欧洲车路协同技术发展与展望

...欧洲车路协同技术发展与展望车路协同技术是基于车车通信与车路通信技术的智能交通技术。车辆之间和车辆与路侧系统能实时交换车辆传感器与事故信息，从而增强驾驶员对前方路况的了解，及时采取有效措施。路侧系统和交通管理中心也可以通过车路通信及时提供实时路况信息，因此车路协同技术能有效提高道路安全和交通效率。欧洲的车路协同技术经过了大约10年的技术研发，随着技术标准的制定与完善，已经进入了大规模路测和市场部署的准备阶段。欧盟，欧洲车厂，系统提供商和相关产业正在积极推动协同系统的发展，计划从2015年开始进入市场。日立一直积极参与车路协同技术的研发，测试与技术标准制定工作。是欧洲大型车路协同系统路测项目的主要技术提供商。本文介绍车路协同技术在欧洲的开发与前景，包括2012年世界智能交通大会展示的车路协同项目，欧洲大规模路测项目与采用的关键技术，技术标准的制定以及开发部署计划。1、2012智能交通世界大会展示的车路协同项目·车路协同项目是2012年智能交通世界大会的重点展示项目。欧洲车车通信联盟(cartocarcommunicationconsortiumC2CCC)[1]联同奥地利路侧系统供应商联盟TestFieldTelematics组织了为期一周的实地道路展示。展示的主要目标为：·"车载系统，路侧系统与交通管理中心的通信互通性(communicationinteroperability).·"车辆，路侧与交通管理中心的数据融合(Informationharmonization)·"车辆协同通信标准的适应性展示·"道路安全，交通效率等应用的实地演示本次展示包括的主要应用有:·"基于车车通信的道路安全应用，如前车紧急刹车风险警报(Electronicbrakelightwarning)，摩托车接近风险警报(Motorcycleapproachingwarning)，紧急救援车辆让路信息等等(emergencyvehicleapproachingwarning)。·"基于车路通信的交通管理应用，如信号灯路口车速控制(Greenlightoptimalspeed)，路侧动态信息的车载显示(Invehiclesignage).本次展示由欧洲大型车路协同道路运行测试项目(FieldOperationalTests，FOTs)DRIVEC2X[2]参与并提供技术支持。日立作为DRIVEC2X项目的技术规格的负责单位，担任了本次展示的技术协调主管，成功演示了车路协同技术由不同车厂和系统供应商的系统集成成果，是C2C-CC首次协同交通管理中心和路侧系统的大型展示。相对于C2C-CC于2008年举行的车车通信大型展示，该展示突出体现了欧洲针对车路协同系统以车载与路侧系统同步开发为目标的开发部署模式(deploymentscenario)。另外，基于近年欧洲与美国国际标准融合合作，C2CCC和美国车辆协同测试项目CAMP联合进行了车车协同通信共通性演示。该展示实现了欧洲与美国的主要道路安全应用中心数据包的交换(coreroadsafetymessage)，是车路协同项目的通信标准国际融合的主要成果。另外，参与DRIVEC2X项目的法国国家车路协同FoT项目SCORE@F也在本次大会中进行了静止模拟演示。参与本次世界大会的车路协同项目展示的主要包括欧洲和国际各大车厂(戴姆勒,宝马,沃尔沃，雷诺，标志，本田，欧宝,福特)，系统供应商(电装,日立，NEC,Delphi),交通管理中心(TT)以及科研机构(FOKUS).2、欧洲车路协同项目的系统框架和关键技术车路协同技术是无线通信技术在车，路，交通中心的应用，以允许车辆和路侧的信息融合和交换(如图1所示)。车路协同技术可根据其系统集成环境分为4大种类:"车载站(VehicleITSstation):提供车车与车路无线通信技术支持和车载应用支持。"路侧站(RoadsideITSstation):提供路车无线通信技术和与中心站的数据交换，并可针对具体应用需求进行数据处理和数据提供。"中心站(CentralITSstation):中心站可通过有线或无线网络与其他站进行数据交换，可集成入交通管理中心或者telematics服务中心."用户站(PersonalITSstation):可集成于个人用户系统(e.g.智能手机或导航仪).图1：车路协同系统([3])无线频段5,795-5,825(ITSG5A和ITSG5B)已经被欧盟分配在交通安全和交通管理等应用上。然而，车路协同也可以在非安全应用上使用其他通信技术(比如3G/4G)。