隨著車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)技術(shù)的研究與發(fā)展，感知設(shè)備的可靠性、穩(wěn)定性、高性?xún)r(jià)比、可大規(guī)模部署等要求被提出來(lái)。而毫米波雷達(dá)正是滿足這一要求的器件。介紹了一種基于智能網(wǎng)聯(lián)平臺(tái)的車(chē)路協(xié)同的基本組成與架構(gòu)，闡述其在交通系統(tǒng)中發(fā)揮的作用。

重點(diǎn)討論了毫米波雷達(dá)感知技術(shù)的原理與功能，研究以毫米波雷達(dá)為主要感知設(shè)備搭建車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)的可行性，研究毫米波雷達(dá)技術(shù)在智能交叉路口、智能高速 / 快速公路、智能停車(chē)場(chǎng)三種車(chē)路協(xié)同場(chǎng)景下的應(yīng)用。可為毫米波雷達(dá)技術(shù)在車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)中的應(yīng)用研究提供參考。

毫米波雷達(dá)因具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、測(cè)速精度高、集成度高、受天氣條件影響較小等特點(diǎn)，在智能車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。隨著車(chē)路協(xié)同技術(shù)的發(fā)展，適用于多種場(chǎng)景感知的毫米波雷達(dá)產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，如交通場(chǎng)景雷達(dá)、汽車(chē)?yán)走_(dá)、智能檢測(cè)雷達(dá)等。此類(lèi)毫米波雷達(dá)為道路管理、車(chē)端決策提供實(shí)時(shí)場(chǎng)景信息，在車(chē)路系統(tǒng)中發(fā)揮著不可替代的作用。

目前毫米波雷達(dá)技術(shù)正向高分辨、多維度、高智能的方向發(fā)展，多通道集成技術(shù)、三維成像技術(shù)、雷達(dá)級(jí)聯(lián)成像技術(shù)、基于毫米波雷達(dá)的障礙物識(shí)別與分類(lèi)技術(shù)等是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。毫米波雷達(dá)新技術(shù)將融入更多車(chē)路協(xié)同場(chǎng)景中，發(fā)揮重要的感知作用，提升交通效率。

1.  車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)架構(gòu)系統(tǒng)概述

車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)基于先進(jìn)的通信技術(shù)和傳感技術(shù)，從多維度、多模態(tài)等方面構(gòu)建信息交互架構(gòu)，強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)性強(qiáng)、互聯(lián)性強(qiáng)、全方位、信息低時(shí)延等特性，通過(guò) V2X 通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)車(chē) - 車(chē)，車(chē) - 基礎(chǔ)設(shè)施，車(chē) - 人，車(chē) - 云端等信息共享和互操作，達(dá)到車(chē)輛協(xié)同安全控制和道路協(xié)同管理的效果，提高道路安全性、道路通行效率及交通系統(tǒng)資源利用率。

智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)、路側(cè)邊緣節(jié)點(diǎn)、智能網(wǎng)聯(lián)平臺(tái)和云平臺(tái)是車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)集成環(huán)境傳感器，線控底盤(pán)，車(chē)載通信單元等，在交通環(huán)境下，將自身狀態(tài)信息與感知信息通過(guò)聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)上傳與共享，汽車(chē)可以通過(guò)智能網(wǎng)聯(lián)平臺(tái)實(shí)時(shí)獲取道路管控與環(huán)境信息，提供給車(chē)載協(xié)同規(guī)劃單元，從而規(guī)劃合理路線，以避開(kāi)擁堵，交通管控路段，同時(shí)保持車(chē)輛行駛狀態(tài)滿足交規(guī)要求。

路側(cè)邊緣節(jié)點(diǎn)的通信設(shè)備將道路控制信息與道路狀態(tài)信息發(fā)布到智能網(wǎng)聯(lián)平臺(tái)上，同時(shí)也會(huì)通過(guò)智能網(wǎng)聯(lián)平臺(tái)訂閱車(chē)輛狀態(tài)信息，以監(jiān)測(cè)車(chē)輛有無(wú)違反交規(guī)  行駛狀態(tài)是否正常等。

