V2X車路協(xié)同系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案綜述

裴麗珊 王祎男 董馨

（中國(guó)第一汽車集團(tuán)有限公司 智能網(wǎng)聯(lián)開發(fā)院，長(zhǎng)春 130011）

主題詞：V2X LTE-V DSRC 車聯(lián)網(wǎng) 自動(dòng)駕駛 車載設(shè)備 路側(cè)設(shè)備

1 前言

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(dòng)駕駛領(lǐng)域中成為不可或缺的重要角色。圖像識(shí)別、超聲波雷達(dá)、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)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(guò)低延時(shí)、高可靠的車與萬(wàn)物的網(wǎng)絡(luò)連接交互，使自動(dòng)駕駛具有了更強(qiáng)的探測(cè)感知能力。V2X作為智慧交通系統(tǒng)工程的一個(gè)組成部分，汽車與其他交通參與者實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)互動(dòng)，致力實(shí)現(xiàn)真正的自動(dòng)駕駛[1]。隨著5G通信技術(shù)的逐步落地實(shí)施必將大力推動(dòng)汽車V2X技術(shù)發(fā)展[2]。

V2X車路協(xié)同技術(shù)目前主要包括三種形式，分別為車輛與車輛通信（Vehicle to Vehicle，簡(jiǎn)稱V2V）、車輛與基礎(chǔ)設(shè)施通信（Vehicle to Infrastructure，簡(jiǎn)稱V2I）以及車輛與行人通信（Vehicle to Pedestrian，簡(jiǎn)稱V2P），通過(guò)車、人、道路設(shè)施之間的信息交互，輔助車輛實(shí)現(xiàn)在復(fù)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(shí)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(shí)為自動(dòng)駕駛領(lǐng)域起到“保駕護(hù)航”的作用。

2 V2X軟、硬件構(gòu)架設(shè)計(jì)

V2X車路協(xié)同系統(tǒng)從系統(tǒng)應(yīng)用整體考慮，分為物理設(shè)備層、系統(tǒng)層和應(yīng)用層三個(gè)層次，每一層均實(shí)現(xiàn)不同的功能支撐，三個(gè)層次結(jié)構(gòu)有序配合，實(shí)現(xiàn)車路協(xié)同各種應(yīng)用場(chǎng)景[4]。其中，物理設(shè)備層的功能是實(shí)現(xiàn)基本數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)交互，同時(shí)也包含支持上述功能正常運(yùn)行的設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件等；系統(tǒng)層和應(yīng)用層為軟件層，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理和預(yù)定義應(yīng)用場(chǎng)景服務(wù)功能，其中應(yīng)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(yīng)用場(chǎng)景的平穩(wěn)運(yùn)行。

2.1 硬件系統(tǒng)

V2X車路協(xié)同系統(tǒng)物理設(shè)備主要由車載設(shè)備(On Board Unit,OBU)、路側(cè)設(shè)備（Road Side Unit,RSU）以及車輛顯示終端[5]三部分組成(圖1)，車載設(shè)備安置于移動(dòng)車輛中，獲取移動(dòng)車輛的狀態(tài)并作為信息傳輸載體；路側(cè)設(shè)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(chǔ)設(shè)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(cè)設(shè)備，以便駕駛?cè)藛T對(duì)周圍交通和實(shí)時(shí)路況實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)可視化監(jiān)測(cè)，同時(shí)，攝像頭可作為路側(cè)設(shè)備的配件，通過(guò)網(wǎng)口通信，用于行人檢測(cè)相關(guān)場(chǎng)景[6]。

圖1 V2X車路協(xié)同系統(tǒng)硬件構(gòu)成

通過(guò)車載設(shè)備之間以及車載和路側(cè)設(shè)備之間的有序配合，實(shí)現(xiàn)各種車與車、車與路等預(yù)定義應(yīng)用。所有路側(cè)設(shè)備通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)或4G網(wǎng)絡(luò)從服務(wù)器獲取路況和交通信息。

2.2 軟件系統(tǒng)

V2X軟件系統(tǒng)可采用分層的低耦合設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)多車接入共用。預(yù)警信號(hào)通過(guò)危險(xiǎn)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(yù)警的觸發(fā)參數(shù)在設(shè)備內(nèi)置文件進(jìn)行保存與配置，同時(shí)支持通過(guò)顯示終端如平板中APP進(jìn)行配置[7]。

