基于露天礦區(qū)智能駕駛場景的V2X通信技術(shù)研究及應(yīng)用

蘇 敏

（濰柴動力股份有限公司軟件研究院，山東 濰坊 261000）

0 引言

礦區(qū)場景具備封閉管理、路線固定、車輛行駛速度低、路況可控等特點，是智能駕駛最可能商業(yè)化落地的場景之一。礦區(qū)的環(huán)境與正常的路面環(huán)境存在很大差異，主要表現(xiàn)在車輛的行駛路線存在坡度，交叉路口存在感知盲區(qū)，作業(yè)面存在深度差異等。

與攝像頭或激光雷達相比，V2X擁有更廣的使用范圍，它具有突破視覺死角和跨越遮擋物的信息獲取能力，同時可以和其他車輛及設(shè)施共享實時駕駛狀態(tài)信息，還可以通過預(yù)判算法產(chǎn)生預(yù)測信息[1]。針對露天礦區(qū)場景特性，使用V2X技術(shù)協(xié)助礦車感知和規(guī)劃路徑。

1 V2 X技術(shù)研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 V2X通信協(xié)議研究現(xiàn)狀

車聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系主要包括無線和應(yīng)用兩大部分，以底層的無線通信技術(shù)區(qū)分，目前主流的兩條技術(shù)路線是C-V2X （Cellular Vehicle-to-Everything）和DSRC（Dedicated Short Range Communication），上層的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)與部署地域耦合性較大，由各國家和地區(qū)根據(jù)區(qū)域應(yīng)用特點進行制定[2]。DSRC是一種專用短距離的無線通信技術(shù)，不依賴于任何附加的基礎(chǔ)設(shè)施，從而最小化傳輸時延，但DSRC需要首先建立通信鏈路，造成較大的網(wǎng)絡(luò)開銷[3]；LTE-V2X不需要建立通信鏈路，網(wǎng)絡(luò)開銷小且穩(wěn)定性高，但是需要網(wǎng)絡(luò)中繼支持?；趦煞NV2X通信方式各有利弊，在智能駕駛領(lǐng)域需要依據(jù)不同的應(yīng)用場景和需求來選擇合理的V2X通信方式。

傳統(tǒng)的V2X通信主要以歐洲、美國以及日本推行的DSRC技術(shù)為主，該技術(shù)基于IEEE802.11協(xié)議擴充的IEEE802.11p協(xié)議，又稱車輛環(huán)境中的無線接入（Wireless Access in the Vehicular Environment，WAVE），主要應(yīng)用于車輛之間的無線通信。我國重點支持具有自主知識產(chǎn)權(quán)的C-V2X技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，C-V2X是一種基于蜂窩網(wǎng)的V2X無線通信技術(shù)，除支持車與車、車與人、車與路側(cè)基礎(chǔ)設(shè)施通過直通方式進行通信外，也包含基于云平臺的LTE連接和信息服務(wù)，因此具備提供專用短程直接通信與廣域蜂窩通信的綜合通信能力。車與車、車與人、車與路側(cè)基礎(chǔ)設(shè)施短程直接通信，可以不需要LTE網(wǎng)絡(luò)支撐，提供主動安全等低時延要求的應(yīng)用；車與云平臺則經(jīng)由LTE網(wǎng)絡(luò)提供基于云端的更加豐富的綜合信息服務(wù)。

1.2 V2X技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

我國以華為、大唐等通信公司為主導(dǎo)，提出對LTEV2X通信技術(shù)進行研究，與車企合作共同推出V2X解決方案，并在車路協(xié)同及自動駕駛領(lǐng)域進行了初步應(yīng)用國際上各項V2X技術(shù)都尚未實現(xiàn)大規(guī)模商用，一方面受制于DSRC技術(shù)的局限性，另一方面則是由V2X特殊性決定的，車輛、道路及其他設(shè)施需要增加V2X通信功能的設(shè)備才能實現(xiàn)互聯(lián)互通。

隨著V2X核心芯片、模組和終端產(chǎn)品研發(fā)基本成熟，大唐、華為、高通等企業(yè)已對外提供基于LTE-V2X的商業(yè)芯片、模組。華為、大唐、中國移動可以提供基于LTE-V2X的車載單元、路側(cè)設(shè)備以及相應(yīng)的軟件協(xié)議棧，相關(guān)終端產(chǎn)品已具備商用基礎(chǔ)。

目前針對礦區(qū)、農(nóng)田等非道路場景的V2X應(yīng)用處于初步階段，非道路場景沒有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范進行對V2X技術(shù)的約束，目前需要針對不同特定場景的不同特性，制定合適的V2X解決方案。

2 露天礦區(qū)智能駕駛場景環(huán)境特性

礦區(qū)主要分為兩大類：露天礦和地下礦，對于礦體所處的位置距離地面比較近時，選擇露天礦的形式進行開采能夠降低工作難度，提高開采效率，同時能夠增加安全系數(shù)。露天礦大多數(shù)采用凹陷式階梯狀分布，經(jīng)過層層剝離，將礦體之上的非礦物資去除，從而實現(xiàn)底層礦體的開采。在礦區(qū)開采過程中，由上至下層層剝離上層浮土及巖石，并不斷擴展采礦范圍，同時在剝離過程中需要把剝離的廢土及巖石運送到已經(jīng)完成采礦的排土區(qū)進行填充，這樣會造成在不同的深度都會有作業(yè)車輛進行作業(yè)。