云平臺(tái)為智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)路側(cè)設(shè)備 行人管理者等提供定制化服務(wù)，如地圖、天氣、停車(chē)位預(yù)約、交通管理 共享汽車(chē)服務(wù) 數(shù)據(jù)服務(wù)等、管理部門(mén)實(shí)時(shí)監(jiān)控交通聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上交通參與者的運(yùn)行狀態(tài)  通過(guò)全局局部?jī)?yōu)化方式 協(xié)同規(guī)劃交通網(wǎng)絡(luò)并實(shí)時(shí)與道路 車(chē)輛交互 合理管理與控制每個(gè)交通區(qū)域的運(yùn)行 智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)道路設(shè)施智能網(wǎng)聯(lián)平臺(tái)及云平臺(tái)等部分的有效協(xié)同 合理規(guī)劃形成一個(gè)高效率高安全性的交通系統(tǒng)。

感知網(wǎng)絡(luò)是車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)獲取交通信息的眼睛，其設(shè)備的可靠性、穩(wěn)定性、環(huán)境適應(yīng)性等因素是車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)有效運(yùn)行的保障  感知網(wǎng)絡(luò)利用多源融合技術(shù)集成多個(gè)異構(gòu)傳感器特長(zhǎng)以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的強(qiáng)魯棒性，如融合衛(wèi)星定位導(dǎo)航（GNSS） 、慣性導(dǎo)航（INS）、視覺(jué) SLAM、激光雷達(dá) SLAM 等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的定位。

融合毫米波雷達(dá)、攝像頭、激光雷達(dá)、聲波雷達(dá)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)道路障礙物信息檢測(cè)。毫米波雷達(dá)可以檢測(cè)目標(biāo)位置、目標(biāo)速度、 目標(biāo)初步分類(lèi)，目標(biāo)微動(dòng)特征等信息，在黑夜、霧霾、雨天等復(fù)雜場(chǎng)景下可正常探測(cè)目標(biāo)信息，是車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)中感知信息獲取的高可靠性設(shè)備。

 車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)架構(gòu)

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車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)基于通信技術(shù)構(gòu)建路側(cè)多節(jié)點(diǎn)之間，車(chē) - 車(chē)之間的連接，將整個(gè)交通體系的人、車(chē)、路等參與者構(gòu)建為一個(gè)整體，實(shí)現(xiàn)人 - 車(chē) - 路等重要交通要素之間的交互和協(xié)作。

車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)通過(guò)布置在智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)，智能路側(cè)結(jié)點(diǎn)的感知設(shè)備實(shí)時(shí)獲取交通環(huán)境信息，車(chē)載通信單元 OBU，路側(cè)單元 RSU 實(shí)時(shí)傳輸交通環(huán)境信息、管理信息、協(xié)同操作信息等。路側(cè)邊緣節(jié)點(diǎn)可提供路況信息、路側(cè)感知信息、區(qū)域協(xié)同規(guī)劃、管理指揮等。智能網(wǎng)聯(lián)平臺(tái)匯聚轉(zhuǎn)發(fā)各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息云平臺(tái)可以集成邊緣計(jì)算服務(wù)、天氣服務(wù)、交通資源管理、特殊車(chē)輛管理等。如圖 1 所示

2.  毫米波雷達(dá)感知技術(shù)

調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）雷達(dá)因具有探測(cè)盲區(qū)小、發(fā)射功率小、帶寬大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，并可以檢測(cè)障礙物的距離、速度、相對(duì)角度、物體特征等信息，在智能汽車(chē)、交通場(chǎng)景檢測(cè)、智能檢測(cè)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。本文主要研究調(diào)頻連續(xù)波體制的毫米波雷達(dá)技術(shù)。

障礙物檢測(cè)技術(shù)

毫米波雷達(dá)主要由信號(hào)發(fā)射天線、信號(hào)接收天線、射頻收發(fā)通道及數(shù)據(jù)處理單元構(gòu)成，利用發(fā)射天線向周?chē)椛潆姶挪ǎ龅秸系K物后，部分電磁波形成反射，障礙物反射回波經(jīng)接收天線進(jìn)入雷達(dá)系統(tǒng)，雷達(dá)數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)障礙物反射回波的頻譜、相位堯、時(shí)間等信息解算障礙物與毫米波雷達(dá)之間的距離、相對(duì)速度、相對(duì)角度等信息。