欧洲电信通信标准协会ITS标准委员会(ETSITCITS)为各类协同系统站(ITS站)制定了统一的功能性框架(如图2所示)。一个ITS站可划分为以下功能层："信道技术层(accesslayer):提供物理层与介质访问控制层服务。"网络交通层(Networking&Transportlayer):提供数据路由与传输服务。"服务设施层(Facilitieslayer):为多个应用提供高层数据传输协议与信息管理服务。"应用层(Applicationlayer车路协同应用。): "跨层管理(Managementlayer):提供跨层管理以及站内数据交换服务。"安全(SecurityEntity):为各层提供通信安全和凭证应用与更新服务(CertificateUpdate).图2：ITSScommunicationreferencearchitecture([3])ETSI定义的统一架构是开放式的，该架构支持多应用，多通信堆栈，多信道技术，为多模式应用和未来系统开发提供了架构支持。目前针对车路协同技术的研发工作已经臻于成熟。近两年，欧洲致力于车路协同技术的大规模道路运行测试项目DRIVEC2X。DRIVEC2X涵盖了欧洲7国(德国，法国，荷兰，意大利，西班牙，芬兰，瑞典)的车路协同系统测试项目，测试的主要目的为："针对5.9Ghz的车路协同系统的关键技术进行标准适应性和性能测试。..."车路协同系统在现有道路运行的适应性以及多方面应用的性能评价。"创建泛欧洲车路协同项目的统一测试架构与评估平台。DRIVEC2X项目的主要测试应用包括道路安全，交通管理与环境保护，商业应用等。项目开发和测试的主要关键技术包括："ITSG5接入技术：ITSG5提供快速信道接入(shortlatencyradioaccess)与对等通信(adhoccommunication),以满足道路安全应用的短时数据交换的需求以及避免对通信基础设施的依赖性。ITSG5技术采用IEEE802.11p标准，该标准是基于WiFi(IEEE802.11)的技术改进并支持广播传输协议，由电气电子工程师学会IEEE于2010年发表。尽管ITSG5与美国DSRC使用同一频段，欧洲ITSG5的带宽较之DSRC窄。欧洲电信通信标准协会ETSI发表了欧洲应用方案以适应欧洲带宽设置.是车车与车路通信的关键技术。ITSG5涵盖了50MHz的总带宽，其中，ITSG5A(5.875-5.905Ghz)主要用于交通安全应用，ITSG5B(5.855-5.875GHz)主要应用于交通效率管理应用，该频段已被欧洲划为车路协同技术的专用频段，以降低干扰和提高通信可靠性。另外ITSG5C(5470MHz-5725MHz)则属于公共频段(ISM)，可用于支持其他的ITS应用。根据ETSI制定的标准设置，ITSG5的典型发射范围为300-500米，路侧站发射范围可达到800-1200米。可满足基本道路安全应用的需求。"地理位置路由通信协议(GeoNetworking)：地理位置路由协议利用地理位置信息作为数据包的寻址方案(addressingscheme),区别于由IP地址为主的IP路由协议。该协议适用于车辆的动态移动，以满足车路协同系统应用的以地理区域为数据传播目的区域的需求。以车车通信实现的道路安全应用为例，车辆一旦检测到交通安全隐患(例如由交通事故引发的非正常停车)，车载站发送的事故风险警报信息所要求的发送区域为停车事故车后方几百米至几公里的地理范围，以确保接收车辆能及时处理信息并通知驾驶员采取有效措施避免二次事故(secondaryaccidents)，以地理位置为寻址方案的网络层协议能有效实现此类需求。另外，地理位置协议堆栈(Protocolstack)支持单跳以及多跳(multi-hop),因此车载站或者路侧站可作为中转路由站，以扩大数据的传输范围。"信息传输协议:信息传输协议是服务设置层的通信协议，提供ITS应用所需的站间数据交换的支持。DRIVEC2X系统实现了一系列标准化信息传输协议构件，包括车车直接交换数据协议和车路交换数据协议：合作意识信息交换协议(CooperativeAwarenessMessageCAM)：该协议是车车通信的心跳协议。车载站定期发射车辆地理位置，车速，车载系统状态(加速度，刹车系数，车载灯开启状态等等)。该数据由车载站以1至10赫兹的发射频率广播传输至所有在直接信号接收范围内的车载接收站。该协议允许车辆实时意识到邻近车辆的动态与驾驶动向，以提前预测碰撞风险并提醒驾驶员采取有效措施。该协议标准由ETSITCITS制定并预定于2013年发表。