裴麗珊 王祎男 董馨
(中國第一汽車集團有限公司 智能網(wǎng)聯(lián)開發(fā)院,長春 130011)
主題詞:V2X LTE-V DSRC 車聯(lián)網(wǎng) 自動駕駛 車載設備 路側設備
隨著全球汽車行業(yè)的智能化、信息化、低碳化、智能制造/綠色制造的發(fā)展,感知融合在自動駕駛領域中成為不可或缺的重要角色。圖像識別、超聲波雷達、激光雷達、毫米波雷達等作為傳統(tǒng)感知手段因受光線、天氣、距離、成本等因素影響存在各自局限難以突破,V2X通過低延時、高可靠的車與萬物的網(wǎng)絡連接交互,使自動駕駛具有了更強的探測感知能力。V2X作為智慧交通系統(tǒng)工程的一個組成部分,汽車與其他交通參與者實現(xiàn)實時互動,致力實現(xiàn)真正的自動駕駛[1]。隨著5G通信技術的逐步落地實施必將大力推動汽車V2X技術發(fā)展[2]。
V2X車路協(xié)同技術目前主要包括三種形式,分別為車輛與車輛通信(Vehicle to Vehicle,簡稱V2V)、車輛與基礎設施通信(Vehicle to Infrastructure,簡稱V2I)以及車輛與行人通信(Vehicle to Pedestrian,簡稱V2P),通過車、人、道路設施之間的信息交互,輔助車輛實現(xiàn)在復雜環(huán)境中感知融合、智能決策、協(xié)同控制等功能[3]。V2X車路協(xié)同系統(tǒng)充分實現(xiàn)了人、車、路的有效協(xié)同,提高駕駛安全性,減少城市交通擁堵、從而提高城市交通管理效率,同時為自動駕駛領域起到“保駕護航”的作用。
V2X車路協(xié)同系統(tǒng)從系統(tǒng)應用整體考慮,分為物理設備層、系統(tǒng)層和應用層三個層次,每一層均實現(xiàn)不同的功能支撐,三個層次結構有序配合,實現(xiàn)車路協(xié)同各種應用場景[4]。其中,物理設備層的功能是實現(xiàn)基本數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)交互,同時也包含支持上述功能正常運行的設備驅動軟件等;系統(tǒng)層和應用層為軟件層,實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理和預定義應用場景服務功能,其中應用層在系統(tǒng)核心模塊的支撐下工作,包括工作流引擎、數(shù)據(jù)處理引擎以及地理信息系統(tǒng)(Geo-Information system,GIS)定位引擎,三大核心引擎保證了系統(tǒng)應用場景的平穩(wěn)運行。
V2X車路協(xié)同系統(tǒng)物理設備主要由車載設備(On Board Unit,OBU)、路側設備(Road Side Unit,RSU)以及車輛顯示終端[5]三部分組成(圖1),車載設備安置于移動車輛中,獲取移動車輛的狀態(tài)并作為信息傳輸載體;路側設備則固定于道路兩邊或道路龍門架上,作為交通、路況及道路基礎設施狀況的載體;車輛顯示終端中以平板為載體連接車載或路側設備,以便駕駛人員對周圍交通和實時路況實現(xiàn)現(xiàn)場可視化監(jiān)測,同時,攝像頭可作為路側設備的配件,通過網(wǎng)口通信,用于行人檢測相關場景[6]。
圖1 V2X車路協(xié)同系統(tǒng)硬件構成
通過車載設備之間以及車載和路側設備之間的有序配合,實現(xiàn)各種車與車、車與路等預定義應用。所有路側設備通過有線網(wǎng)絡或4G網(wǎng)絡從服務器獲取路況和交通信息。
V2X軟件系統(tǒng)可采用分層的低耦合設計以實現(xiàn)多車接入共用。預警信號通過危險仲裁模塊統(tǒng)一輸出,采用CAN、串口、網(wǎng)口等輸出方式,配合支持多種顯示終端。預警的觸發(fā)參數(shù)在設備內(nèi)置文件進行保存與配置,同時支持通過顯示終端如平板中APP進行配置[7]。
