5G背景下智慧公路交通車路協(xié)同系統(tǒng)設(shè)計(jì)

作者簡(jiǎn)介：胡玉華（1978— ），女，江西南昌人，工程師，本科；研究方向：交通通信。

摘要：隨著5G通信技術(shù)的快速發(fā)展，智慧公路交通通信技術(shù)作為重要的研究方向，引起了較為廣泛關(guān)注。文章旨在探討5G背景下智慧公路交通通信技術(shù)的研究與展望。文章首先分析了在5G環(huán)境下智慧公路交通通信技術(shù)的應(yīng)用前景，包括車路協(xié)同系統(tǒng)、高精度定位與導(dǎo)航技術(shù)以及交通數(shù)據(jù)分析與預(yù)測(cè)技術(shù)等方面的研究和發(fā)展。其次，從信息采集及信號(hào)控制等方面，構(gòu)建了5G背景下智慧公路交通車路協(xié)同系統(tǒng)，以測(cè)試實(shí)驗(yàn)展示了該系統(tǒng)較高的數(shù)據(jù)傳輸速率、穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)連接和精確的交通信息處理能力，期望為改善交通系統(tǒng)、提高交通效率和保障交通安全性做出貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：5G技術(shù)；智慧公路；交通通信

中圖分類號(hào)：TP399? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0? 引言

隨著社會(huì)的快速發(fā)展和人口的不斷增加，交通問(wèn)題成為當(dāng)今社會(huì)面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)之一［1］。傳統(tǒng)的交通管理方式已經(jīng)難以應(yīng)對(duì)日益增長(zhǎng)的車輛數(shù)量和日益復(fù)雜的城市道路情況。因此，智慧公路交通通信技術(shù)的研究與應(yīng)用成為提高交通效率、減少擁堵、提升交通安全的重要途徑。5G通信技術(shù)的快速發(fā)展為智慧公路交通通信技術(shù)提供了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。該技術(shù)具備高速、低延遲和大容量的特點(diǎn)，為智慧公路交通通信技術(shù)的實(shí)現(xiàn)提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持［2-3］。通過(guò)利用5G技術(shù)，智慧公路交通系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)車輛之間、車輛與道路基礎(chǔ)設(shè)施之間的高效通信和信息交換，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的交通監(jiān)測(cè)、車輛導(dǎo)航、交通信號(hào)控制等功能。本文將探討5G背景下智慧公路交通通信技術(shù)的研究與展望，設(shè)計(jì)智慧公路交通車路協(xié)同系統(tǒng)，期望進(jìn)一步提高交通效率，推動(dòng)社會(huì)發(fā)展。

1? 5G背景下智慧公路交通車路協(xié)同系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1? 硬件設(shè)計(jì)

5G背景下智慧公路交通車路協(xié)同系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)中，需要使用不同的設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)通信、感知、計(jì)算和控制等功能。該系統(tǒng)中，車載通信單元至關(guān)重要。系統(tǒng)采用Qualcomm驍龍X60 5G通信芯片，為系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的5G通信能力；采用NVIDIA的Drive AGX系列車載計(jì)算平臺(tái)，來(lái)完成高效的數(shù)據(jù)處理和決策計(jì)算。對(duì)于道路基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備，交通信號(hào)燈控制器起著關(guān)鍵作用，Bosch的信號(hào)燈控制器能夠提供高精度的信號(hào)控制功能。道路傳感器采用Delphi雷達(dá)傳感器及Autoliv攝像頭傳感器，感知道路狀況和車輛信息。在交通管理中心設(shè)備方面，系統(tǒng)采用Dell服務(wù)器或HP存儲(chǔ)設(shè)備，以此來(lái)處理和存儲(chǔ)大量的交通數(shù)據(jù)。此外，交通數(shù)據(jù)處理單元采用Intel Xeon處理器，以便高效處理和分析復(fù)雜的交通數(shù)據(jù)任務(wù)。

1.2? 軟件設(shè)計(jì)

