一、從紅綠燈起步的交通工具

從汽車誕生的那一天起，對于城市交通，安全和便捷始終是最重要的課題。面對城市道路中日益增長的車輛，以及與日劇增的事故風險和通行壓力，城市管理者和交通領域的科研人員，利用交通信號設施來實現(xiàn)交通控制，并不斷地推陳出新。

19世紀60年代，英國倫敦議會大廈前的十字路口嗎，安裝了世界上第一盞交通信號燈(壁板式燃氣交通信號燈)。它由一位警察牽動皮帶進行燈色切換：紅燈停，綠燈行。雖然緩解了路口的交通壓力，但這第一盞交通信號燈在工作了23天后就爆炸自滅了。

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1914 年，美國俄亥俄州克利夫蘭市(Cleveland, Ohio)開始部署電氣交通信號燈用于地面交通控制和協(xié)調，這被認為是最早的交通信號控制系統(tǒng)。

1918年，紐約市五號街的一座高塔上出現(xiàn)了三色(紅、黃、綠三種標志)的交通信號燈，這種經(jīng)典的“配色”一直延續(xù)到現(xiàn)在。

1926年，英國的沃爾佛漢普頓首次使用自動化控制器來控制信號燈：按照一個固定的周期切換信號燈的顏色。

20世紀60年代，美國丹佛市通過模擬計算機對交通信號實現(xiàn)集中化的實時性控制，可以同時對道路網(wǎng)中各交叉路口的交通信號進行協(xié)調控制。而后，加拿大的多倫多在全市范圍內建成了第一個全市交通信號集中控制與協(xié)調系統(tǒng)。

至今，交通信號燈的樣子幾乎沒有什么改變，但交通控制的理論方法和運行系統(tǒng)卻一直在進步。

從人工操作或固定周期式的單點控制;到以協(xié)同相鄰道口的周期、保證道路沿線的綠燈具有連續(xù)性的干線控制;再到持續(xù)優(yōu)化整個區(qū)域交通資源(主要是信號燈的配時)的面控制，如今的交通控制技術，雖然演進出很強的自動化、智能化的特性，但同時也已經(jīng)達到了性能瓶頸。

采用單一的“紅綠信號燈”模式進行交通控制，已經(jīng)無法更有效地管理交通資源(實時性不足)：紅綠燈只在路口起效，其效用無法覆蓋整條道路;駕駛員可能因為天氣原因，以及在交通擁堵情況下看不清交通信號燈;司機容易陷入“黃燈時兩難境地”(Yellow interval dilemma)，即在黃燈閃爍時難以抉擇是“進”還是“停”;雖然在交通網(wǎng)絡中引進了誘導系統(tǒng)(提示路況信息)，司機也可以使用實時反饋路況的導航系統(tǒng)，但對道路利用的整體效果并不明顯……

城市道路要容納更多的車輛、滿足更多的出行需求，就需要突破原有的技術領域，朝著更深度的信息化和智能化方向發(fā)展。

二、智能交通(ITS)

“智能交通”的想法早在20世紀初就已經(jīng)出現(xiàn)，它的誕生與城市化發(fā)展戚戚相關：城市管理者希望它能夠解決城市道路日益擁堵的狀態(tài)，以及所造成的經(jīng)濟損失。在20世界90年代，智能交通系統(tǒng)(ITS,Intelligent Transportation System)的概念逐漸成型。

目前，ITS已經(jīng)在許多發(fā)達國家獲得了廣泛應用，其研究推進工作呈現(xiàn)“三足鼎立(領先)”的局面：美國、歐洲、日本(美國智能運輸協(xié)會-ITS America、歐洲道路運輸通信技術實用化促進組織-ERTICO、日本道路交通車輛智能化推進協(xié)會-VERTIS)。

人們建設ITS的初衷是希望通過在交通控制系統(tǒng)中融入更多的信息技術，以解決交通的資源利用率和安全性的問題。不過如今，它還被寄予了其它功能：增加旅途的舒適性、輔助或自動駕駛、運輸效能提升(包括提高能源利用率、提供最短路徑)、增值服務等等。

智能交通是一門交叉學科，它涉及各種交通要素：道路、車輛、駕駛者和乘客、收費站和車站、信息技術、行人、法規(guī)等;包含各類交通管理系統(tǒng)和服務：交通信息服務、車輛管理、電子收費、緊急救援、誘導信息服務等。(注釋：《解讀物聯(lián)網(wǎng)》-機械工業(yè)出版社)