整體軟件邏輯構架可劃分為三個層次:輸入輸出層(I/O Layer)、應用服務層(Service Layer)和應用層(Application Layer),見圖2。
輸入輸出層(I/OLayer)負責設備與外部設備的通訊功能,實現(xiàn)設備所有數(shù)據(jù)的輸入和輸出,主要由無線消息服務(Wireless Message Service,WMS)、時鐘位置服務(Time/Position Service,TPS)、車輛接口服務(Vehicle Interface Service,VIS)三大模塊組成。WMS模塊主要負責與其他V2X設備通訊,實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的收發(fā)和安全認證,具體包括相關標準的V2X通信協(xié)議棧,覆蓋MAC(Media Access Control)層、網(wǎng)絡層、傳輸層協(xié)議,為上層應用提供無線消息交互通道;安全模塊為可選裝模塊,負責數(shù)據(jù)的簽名和驗證、證書管理及加解密。TPS模塊主要負責與GPS模塊通訊,實現(xiàn)本地GPS數(shù)據(jù)的接收,同時也支持向GPS發(fā)送數(shù)據(jù)(差分),具體包括本地GPS數(shù)據(jù)獲取、系統(tǒng)時鐘同步、向GPS發(fā)送差分數(shù)據(jù)(與GPS模塊有關,預留)、三軸加速度及角速度數(shù)據(jù)獲取和發(fā)送(與GPS模塊有關,預留)。VIS模塊主要負責與車輛通訊,實現(xiàn)車輛數(shù)據(jù)的收發(fā),具體包括獲取車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)、向車輛輸出預警信息等數(shù)據(jù)以及支持CAN通訊方式。
圖2 軟件邏輯架構圖
應用服務層(Service Layer)負責對輸入數(shù)據(jù)的整合、處理,并分發(fā)至應用層,同時為應用層提供數(shù)據(jù)發(fā)送的接口,主要由傳感器數(shù)據(jù)處理(Sensor Data Han?dler,SDH)、無線消息處理(Wireless Message Handler,WMH)、目標分類(Target Classification,TC)、人機交互接口(DVINotifier)四大模塊組成。SDH模塊主要負責對傳感器數(shù)據(jù)的整合和處理,包括整合車輛狀態(tài)和位置等數(shù)據(jù)、生成車輛歷史路徑數(shù)據(jù)、計算車輛路徑預測數(shù)據(jù)。WMH模塊主要負責無線消息的編解碼等處理工作,同時為應用層提供無線數(shù)據(jù)發(fā)送的接口,包括無線消息編解碼,按照相應的標準對無線消息進行編解碼;無線消息調(diào)度器按照相應的調(diào)度規(guī)則對無線消息進行調(diào)度發(fā)送(預留);提供無線消息發(fā)送接口,包括標準消息和用戶自定義消息;支持無線消息的接收,并根據(jù)消息類型進行分發(fā),可同時為多個模塊提供服務。TC模塊主要負責計算他車的相對位置,對車輛進行分類,根據(jù)相對位置對他車基礎安全信息進行分發(fā),可同時為多個模塊提供多個相對位置的他車基礎安全信息。DVI Notifier模塊主要負責為應用層提供與車輛交互的接口,接收應用層的輸出數(shù)據(jù),將其輸出至VIS。
