淺析C-V2X應(yīng)用對(duì)目前自動(dòng)駕駛性能的影響

曹 凡，姚 姣

（國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心檢測(cè)中心，北京 100041）

1 自動(dòng)駕駛技術(shù)

1.1 自動(dòng)駕駛分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)解析

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，汽車自動(dòng)駕駛技術(shù)蓬勃發(fā)展，有關(guān)汽車自動(dòng)駕駛等級(jí)的分類也應(yīng)運(yùn)而生。2022年3月1日，隨著GB/T 40429—2021《汽車駕駛自動(dòng)化分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》的正式實(shí)施，標(biāo)志著我國(guó)在汽車駕駛自動(dòng)化進(jìn)程中的又一里程碑，其詳細(xì)分級(jí)情況如表1所示。

表1 自動(dòng)化分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

通過(guò)對(duì)GB/T 40429—2021的分析，有兩點(diǎn)值得詳細(xì)說(shuō)明：第一，1級(jí)和2級(jí)自動(dòng)駕駛的區(qū)別在于，1級(jí)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)僅能控制汽車橫向或縱向移動(dòng)中的一個(gè)，而2級(jí)自動(dòng)駕駛在特定環(huán)境下可以同時(shí)控制車輛的橫向和縱向，但仍要求駕駛員的手放在方向盤上以便隨時(shí)接管汽車。第二，從3級(jí)開(kāi)始自動(dòng)駕駛步入新的階段即駕駛系統(tǒng)可以更加深入地介入車輛的控制，因?yàn)樵谠摷?jí)別下當(dāng)系統(tǒng)識(shí)別到緊急情況且駕駛員不具備接管條件時(shí)，系統(tǒng)可以繼續(xù)接管一段時(shí)間并且模擬駕駛員對(duì)車輛進(jìn)行最優(yōu)策略分析進(jìn)而保證行車安全。

1.2 現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛的主要技術(shù)線路

伴隨自動(dòng)駕駛分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的頒布，目前汽車產(chǎn)品自動(dòng)化程度如何？實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛的機(jī)制和技術(shù)線路又有哪些？源于上述問(wèn)題的考慮，筆者選取“特斯拉”和“小鵬”這兩家車企進(jìn)行分析，以揭示現(xiàn)階段汽車駕駛自動(dòng)化程度。目前，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛的技術(shù)方案主要有兩種：一種是以“特斯拉”為首力推攝像頭為主的純視覺(jué)AI方案，其核心理念是通過(guò)攝像頭模擬駕駛員的眼睛識(shí)別交通要素信息并借助芯片和后臺(tái)數(shù)據(jù)完成對(duì)車輛的控制；另一種是以“小鵬”為首等一系列中國(guó)企業(yè)則認(rèn)為，依賴單一視覺(jué)傳感器存在很大程度的不確定性，因此，提出了借助激光雷達(dá)對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行3D建模以增強(qiáng)其可靠性，并使用毫米波雷達(dá)加以輔助的多傳感器融合方案。兩種方案的主要特性及優(yōu)劣勢(shì)如表2所示。

表2 不同技術(shù)方案主要特性及優(yōu)劣對(duì)比

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，即使是用了32個(gè)傳感器的“小鵬”也只能達(dá)到L2級(jí)別自動(dòng)駕駛能力。這是否說(shuō)明僅僅依賴單車傳感器的自動(dòng)駕駛之路到達(dá)了瓶頸？又是否提醒我們只有新技術(shù)的應(yīng)用與普及才能達(dá)到更高級(jí)別的自動(dòng)駕駛？

2 C-V2X概述及其應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)說(shuō)明

2.1 C-V2X概述

C-V2X（Cellular-Vehicle to Everything）本質(zhì)上是基于3G/4G/5G等蜂窩網(wǎng)通信技術(shù)演進(jìn)形成的車用無(wú)線通信技術(shù)，從目前提出的概念看，車聯(lián)網(wǎng)主要包括車際網(wǎng)（V2V）、車內(nèi)網(wǎng)（V2P）以及車載移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)（V2I）三個(gè)主要模塊，其主要工作與服務(wù)對(duì)象如圖1所示。

