車路協(xié)同路側(cè)邊緣計算系統(tǒng)設(shè)計思路

胡蓉 成彬

2019年《交通強國建設(shè)綱要》明確了到2035年，我國要基本建成交通強國的戰(zhàn)略目標，并提到加強智能網(wǎng)聯(lián)汽車（智能汽車、自動駕駛、車路協(xié)同）研發(fā)，形成自主可控完整的產(chǎn)業(yè)鏈。

北京、上海、重慶、深圳等地先后出臺了自動駕駛汽車道路測試管理相關(guān)規(guī)定，對測試主體、測試車輛、測試人員、測試申請、違法及事故處理等方面都有明確要求。各地政府積極推動智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展與管理工作，在市場、企業(yè)和政府的三重影響下，智能網(wǎng)聯(lián)汽車將迎來快速發(fā)展期。經(jīng)過近三年來各類應(yīng)用示范區(qū)項目的探索與實踐，業(yè)內(nèi)已認可“聰明的車+智慧的路” ——由路側(cè)感知輔助自動駕駛車輛的解決方案。

下面，我們將著重分析車路協(xié)同的路側(cè)邊緣技術(shù)如何實現(xiàn)對自動駕駛重載卡車、網(wǎng)聯(lián)車輛提供實時行車輔助服務(wù)，為公眾出行服務(wù)平臺、交通管理系統(tǒng)、自動駕駛監(jiān)管系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐，安全輔助與效率引導(dǎo)支持。

一、路側(cè)邊緣計算系統(tǒng)基本構(gòu)成

路協(xié)同路側(cè)邊緣計算設(shè)施基于全量、連續(xù)環(huán)境信息，依托邊緣計算及AI技術(shù)，準確識別路網(wǎng)交通狀態(tài)、事件、車輛等信息，提供數(shù)據(jù)采集、融合、預(yù)處理、分發(fā)等基本功能。

車路協(xié)同智能路側(cè)設(shè)備主要有傳感器、計算單元、V2X通訊單元等組成。傳感器作為路側(cè)設(shè)備解析路網(wǎng)環(huán)境信息的數(shù)據(jù)源，根據(jù)部署位置、設(shè)備高度、調(diào)節(jié)角度，獲取目標區(qū)域的動態(tài)信息，并發(fā)送給計算單元，主要包括攝像頭和毫米波雷達；計算單元作為車路協(xié)同路側(cè)設(shè)備核心組件，實現(xiàn)傳感器采集的環(huán)境數(shù)據(jù)解析、融合及V2X報文編輯，包含采集傳感、計算決策、通信匯聚、安全認證、狀態(tài)檢測等；V2X通訊單元可為車輛提供LTE-V、4G融合網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，實現(xiàn)信息車路雙向的快速傳遞，同時還提供時鐘校準信息；計算單元擴展可通過接入交換機實現(xiàn)更多的攝像頭或其他傳感設(shè)備的接入；機箱提供設(shè)備統(tǒng)一的電源、網(wǎng)絡(luò)接入，為設(shè)備正常運行提供散熱、防水、防雷功能。

路側(cè)邊緣計算的軟件系統(tǒng)和硬件算力又該如何考慮呢？

（一）軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)要滿足：計算單元支持高幀率、高分辨率視頻數(shù)據(jù)、點云數(shù)據(jù)的實時處理，可連接攝像頭、微波雷達及多種傳感設(shè)備、可變交通標志、車道燈等多種交通控制設(shè)備，也可連接云控平臺獲取交通指令信息。計算單元可實現(xiàn)信息編輯、信息優(yōu)先級設(shè)置，控制V2X通信信息播發(fā)，同時可根據(jù)既定規(guī)則和傳感設(shè)備信息識別結(jié)果進行交通設(shè)施控制。

1.軟件系統(tǒng)構(gòu)成

車路協(xié)同邊緣計算軟件需要包含車路協(xié)同算法、通信管理、定制業(yè)務(wù)應(yīng)用、高精地圖服務(wù)、設(shè)備管理、安全管理、邊緣計算框架。

邊緣計算運行框架將邊緣計算能力拓展至用戶現(xiàn)場，提供臨時離線、低延時的計算服務(wù)。提供邊緣節(jié)點管理、邊緣應(yīng)用管理、應(yīng)用對接等功能。幫助用戶更輕松的管理海量邊緣，更高效的開發(fā)邊緣應(yīng)用。

高精地圖服務(wù)需要完成地圖信息實時更新；高精地圖包含路網(wǎng)精確的三維表征，精度達厘米級，包含道路、車道、信號燈、曲率等道路要素。

安全管理要以安全啟動、內(nèi)核加固、編譯安全手段保障操作系統(tǒng)安全；以完整性保護、應(yīng)用程序加固、核心秘鑰安全芯片存儲、動態(tài)異常監(jiān)控、編譯安全手段保障應(yīng)用安全；以加密通訊雙向認證、安全OTA、消息認證、攝像頭接入認證、應(yīng)用防火墻手段保證外部數(shù)據(jù)安全；以用戶身份認證、登錄行為審計手段保證用戶身份安全；以全盤加密、算法模型保護手段保證知識產(chǎn)權(quán)安全。

