专题丨蜂窝车联网与先进驾驶辅助系统融合应用研究
作者简介
张学艳
中信科智联科技有限公司标准工程师，主要研究方向为车联网通信、C-V2X与单车智能融合等技术及标准化。
胡金玲
中信科智联科技有限公司首席专家，教授级高级工程师，主要研究方向为车联网与下一代无线通信等。
房家奕
中信科智联科技有限公司标准总监，教授级高级工程师，主要研究方向为车联网通信、车路协同等技术及标准化。
邓辉
中信科智联科技有限公司标准工程师，主要研究方向为车联网标准及业务。
邓婷婷
中信科智联科技有限公司资深标准工程师，主要研究方向为车联网、智能交通标准与产业政策。
杨天
中信科智联科技有限公司标准工程师，主要研究方向为车联网及智能交通标准业务。
论文引用格式：
张学艳，胡金玲，房家奕, 等. 蜂窝车联网与先进驾驶辅助系统融合应用研究[J]. 信息通信技术与政策, 2024, 50(3): 2-8.
蜂窝车联网与先进驾驶辅助系统融合应用研究
张学艳 胡金玲 房家奕 邓辉 邓婷婷 杨天
（中信科智联科技有限公司，北京 100029）
摘要：智能化与网联化融合实现自动驾驶已形成产业共识，但国内外关于智能化与网联化融合应用的研究尚处于探索阶段，因此有必要调研国内外蜂窝车联网（Cellular Vehicle to Everything，C-V2X）与先进驾驶辅助系统（Advanced Driver-Assistance System，ADAS）融合应用的研究现状，总结融合应用的研究方法，分析融合C-V2X技术的增益和典型融合应用场景，以从融合安全、功能性能要求两个角度进行标准化探究。
关键词：C-V2X；C-V2X与ADAS融合；融合应用；功能安全
0 引言
蜂窝车联网（Cellular Vehicle to Everything，C-V2X）依托通信技术，与周围环境实现全方位的数据交互，是支持智能驾驶的关键使能技术，被多个国家和地区列为战略制高点，已形成完善的产业生态，具备规模商用能力[1]。与此同时，智能驾驶技术近些年发展迅速，搭载先进驾驶辅助系统（Advanced Driver-Assistance System，ADAS）的汽车正加速进入量产阶段，市场渗透率快速提升[2-3]。但是，基于单车传感器实现的智能驾驶在感知层面、决策控制层面和算力层面仍然面临较大挑战。受成本和算力约束，增加传感器的类型和安装数目，无法有效解决上述问题，需要探索低硬件成本和算力成本的解决方案。C-V2X技术可应对单车智能存在的长尾问题，能够有效降低单车智能成本，提升道路交通安全性，加快自动驾驶实现。随着C-V2X技术从测试示范进入量产应用阶段，C-V2X技术已经具备赋能智能网联汽车的技术能力。
全球主要国家和地区纷纷布局智能化和网联化融合发展战略，我国率先提出依托C-V2X发展车路云一体化智能网联汽车的发展路线，并制定相关产业政策支撑其落地实践[4-6]。C-V2X与单车智能融合已然成为未来主流的战略发展趋势。现阶段，国内外智能化与网联化融合领域的研究刚刚起步，现有标准体系无法支撑融合应用，如在汽车安全分析过程中，需要协调考虑由功能安全、预期功能安全和信息安全等构成的融合安全体系；在功能开发过程中，还需要针对融合功能统一功能定义和性能要求。及时更新和完善融合功能的标准体系是确保功能安全性和可靠性的必要步骤，能够为产业提供明确的方向和规范，减少不必要的风险和成本。为此，本文以ADAS功能为基础，对C-V2X与ADAS融合应用进行分析，重点研究融合安全体系存在的挑战，针对功能安全，提出一种可行的标准化建议；并选取典型的融合应用，在现有标准的基础上，分析其对功能性能要求的影响，提出标准修订建议。
1 C-V2X与ADAS融合应用研究现状
1.1 C-V2X与ADAS融合应用研究的必要性分析
ADAS是指利用搭载在车上的传感器（如毫米波雷达、激光雷达、摄像头等），监测驾驶员、车辆及周围的环境，辅助驾驶员执行驾驶任务，帮助驾驶员提前感知危险，主动避免或减轻车辆碰撞危害，有效增加汽车驾驶的舒适性和安全性的各类系统装置的总称。根据工业和信息化部公开的数据，2023年上半年我国乘用车ADAS搭载率已达42.4%，ADAS系统已进入大规模应用阶段。但是，受车端传感器安装数目、安装位置、探测距离、视场角、数据吞吐、标定精度、时间同步等因素的限制，基于单车智能实现的ADAS功能在环境感知、计算决策、控制执行层面存在一些关键技术难点有待解决。例如，非视距感知能力缺失、感知能力易受环境因素影响、对路侧基础设施和交通规则理解不准确等。
C-V2X由于其超视距感知和主动协同等特点可有效弥补单车智能的不足，降低对单车传感器的需求，同时解决单车智能感知局限问题，从时间和空间维度获取更多的交通信息，不仅能提高单车的感知和决策能力，还能为车辆群体协同感知、决策提供条件。
