智能網聯汽車與智慧交通應用示范區項目設計

郭志杰 張 斌 楊 濤 王恩師

(1.武漢中交交通工程有限責任公司 武漢 430052； 2.湖北省高速公路聯網收費中心 武漢 430052)

智能網聯汽車是汽車產業與信息通信、人工智能、大數據、物聯網等新一代技術及交通出行、城市管理等多領域深度融合的產物，可實現車與X(人、車、路、后臺等)智能信息交換共享，具備復雜的環境感知、智能決策、協同控制和執行等功能[1]，是當前全球汽車產業乃至未來交通出行領域智能化、網聯化發展的重要方向，對汽車產業跨界融合發展具有重要的戰略意義。2016年 11 月，工信部與湖北省政府在武漢簽署《基于寬帶移動互聯網的智能汽車與智慧交通應用示范部省合作框架協議》。項目計劃通過5年時間，分3個階段逐步由試驗廠區封閉環境到城市交通開放環境，開展智能駕駛、智慧路網、綠色用車、便捷停車、交通狀態智慧管理等多個應用示范，集聚起智能汽車研發、智慧交通應用和車聯網新產業。

1 智能網聯汽車發展現狀

從發展歷程來看，智能網聯汽車有2條路徑，單車智能和車路協同。隨著通信技術的同步突破，邊緣計算、5G高可靠低時延技術的不斷成熟，車路協同通過車、路、網、云均衡發展，在顯著降低自動駕駛落地成本與難度的同時，優化道路資源提升交通安全與效率，將成為未來的主要發展方向[2]，車路協同示意見圖1。

圖1 車路協同示意圖

美國在1998年將車路協同調整為ITS(智能交通系統)主要內容，其發展主要經歷了為駕駛員提供安全輔助控制、V2I與V2V研發與應用兩大階段。目前，美國已有超過一半的州設置了面向有人駕駛的車路協同技術，目的是提升道路安全[3]。

歐洲近期也均轉向車路協同的C-ITS服務，可以向車輛提供交通安全信息、道路施工區提示、出行信息等服務。荷蘭、德國和奧地利三國已在高速公路先期示范C-ITS，部分車輛安裝車載系統以提高道路通行能力。

日本從1995年開始進行車路協同研發，其ITS相關車路協同研究與應用開發工作主要集中3個方面進行：車輛信息與通信系統(VICS)、不停車收費系統(ETC)、先進道路支援系統(ITS-SPOT)。2017年底基本完成DSRC路側單元部署。

我國大力推動車路協同示范應用。2018年4月，中華人民共和國工業和信息化部、公安部、交通部聯合出臺《智能網聯汽車道路測試管理規范(試行)》，允許智能網聯汽車在取得道路測試牌照后于特定公開道路進行測試。不完全統計，截至2020年4月，工業和信息化部授權國家級測試示范區和先導區共11家；交通部授權3家；工業和信息化部與交通部聯合授權3家；住建部授權3家，2020年將新推進3家；發改委推進上海基于智能汽車云控基礎平臺的“車路網云一體化”綜合示范建設項目。

2 智能網聯汽車與智慧交通應用示范區項目設計

2.1 概述

本文依托的智能網聯汽車與智慧交通應用示范區項目位于武漢開發區智慧生態城內。示范區一期工程已于2019年8月建成。包括：28 km智能道路、5G通信網、北斗定位系統、智慧交通設施、數據中心、指揮調度中心等基礎設施。同年9月22日，國家智能網聯汽車(武漢)測試示范區(以下簡稱示范區)正式揭牌，并向東風公司、百度、深蘭科技、海梁科技等企業發放了武漢首批14張開放測試道路牌照，同時，向百度、海梁科技、深蘭科技頒發了全球首批自動駕駛載人試運營許可證。

二期工程主要從路側智能設施設備、測試與應用系統、管理系統等方面開展示范區建設，計劃于2020年底建成具備開放道路測試、自動駕駛應用、基于5G的智能網聯應用和智能交通應用等功能的示范區。

2.2 設計原則

2.2.1應用驅動原則

從應用設計出發，根據應用驅動智能基礎設施的內容與范圍，合理分配應用和基礎設施構成比例，合理規劃和選擇高投資回報率的智能基礎設施設計方案，確保所建設的智能基礎設施是有用和可用的，并被持續頻繁使用，從而保證整體投資的有效性。

2.2.2可持續運營原則

以持續可運營為優先選擇因素，保證設計的基礎設施和應用長期運行或運營，以保持長期持續的示范效果。具體體現4個方面：①部分應用的商業價值和持續回報；②技術平臺具備可擴展性；③建設與運營機制具備持續創新空間；④產業生態的構建。

2.2.3開放性原則

智能網聯汽車相關產業前景廣大，但當前產業成熟度、產業集中度較低，整個標準體系仍處于建設中。設計方案需體現相當的開放性，才能保證更大范圍的兼容度，吸引更廣泛的產業主體持續加入。