智能交通的應用主要包括車輛行駛安全、電子收費、公路及車輛管理、導航定位、商業(yè)車隊管理等等領域。

智能交通的構建，是信息技術領域和交通運輸領域的深度融合。通信網(wǎng)絡、計算機技術、傳感技術、軟件工業(yè)是實現(xiàn)ITS的關鍵。

世界道路協(xié)會的《智能交通系統(tǒng)手冊》對ITS定義：在交通運輸領域集成應用“自動數(shù)據(jù)感知與采集”、“網(wǎng)絡通信”、“信息處理”與“智能控制”，使得交通運輸業(yè)變得更加安全、高效、環(huán)保和舒適的各種信信息系統(tǒng)的統(tǒng)稱。

從ITS定義中能夠看到：智能交通系統(tǒng)發(fā)展的本質，就是“信息技術”與“交通技術”的組合進化。

三、ITS的發(fā)展歷程

1. 70年代起步：

• 1970年，美國提出了電子道路導航系統(tǒng)(Electronic Route-Guidance System，ERGS)，通過路邊設備提供車輛導航服務。
• 1973年，日本的汽車交通控制綜合系統(tǒng)(Comprehensive Automobile Traffic Control system，CACS)項目上線，這是日本第一個ITS項目。通過路邊設備引導車輛行駛，減少擁堵，避免安全事故，以及提供應急服務。

2. 80年代三強局勢：

在1986年歐盟啟動了“最高效及安全歐洲交通項目(Program for European Traffic with Highest Efficiency and Unprecedented Safety，PROMETHEUS)”。

意在研究車-車通信(PRO-NET)、車-路通信(PRO-ROAD)、輔助駕駛(PRO-CAR)等先進的交通信息技術。此外，歐盟同期開始研究的還有“保障車輛安全的歐洲道路基礎設施計劃(DRIVE)”。

• 2000年歐盟發(fā)布的KAREN項目包含了ITS體系框架。2009年，開始委托多家機構制定統(tǒng)一的ITS標準。2011年，歐盟啟動了Drive C2X車聯(lián)網(wǎng)項目，意在打造一個安全、高效、環(huán)保的行車環(huán)境，該項目于2014年宣布試驗成功。
• 1992年，美國制訂了智能車輛道路系統(tǒng)(IVHS)的研究計劃，并在1995年由運輸部正式公布了“國家ITS項目規(guī)劃”。2009年，美國交通部發(fā)布了《智能交通系統(tǒng)戰(zhàn)略研究計劃：2010-2014》，明確了車聯(lián)網(wǎng)的構想。
• 2014年美國計劃強制推廣車際通訊(美國國家高速公路安全管理局：《法規(guī)制定預告通知》、《V2V技術應用已準備就緒》)，并在2015年由美國交通運輸部啟動互聯(lián)汽車項目。
• 在前期研究成果的基礎上(車間通信系統(tǒng)-RACS、交通信息通信系統(tǒng)-TICS)，1995年日本道路交通情報中心建成了道路交通情報通信系統(tǒng)(VICS，Vehicle Information and Communication System Center)。司機可以通過裝載VICS系統(tǒng)的車載導航器，享受無償交通信息服務。
• 2000年開始，ETC電子收費系統(tǒng)(electronic toll collection)在日本大力發(fā)展。
• 2002年，VICS中心開始向手機、掌上電腦、個人電腦等終端提供交通信息。
• 2003年，高級公路輔助導航系統(tǒng)(AHS，advanced cruise-assist highway systems)的項目正式開始實施，該系統(tǒng)通過路-車的通信協(xié)同(采用DSRC，專用短程通信)，為駕駛人員提供安全行車服務。

四、車聯(lián)網(wǎng)/車載網(wǎng)的發(fā)展

車聯(lián)網(wǎng)/車載網(wǎng)是ITS的重要組成部分。

在智能交通中，相對于其它領域的研究(例如城市公共交通管理、交通誘導與服務等)，對車聯(lián)網(wǎng)/車載網(wǎng)的研究起步最晚，有些領域還處于最初級的階段。

全球范圍內，最主要的車聯(lián)網(wǎng)通信技術標準有兩種：DSRC(IEEE)和LTE-V(3GPP)，支持車輛連接到所有的相關事物，包括道路設施、其它車輛、人等。

