國(guó)家級(jí)車聯(lián)網(wǎng)先導(dǎo)區(qū)的 V2X車路協(xié)同架構(gòu)研究及應(yīng)用探索

朱曦寧 楊輝 翟英鴻 張創(chuàng)

【摘要】? ? 車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)是電子信息通信、道路交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)深度融合的新興產(chǎn)業(yè)，也是全球創(chuàng)新的熱點(diǎn)，是未來(lái)5G賦能行業(yè)的重點(diǎn)方向。傳統(tǒng)自動(dòng)駕駛等智慧交通技術(shù)的發(fā)展依賴于車廠主導(dǎo)的單車智能技術(shù)研發(fā)，存在感知盲區(qū)和算力受限的瓶頸，而車路協(xié)同是解決單車智能技術(shù)發(fā)展瓶頸的根本手段。本文依托國(guó)家級(jí)車聯(lián)網(wǎng)先導(dǎo)區(qū)建設(shè)運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，重點(diǎn)分析5G引入對(duì)車聯(lián)網(wǎng)的影響，探究車路協(xié)同的整體架構(gòu)、硬件設(shè)計(jì)、場(chǎng)景應(yīng)用等。

【關(guān)鍵詞】? ? 車路協(xié)同? ? V2X? ? 車聯(lián)網(wǎng)

引言：

隨著5G時(shí)代到來(lái)，C-V2X路線逐漸明確，5G和邊緣計(jì)算給車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用帶來(lái)了更多的可能。車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)是電子信息通信、道路交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)深度融合的新興產(chǎn)業(yè)，也是全球創(chuàng)新的熱點(diǎn)，對(duì)現(xiàn)階段相關(guān)技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用等的研究具有一定價(jià)值。本文主要依托國(guó)家車聯(lián)網(wǎng)先導(dǎo)區(qū)試點(diǎn)情況，總結(jié)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)車路協(xié)同系統(tǒng)架構(gòu)、部署方案及應(yīng)用場(chǎng)景等進(jìn)行探討。

一、系統(tǒng)架構(gòu)

傳統(tǒng)智能交通主要圍繞單車智能技術(shù)進(jìn)行研發(fā)，如輔助駕駛，碰撞安全系統(tǒng)等。但單車智能依賴于車輛自身的傳感器和計(jì)算處理能力，存在感知盲區(qū)、算力有限、協(xié)同性弱等問(wèn)題。為從根本上解決基于傳統(tǒng)單車智能的自動(dòng)駕駛技術(shù)存在的問(wèn)題，需要結(jié)合5G通信、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能車聯(lián)，打造車路協(xié)同的智慧交通?，F(xiàn)階段采用的車路協(xié)同架構(gòu)如下圖所示，主要分為4個(gè)層級(jí)：

基礎(chǔ)設(shè)施層：車輛集成的5G通信模塊、車載傳感器，路側(cè)部署的各種傳感器、攝像頭、RSU等，以及GPS視覺(jué)感知融合的高精度定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛、道路環(huán)境數(shù)據(jù)的感知收集和基礎(chǔ)計(jì)算功能。

網(wǎng)絡(luò)層：連接車輛、路側(cè)傳感器、MEC等設(shè)備，利用5G高速率、低時(shí)延、海量連接的特性實(shí)現(xiàn)環(huán)境信息、車輛信息、控制信息的實(shí)時(shí)傳輸。

平臺(tái)層：在采集數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)道路、基礎(chǔ)設(shè)施、車輛等信息的匯集，構(gòu)建五維時(shí)空模型（三維+時(shí)間+環(huán)境），實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)相關(guān)應(yīng)用決策的制定與下發(fā)。

應(yīng)用層：承載具體應(yīng)用，為政府、車企、大眾等提供個(gè)性化的平臺(tái)接入能力和應(yīng)用服務(wù)。

1.1網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

車聯(lián)網(wǎng)以車輛信息交互為核心，通過(guò)C-V2X網(wǎng)絡(luò)形成車-車（V2V）、車-路（V2I）、車-人（V2P）等之間協(xié)同感知、決策與控制。核心包括V2X網(wǎng)絡(luò)、路側(cè)單元、車載終端、云平臺(tái)等。得益于5G網(wǎng)絡(luò)的引入，車聯(lián)網(wǎng)的實(shí)時(shí)性、可靠性得到保障，融合大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)后，車路協(xié)同的智慧交通能力可以得到大幅提升。具體端到端架構(gòu)如圖：

