基于車路協(xié)同功能的路側(cè)及車載智能設(shè)備研究

華 偉 范志恒 廖湘榮

（深圳市金溢科技股份有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

長期以來，自動駕駛車主要依靠自身的能力對駕駛環(huán)境進(jìn)行識別，由于所采用的信息采集設(shè)備（例如攝像頭、激光雷達(dá)以及毫米波雷達(dá)等）的感知條件有局限性，因此會加大實(shí)現(xiàn)全工況無人駕駛的難度，導(dǎo)致交通事故頻發(fā)。另外，感知設(shè)備的成本遠(yuǎn)高于市場可接受的范圍，對自動駕駛汽車的總體成本造成影響，引發(fā)商業(yè)落地難等問題，影響了自動駕駛的發(fā)展進(jìn)程。近年來，“聰明的車+智慧的路”逐漸被行業(yè)所認(rèn)可，或成為未來自動駕駛發(fā)展的主要方向[1-3]。

“聰明的車+智慧的路”的工作模式離不開車聯(lián)網(wǎng)，車聯(lián)網(wǎng)作為物聯(lián)網(wǎng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域，是信息化與工業(yè)化深度融合的重要方向。在車間與車路間的通信技術(shù)除專用短程通信技術(shù)（Dedicated Short Range Communication，DSRC） 外，還有以蜂窩網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的C-V2X 技術(shù)。后者具有清晰的技術(shù)演進(jìn)路線，其演進(jìn)路線分為3個階段，支持LTE-V2X 的3GPPR14、支持LTE-eV2X 的3GPPR15以及支持5G-V2X的3GPPR16，由我國政府和企業(yè)主導(dǎo)推進(jìn)。其技術(shù)可直接應(yīng)用于車載電子或路側(cè)設(shè)備中，具有廣闊的市場應(yīng)用場景和良好的技術(shù)牽引力。將為車聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵通信技術(shù)的發(fā)展提供支撐[4-5]。基于車用無線通信技術(shù)（vehicle to X，V2X）的電子終端的成功研發(fā)將會加速C-V2X 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在車聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域應(yīng)用的成熟度和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。車聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)分布在“端-管-云”3個層面，該項(xiàng)目是“端”層面，是實(shí)現(xiàn)車輛和路測設(shè)施智能化、網(wǎng)聯(lián)化的關(guān)鍵點(diǎn)[6-7]。該文研究的基于LTE-V2X的車載智能設(shè)備和路側(cè)智能設(shè)備可以支持實(shí)現(xiàn)自動駕駛車與道路基礎(chǔ)設(shè)備的交互，為智能網(wǎng)聯(lián)汽車獲取超視距的環(huán)境信息提供支持，有助于保障道路交通的安全以及提高道路的通行率。

1 路側(cè)智能設(shè)備開發(fā)

1.1 路側(cè)智能設(shè)備架構(gòu)設(shè)計(jì)

該文設(shè)計(jì)的路側(cè)智能設(shè)備是在路端實(shí)現(xiàn)對道路交通云、邊以及端進(jìn)行協(xié)同控制的最小單元，具有通信、計(jì)算、存儲以及控制等核心能力，通過有線或無線通信以及統(tǒng)一的邏輯架構(gòu)實(shí)現(xiàn)完整的功能。路側(cè)智能設(shè)備的功能架構(gòu)如圖1所示。

圖1 路側(cè)智能設(shè)備功能架構(gòu)

路側(cè)智能設(shè)備在車路交互方面提供LTE-V2X、5G雙網(wǎng)路通信，能夠?qū)崿F(xiàn)通信的低時延與高帶寬。在接入方面，可以通過邊緣計(jì)算單元實(shí)現(xiàn)路側(cè)基礎(chǔ)設(shè)施感知、交通運(yùn)行感知、交通氣象環(huán)境感知以及路側(cè)可變標(biāo)志等的接入與管理。匯集上述所有信息并接受來自云端控制平臺的遠(yuǎn)端信息、控制指令后，路側(cè)智能設(shè)備將完成區(qū)域內(nèi)應(yīng)急信息的快速發(fā)布、控制指令的分發(fā)以及融合數(shù)據(jù)處理任務(wù)，同時，路側(cè)智能設(shè)備具備接收周邊其他路側(cè)智能設(shè)備信息的能力，可以快速傳遞和發(fā)布周邊緊急事件的相關(guān)信息。

1.2 路側(cè)智能設(shè)備硬件設(shè)計(jì)

該文設(shè)計(jì)的路側(cè)智能設(shè)備采用LTE-V2X專用短程通信，工作于5.905 GHz～5.925 GHz專用頻段，滿足3GPP LTE Release 14標(biāo)準(zhǔn)，主要由中央處理器、LTE-V2X模組、GNSS模組、5G模組、Wi-Fi模組、千兆以太網(wǎng)、RS232/RS484接口以及電源模塊等部分組成?？梢园惭b于道路、交通路口、停車場、機(jī)場以及高速公路等場景，用于實(shí)現(xiàn)車路協(xié)同與輔助自動駕駛的功能。