2.1 礦區(qū)底層作業(yè)面網(wǎng)絡(luò)信號弱

在礦區(qū)中挖掘機從上至下進行浮土與巖石的剝離，寬體車采用無人駕駛車輛由下至上進行廢料的排卸，挖掘機與寬體車進行通信時處于會處于不同的水平面。由于露天礦區(qū)的地形會隨著開采的進行不斷地改變，會把基站設(shè)在固定的地表層，導(dǎo)致礦區(qū)底層作業(yè)面的信號較弱，從而影響通信質(zhì)量。在處于不同深度的作業(yè)面的車輛進行相互通信時會造成信號嚴(yán)重的不匹配，尤其是處于低洼處的信號較弱無法傳輸信息至較高層的作業(yè)車輛。因此需要借助V2X技術(shù)進行輔助轉(zhuǎn)發(fā)。

2.2 作業(yè)路面交叉路口

由于露天礦區(qū)整體作業(yè)面呈階梯狀分布，各作業(yè)面交匯互相連通，在交匯處的路口與道路的路口完全不同。由于各個作業(yè)面不處于同一水平面，從而使不同作業(yè)面的車輛在作業(yè)面交匯處存在視覺盲區(qū)，單純的只依賴于車輛的雷達及攝像頭是不能安全的完成會車。因此需要依賴于網(wǎng)聯(lián)功能來協(xié)助感知。

2.3 基礎(chǔ)環(huán)境頻繁改變

礦區(qū)的無人駕駛車輛是由高精地圖調(diào)度平臺依據(jù)作業(yè)面情況及車輛位置進行車輛路徑規(guī)劃及調(diào)度，從而實現(xiàn)裝載車輛與挖掘機的高效匹配。由于礦區(qū)在開采過程中，會隨著開采任務(wù)的進行作業(yè)面實時發(fā)生變化。高精地圖是依賴于地圖數(shù)據(jù)的采集，而高精地圖的采集頻率是周期性采集不能達到實時的采集效果，因此需要依賴于作業(yè)現(xiàn)場的網(wǎng)聯(lián)終端進行輔助路徑規(guī)劃與調(diào)度。

3 露天礦區(qū)智能駕駛場景V2X技術(shù)應(yīng)用

由本文的第2部分的描述可知：露天礦區(qū)存在低洼處信號覆蓋較差、作業(yè)面交叉口存在感知盲區(qū)以及作業(yè)面路況不斷改變的情況。針對露天礦區(qū)的特點設(shè)計了相對的V2X技術(shù)解決方案，露天礦區(qū)V2X技術(shù)應(yīng)用基本框架如圖1所示。

圖1 露天礦區(qū)V2X技術(shù)應(yīng)用基本框架

3.1 協(xié)助轉(zhuǎn)發(fā)

挖掘機與無人駕駛排土車除了需要通過V2V的通信方式進行協(xié)助作業(yè)，同時挖掘機會將作業(yè)面情況、調(diào)度需求通過V2N的形式將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至云平臺調(diào)度中心。由露天礦區(qū)智能駕駛場景環(huán)境特性可知，處于深處作業(yè)面的挖掘機受基站影響導(dǎo)致信號較弱不能通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸。在此情況下，需要借助V2V的直通方式將信息轉(zhuǎn)發(fā)至信號良好的車輛，信號良好的車輛將接收到的信息通過V2N的形式轉(zhuǎn)發(fā)至云平臺。實現(xiàn)信息轉(zhuǎn)發(fā)需要修改原有的廣播的數(shù)據(jù)格式，在原始的DSM廣播信息格式[4]中加入轉(zhuǎn)發(fā)標(biāo)志位，接收到廣播信息的車輛根據(jù)判斷標(biāo)志位來判斷是否需要轉(zhuǎn)發(fā)至云平臺。信息格式示意圖如圖2所示。

圖2 信息廣播數(shù)據(jù)格式

3.2 協(xié)助感知

在礦區(qū)作業(yè)面交匯口存在感知盲區(qū)，通過V2V直通方式廣播到周圍車輛，從而實現(xiàn)協(xié)助感知功能。

車載V2X終端能夠與周圍不同V2X終端交換車輛安全狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過廣播將自身所在車輛的實時狀態(tài)包括車輛ID，車輛尺寸、車輛類別、位置信息、方向、車速、加速度、轉(zhuǎn)向角速度、剎車狀態(tài)信息告知周圍車輛。車輛根據(jù)接收到的廣播信息結(jié)合車端感知信息進行信息融合，從而作出正確決策。

3.3 輔助路徑規(guī)劃及調(diào)度

礦區(qū)作業(yè)面會隨著開采作業(yè)的進行不斷改變，云平臺的高精地圖更新頻率大于作業(yè)面變化頻率。云平臺根據(jù)高精地圖對自動駕駛寬體車進行全局路徑規(guī)劃，如果高精地圖沒有及時更新作業(yè)面的變化可能會導(dǎo)致錯誤的全局路徑規(guī)劃。所以，需要借助V2X網(wǎng)聯(lián)設(shè)備將整車上的高清圖片信息及作業(yè)面情況上傳至云平臺，云平臺根據(jù)V2X設(shè)備上傳的信息進行綜合評估，優(yōu)化全局路徑；另外，也可以將最新的作業(yè)面信息廣播至附近車輛協(xié)助車輛進行局部的路徑規(guī)劃。

4 結(jié)束語

V2X技術(shù)對露天礦區(qū)智能網(wǎng)聯(lián)的應(yīng)用起著至關(guān)重要的作用。V2X技術(shù)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)車輛與車輛、車輛與路側(cè)設(shè)備以及車輛與云端通信的功能，還能擴展車輛對環(huán)境的感知范圍，能協(xié)助動態(tài)變化的場景進行路徑規(guī)劃的功能。