车路协同与智慧公路应用实践
本文为清华大学张毅教授在第十七届中国智能交通年会专业论坛之一的智能网联创新发展及产业论坛所做演讲的速记整理而来，未经本人审核，如有错漏，敬请谅解。
前面的领导和专家从不同的方面诠释了智慧交通,也有企业专门介绍了在高速公路应用方面的实践经验。作为车路协同概念的发起人，我今天从研究者的角度，对车路协同在智慧公路的应用中所观察到的问题向大家做一个汇报。报告分三个部分，首先是分析车路协同应用面临的挑战；其次是对车路协同系统中的关键技术做一个完整的阐述；最后结合自身研究情况，介绍我们参与的车路协同在智慧公路上的应用研究。
一、车路协同应用挑战
1、车路协同技术产生与发展
众所周知，我国在2011年设立了第一个国家级智能车路协同研究项目，相关研究成果随后得到了应用。经过多年的发展，车路协同已经成为现代道路智能交通系统发展的选择之一。现阶段，车路协同不仅是一种技术，也不仅是一种产品，而是在国家层面上已经成为国家战略之一。
2018年以来，社会各界都注意到了车路协同技术的优势和潜力。2019年9月，发展车路协同被纳入《交通强国建设纲要》；2021年2月，国务院发布的《国家综合立体交通网规划纲要》中再次强调了车路协同技术在发展我国现代交通体系中的重要作用。
2、车路协同技术的应用挑战
车路协同技术近些年发展情况并不是很乐观,不同的方面都出现一些问题，我们也在思考，如何让车路协同更好的落地应用。我归纳出来几个方面的认识和思考与大家分享。
一是发生在朋友圈的对话，也是一个典型的例子。有朋友表示，“所谓云控平台、车路协同，号称都是试点，可是尚未见到实质性的测试突破。据我目前看到的，车路协同很多都是表面的,车上放个屏,能看到路口的全景，信号配时接进来,这就叫车路协同吗？花了这么多的代价，效果呢?”
对于社会上这样的疑虑和困惑，交通专家的回应是:“需要重新认识，值得思考”，但并未从正面进行全面地解答车路协同的技术实质和服务体现。
二是对于运行方而言，车路协同的示范应用建立起来了以后，运营和安全的效益体现在什么地方？如何看待投入和产出之间存在的巨大差异？
三是对于使用方而言,车路协同技术的应用，比如智能汽车安装车载设备，在车路协同技术没有规模化应用前，使用方的体验感不强，不能真切地体验到车路协同技术带来的好处。
四是管理方也对车路协同方面的建设和应用有一些疑虑，比如车路协同的规模化建设需要相当长的时间，在短期内没有达到规模的情况下,如何能够找到一个解决矛盾的方法？也就是说规模化建设周期太长,导致短期内见不到效益,如何解决这个矛盾？
针对上述问题，我们做了些研究，全面地思考了车路协同技术的推进、示范和体验过程。实际上，车路协同是通过将现存的道路交通系统中的人、车、路有机地结合起来，形成一个可以协调完成交通安全和效率提升的交通系统。因此，车路协同的本质是服务于交通系统的协同安全和协同控制问题。于是，车路协同的实质绝对不是建设这么一个系统，而更重要的是系统建起来以后，能够实现协同安全和协同控制。因此，车路协同的建设和应用者需要看到车路协同能够协同完成交通系统所必须提供的功能和服务。
二、车路协同关键技术
基于对车路协同技术实质的思考，为了帮助大家能够全面的认识车路协同本质状态，我专门将车路协同系统涉及所有的关键技术做了一个完整的梳理。车路协同的关键技术可分为三类，分别是平台关键技术、车路协同系统的构建关键技术和车路协同的应用关键技术。梳理出的九项关键技术对于车路协同的建设和应用是非常有帮助的。
一是平台关键技术。我们要认识到，车路协同绝不是交通系统的简单升级，而是应作为现代智能交通系统的重要组成部分，并且要融入到智能交通系统的体系框架中去，这样才能更好的发挥车路协同的作用。
二是如何去构建车路协同系统。这里涉及到四项关键技术，一是多模式无线通信技术；二是智能网联技术与应用；三是信息可信交互技术；四是车路协同系统集成技术。目前大家所看到的、关注的层次主要集中在车路协同系统的建设方面，也就是说主要看到的是车路协同在建的表象。然而，车路协同系统的建设实质上是一个基础，还没有达到要解决很多的关键交通问题的层次。因此，需要突破车路协同的应用关键技术。
三是关于应用关键技术。包括交通大数据融合技术、交通环境协同感知技术、交通群体协同决策和智能控制技、以及群体智能协同行为仿真分析与评估技术。如果车路协同应用关键技术没有引入到交通工程当中来，将导致车路协同仅能实现基本信息交互功能。然而，车路协同本该有更多的功能和服务，尤其是协同层面上的交通安全和效率问题的解决。为此，2021年10月，我在《交通运输系统工程与信息》上专门发表了一篇论文，系统全面地阐释了车路协同所涉及到的关键技术，其中最主要的是协同决策和智能控制技术，这是车路协同技术应用过程中绕不过去的技术，更是提升车路协同最终质量和应用效果的关键性技术。
