基于5G+C-V2X的園區(qū)出行解決方案

許幸榮，劉 琪，宋 蒙（中國聯(lián)通智能城市研究院，北京 100048）

0 前言

車聯(lián)網(wǎng)是指通過5G和C-V2X通信技術(shù)實現(xiàn)車與車、路邊基礎(chǔ)設(shè)施、行人以及互聯(lián)網(wǎng)之間通信和數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)車輛智能控制、交通智能管理以及動態(tài)信息交互的綜合化一體網(wǎng)。車聯(lián)網(wǎng)的提出和發(fā)展，可以在很大程度上提升交通網(wǎng)絡(luò)的安全水平、交通效率和環(huán)保水平，并有可能徹底改變?nèi)藗兾磥淼某鲂心Ｊ?，是實現(xiàn)智慧城市和綠色城市的有效途徑之一［1］。車聯(lián)網(wǎng)（智能網(wǎng)聯(lián)）產(chǎn)業(yè)受政策、資金和技術(shù)三重因素疊加驅(qū)動，尤其是5G商用時代提前來臨，給車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)爆發(fā)提供了良好契機。工信部在《車聯(lián)網(wǎng)（智能網(wǎng)聯(lián)汽車）產(chǎn)業(yè)發(fā)展年行動計劃》中，明確提出到2020年，車聯(lián)網(wǎng)用戶滲透率達到30%以上，新車駕駛輔助系統(tǒng)（L2）搭載率達到30%以上，聯(lián)網(wǎng)車載信息服務(wù)終端的新車裝配率達到60%以上，構(gòu)建涵蓋信息服務(wù)、安全與能效應(yīng)用等的綜合應(yīng)用體系。

截至2019年10月31日，我國已經(jīng)初步建成了16個國家級智能網(wǎng)聯(lián)汽車測試示范區(qū)，同時推動開放路試工作。據(jù)不完全統(tǒng)計，全國共有20余個省、市、區(qū)出臺了智能網(wǎng)聯(lián)汽車測試管理規(guī)范或?qū)嵤┘殑t，其中有20多個城市發(fā)出測試牌照，牌照數(shù)量總計近300張［2］。國家層面推動的國家級智能網(wǎng)聯(lián)示范區(qū)建設(shè)，加速了5G+車聯(lián)網(wǎng)的商業(yè)化進程。

但目前來看整個車聯(lián)網(wǎng)商業(yè)模式仍然處于設(shè)計階段，尚需進行有效驗證，主要存在用戶需求不強烈、投資規(guī)模巨大、運營模式不清晰三大挑戰(zhàn)［3］。要實現(xiàn)普遍意義的自動駕駛，將是長期過程，可能需要20年，甚至30年的發(fā)展歷程。但是短周期來看，封閉和半封閉場景的園區(qū)出行、礦卡自動駕駛、港口車輛自動駕駛因其行駛路線、路況、網(wǎng)絡(luò)條件等相對穩(wěn)定，交通主體相對固定，重復(fù)性高并且可通過獨立的園區(qū)云端平臺協(xié)同調(diào)度。因此園區(qū)出行的應(yīng)用落地具備明顯的先發(fā)優(yōu)勢，此外園區(qū)的運營主體相對明確、商業(yè)模式相對清晰、目前來看面向封閉場景的交通出行場景，可以快速形成可復(fù)制、推廣的商業(yè)模式。

