基于V2×技術(shù)的環(huán)衛(wèi)車自動駕駛與智能網(wǎng)聯(lián)協(xié)同工作模式研究

中圖分類號：U471 收稿日期：2025-04-23 DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.06.008

Abstract：Withtherapiddevelopmentofautonomousdrivingtechnology，V2X（Vehicle-to-Everything）hasemergedasakeyenablerformprovingtheoperationaleficiencyandsafetyofsanitationveiclesByestablishingextensiveconectivitybetweenvehicles andthesurroundingevironment，V2Xtecnologyeanesthefunctioalityofutoomousdrivingsystems，facilitatingealiein formationexchangeanddecision-makingsupportamongvehicles.Thispapercomprehensivelyexploresthearchitectureandoperational principlesofXtsegatiotoooosriigsmsdtheosrctionofanintellgetooeratieetwoingfr work.ThestudystoanalethepotetialofVXinmodertransportationsytemsandevauatetheoperatioalefectivensofsan itation vehicles in real-world scenarios.

Keywords：V2Xtechnology;Santationvehicles；Autonomousdriving;Intellgentconnectedvehicles;Cooperativeoperation

1前言

V2X（VehicletoEverything）技術(shù)作為當(dāng)前智能交通系統(tǒng)發(fā)展的核心，為自動駕駛環(huán)衛(wèi)車提高作業(yè)效率和提供了前所未有的安全保障。在城市道路清掃場景中，這項技術(shù)通過實時通信極大提升了作業(yè)路線協(xié)調(diào)能力和突發(fā)障礙物響應(yīng)速度，顯著降低了事故發(fā)生的概率。V2X技術(shù)的實時數(shù)據(jù)交換和處理能力，成為確保清掃任務(wù)高效完成與周邊交通參與者安全協(xié)同的關(guān)鍵。因此，深入分析V2X技術(shù)如何與環(huán)衛(wèi)車自動駕駛系統(tǒng)和城市智慧交通管理平臺協(xié)同工作，對于優(yōu)化環(huán)衛(wèi)作業(yè)效能與公共安全具有重要意義。

2V2X技術(shù)基礎(chǔ)及在自動駕駛中的應(yīng)用

2.1V2X技術(shù)的組成與工作原理

V2X技術(shù)通過無線通信，實現(xiàn)車輛與其環(huán)境之間的信息互動，以增強(qiáng)道路安全和流量管理。該技術(shù)系統(tǒng)由兩部分主要構(gòu)成：車載單元（OBU）和路側(cè)單元（RSU），輔以高級通信協(xié)議和計算平臺。

OBU安裝于車輛內(nèi)，具備多種傳感器如GPS和攝像頭，可識別路面垃圾分布、并蓋缺失等異常狀態(tài)，同時通過5G-V2X協(xié)議與交通信號燈、市政環(huán)衛(wèi)調(diào)度中心實時傳輸和接收關(guān)鍵信息。RSU部署在交通節(jié)點如交叉□，配備通信設(shè)備，用于收集和傳遞交通管理信息，與通過的車輛OBU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

在通信協(xié)議方面，V2X技術(shù)主要利用IEEE802.11p（DSRC）和LTE-V2X。DSRC可以提供低延遲通信，適用于安全相關(guān)的快速數(shù)據(jù)交換，而LTE-V2X則支持更廣泛的網(wǎng)絡(luò)覆蓋和較長距離的通信1]。因此，V2X技術(shù)能實現(xiàn)車輛與車輛、車輛與基礎(chǔ)設(shè)施之間的高效信息交流，顯著提高道路的使用效率和安全性[4]。

2.2V2X技術(shù)在自動駕駛系統(tǒng)中的集成

通過V2X技術(shù)，環(huán)衛(wèi)車能夠?qū)崟r接收來自其他車輛、行人、路邊設(shè)施等數(shù)據(jù)。這一功能通過高性能車載處理單元實現(xiàn)，該單元能夠快速處理和分析從傳感器和相機(jī)等設(shè)備收集的大量數(shù)據(jù)。V2X技術(shù)能讓城市環(huán)衛(wèi)車在進(jìn)行決策和路徑規(guī)劃時更為精確。通過實時的數(shù)據(jù)交換，環(huán)衛(wèi)車可以獲得關(guān)于交通流量、事故、路面條件等實時信息，輔助駕駛系統(tǒng)做出更合理的行駛決策[2]。例如，當(dāng)OBU接收到校車即將到達(dá)的信息時，環(huán)衛(wèi)車提前靠邊暫停掃盤旋轉(zhuǎn)，待校車通過后自動恢復(fù)作業(yè)。

3智能網(wǎng)聯(lián)協(xié)同工作模式的構(gòu)建

3.1框架設(shè)計

智能網(wǎng)聯(lián)協(xié)同工作模式是基于V2X技術(shù)構(gòu)建的分層式協(xié)同計算架構(gòu)，核心目標(biāo)是優(yōu)化環(huán)衛(wèi)車的自動駕駛能力，提高車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的交通流暢性和安全性。該模式采用V2XEdge—V2XServer—運營類服務(wù)三級架構(gòu)，通過實時數(shù)據(jù)共享和分布式計算，實現(xiàn)車輛的智能感知、決策、控制和協(xié)同。具體如圖1所示。