應用層(Application Layer)負責實現(xiàn)常見的安全應用,實現(xiàn)影響車輛安全的危險判別和輸出,主要有安 全 應用(Safety Applications,SA)與危險仲裁(Threat Arbitration,TA)兩大模塊組成。SA模塊包括各種常見的安全應用場景子模塊,如FCW(前向碰撞預警)、LCW(變道輔助)等,根據(jù)輸入的相關數(shù)據(jù)判別對應的危險,并輸出預警信息。各場景相互獨立,互不干擾,具有很好的擴展性。同時支持用戶自定義的第三方應用,比如用戶自定義的語音、視頻應用等,與原有應用也相互獨立。TA模塊負責接收所有應用場景輸出的預警信息,并按照相應的規(guī)則對預警信息進行調(diào)度、仲裁,挑選出最緊急的預警信息,輸出至人機交互接口(DVINotifier)。
上述三層軟件相互獨立,耦合性低。其中僅I/O Layer(輸入輸出)層與硬件平臺相關,針對不同的硬件平臺,按照預先設定的接口替換該層軟件,安全應用之間相互獨立。
為支撐整個系統(tǒng)運行的平臺,在底層的硬件設備之上為Linux系統(tǒng),運行協(xié)議棧、設備驅動、GPSD(Global Positioning System Daemon)、文件系統(tǒng)等底層服務模塊[8]。系統(tǒng)軟、硬件平臺構架見圖3,各模塊功能見表1。
圖3 系統(tǒng)軟、硬件平臺架構
V2X車路協(xié)同系統(tǒng)主要用于實現(xiàn)汽車與汽車之間、汽車與交通基礎設施之間的高速、高可靠性的數(shù)據(jù)通信,支持駕駛安全類、交通效率類和信息娛樂類等豐富應用。產(chǎn)品主要適用于車路協(xié)同(V2X)、協(xié)作式智能交通(Cooperative-Intelligent Transportation System,CITS)和自動駕駛汽車(Autonomous Vehicle,AV)等領域,包括但不限于碰撞避免預警、盲區(qū)檢測、緊急車輛信息通告、收費相關應用、商業(yè)運營應用等[9]。
表1 各模塊的功能
V2X系統(tǒng)主要具備以下先進技術和高可靠品質(zhì)的工作特點:
(1)點對點通信距離最遠可達800 m,最高通信速率27 Mbps,具備自組網(wǎng)功能,支持車隊間可靠視頻通信功能;
(2)低時延、低丟包率,支持車與車、車與路之間可靠通信;
(3)高性能的嵌入式處理器和前端通信模塊;(4)內(nèi)置高精度模塊芯片,車道級定位精度,能實現(xiàn)道路車道識別;
(5)符合車規(guī)系列防護標準,滿足各種復雜應用場景要求;
(6)預警配置靈活、支持震動、聲音、動畫預警,可接入車裝抬頭顯示(Head Up Display,HUD)進行道路及交通預警。
根據(jù)V2X技術特征,行駛在道路上的車輛會向周圍廣播自身定位信息、車道信息、行駛方向、速度等信息;特殊情況下會廣播對應的緊急情況信息。針對每個V2V、V2I場景進行定義和解析,結合V2V、V2I典型應用場景的大致描述,主要有以下應用場景,前向碰撞預警(FCW)、交叉路口碰撞預警(ICW)、左轉輔助(LTA)、盲區(qū)預警/變道預警(BSW/LCW)、逆向超車預警(DNPW)、緊急制動預警(EBW)、異常車輛提醒(AVW)、車輛失控預警(CLW)、道路危險狀況提示(HLW)、限速預警(SLW)、闖紅燈預警(RLVW)、弱勢交通參與者碰撞預警(VRUCW)、綠波車速引導(GLOSA)、車內(nèi)標牌(IVS)、前方擁堵提醒(TJW)、緊急車輛提醒(EVW)、汽車近場支付(VNFP)等V2V及V2I多類應用場景。V2X技術整體應用還有待開發(fā)和完善。
隨著時代的發(fā)展與進步,車聯(lián)網(wǎng)技術已成為自動駕駛領域及智能交通系統(tǒng)中不可或缺的一項重要技術項目,文章通過對基于LTE-V及DSRC的V2X車路協(xié)同系統(tǒng)技術的軟、硬件架構設計方案進行綜述分析,簡明扼要的闡述了V2X系統(tǒng)高可靠、低時延的特點,對系統(tǒng)現(xiàn)今大多類應用場景進行介紹總結,為V2X車路協(xié)同系統(tǒng)整體商業(yè)化、5G通信演進奠定基礎[10]。