1.2 V2X平臺(tái)

1.2.1 V2X平臺(tái)功能

V2X是車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的核心，通過(guò)車-車（V2V）、車-路（V2I）、車-人（V2P）、車-云（V2N）等信息交互和共享，使車和周圍環(huán)境協(xié)同與配合，實(shí)現(xiàn)智能交通管理控制、車輛智能化控制和智能動(dòng)態(tài)信息服務(wù)的一體化網(wǎng)絡(luò)。V2X平臺(tái)的核心功能通過(guò)V2X服務(wù)器實(shí)現(xiàn)，主要包括V2X服務(wù)、車路協(xié)同策略、交通及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)獲取推送及MEC功能。并與外部交通數(shù)據(jù)平臺(tái)如交通大數(shù)據(jù)平臺(tái)、交通設(shè)備管理系統(tǒng)、車企聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、交通監(jiān)控平臺(tái)等實(shí)現(xiàn)互通。

1.2.2多級(jí)V2X平臺(tái)部署

針對(duì)路側(cè)智能感知的海量、超低時(shí)延數(shù)據(jù)計(jì)算與傳輸需求，具體部署建議采用分級(jí)的方式進(jìn)行，分層提供不同的服務(wù)能力：

V2X中心平臺(tái)提供終端管理、用戶管理、計(jì)費(fèi)管理、業(yè)務(wù)管理、安全管控功能，具有全局管理、數(shù)據(jù)分析以及跨區(qū)域業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)調(diào)度能力;

V2X區(qū)域平臺(tái)提供區(qū)域終端數(shù)據(jù)接入、區(qū)域交通數(shù)據(jù)匯聚、區(qū)域交通數(shù)據(jù)分析、邊緣節(jié)點(diǎn)資源調(diào)度等功能，并為第三方應(yīng)用廠商提供應(yīng)用托管;

V2X邊緣節(jié)點(diǎn)提供車輛終端實(shí)時(shí)接入、路側(cè)傳感數(shù)據(jù)融合計(jì)算、分析及邊緣側(cè)應(yīng)用托管等功能，同時(shí)，支持邊緣節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)同步、計(jì)算協(xié)同、業(yè)務(wù)連續(xù)性保持等能力，以滿足V2X邊緣側(cè)業(yè)務(wù)需求。

各級(jí)平臺(tái)除支撐紅綠燈信息推送、交通事件提醒等輔助駕駛應(yīng)用外，三級(jí)平臺(tái)協(xié)同可實(shí)現(xiàn)更高等級(jí)的自動(dòng)駕駛。

1.3路側(cè)智能設(shè)備

路側(cè)智能設(shè)備包括路側(cè)通信單元（RSU）、道路智能感知交通基礎(chǔ)施（傳感器等）、智能交通基礎(chǔ)設(shè)施（信號(hào)機(jī)等）。其中RSU是部署在路側(cè)的通信網(wǎng)關(guān)，匯集道路智能感知設(shè)備和智能交通基礎(chǔ)設(shè)施的信息，上傳至V2X平臺(tái)并將交通信息下發(fā)至車輛。

1.4車載終端

車載終端（OBU）主要實(shí)現(xiàn)信息的采集、處理和通信，同樣也支持移動(dòng)蜂窩網(wǎng)Uu口和PC5直連。一般通過(guò)Uu口與V2X平臺(tái)互聯(lián)，通過(guò)PC5口與RSU相連。OBU可上傳車輛位置等信息至V2X平臺(tái)，V2X平臺(tái)下發(fā)交通信號(hào)、路況、控制等信息至車輛，OBU還可以通過(guò)PC5接口獲取RSU的廣播數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)紅綠燈信息推送、車速引導(dǎo)等車路協(xié)同應(yīng)用場(chǎng)景。

1.5 C-V2X網(wǎng)絡(luò)

C-V2X是基于蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)的車用無(wú)線通信技術(shù)，車路協(xié)同中常用的通信有兩種方式，基于直連和基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)。基于直連方式的通信：RSU基于直連信道（采用PC5接口）與其附近（視距覆蓋范圍內(nèi)）搭載了V2X OBU的車輛進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)車路協(xié)同。車輛間也可通過(guò)PC5口進(jìn)行通信，受益于直連方式，可以實(shí)現(xiàn)低時(shí)延、高可靠事關(guān)的特性。基于4/5G網(wǎng)絡(luò)的通信：RSU、車輛均通過(guò)4/5G信道（采用Uu接口）與V2X平臺(tái)相連，實(shí)現(xiàn)車路協(xié)同通信。此方式借助覆蓋良好的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)更大范圍的可靠通信，但移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延方面需要進(jìn)行優(yōu)化。V2X路側(cè)終端一般采用連續(xù)覆蓋鋪設(shè)方式打造車路協(xié)同網(wǎng)，根據(jù)現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)，按約400米間距部署RSU可實(shí)現(xiàn)PC5全程V2X通信功能，但暫無(wú)系統(tǒng)性部署規(guī)范。在實(shí)際項(xiàng)目中，RSU路側(cè)單元的部署應(yīng)考慮業(yè)務(wù)和路段環(huán)境等多方面的影響。