V2XEdge層是自動駕駛環(huán)衛(wèi)車與環(huán)境交互的第一層，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、處理和初步?jīng)Q策。該層由OBU、RSU、高精地圖模塊、通信調(diào)度系統(tǒng)和數(shù)據(jù)融合單元等組成。該層使用毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)、IMU（慣性測量單元）GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）、攝像頭等設(shè)備采集的環(huán)境信息，精度通常在 ±10cm 以內(nèi)。同時進(jìn)行車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)采集，實時采集車輛速度、加速度、角速度、轉(zhuǎn)向角、制動狀態(tài)等，數(shù)據(jù)更新率不低于 10Hz 。邊緣計算單元采用ARMCortex-A72架構(gòu)的邊緣計算設(shè)備，具備八核處理能力，運算速度在200GFLOPS以上，能夠?qū)崟r處理來自多個傳感器的數(shù)據(jù)并進(jìn)行信息融合。

V2XServer（云端計算層）負(fù)責(zé)大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲、計算和分析，利用云計算架構(gòu)進(jìn)行車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)管理，包括以下幾部分：a.設(shè)備管理，監(jiān)控所有接入設(shè)備的狀態(tài)，確保通信穩(wěn)定性[3]。b.算法管理，優(yōu)化數(shù)據(jù)分析算法，提高事件檢測準(zhǔn)確性。c.拓?fù)涔芾?，維護(hù)車輛、基礎(chǔ)設(shè)施、服務(wù)器之間的動態(tài)拓?fù)潢P(guān)系，保障通信鏈路的穩(wěn)定性。d.地圖管理，提供厘米級高精地圖服務(wù)，結(jié)合RTK（實時動態(tài)差分技術(shù)）提供不超過 ±5cm 的定位精度。e.事件管理，處理突發(fā)事件，如車輛事故、道路擁堵、天氣變化等，并根據(jù)模型分析結(jié)果下達(dá)調(diào)整指令。

運營類服務(wù)要面向不同應(yīng)用場景，提供智慧交通、應(yīng)急指揮、高精地圖、信息娛樂等服務(wù)。通過V2XServ-er計算結(jié)果，動態(tài)調(diào)整環(huán)衛(wèi)車的運行策略，實現(xiàn)智能化調(diào)度。如環(huán)衛(wèi)車與垃圾轉(zhuǎn)運站的自動對接，當(dāng)污水箱容量 ?90% 時，調(diào)度轉(zhuǎn)運車前往接應(yīng)。

3.2智能網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下的車輛協(xié)同策略

在智能網(wǎng)聯(lián)環(huán)境中，車輛協(xié)同策略依賴于V2X通信與分布式計算的支持，通過數(shù)據(jù)共享、協(xié)同控制和路徑優(yōu)化，能實現(xiàn)多輛環(huán)衛(wèi)車之間的高效協(xié)同。研究采用動態(tài)協(xié)同控制策略，基于實時交通狀況進(jìn)行調(diào)整。

車輛通過OBU和RSU進(jìn)行V2V、V2I、V2N等信息交換。共享數(shù)據(jù)包括車輛狀態(tài)（位置、速度、加速度）、交通信號燈信息、道路擁堵狀況、突發(fā)事件信息等，數(shù)據(jù)同步間隔小于 100ms 。數(shù)據(jù)采用AES-256加密算法進(jìn)行傳輸，確保信息安全性。

車輛之間的協(xié)同控制采用分布式控制算法，結(jié)合模型預(yù)測控制（MPC）優(yōu)化車輛行駛軌跡。目標(biāo)函數(shù)包括最小化能耗、減少剎車頻率、優(yōu)化車距等，計算過程中考慮環(huán)境感知誤差補(bǔ)償，確?？刂凭炔坏陀?±0.2m 。在V2I模式下，RSU可發(fā)送實時交通信號信息，結(jié)合云端計算的全局最優(yōu)路徑，動態(tài)調(diào)整行駛策略。

為了保證自動駕駛環(huán)衛(wèi)車在智能網(wǎng)聯(lián)環(huán)境中的高效協(xié)同，需要實施以下技術(shù)優(yōu)化：a.分布式任務(wù)調(diào)度，V2XEdge節(jié)點負(fù)責(zé)初步計算，計算壓力較大的任務(wù)由V2XServer進(jìn)行云端計算，形成端一邊一云三級計算架構(gòu)，確保延遲控制在 50ms 以內(nèi)。任務(wù)調(diào)度采用負(fù)載均衡算法，當(dāng)某個V2XEdge節(jié)點的計算資源使用率超過75% 時，任務(wù)將自動轉(zhuǎn)移至鄰近節(jié)點或云端計算[4]。b.路徑規(guī)劃與動態(tài)調(diào)整，在智能網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下，車輛的路徑規(guī)劃結(jié)合Dijkstra最短路徑算法和 A^* 搜索算法，計算過程中實時考慮交通擁堵、突發(fā)事故、紅綠燈信號、動態(tài)車速等因素。

