V2X車路協(xié)同系統(tǒng)設(shè)計方案綜述

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(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，感知融合在自動駕駛領(lǐng)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(luò)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(shù)的逐步落地實施必將大力推動汽車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，簡稱V2V）、車輛與基礎(chǔ)設(shè)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(shè)施之間的信息交互，輔助車輛實現(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(lǐng)域起到“保駕護航”的作用。

2 V2X軟、硬件構(gòu)架設(shè)計

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)用層三個層次，每一層均實現(xiàn)不同的功能支撐，三個層次結(jié)構(gòu)有序配合，實現(xiàn)車路協(xié)同各種應(yīng)用場景[4]。其中，物理設(shè)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(shè)備驅(qū)動軟件等；系統(tǒng)層和應(yīng)用層為軟件層，實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理和預(yù)定義應(yīng)用場景服務(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)用場景的平穩(wěn)運行。

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)備安置于移動車輛中，獲取移動車輛的狀態(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(cè)設(shè)備的配件，通過網(wǎng)口通信，用于行人檢測相關(guān)場景[6]。

圖1 V2X車路協(xié)同系統(tǒng)硬件構(gòu)成

通過車載設(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)計以實現(xiàn)多車接入共用。預(yù)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(yù)警的觸發(fā)參數(shù)在設(shè)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(gòu)架可劃分為三個層次：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，實現(xiàn)設(shè)備所有數(shù)據(jù)的輸入和輸出，主要由無線消息服務(wù)（Wireless Message Service,WMS）、時鐘位置服務(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，實現(xiàn)無線數(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?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)對輸入數(shù)據(jù)的整合、處理，并分發(fā)至應(yīng)用層，同時為應(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）、無線消息處理(Wireless Message Handler,WMH）、目標(biāo)分類（Target Classification,TC）、人機交互接口(DVINotifier)四大模塊組成。SDH模塊主要負(fù)責(zé)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(yù)測數(shù)據(jù)。WMH模塊主要負(fù)責(zé)無線消息的編解碼等處理工作，同時為應(yīng)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(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)對無線消息進行編解碼；無線消息調(diào)度器按照相應(yīng)的調(diào)度規(guī)則對無線消息進行調(diào)度發(fā)送（預(yù)留）；提供無線消息發(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(wù)。TC模塊主要負(fù)責(zé)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(chǔ)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(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)實現(xiàn)常見的安全應(yīng)用，實現(xiàn)影響車輛安全的危險判別和輸出，主要有安 全 應(yīng)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(yīng)用場景子模塊，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)判別對應(yīng)的危險，并輸出預(yù)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(yīng)用，比如用戶自定義的語音、視頻應(yīng)用等，與原有應(yīng)用也相互獨立。TA模塊負(fù)責(zé)接收所有應(yīng)用場景輸出的預(yù)警信息，并按照相應(yīng)的規(guī)則對預(yù)警信息進行調(diào)度、仲裁，挑選出最緊急的預(yù)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(guān)，針對不同的硬件平臺，按照預(yù)先設(shè)定的接口替換該層軟件，安全應(yīng)用之間相互獨立。

2.3 系統(tǒng)平臺

為支撐整個系統(tǒng)運行的平臺，在底層的硬件設(shè)備之上為Linux系統(tǒng)，運行協(xié)議棧、設(shè)備驅(qū)動、GPSD（Global Positioning System Daemon）、文件系統(tǒng)等底層服務(wù)模塊[8]。系統(tǒng)軟、硬件平臺構(gòu)架見圖3，各模塊功能見表1。

圖3 系統(tǒng)軟、硬件平臺架構(gòu)

3 系統(tǒng)特點

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(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、緊急車輛信息通告、收費相關(guān)應(yīng)用、商業(yè)運營應(yīng)用等[9]。

表1 各模塊的功能

V2X系統(tǒng)主要具備以下先進技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)，滿足各種復(fù)雜應(yīng)用場景要求；

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

4 系統(tǒng)場景應(yīng)用

根據(jù)V2X技術(shù)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(yīng)的緊急情況信息。針對每個V2V、V2I場景進行定義和解析，結(jié)合V2V、V2I典型應(yīng)用場景的大致描述，主要有以下應(yīng)用場景，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)、緊急制動預(yù)警(EBW)、異常車輛提醒(AVW)、車輛失控預(yù)警(CLW)、道路危險狀況提示(HLW)、限速預(yù)警(SLW)、闖紅燈預(yù)警(RLVW)、弱勢交通參與者碰撞預(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)、汽車近場支付(VNFP)等V2V及V2I多類應(yīng)用場景。V2X技術(shù)整體應(yīng)用還有待開發(fā)和完善。

5 結(jié)束語

隨著時代的發(fā)展與進步，車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已成為自動駕駛領(lǐng)域及智能交通系統(tǒng)中不可或缺的一項重要技術(shù)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(shù)的軟、硬件架構(gòu)設(shè)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(yīng)用場景進行介紹總結(jié)，為V2X車路協(xié)同系統(tǒng)整體商業(yè)化、5G通信演進奠定基礎(chǔ)[10]。