車路協(xié)同-自動駕駛算法可直接處理攝像頭碼流數(shù)據(jù)，進行道路障礙物及車輛識別，包括3D位置、朝向、類別、速度、加速度和軌跡等；道路信息識別：車道線，道路邊界，可行駛區(qū)域，交通標志牌，路面標志等；特殊車輛識別是識別消防車等；道路事件檢測要支持修路、擁堵和事故等事件檢測；結(jié)構(gòu)化處理：根據(jù)檢測結(jié)果形成車輛的位置、速度、加速度和事件位置等信息的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)；可行駛區(qū)域計算：根據(jù)識別結(jié)果形成車道級可行駛區(qū)域信息；車流統(tǒng)計：可記錄通行車輛類型、時間，并輸出統(tǒng)計報表；并支持多路感知融合：可對多個連續(xù)路側(cè)設(shè)備的結(jié)構(gòu)化處理結(jié)果進行數(shù)據(jù)融合，形成統(tǒng)一的感知結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)；路網(wǎng)控制策略管理：根據(jù)不同種類、級別交通事件觸發(fā)的交通控制策略。

通信管理在現(xiàn)階段適用于野外環(huán)境的高速無線通信網(wǎng)絡(luò)主要分為DSRC、LTE-V和5G技術(shù)。其中，DSRC、LTE-V已商用，信號穩(wěn)定且技術(shù)相對成熟；5G通信技術(shù)目前尚未商用。當前眾多試點場景主要選擇LTE-V通信模塊，根據(jù)自動駕駛及網(wǎng)聯(lián)場景需求，基于CSAE-53標準進行應(yīng)用層報文編解碼。

2.邊緣計算算法

以對象檢測能力為基礎(chǔ)的的車路協(xié)同算法其業(yè)務(wù)流程如下：

物理檢測識別進行道路障礙物及車輛識別，包括 3D位置、朝向、類別、速度、加速度和軌跡等；道路信息識別包括車道線，道路邊界，可行駛區(qū)域，交通標志牌，路面標志等；道路事件檢測包括修路、擁堵和事故等事件檢測；特殊車輛識別：可識別消防車、警車、救護車等；對象檢測準確率>90%；事件檢測準確率>90%。

物體精準定位是通過攝像頭、激光雷達輸入的原始數(shù)據(jù)，結(jié)合傳感器自身內(nèi)外參數(shù)，計算得出目標物體在世界坐標系的精準坐標，車輛、非機動車、行人檢測位置平均誤差。

多物體實時追蹤系統(tǒng)同時對感知范圍內(nèi)全部障礙物實時進行追蹤，為各障礙物分配獨立的ID，同一點位內(nèi)可追蹤對象數(shù)量。

多相機場景融合為保障區(qū)域的連續(xù)覆蓋，同一計算單元需要同時連接、處理多個傳感器的輸入，各傳感器輸出有重合部分，車路協(xié)同算法需要支持多個相同或不同類型的傳感器數(shù)據(jù)進行融合處理，自動完成結(jié)果融合和去重。

數(shù)據(jù)加密保障系統(tǒng)通信、數(shù)據(jù)安全，對處理的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)加密。

（二）路側(cè)邊緣計算硬件算力要求

邊緣計算所要計算的數(shù)據(jù)量異常龐大，用GPU能在短時間內(nèi)完成對每一個像素的坐標轉(zhuǎn)換和色彩計算，GPU的并行計算架構(gòu)可適應(yīng)這種大規(guī)模并行計算能力，GPU擅于處理規(guī)則的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和可預(yù)測的存取模式。

每個感知點位一般部署N個攝像頭，一般路側(cè)M個感知點位共用一套計算單元。感知數(shù)據(jù)的算力處理要求與圖像質(zhì)量、處理時間要求、算法復(fù)雜度有關(guān)；同時從算法的并行程度，計算復(fù)雜度，內(nèi)存開銷以及迭代次數(shù)對車路協(xié)同算法需要進一步優(yōu)化。

建立邊云一體框架，前端計算單元算力和存儲能力相對有限，目前的深度學(xué)習(xí)模型相對復(fù)雜，需要設(shè)計多層次的模型，對處理任務(wù)進行劃分，將復(fù)雜的訓(xùn)練過程劃分到云端，將相對簡單的預(yù)測過程劃分在前端，前端簡單、云端復(fù)雜的多重模型策略將共同完成數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)和預(yù)測。

二、應(yīng)用支撐

依托車路協(xié)同智能化路側(cè)設(shè)備的環(huán)境感知、數(shù)據(jù)處置、V2X通信能力，可以為自動駕駛重載卡車、網(wǎng)聯(lián)車輛提供實時行車輔助服務(wù)，基于前端采集環(huán)境、事件信息，可為公眾出行服務(wù)平臺、交通管理系統(tǒng)、自動駕駛監(jiān)管系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐。

三、結(jié)語

借助感知、通信、計算、控制等技術(shù)，基于車路協(xié)同邊緣計算，利用云計算大數(shù)據(jù)能力解決系統(tǒng)性的資源優(yōu)化與配置問題，將促進人、車、路運行按需響應(yīng)和動態(tài)優(yōu)化，對接高精地圖，將路側(cè)智能計算結(jié)果與其它數(shù)據(jù)源進行融合計算與分析，應(yīng)用人工智能算法模型并支持其快速演進優(yōu)化，將帶來更新更好的自動駕駛、智能交通類應(yīng)用。

作者單位：中通服咨詢設(shè)計研究院有限公司