编队行驶，自动驾驶江湖里的“共同富裕”

智驾最前沿 2023-03-24 08:30 356浏览 0评论 0点赞

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在辅助驾驶领域，业内喜欢用一个个功能去划分三六九等，有平民阶层的LDW、AEB和ACC等功能，也有贵族阶层的NOA、NOP和NGP等功能。但在自动驾驶领域，业内更喜欢用场景去区分尊卑贵贱，有不起眼的港口场景和矿山场景，也有挤破头的干线物流场景和无人出租车场景等。

在场景为王的自动驾驶领域，自动驾驶编队行驶是为数不多拥有独立姓氏的自动驾驶功能，肩负着减少能源消耗、缓解交通拥堵、增强车辆安全性的重任。绝大多数卡车自动驾驶公司都对这一功能进行过测试验证，但囿于技术瓶颈，离期望的效果还有十万八千里，进展可谓是相当缓慢。

借着ISO在2022年9月发布的一份编队行驶标准（ISO 4272）为契机，本文就从国内外已公布法规和标准角度浅显地认识一下自动驾驶的编队行驶功能。

法规标准

目前已发布的编队行驶功能相关的法规和标准如下，本文绝大部分内容也是取自如下法规和标准，并在此基础上加入少量自己的理解。

1. GB/T 31024-2014 合作式智能运输系统专用短程通信

2. T/ITS 0113.2-2019 营运车辆合作式自动驾驶货车编队行驶

3. 智能网联汽车自动驾驶功能测试方法及要求第三部分列队跟驰功能（2019年7月，汽标委、中汽中心组织过针对该推荐国家标准的公开验证试验，但不知为何后面没有正式发布）

4. ISO 4272: 2022 Intelligent transport systems—Truck platooning systems (TPS)— Functional and operational requirements

系统架构

自动驾驶编队行驶指的是两辆或者两辆以上的车辆，基于智能传感器、无线通信和云平台等技术，通过数据共享和协同决策，以队列的形式在特定的场景下自动驾驶。

自动驾驶编队行驶系统架构包括车辆、云平台、路侧单元以及V2X（V2V、V2I和V2C等）无线通信部分，一种潜在的系统架构示意图如图1所示。

图1 编队行驶系统架构示意图

（1）车辆

车辆包括领航车辆和跟随车辆。领航车辆作为编队中最前方的车辆，是整个编队行为（包括创建编队、解散编队、车辆加入编队和车辆离开编队等）的决策者，对编队行为进行管控和决策。跟随车辆作为编队中位于领航车辆之后的所有其他车辆，具有与前方车辆保持合理安全距离的能力。

在自动驾驶场景，领航车辆与跟随车辆均为自动驾驶，车辆的总体功能要求包括如下几个方面。

（a）具有实现自动驾驶功能的完整软硬件，包括传感器、计算单元、线控底盘和完整算法等，从而支持处于编队过程的自动驾驶，以及离开编队之后的自动驾驶。领航车辆与跟随车辆）均可以基于交通状况合理规划行驶路线及决策驾驶行为。

（b）具有实现车辆间轨迹、感知、状态、指令等信息交互的V2V通信功能。领航车辆基于这些信息监控整个编队的行驶状态，并能够在编队行驶状态出现问题时及时做出警告和应急措施。跟随车辆基于领航车辆共享的轨迹、感知、状态等信息，通过自动驾驶系统进行感知、决策、规划和控制，实现对领航车辆的跟随。

（c）具有与云平台进行必要信息交互的V2C通信功能，如获取实时状态信息，输入输出指令，紧急管控等，从而实现对编队的监控和运营管理。在图1所示架构中，仅画出领航车辆云平台通信的链路，实际上跟随车辆也支持与云平台进行通信。

（d）具有与路侧单元进行信息传输的V2I通信功能，包括动态限速和交通状况等信息，从而以实现车路协同。

（2）云平台

云平台主要包括在线状态监控、车队管理、车辆控制、位置管理、认证管理、权限管理和运营维护等功能，为车辆提供全方位服务和安全保障。

（3）路侧单元

路侧单元主要负责将动态限速和障碍车位置等信息传输给编队车辆，以实现车路协同。

（4）V2X通信

编队行驶状态下，车辆与云端、车辆与车辆、车辆与环境之间将产生大量实时的数据交互，并且因为车间距很小，对数据交互的响应要求也极高。V2X作为感知能力，其技术可靠性和应用推广度，既依赖于通信技术，依赖于标准和法律，也依赖于路边基础设施。

目前V2X包含两条技术路线，基于IEEE 802.11p的专用短程通信（Dedicated Short Range Communication，DSRC）技术和基于蜂窝网络的车用无线通信技术（Cellular Vehicle-to-Everything，C-V2X）。

