[作者]劉宗巍，宋昊坤，郝瀚，趙福全*

[單位]清華大學汽車產業與技術戰略研究院

[期刊]《中國工程科學》2021年 第23卷 第1期

[摘要]基于智能汽車與智能交通、智慧城市、智慧能源融合（4S 融合）的新一代智能汽車，是可靈活移動的智能網聯終端，可充分打通城市的人流、物流、能源流、信息流，戰略價值遠超傳統汽車。本文旨在闡明基于4S 融合的新一代智能汽車的重要價值，論證產業創新發展的技術路徑，構建新型技術體系并完成關鍵技術分析。研究表明，基于4S 融合的新一代智能汽車是對智能汽車在價值、功能、技術等方面的全面升級，我國應當選擇車路協同的智能汽車技術路徑，把握戰略機遇、實現創新引領；基于4S 融合的新一代智能汽車技術體系應促進汽車自動化水平與網聯化水平同步進步，全面提升大數據、云計算、信息通信等共性基礎技術以及車、路、云等核心關鍵技術。研究提出了頂層設計、產業融合、技術創新、落地應用等方面的措施建議，以期為我國智能汽車產業長遠發展提供理論參考。

[關鍵詞]新一代智能汽車；智能交通；智慧城市；智慧能源；4S 融合；車路協同

一、前言

以互聯網、大數據、云計算、人工智能（AI）、第五代移動通信（5G）等為代表的新一輪信息技術革命，正在驅動汽車產業的深刻變革。融合諸多高新技術的智能汽車（SV，也稱智能網聯汽車），提供更加安全、便捷、低碳的出行綜合解決方案，成為未來汽車的必然形態，將實現車與“人、路、云”等的智能信息交換與共享。在傳統上，SV 發展研究更多著眼于車輛本身，即追求單車智能化水平的不斷提升；而實際上這是明顯不夠的，SV 具有遠超傳統汽車的重要戰略價值。

智能交通（ST）指將信息、通信、傳感、控制、計算機等技術與交通運輸管理體系融合形成的高效綜合運輸系統。智慧城市（SC）指運用物聯網、云計算等技術改變城市各主體的交互方式，快速響應各類社會需求，構建高效運作的新型宜居城市。在 SC 中，交通出行是居民生活的必要組成部分，因此交通的智能化發展是智慧城市的重要基礎；能源系統與城市生產生活密切相關，也是智慧城市的關鍵環節，消納清潔能源、可再生能源的區域微網智慧能源服務模式是發展重點?？梢哉雇?，SV 與 ST、智慧能源（SE）、SC 融合發展，緩解 SV 端面臨的嚴苛技術需求并推動規?；瘧?，加速 ST、SE 落地，形成 SC 運作模式（見圖 1）；未來可產生萬億元級別的綜合效益。①在交通效率和效益方面，SV 達到一定的滲透率后，可縮小車頭時距，與前后車交換信息將明顯提升道路通行能力。②在節能減排效果方面，SV 通過車聯網（V2X）、駕駛輔助等技術，減少怠速工況，優化行駛行為，顯著降低燃油消耗和污染物排放。③在交通安全效益方面，SV 可通過 V2X 技術實現超視距感知，顯著減少碰撞概率；借助智能駕駛輔助功能來協助駕駛員規避事故發生。

圖 1 新一代智能汽車的核心樞紐作用

已有研究較多關注 SV 或智能道路的若干單項、單類技術，而站位于 4S 協同融合的層次開展 SV 發展研究較為缺乏。針對于此，本文創新性地提出基于 4S 融合的新一代 SV 概念：與 ST、SC、SE 互聯互通，實現“人、車、路、云”協同感知、決策與控制，連接豐富的外部服務生態；在宏觀層面開展較為系統的研究，在促進 SV 與其余 3S 協同融合發展的基礎上，為城市智能化建設、國家能源網絡清潔化、智能化轉型提供啟發與借鑒。

二、新一代智能汽車的戰略定位

（一）升級對智能汽車的認識

新一代 SV 概念的提出，意味著汽車產品的本質與內涵正在發生深刻變化。汽車先后經歷機械產品、機電一體化產品、智能網聯產品的轉變。后續，汽車將進一步升級為社會、產業協同化的產品（即新一代智能汽車），推動人類社會和諸多相關產業智能化水平的全面升級。