毫米波接收反射信號(hào)的功率 P，  與到障礙物的距離 d 的一般計(jì)算公式為:

目標(biāo)分類(lèi)與識(shí)別技術(shù)

毫米波雷達(dá)根據(jù)目標(biāo)回波的特征來(lái)對(duì)物體分類(lèi)和識(shí)別，應(yīng)用于車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)中的毫米波雷達(dá)目標(biāo)特征提取技術(shù)主要有基于目標(biāo)雷達(dá)截面積 RCS 的目標(biāo)特征提取技術(shù)、目標(biāo)微動(dòng)特征的檢測(cè)技術(shù)、基于一維高分辨率距離像特征提取技術(shù)、基于極化信息的特征提取技術(shù)。

1）基于目標(biāo) RCS 的特征提取技術(shù)。在雷達(dá)信號(hào)處理中，RCS 是描述目標(biāo)本質(zhì)特征的指標(biāo)，主要與目標(biāo)的形狀、材質(zhì)、信號(hào)入射角度、輻射信號(hào)頻率相關(guān)。在目標(biāo)的外在形狀、材質(zhì)、入射頻率等確定不變的情況下，目標(biāo)狀態(tài)的改變引起電磁波入射角變化，進(jìn)而引起目標(biāo) RCS 值改變，可據(jù)此來(lái)推算目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特征。

2）目標(biāo)微動(dòng)特征提取技術(shù)。目標(biāo)質(zhì)心相對(duì)于雷達(dá)運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生多普勒頻率，而目標(biāo)或其組成部分相對(duì)于目標(biāo)質(zhì)心的振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)及加速度等微動(dòng)特征會(huì)產(chǎn)生微多普勒效應(yīng)。解析微多普勒效應(yīng)中產(chǎn)生的微多普勒信號(hào)，即可得到目標(biāo)微動(dòng)特征信息，進(jìn)而做目標(biāo)分類(lèi)和識(shí)別。

3）基于一維高分辨率距離像的目標(biāo)特征提取技術(shù)。一維高分辨率距離像（HRRP），建立在較大帶寬的基礎(chǔ)上，具有較高的距離向分辨率，在散射點(diǎn)模型下，目標(biāo)回波在雷達(dá)距離向上產(chǎn)生多個(gè)散射點(diǎn)，可以體現(xiàn)目標(biāo)在雷達(dá)視線方向下的相對(duì)的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)與散射強(qiáng)度特征。根據(jù)一維高分辨率距離像表現(xiàn)出的特征，可做目標(biāo)的分類(lèi)與識(shí)別。

4）基于極化信息的特征提取技術(shù)。極化信息是描述雷達(dá)電磁波矢量特征的參數(shù)，是表征目標(biāo)散射特性的一個(gè)重要屬性。雷達(dá)輻射的電磁波照射到目標(biāo)后，目標(biāo)會(huì)產(chǎn)生極化信息變化的回波，回波極化信息變換與目標(biāo)外形、尺寸、結(jié)構(gòu)等密切相關(guān)。根據(jù)目標(biāo)極化散射特性，可以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別。

3.  基于毫米波感知技術(shù)的車(chē)路協(xié)同場(chǎng)景

智能交叉路口

在城市的交叉路口交通場(chǎng)景中，由于多路口交通量匯入、信號(hào)燈調(diào)節(jié)干擾等原因，造成交通環(huán)境復(fù)雜、車(chē)流量大、交叉路口行人密集，極易造成擁堵或者交通事故。基于車(chē)路協(xié)同技術(shù)構(gòu)建的智能交叉路口，綜合區(qū)域內(nèi)感知設(shè)備獲取的交通信息，可以對(duì)信號(hào)燈、經(jīng)過(guò)車(chē)輛、行人等做合理規(guī)劃與管控，有效疏解車(chē)輛與行人，縮短車(chē)輛通行時(shí)間，減少擁堵與交通事故，提高交叉路