1 業(yè)務(wù)分析

首鋼冬奧園區(qū)共占地2.91 km2，建筑面積182萬m2，是北京2022年冬奧會和冬殘奧會組織委員會駐地，也是北京2022年冬奧會正式比賽項目—單板滑雪大跳臺比賽所在地和多項世界級體育賽事所在地，還是短道速滑、花樣滑冰、冰壺、冰球、攀巖、滑板等國家級訓(xùn)練場地。2018年10月中國聯(lián)通和首鋼集團完成戰(zhàn)略合作伙伴簽約，將聯(lián)手把首鋼園區(qū)打造成國內(nèi)首個5G示范園區(qū)，并在建設(shè)5G產(chǎn)業(yè)園區(qū)、推動智慧園區(qū)規(guī)劃設(shè)計和示范應(yīng)用、自動駕駛等方面展開戰(zhàn)略合作［4］。目前中國聯(lián)通已經(jīng)在首鋼園北區(qū)完成5G網(wǎng)絡(luò)全覆蓋。首鋼園區(qū)作為國家級訓(xùn)練場和冬奧會比賽所在地，在比賽期間會有大量的工作人員、運動員、觀眾等承載接駁車、小轎車出行，同時也會有日用品采購和派送需求。此外在園區(qū)清潔管理上也面臨著一些挑戰(zhàn)，尤其是比賽大都集中在冬季，采用傳統(tǒng)的人工清掃模式，長時間在戶外低溫環(huán)境下工作也會對環(huán)衛(wèi)工人身體產(chǎn)生傷害，增大清潔成本?；谝陨暇C合分析，作為典型的大規(guī)模體育賽事園區(qū)，首鋼園區(qū)交通出行的業(yè)務(wù)示范作用有助于園區(qū)交通出行模式的復(fù)制和推廣。

經(jīng)過對首鋼冬奧園區(qū)的場地、比賽特點分析，本文認為首鋼冬奧園區(qū)的典型無人駕駛業(yè)務(wù)的需求特點如表1所示。

車聯(lián)網(wǎng)按業(yè)務(wù)類型可以分為汽車行駛安全、交通效率提升和信息服務(wù)三大類。3GPP TR 22.885提供了27個典型的應(yīng)用場景，其中針對交通安全的有包括碰撞預(yù)警、車輛失控預(yù)警、行人防碰撞等13個應(yīng)用場景，車輛協(xié)作巡航、道路排隊信息、車輛遠程診斷等14個為車輛提供信息服務(wù)和提升交通效率的應(yīng)用場景［9］。根據(jù)3GPP TR22.886中發(fā)布的對5G-V2X定義的25種應(yīng)用場景（主要實現(xiàn)自動駕駛功能如高級駕駛、車輛編隊行駛、遠程駕駛、擴展傳感器傳輸?shù)龋?］。

表1 首鋼園區(qū)典型無人駕駛業(yè)務(wù)需求

根據(jù)園區(qū)出行需求和車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)特征，表2和表3分別給出了園區(qū)典型出行業(yè)務(wù)對通信時延、可靠性、定位等的指標要求［5-6］。

表2 園區(qū)智慧出行對智能駕駛類業(yè)務(wù)技術(shù)要求

2 系統(tǒng)架構(gòu)

本方案面向首鋼冬奧園區(qū)交通出行業(yè)務(wù)場景，利用5G和V2X技術(shù)、車路協(xié)同技術(shù)、高精度定位技術(shù)、遠程駕駛技術(shù)、車輛主動安全技術(shù)以及AR技術(shù)，構(gòu)建5G+C/V2X園區(qū)出行“人-車-路-網(wǎng)-云”一體化系統(tǒng)，提高園區(qū)交通出行效率、降低能源消耗，提高園區(qū)的綜合管理效率。系統(tǒng)架構(gòu)分為4層：端層、網(wǎng)絡(luò)層和平臺層和應(yīng)用層。系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

2.1 終端層

終端層包括車載終端（OBU）、路側(cè)單元（RSU）、路側(cè)感知設(shè)施（攝像頭、雷達等）和路側(cè)交通基礎(chǔ)設(shè)施（信號燈、指示牌等）。RSU和OBU具備基于V2X直連通信能力、本地數(shù)據(jù)存儲和處理、駕駛環(huán)境信息感知能力。OBU可以將車輛自身情況通過V2X通信實時傳遞給周圍的車輛和RSU，RSU可以對接路側(cè)基礎(chǔ)設(shè)施，能夠接收和處理從路側(cè)基礎(chǔ)設(shè)施傳遞的信息，也可將云端信息和路側(cè)交通信息通過V2X下發(fā)給車端。此外RSU和OBU都集成了5G通信能力，可以與云端實時通信。車和基礎(chǔ)設(shè)施之間協(xié)同感知與協(xié)同控制，促進智能交通信息感知、管理控制、車輛智能化控制和實時動態(tài)信息服務(wù)。

