孫雨奇 王斐武

(1、中國(guó)信息通信研究院,北京100191 2、中國(guó)鐵道科學(xué)研究院,北京100081)

隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的不斷成熟和普及，以及我國(guó)第五代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的不斷完善，各類依賴5G信息技術(shù)的產(chǎn)業(yè)應(yīng)運(yùn)而生，物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等新興行業(yè)不斷發(fā)展。5G信息技術(shù)與人工智能的結(jié)合，為車聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域車路協(xié)同自動(dòng)駕駛技術(shù)的快速進(jìn)步提供了良好發(fā)展機(jī)遇。另一方面，縱觀我國(guó)近年來(lái)公路交通安全事故發(fā)生概況可知，交通問(wèn)題造成的傷亡人數(shù)、交通擁堵成本等不斷增加，不僅在較大程度上使安全事故數(shù)量大幅度提升，死亡人數(shù)不斷增加，且在一定程度上給環(huán)境治理、保障能源結(jié)構(gòu)安全以及車輛自動(dòng)化監(jiān)管等帶來(lái)了較大難題。基于5G信息技術(shù)的車路協(xié)同自動(dòng)駕駛技術(shù)的出現(xiàn)，良好地解決了行車安全和環(huán)保智能的綜合問(wèn)題，在此背景下，對(duì)基于5G技術(shù)的車路協(xié)同自動(dòng)駕駛技術(shù)的研究，也就具備重要理論意義和現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

1 車路協(xié)同系統(tǒng)架構(gòu)

車路協(xié)同系統(tǒng)主要采用先進(jìn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信方式和新一代互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)，全過(guò)程、全方位和全要素地實(shí)現(xiàn)汽車和道路邊建筑的協(xié)同發(fā)展，高效率實(shí)現(xiàn)對(duì)車車、車路和人車的動(dòng)態(tài)控制與信息交互，在全過(guò)程駕駛行車中達(dá)到時(shí)空交錯(cuò)下的信息采集和高效融合，開(kāi)展車路協(xié)同安全和道路協(xié)同管理，使自動(dòng)駕駛這一安全目標(biāo)得以實(shí)施，圖1即為典型的車路協(xié)同架構(gòu)系統(tǒng)示意圖。

2 車路協(xié)同發(fā)展過(guò)程及性能需求

2.1 車路協(xié)同系統(tǒng)發(fā)展

縱觀我國(guó)車路協(xié)同系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程可知，我國(guó)車路協(xié)同系統(tǒng)主要經(jīng)歷了輔助信息交流溝通、協(xié)調(diào)感知和協(xié)調(diào)決策與控制三大階段，體現(xiàn)了基于5G信息技術(shù)的逐步提升車路協(xié)同系統(tǒng)的信息交互能力和智能化程度的過(guò)程。在路旁相關(guān)數(shù)據(jù)信息的交互使用過(guò)程中，可基于信息廣播實(shí)現(xiàn)車路協(xié)同服務(wù)以及車路、人車數(shù)據(jù)信息交換，為車車碰撞、道路施工障礙信息提醒等奠定基礎(chǔ)。在人車、車車和車路的協(xié)同感知發(fā)展階段，主要基于簡(jiǎn)單的車路協(xié)同網(wǎng)絡(luò)體系，為駕駛員提供闖紅燈提醒、特種車服務(wù)優(yōu)先提醒等信息?；?G較高帶寬和較快速度的信息發(fā)展服務(wù)，實(shí)行高精確度的地圖控制和遠(yuǎn)程監(jiān)管。總之，基于5G信息技術(shù)的協(xié)同決策和控制，主要基于人車、車車和車路的協(xié)同信息交互與感知，實(shí)現(xiàn)智能駕駛及通信，實(shí)現(xiàn)高速度數(shù)據(jù)信息下載甚至廣域范圍內(nèi)全方位信息覆蓋，為智能行車提供服務(wù)。

2.2 典型場(chǎng)景與網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)