新一代智能汽車將在 4S 融合發展中發揮核心樞紐作用。作為 ST 系統的重要組成部分，SV 為智能交通平臺傳遞路況、事故、出行需求等關鍵信息，接受平臺的實時調度與管理。作為可靈活移動的智能網聯終端，SV 以運載工具的形式服務居民出行、貨物運輸。作為可靈活移動的儲能供能終端，SV 成為分布式 SE 網絡的重要組成部分，發揮“削峰填谷”的作用，緩解電網用電負荷，促進清潔能源消納利用。

新一代智能汽車將是多產業融合的產物，不僅可以有效緩解快速城市化帶來的交通擁堵、交通事故、環境污染、能源低效利用等諸多社會問題，還能以其復雜的產業鏈、豐富的商業模式，支撐并引領城市中產業、經濟、生活、工作的重新布局和轉型發展。以新一代智能汽車為中心，多個行業、不同主體共同參與汽車、出行、交通、能源乃至整個城市的再升級和再創造，有望引發人類社會生產模式、生活方式的重大改變。

（二）升級智能汽車產品

SV 與 ST 融合促進 SV 產品升級。未來交通基礎設施將全面實現智能化、信息化升級，配置眾多的先進傳感器，具備 AI 能力，與 SV 互聯互通來開展車路協同的感知、決策與控制。SV 通過 ST 系統提供的實時路況信息，更合理地規劃行駛路徑，減少行程時間，獲得更為高效的基于位置的服務。

SV 與 SC 融合促進 SV 產品升級。SV 通過物聯網與未來城市中的其他智能終端互聯互通并相互賦能，構建豐富的網聯生態系統，提升城市智能治理能力。SV 支持城內、城際的客運與貨運需求，成為解決“最后一千米”出行問題的不可替代且靈活高效的運載工具。未來基于高度智能化的汽車共享出行模式，有望大幅提升汽車的使用效率，緩解城市公共交通壓力，節約社會運行綜合成本。

SV 與 SE 融合促進 SV 產品升級。電動汽車是 SV 的最佳產品平臺，智能電動汽車作為可移動的儲能供能單元，將是分布式智慧能源網的重要組成部分。通過車輛到電網（V2G）技術，智能電動汽車與電網高效互動，不僅發揮“削峰填谷”的電網平衡作用，也將促進清潔能源消納，從而推動電力結構朝著低碳化方向發展。

（三）升級智能汽車技術

相比于單車智能的 SV，基于 4S 融合的新一代智能汽車將融合更多領域的前沿技術；SV 技術與信息、通信等技術融為一體，實現同步升級，產生“1+1>2”的協同效應。

在車輛智能化方面，單車智能的 SV 需搭載高性能傳感器、高算力計算平臺、快響應高精度控制器，據此實現自動駕駛、打造智能座艙。融合型的 SV 則注重運用大數據、云計算、AI 等技術，通過“人、車、路、云”的協同感知、決策與控制，以“讓聰明的車跑在聰明的路上”的形式實現自動駕駛，打通車輛外部生態與內部控制，打造更高層次的智能座艙。

在車輛網聯化方面，單車智能的 SV 聯網水平不高，網聯應用集中在資訊、娛樂信息獲取方面。融合型的 SV 則利用 5G 技術進行“人、車、路、云”實時信息交互，借助云平臺實現云端計算、實時地圖更新等功能，具有多元數據融合的多樣化服務能力。

在外部生態支撐方面，單車智能的 SV 缺乏外部網聯服務生態，僅有少量功能開發者生態給予一定的服務支持。融合型的 SV 同時具備豐富的網聯服務生態和功能開發者生態，可充分支持用戶的個性化需求，實現“千車千面”“千人千面”。

