1.1 智能网联汽车的发展背景
智能网联汽车的定义及其发展潜力
1.1.1 智能网联汽车的定义
智能网联汽车（Intelligent & Connected Vehicle，ICV）是车联网与智能驾驶汽车技术相结合的产物。车联网是依托信息通信技术，通过车内、车与车、车与路、车与人、车与服务平台的全方位连接和数据交换，提供综合信息服务，形成汽车、电子、信息通信、道路交通运输等行业深度融合的新型产业形态。智能驾驶是利用信息技术、计算机技术、控制技术实现汽车性能的全面提升。
随着电子信息技术的发展，智能网联汽车进入了广泛应用的时代，成为汽车产业发展战略的重要方向。2017年12月由工信部、国家标准委共同制定的《国家车联网产业标准体系建设指南（智能网联汽车）》明确了智能网联汽车的定义：智能网联汽车是指搭载先进的车载传感器、控制器、执行器等装置，并融合现代通信与网络技术，实现车与X（人、车、路、云端等）智能信息交换、共享，具备复杂环境感知、智能决策、协同控制等功能，可实现安全、高效、舒适、节能行驶，并最终可实现替代人来操作的新一代汽车。
根据中国汽车工程学会于2016年10月发布的《节能与新能源汽车技术路线图》的解释，智能网联汽车可以分为网联化、智能化两个技术层面。
在网联化层面，车辆采用新一代移动通信技术（LTE-V、5G等），实现车辆位置信息、车速信息、外部信息等车辆信息之间的交互，并由控制器进行计算，进一步增强车辆的智能化程度和自动驾驶能力。我国智能网联汽车信息通信标准体系如图1-1所示，明确了汽车网联化过程中涉及的软硬件技术、体系结构、应用领域和应用中需要关注的信息安全等技术内容。
图1-1 智能网联汽车信息通信标准体系
在智能化层面，汽车配备了多种传感器（摄像头、超声波雷达、毫米波雷达、激光雷达），实现对周围环境的自主感知，通过一系列传感器信息处理和决策，汽车按照一定控制算法实现预定的驾驶任务。
网联化是指汽车与X（人、车、路、云端（后台）等）之间通过通信和网络技术进行信息交换。智能化主要指汽车自主获取信息、自主决策和自动控制能力。智能网联汽车要实现的最终目标是高度自动化/无人驾驶。在国际上，美国汽车工程师学会（SAE）及美国国家高速公路交通安全管理局（NHTSA）分别对自动驾驶的等级做出划分，其中，SAE根据动态驾驶任务及其失效后的接管者、操作场景限定范围等，将自动驾驶划分为L0—L5六个等级，如表1-1所示。
表1-1 美国汽车工程师学会的自动驾驶等级划分
①Motion Ctrl：动作实施者。
②OEDR：任务及事件的检测与响应者。
③应变准备用户：通过系统提醒，能够及时接管系统的用户。
我国也在加快制定智能网联汽车相关标准、法规，引导行业规范化、健康、稳定发展，先后出台了《节能与新能源汽车技术路线图》《国家车联网产业标准体系建设指南（智能网联汽车）》《智能网联汽车自动驾驶功能测试规程（试行）》等指导文件。根据我国相关标准、指南文件的定义：在汽车智能化方面，我国将智能化分为五个层次，即驾驶辅助（DA）、部分自动驾驶（PA）、有条件自动驾驶（CA）、高度自动驾驶（HA）和完全自动驾驶（FA），如表1-2所示；在汽车网联化方面，将网联化分为网联辅助信息交互、网联协同感知、网联协同决策与控制三个层次，如表1-3所示。
表1-2 我国汽车智能化分级
表1-3 网联化分级
（续）
各种分类方法分别从不同的技术、行业角度出发，细节略有不同，但是，无论是何种分类，从驾驶人对车辆的控制角度来看，可分为三种形式：驾驶人对车辆具有完全控制权、只具有部分车辆控制权以及无车辆控制权。当驾驶人拥有车辆控制权时，根据车辆的智能网联程度决定驾驶人对车辆的控制程度，智能网联的等级越高，驾驶人对车辆的控制越少，自动驾驶的程度越高。
1.1.2 智能网联汽车的组成