突发事件警报协议(DecentralizedEventNotificationMessageDENM):由ITS站基于交通安全事故或驾驶危险环境或引发的警报协议。一旦通过车载电子设备检测到安全隐患事件，车载站相关应用就立即发射DENM信息。根据事件发生地点与事件类型，DENM的发射范围可从几百米至几公里不等。DENM数据包提供安全隐患类型，地理位置，持续时间，受影响路段等信息。接收车辆可对比车辆自身位置与行车路线判断事件对自车的关联性并预测可能的碰撞风险和提前通知驾驶员采取有效措施。DENM的发射频率为1至10赫兹不等，发射持续时间根据事件类型决定。如果检测事件是动态事件，DENM的内容可实时更新。该协议标准由ETSITCITS制定并预定于2013年发表。交通灯信号相信息(SignalPhaseandTimingmessageSPAT):该协议由路侧站通过车路无线网发射实时交通灯信号信息，包括信号当前相位(红，绿，黄)与持续时间，以及预测交通灯相交换信息与预测相位交换时间。接收车辆可对比车辆位置与行车路线选择关联信号信息。该信息可用于提醒驾驶员可能违规进入交叉路口，以及预测通过路口的最佳行驶车速。SPAT由路侧站广播，发射频率和数据更新频率可根据具体交通灯控制系统或交通灯信号动态调整系统进行设置。该协议标准由欧洲标准协会ITS委员会CENTC278制定并预定于2013年发表。道路路线与路型信息(RoadtopologymessageTOPO):该协议由路侧站广播发射。它提供附近路段的详细路型和几何结构信息(Geometrictopology)，特别是危险路段的信息。该协议标准由欧洲标准协会ITS委员会CENTC278制定并预定于2013年发表。车载路标信息(Invehiclesignage):该协议由路侧站广播发射路侧信号牌，车速，可变信息板的交通信息至车载导航系统。该协议标准由欧洲标准协会ITS委员会CENTC278制定并预定于2013年发表。"系统集成测试:DRIVEC2X项目实现了车载站与路侧站的参考系统(referencesystem)，并由各大汽车厂商实现车内系统集成并测试。车载站集成的主要范围包括车内网络总线接入和车辆数据的接收，人机界面系统的集成以及V2X车载系统的安装等等。图3所示为DRIVEC2X车载系统的高层集成环境。路侧站的集成则包括路侧传感器界面和路侧系统界面的开发，包括信号灯，路侧天气传感器等等。图3：DRIVEC2X车载站的集成环境HMI:HumanMachineInterface,IVS(ITSvehiclestation),IRS(ITSroadsidestation),ICS(ITScentralstation),"通信安全和公匙基础设施(PKI):通信安全技术和公匙基础设施是保护用户隐私数据和防止通信攻击的必要手段。DRIVEC2X开发和集成了基于数字签名与凭证验证(signatureandverification技术的安全方案。)系统凭证由公匙基础设施发放。以上技术的规格制定，开发与系统集成环境由项目成员共同制定，并跟进技术标准制定进程。DRIVEC2X由欧盟提供资金援助，各大相关企业参与。项目主要成员包括欧洲各大汽车生产商，车载系统和路侧系统供应商，软硬件技术供应商，公路管理与开发企业，研究机构。日立领导了DRIVEC2X规格制定工作小组，并开发和提供了参考系统的原形。目前系统开发已基本完成，技术与稳定性测试正在进行。大规模道路实地测试和应用评分测试计划从2013年初展开。另外，日立还积极参与并领导了法国国家路测项目SCOREF的规格制定工作小组与系统集成工作小组。SCOREF是DRIVEC2X涵盖的法国国家路测项目，由雷诺，标致等车厂领头在凡尔赛附近路网进行车路协同系统技术与应用的测试与评估。图4：日立开发的路侧协同系统原型3、车路协同的技术标准欧洲车路协同标准制定的主要标准组织为ETSI与CEN.另外欧洲车车通信联盟C2C-CC与道路管理产业联盟则是技术标准制定工作的重要推动单位。ETSITCITS于2008年底建立，共有五个子工作组:第1工作组用户和应用需求,第2工作组框架和跨层,第3工作组传输和网络,第4工作组接入技术,第5工作组安全。工作组负责有关技术标准的制定，主要决议和未来标准制定方向则由TC制定。技术规范由ETSI成员投票通过，ETSI制定的欧洲规范(EuropeanNorm)则必须由欧洲成员国的国家标准协会投票通过。CENTC278建立了16工作组负责车路协同技术的标准制定。作为国际标准组织ISO的欧洲成员，CEN的工作项目和标准制定通常与ISO标准同步进行。