三、新一代智能汽車的技術發展路徑

（一）國際智能汽車技術發展路徑分析

工業強國較早啟動了 SV 研發工作，關注重點為自動駕駛。在早期，各國多以提升車端智能化為切入點；在認識到車路協同的重大價值后，積極在國家層面布局自動駕駛、智能交通的發展與協同。①美國聯邦政府制定政策來闡明 SV 發展方向，引導各州政府制定相應的政策法規以落實總體規劃；頒布了《自動駕駛法案》、自動駕駛系統發展戰略，明確了SV作為ST系統發展的核心地位。②日本積極發揮政府引導作用，發布了多項 SV 相關的國家級規劃；鼓勵自動駕駛技術的研發和商業化探索，支持“政企學研”充分合作，爭奪國際標準話語權；在《官民 ITSD 構想 / 路線圖》中提出，發展 ST 系統為 SV 提供行駛環境。③歐盟注重各成員國協同的總體戰略布局，在《未來出行戰略》中制定了完全自動駕駛汽車的普及時間表；頒布了《地平線計劃》，旨在推進 SV 研發，構建 ST 系統，實現歐洲交通一體化；一些成員國積極落實相關戰略規劃，如德國將自動駕駛上升到法規層面進行規制，法國批準外國汽車制造商在公路上測試自動駕駛汽車。④企業層面也高度關注并投入資源開展 SV 研發工作，一些傳統車企基于成熟的汽車開發經驗，整合專業信息技術公司提供的車端自動駕駛系統，通過不斷優化車端軟硬件配置以提升自動駕駛水平；還有一些車企踐行車路協同的發展理念，開展 V2X 技術研發與應用測試。

也要注意到，國外 SV 的發展面臨一些問題，核心在于：雖然認識到了 SV 在 4S 中的關鍵作用、已在 4S 各領域分別制定發展規劃，但缺少有關 4S系統性的協同戰略布局。難以集中調配優勢資源建設相關基礎設施可能是主導因素。

（二）智能汽車技術發展路徑的對比

各國 SV 技術的發展路徑主要有兩類：以單車智能為主，基于車路協同。以單車智能為主的技術發展路徑難以實現 SV 的大規模產業化，主要原因有：技術存在瓶頸，僅靠車載傳感器很難在復雜環境中實現精準感知，加之受體積和功耗限制，車載計算平臺很難滿足需求；為確保行車安全，需要對關鍵技術和系統設置冗余，進一步加重了單車負擔；成本居高不下，具有高級自動駕駛能力的單車智能系統必須搭載昂貴的傳感器和計算平臺，商業化落地難度較大；社會效益偏低，單車智能與周邊環境沒有充分互聯互通，難以結合交通、城市、能源等進行全局優化。

基于車路協同的技術路徑因其明顯優勢，將是未來 SV 發展的必由之路：基于路端基礎設施及相關技術，支持車輛實現更精準的感知、決策與控制；借助路端智能為車輛提供安全冗余保障；將部分車端成本轉移至路端，有望顯著提高 SV 商業化普及的速度；從車路協同角度進一步向 4S 融合拓展，徹底打通 SV 與交通、城市、能源的聯絡，在更高維度上創造社會效益。雖然基于車路協同的 SV 技術具有相對復雜、部署難度更大等客觀因素，然而在 V2X 的支持下，將顯著提升交通效率和安全性、促進節能減排，還可引領整個汽車出行先進科技集群的發展，推動形成全新的 SV 出行產業生態系統。因此，應由政府組織推動車路協同 SV 產業的發展，合理支持智慧道路、智能充電樁等基礎設施建設，設計科學機制來分擔車端向路端轉移的智能技術應用成本，由此保障 SV 的快速落地及推廣應用。

（三）我國智能汽車技術發展路徑分析

1. 相關行業發展現狀

目前，我國已經明確了基于車路協同的 SV 發展方向，在 4S 各方面均有具體的規劃布局，為新一代智能汽車的發展提供了良好基礎。①在 SV 方面，《車聯網（智能網聯汽車）產業發展行動計劃》《智能汽車創新發展戰略》等多項發展規劃已經頒布，《智能網聯汽車技術路線圖》持續更新；成立了“智能網聯汽車分技術委員會”，從技術研發、標準體系建設、測試示范推廣等多個角度明確了 SV 中長期發展戰略；北京市、上海市、長沙市等城市高度重視 SV 技術與產業的創新發展并制定了地方性發展規劃。②在 ST 方面，《交通運輸信息化“十三五”發展規劃》《交通強國建設綱要》等多項規劃發布，積極布局和建設智慧公路、ST 系統，推動示范應用和商業化落地。③在 SC 方面，各級城市均在開展各有側重的城市智能化、數字化建設，超過 500 個城市明確提出了構建 SC 的相關方案；上海市、重慶市、雄安新區等地以智能網聯示范、自動駕駛為發展重點，而深圳市、貴陽市等地選擇了“城市大腦”建設作為發展突破口。④在 SE 方面，《關于加快電動汽車充電基礎設施建設的指導意見》指出，大力推進充電基礎設施建設，有利于解決電動汽車充電難題，是發展新能源汽車產業的重要保障；“互聯網 +”SE 是能源發展的新形態，而智能電動汽車與智慧電網良性互動的潛能獲得更多重視。