在承担科技部的十三五国家重点研发计划项目里，我们18家单位围绕交通群体协同决策和智能控制技术进行了相关的研究工作，取得了一个比较好的研究成果。在研究过程中，我们讨论了需要用什么样的协同机制来解决现在面临的问题。
简单来讲,可以把所有的道路交通情况(包括城市道路和高速公路)分为三类场景，即匝道、路口和路段。针对各个场景下的协同决策和控制问题，又可以分层级地进行解决，我们发现重点需要解决三个问题：第一个是局部的交通系统优化的问题；第二个是路权分配问题；第三个是轨迹规划问题。这三个问题当中最主要的问题，也是最难的问题是路权分配，如何合理地实现路权分配是协同决策与智能控制的关键。
于是，经过研究，尤其是在十三五国家重点研发计划项目研究过程中，我们提出了一个系列化的模型来解决路权分配问题,可适用于城市道路和高速公路中的典型场景。
三、智慧公路应用实践
1、交通群体智能决策与协同控制应用实现
本部分基于车路协同在智慧公路上的应用研究成果,将介绍智慧公路上典型的交通场景中如何利用车路协同技术，以及在车路协同的基础上如何实现交通群体联动与控制。
以典型的高速公路匝道汇流场景为例,主路上的车辆和匝道上的车辆会产生交汇，形成一个车辆之间存在冲突的汇流区域。这类场景对高速公路上车辆的行驶安全和效率产生了较大的影响，是交通系统中影响交通安全和效率的瓶颈区域。因此，针对匝道汇流问题，我们采用了集中式的决策模式来更好地实现该区域内的车辆协同决策与控制。基于路侧设备的感知和通信能力，同时车辆上也安装有智能网联的设备，因此可以实现信息共享，进而可以实施多车之间的协同。
针对匝道汇流场景，我们在研究过程中提出了多种协同决策与控制方法。基于分组的方法是其中一种，其主要思想是，考虑到主路和匝道上的来车会形成自然的分布，可根据来车分布情况和车辆的行驶情况对车流做一定的分解。
在这种情况下,车辆通过汇流区域时，并不是主路一辆、匝道一辆这样交替通过，而是根据来车的情况进行一定的分组，从而保证交通安全的前提上提高交通效率。这就是用不同的策略改进了原有的、默认的一种交替性的汇流方式，以有效的提高通行效率。在分组的基础上，需要进一步研究各组的通行顺序。简单来说，需要确定是主路先走，还是支路先走，是主路上车多先走，还是支路车多先走。
于是，我们提出了一套完整的通行规则，在这种规则指导下，可在保证安全的前提下进一步提高通行效率。进一步地，在前面提到的方法的基础上遇到的问题是，既然有不同的组合方式，那为了找到最优的通行结果，就需要对所有的通行情况都要梳理一遍。面向路权分配优化过程中的计算时间指数级增长的难点，可依据交通业务知识重新描述问题的解空间结构，进而在保证计算实时性的前提下获取最优的路权分配方案。
以上是我们在研究过程当中提出来的一系列解决匝道汇流路权分配问题的策略。
2、突破车路协同发展的误区和瓶颈
从研究车路协同在高速公路上的应用问题中可以发现，当车路协同的规模化应用达到一定程度,或者在现阶段局部典型场景应用中通过交通群体协同决策与控制是可以能够提高通行效率的,也能够看到车路协同应用带来的积极效果。
针对车路协同不同程度的规模化应用带来的不同影响，我在《交通运输系统工程与信息》期刊上发表的文章中将车路协同的应用划分为初始期、建设期和规模化期三个阶段，并对不同阶段的建设重点、信息共享程度、实现的协同功能和典型应用功能做了一个详细的描述。大家有兴趣看了这个文章以后就可以知道现在的问题处于什么样的发展阶段，在后续发展当中应该有什么样的提升,以及将来建成之后发挥什么样的作用。
3、车路协同典型场景示范
从我国第一个车路协同863项目到十三五国家重点研发计划项目，我们梳理了一系列的车路协同典型应用场景。在863计划项目中，我们提出了15个典型的应用场景，展现了车路协同初级的应用。在十三五国家重点研发计划项目中,又提出了20个典型的应用场景，有利于加深智能车路协同应用内涵理解、把握智能车路协同理论技术实质、提升智能车路协同系统服务体验和推进智能车路协同技术规模应用。
在未来的车路协同在智慧公路的应用过程中,希望大家共同努力，为在智慧公路层面上的自动驾驶问题，以及快速路的一体化协同控制方面找到车路协同更多的、更广泛的应用案例。目前我们仅处于车路协同建设初期，还没有进入一个大规模的建设期，所以我们要走的路很长，希望大家共同努力，继续推进车路协同技术的发展和应用。
注：本文摘自中国智能交通协会会刊《ITS世界》电子刊。