表3 園區(qū)智慧出行車路協(xié)同類業(yè)務(wù)技術(shù)要求

圖1 園區(qū)智慧出行系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層包括核心網(wǎng)絡(luò)、邊緣網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)三大部分。核心網(wǎng)絡(luò)主要支撐云平臺的通信，提供數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)、應(yīng)用、安全和隱私保護等業(yè)務(wù)能力和業(yè)務(wù)應(yīng)用；邊緣云具備多接入能力和本地業(yè)務(wù)處理能力：能夠接收和處理多來源感知信息，能夠根據(jù)業(yè)務(wù)需求輸出本地業(yè)務(wù)控制策略，并輸出給車載子系統(tǒng)和路側(cè)單，實現(xiàn)業(yè)務(wù)下沉，降低網(wǎng)絡(luò)傳輸時延。邊緣云還可以通過網(wǎng)絡(luò)切片保證不同的業(yè)務(wù)流服務(wù)能力，鑒權(quán)與認證機制保證車聯(lián)網(wǎng)通信的安全性。無線網(wǎng)絡(luò)主要支撐車載終端、路側(cè)終端和智能手機的通信。

2.3 平臺層

為了便于園區(qū)交通運營的統(tǒng)一化、規(guī)范化管理，需要在云端建立統(tǒng)一的園區(qū)出行管理云平臺，云平臺基于車端和路側(cè)感知得到信息，進行融合分析后，面向不同應(yīng)用場景提供聯(lián)合決策和協(xié)同控制，實現(xiàn)編隊、遠程駕駛、自動駕駛、路況監(jiān)控的業(yè)務(wù)管理。云平臺作為應(yīng)用的總?cè)肟?，承接各類信息回傳和指令下發(fā)，需要對網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量進行全方位監(jiān)測，實時為業(yè)務(wù)規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)路徑，提供可靠的保障。根據(jù)功能的不同，可以分為4個子平臺。分別是：地圖和定位服務(wù)平臺、自動駕駛服務(wù)平臺、車路協(xié)同平臺、綜合管理平臺。

基礎(chǔ)地圖與定位服務(wù)平臺匯聚車端、路端動態(tài)數(shù)據(jù)，并在云端結(jié)合高靜態(tài)地圖數(shù)據(jù)，完成動態(tài)信息的清洗、分類、計算及靜態(tài)地圖數(shù)據(jù)的匹配計算，為自動駕駛車輛提供高精度動態(tài)交通信息服務(wù)、高精度位置服務(wù)、動態(tài)信息態(tài)勢服務(wù)及高精度地圖數(shù)據(jù)編譯和發(fā)布服務(wù)。自動駕駛服務(wù)平臺充分利用5G+V2X技術(shù)實現(xiàn)對自動駕駛車輛的遠程駕駛、智能調(diào)度、路徑規(guī)劃、自動報警、智能預(yù)測、數(shù)據(jù)分析等功能。車路協(xié)同平臺利用5G+V2X網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對車載設(shè)備、路側(cè)單元、MEC平臺的通信和管理；具備全局數(shù)據(jù)接收，存儲處理、分發(fā)能力，負責(zé)全局信息感知以及全局業(yè)務(wù)策略控制?？蓪崿F(xiàn)智能信號服務(wù)、道路環(huán)境監(jiān)控、流量分析、基礎(chǔ)設(shè)施故障監(jiān)控等功能。綜合管理平臺包括用戶管理功能、車輛調(diào)度管理功能、終端管理功能。

2.4 應(yīng)用層

應(yīng)用層主要包括無人接駁擺渡、無人物流派送、無人清掃等基于5G+V2X的園區(qū)典型低速出行業(yè)務(wù)。園區(qū)無人車均具備自動駕駛、自動避障、路況識別、自主停靠、能源監(jiān)控、自動預(yù)警、遠程接管等能力。無人接駁擺渡主要滿足園區(qū)人流出行業(yè)務(wù)的需求，可以實現(xiàn)循跡行駛、遠程預(yù)約等功能。無人物流派送主要滿足園區(qū)派送類業(yè)務(wù)的需求，可以實現(xiàn)巡航配送、定制配送、快速配送等功能。無人清掃業(yè)務(wù)主要滿足園區(qū)清掃作業(yè)任務(wù)需求，可以實現(xiàn)自主清掃、不同清潔模式切換等功能。