我國正在積極布局多個相關高新技術產業，為 SV 技術運用提供了良好的基礎條件。在通信產業方面，5G 通信環境建設和商業化落地進程較快， V2X 獲得了特定的無線電使用頻段；在信息產業方面，構建了軟件開發能力強、網聯生態資源豐富、 AI 算法領先等技術優勢；在高精度地圖及定位方面，明確了測繪資質要求，衛星導航系統實現全球覆蓋。

2. 有關重要發展機遇的判斷

發展 SV 成為汽車產業新一輪國際競爭的重中之重，按照車路協同路徑發展新一代 SV，將為我國相關產業發展提供重要的戰略機遇（見圖 2）。我國在體制機制、基建能力、信息通信產業等方面具有優勢，直接選擇車路協同的技術路線，避免了由單車智能路線進行技術轉軌所需的較長周期，也提高了 SV 發展的可達層次。雖然相關發展路徑缺乏參照且有一定的不確定性，但是原創性技術創新是未來汽車產業高質量發展、汽車出行科技群革命性突破的必然選擇，也是我國力求后發趕超的唯一途徑。因此，基于 4S 融合打造新一代 SV，可以此為契機帶動相關產業鏈、企業集群、技術體系的轉型升級。

圖 2 單車智能與車路協同技術路徑的差異分析

也要注意到，我國在 SV 核心技術方面還存在部分瓶頸和短板，主要表現在：專業芯片設計、制造能力不足，難以滿足高性能車載計算平臺的研發生產需求；底層操作系統（OS）研發能力薄弱，已有的少數國產操作系統也無法自主可控；高性能傳感器技術相對落后，高分辨率攝像頭、高性能雷達等關鍵傳感器較多依賴進口；車用信息技術研發能力欠缺，車用 AI 算法、信息安全核心技術儲備不足。因此，應著力開展這些方面的技術突破和產業轉化，逐步夯實 SV 發展所需的科技基礎。

四、新一代智能汽車技術體系

（一）新一代智能汽車的總體技術體系

本文采用目標導向、多維分解的方法系統研究了新一代 SV 技術體系。新一代 SV 的總體發展目標設定為：發展更高性價比的 SV，推動快速落地應用；以 SV 為核心，帶動 ST、SC、SE 共同發展，優化居民出行體驗，間接支持制造強國、科技強國建設以及環境保護事業。

從 4S 融合發展的視角出發，明確和細化了 SV、ST、SC、SE 的發展目標。在此基礎上，構建了新一代 SV 的三維技術體系：一是 4S，分別對應 SV、ST、SC、SE 的發展需求；二是自動化，基于感知、決策與控制展開；三是網聯化，基于“端、管、云”展開。智能化水平取決于自動化、網聯化的能力，從自動化、網聯化的技術體系角度入手，論證形成基于 4S 深度融合的新一代智能汽車總體技術體系（見圖 3）。

圖 3 新一代 SV 的總體目標與

技術體系

（二）新一代智能汽車的自動化技術體系

在新一代 SV 的自動化技術體系中（見圖 4）， SV 與 ST、SC 融為一體，開展協同感知、決策與控制；SE 則為三者協同過程提供能源支撐。

圖 4 新一代 SV 的自動化技術體系

注：IoT 表示物聯網。

1. 多源協同感知與多源感知融合

車載傳感器、路側傳感器、各類云端設備向 SV 提供滿足行駛需求的環境信息，經由 AI 算法進行多源感知融合，支持多源協同感知。這類操作可提升 SV 的感知廣度，支持非視距感知，同時保持感知的精度與魯棒性?；诟鼮槿娴男旭偔h境信息，SV 的行駛狀態、路徑規劃均可進行實時調整，因而對于 ST 乃至 SC 系統而言，多源協同感知、多源感知融合在降低事故率的同時，最大限度地發揮道路通行能力，提高城市居民的出行效率。