口通行效率。如圖 2 所示。

圖片來(lái)源：慧爾視

安裝在路側(cè)的交通雷達(dá)，具備目標(biāo)檢測(cè)、目標(biāo)類(lèi)型識(shí)別、車(chē)流量統(tǒng)計(jì)、車(chē)速檢測(cè)、目標(biāo)狀態(tài)跟蹤、車(chē)隊(duì)長(zhǎng)度檢測(cè)等能力。車(chē)載毫米波雷達(dá)可以實(shí)時(shí)檢測(cè)車(chē)輛周?chē)繕?biāo)速度、位置等信息，除作為本車(chē)規(guī)劃與決策單元的有效輸入之外，將此信息上傳至交叉路口智能網(wǎng)聯(lián)平臺(tái)，成為交叉路口交通信息的有效補(bǔ)充。毫米波雷達(dá)和攝像頭聯(lián)動(dòng)，輔助管理部門(mén)對(duì)交叉路口內(nèi)的車(chē)輛進(jìn)行交通執(zhí)法。

合理布局毫米波雷達(dá)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)監(jiān)視范圍覆蓋所有路口，可有效感知整個(gè)交叉路口的交通信息，掌控整個(gè)交叉路口交通狀態(tài)。路側(cè)交通雷達(dá)監(jiān)視各路口車(chē)輛、行人狀態(tài)、車(chē)載毫米波雷達(dá)融合其他設(shè)備感知本車(chē)周?chē)系K物信息，所有感知信息，信號(hào)燈信息，交通管理信息等上傳至智能網(wǎng)聯(lián)平臺(tái)。車(chē)輛訂閱智能網(wǎng)聯(lián)平臺(tái)，獲取盲區(qū)信息、信號(hào)燈信息、交通管控信息等。交叉路口控制中心通過(guò)智能網(wǎng)聯(lián)平臺(tái)獲取車(chē)輛、非機(jī)動(dòng)車(chē)、行人等狀態(tài)信息，利用局部協(xié)同控制算法技術(shù)優(yōu)化設(shè)置信號(hào)燈相位、規(guī)劃車(chē)輛行駛路線及速度，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛、非機(jī)動(dòng)車(chē)輛、行人等安全、快速通行。

智能高速 / 快速路

高速公路 / 城市快速路對(duì)駛?cè)胲?chē)輛類(lèi)型、車(chē)速有明確規(guī)定，劃分有超車(chē)道、快車(chē)道、慢車(chē)道、應(yīng)急車(chē)道，對(duì)每個(gè)車(chē)道的車(chē)速范圍有明確的限制，禁止行人、非機(jī)動(dòng)車(chē)、超標(biāo)車(chē)輛等進(jìn)入，行駛環(huán)境相對(duì)于普通道路較簡(jiǎn)單，作為城市市區(qū)內(nèi)、城市間路網(wǎng)主干，承擔(dān)著較大比重的交通量。

根據(jù)規(guī)劃與建設(shè)特點(diǎn)，高速 / 快速公路可分為：出入匝道口、通行路段、服務(wù)區(qū)。出入匝道口承擔(dān)著引導(dǎo)車(chē)流匯入、分流主干道車(chē)流、通行收費(fèi)等任務(wù)，易發(fā)生擁堵與事故。通行路段，劃分多類(lèi)型車(chē)道，通行效率受天氣條件、違規(guī)行駛車(chē)輛、事故車(chē)輛等事件影響。服務(wù)區(qū)輸入車(chē)流速度較慢，輸出匝道口車(chē)流匯入主路，影響主干道通信效率。如圖 3 所示。

引入車(chē)路協(xié)同技術(shù)構(gòu)建智能高速 / 快速公路，利用感知設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控匝道口、通行路段、服務(wù)區(qū)匝道口交通信息，智能網(wǎng)聯(lián)平臺(tái)匯聚高速 / 快速公路交通信息和管理信息，控制中心依據(jù)路況信息協(xié)同管控車(chē)流、優(yōu)化路網(wǎng)、智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)依據(jù)傳感器及控制中心信息規(guī)劃本車(chē)行駛路徑，避免擁堵和交通事故，提高高速 / 快速公路通行效率。

匝道口安裝交通雷達(dá)，可進(jìn)行車(chē)流量檢測(cè)、車(chē)輛分類(lèi)、車(chē)速檢測(cè)、逆行檢測(cè)等，為管理中心實(shí)時(shí)提供匝道口交通信息。