車輛路徑遇到以下觸發(fā)條件時進(jìn)行調(diào)整：a.交通信號燈信息變更，提前接收信號燈倒計時信息，調(diào)整車速以減少急剎車，提高通行效率。b.突發(fā)事件，檢測前方事故或道路封閉，自動調(diào)整路徑繞行。c.車隊編隊管理，當(dāng)多輛環(huán)衛(wèi)車需要協(xié)同行駛時，采用基于V2X的自適應(yīng)巡航控制（CACC）技術(shù)，保持安全車距，車隊間距誤差不超過 ±0.5m 。

4實驗驗證

4.1模擬環(huán)境

本研究在虛擬仿真環(huán)境中構(gòu)建V2X技術(shù)應(yīng)用場景，采用高精度交通仿真軟件（如SUMO或CarSim），結(jié)合MATLAB-Simulink**進(jìn)行車輛動力學(xué)建模，以驗證V2X在環(huán)衛(wèi)車自動駕駛過程中的性能優(yōu)化效果。

仿真平臺使用SUMO（SimulationofUrban Mobility）進(jìn)行多車輛交通流建模，CarSim用于自動駕駛車輛的動力學(xué)建模，MATLAB-Simulink用于信號處理和控制策略實現(xiàn)。計算硬件使用CPUIntelXeonGold6330（2.0GHz，28核心），GPUNVIDIARTX4090（24GB顯存）進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。使用NS-3仿真5G-V2X（PC5）通信，仿真延遲控制在 10ms 以內(nèi)，數(shù)據(jù)丟包率低于 0.5% 。

實驗條件如下：

a.交通環(huán)境，模擬 5km×5km 的城市清掃示范區(qū)，設(shè)定4個交叉口，包括紅綠燈控制、無信號控制等場景。b.車輛配置，采用50輛自動駕駛環(huán)衛(wèi)車和30輛傳統(tǒng)人工駕駛社會車輛，自動駕駛車輛均配備V2X通信功能。c.交通負(fù)荷，設(shè)定低（500輛 /h ）、中（1000輛/h）高（1500輛 /h ）三種流量水平，模擬不同交通壓力下V2X技術(shù)作用。

4.2實驗結(jié)果分析

實驗過程如下：a.設(shè)定初始車輛狀態(tài)，包括速度（ 10～20m/s， 加速度 ）。b.V2X車輛實時共享位置、速度、道路狀態(tài)等數(shù)據(jù)，使用分布式路徑規(guī)劃算法優(yōu)化行駛軌跡。c.通過對車隊編隊控制，計算V2X協(xié)同控制對交通通行效率的影響[5]。d.記錄每個測試周期（60s）內(nèi)的平均車速、等待時間、剎車頻率等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

評估標(biāo)準(zhǔn)包括：a.平均車速，衡量V2X優(yōu)化路徑規(guī)劃對車輛流暢性的影響。b.平均等待時間，統(tǒng)計車輛在交叉口的平均排隊時間，評估V2X優(yōu)化信號控制的作用。c.剎車頻率，分析V2X車輛協(xié)同控制的平穩(wěn)性，減少急剎車行為。

仿真軟件SUMO提供每秒車輛位置、速度等數(shù)據(jù)，MATLAB計算車輛間距及碰撞風(fēng)險[6]。NS-3記錄V2X通信數(shù)據(jù)，分析傳輸時延與丟包率對系統(tǒng)性能的影響。具體結(jié)果如表1所示。實驗結(jié)果表明，在三種交通流量水平下，V2X技術(shù)提高了平均車速，降低了等待時間和剎車頻率。在高流量（1500輛/h）情況下，配備V2X通信功能的環(huán)衛(wèi)車平均等待時間減少4.7s，剎車頻率降低2.7次/km，顯著提升了交通效率和駕駛平穩(wěn)性。該結(jié)果證明V2X通信能夠有效減少環(huán)衛(wèi)車行駛中不必要的制動操作，提高車輛協(xié)同行駛的穩(wěn)定性。

5結(jié)語

V2X技術(shù)的深入應(yīng)用正在重塑自動駕駛環(huán)衛(wèi)車與智能網(wǎng)聯(lián)協(xié)同工作模式，推動城市環(huán)衛(wèi)系統(tǒng)向更高效、更安全的方向發(fā)展。通過高精度的實時通信和分布式計算架構(gòu)，車輛能夠在復(fù)雜環(huán)境中自主感知、精準(zhǔn)決策，并實現(xiàn)協(xié)同優(yōu)化，顯著提升行車安全性和協(xié)同工作能力。面對未來的智慧城市環(huán)衛(wèi)場景，V2X技術(shù)的深度融合需要持續(xù)推進(jìn)邊緣計算、高精度地圖、人工智能等核心技術(shù)的創(chuàng)新，建立“人-車-設(shè)施”三級協(xié)同協(xié)議，以構(gòu)建更加智能、協(xié)同、高效的智慧城市生態(tài)體系。

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作者簡介：

洪泰，男，1996年生，助教，研究方向為智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)、新能源汽車營銷。