2. 基于 AI、大數據、云平臺的協同決策

在硬件層面，SV 基于車載計算平臺，ST、SC 基于邊緣云平臺和“中央城市大腦”，通過高速率、低時延、大帶寬的新一代通信技術實現資源共享，共同處理多源協同感知獲得的龐大數據，為車端、路側基礎設施及 SC 參與者提供決策支撐。在系統層面，“車、路、云”系統均需預留標準接口以支持 4S 系統連通，車端自動駕駛算法與路端車路協同算法、信號優化算法不斷協同優化，共同提升車輛乃至 4S 的自動化水平。

3. 車、路、云協同控制

為實現控制集中化、軟硬件解耦化，新一代 SV 將搭載可充分擴展、可靈活配置的模塊化整車級控制架構。ST 的邊緣云控中心將根據實時路況，對車輛行駛路線、信號配時、車道功能進行優化調整；車輛行駛狀態及路況信息上傳至智慧城市的云控平臺，為城市綜合治理及相關服務提供支撐。

（三）新一代智能汽車的網聯化技術體系

新一代 SV 的網聯化技術體系的核心在于：基于“信息管道”，實現多智能終端與云平臺的充分打通（見圖 5）。

圖 5 新一代 SV 的網聯化技術體系

注：OBD 表示車載自診斷系統。

1. 物聯網“信息管道”

隨著 5G 的不斷成熟與擴大覆蓋，連接人與人的互聯網朝著連接物與物的 IoT 方向擴展，人類社會將進入萬物互聯的信息時代。IoT 是運輸信息的“管道”，為 4S 智能終端的協同交互提供可靠的通信支撐。

2. 智能終端與云平臺連通

由 SV、ST 基礎設施、SC 智能終端、SE 設施等產生或采集的數據，通過“信息管道”上傳至云端。在云端，路側邊緣計算平臺對車路感知數據、交通流數據等進行初步處理，直接輔助 SC 決策及 ST管理；城市云控基礎平臺打通多領域的云平臺，接入豐富的城市服務生態資源，在分析處理各種智能終端、邊緣云平臺的數據信息后，通過“信息管道”向 4S 智能終端傳達控制指令或提供服務。

（四）新一代智能汽車的關鍵技術

1. 共性基礎關鍵技術

新一代 SC 的共性基礎關鍵技術包括 5G、IoT、云平臺、大數據、AI、信息安全等，這些技術共同支撐 4S 的互聯互通與深度融合。作為 IoT 的重要組成部分，V2X 將 SV 接入網聯服務生態，實現不同智能終端的協同控制。5G 支持 V2X 對通信能力的嚴苛要求，為 IoT 提供可靠的通信環境。云平臺為 SV 提供云端計算服務，分擔車端算力負荷，成為各種網聯服務的控制中樞，實現 SV 的降本增效。大數據技術以有效采集、存儲、分析和使用多元海量數據為核心，構筑汽車智能化水平升級的基礎。AI 通過挖掘大數據價值，為自動駕駛、車路協同、人機交互、定制化網聯服務等提供支持。自主可控的信息安全技術既是 SV 產業化應用的基本保障，也涉及國家信息安全。

2. 核心關鍵技術

新一代 SV 主要涉及車端、外部兩類核心關鍵技術。

車端核心關鍵技術主要包括：車輛關鍵算法，旨在提升自動駕駛與人車交互水平；車載 OS 作為“軟件定義汽車”的基礎，將由功能域集成逐步轉向整車級；以高分辨率攝像頭、高性能雷達為代表的先進傳感器，低能耗、高算力的計算芯片，共同支撐高等級自動駕駛的海量數據處理需求；全新的整車控制架構，成為 SV 的信息化平臺。