然而，C-V2X与ADAS融合尚处起步阶段，在其功能定义、关键技术、标准体系以及测试认证等方面均存在许多亟需研究解决的问题。例如，融合生态系统各参与方的产业边界尚无统一的功能和角色划分，需要对系统架构进行顶层规划；融合C-V2X技术后，融合安全分析的对象由单车变为车路协同系统，需要设计适用融合系统的功能安全标准体系；此外，融合功能与单车功能相比，功能边界和性能指标都有改变，为了确保融合功能的互操作性、可靠性和稳定性，需要对原有的功能性能标准进行适应性修订。
1.2 国内外C-V2X与ADAS融合应用研究现状
为推进C-V2X技术与单车智能融合的发展，国内外标准化组织和产业联盟开展了大量不同切入角度和内容侧重点的研究工作[5-13]。
欧洲从面向网联自动驾驶车辆和面向智能交通系统两个角度开展研究。在网联自动驾驶车辆方面，以5G汽车协会（5G Automotive Association，5GAA）和车辆间通信联盟（CAR 2 CAR Communication Consortium，C2C-CC）为代表，从网联应用场景切入，研究基于C-V2X技术实现从驾驶辅助向高等级自动驾驶拓展的功能安全、定位、信息可用性等关键技术；在智能交通方面，以世界道路协会（PIARC）和欧盟道路交通研究咨询委员会（European Road Transport Research Advisory Council，ERTRAC）为代表，研究不同路侧智能化和网联化等级对自动驾驶的赋能。
美国主要从网联自动驾驶车辆角度开展研究。以美国汽车工程师学会（Society of Automotive Engineers， SAE）为代表，对协同驾驶自动化等级和系统架构进行设计，明确协同驾驶自动化的需求，进而推动协同驾驶自动化的研究和部署。
我国从顶层设计的角度出发，提出车路云一体化融合的中国方案，针对车端和路侧的智能化和网联化同步开展研究。车端以IMT-2020（5G）推进组C-V2X工作组和中国智能网联汽车产业创新联盟（China Industry Innovation Alliance for the Intelligent and Connected Vehicles，CAICV）为代表，针对C-V2X与ADAS融合发展的路线图和功能安全等关键技术问题开展研究；路侧以中国公路学会和中国智能交通协会为代表，对路侧基础设施的服务水平进行分级。
虽然目前国内外各组织关于网联自动驾驶车辆和路侧基础设施的等级划分级别不同，但是级别划分维度是相似的。在网联自动驾驶车辆方面，主要以网联信息为基础，针对网联信息与智能驾驶系统的融合程度开展研究；在路侧基础设施方面，主要针对路侧对自动驾驶服务的支撑水平开展研究。为了促进上述研究中各等级的落地应用实施，还需要对各等级的融合功能进一步进行细化研究。
根据融合功能的驾驶自动化程度不同，可将融合功能划分为车路云一体化提醒预警、车路云一体化辅助驾驶（Cooperative ADAS，C-ADAS）、车路云一体化自动驾驶（Cooperative Automated Driving System，C-ADS）3个发展阶段[13]。在不同发展阶段，融合功能包含的融合等级不同，在C-ADAS阶段，可包含协同感知、协同决策等融合等级；在C-ADS阶段，可包含协同感知、协同决策、协同控制等融合等级。本文重点研究C-ADAS阶段的融合功能。
2 C-V2X与ADAS融合应用场景分析
2.1 C-V2X融合增益分析
应用场景分析是对融合功能进行功能定义、分析和评价的有效手段，应用场景定义主要基于运行设计域（Operational Design Domain，ODD）来实现[14-15]。美国高速公路安全管理局（National Highway Traffic Safety Administration，NHTSA）[16]提供了ODD的六大构建要素，包括基础设施、驾驶操作限制、周边物体、互联、环境条件和区域，融合C-V2X技术可以对上述要素产生增益影响，具体如表1所示。
表1 ODD分类框架及C-V2X技术价值增益
从表1可以看出，引入C-V2X技术一方面可以在ODD范围内对功能进行改进，如可以增强对周边物体的识别能力，以及与周边环境的互联能力等；另一方面可以对ODD的设计要素进行拓展，如可以扩展基础设施、驾驶操作限制、环境条件等。因此，在分析C-ADAS融合功能时，可以在ADAS功能的基础上，从功能改进和ODD拓展两个角度进行研究。
2.2 典型融合应用场景
结合目前产业发展现状，C-ADAS阶段的典型融合功能为协同自动紧急制动（Collaborative Autonomous Emergency Braking，C-AEB）和协同自适应巡航控制（Collaborative Adaptive Cruise Control，CACC）。C-AEB功能是指通过C-V2X等网联通信技术以及车辆传感器等感知技术，监测车辆前方的环境，当检测到潜在碰撞风险时，系统会自动触发制动系统，以避免碰撞或减轻碰撞的程度。CACC功能是指通过使用传感器和C-V2X通信技术，监测车辆前方的道路状况，并根据前方车辆的速度和距离来自动调整车辆的速度。