C2C-CC是由车厂发起的非营利组织，成员包括汽车厂商，供应商与研究机构。C2C-CC致力于车车通信和车路通信的产品研发与市场化部署，是车路协同技术标准制定的主要贡献单位。若干关键技术如CAM,DENM,GeoNetworking,ITSG5 均由C2C-CC推动。另外，C2C-CC集中和协调车路协同技术关键产业对市场化的部署和关键技术的采用决定。与之前车载安全系统由各个厂商自主决定市场进程不同，车车协同与车路协同的各项应用需要一定的市场渗透率,因此主要车厂与道路开发管理单位的紧密合作尤为重要。欧盟于2009年对ETSI和CEN发布了车路协同技术标准的制定指令(Mandate453)[4]，要求ETSITCITS与CENTC278合作制定一系列技术标准，以允许和促进车路协同的开发与市场化部署进程。ETSI与CEN成立了联合工作组，制定了一套最低标准组列表，并针对每个标准协商同意共同合作框架下的高层工作分担。总体而言，ETSI主要负责通信技术标准的制定，CEN主要负责应用标准的制定。车车通信技术标准制定的主要参与单位为车厂与供应商。车路通信技术标准的主要参与单位为道路开发管理单位与公共机构。联合工作组于2012年初发表了453指令的回复报告[5]总结,了技术标准制定的工作进度和成果。总体而言，453指令范围内的标准可分为："通信类标准：包括接入层，网络层，服务设施层和安全层的技术标准，以保证数据交换的互通性(communicationinteroperability通信).类标准是车路协同技术实现的技术依据。"应用类标准：主要包括道路安全应用和交通管理应用。应用类标准为通信类标准制定应用需求(applicationrequirements)并基于通信类标准制定应用层特性。为实现车路协同应用，应用类标准规定每个单独ITS站所需遵守的统一行为和质量规范。"框架类标准：包括通信框架标准，车路协同技术部署角色与分工标准，跨层管理标准。框架类标准为通信类标准提供框架支持，因此不能单独实现。"测试类标准：测试类标准为所有技术类标准制定标准测试规范，主要包括一致性测试(conformancetesting和通信互通性测试) (Interoperabilitytesting一).致性测试标准用于验证产品是否符合规范，通信共通性测试则用于验证产品是否能成功实现通信数据交换。基于以上标准的陆续出台，C2C-CC目前发起了协同系统头期产品的配置标准(profilestandards。配置标准制定头期产品支持的应用，产品包括的标准，)系统的标准设定与最低质量要求等等，是C2C-CC成员共同制定的协议和车路协同系统头期产品的标准依据。在国际合作方面，ETSI和CEN都和国际标准组织进行了多个高层标准的融合。C2C-CC与美国汽车工程协会(SAE)进行了主要信息传输协议标准的高层融合。ETSI,CEN也与ISO,IEEE等标准组织进行合作与交流。4、欧洲车路协同落地方案为了提高系统的市场渗透率和开发可行的商业模式，车路协同技术的落地需要各相关产业的合作与共同推动。欧洲目前预定推动方案的主要方向是车载系统，路侧系统与交通管理的平行开发和共同推动。推动的应用既包括道路安全应用，也包括交通信息等可产生商业效应的应用。欧洲车路协同推动的前提条件可大致概括为："政策战略支持：欧盟发表的ITS发展计划将车路协同系统列为优先技术。根据该计划，欧盟划定了在5.9Ghz的ITS专用频道，并对ETSI和CEN发布了标准指令。欧盟和成员国也同时为研发和测试项目提供资金支持并积极的协调相关产业的合作与交流。另外欧盟制定的ITS指导书(ITSdirective)[6]也将车路协同系统列入可开发技术。该指导书是欧洲各成员国制定国家级和地区级ITS开发和制定相关规定的基本依据。"产业合作框架与开发意向：日前C2C-CC的车厂发表了车路协同系统开发的谅解备忘录，确认了车厂从2015年起开发车载系统的统一意向。与此同时，C2C-CC也与欧洲高速公路管理部门的联盟(德国，法国，荷兰等)建立了专门小组，讨论签订路侧系统开发的统一意向书。"共同应用的选定：C2C-CC谅解备忘录与路侧系统开发的统一意向书选定了首批投入的车路协同共同应用(day1usecases).这一系列应用包括汽车紧制动风险，救护车接近信息，抛锚车辆信息等以车车通信为主的道路安全类应用，和红绿灯车速控制，限速信息，临时改道信息与路侧道路施工信息为主的交通管理类应用。为制定统一标准和应用需求奠定了基础。"标准制定：为通信类系统开发的首要条件。"系统开发与测试：ETSI定期组织标准插件测试