行駛路段路側(cè)安裝交通雷達(dá)，具有交通計(jì)數(shù)與分類(lèi)、事件檢測(cè)、應(yīng)急車(chē)道占用、與攝像頭聯(lián)動(dòng)執(zhí)法等功能。長(zhǎng)距雷達(dá)可在高速行駛環(huán)境下感知遠(yuǎn)距離障礙物，角向雷達(dá)輔助車(chē)輛感知周?chē)畔ⅲ瑸樽兊莱?chē)、自動(dòng)巡航、防止碰撞、列隊(duì)行駛等提供感知信息。車(chē)內(nèi)智能檢測(cè)雷達(dá)，檢測(cè)駕駛?cè)藛T、乘客人數(shù)、乘客人員的心率與呼吸， 可防止疲勞駕駛、人員超載、并具備人員健康狀況檢測(cè)功能。

智能停車(chē)場(chǎng)

停車(chē)場(chǎng)，是行駛車(chē)輛的目的地，合理的設(shè)計(jì)與布局，可以減少車(chē)輛在公路上行駛的時(shí)間，既可提高通行效率，又可方便居民停車(chē)。現(xiàn)實(shí)生活中停車(chē)場(chǎng)出入口比較難找，停車(chē)位數(shù)量不可預(yù)知，一些地下停車(chē)場(chǎng)內(nèi)部布局復(fù)雜，給車(chē)主帶來(lái)很多麻煩。針對(duì)停車(chē)難的問(wèn)題，引入車(chē)路協(xié)同技術(shù)，智能化設(shè)計(jì)停車(chē)場(chǎng)。

停車(chē)場(chǎng)位置信息、收費(fèi)信息、車(chē)位數(shù)量上傳云平臺(tái)，方便車(chē)主訂閱與查 看。停車(chē)場(chǎng)出入口智能設(shè)計(jì)，引導(dǎo)車(chē)輛安全通行。實(shí)時(shí)共享停車(chē)場(chǎng)內(nèi)部高精地圖，方便車(chē)輛找停車(chē)位。車(chē)輛利用感知設(shè)備與高精地圖自主泊車(chē)，解決車(chē)主停車(chē)焦慮。如圖 4 所示

道閘雷達(dá)，安裝在停車(chē)場(chǎng)出入口，可以識(shí)別車(chē)輛與行人，控制閘桿抬起、落下，有效防止閘桿誤傷行人與車(chē)輛。車(chē)位檢測(cè)雷達(dá)，檢測(cè)車(chē)位有無(wú)停車(chē)，上報(bào)空余車(chē)位。車(chē)載寬帶成像雷達(dá)可以獲取停車(chē)場(chǎng)三維信息，引導(dǎo)車(chē)輛前行，輔助車(chē)輛自主泊車(chē)。

車(chē)內(nèi)智能檢測(cè)雷達(dá)，檢測(cè)車(chē)內(nèi)生命體征，防止嬰兒遺忘車(chē)內(nèi)，并具備車(chē)輛侵入告警功能。毫米波雷達(dá)與其他傳感器構(gòu)成智能停車(chē)場(chǎng)感知架構(gòu)，提升停車(chē)場(chǎng)工作效率，方便車(chē)主使用。

結(jié)束語(yǔ)

本文研究了毫米波雷達(dá)技術(shù)在車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)中的應(yīng)用，并基于毫米波雷達(dá)感知技術(shù)搭建了交叉路口、高速 / 快速路、停車(chē)場(chǎng)三種典型場(chǎng)景下的車(chē)路協(xié)同框架，毫米波雷達(dá)測(cè)距、測(cè)速、目標(biāo)識(shí)別、交通計(jì)數(shù)等感知技術(shù)，為協(xié)同規(guī)劃、區(qū)域協(xié)同管理與控制、路網(wǎng)優(yōu)化等提供依據(jù)，保證車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)有效、穩(wěn)定運(yùn)行。分析表明，以毫米波雷達(dá)為主要感知手段的車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)可提升 交通管理水平、提高交通效率、保障交通安全。