针对C-AEB功能，C-V2X技术可以使车辆感知到视距外的目标物，预留更多的处理时间。从功能改进层面看，C-AEB功能在交叉路口存在遮挡物的情况下，仍可以感知到远端车辆的存在，使得车辆可以更加安全地通过有遮挡的交叉路口；从ODD拓展层面看，C-AEB功能在拓展到大曲率弯道或者桥梁环境时，仍可正常工作。
针对CACC功能，C-V2X技术可以使车辆感知到视距外的目标物，还可以直接从目标物获取信息，信息更加及时、精准。从功能改进层面看，CACC功能可以提前获知道路的异常情况，更早、更精准地获知事故车辆的信息，使得车辆可以在异常路段更加平稳行驶，提高舒适性；从ODD拓展层面看，车辆可以获取信号灯的相位及配时信息，保证CACC功能在有信号灯路口下也能正常工作。
基于上述分析方法，C-ADAS阶段典型的C-AEB和CACC融合应用场景详情如表2所示。可见，C-AEB和CACC功能通过C-V2X技术的加持，弥补了车辆在感知等方面的不足，可实现车辆功能在安全性和舒适性方面的有效提升，为融合等级和融合发展阶段的不断提升创造更加有力的支撑。
表2 C-ADAS阶段典型的融合应用场景
3 标准化探究及建议
3.1 融合安全标准
在汽车领域，安全至关重要，功能安全、预期功能安全与信息安全是汽车行业的三大主题。功能安全确保系统在面临故障和异常情况时能够安全可靠地运行，预期功能安全关注系统在特定情境下的安全表现，而信息安全则涉及数据和通信的安全性。针对C-V2X与ADAS融合功能，需要协调统一考虑上述三大安全，研究新型融合安全体系，建立全方位的安全保障框架。
本文以功能安全为例分析C-V2X与ADAS融合功能的安全需求。单车智能的功能安全已经有GB/T 34590系列标准等成熟的方法论，但是对于C-V2X与ADAS融合功能来说，功能安全分析的对象不再局限于车辆内部，还应包括与之通信的周围车辆或路侧设备等，对其功能安全分析方法提出了新的挑战。
单车智能功能与C-V2X技术融合后的系统架构如图1所示，主车车侧子系统需要与它车车侧子系统、便携终端子系统、路侧子系统之间进行直通通信，与中心子系统之间进行蜂窝通信，以实现对周围环境的感知和数据交互。
图1 融合功能系统架构
对 C-AEB和CACC功能来说，考虑到时延、可靠性等要求，C-AEB/CACC的融合应用场景主要是通过车与车（Vehicle to Vehicle，V2V）/车与路侧基础设施（Vehicle to Infrastructure，V2I）等直通通信方式实现。主车车侧子系统可通过路侧子系统或它车车侧子系统获取周围车辆或交通环境的信息。C-AEB/CACC与自动紧急制动（Autonomous Emergency Braking，AEB）/自适应巡航控制（Adaptive Cruise Control，ACC）在功能安全分析方法上的区别主要表现在以下3个方面。
（1）功能安全分析边界：由主车车侧子系统扩展为主车车侧子系统、它车车侧子系统和路侧子系统的车路协同系统。
（2）路侧系统功能安全：路侧系统作为功能的组成部分，需要设计适用路侧系统的功能安全方法论。
（3）直通无线通信的功能安全：由于无线通信信道具有复杂快时变、高频度群发群收、通信对象不确定等特点，需要设计满足功能安全要求的无线通信机制。
根据功能安全的定义，功能安全主要考虑对人身造成危害的功能，因此，C-AEB/CACC与AEB/ACC的功能安全分析主体相同，均应是车侧子系统。鉴于此，C-AEB/CACC功能安全分析方法论可在AEB/ACC功能安全分析方法论（如GB/T 34590系列标准）的基础上修改使用。
针对区别（1）功能安全分析边界，在进行相关项定义时[17]，将相关项由整车层面扩展修改为车路协同系统，相应地，相关项要素也要适应性地修改为车侧子系统和路侧子系统。
针对区别（2）路侧系统功能安全，危害分析、风险评估和汽车安全完整性等级（Automotive Safety Integrity Level，ASIL）的确定都与整车的不同，应研究适用的功能安全分析方法。
针对区别（3）直通无线通信的功能安全，借鉴AEB/ACC功能安全分析方法中主要故障和安全机制/措施的诊断覆盖率部分内容，可以认为基于直通通信的无线通信信道已具备足够的安全机制/措施保障[5]。
综上分析可知，为了保证基于直通通信实现的C-ADAS功能的落地，还需要设计路侧系统的功能安全方法论，并对现有的单车智能功能安全分析方法论进行适应性修订。
3.2 功能性能要求标准
C-V2X与单车智能的融合功能对单车功能实现了功能改进和ODD扩展，需要对原有的ADAS标准的功能边界进行扩展，并对性能指标进行适应性调整，以确保标准指标要求能够反映出产品的性能水平。