1.2.1? 實(shí)時(shí)交通信息采集傳輸

為實(shí)時(shí)采集交通信息，需要安裝如GPS、雷達(dá)、攝像頭等車載傳感器。在交通基礎(chǔ)設(shè)施上，安裝交通攝像頭、感應(yīng)器等傳感器，用于采集交通流量、車速等數(shù)據(jù)。將車載傳感器和基礎(chǔ)設(shè)施傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，得到更準(zhǔn)確地實(shí)時(shí)交通信息。對(duì)采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括數(shù)據(jù)清洗、去噪、異常檢測(cè)等，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，提取有用的交通特征及趨勢(shì)，如車輛速度、車輛加速度及交通流量等。計(jì)算車輛速度如式（1）所示。

v=（s2-s1）t（1）

其中，v表示車輛速度，s1和s2分別表示兩個(gè)時(shí)刻車輛的位置，t表示時(shí)間間隔。車輛加速度計(jì)算如公式（2）所示。

a=（v2-v1）t（2）

其中，a表示車輛加速度，v1和v2分別表示兩個(gè)時(shí)刻的車輛速度。交通流量計(jì)算公式如式（3）所示。

Q=nt（3）

其中，Q表示交通流量，n表示通過(guò)某個(gè)路段的車輛數(shù)量。根據(jù)公式計(jì)算后獲取的數(shù)據(jù)，利用5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)高速度、低延遲的數(shù)據(jù)通信，車輛通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)將采集到的實(shí)時(shí)交通數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行姆?wù)器。通過(guò)車輛間的無(wú)線通信（V2V），將采集到的實(shí)時(shí)交通信息傳輸給周圍的車輛，實(shí)現(xiàn)交通信息共享，選擇合適的傳輸協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以確保實(shí)時(shí)交通數(shù)據(jù)的高效傳輸，該系統(tǒng)使用的MQTT傳輸協(xié)議框架，如圖1所示。

MQTT是一種輕量級(jí)的發(fā)布-訂閱模式消息傳輸協(xié)議，它適用于交通資源受限及低帶寬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中。通過(guò)使用MQTT協(xié)議，為車路協(xié)同系統(tǒng)建立一個(gè)高效的傳輸通道，將實(shí)時(shí)交通數(shù)據(jù)從車輛、傳感器或交通基礎(chǔ)設(shè)施傳輸?shù)街行姆?wù)器中。此外，MQTT還具有靈活的可擴(kuò)展性，使得智慧公路交通車路協(xié)同系統(tǒng)能夠采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行高速傳輸。

1.2.2? 5G智能交通信號(hào)控制

在智慧公路交通車路協(xié)同系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)信號(hào)控制與調(diào)整是通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)交通狀況，并根據(jù)數(shù)據(jù)采集到的信息對(duì)交通信號(hào)燈進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，以優(yōu)化交通流量、提高交通效率。在信號(hào)調(diào)整策略生成中，應(yīng)用模擬退火算法尋找最優(yōu)的信號(hào)燈時(shí)長(zhǎng)和相位配置方案，基本流程如圖2所示。

算法的初始化首先要設(shè)置初始溫度T和終止溫度Tmin。隨機(jī)生成一個(gè)初始解作為當(dāng)前解x，設(shè)置初始目標(biāo)函數(shù)值f（x）。在當(dāng)前溫度下，進(jìn)行一定次數(shù)的迭代，在當(dāng)前解x的鄰域中隨機(jī)選擇一個(gè)新解x′，計(jì)算新解x′的目標(biāo)函數(shù)值f（x′）。之后判斷接受條件，如果f（x′）

p=expf（x）-f（x′）T（4）

第18期2023年9月無(wú)線互聯(lián)科技·智能控制? No.18September，2023

第18期2023年9月無(wú)線互聯(lián)科技·智能控制? No.18September，2023

在公式（4）中，p為接受新解的概率，f（x）為當(dāng)前解x的目標(biāo)函數(shù)值，f（x′）為新解x′的目標(biāo)函數(shù)值，T為當(dāng)前溫度。在計(jì)算概率后生成一個(gè)隨機(jī)數(shù)r，如果r

1.2.3? 交通數(shù)據(jù)分析與預(yù)測(cè)