二、應(yīng)用探索

車路協(xié)同的發(fā)展方向是推進(jìn)交通管理信息進(jìn)一步開(kāi)放，融合智慧交通管理系統(tǒng)與C-V2X技術(shù)，促進(jìn)車聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)與城市大數(shù)據(jù)中心互聯(lián)互通，建立“人-車-路-云”協(xié)同的城市智慧交通體系建設(shè)，改善交通出行體驗(yàn)。目前較典型的應(yīng)用有以下幾種。1.道路危險(xiǎn)狀況提示：通過(guò)路側(cè)感知設(shè)備探測(cè)到道路存在潛在危險(xiǎn)狀況，如橋下存在較深積水、路面有深坑、前方急轉(zhuǎn)彎等，路側(cè)單元（RSU）周期性對(duì)外廣播道路危險(xiǎn)狀況提示信息，車輛依據(jù)自身位置信息和危險(xiǎn)狀況提示信息，對(duì)駕駛員進(jìn)行預(yù)警。2.弱勢(shì)交通參與者碰撞預(yù)警：車輛在行駛中因視線盲區(qū)與周邊弱勢(shì)交通參與者存在碰撞危險(xiǎn)時(shí)，應(yīng)用將對(duì)車輛駕駛員或行人進(jìn)行預(yù)警。主要有行進(jìn)視覺(jué)盲區(qū)預(yù)警和倒車盲區(qū)預(yù)警兩個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景，此場(chǎng)景要求車輛及行人具備短程通信能力。3.遠(yuǎn)程駕駛：車內(nèi)攝像頭和傳感器作為駕駛員的感知采集設(shè)備，借助5G車聯(lián)網(wǎng)的低時(shí)延、大帶寬，通過(guò)實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)視頻的回傳及控制信息的下發(fā)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程駕駛?？梢詰?yīng)用在救災(zāi)、搶修等特殊場(chǎng)景，降低工作的危險(xiǎn)性，提高工作效率。4.前向碰撞預(yù)警：車輛之間通過(guò)PC5口通信獲得彼此的位置、速度、加速度等實(shí)時(shí)行駛狀態(tài)信息，OBU通過(guò)計(jì)算分析后提醒用戶是否存在碰撞危險(xiǎn)。5.紅路燈信息推送：OBU將車輛行駛信息實(shí)時(shí)上傳至V2X平臺(tái)，RSU將紅綠燈信息上報(bào)至V2X平臺(tái)，V2X平臺(tái)將紅綠燈信息推送至車載終端（OBU）進(jìn)行顯示，引導(dǎo)車輛高效通行。6.車輛編隊(duì)行駛：自動(dòng)控制一隊(duì)緊密聯(lián)系的車輛，車輛間建立連接，保持特定的距離，共享速度、方向、加速、制動(dòng)等信息。通過(guò)該技術(shù)可以減少車輛間的距離，提高道路容量，減少風(fēng)阻并降低燃料消耗，減少司機(jī)需求。除以上列舉典型應(yīng)用外，車聯(lián)網(wǎng)還有著豐富的應(yīng)用探索方向，如超視距環(huán)境感知、潮汐車道提醒、緊急車輛通行提示等等。最終車路協(xié)同將向高等級(jí)自動(dòng)駕駛方向演進(jìn)。

三、結(jié)束語(yǔ)

車聯(lián)網(wǎng)是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)極具潛力的行業(yè)應(yīng)用方向，尤其在5G引入后，基于高可靠、低時(shí)延、大帶寬的車路協(xié)同網(wǎng)建設(shè)，可以打通基于單車智能的智能交通發(fā)展瓶頸，提升車路協(xié)同能力，加速自動(dòng)駕駛時(shí)代的來(lái)臨。但目前車聯(lián)網(wǎng)行業(yè)仍處于發(fā)展階段，在政策、終端、網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)對(duì)接上均仍有大量問(wèn)題待解決。一是網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)仍在梳理中。二是跨部門協(xié)同需要不斷深入。三是產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展相對(duì)滯后。后續(xù)應(yīng)聯(lián)合政府行政能力與各方面專業(yè)力量，共同推進(jìn)車路協(xié)同系統(tǒng)成熟，真正實(shí)現(xiàn)5G賦能交通，實(shí)現(xiàn)智慧生活的愿景。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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