3 解決方案

3.1 無人接駁擺渡解決方案

根據(jù)無人接駁擺渡應(yīng)用場景的需求特點，無人接駁擺渡解決方案在園區(qū)智慧出行系統(tǒng)整體架構(gòu)下，需要在以下幾個核心組件做差異化設(shè)置。整體解決方案如圖2所示。

圖2 無人接駁擺渡解決方案

車載智能終端：自動駕駛車輛中的智能車載終端除了可以實現(xiàn)車輛的自動駕駛功能如車速控制、航向控制、車輛自動直道/彎道行駛、自動車輛跟隨、自動緊急制動功能外，還具備5G和C-V2X通信能力；5G通信能力可以實現(xiàn)車周和車內(nèi)視頻的實時回傳以及高精度地圖的下載。C-V2X通信能力可以讓車實時接收路側(cè)RSU下發(fā)的路況信息、交通基礎(chǔ)信息，識別紅綠燈、自動避讓障礙物及行人，對于異常路段能夠自動避讓、對擁堵或異常路況實現(xiàn)預(yù)警，實現(xiàn)協(xié)作式安全駕駛。

邊緣云平臺：在邊緣網(wǎng)絡(luò)側(cè)部署邊緣云平臺，通過對接車路協(xié)同平臺可以匯聚多源環(huán)境數(shù)據(jù)和V2X各類應(yīng)用數(shù)據(jù)并進行深入分析、挖掘，提取關(guān)鍵信息，作出決策，并將決策指令及時推送到車載單元和路側(cè)單元，提供實時的安全、高效的駕駛體驗。此外，通過MEC邊緣計算技術(shù)應(yīng)用動態(tài)下載地圖，減少時延并降低對核心網(wǎng)傳輸帶寬壓力，同時當(dāng)車輛傳感器檢測到偏差，地圖必須能夠?qū)崟r更新，傳回給MEC云平臺［10］。

無人接駁擺渡云平臺主要實現(xiàn)乘車管理、車輛管理和運營管理三大功能。

招標的過程中，政府經(jīng)常會綜合考慮到項目的各個方面的因素，但是常常以經(jīng)濟為重要的選擇因素，因此也會有公司在招標過程中一味壓低價格奪標，但是接手工程后沒有達到預(yù)期的經(jīng)濟效益，便開始在合同規(guī)定的元素中投機取巧，甚至隨意變更項目要求和規(guī)定，不按照既定的程序走，也是直接關(guān)乎到項目質(zhì)量的重要因素。

乘車管理模塊可通過小程序等方式開放給乘客。可以實現(xiàn)乘客注冊、登陸等基礎(chǔ)信息管理，車輛的軌跡查詢、距離當(dāng)前位置最近可乘車的站臺、歷史乘車記錄查詢等查詢功能；用戶可實現(xiàn)接駁車的整車或座位的在線預(yù)定和支付，云平臺會通過車輛調(diào)度模塊實現(xiàn)車輛分配，并發(fā)送車輛和座位信息及乘車二維碼給乘客，乘客在乘車前出具二維碼實現(xiàn)快速乘車。對于非預(yù)定用戶，也可在站臺掃描支付并乘車。

車輛管理模塊主要實現(xiàn)對車輛的調(diào)度管理、狀態(tài)監(jiān)控、信息發(fā)布控制等。車輛的調(diào)度管理根據(jù)用戶的實時預(yù)定需求量和車輛的運行情況為各個站臺和乘客分配車輛。此外該模塊還可以對接遠程駕駛平臺，當(dāng)車輛出現(xiàn)行駛故障時實現(xiàn)遠端接管。車輛管理模塊還可以實時監(jiān)控運行車輛的能量、車內(nèi)客流、環(huán)境、危險等情況，在識別到危險情況后可快速采取預(yù)案。此外，車輛管理模塊還通過對接園區(qū)賽況平臺、天氣預(yù)報信息、娛樂廣告平臺等，可在車輛內(nèi)滾動播放園區(qū)賽事、天氣情況及娛樂信息等。