智能网联汽车相关概念之间的相互关系如图1-2所示。智能交通是包括但不限于智能汽车在内的综合交通管理系统，包括智能道路、智能交通设施等，是智能网联汽车应用的领域。车联网体系是汽车智能化、网联化最重要的载体，只有充分利用互联技术，才能保障智能网联汽车真正拥有充分的智能和互联。
图1-2 智能网联汽车相关概念关系
智能汽车本身具备自主的环境感知能力，可以作为车联网体系的一个重要节点，通过V2X技术实现车与车、车与路、车与人、车与云平台之间的信息通信。智能汽车中的感知系统，可以对周围环境进行识别，作为智能驾驶系统的决策依据。
车联网架起了智能汽车与其他对象之间的信息沟通桥梁，智能网联汽车结合了智能汽车和车联网的特点，通过车联网获得智能交通系统的信息，通过车内网络通信获得自车状态与周边环境感知信息，并通过车联网分享智能交通信息。
智能网联汽车智能驾驶的关键技术可以划分为环境感知层、智能决策层以及控制执行层。
1．环境感知层
环境感知层的主要功能是通过车载环境感知技术（如视觉、雷达、高精度定位与导航等）、车内网技术、4G/5G及V2X无线通信技术等，实现对车内与车外（如道路、车辆和行人等）静、动态信息的提取和收集，并向智能决策层输送信息，这是智能网联汽车各类功能实现的前提，如图1-3、图1-4所示。
图1-3 智能网联汽车中的V2 X系统
图1-4 智能网联汽车感知交通环境
2．智能决策层
智能决策层的主要功能是接收环境感知层的信息并进行分析、处理，做出自动驾驶行为决策。智能决策层可以根据识别到的道路、车辆、行人、交通标志和交通信号等去理解驾驶环境，分析和判断车辆需要采取的驾驶模式和决策将要执行的操作，并向车辆控制行层输送指令。智能决策层是智能网联汽车各项功能得以实现的核心。
3．控制执行层
控制执行层的主要功能是根据智能决策层的指令操作和控制车辆，并通过交互系统向驾乘人员提供道路交通信息、安全信息、娱乐信息、救援信息、商务办公、在线消费等信息与服务，提供安全驾驶、舒适驾乘和智能交互（图1-5）等功能。
图1-5 人机交互控制
控制执行层主要依赖于车辆底盘（转向、制动、驱动等）线控和车身电子电器（车门、车灯、仪表等）实现车辆的自动控制，以及智能网联系统与车内驾乘人员的交互。
智能化和网联化是未来汽车工业的发展趋势。目前，智能网联汽车的发展还处于初级阶段，这是辅助驾驶、半自动驾驶和全自动驾驶智能网联汽车逐渐成熟并得到广泛应用所必经的阶段。通过智能化和网联化的发展提高汽车的安全性，可以通过及时预警、合理的路径规划和主动控制来避免交通事故、降低能源消耗、减轻交通拥堵压力，满足消费者更多的安全、节能、舒适等功能需求。随着各项技术的进步与发展成熟，以及消费者日益提升的需求，汽车的智能化和网联化势在必行。
智能网联汽车未来的发展趋势，从宏观角度看，是一个非常重要的移动终端，既满足出行需求又提供了各类可能的交互场景；从微观角度看，是一个具备高度集成化的智能移动空间。
智能网联汽车是一个网络互联并兼具智能化的系统，可以实现以下区别于传统汽车的典型功能。
（1）空中升级 智能网联汽车从云端接收OTA（Over-the-Air Technology，空中下载技术）更新，驾驶人将会受益于新的安全特性和系统功能，并可以根据自己的喜好定制新服务。
（2）辅助/自动驾驶 智能网联汽车可以通过避免危险来提高驾驶人的安全性，比如说驾驶分心、有障碍物或者恶劣天气时，汽车可以提前提醒驾驶人注意道路安全；或者在驾驶人感觉疲劳或者不愿意驾驶车辆时代替人工驾驶。
（3）车辆维修/保养 车辆维修/保养是保障交通安全的另一个重要组成部分。智能网联汽车在使用的过程中，能够帮助用户避免故障。通过监控车辆零件的磨损和使用信息，结合用户的驾驶习惯预测即将到来的维修/保养需求，智能网联汽车可根据特定的车辆状况和使用情况发送维护提醒和车辆诊断报告。