整體軟件邏輯構(gòu)架可劃分為三個(gè)層次：輸入輸出層（I/O Layer）、應(yīng)用服務(wù)層（Service Layer）和應(yīng)用層（Application Layer），見(jiàn)圖2。

輸入輸出層（I/OLayer）負(fù)責(zé)設(shè)備與外部設(shè)備的通訊功能，實(shí)現(xiàn)設(shè)備所有數(shù)據(jù)的輸入和輸出，主要由無(wú)線消息服務(wù)（Wireless Message Service,WMS）、時(shí)鐘位置服務(wù)（Time/Position Service,TPS）、車輛接口服務(wù)（Vehicle Interface Service,VIS）三大模塊組成。WMS模塊主要負(fù)責(zé)與其他V2X設(shè)備通訊，實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)的收發(fā)和安全認(rèn)證，具體包括相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的V2X通信協(xié)議棧，覆蓋MAC(Media Access Control)層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層協(xié)議，為上層應(yīng)用提供無(wú)線消息交互通道；安全模塊為可選裝模塊，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的簽名和驗(yàn)證、證書管理及加解密。TPS模塊主要負(fù)責(zé)與GPS模塊通訊，實(shí)現(xiàn)本地GPS數(shù)據(jù)的接收，同時(shí)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(shí)鐘同步、向GPS發(fā)送差分?jǐn)?shù)據(jù)（與GPS模塊有關(guān)，預(yù)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(guān)，預(yù)留）。VIS模塊主要負(fù)責(zé)與車輛通訊，實(shí)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(yù)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(gòu)圖

應(yīng)用服務(wù)層（Service Layer）負(fù)責(zé)對(duì)輸入數(shù)據(jù)的整合、處理，并分發(fā)至應(yīng)用層，同時(shí)為應(yīng)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(wú)線消息處理(Wireless Message Handler,WMH）、目標(biāo)分類（Target Classification,TC）、人機(jī)交互接口(DVINotifier)四大模塊組成。SDH模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)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(jì)算車輛路徑預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。WMH模塊主要負(fù)責(zé)無(wú)線消息的編解碼等處理工作，同時(shí)為應(yīng)用層提供無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送的接口，包括無(wú)線消息編解碼，按照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)無(wú)線消息進(jìn)行編解碼；無(wú)線消息調(diào)度器按照相應(yīng)的調(diào)度規(guī)則對(duì)無(wú)線消息進(jìn)行調(diào)度發(fā)送（預(yù)留）；提供無(wú)線消息發(fā)送接口，包括標(biāo)準(zhǔn)消息和用戶自定義消息；支持無(wú)線消息的接收，并根據(jù)消息類型進(jìn)行分發(fā)，可同時(shí)為多個(gè)模塊提供服務(wù)。TC模塊主要負(fù)責(zé)計(jì)算他車的相對(duì)位置，對(duì)車輛進(jìn)行分類，根據(jù)相對(duì)位置對(duì)他車基礎(chǔ)安全信息進(jìn)行分發(fā)，可同時(shí)為多個(gè)模塊提供多個(gè)相對(duì)位置的他車基礎(chǔ)安全信息。DVI Notifier模塊主要負(fù)責(zé)為應(yīng)用層提供與車輛交互的接口，接收應(yīng)用層的輸出數(shù)據(jù)，將其輸出至VIS。

應(yīng)用層（Application Layer）負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)常見(jiàn)的安全應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)影響車輛安全的危險(xiǎn)判別和輸出，主要有安 全 應(yīng)用（Safety Applications，SA）與危險(xiǎn)仲裁（Threat Arbitration,TA）兩大模塊組成。SA模塊包括各種常見(jiàn)的安全應(yīng)用場(chǎng)景子模塊，如FCW（前向碰撞預(yù)警）、LCW（變道輔助）等，根據(jù)輸入的相關(guān)數(shù)據(jù)判別對(duì)應(yīng)的危險(xiǎn)，并輸出預(yù)警信息。各場(chǎng)景相互獨(dú)立，互不干擾，具有很好的擴(kuò)展性。同時(shí)支持用戶自定義的第三方應(yīng)用，比如用戶自定義的語(yǔ)音、視頻應(yīng)用等，與原有應(yīng)用也相互獨(dú)立。TA模塊負(fù)責(zé)接收所有應(yīng)用場(chǎng)景輸出的預(yù)警信息，并按照相應(yīng)的規(guī)則對(duì)預(yù)警信息進(jìn)行調(diào)度、仲裁，挑選出最緊急的預(yù)警信息，輸出至人機(jī)交互接口（DVINotifier）。