路側(cè)產(chǎn)品采用高性能處理器，內(nèi)置高精度定位模塊，除LTE-V/DSRC通信以外，還具備4G通信、Wi-Fi和藍(lán)牙（Bluetooth）等無線通信功能，提供RJ45以太網(wǎng)和RS232通信接口，能全面滿足各種通信需求，支持直流供電與POE供電2種模式。

1.3 路側(cè)智能設(shè)備軟件設(shè)計(jì)

路側(cè)智能設(shè)備采用Linux操作系統(tǒng)，是一個基于POSIX和Unix的多用戶、支持多線程和多CPU的操作系統(tǒng)。軟件通過層次化的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)設(shè)備與資源的抽象和管理。系統(tǒng)的支撐與管理功能包括數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)安全管理、系統(tǒng)監(jiān)控以及操作維護(hù)等功能。路側(cè)智能設(shè)備軟件采用分層設(shè)計(jì)，分為驅(qū)動層、協(xié)議層和應(yīng)用層，如圖2所示。

圖2 路側(cè)智能設(shè)備軟件設(shè)計(jì)框架

路側(cè)智能設(shè)備軟件采用分層設(shè)計(jì)，分為驅(qū)動層、協(xié)議層和應(yīng)用層。驅(qū)動層與硬件布局接線相關(guān)，對上層提供統(tǒng)一的I/O功能，屏蔽硬件上的細(xì)節(jié)信息。協(xié)議層包括應(yīng)用層消息收發(fā)/解析功能、網(wǎng)絡(luò)層（UDP、TCP、IP、串口通信等）消息收發(fā)/解析功能。應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)路側(cè)智能站系統(tǒng)能力、操作維護(hù)管理等功能。

2 車載智能設(shè)備開發(fā)

2.1 車載智能設(shè)備架構(gòu)設(shè)計(jì)

車載智能設(shè)備通過LTE-V2X專用短程通信網(wǎng)絡(luò)與路側(cè)智能設(shè)備或其他車輛通信。獲取路側(cè)信息或他車信息，并將該車的信息發(fā)送給路側(cè)智能設(shè)備和其他車輛，實(shí)現(xiàn)車車、車路協(xié)同控制。智能車載設(shè)備通過5G網(wǎng)絡(luò)與交通控制中心聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)車輛狀態(tài)信息上傳、道路狀況分析以及智能駕駛輔助等功能。智能車載設(shè)備功能架構(gòu)如圖3所示。

圖3 智能車載設(shè)備架構(gòu)

2.2 車載智能設(shè)備硬件設(shè)計(jì)

該文所設(shè)計(jì)的車載設(shè)備是連接路端和車端、車端和車端的通信設(shè)備。具有通信、計(jì)算、存儲以及控制等核心能力，設(shè)備工作于5.905 GHz～5.925 GHz專用頻段，通過有線或無線通信以及統(tǒng)一的邏輯架構(gòu)實(shí)現(xiàn)完整的功能。除中央處理器外，還集成了LTE-V2X模組、5G模組、GNSS模組、以太網(wǎng)Switch、CAN、Wi-Fi和藍(lán)牙等豐富的接口及其他通信方式擴(kuò)展。支持國標(biāo)ITS協(xié)議棧，可接收、儲存并實(shí)時更新車輛的行駛數(shù)據(jù)，包括當(dāng)前車速、行駛方向、油門深度以及車距等，向其他車輛或者路側(cè)智能設(shè)備發(fā)送當(dāng)前行駛狀態(tài)數(shù)據(jù)；接收路側(cè)智能設(shè)備發(fā)送的交通事件、交通管理的信息，達(dá)到危險預(yù)警、安全高效駕駛以及輔助自動駕駛的目的。

車載設(shè)備的LTE-V2X模組用于與其他設(shè)備進(jìn)行專用短程通信，實(shí)現(xiàn)車路協(xié)同應(yīng)用。5G通信模塊主要用于設(shè)備與服務(wù)器或云端的通信、OTA升級和T-BOX應(yīng)用。CAN接口內(nèi)置2路CAN接口，分別為低速CAN接口和高速CAN接口，低速CAN接口用于CAN喚醒和低速通信應(yīng)用。高速CAN接口用于高速通信應(yīng)用。Wi-Fi 6除提供車內(nèi)熱點(diǎn)外，也可以進(jìn)行基于Wi-Fi的無線升級。車載智能設(shè)備內(nèi)置Switch，可擴(kuò)展1路車載以太網(wǎng)和多路千兆以太網(wǎng)接口，保障設(shè)備與汽車車機(jī)、中控以及多類型傳感器的通信，將安全預(yù)警信息傳遞給汽車中控，接收汽車中控下發(fā)的控制命令，也可用于多傳感器信息的融合。定位模組可以接收衛(wèi)星定位信號，向上層提供UTC時間及地理位置信息，提供與UTC整秒對齊的高精度秒脈沖。車載設(shè)備設(shè)計(jì)有硬加密模塊，可保障數(shù)據(jù)通信的安全。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