（4）紧急救援 当车辆发生交通事故时，智能网联汽车可以通过紧急救援功能，自动向交管中心或维修中心发送请求紧急救援服务信息。
（5）个性化定制 智能网联汽车将向客户提供更智能、更多的定制服务方案，在保证安全驾驶的基础上定制开发客户对车辆的特殊扩展功能，以满足各类个性化需求。
智能网联汽车包括了自动驾驶汽车的感知系统、决策系统和执行系统等物理结构，同时需要各类关键技术以实现各类典型功能，所涉及的关键技术有：
1）环境感知技术，包括机器视觉图像识别技术、雷达（激光、毫米波、超声波）周边障碍物检测技术、车辆网络通信技术、多源信息融合技术、传感器冗余设计技术等。
2）智能决策技术，包括风险建模技术、全局路径规划技术、局部路径规划技术、驾驶模式分析技术等。
3）控制执行技术，包括驱动/制动控制、转向控制、基于驱动/制动/转向/悬架的集成底盘控制、车队列协同和车辆道路协调控制、人机交互技术等。
4）2X通信技术，包括车辆专用通信系统、车与车信息共享与协同控制通信保障机制、移动自组织网络技术、多模通信融合技术等。
5）云平台和大数据技术，包括智能网联汽车云平台架构和数据交互标准、云操作系统、数据高效存储和检索技术、大数据关联分析和数据挖掘技术等。
6）信息安全技术，包括汽车信息安全建模技术、通信加密机制、证书管理、密钥管理、汽车信息安全测试方法、信息安全漏洞应急机制等。
7）高精度地图和高精度定位技术，包括高精度地图数据模型和采集方式标准化技术、交换格式和物理存储技术、基于卫星定位系统和差分增强的高精度定位技术、多源辅助定位技术等。
8）标准与法规，包括智能网联汽车整体标准体系，以及涵盖汽车、交通、通信等各个领域的关键技术标准。
9）试验评价，包括智能网联汽车试验评价方法和试验环境建设。
1.1.3 智能网联汽车行业背景分析
1．自动驾驶汽车技术的发展历程
在20世纪80年代，美国电视剧《霹雳游侠》中的KITT自动驾驶汽车曾经风靡世界。后来，基于庞蒂亚克小型多用途车改造的无人驾驶汽车进入“机器人名人堂”。20世纪90年代后期的另一项开创性工作来自意大利帕尔玛大学的视觉实验室——vislab，他们使用由双目摄像头组成的立体视觉系统，在公路上进行2000km的长途测试，无人驾驶里程占94%，速度达到112km/h。到如今，无人驾驶领域的巨头Waymo采用了菲亚特克莱斯勒的小型货车“帕西菲卡”作为其无人驾驶汽车平台，达到平均约16000km（10000mile）才需要一次人工接管的高度自动驾驶水平。日本、德国和美国的汽车制造商几乎同时开始自动驾驶汽车的研发。日本筑波工程研究实验室、德国慕尼黑国防大学和梅赛德斯联合小组、美国国防高级研究计划局（DARPA）和卡内基梅隆大学分别以摄像头和激光雷达为基础，开发了不同的自动驾驶汽车原型，并在路试中取得了一定的突破。特别是1995年，卡内基梅隆大学的导航实验室完成了从匹兹堡到圣地亚哥的“无人驾驶”之旅，其中98.2%的里程是由无人驾驶完成的，尽管车辆速度不快，却也体现了自动驾驶技术水平的显著提升。
我国第一辆自动驾驶汽车是20世纪90年代初由北京理工大学、南京理工大学、国防科技大学、清华大学和浙江大学联合研制的ATB-1，这些学校已成为我国无人驾驶人才培养的摇篮。之后研制的ATB-2，与ATB-1相比，速度增加了3～4倍。同样在20世纪90年代，中国科学院自动化研究所开始在美国研究无人驾驶车辆。2003年，国防科技大学与一汽合作的红旗CA7460实现了高速公路自动驾驶示范，最高时速170km/h，可以实现自动超车。
