如何有效保障交通弱势参与者的安全

一、背景

汽车作为重要交通工具给人们带来了方便又舒适的出行体验，但由于交通环境复杂、驾驶员操作不当、存在视线盲区等原因导致交通事故屡见不鲜。其中行人、自行车骑行者和摩托车骑行者作为弱势交通参与者VRU（Vulnerable Road User）在事故中承受的伤亡风险要远高于车内驾驶员和乘客，因此如何有效保障交通弱势参与者的安全一直是智能网联汽车行业的研究热点。

对于智能辅助驾驶系统ADAS（Advanced Driving Assistance System）而言，一般是通过车载传感器如毫米波雷达、激光雷达、摄像头等设备检测交通弱势参与者，若系统判断人车之间存在危险便向驾驶员发出警告或对车辆实施制动/转向控制以避免事故发生或者降低事故的严重程度。与ADAS不同的是，V2X技术可以从“互联互通、双向协同”的角度去研究保障交通弱势参与者安全的应用，在弱势交通参与者和车辆之间基于V2X无线通信技术搭建人与车之间V2P（Vehicle-to-Pedestrian）的协同交互桥梁，以此实现位置和运动状态信息的交换，无论弱势交通参与者在车辆视距范围内还是范围外均能有效监测是否存在人车碰撞的风险，并及时提醒驾驶员和行人采取避险措施。

二、现有方法

现阶段基于V2X技术的弱势交通参与者VRU保护的方法主要有三种：

1）基于路侧感知设备&V2I（Vehicle to Infrastructure）通信，通过路侧感知设备检测VRU，RSU通过V2I下发给网联汽车，OBU判断车辆与VRU之间的碰撞风险。

2）基于P2I（Pedestrian to Infrastructure）&I2V（Infrastructure to Vehicle）通信，RSU收集VRU上传的信息，并将其广播给附近车辆，车辆实时计算、判断人与车之间是否存在碰撞风险；

3）V2P直连通信，VRU和车辆之间无需RSU转发直接通信并互换信息，车端和VRU端设备根据双方信息实时判断是否存在风险。

方法一：基于路侧感知设备&V2I通信

方法一的落地需在道路侧安装感知设备、边缘计算单元MEC（Multiple Edge Computing）和通信设备路侧单元RSU。感知设备可包含摄像头、毫米波雷达、激光雷达等，感知设备实时将感知信息传输至MEC进行融合计算与定位，结果通过V2I通信发给网联汽车的OBU,车端根据自身车辆状态信息判断VRU和车辆之间是否存在碰撞危险以及对驾驶员进行预警。具体链路如下图1所示。

图1 方法一通信链路示意图

国内外对方法一进行了大量研究和探讨，提出了“基于V2X的交叉路口避免右转车辆和行人之间在盲区发生碰撞的方法”[1]。国内《合作式智能运输系统车用通信系统应用层及应用数据交互标准第二阶段》标准中的交通参与者感知共享对此方法进行了场景定义。通过路侧传感器检测行人位置、速度及方向信息，并通过V2X获得车辆位置及运动状态数据，以此预测行人状态以及人车在盲区的碰撞风险，一旦检测到潜在风险便对驾驶员进行警告并提供建议车速值。国外加州康特拉科斯塔运输局与威瑞森（Verizon）公司[2]及日产公司合作完成了基于V2I通信和路侧感知的盲区监测方案，路侧设备实时检测盲区内的交通、行人状态，并接收车辆通过V2X上传的信息，在Verizon的边缘计算端处理数据，当出现人车碰撞隐患时向车辆下发警告信息。

方法二：基于P2I&I2V通信

弱势交通参与者携带具备特定通信功能的设备，使得RSU与VRU之间可基于某种无线网络（如移动通信网络、蓝牙）进行通信，由此RSU可获取VRU的信息，然后RSU将VRU的信息广播给周围网联车，接收到信息的OBU结合自车和行人信息判断当前时刻是否存在人车碰撞的风险，若存在便对驾驶员发出警告信息。具体链路见下图2。

图2 方法二通信链路示意图

文献提出了[3]类似于方法二的V2P通信组成的系统，并在Alberta大学校园实测验证该系统的性能。该系统中行人通过手机蓝牙与路侧RSU建立起通信桥梁，并按一定周期上传行人位置、速度等信息；RSU基于专用短程通信DSRC（Dedicated Short Range Communication）与车辆通信，将收集的行人信息下发给通信范围内的OBU；同时搭建通用的随机几何模型来分析各种不确定性对V2P通信的影响，最后OBU综合行人、车辆的信息判断当前时刻是否存在危险。

方法三：基于V2P直连通信

在方法三的通信架构中，VRU携带的设备和网联车均具备V2X通信功能，因此人和车之间可直连通信，并按一定频率实时交换位置、运动状态等信息；行人携带设备和车载OBU均可实时评估碰撞风险，一旦检测出危险便分别向VRU和驾驶员发出警告，双向的提醒相比仅警告驾驶员的单向提示可更有效的保障交通弱势参与者的安全。具体链路见下图3。

图3 方法三通信链路示意图

相比于方法一和方法二，车路协同业界对方法三的研究更多一些，VRU携带的设备也可采取不同的形态实现。文献[4]提出了一个基于DSRC的V2P安全系统，通过在智能手机的Wi-Fi芯片内DSRC堆栈的固件和软件中实现关键支持组件，由此智能手机和网联车可基于DSRC实现直连通信，基于此设计出预防行人与车辆发生碰撞的功能。澳洲电信Telstra与Cohda Wireless合作[5]，实现了车辆与骑行者手机之间基于4G的直连通信，实现危险时刻对驾驶员和VRU的双向预警。Cohda、NXP和Spectrum Fifty Nine联合开发了V2P直连的解决方案[2]，通过在骑行者的头盔或者携带的包上安装可穿戴标签，实现人与车载OBU基于DSRC的直连通信，并在发生危险时通过蜂鸣、闪光灯向佩戴者发出警告。