車載智能設(shè)備軟件采用分層設(shè)計(jì)，分為驅(qū)動層、協(xié)議層和應(yīng)用層。驅(qū)動層與硬件布局接線相關(guān)，為上層提供統(tǒng)一的I/O功能，屏蔽硬件上的細(xì)節(jié)信息。協(xié)議層具有應(yīng)用層消息收發(fā)/解析功能、網(wǎng)絡(luò)層（UDP、TCP、IP、串口通信等）消息收發(fā)/解析功能。應(yīng)用層具有實(shí)現(xiàn)車載智能設(shè)備系統(tǒng)能力、操作維護(hù)管理等功能，應(yīng)用層主要分為2個部分，一部分作為基礎(chǔ)子系統(tǒng)，集合了更上層應(yīng)用的公共部分，為這些應(yīng)用提供交互接口，以便自由組合使用；另一部分使用基礎(chǔ)子系統(tǒng)提供的服務(wù)，構(gòu)建直接面向用戶的車輛安全、車路協(xié)同以及T-BOX類應(yīng)用。車載智能設(shè)備軟件設(shè)計(jì)框架如圖4所示。

圖4 車載智能設(shè)備軟件設(shè)計(jì)框架

3 試驗(yàn)場功能測試

3.1 通信性能測試

為測試、驗(yàn)證集成多種通信方式的車路協(xié)同路側(cè)智能設(shè)備和車載智能設(shè)備的交互功能，在深圳市坪山試驗(yàn)場開展了路側(cè)智能設(shè)備安裝搭建、車輛及車載智能設(shè)備環(huán)境搭建、定位基站搭建以及配套網(wǎng)絡(luò)環(huán)境與外場環(huán)境測試，進(jìn)行了車路交互實(shí)地測試，以驗(yàn)證V2X應(yīng)用在不同通信環(huán)境、距離等條件下通信時延、丟包率等性能。

3.1.1 測試方案

設(shè)備性能測試主要測試集成多通信方式的車路協(xié)同路側(cè)智能設(shè)備與車載智能設(shè)備在不同場景下的通信交互性能，包括信號強(qiáng)度、通信時延以及數(shù)據(jù)丟包率等指標(biāo)。采用的測試工具見表1。

表1 測試工具表

測試設(shè)備發(fā)出的信號：丟包、延時測試方案測試LTEV2X端到端的時延和丟包率，將OBU和RSU連接GNSS天線和V2X天線，按照方案開展測試。

3.1.2 測試結(jié)果及討論

表2為在空曠地帶的測試結(jié)果，按照OBU遠(yuǎn)離和靠近RSU的方式分別測試多組時延數(shù)據(jù)。

表2 1 400 m測試結(jié)果示意圖

試驗(yàn)表明，在空曠地帶超過1 000 m就無法收到數(shù)據(jù)，延時增大，數(shù)據(jù)無法接收，1 000 m以內(nèi)平均時延小于50 ms。

表3為空曠地帶的測試結(jié)果，按照OBU遠(yuǎn)離和靠近RSU的方式分別測試多組丟包率數(shù)據(jù)。

表3 超過1 000 m測試結(jié)果示意圖

試驗(yàn)表明，超過1 000 m的丟包率大于5%，影響數(shù)據(jù)正常通信，小于1 000 m的丟包率小于0.1%。

3.2 業(yè)務(wù)通信測試

3.2.1 測試方案

針對路側(cè)消息、車輛消息、地圖消息以及中心系統(tǒng)消息等進(jìn)行道路施工事件、擁堵事件、車輛故障（異常狀況）事件以及氣象事件等場景的交互測試，主要開展了業(yè)務(wù)成功率測試和通信距離移動測試。業(yè)務(wù)成功率和通信距離移動性測試步驟如下：1）車輛從1 000 m的位置向RSU方向行駛，速度為120 km/h，接收RSU事件，根據(jù)OBU日志、RSU日志以及衛(wèi)星定位信息進(jìn)行比對，測量不同通信距離OBU和RSU的業(yè)務(wù)成功率（采樣點(diǎn)間隔不大于50 m）。2）RSU在1 s內(nèi)分別進(jìn)行5次不同的車路一體化業(yè)務(wù)，重復(fù)上述步驟。

重復(fù)測試（至少重復(fù)測試10次）。

3.2.2 測試結(jié)果

車速為120 km/h時，不同距離區(qū)間的車路交互業(yè)務(wù)成功率見表4。

表4 120 km/h業(yè)務(wù)成功率

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在120 km/h的速度下，車路交互距離保持在600 m以內(nèi)其成功率大于99%。

4 結(jié)論

該文研究結(jié)果表明，具有車路協(xié)同功能的車載智能設(shè)備和路側(cè)智能設(shè)備可以通過信息交互來獲取自動駕駛車視距之外交通環(huán)境信息。考慮設(shè)備通信環(huán)境和車輛行駛速度，設(shè)備在通信距離為500 m的范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)高效的業(yè)務(wù)信息交易，信息丟包率小于0.1%，端到端通信時延小于50 ms，可以滿足L4級的自動駕駛通信需求。