2004年发生了无人驾驶领域的一项重大事件，即在美国国防部的支持下，史上第一届DARPA无人车挑战赛成功举办。第二次海湾战争开始后，美国国防部注意到在沙漠行动中士兵的伤亡，于是希望用无人驾驶来解决这个问题，便通过无人驾驶汽车比赛的方式支持相关技术的研发，并设置了巨额奖金。在这场竞赛中，许多参赛的车辆采用了激光雷达、高精度地理信息系统和惯性导航系统，至今，这仍然是许多无人驾驶汽车技术的标准配置。早期用于无人驾驶汽车比赛的车辆如图1-6所示，它们为智能网联汽车的崛起奠定了坚实的基础。连续多届DARPA赛事，从最初的沙漠赛到遵守交通规则的城市赛，这项赛事为自动驾驶的技术探索、市场化探索以及人才培养都做出了贡献。
图1-6 早期用于无人驾驶汽车比赛的各种改装车辆
DARPA的无人车挑战赛激发了中国同行的积极性。2009年，在国家自然科学基金视听觉信息的认知计算重大研究计划的支持下，首届中国“智能汽车未来挑战赛”在西安举行，揭开了中国系列无人车挑战赛的序幕。
2011年7月，国防科技大学自主研发的红旗HQ3无人驾驶汽车首次完成了长沙至武汉286km的高速全程无人驾驶试验，其中人工驾驶里程小于1%。比较上一代CA7460，在硬件小型化、控制精度和稳定性方面取得了显著的进步。这辆无人驾驶汽车也为国防科技大学赢得了“智能汽车未来挑战赛”系列赛的冠军。
2015年12月，百度和宝马的无人驾驶汽车在G7“五环高速-奥林匹克森林公园”路线上来回行驶，吸引了无数眼球。
2015年底，特斯拉通过OTA的方式使其部分车辆获取了名为AutoPilot的辅助驾驶功能，揭开了自动驾驶产业化的序幕。2015年下半年至2016年间，大量初创公司、互联网企业、汽车企业投入到智能网联汽车产业化的洪流中。
2．我国智能网联汽车产业战略发展要求
在智能网联汽车产业化过程中，规范化、标准化的行业引导是保持产业持续健康发展的关键，尤其是测试和评价体系的标准化。智能网联汽车技术的研发和产品应用离不开道路测试。为了保证在各种道路交通条件和使用场景下安全、可靠、高效地操作车辆，自动驾驶功能必须要在真实的交通环境中进行充分测试，以充分验证汽车的自动驾驶能力，并与道路、设施和其他交通参与者协同。
目前，美国、欧洲、日本等发达国家和地区也已将智能网联汽车作为汽车产业未来发展的重要方向，加快产业布局。跨国汽车企业已经实现了一些L2级自动驾驶汽车的批量生产。一些高端品牌率先推出L3级自动驾驶汽车，以谷歌为代表的新技术力量也在积极进行高度自动驾驶L4级、完全自动驾驶L5级的开发和测试。美、欧、日等已相继出台道路测试管理规范，在场地测试、公开道路测试方面给予智能网联汽车的研发和产业化以积极的引导。
我国汽车行业组织、工业和信息化部、各地方政府等也在积极制定各项法规与标准，引导智能网联汽车的持续健康发展。
北京市于2017年12月发布《北京市自动驾驶车辆道路测试管理实施细则（试行）》及相关文件，确定33条共计105km开放测试道路，已发放首批试验用临时号牌。上海市2018年3月发布《上海市智能网联汽车道路测试管理办法（试行）》，划定第一阶段5.6km封闭试验区（图1-7），并发放第一批公开道路无人驾驶测试号牌。重庆、保定也相继发布了相应的道路测试实施细则。
图1-7 上海智能网联汽车封闭试验区
2018年4月，我国工业和信息化部、公安部、交通运输部颁发了《智能网联汽车道路测试管理规范（试中）》，适用于在我国境内进行的智能网联汽车道路测试，测试范围包括有条件自动驾驶（L3级）、高度自动驾驶（L4级）和完全自动驾驶（L5级）。管理规范对测试对象、测试驾驶人和测试车辆制定了严格的规定。提出了对测试主体单位性质、业务范围、事故补偿能力、测试评估能力、远程监控能力、事件记录分析能力、对法律法规遵守等七个条件。对测试车辆提出试验车辆注册登记、强制性项目检查、人机控制模式转换、数据记录及实时回传、特定区域测试以及第三方机构检测验证等六项基本要求。