2.2.4安全性原則

安全性是示范區設計優先考慮的原則。一是智能汽車和智能交通建設內容均對示范區現有道路交通體系帶來深入影響，必須保證交通安全；二是龐大的信息系統需要具備信息安全保障；三是這兩者的相互影響，必須在項目中構建一個完整的安全體系予以應對。

2.3 技術路線

2.3.1車路協同為主，兼顧單車智能

車路協同和車路一體化自動駕駛等相關創新技術的進步，能夠加速自動駕駛商業化實現，并促進通信、互聯網、汽車電子、路側設施等領域的加快發展，推動IT、智能制造與交通、汽車產業走向深度融合。示范區整體設計以車路協同為主，兼顧單車智能，是秉持主流發展方向和面向產業的綜合選擇結果。

2.3.2全面支持L2-L4級研發測試

自動駕駛技術仍處于高速發展中，示范區測試場與測試道路將長期面向各廠商研發進程。按照立足當前，適度面向未來的思路，相關測試設備與環境將全面支持L2-L4級研發測試，盡可能覆蓋更長的研發測試周期，適應多種研發測試需求。

2.3.3全面應用C-V2X

C-V2X(Cellular-V2X)是基于3GPP全球統一標準的通信技術，包含LTE-V2X、5G-V2X及后續演進。C-V2X支持更遠的通信距離、更佳的非視距通信性能、增強的可靠性，還可以將車輛與其他車輛、行人、路側設施等交通元素有機結合，彌補單車智能的不足，有效推動協同式應用服務發展。C-V2X主要覆蓋3大部分應用場景：交通安全、交通效率和信息服務[4]。本項目的車路協同的設計將全面采用這一主流技術路線。

2.3.4統一的運行、數據、服務平臺

隨著示范區建設內容不斷豐富，需要統一解決穩定可靠運行、互聯互通、協同工作、大數據智能等共性問題。因此需要以集中建設的方式建設統一的運行、數據、服務平臺，以統一的架構和技術規范，通過運行、數據、服務3層平臺，形成可持續運營的智能底座，使各種應用能夠便捷地插入底座，實現共享數據、協同工作、靈活擴展，賦能智慧網聯、智慧交通乃至智慧城市應用和創新。

2.3.5車城融合，全面感知

智慧交通是智慧城市的重要構成部分，智能汽車是智慧城市的微觀單元。設計將圍繞汽車和交通的建設項目與智慧城市緊密結合，建立基于融合感知城市信息模型和數字孿生城市的可視化運營平臺，城市信息模型融合實時交通和其它泛在感知信息，數字孿生與城市所有智能基礎設施和感知設備保持同步，實現對城市的全貌從宏觀到微觀、從靜態到動態一體化的精確掌控。

2.4 設計方案

2.4.1基礎支撐系統設計

從通信網、道路設施、車端設施、高精度地圖、北斗定位、三維城市高精度建模、車輛維保場、交管改造、CA系統建設角度構建智能交通系統的運行基礎，同時為車路協同、無人駕駛、車城融合等技術的應用提供基礎。

1) 通信網建設包括核心網子系統、傳輸子系統、基站子系統、5G終端子系統、5G專網等，為示范區路側設備和車端提供高速5G網絡傳輸通道。

2) 道路設施包含路側V2X通信設備、智能感知設備以及配套的立桿、取電、取網等基礎設施建設，實現道路交通狀態的監測、預警、安全監控和場景提取等。

3) 車端設施包含車端V2X通信設備、5G通信設備、北斗定位網系統設備和司機顯示屏等智能設備，為智能車輛提供車輛自身感知系統外的補充，讓“聰明的車”更智慧。

4) 高精度地圖包含覆蓋示范區路線范圍的車道級電子地圖，為自動駕駛汽車提供對于道路情況穩定的“長周期記憶”。

5) 北斗定位網系統實現國際通用格式的基準站站點坐標和北斗/GPS測量數據輸出，滿足動態、連續、快速、高精度獲取空間數據和地理特征需求，提供實時的米級、分米級、厘米級等多層級高精度位置服務。

6) 三維城市高精度建模包括宏觀覆蓋智慧生態城的、中觀覆蓋示范區所有開放道路、微觀覆蓋智慧停車場的分層次一體化展示，為融合感知平臺提供基礎底圖數據支撐。

7) 維保場包括獨立檢修車間及相應的檢修設備、停車位、充電樁等設施，為示范區運營的自動駕駛車輛的故障檢修、日常養護、改裝等提供場地和設備。

8) 交管改造包括交通安全設施改造和交管后臺系統擴容。

9) CA系統包括根證書機構、假名/應用證書頒發機構、證書注冊機構、證書發布系統、證書撤銷機構、設備配置服務器、設備注冊機構建設等，對V2X的廣播消息進行簽名，保護消息的真實性和完整性。