車路協(xié)同發(fā)展系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景主要可概括為以增強(qiáng)用戶體驗(yàn)感為核心、以車輛駕駛順暢度提升為核心和以車路協(xié)同系統(tǒng)發(fā)展為核心的三大結(jié)構(gòu)，分別分為信息服務(wù)類、應(yīng)用汽車智能類應(yīng)用和智慧交通類應(yīng)用三大類別。以車輛駕駛安全為核心的智能汽車感知，在車輛安全運(yùn)行過(guò)程中主要與智能化、信息化和數(shù)字化相關(guān)，利用車載傳感器和周邊路旁車輛行駛時(shí)建筑環(huán)境變化收集數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)識(shí)別，便于結(jié)合地圖上數(shù)據(jù)信息進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化與分析，保障車輛行駛安全、行駛效率和智能程度。

3 基于5 G技術(shù)的車路協(xié)同自動(dòng)駕駛技術(shù)架構(gòu)

3.1 5G車路協(xié)同自動(dòng)駕駛技術(shù)路線

5G信息技術(shù)支撐下的車路協(xié)同自動(dòng)駕駛技術(shù)依托數(shù)據(jù)信息的快速發(fā)展，通過(guò)車內(nèi)數(shù)據(jù)信息、車車數(shù)據(jù)信息、車路數(shù)據(jù)信息、人車數(shù)據(jù)信息和服務(wù)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車行駛數(shù)據(jù)信息的全方位、全過(guò)程和全要素連接，達(dá)成數(shù)據(jù)信息的高效交互與溝通，從而為自動(dòng)駕駛汽車提供綜合服務(wù)，形成電子數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)、信息通信和道路交通等諸多行業(yè)深度融合的新型產(chǎn)業(yè)發(fā)展格局，為推動(dòng)智能交通和促進(jìn)自動(dòng)駕駛信息技術(shù)的快速提升奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。5G車路協(xié)同自動(dòng)駕駛技術(shù)，依托第五代信息網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高精確度的定位技術(shù)、五維時(shí)空融合技術(shù)、邊緣云協(xié)同技術(shù)和邊緣云平臺(tái)計(jì)算等功能，構(gòu)建邊緣云端等分層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系，建立智能化程度較高的可靠車聯(lián)網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)車輛數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新和高精確度定位，為車聯(lián)網(wǎng)信息的安全和高效率服務(wù)，圖2即為5G車路協(xié)同自動(dòng)駕駛技術(shù)路線。

圖2 5G車路協(xié)同自動(dòng)駕駛技術(shù)路線

3.2 5G車路協(xié)同自動(dòng)駕駛的關(guān)鍵技術(shù)

基于5G信息技術(shù)的車路協(xié)同，主要依賴于高精確度的定位技術(shù)、五維時(shí)空信息融合技術(shù)、5G邊緣計(jì)算技術(shù)和5G網(wǎng)絡(luò)邊云協(xié)同的整體方案，實(shí)現(xiàn)人車信息的高效交互和和保障自動(dòng)駕駛的安全性，在五維時(shí)空信息融合技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，主要利用道路數(shù)據(jù)信息、車載傳感器、激光掃描儀、毫米波雷達(dá)和攝像頭等諸多設(shè)備獲取自動(dòng)駕駛汽車周邊范圍內(nèi)所有交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)參與者的全面的數(shù)據(jù)信息，結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)通信地圖，確保較高速度和較高下載量，利用北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的準(zhǔn)確定位、多傳感器高精確度同步和數(shù)據(jù)信息的高效交互與融合感知功能，滿足自動(dòng)駕駛業(yè)務(wù)需求而提供建?？赡?。

3.3 5G車路協(xié)同自動(dòng)駕駛整體架構(gòu)

基于5G信息技術(shù)的車路協(xié)同自動(dòng)駕駛，包括車路協(xié)同自動(dòng)駕駛前端設(shè)備、通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、邊緣云設(shè)備等諸多核心體系，圖3即為某公司提出的基于5G網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的車路協(xié)同自動(dòng)駕駛總體架構(gòu)示意圖。車路協(xié)同與自動(dòng)化駕駛前端設(shè)備在應(yīng)用中主要依賴于智能汽車和路邊智能設(shè)備連接，利用智能汽車的感知能力、決策能力、控制能力和數(shù)據(jù)信息的交互能力，通過(guò)傳感器集成技術(shù)對(duì)周邊環(huán)境進(jìn)行感知，將有用信息用于汽車自動(dòng)行駛，并將感知到的數(shù)據(jù)信息傳遞給邊緣層，智能駕駛車輛則在接受邊緣層傳下數(shù)據(jù)信息后輔助決策，為汽車智能運(yùn)行提供可能。