国内的长沙智能驾驶研究院研发出支持C-V2X（Cell-Vehicle to Everything）通信功能的智能手机[6]，让携带该手机的VRU与车载OBU可通过PC5直连通信、互相交换位置、运动状态等信息，基于此实现了一系列V2P应用场景，具体应用如下图4所示，包括车辆倒车时后方有行人穿行、存在遮挡物情境下的车辆前方行人闯入的鬼探头场景、开车门时后方骑行者碰撞预警等场景的落地，V2P应用可在危险来临之际对行人和驾驶员进行双向预警，图4.4为搭载C-V2X通信装置的智能手机。

4.1倒车时后方行人闯入

4.2鬼探头场景

4.3开车门碰撞预警

4.4支持C-V2X的手机

图4 CIDIV2P直连场景应用

2021年，奥迪汽车在无锡物博会上展示了基于便携式设备感知的V2P防碰撞系列场景[7]。当携带支持V2X通信设备的骑行者突然横穿马路引发与车辆的碰撞风险时，L4级的智能网联汽车可结合VRU及自车的信息进行计算与判断，实现车辆的自动减速避撞；除此之外还展示了开车门防碰撞预警，如下图5所示。

5.1开车门防碰撞预警

5.2行人闯入防碰撞

图5 奥迪的V2P应用演示

三、展望

在车辆保有率持续增长、交通环境日益复杂的情况下，若想增强弱势交通参与者在交通中的安全度，仅依靠设定相关的法律法规、建设非机动车专用车道、安全岛等基础设施以及ADAS的车端行人检测是不够的，基于V2X通信功能的V2P应用是值得期待的一个方向。

V2P通信在有障碍物遮挡、夜晚、坏天气等车端传感器失效或检测效果不佳的情况下依然能保持良好的性能，保障了人与车在一定范围内可以明确对方的位置及运动状态，以此判断人车之间是否存在碰撞风险，并在事故发生前对双方进行提醒以避免事故的发生。

因此越来越多的科技公司在加速V2P应用的开发，并考虑结合P2I、V2I通信功能进行扩展，其研发的内容包括：可与网联车和路侧设备通信的安全帽用来保障工地/矿井工人作业安全、可与网联车通信的马甲外套/锥形桶用来保障公路作业人员的安全、可与网联车和路侧设备通信的装置以实现行人绿波通行……后续的V2P应用也许可从下列几个方面考虑：

将V2P与辅助驾驶/自动驾驶进行深度融合，把V2P通信看成一种不易受环境干扰的传感器去补全ADAS车载传感器在有障碍物遮挡环境检测不到VRU、受环境影响较大的劣势，实现无遮挡和有遮挡场景下精准检测VRU的效果；

扩展V2P应用场景，可考虑结合高精度地图、信号机相位信息等数据，实现更复杂的应用场景，比如帮助驾驶员在地下车库寻车、交通弱势参与者的协作式信号灯、盲人出行导航等场景；

考虑如何将边缘计算的能力应用至V2P应用，V2P用户增加后可能带来网络拥塞、算力不够等问题；

行人、骑行者的运动状态极易发生变化，对弱势交通参与者的行为轨迹预测有助于提高V2P应用的准确性值得进一步深入研究。

参考文献：

[1] Ni Y ,  Wang S ,  Xin L , et al. A V2X-based Approach for Avoiding Potential Blind-zone Collisions between Right-turning Vehicles and Pedestrians at Intersections*[C]// 2020 IEEE 23rd International Conference on Intelligent Transportation Systems (ITSC). IEEE, 2020.

[2] V2P：V2X技术的下一个里程碑 https://www.sohu.com/a/519278470_649849

[3] He S, Li J, Qiu T Z. Vehicle to Pedestrian Communication Modeling and Collision Avoiding Methodology in Connected Vehicle Environment[J]. Transportation Research Record Journal of the Transportation Research Board, 2017, 2621:21-30.

[4] Wu X, Miucic R, Yang S, et al. Cars Talk to Phones: A DSRC Based Vehicle-Pedestrian Safety System[C]// Vehicular Technology Conference. IEEE, 2014.

[5]澳洲成功以4G网络测试V2P技术 有助道路安全及自驾驾驶发展https://auto.sohu.com/20170821/n507756596.shtml

[6]首发！希迪智驾打造业界首个支持C-V2X的V2P应用 https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_13990245

[7]车路协同将会带来哪些便利？看奥迪如何展示构想https://zhuanlan.zhihu.com/p/433982223

◼ 中国首个智能网联标准《合作式智能运输系统车用通信系统应用层及应用数据交互标准》执笔人之一（2017） 

◼ 首创“三模式”（LTE、LTE-V、DSRC）自适应智能网联 V2X 设备与系统（2018）；

◼ 全国首个长沙开放道路智慧公交车路云协同系统设计者（2018）；

◼ 全国首个长沙开放高速道路路侧全息感知与车路协同系统设计者（2019）；

◼ 全国首个大规模车路协同公交优先系统设计者（2020） 

◼ 全国首个基于 CV2X 的智能网联手机设计者（2021）

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