深度探析V2X與ITS的發(fā)展史

V2X可以簡(jiǎn)單分為兩大類，一類是以智能交通（ITS）為核心的，發(fā)起者自然是政府機(jī)構(gòu)。另一類是以智能駕駛為核心的，發(fā)起者主要是汽車廠家和電信運(yùn)營(yíng)商。另一種分法就是按通訊方式，一類是DSRC，一類是C-V2X。DSRC主要是針對(duì)智能交通應(yīng)用的，歐美日都選擇以DSRC的智能交通技術(shù)路線，某種意義上講DSRC與C-V2X并非水火不容，C-V2X更側(cè)重智能駕駛。

早在1994年，美國(guó)高速公路管理局推出先進(jìn)高速系統(tǒng)AHS研究課題，1997年成立智能汽車計(jì)劃小組研究智能交通，2005年完成研究任務(wù)，提出了完整的ITS體系。同時(shí)在1999年，F(xiàn)CC就為ITS劃分了一個(gè)5850MHz-5925MHz頻帶，決定用當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的基于802.11a的技術(shù)。并分成七個(gè)獨(dú)立的頻道，分別為頻道172、174、176、178、180、182、184；各頻道均為10MHz。頻道178為控制頻道(Control Channel，CCH)，負(fù)責(zé)WAVE服務(wù)廣播訊框(WAVE Service Advertisement，WSA)封包；其他頻道則為服務(wù)頻道(Service Channel，SCH)，只能傳遞WAVE短信息(WAVE Short Message，WSM)封包。

同時(shí)在2003年，全球八大車廠豐田、日產(chǎn)、福特、通用、戴姆勒、克萊斯勒、大眾、寶馬成立VSCC車輛安全通訊聯(lián)盟開展DSRC車端的研究，2005年通用演示了第一個(gè)V2V系統(tǒng)。之后經(jīng)過8年的完善，2013年DSRC形成了完備的體系。

2014年2月，歐洲標(biāo)準(zhǔn)組織ETSI與CEN宣布完成第一階段基于DSRC的ITS標(biāo)準(zhǔn)，底層為IEEE 802.11P，上層為IEEE1609，同時(shí)還有SAE J2375和J2945兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)定義通訊格式。

2014年8月，美國(guó)交通部試圖強(qiáng)制立法推廣DSRC為核心的ITS，但直到今天也沒用完成強(qiáng)制立法。

DSRC的IEEE 1609標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)

DSRC架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)

歐洲方面，ITS系統(tǒng)源自1973年英國(guó)運(yùn)輸與道路研究所（TRRL）的SCOOT(Split, Cycle and Offset Optimization Technique)，更早SCOOT模型基礎(chǔ)原自TRANSYT (TrafficNetwork Study Tool)，采用了同樣的周期流分布圖（CFP）的建模方式和相近的目標(biāo)函數(shù)。不過有了顯著的改進(jìn)，TRANSYT的CFP是以歷史的平均交通流計(jì)算的；而SCOOT是聯(lián)機(jī)模型，CFP是實(shí)時(shí)測(cè)量的。

SCOOT的核心就是如何控制交通信號(hào)燈，中國(guó)的北京、青島、成都、重慶、大連就采用西門子的SCOOT系統(tǒng)。 當(dāng)時(shí)的技術(shù)無法利用傳感器高效計(jì)算實(shí)時(shí)交通流量，因此意義不大。但這是ITS的基礎(chǔ)方法論，SCOOT后來被德國(guó)西門子全盤繼承，并衍生出SPAT（Signal Phase and Timing）。 SCOOT是跨整個(gè)路網(wǎng)進(jìn)行交通號(hào)志變換時(shí)機(jī)的最佳化，僅倚賴工程師預(yù)先以固定且有限數(shù)量的可行程序進(jìn)行配置，無法彈性對(duì)應(yīng)即時(shí)路況與個(gè)別交叉路口的流量變化。