圖3 基于5G網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的車路協(xié)同自動(dòng)駕駛總體架構(gòu)示意圖

4 5 G車路協(xié)同自動(dòng)駕駛的實(shí)際應(yīng)用——以干線物流為例

4.1 5G車路協(xié)同匝道匯入場(chǎng)景應(yīng)用

以干線物流為例，5G車路協(xié)同匯入匝道場(chǎng)景如圖4所示，由圖可知，路旁兩側(cè)感知設(shè)備在匝道匯入口附近收集匯入車輛數(shù)據(jù)信息，并將主路駛?cè)朐训赖能囕v數(shù)據(jù)信息一一通報(bào)，使來(lái)車位置、來(lái)車速度和具體情形得到明確感知，而主路上的車輛在接收上述數(shù)據(jù)信息后能夠調(diào)整相應(yīng)車次信息，保證安全通過(guò)。在此過(guò)程中，道路兩旁的攝像頭、雷達(dá)、傳感器等感知設(shè)備監(jiān)測(cè)到車輛距離、類型甚至移動(dòng)速度等相關(guān)信息后，傳遞計(jì)算出移動(dòng)車輛精確的位置信息和速度信息，將其發(fā)送給匝道附近主路的自動(dòng)駕駛車輛，使車輛能夠通過(guò)接收設(shè)備接收到數(shù)據(jù)信息而借助衛(wèi)星定位系統(tǒng)計(jì)算與該車輛之間的相對(duì)位置、相對(duì)速度等參數(shù)，調(diào)整自身行駛速度以避免碰撞。

圖4 5G車路協(xié)同匯入匝道場(chǎng)景

4.2 5G車路協(xié)同坡道信息提示場(chǎng)景應(yīng)用

利用5G信息系統(tǒng)的車路協(xié)同，在坡道信息提示和場(chǎng)景應(yīng)用過(guò)程中，道路兩旁架設(shè)的感知設(shè)備在坡道前方，能夠根據(jù)坡道原始建設(shè)信息發(fā)送坡道彎度、坡道長(zhǎng)度以及具體坡道位置等參數(shù)，自動(dòng)駕駛車輛在接受上述信息后，通過(guò)規(guī)劃自動(dòng)駕駛車輛行車動(dòng)力達(dá)到速度分配，實(shí)現(xiàn)高效安全地通過(guò)坡道的目標(biāo)。

4.3 5G超視距場(chǎng)景應(yīng)用

5G車路協(xié)同自動(dòng)駕駛系統(tǒng)在干線物流中超視距場(chǎng)景的應(yīng)用如圖5所示，由圖可知，路旁兩側(cè)感知設(shè)備等距離分布于道路兩旁，各設(shè)備負(fù)責(zé)檢測(cè)對(duì)應(yīng)負(fù)責(zé)路段上的交通事故、交通障礙甚至交通拋灑物等參數(shù)，并將上述事件通過(guò)廣播向附近自動(dòng)駕駛車輛進(jìn)行傳輸，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳到平臺(tái)系統(tǒng)，利用平臺(tái)系統(tǒng)的信息集成向其他路邊設(shè)備同步，利用路邊設(shè)備將交通事件對(duì)外廣播，使即將進(jìn)入該事件發(fā)生區(qū)域內(nèi)的自動(dòng)駕駛車輛能夠接受到相關(guān)數(shù)據(jù)后提前對(duì)路段進(jìn)行規(guī)劃，不斷提升行車安全性和通行效率。

圖5 5G超視距場(chǎng)景應(yīng)用

結(jié)束語(yǔ)

總之，自動(dòng)駕駛技術(shù)是集傳感器技術(shù)、信息技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)等諸多前沿技術(shù)于一體的綜合性、系統(tǒng)性技術(shù)之一，其出現(xiàn)將改變?nèi)藗儗?duì)傳統(tǒng)模式下人工駕駛交通系統(tǒng)的認(rèn)知，推動(dòng)自動(dòng)駕駛交通產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。本文在總結(jié)車路協(xié)同自動(dòng)駕駛關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用場(chǎng)景的基礎(chǔ)上，以干線物流為例探究了5G車路協(xié)同自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的實(shí)踐應(yīng)用，旨在為提升5G車路協(xié)同自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的應(yīng)用水平帶來(lái)一定參考。