圖1 車聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)

3GPP標(biāo)準(zhǔn)從R14版本時(shí)開(kāi)始引入基于LTE-V2X的技術(shù)性規(guī)范，之后又在R15版本中對(duì)多個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化。目前，我國(guó)已批準(zhǔn)將5905～5925 MHz頻段用于車聯(lián)網(wǎng)直連通信。

2.2 C-V2X應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)介紹

針對(duì)4G-V2X應(yīng)用層面而言，3GPP已在TR22.885標(biāo)準(zhǔn)中（下文簡(jiǎn)稱22.885標(biāo)準(zhǔn)）定義了車聯(lián)網(wǎng)的27個(gè)典型應(yīng)用實(shí)例，主要包括安全警告、效率提升、信息共享等3大類具體應(yīng)用。本文針對(duì)目前L2級(jí)自動(dòng)駕駛在部分場(chǎng)景應(yīng)用中可能存在的難點(diǎn)問(wèn)題，并對(duì)比22.885標(biāo)準(zhǔn)在該場(chǎng)景下的解決方案和工作流程進(jìn)行分析，以體現(xiàn)C-V2X應(yīng)用對(duì)汽車駕駛自動(dòng)化能力的提升。

3 C-V2X應(yīng)用對(duì)目前駕駛自動(dòng)化能力的提升

3.1 V2X對(duì)通行效率的影響

針對(duì)目前L2級(jí)別的輔助駕駛而言，雖然依賴視覺(jué)技術(shù)可以識(shí)別行車過(guò)程中的交通信號(hào)燈進(jìn)而對(duì)車輛進(jìn)行控制，但其在判斷過(guò)程中仍處于相對(duì)“被動(dòng)”的局面，即汽車無(wú)法提前預(yù)知信號(hào)燈的變化，只能通過(guò)識(shí)別當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行判斷。在這種情況下，除了極易造成交通事故，也無(wú)法最大化地利用有限的道路資源，進(jìn)而加劇了城市的擁堵問(wèn)題。此外，由于視覺(jué)識(shí)別技術(shù)受光線和天氣影響的因素較大，在夜間或不良天氣條件下存在識(shí)別失效的可能性，因此不具備普適性和可靠性?；谏鲜銮闆r，22.885標(biāo)準(zhǔn)5.15章節(jié)中有關(guān)V2N流量?jī)?yōu)化的描述可應(yīng)用于此場(chǎng)景并改善這一局面，其具體工作流程如下：首先，支持V2X的車輛將其位置、速度和行駛方向等信息傳輸給同樣具備V2X通信能力的實(shí)體信號(hào)燈。其次，信號(hào)燈在收集數(shù)據(jù)并分析后將諸如信號(hào)燈狀態(tài)持續(xù)時(shí)間、速度建議等信息反饋給車輛并由駕駛員或輔助駕駛系統(tǒng)提前做出預(yù)判。最后，輔助駕駛系統(tǒng)根據(jù)預(yù)判結(jié)果控制縱向移動(dòng)速度，從而應(yīng)對(duì)信號(hào)燈的變化。由于整個(gè)過(guò)程中信息由蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳遞，因此不受氣候和光線等外部環(huán)境的影響。此外，通過(guò)路邊基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)行車數(shù)據(jù)的收集和分析，系統(tǒng)還可根據(jù)車流量情況對(duì)信號(hào)燈內(nèi)部的相位進(jìn)行干預(yù)，從而進(jìn)行流量?jī)?yōu)化以提升通行效率。通過(guò)對(duì)上述場(chǎng)景的分析發(fā)現(xiàn)，在應(yīng)用V2X技術(shù)的情況下，車輛不僅可以解決目前單車傳感器方案存在的問(wèn)題，而且通過(guò)共享信息還能完成由道路交通參與者向信息提供者的轉(zhuǎn)變。