西門子在2018年推出Follow AI也就是下一代SCOOT，它首先會(huì)建立復(fù)雜的一般性規(guī)則，接著可針對(duì)每個(gè)特定的交叉路口進(jìn)行個(gè)性化的適地性處理，F(xiàn)low AI根據(jù)內(nèi)建的回環(huán)(loop)偵測(cè)即時(shí)的交通流，并運(yùn)用云端AI即時(shí)產(chǎn)生近乎無限數(shù)量的交通號(hào)志變換時(shí)機(jī)選項(xiàng)。

歐洲ITS標(biāo)準(zhǔn)主要分5個(gè)工作組 (WG).

WG1 (Application Requirements and Services)：ITS中基礎(chǔ)應(yīng)用需求與服務(wù)，并制定Applications與Facilities兩層之通訊協(xié)議。

WG2 (Architecture and Cross Layer)：發(fā)展適合所有ITS之通訊架構(gòu)與跨層管理協(xié)議，并扮演歐洲ITS通訊架構(gòu)之協(xié)調(diào)者角色。

WG3 (Transport and Network)： 規(guī)范Networking和Transport兩層之協(xié)議，并利用車載網(wǎng)絡(luò)特有之地理位置信息特性，發(fā)展制定GeoNetworking及IPv6相關(guān)協(xié)議。

WG4 (Media and Medium Related)： 規(guī)范MAC和PHY兩層相關(guān)之標(biāo)準(zhǔn)，其將歐洲ITS使用之頻譜劃分為ITS-G5A、ITS-G5B與ITS-G5C三個(gè)部分，并兼顧其中之兼容性。

WG5 (Security)：制定ITS相關(guān)之安全性議題，此草案為車載安全通訊標(biāo)準(zhǔn)制定之基準(zhǔn)，規(guī)范車載環(huán)境中威脅、弱點(diǎn)與風(fēng)險(xiǎn)分析，該草案已于2017年3月正式出版。

目前ETSI正著手制定第二版標(biāo)準(zhǔn)，主要涵蓋更多使用案例(Use Cases)，包括自動(dòng)跟車(Platooning)、協(xié)同式可適應(yīng)性巡航控制(Cooperative Adaptive Cruise Control, C-ACC)，以及弱勢(shì)道路使用者(Vulnerable Road Users, VRU)等。

歐洲ITS標(biāo)準(zhǔn)框架

歐洲ITS的OSI模型

信道技術(shù)層（ Access layer）：本層提供物理層與介質(zhì)訪問控制層服務(wù)，對(duì)應(yīng) OSI通信協(xié)議模型的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。

網(wǎng)絡(luò)傳輸層（ Networking &Transport layer）：本層提供數(shù)據(jù)路由與傳輸服務(wù)，對(duì)應(yīng) OSI 通信協(xié)議模型的網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層。

服務(wù)設(shè)施層（ Facilities layer）： 本層為多個(gè)應(yīng)用提供高層數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議與信息管理服務(wù)，對(duì)應(yīng) OSI 通信協(xié)議模型的會(huì)話層、表示層和應(yīng)用層。

除此之外， ITS-S 還分為以下功能層：

應(yīng)用層（ Application layer）： 應(yīng)用層模塊表示 ITS-S 應(yīng)用程序利用 ITS-S 的服務(wù)來連接一個(gè)或多個(gè)其他 ITS-S 應(yīng)用程序。兩個(gè)或多個(gè)互補(bǔ)的 ITS-S 應(yīng)用程序組成了一個(gè)向 ITS 用戶提供服務(wù)的應(yīng)用。

