基于交通信號燈信息的車聯網應用與系統架構*

余冰雁，毛祺琦**

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

0 引言

近年來，我國持續為車聯網產業發展營造良好規模化部署環境[1-7]。國家“十四五”規劃中明確指出，要統籌推進傳統基礎設施和新型基礎設施建設，積極穩妥發展車聯網。工信部、住建部等協同推進，支持車聯網示范區、先導區、“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）、京滬高速等在城市、高速等不同場景規?；茝V車聯網應用，形成了廣泛布局、重點突破、具有地方特色的發展格局。IMT-2020（5G）推進組C-V2X（Vehicle-to-Everything）工作組等行業組織積極推進車聯網互聯互通測試、大規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、互聯網等跨行業融合創新的車聯網生態體系初步形成。

在此背景下，車聯網應用服務體系日益豐富，服務對象涵蓋個人用戶、行業用戶和政府用戶，應用場景眾多。其中，圍繞交通信號燈信息的車聯網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，受到產業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網應用場景的深入研究和打磨細化，是進一步支撐規?；茝V車聯網應用的強有力支撐。

1 產業需求與發展現狀

1.1 國際產業需求與發展現狀

國際上發達國家和地區均將智能網聯汽車和車聯網作為未來發展的重要方向，紛紛推動相關產業政策落地。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為核心，歐盟大力發展出行即服務（MaaS,Mobility as a Senvice），極大地促進了車聯網應用推廣，推動發展交互式智能交通。在研究方面，大眾、通用、福特、波士頓大學等機構紛紛開展基于交通信號燈信息的車聯網應用研究[11-14]。在產業方面，2019 年，德國寶馬以及戴姆勒、奧迪等汽車生產企業作為5G 汽車聯盟（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（TLI,Traffic Light Information）的使用，通過4G 通信與當地的交通燈信息互聯，在車內的儀表盤或抬頭顯示系統實現交通燈狀態、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網發展，基于交通信號機信息的應用是其中的典型場景，部分企業已經積極開展商業化運營。但從整體態勢來仍處于研究與測試驗證階段，無法提供大規模的連續穩定服務。

1.2 國內產業需求與發展現狀

我國高度重視車聯網（智能網聯汽車）產業發展，工信部、交通運輸部等部門和各地方政府積極出臺政策規劃引領產業發展，并在“智慧出行”、“網聯輔助駕駛”、“智慧公交”、“智慧交通”、“網聯自動駕駛”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，各地方建設車聯網先導區、示范區時均考慮將基于交通燈信息的場景作為優先場景，例如江蘇無錫率先開放了紅綠燈等交管數據信息支持車聯網應用，實現了紅綠燈誘導通行、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聯輔助駕駛功能在新車型上前裝量產。奧迪（中國）基于C-V2X 直連通信技術，結合中國道路交通環境，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“綠燈優化速度建議”和“綠燈倒計時”兩種服務。福特（中國）已在其量產車型EVOS 等上搭載車路協同應用，并在無錫、長沙、廣州、西安等地實現紅綠燈信息推送、闖紅燈預警等場景。此外，國內各高校也針對基于交通信號燈信息的車聯網應用開展了一系列理論分析和測試研究[18-19]。

綜合國際和國內發展態勢可以看出，圍繞交通信號燈信息的車聯網應用是目前受到業界廣泛認可、且具備一定建設基礎和實踐經驗的車聯網應用。因此，進行深入的場景研究、理清系統架構，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?；涞睾瞳@得良好應用效果的必要條件，也是為車聯網產業發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，當車輛經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網直連通信技術（LTE-V2X）或車聯網5G 蜂窩通信技術這兩種通信方式實現。當采用LTE-V2X 實現時，路側通信單元（RSU,Road Side Unit）通過本地配置或車聯網平臺下發的方式獲得地圖信息，并通過對接交通信號機或者車聯網平臺下發的方式獲得結構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合自身的定位和行駛數據信息，展示或播報紅綠燈讀秒信息。當采用5G 蜂窩通信實現時，車聯網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構化的交通信號燈信息，同時，用戶車輛通過5G 網絡周期性向車聯網平臺上報自身行駛狀態信息，車聯網平臺匹配到用戶信息后可通過5G 網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合自身位置、行駛狀態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 車用通信系統應用層及應用數據交互標準》[13]中，也規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間，以使車輛能夠經濟地、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過有信號控制的交叉口或匝道，車輛存在不按信號燈規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，其交互的數據類型與前述的紅綠燈信息播發基本一致。不同的是，綠波車速引導應用在接收到相應信息后需要結合自身的定位和行駛數據信息，計算出通過路口的引導車速區間；闖紅燈預警應用在接收到相應信息后，需要結合自身的定位和行駛數據信息，通過計算預測車頭經過路口停止線時信號燈的狀態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網基礎設施（包括路側基礎設施及車聯網平臺）發送的信息要求是類似的，僅車載應用的數據分析、觸發邏輯、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，另一方面基礎設施的實現方案、系統架構、關鍵技術更加值得深入研究，以確保應用場景的實現質量。

2.2 基于交通信號燈信息的應用場景實現研究

在實踐中，不同地方建設車聯網基礎設施、打造應用示范時，普遍將紅綠燈信息播發、綠波車速引導、闖紅燈預警等基于交通信號燈的場景優先規模部署，為了更好地開展此類應用場景的實現研究，本文對國內13 家車聯網基礎設施投資建設單位進行了方案調研。調研以圖2 所示的系統框圖為基礎，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）、交管平臺與車聯網平臺的信息交互、車聯網平臺與路邊設備的信息交互、車聯網平臺與5G 智能終端的信息交互、車聯網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網應用場景實現的基本技術框圖