以C-AEB功能为例，全国汽车标准化委员会和全国智能运输系统标准化技术委员会分别于2019年和2021年发布了面向商用车、乘用车和营运车AEB系统的国家和行业标准[18-20]，上述标准对AEB系统的技术要求、性能要求和试验方法进行了规定。上述标准中的指标要求主要是面向基于摄像头等单车智能传感器实现的AEB功能，如车速限制、功能适用场景等是因考虑到传感器的响应速度而设计的；试验环境等是因考虑到传感器的感知能力易受环境因素影响而设定的；目标识别距离等是因考虑到传感器的感知能力而定义的。考虑到C-V2X技术对单车的功能改进和ODD拓展两方面的增益，建议对标准中的相关指标要求进行修订，以更准确地体现出对C-AEB功能的性能水平要求。在功能改进方面，网联信息可以使C-AEB系统更早地获取周围更大范围内的交通信息，更迅速地作出响应，为系统预留更多的处理时间，不仅使C-AEB系统能够在更高的速度范围内运行，也可让C-AEB系统能够应对更多的紧急场景，例如前前车的紧急制动、前车突然切出等。在ODD拓展方面，网联技术可以提升C-AEB系统的非视距感知能力和全局感知能力，同时减少环境对车辆感知能力的影响，使得C-AEB系统更适应各种复杂的情况和环境，便于对试验环境和道路条件进行拓展，如可以在雨、雪、雾等极端天气和隧道、大曲率弯道等情况下正常工作等。
基于上述分析，针对C-AEB标准的部分修改建议如表3所示。
表3 AEB系统指标要求及C-AEB标准化建议
除AEB功能外，还需要对C-V2X技术产生增益的其他驾驶自动化功能进行详细分析和修订，以确保各项功能在整体系统中的协同效能。通过制定面向融合功能的功能性能标准，可以统一产业链各方对于融合功能的认识，激发产业对技术创新和升级的需求，为生产、测试和验证提供清晰的指导，促进融合功能被广泛认可并应用。
4 结束语
本文调研了国内外C-V2X与单车智能融合应用的研究现状，分析了国内外融合应用的研究思路和等级划分依据，分析了引入C-V2X技术后对ADAS功能产生的增益，并选取典型融合应用场景从融合安全和功能性能要求角度进行了标准化探究，给出了相应建议。
此外，对于C-V2X与单车智能融合应用的研究，仍需针对融合安全、数据可信等关键技术问题开展深入研究。随着技术的不断进步和行业对解决方案的共同努力，这些挑战有望逐步得到解决。融合功能的发展空间巨大，将为人们带来更智能、便捷和高效的生活体验，推动自动驾驶产业的发展和落地应用。
Research on fusion application of C-V2X and ADAS
ZHANG Xueyan, HU Jinling, FANG Jiayi, DENG Hui, DENG Tingting, YANG Tian
(CICT Connected and Intelligent Technologies Co., Ltd., Beijing 100029, China)
Abstract: The fusion of intelligence and connectivity to achieve automated driving has become an industry consensus, but research on fusion of intelligence and connectivity applications at home and abroad is still in the exploratory stage. Therefore, it is necessary to investigate the current research situation of fusion application of Cellular Vehicle-to-Everything (C-V2X) and Advanced Driver-Assistance System (ADAS) at home and abroad, summarize the research methods of fusion applications, analyze the benefits of integrating C-V2X technology and typical fusion application scenarios, in order to explore standardization from two perspectives of fusional safety, and functional performance requirements.
Keywords: C-V2X; C-V2X and ADAS fusion; fusion application; functional safety
本文刊于《信息通信技术与政策》2024年 第3期
主办：中国信息通信研究院
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