管理層（ Management layer）：負(fù)責(zé)管理 ITS-S 的通信以及站內(nèi)數(shù)據(jù)交換服務(wù)。

安全（ Security Entity）：為 OSI 通信協(xié)議棧各層提供安全服務(wù)。

CAM與DENM是智能交通系統(tǒng)中最重要的兩種信息協(xié)議棧標(biāo)準(zhǔn)。

Decentralized Environmental Notification Message，分散環(huán)境通知信息，主要用于道路危險(xiǎn)預(yù)警應(yīng)用，是事件觸發(fā)型信息，一旦通過車載設(shè)備檢測(cè)到了安全隱患事件(例如前方車輛緊急剎車、道路施工警告等)，車載ITS的相關(guān)應(yīng)用就立即發(fā)射DENM信息。接收車輛可對(duì)比車輛自身位置與行車路線，判斷事件對(duì)自車的關(guān)聯(lián)性并預(yù)測(cè)可能的碰撞風(fēng)險(xiǎn)，以及提前通知駕駛員采取有效的措施。根據(jù)事件地點(diǎn)和類型，可能要求接收到DENM信息的車輛向外轉(zhuǎn)發(fā)。

CAM(Cooperative Awareness Message)，合作感知信息，這是時(shí)間觸發(fā)信息，提供車輛的速度、位置、方向燈以及交通信號(hào)系統(tǒng)如交通信號(hào)燈的狀態(tài)，天氣提醒等信息。

ETSI 在 2013 年發(fā)布了道路危險(xiǎn)警告（ RHW） 應(yīng)用 ， ITS-S 通過 RHW 應(yīng)用檢測(cè)到道路危險(xiǎn)情況并觸發(fā)生成相應(yīng)的 DENM 消息，之后 ITS-S 會(huì)將這一 DENM 消息發(fā)送出去，通知一定區(qū)域范圍內(nèi)的其他車輛。

1、 原始 ITS-S 檢測(cè)到事件后要生成描述該事件用例的 DENM 并將其發(fā)送給該用例對(duì)應(yīng)的目的區(qū)域內(nèi)的其他 ITS-S。

2、 DENM 傳輸?shù)拈_始和終止由應(yīng)用層的 ITS-S 應(yīng)用程序控制。

3、 只要事件存在， DENM 就會(huì)持續(xù)發(fā)送。

4、處在目的區(qū)域內(nèi)的 ITS-S 需要將接收到的 DENM 轉(zhuǎn)發(fā)給其它 ITS-S。

5、 DENM 傳輸過程的終止， ITS-S 判斷 DENM 的有效期字段， 在到達(dá) DENM 有效期時(shí) ITS-S 停止發(fā)送該消息， 或者在未到達(dá)有效期時(shí)但已經(jīng)檢測(cè)到危險(xiǎn)事件已經(jīng)解除則可以由 ITS-S 應(yīng)用程序請(qǐng)求生成一個(gè)通知事件已經(jīng)終止的 DENM。

6、 若收到 DENM 的 ITS-S 根據(jù)消息內(nèi)容判斷事件與自身有關(guān)，則做出適當(dāng)?shù)木娼o使用者。

這個(gè)CAM應(yīng)用類似于長(zhǎng)沙智能駕駛研究院發(fā)布的“V2X+交叉路口”解決方案，能夠車載傳感器所不能覆蓋的范圍，也就是NLOS。

不同的是歐洲早在2011年就已經(jīng)做了完整的技術(shù)規(guī)范。路側(cè)傳感器可以是攝像頭、毫米波雷達(dá)或激光雷達(dá)。激光雷達(dá)最合適，因?yàn)槟芤姸炔畹那闆r下反而是最易發(fā)生交通事故的時(shí)候。1550納米波長(zhǎng)的激光雷達(dá)幾乎可以像毫米波雷達(dá)那樣全天候工作，同時(shí)激光雷達(dá)的分辨率較高。

歐洲ITS整體框架

這其中承載整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵是LDM，即Local Dynamic Map。

典型LDM的4層結(jié)構(gòu)，最上層基本就是V2X信息。歐洲ETSI在2014年對(duì)LDM做了詳細(xì)標(biāo)準(zhǔn)，也就是ETSI EN302895 V1.1.1，車輛通訊基礎(chǔ)應(yīng)用設(shè)置之LDM。