通過調研結果分析，可以發現，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標準《道路交通信號控制機信息發布接口規范》，其他方案的交通信號機仍使用了私有協議。在交管平臺與車聯網平臺的信息交互方面，約7 成方案支持車聯網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、用作統計和展示和向第三方平臺提供數據服務等，但其中數據接口標準化仍相對空缺。在車聯網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網平臺與路邊設備之間的雙向數據傳輸，即既支持車聯網平臺從路邊設備獲取信號燈信息，也支持車聯網平臺向路邊設備下發信號燈信息（也可下發地圖信息），考慮到車聯網平臺和路邊設備分別從兩個數據源獲取信息，這種雙向支持有利于系統的實現數據和鏈路備份、提升可靠性。在車聯網平臺與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，但其中數據接口標準化程度低，均不到20%。

通過調研結果可以發現兩個主要結論，一是從方案功能上，路邊設備和車聯網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，車聯網平臺多數從交管平臺獲取、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據接口，還是車聯網平臺的對外數據接口，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網系統架構與關鍵技術

3.1 基于交通信號燈信息的車聯網系統最小架構

基于第2 節開展的應用場景分析和實現研究，創新性地給出了基于交通信號燈信息的車聯網系統最小架構，該最小架構可在不依賴路側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，支持在車端實現紅綠燈信息播發、綠波車速引導、闖紅燈預警等車聯網應用。系統架構中包括平臺、路側設施和終端三個組成部分，總體架構如圖3 所示。需要補充說明的是，本系統架構圖中的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網系統架構圖

考慮到不同地方的交通管理信息化程度不同，系統獲取交通信號燈信息的方式也可能有所不同。優先建議由路邊設備按照標準化的數據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布接口，可能需要交管部門協同建設或升級交通信號機。此外，建議車聯網應用服務平臺可根據實際情況與當地交管平臺進行對接，獲取交通管控信息、事件信息、禁行區信息等其他非實時信息，進一步豐富車聯網應用場景。

3.2 基于交通信號燈信息的車聯網系統關鍵技術研究

（1）系統數據接口的標準化

在上文提出的系統架構中，可以看出車聯網平臺是系統的核心節點，但平臺數據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。從車聯網平臺與路邊設備（尤其是RSU）之間的數據交互來看，可以分為業務數據接口和管理數據接口兩部分。其中業務數據接口的標準化已經部分開展，中國智能交通產業聯盟（C-ITS）編制并發布了《合作式智能運輸系統 RSU 與中心子系統間數據接口規范》（TITS 0117-2020），規定了該接口傳輸的數據集等內容，此外，中國通信標準化協會（CCSA）正在研制《車路協同 車聯網應用服務平臺與路側設備數據接口通信協議要求》等標準，以規范該接口的通信協議。而針對管理數據接口部分，CCSA 研制《車路協同 路側通信設備（RSU）運維管理平臺技術要求》等標準，以標準化車聯網平臺對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。從車聯網平臺與5G 智能終端之間的數據交互來看，CCSA 研制《基于移動互聯網的車路協同應用場景及技術要求》，討論規范平臺與智能終端之間的及交互流程、傳輸協議、數據格式等內容。從車聯網平臺與第三方應用平臺或交管平臺之間的數據交互來看，當前仍處于標準相對空白的階段，中國汽車工程學會、中國智能網聯汽車產業創新聯盟（CAICV）規劃研制智能網聯汽車云控系統系列標準中第4 部分擬標準化云云數據交互規范?？紤]到第三方平臺和交管平臺的業務屬性，相應標準需要跨行業的多方協同參與，才能保證標準的科學合理可用。

（2）發送消息的準確性與一致性

基于交通信號燈信息的車聯網應用主要涉及結構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完成，但在標準規定的內容基礎上，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對于交通信號燈的相位定義存在理解不同，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”車道，而SPAT 消息只傳遞了直行車道燈態，導致默認算法下右轉和直行的信號燈相位一致，影響右轉車輛的應用觸發。對于MAP 消息，若在采圖、制圖、轉換成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效果；而車道級地圖的打點不規則，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邏輯；又如部分道路在臨近路口的時候車道數會變化，而MAP 消息中未能體現會導致路口交通信號燈與車道匹配錯位。

需要注意的是，CCSA 已經制定并發布了《基于LTE的車聯網無線通信技術》系列標準，規范了接入層、網絡層、消息層、安全層的標準實現，但在標準范圍之外仍然會出現以上問題。在車聯網這種高度依賴標準化、互聯互通的系統中，需要對支持場景實現的關鍵消息的準確性和一致性進行進一步的細化、打磨，爭取盡快在產業內達成共識，提煉總結并以技術指南、建設規范等形式予以發布，促進應用效果不斷完善。

4 結束語

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網應用，在各地方車聯網先導區、示范區建設基礎設施、打造應用場景時被優先考慮。本文針對此類場景的定義與業務流程進行了分析，并基于廣泛的行業調研結論對其實現方式進行了深入研究。進一步，本文創新性地提出了基于信號燈信息的車聯網系統架構，包括平臺、路側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的關鍵技術，給出了下一步接口標準化和消息規范細化的工作方向。