在5G背景下的智慧公路交通車路協(xié)同系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，交通數(shù)據(jù)分析與預(yù)測(cè)起著關(guān)鍵的作用。基于歷史數(shù)據(jù)及提取到的特征，采用回歸分析，建立交通數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)模型。線性回歸模型的公式如式（5）所示。

y=β0+β1x1+β2x2+…+βnxn（5）

其中，y表示預(yù)測(cè)的交通數(shù)據(jù)（如車流量），x1、x2等表示特征變量（如時(shí)間、天氣等），β0、β1等表示模型的參數(shù)。利用訓(xùn)練好的模型對(duì)未來(lái)的交通數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，如預(yù)測(cè)未來(lái)的車流量、交通擁堵情況等。將預(yù)測(cè)結(jié)果可視化展示，以便系統(tǒng)決策者和用戶能夠直觀地理解和應(yīng)用。

2? 系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)

2.1? 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

選擇SmartRoad Platform作為5G背景下智慧公路交通車路協(xié)同系統(tǒng)設(shè)計(jì)的構(gòu)建平臺(tái)，平臺(tái)的具體型號(hào)和配置為SmartRoad v2.0，處理器為Intel Core i7-8700（16GB RAM，1TB SSD）。選擇與SmartRoad Platform兼容的設(shè)備和傳感器，用于數(shù)據(jù)采集和測(cè)試；選擇XYZ-Camera高精度交通監(jiān)測(cè)攝像頭、GPS-Tracker車輛定位裝置，使用高速以太網(wǎng)連接將SmartRoad Platform連接到實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)。使用UPS（不間斷電源）或穩(wěn)定電源適配器為SmartRoad平臺(tái)提供穩(wěn)定的電源供應(yīng)，確保實(shí)驗(yàn)設(shè)備正常運(yùn)行，并與SmartRoad Platform進(jìn)行連接。

2.2? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

使用專業(yè)的測(cè)試工具和設(shè)備，按照標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)試，并記錄測(cè)試結(jié)果，選擇5個(gè)不同的運(yùn)行時(shí)間節(jié)點(diǎn)（T1、T2、T3、T4、T5）進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試系統(tǒng)的響應(yīng)速度、處理能力和傳輸速率，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

通過(guò)表1可以看出5G背景下智慧公路交通車路協(xié)同系統(tǒng)從T1到T5的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)的響應(yīng)速度逐漸降低，表明系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)交通數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸需求。系統(tǒng)具備較高的計(jì)算能力和數(shù)據(jù)處理能力，能夠應(yīng)對(duì)大量交通數(shù)據(jù)的分析和預(yù)測(cè)需求，系統(tǒng)的高傳輸速率支持實(shí)時(shí)交通信息共享和車輛之間的實(shí)時(shí)通信，能夠有效提高公路交通的通信效率。

3? 結(jié)語(yǔ)

在5G背景下，智慧公路交通通信技術(shù)充滿著無(wú)限的潛力和機(jī)遇。隨著5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及和進(jìn)一步發(fā)展，智慧公路交通通信技術(shù)將實(shí)現(xiàn)更高效的傳輸速率、更穩(wěn)定的連接和更精確的數(shù)據(jù)處理能力，以便在未來(lái)為交通系統(tǒng)的智能化、高效化和安全化提供強(qiáng)有力的支持。

參考文獻(xiàn)

［1］紀(jì)雅琪，程博文，龔煜.智能道路狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)研究［J］.長(zhǎng)江信息通信，2023（3）：154-156，159.

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（編輯? 姚? 鑫）

Design of road collaborative system for intelligent highway transportation under the background of 5G

Hu? Yuhua

（Jiangxi Intelligent Transportation Affairs Center， Nanchang 330008， China）

Abstract：? With the rapid development of 5G communication technology， intelligent highway traffic communication technology， as an important research direction， has attracted widespread attention. This paper aims to discuss the research and prospect of intelligent highway traffic communication technology under the background of 5G. Firstly， the paper analyzes the application prospect of intelligent highway traffic communication technology in 5G environment， including the research and development of vehicle-road cooperation system， high-precision positioning and navigation technology， and traffic data analysis and prediction technology. Secondly， from the aspects of information collection and signal control， the intelligent highway traffic vehicle-road cooperation system under the 5G background is constructed， and the test experiment shows the high data transmission rate， stable network connection and accurate traffic information processing capability of the system， hoping to make contributions to improving the traffic system， improving traffic efficiency and ensuring traffic safety.

Key words： 5G technology; smart highway; traffic communication