3.2 V2X應(yīng)用對(duì)駕駛安全性的提升

出于對(duì)行車安全的考慮，即便是依賴高精度多傳感器和算力出眾的車機(jī)芯片，目前市場(chǎng)上也仍未出現(xiàn)具備L3級(jí)別自動(dòng)駕駛能力的汽車。究其原因是由于目前單車輔助駕駛技術(shù)在信息獲取上的片面性和被動(dòng)性所致。例如，在目前L2級(jí)別的輔助駕駛下，傳感器最遠(yuǎn)只能識(shí)別到200米左右的信息，且對(duì)于行車過(guò)程中隨時(shí)可能出現(xiàn)的障礙物完全沒(méi)有提前判斷的能力，因此無(wú)法絕對(duì)保證行車過(guò)程中的安全性。假設(shè)當(dāng)車輛在封閉的高速公路上以100 km/h的速度行駛時(shí)，其1 s的前進(jìn)距離為27.78 m，這也就意味著即使是在環(huán)境極佳的條件下，當(dāng)車輛輔助駕駛系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)前方靜止障礙物后，必須要在7.19 s的時(shí)間內(nèi)做出反應(yīng)并使其達(dá)到靜止?fàn)顟B(tài)，即使現(xiàn)階段汽車的制動(dòng)系統(tǒng)具備這一能力，但高速行駛過(guò)程中的緊急制動(dòng)也將會(huì)給后車的行車安全帶來(lái)極大的隱患。另外，在圖2所示的開(kāi)放道路行駛場(chǎng)景中，由于障礙物遮擋車輛輔助駕駛系統(tǒng)和駕駛員都無(wú)法識(shí)別到即將出現(xiàn)的行人，這同樣為道路安全造成極大的隱患。

圖2 城市開(kāi)放道路駕駛場(chǎng)景

鑒于上述場(chǎng)景中L2級(jí)輔助駕駛在行車安全性上的痛點(diǎn)問(wèn)題，4G-V2X標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)安全警告類場(chǎng)景的應(yīng)用將可以改善或解決目前輔助駕駛中所面臨的問(wèn)題。針對(duì)封閉路段的高速駕駛場(chǎng)景，具備V2X通信能力的車輛可以實(shí)時(shí)地將當(dāng)前位置、速度、加速度和可選軌跡等一系列信息，通過(guò)V2V和V2I通信的方式傳送給周圍車輛和路邊服務(wù)單元，且系統(tǒng)允許的最大時(shí)延為0.1 s，最大傳送頻率為每秒10條。在此情景下倘若前車減速或靜止，系統(tǒng)將會(huì)第一時(shí)間將消息傳送給周圍車輛，提示其減速或變換車道以避免碰撞，且在當(dāng)系統(tǒng)認(rèn)定碰撞無(wú)法避免時(shí)還會(huì)播放撞擊警告以提示駕駛員提前做好準(zhǔn)備。當(dāng)涉及主要交通參與者為車輛與行人的城市開(kāi)放道路場(chǎng)景時(shí)，V2P機(jī)制的應(yīng)用將會(huì)大大增加諸如行人和非機(jī)動(dòng)車等弱勢(shì)道路使用者的安全性。由于信息不依賴于傳感器的被動(dòng)感知而是靠蜂窩網(wǎng)絡(luò)的主動(dòng)傳遞，因此，即使是在如圖2所示的視覺(jué)范圍不可見(jiàn)區(qū)域內(nèi)，輔助駕駛系統(tǒng)和行人的智能電話都將發(fā)送警告消息以提示雙方注意可能存在的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著5G技術(shù)的發(fā)展，3GPP已在R16版中發(fā)布了基于5G-NR技術(shù)的TR22.886車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，其25個(gè)應(yīng)用實(shí)例中多次出現(xiàn)了對(duì)“遠(yuǎn)程駕駛”和“部分有條件自動(dòng)駕駛”等高級(jí)別自動(dòng)駕駛應(yīng)用場(chǎng)景的定義。因此，依托5G技術(shù)低時(shí)延、高速率、廣連接的特點(diǎn)，相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)具備更高級(jí)別自動(dòng)駕駛能力的汽車將會(huì)得到廣泛的生產(chǎn)與應(yīng)用?！?/p>