2.4.2應用系統設計

應用系統分為示范區開放道路測試綜合管理系統、城市與車聯網大數據融合系統、封閉測試場基礎測試系統和運營調度系統四部分，其結構圖示意見圖2。

圖2 應用系統結構圖

1) 示范區開放道路測試綜合管理系統

建設統一的運行、數據、服務平臺，以統一的架構和技術規范，通過運行、數據、服務三層平臺，形成可持續運營的智能底座，使各種應用能夠便捷地插入底座，實現共享數據、協同工作、靈活擴展，賦能智慧網聯、智慧交通乃至智慧城市應用和創新。示范區開放道路測試綜合管理系統包含智能網聯云平臺、智能網聯數據平臺、智能網聯基礎服務平臺和開放數據共享平臺四部分。

2) 城市與車聯網大數據融合系統

智慧交通是智慧城市的重要構成部分，智能汽車是智慧城市的微觀單元。設計將智能汽車與智慧城市緊密結合，建立基于融合感知城市信息模型和數字孿生城市的城市與車聯網大數據融合系統平臺。該平臺系統通過城市信息模型融合實時交通和其它泛在感知信息，數字孿生與城市所有智能基礎設施和感知設備保持同步，實現對城市全貌從宏觀到微觀、從靜態到動態的一體化精確掌控。城市與車聯網大數據融合系統包含感知數據融合平臺、城市輔助決策系統、城市融合感知一體化交互系統和CIM平臺。

3) 封閉測試場基礎測試系統

目前，自動駕駛技術仍處于高速發展中，示范區測試場與測試道路將長期面向各廠商研發進程。為了促進武漢市自動駕駛技術的發展，項目擬按照立足當下、適度超前的思路，建設封閉測試場基礎測試系統，提高自動駕駛相關測試設備支撐能力與仿真測試能力，全面支持L2-L4級研發測試，適應多種研發測試需求，加速自動駕駛技術的研發和落地。

封閉測試場基礎測試系統通過接入車端、路側等多源數據實現測試場景的生成，主要包括了仿真場景構建模塊、傳感器模塊、車輛動力學模塊、算法接口模塊、SDK等模塊，能夠接入華為、百度以及第三方自動駕駛系統，從而支撐SiL、MiL、HiL，以及算法訓練等上層應用。

4) 運營調度系統

為了兼容各類車輛、各種車型的自動駕駛示范應用，示范區會引入各類自動駕駛車輛。同時，為了實現長期可持續的示范效果，示范區需要建設統一的運營調度系統，實現對各類自動駕駛車輛的管理和監控，保障自動駕駛車輛的安全、長期可持續的運營。

根據自動駕駛車輛的場景不同，運營調度系統包含自動駕駛出租車運營調度、自動駕駛物流車運營調度、自動駕駛環衛車運營調度、自動駕駛公交車運營調度和智能停車場運營運營調度等5個自動駕駛行業運營調度子系統。

2.4.3安全體系設計

安全體系以物聯網安全模型為基礎并深度結合平臺業務場景進行設計制作。業務層的安全需求主要有基礎平臺安全、大數據安全、設備安全、網絡安全、車輛安全、終端安全六大核心業務安全需求組件組成。

安全體系涵蓋了測試和運營的全生命周期，利用大數據和AI作為核心技術賦能安全體系中的安全能力。安全體系框架包含SOC系統即安全應運營平臺中心、集中式身份管理服務、基礎安全組件、安全管理等四大核心部分。安全體系架構見圖3。

圖3 安全體系架構

3 結語

3.1 項目先進性

武漢智能網聯汽車與智慧交通應用示范區項目以應用需求驅動設計，以持續可運營為優先選擇因素，以開放的設計方案，本著安全性的原則。建設以車路協同為主，兼顧單車智能，全面應用C-V2X場景，全面支持L2-L4級研發測試，可實現對城市全貌從宏觀到微觀、從靜態到動態的一體化精確掌控。項目通過搭建智能道路基礎設施與交通出行平臺，開展自動代客泊車、智能停車場實驗和智能汽車、智能出行應用示范。示范區場景齊全，覆蓋市政路、高速、接駁路，所有區域全部實現5G網絡覆蓋，設備端均采用業內領先的真5G空口回傳。

3.2 未來發展展望

與此同時，智能網聯示范區項目也面臨諸多的挑戰：自動駕駛標準體系和實際技術成熟度還需要進一步提升；新興事務配套的法律法規政策不完善，事故后判定相關責任難度大，車險理賠存在分歧；投資較大，商業模式盈利相對困難。針對這些問題，國家相關部委也相繼釋放出不同維度智能網聯汽車政策信號，筆者認為未來智能網聯汽車標準體系或將有更多關于路及車路協同層面的標準出臺。2020年有望成為智能網聯汽車產業落地的元年，全國各地陸續開展了智慧交通應用示范區的建設，武漢智能網聯汽車與智慧交通應用示范區項的設計將為國內其它示范區的建設提供有益借鑒。