外部核心關鍵技術細分為云端技術、能源類技術兩類。①在云端技術方面，高精度地圖為 SV 提供超視距的感知能力，是高級別自動駕駛的必備技術且涉及國家地理信息安全；高精度定位使 SV 實現厘米級定位，同屬高級別自動駕駛的必備技術；云端算法，如智能信號配時、無信號交叉口通行等車路協同算法，提升交通系統的整體效率與安全性；網聯服務算法提升相關服務的精準性與有效性。②在能源類技術方面，支持 V2G 的充電基礎設施成為打通智能電動汽車、智慧能源網的關鍵因素；分布式智慧電網建設有利于電網運行負荷平衡，促進能源結構低碳化轉型的能力建設；智慧能源交易平臺為 SV 提供靈活、便捷的線上能源交易服務，助力 SE 服務的商業化落地。

五、基于 4S 融合的新一代智能汽車創新發展戰略

（一）新一代智能汽車發展路線

自動化與網聯化水平必須協同進步，才能根本性提升 SV 的智能化水平。如果只在自動化方面尋求突破，將使得新一代智能汽車發展退化到單車智能的層次，既無法取得 4S 融合的預期效果，也無法實現更高程度的智能化。本文將自動化、網聯化分別定義為 3 個階段（初級、中級、高級），經交叉組合后獲得新一代 SV 的 3 個發展階段及各階段目標?；谧詣踊?、網聯化發展階段及目標，繪制我國新一代智能汽車技術路線圖（見圖 6）。依據對我國不同等級 SV 市場滲透率的預測，本文將 2050 年前基于 4S 融合的新一代 SV 發展階段進行劃分，針對性提出各階段創新發展的實施策略（見表 1）。

圖 6 新一代 SV 技術路線圖

注：LTE 表示長期演進技術。

表 1 新一代 SV 技術創新發展階段及實施策略

（二）新一代智能汽車創新發展保障措施

第一，加強政策引領，完善頂層設計。建議將新一代 SV 創新發展戰略明確為國家戰略，結合實際進展持續完善政策組合體系，充分發揮政府在跨行業發展統籌方面的主導作用；發揮“新型舉國體制”的優勢，建立跨機構的分工協作機制，通過“政、產、學、研、用”高效協同和深入合作，推動以 SV 為核心的 4S 融合發展。

第二，激勵全面創新，構建創新體系。貫徹落實創新驅動發展戰略，制定創新激勵政策，合理保持公共資源投入力度；加強產業人才培育和知識工程建設，以重點成果示范應用帶動“政、產、學、研、用”協同創新環境建設與完善。

第三，整合優勢資源，推進產業融合。建議著力推動相關技術產業、服務產業與汽車、交通、能源、城市建設的深度結合，以市場機制促進各領域優勢資源的高效利用，突出跨產業、跨領域協同發展，實現“1+1 ＞ 2”的綜合效益。

第四，建立科創體系，夯實技術支撐。SV 具有系統工程特征，需要政府、企業、學術界各方參與，構建涵蓋 AI、通信、信息、網絡安全在內的新一代 SV 科技研發體系。加快 AI 落地應用，全面提升車規級芯片的設計、制造、定制化水平；突破網絡切片、自主進化網絡等核心技術，盡快規劃并制定相關行業標準，固化商業模式，解決成本與能耗問題；完善信息安全認證機制，構建系統安全架構，維護智能終端、網絡、云端的數據安全。

第五，完善設施建設，保障技術落地。建議按照穩妥推進、適度超前的原則，完善 5G 基站、衛星地面定位基站、ST 基礎設施、智慧電網等 4S 相關基礎設施建設，促進技術應用與迭代，保障新一代 SV 的運營需求和產業成長空間。

第六，開展示范應用，優化商業模式。加快新一代 SV 示范區建設，推進自動駕駛、車路協同、云平臺等各項新技術的測試驗證。建議在國家、地方協同推進不同層次的 ST、SC 平臺建設，解決差異化的交通運輸需求；整合 ST、SC 相關的共性與個性資源，開放并共享道路、交通、車輛、用戶、商業服務等數據，打通各類交通工具，構建一體化出行服務平臺；完善 V2X 運營，實現人、車、服務實時在線，提供主動式、智能化、規?；木W聯服務。