1. DSRC

在智能交通的發(fā)展中，專用短程通信(DeDICated Short Range CommunICation，簡稱DSRC)技術是ITS的基礎之一。隨著智能交通的發(fā)展而不斷發(fā)展，相關技術在90年代開始取得了突破性進展。

• 1992年，ASTM美國材料試驗學會(American Society for Testing Materials)主要針對ETC業(yè)務的開發(fā)而最先提出DSRC技術的概念，該通信技術采用915 MHz頻段開展標準化工作。
• 1999年10月，美國聯(lián)邦通信委員會在5.9GHz頻段中為V2V和V2I兩種類型的短距離連接(DSRC，Dedicated Short-Range Communication)劃分了專用頻道。
• 2001年，ASTM的相關標準委員會選定IEEE802.11a作為DSRC底層無線通信協(xié)議。
• 在2004年，IEEE修訂了IEEE802.11p協(xié)議規(guī)范，并成立工作組啟動了車輛無線接入(WAVE，Wireless Access in the Vehicles Environment)的標準制定工作，為進一步開展車路協(xié)同的技術研究，啟動VII/IntelliDrive項目。
• 同年的美國費城，ACM(國際計算機組織，Association Computing Machinery)第一屆VANET學術會議召開，“VANET”這個縮寫單詞第一次被正式使用。
• 2010年，WAVE工作組正式發(fā)布了IEEE 802.11p車聯(lián)網(wǎng)通信標準。該標準作為車載電子無線通信規(guī)范，應用于智能交通(ITS)系統(tǒng)，成為了DSRC標準下的底層協(xié)議(MAC層/PHY層，即OSI模型中的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層)。
• 歐洲早在1994年就由CEN(歐洲標準委員會)開始了DSRC標準的起草。1995 年，歐洲 DSRC 標準草案完成，并于1997年獲得通過(ENV12253“5.8GHz-DSRC-物理層” 和ENV12795“DSRC-數(shù)據(jù)鏈路層”)。
• 2001年6家歐洲汽車廠商(寶馬、大眾、戴姆勒-克萊斯勒等)聯(lián)合供應商、研究機構成立了“車輛間通信聯(lián)盟(C2C-CC，Car 2 Car Communication Consortium)”，聯(lián)盟旨在利用無線LAN技術開發(fā)車間通信功能，并制定歐洲的車輛與基礎設備之間的通信標準。
• 為解決車間通信問題，2004年寶馬和大眾加入了FleetNet項目(2000年)的后續(xù)工程：NOW(Network on Wheels)，主要針對車間通信和保證數(shù)據(jù)安全性進行研究。
• 在2008年，歐洲電信標準協(xié)會ETSI在5.9GHz頻段為車載網(wǎng)劃分了專用頻道。
• 在歐盟的第六框架計劃中諸多智能交通項目(同時也是“eSafety項目”)都在推動車聯(lián)網(wǎng)/車載網(wǎng)相關技術的發(fā)展：COOPERS(智能交通安全協(xié)助系統(tǒng)-Austria tech公司)、CVIS(車路協(xié)同系統(tǒng)-歐洲智能交通協(xié)會)、SAFESPOT(SAFESPOT項目-菲亞特研究中心)等。
• 1994年日本聯(lián)合多家企業(yè)進行了ETC收費系統(tǒng)的野外試驗，并對DSRC頻率進行了選頻。1997 年，日本 TC204 委員會制定了日本的 DSRC 標準。2001年ETC系統(tǒng)正式開始服務。
• 1999年日本(23家企業(yè))啟動了Smart Way(智能道路系統(tǒng))，主要是在交通場景中提供各種信息交換的基礎設施，各類設施的通信方式主要都采用了DSRC。(注釋：日本的VICS、ETC、AHS目前都屬于Smart Way項目)2007年，日本初步完成了Smart Way項目部分路段的試驗計劃。
• 日本的DSRC由ISO/TC204制定，并支持最終的IEEE 802.11p版本(美國)。