運營管理模塊主要實現(xiàn)園區(qū)地圖采集、車輛站點的設(shè)置、充電設(shè)置等，并通過對車輛管理模塊、乘車管理模塊實時信息的統(tǒng)計分析，支撐系統(tǒng)準確、高效運行。

3.2 無人物流派送

根據(jù)無人物流派送應(yīng)用場景的需求特點，無人物流派送解決方案在智能車載終端（智能駕駛，5G+CV2X通信能力）、邊緣云平臺功能和中心云平臺的功能與無人接駁擺渡車的功能有共同之處，本段落不再贅述。圖3給出了無人物流派送的使用場景和流程。包括寄貨人車輛預(yù)約、寄件&支付、車輛配送、收貨人取貨等流程。

圖3 無人物流派送業(yè)務(wù)場景圖

其中在付費方式上有2種選擇：預(yù)支付方式和到付方式。圖3所示為預(yù)支付方式，寄件人完成貨物寄存后，平臺將收款鏈接推送給收件人，收件人完成在線支付后，平臺下發(fā)取貨碼給收件人。平臺也可待車輛到達收件人目的地后，通過車載顯示屏顯示收款二維碼，收件人支付完成后打開車門取貨。

3.3 無人清掃

無人清掃車解決方案對車端智能終端（智能駕駛，5G+C-V2X通信能力）、邊緣云平臺的需求和其他場景類似，但是該車屬于工程車輛，不屬于面向公眾的消費車輛，因此在云平臺的功能模塊上與無人接駁擺渡解決方案、無人派送解決方案會有所區(qū)別。無人清掃車解決方案的云平臺主要包括用車管理和運營管理。

工作業(yè)務(wù)流程如圖4所示，分為車輛管理員觸發(fā)（管理員發(fā)起清掃作業(yè)需求）和車輛觸發(fā)（車輛和平臺發(fā)起，需要平臺和人工干預(yù)）。

車輛管理員觸發(fā)流程主要指，車輛管理將需要清掃的作業(yè)需求通過小程序?qū)崟r發(fā)送給云平臺，云平臺根據(jù)需求和當(dāng)下的作業(yè)情況，完成作業(yè)任務(wù)安排并將結(jié)果傳遞給車輛管理員，而接到作業(yè)任務(wù)的車輛則會按照平臺指定的時間、地點自動駕駛前往并執(zhí)行清掃作業(yè)。同時平臺和車輛還可以設(shè)置日、夜不同的清掃模式，還可以根據(jù)當(dāng)日園區(qū)客流大小科學(xué)地調(diào)整作業(yè)任務(wù)和排期，保障園區(qū)出行效率不受影響。

圖4 無人清掃作業(yè)流程圖

4 結(jié)束語

在5G商業(yè)化快速落地和車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，智慧交通的建設(shè)已成為國家的重點發(fā)展戰(zhàn)略，智慧園區(qū)的交通建設(shè)因其行使路線相對穩(wěn)定、交通主體相對固定、建設(shè)運營主體相對明確有助于快速建立商業(yè)模式、并實現(xiàn)商業(yè)化落地。對未來的智慧城市的智慧交通商業(yè)化落地有重要的參考意義。

此外，本方案依托于科技部2019年重點研發(fā)計劃支持的科技冬奧“面向冬奧的高效、智能車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究及示范”重點專項項目，項目組將在首鋼園區(qū)的測試賽和冬奧會正式賽期間開展智能車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)示范，不僅僅可以為冬奧會的運動員、觀眾等所有園區(qū)出行者提供安全、便捷、綠色的出行方式，還可以將“5G+V2X園區(qū)智慧出行”打造成冬奧會的一張名片，向全世界人民展示中國的科技實力，并以此契機，打造示范性園區(qū)交通出行示范工程，推動其在智慧交通領(lǐng)域的大規(guī)模復(fù)制和應(yīng)用。