上述三層軟件相互獨(dú)立，耦合性低。其中僅I/O Layer（輸入輸出）層與硬件平臺(tái)相關(guān)，針對(duì)不同的硬件平臺(tái)，按照預(yù)先設(shè)定的接口替換該層軟件，安全應(yīng)用之間相互獨(dú)立。

2.3 系統(tǒng)平臺(tái)

為支撐整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的平臺(tái)，在底層的硬件設(shè)備之上為L(zhǎng)inux系統(tǒng)，運(yùn)行協(xié)議棧、設(shè)備驅(qū)動(dòng)、GPSD（Global Positioning System Daemon）、文件系統(tǒng)等底層服務(wù)模塊[8]。系統(tǒng)軟、硬件平臺(tái)構(gòu)架見(jiàn)圖3，各模塊功能見(jiàn)表1。

圖3 系統(tǒng)軟、硬件平臺(tái)架構(gòu)

3 系統(tǒng)特點(diǎn)

V2X車路協(xié)同系統(tǒng)主要用于實(shí)現(xiàn)汽車與汽車之間、汽車與交通基礎(chǔ)設(shè)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(lè)類等豐富應(yīng)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(dòng)駕駛汽車（Autonomous Vehicle,AV）等領(lǐng)域，包括但不限于碰撞避免預(yù)警、盲區(qū)檢測(cè)、緊急車輛信息通告、收費(fèi)相關(guān)應(yīng)用、商業(yè)運(yùn)營(yíng)應(yīng)用等[9]。

表1 各模塊的功能

V2X系統(tǒng)主要具備以下先進(jìn)技術(shù)和高可靠品質(zhì)的工作特點(diǎn)：

（1）點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)800 m，最高通信速率27 Mbps，具備自組網(wǎng)功能，支持車隊(duì)間可靠視頻通信功能；

（2）低時(shí)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(jí)定位精度，能實(shí)現(xiàn)道路車道識(shí)別；

（5）符合車規(guī)系列防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，滿足各種復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景要求；

（6）預(yù)警配置靈活、支持震動(dòng)、聲音、動(dòng)畫預(yù)警，可接入車裝抬頭顯示（Head Up Display,HUD）進(jìn)行道路及交通預(yù)警。

4 系統(tǒng)場(chǎng)景應(yīng)用

根據(jù)V2X技術(shù)特征，行駛在道路上的車輛會(huì)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(huì)廣播對(duì)應(yīng)的緊急情況信息。針對(duì)每個(gè)V2V、V2I場(chǎng)景進(jìn)行定義和解析，結(jié)合V2V、V2I典型應(yīng)用場(chǎng)景的大致描述，主要有以下應(yīng)用場(chǎng)景，前向碰撞預(yù)警(FCW)、交叉路口碰撞預(yù)警(ICW)、左轉(zhuǎn)輔助(LTA)、盲區(qū)預(yù)警/變道預(yù)警(BSW/LCW)、逆向超車預(yù)警(DNPW)、緊急制動(dòng)預(yù)警(EBW)、異常車輛提醒(AVW)、車輛失控預(yù)警(CLW)、道路危險(xiǎn)狀況提示(HLW)、限速預(yù)警(SLW)、闖紅燈預(yù)警(RLVW)、弱勢(shì)交通參與者碰撞預(yù)警(VRUCW)、綠波車速引導(dǎo)(GLOSA)、車內(nèi)標(biāo)牌(IVS)、前方擁堵提醒(TJW)、緊急車輛提醒(EVW)、汽車近場(chǎng)支付(VNFP)等V2V及V2I多類應(yīng)用場(chǎng)景。V2X技術(shù)整體應(yīng)用還有待開發(fā)和完善。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著時(shí)代的發(fā)展與進(jìn)步，車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已成為自動(dòng)駕駛領(lǐng)域及智能交通系統(tǒng)中不可或缺的一項(xiàng)重要技術(shù)項(xiàng)目，文章通過(guò)對(duì)基于LTE-V及DSRC的V2X車路協(xié)同系統(tǒng)技術(shù)的軟、硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行綜述分析，簡(jiǎn)明扼要的闡述了V2X系統(tǒng)高可靠、低時(shí)延的特點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)現(xiàn)今大多類應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行介紹總結(jié)，為V2X車路協(xié)同系統(tǒng)整體商業(yè)化、5G通信演進(jìn)奠定基礎(chǔ)[10]。