2. LTE-V

• 在2006年，多家通信和汽車領域企業(yè)(愛立信、沃達豐、MAN Trucks、大眾)攜手推進智能汽車協(xié)作通信項目(Cocar, CoperativeCars)，志在研究利用蜂窩通信技術(采用3G網(wǎng)絡)實現(xiàn)行車預警信息的相互傳遞(車輛之間間、車與道路管理系統(tǒng)之間)。
• 隨后，寶馬和福特公司加入了CoCarX項目，在LTE網(wǎng)絡覆蓋下，車間的協(xié)作通信取得了較好的性能測試結果。
• 2012年，歐盟資助LTEBE-IT項目，開展LTE演進協(xié)議在ITS中的應用研究。
• 2015年，3GPP國際組織分別設立了專題“LTE對V2X服務支持的研究”和“基于LTE網(wǎng)絡技術的V2X可行性服務研究”，正式啟動LTE V2X技術標準化的研究。行業(yè)內，將“LTE-V2X”(LTE: Long Term Evolution，即4G通信技術;V2X:Vehicle to Everything)簡寫為“LTE-V”，它是基于無線蜂窩通信的車聯(lián)技術，在業(yè)內也稱為“C-V2X(Cellular- Vehicle to Everything)”。國內多家通信企業(yè)(華為、大唐、中興)參與了LTE-V的研發(fā)。
• 2016年9月3GPP完成了“基于LTE PC5接口的V2V”標準制定，其標準規(guī)范引入了LTE-D2D的SideLink鏈路技術，實現(xiàn)了高速度、高密度行車場景下的車與車直接通信。這種允許車間直連的通信方式，和以往的蜂窩通信技術有較大差異，也稱為“分布式(LTE-V-Direct)”工作方式。
• (與“分布式(LTE-V-Direct)”相對的傳統(tǒng)蜂窩通信工作方式是“集中式(LTE-V-Cell)”，以基站為信息轉發(fā)節(jié)點進行通信)
• 2017年3月，3GPP 在“基于LTE的V2X業(yè)務”項目中，完成了車聯(lián)網(wǎng)中各類型通信(車與車的蜂窩網(wǎng)通信、車與道路設施通信、車與人通信等)的標準化制定。
• 在3GPP的5G通信標準中，LTE-V將逐步演進為NR-V2X。

3. 車聯(lián)網(wǎng)和智能交通

從DSRC和LTE-V的發(fā)展歷史來看，DSRC起步較早，并且已經(jīng)在許多ITS的研究項目中嶄露頭角，實現(xiàn)了一部分相對成熟的車聯(lián)網(wǎng)應用。(例如日本的Smart Way中的各類子項目、歐洲的COOPERS、CVIS、SAFESPOT、PreVENT等項目、美國的ETC應用、VII/IntelliDrive等項目)。

在LTE-V標準之前，車輛使用3/4G的蜂窩無線技術連接到網(wǎng)絡，其稱之為Telematics(Telecommunications和Informatica的合成詞，意為“遠距離通信技術和信息技術結合的網(wǎng)絡”)。

Telematics是車聯(lián)網(wǎng)的一種常見形式，但由于只實現(xiàn)了車與云端的聯(lián)接，所以也被理解為“狹義車聯(lián)網(wǎng)”。LTE-V的出現(xiàn)，是試圖打破原本蜂窩接入網(wǎng)絡只能作為DSRC技術補充的境地，將短距、直連、非IP化的通信技術(PC5接口)和蜂窩通信技術進行融合，從而在車聯(lián)網(wǎng)領域形成一套完整的通信技術體系。

五、結束

從各國對車聯(lián)網(wǎng)的研究模式來看，由于ITS應用場景復雜、需求多樣、終端種類繁多，所以車聯(lián)網(wǎng)的研究需要和ITS應用的開發(fā)同步推進，以滿足行車過程中對各類技術細節(jié)的要求。

為了實現(xiàn)更高層次的安全、高效、環(huán)保的生產(chǎn)(行車)目標，車輛(以及交通配套設備和系統(tǒng))需要具備更多更強的感知能力、通信能力、計算能力(智能)，通過增加交通系統(tǒng)整體的信息化能力以實現(xiàn)整個交通領域的升級。

也就是說，車聯(lián)網(wǎng)技術是和傳感、計算(例如自動駕駛)、軟件開發(fā)，等信息化技術同步發(fā)展的，未來的“智能交通”是交通(道路)網(wǎng)絡和信息網(wǎng)絡的深度交融。

【本文是51CTO專欄作者王峰的原創(chuàng)文章，轉載請聯(lián)系作者本人獲取授權】

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