前者在美国有十年以上的沉淀，但DSRC的组网需要新建大量路侧单元，新建成本较大，其硬件产品成本也比较高昂。

C-V2X则可以直接利用现有蜂窝网络，我国工信部已将5905-5925MHz频段划分给C-V2X 技术试验。伴随着5G的商用加速，其毫秒级的网络传输时延、10~20Gbit/s的峰值速率、100万个/km²的连接数密度，将可以满足自动驾驶编队行驶的严苛要求。

在有LTE/5G网络覆盖的场景下，C-V2X无疑将是自动驾驶编队行驶的更优选择。

功能场景

自动驾驶编队行驶功能场景包括行为类和驾驶类，如表1所示。

表1 自动驾驶编队行驶功能场景列表

（1）编队创建

车辆在没有开始编队的状态下，由潜在领航车辆开启编队创建功能，首先创建一个只包含自身的编队。同时通过V2X设备向附近车辆播报编队信息，潜在跟随车辆收到编队信息之后可以申请加入。

（2）车辆加入

编队在停止或行驶过程中，潜在跟随车辆申请加入编队，在经过领航车辆或云平台允许之后从队尾加入编队，并逐渐缩短跟车距离，此时不允许别的车辆加入或者编队中的车辆离开。当新加入的跟随车辆稳定保持编队行驶的目标车距之后，编队恢复正常行驶状态。

（3）车辆离开

编队在行驶过程中，队尾的跟随车辆申请离开编队，在经过领航车辆或云平台允许之后该跟随车逐渐增加与前车的跟随距离，此时不允许其他车辆加入或者编队中的车辆离开。当从申请离开的跟随车与前车的车距达到安全距离之后，离开编队完成。

（4）编队解散

在实际路况或编队内的车辆状态已经不具备编队行驶的条件时，不具备编队行驶条件的车辆应通知领航车辆，由领航车辆下达解散指令，队列进行解散，队内各车辆恢复自由行驶。

（5）匀速行驶

整个编队在领航车辆的带领下，以基本稳定的速度行驶，编队中的车辆之间保持稳定的间隔距离。车辆速度误差应控制在目标车速10%以内。编队车辆之间稳定的间隔距离，应控制在设定间隔距离的10%以内。

（6）加速/减速行驶

整个编队在领航车辆的带领下加速/减速行驶，编队中的车辆之间保持相对稳定的间隔距离。加速行驶时编队所有车辆的加速度要小于2.5m/s²，减速行驶时编队所有车辆的加速度要大于-2.5m/s²。编队车辆之间稳定的间隔距离，应控制在设定间隔距离的20%以内。

（7）紧急制动

整个编队在领航车辆的带领下进行紧急制动，控制编队以较大的减速度制动。紧急制动车辆的加速度要大于-6m/s²，小于-2.5m/s²，相邻车辆的相对纵向距离小于100m。

（8）弯曲道路行驶

整个编队在领航车辆的带领下在弯道行驶，编队所有车辆的速度加速度大于-2.5m/s²，小于2.5m/s²。编队中所有车辆应稳定保持在同一车道内，禁止压线。编队车辆之间稳定的间隔距离，应控制在设定间隔距离的20%以内。

（9）变道行驶

整个编队在领航车辆的带领下，完成从当前车道到相邻车道的变道。编队在变道行驶过程中，领航车辆应根据自车车速、相邻车道上行进车辆的车速、距本编队的距离以及编队的长度来提前提速（不超过车道规定的限速值）或降速，以保证编队中所有车辆安全变道。

变道行驶过程中车辆速度误差应控制在目标车速20%以内。编队车辆之间稳定的间隔距离，应控制在设定间隔距离的20%以内。变道过程中编队应开启转向灯。

（10）其他异常情况

编队在行驶过程中，应可以处理各种其他复杂和异常问题，保证编队的行车安全，包括：

其他车辆驶入：编队正常行驶时，邻近车道的其他车辆在驶入和驶离匝道的过程中，需穿过编队所在车道的行驶过程。

变道行驶异常：编队在变道行驶过程中，周围环境发生改变导致部分车辆无法完成变道。

车辆状态异常：编队正常行驶时，编队内任意车辆状态发生异常。

天气环境状态异常：雨天、道路湿滑等场景。

功能作用

减少能源消耗，这可能是编队行驶功能最常被提及的作用。

编队行驶通过V2X通信将同向行驶的车辆进行连接，跟随车辆可以实时获取前面车辆加速、制动、转向等信息，并在最短的时间内做出反应，从而尽可能地缩短跟车距离。因跟车距离十分接近，两车之间将形成“气流真空区”，不会产生空气涡流，因而能够有效降低空气阻力，让后面尾随的卡车以最小的行驶风阻，从而达到省油的目的。

