)架構(gòu)圖中的PC5 終端與Uu 終端，分別指代支持LTE-V2X 直連通信功能和4G/5G Uu 通信功能的邏輯單元，并不與實際物理設備一一對應。

圖3 基于交通信號燈信息的車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)圖

考慮到不同地方的交通管理信息化程度不同，系統(tǒng)獲取交通信號燈信息的方式也可能有所不同。優(yōu)先建議由路邊設備按照標準化的數(shù)據(jù)接口從交通信號機獲取信息，若信號機不支持標準化的信息發(fā)布接口，可能需要交管部門協(xié)同建設或升級交通信號機。此外，建議車聯(lián)網(wǎng)應用服務平臺可根據(jù)實際情況與當?shù)亟还芷脚_進行對接，獲取交通管控信息、事件信息、禁行區(qū)信息等其他非實時信息，進一步豐富車聯(lián)網(wǎng)應用場景。

3.2 基于交通信號燈信息的車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)關鍵技術研究

（1）系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口的標準化

在上文提出的系統(tǒng)架構(gòu)中，可以看出車聯(lián)網(wǎng)平臺是系統(tǒng)的核心節(jié)點，但平臺數(shù)據(jù)接口的標準化程度仍較低，一方面是部分標準仍有待制定修訂，另一方面是已有標準未能充分貫徹實施，故本文對相關接口的標準化情況進行了分析研究。從車聯(lián)網(wǎng)平臺與路邊設備（尤其是RSU）之間的數(shù)據(jù)交互來看，可以分為業(yè)務數(shù)據(jù)接口和管理數(shù)據(jù)接口兩部分。其中業(yè)務數(shù)據(jù)接口的標準化已經(jīng)部分開展，中國智能交通產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（C-ITS）編制并發(fā)布了《合作式智能運輸系統(tǒng) RSU 與中心子系統(tǒng)間數(shù)據(jù)接口規(guī)范》（TITS 0117-2020），規(guī)定了該接口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)集等內(nèi)容，此外，中國通信標準化協(xié)會（CCSA）正在研制《車路協(xié)同 車聯(lián)網(wǎng)應用服務平臺與路側(cè)設備數(shù)據(jù)接口通信協(xié)議要求》等標準，以規(guī)范該接口的通信協(xié)議。而針對管理數(shù)據(jù)接口部分，CCSA 研制《車路協(xié)同 路側(cè)通信設備（RSU）運維管理平臺技術要求》等標準，以標準化車聯(lián)網(wǎng)平臺對RSU 設備的運維管理、消息管理、地圖管理、交通管理事件管理等功能模塊。從車聯(lián)網(wǎng)平臺與5G 智能終端之間的數(shù)據(jù)交互來看，CCSA 研制《基于移動互聯(lián)網(wǎng)的車路協(xié)同應用場景及技術要求》，討論規(guī)范平臺與智能終端之間的及交互流程、傳輸協(xié)議、數(shù)據(jù)格式等內(nèi)容。從車聯(lián)網(wǎng)平臺與第三方應用平臺或交管平臺之間的數(shù)據(jù)交互來看，當前仍處于標準相對空白的階段，中國汽車工程學會、中國智能網(wǎng)聯(lián)汽車產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟（CAICV）規(guī)劃研制智能網(wǎng)聯(lián)汽車云控系統(tǒng)系列標準中第4 部分擬標準化云云數(shù)據(jù)交互規(guī)范?？紤]到第三方平臺和交管平臺的業(yè)務屬性，相應標準需要跨行業(yè)的多方協(xié)同參與，才能保證標準的科學合理可用。

（2）發(fā)送消息的準確性與一致性

基于交通信號燈信息的車聯(lián)網(wǎng)應用主要涉及結(jié)構(gòu)化的交通信號燈信息（SPAT,Signal Phase and Timing Message）和地圖信息（MAP），相應的消息層標準化工作已經(jīng)完成，但在標準規(guī)定的內(nèi)容基礎上，仍有部分消息準確性和一致性的問題。例如，對于SPAT 消息，不同廠家的平臺或RSU 設備在封裝消息的時候?qū)τ诮煌ㄐ盘枱舻南辔欢x存在理解不同，導致實際效果存在偏差；或者不同信號機廠家對于交通信號燈相位id 的定義不同，在實踐中需要根據(jù)實際路口以及信號機的輸出來標定，若未能準確標定，也會導致實際效果存在偏差；又如部分路口最右車道為“直行+右轉(zhuǎn)”車道，而SPAT 消息只傳遞了直行車道燈態(tài)，導致默認算法下右轉(zhuǎn)和直行的信號燈相位一致，影響右轉(zhuǎn)車輛的應用觸發(fā)。對于MAP 消息，若在采圖、制圖、轉(zhuǎn)換成MAP 消息的過程中，車道停止線的打點不準確，將導致是否路口判定、車輛到停止線距離計算等不準確，直接影響綠波車速引導、闖紅燈預警場景的實現(xiàn)效果；而車道級地圖的打點不規(guī)則，有可能會導致車道匹配錯誤、無法判斷自身處于直行或轉(zhuǎn)向車道，而不同車道對應的信號燈相位可能存在不同，導致車輛無法準確地計算綠波車速甚至影響應用觸發(fā)邏輯；又如部分道路在臨近路口的時候車道數(shù)會變化，而MAP 消息中未能體現(xiàn)會導致路口交通信號燈與車道匹配錯位。

需要注意的是，CCSA 已經(jīng)制定并發(fā)布了《基于LTE的車聯(lián)網(wǎng)無線通信技術》系列標準，規(guī)范了接入層、網(wǎng)絡層、消息層、安全層的標準實現(xiàn)，但在標準范圍之外仍然會出現(xiàn)以上問題。在車聯(lián)網(wǎng)這種高度依賴標準化、互聯(lián)互通的系統(tǒng)中，需要對支持場景實現(xiàn)的關鍵消息的準確性和一致性進行進一步的細化、打磨，爭取盡快在產(chǎn)業(yè)內(nèi)達成共識，提煉總結(jié)并以技術指南、建設規(guī)范等形式予以發(fā)布，促進應用效果不斷完善。

4 結(jié)束語

基于交通信號燈信息的應用是用戶需求相對顯著、建設成本相對較低、服務價值相對突出的車聯(lián)網(wǎng)應用，在各地方車聯(lián)網(wǎng)先導區(qū)、示范區(qū)建設基礎設施、打造應用場景時被優(yōu)先考慮。本文針對此類場景的定義與業(yè)務流程進行了分析，并基于廣泛的行業(yè)調(diào)研結(jié)論對其實現(xiàn)方式進行了深入研究。進一步，本文創(chuàng)新性地提出了基于信號燈信息的車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)，包括平臺、路側(cè)設施和終端三個組成部分，可支持LTE-V2X 直連通信和5G 蜂窩通信兩種通信方式實現(xiàn)場景。隨后，本文從接口標準化、消息準確性與一致性等方面分析了系統(tǒng)的關鍵技術，給出了下一步接口標準化和消息規(guī)范細化的工作方向。