图2 两车之间“气流真空区”示意图

北美货运效率委员会和美国能源和运输部曾进行过不同跟车距离下编队行驶燃油节省率的测试，测试结果如图3所示。

图3 车间距离与油耗的关系

图3中横坐标为跟车距离，纵坐标为燃油节省率，红线、绿线、蓝线分别代表领航车辆、跟随车辆以及车队平均燃油节省率。结果显示，良好的车间距离，跟随车辆能够节省10%左右燃油消耗，领航车辆因采用辅助驾驶或自动驾驶技术也可以减少2%左右的燃油消耗。考虑到燃油消耗占卡车全生命周期成本的30%，无论怎么算，这都将省出一笔可观的费用。

此外，归功于车辆间距的缩小，自动驾驶编队行驶对于缓解交通拥堵，提高道路的通行能力，具有较为明显的效果。而基于高精度的传感器、优秀的自动驾驶算法，可以大大提高运输车辆的安全性。

技术难点

自动驾驶车辆编队涉及到的核心技术包括：自动驾驶车辆的组合定位技术、传感器多源信息融合技术、自动驾驶车辆的协同编队控制技术、以及自动驾驶车辆协同系统的感知与通信技术。从名字也能看出，这些技术离稳定上路还有很长的路要走。

（1）V2X大多工作在高频段，对于建筑物等遮挡障碍物的绕射能力比较差，因而需要通过重复广播或者冗余机制来辅助解决。

（2）V2X与传感器之间的数据融合是必须的，在两者的重合区域内，如果出现差异的信息，以谁为准，又或者是如何互相验证，必须有机制。但是现在的实际情况是，摄像头、毫米波雷达、激光雷达之间融合尚且没有做好，更别提与V2X的融合了。

（3）如果两台车动力配置相差悬殊，遇到坡度等情况就容易产生动力较低的车辆脱离编队，影响整体运输效率，不同配置、不同品牌车辆兼容性也需要解决。

（4）编队行驶的基础是车辆会彼此靠得很近，很难想象在可预见的未来，公路管理部门可以允许这么短的车距。

（5）编队行驶需要大量的数据信息以顺利完成调度、运输任务。例如，车辆的准确定位，交付目的地，交货时间，货物信息，车辆性能，以及驾驶员信息等。这就涉及到数据访问权限、网络安全和隐私方面的问题，联合各个运营、参与方达成信息共享的共识也是一大难题。

行业进展

自动驾驶编队行驶对交通系统带来的正面影响和实际意义已经不言而喻，针对卡车的编队测试，国内外也已经陆续开展了好几年。

（1）国外

2011年，沃尔沃卡车率先研发编队行驶，并于2016年参加全球首次跨国界测试——欧洲卡车编队行驶挑战赛。

2016年，恩智浦、达夫卡车、TNO汽车、里卡多公司，通过采用V2X、摄像头和雷达等先进感知技术，将编队中跟随车辆的跟车时距（车距/当前车速）缩短至0.5s，换算成跟车距离就是11米。2017年，进一步将跟车距离再减少40%，相当于在80km/h的速度下使跟车距离保持在7m。

2018年1月，丰田通商、日野、五十铃等日本四家卡车公司，做了约15km的编队行驶实证试验。3辆全长12m的重卡以时速80km/h，车间距35m，在相同的区域行驶了13次。

2019年7月，大陆集团联合克诺尔进行商用车编队行驶项目测试，该编队行驶系统将演示五种主要的自动驾驶功能：成形编队、编队巡航驾驶、车队高级紧急制动、单独车辆分离编队。

（二）国内

2018年4月，一汽解放在青岛港发布了L4智能卡车，演示了智能编队行驶技术。

2019年4月，搭载主线科技TrunkPort的中国重汽智能网联卡车在滨莱高速进了高速编队实测。

2019年5月7日，推荐性国家标准《智能网联汽车自动驾驶功能测试方法及要求第三部分列队跟驰功能》公开验证试验在天津举行，来自北汽福田、东风商用车、中国重汽的9辆重型商用车参加。测试地点为城市主干路，全长4公里，双向6车道，包含3个交叉路口，并包含有坡度、弯道等道路条件。试验最终完成60km/h的最高车速，跟车距离15米±20%的编队行驶测试。

2019年11月，上汽商用车、中国移动、上港集团等在东海大桥，3辆智卡的编队运行实现了港区和铁路堆场之间的货柜自动转运。

2019年12月，四维图新携手北汽福田、首发集团、华为等合力打造的L4无人驾驶卡车车队完成中国高速公路全封闭环境下，基于C-V2X车路协同技术的队列跟驰测试工作。图森未来的技术方案目前能做到3-4辆车的编队，车辆之间间距为20米，车速保持在80公里每小时。