魏文勇 張 暉 趙 峰

中通服咨詢設(shè)計研究院有限公司

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，車輛也快速增長，導(dǎo)致了停車需求的增長，停車難一直是我國許多城市普遍面臨的問題，這一問題在大城市尤為嚴(yán)重。很多城市的停車場規(guī)劃相對滯后，遠(yuǎn)不能滿足不斷增長的停車需求。有限的停車服務(wù)將大大降低居民的生活質(zhì)量。

日益嚴(yán)重的停車問題已成為制約我國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展和城市交通暢通的一大瓶頸。因此，根據(jù)停車需求信息和停車設(shè)施布局，開發(fā)能夠快速、準(zhǔn)確地支持停車規(guī)劃的停車輔助系統(tǒng)，對于準(zhǔn)確配置城市有限的停車資源，提高停車場利用率以及服務(wù)水平，緩解停車難問題，有較為重要的意義。本文主要探討基于5G V2X服務(wù)的停車位信息共享系統(tǒng)的可能性以及基于C-V2X服務(wù)的停車位信息共享系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案。

1 V2X服務(wù)

1.1 V2X技術(shù)

越來越多的車輛接入物聯(lián)網(wǎng)（IoT），車聯(lián)網(wǎng)（IoV）也隨之發(fā)展。車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)由車載終端、云計算平臺和數(shù)據(jù)分析平臺三部分組成。傳感器、數(shù)據(jù)采集器和無線發(fā)射模塊構(gòu)成車載終端，對車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時采集，實(shí)現(xiàn)車輛所有工作信息的采集、存儲和傳輸。車輛的實(shí)時運(yùn)行數(shù)據(jù)包括駕駛員與配電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息；云計算平臺對車輛信息進(jìn)行處理和過濾；數(shù)據(jù)分析平臺主要是向管理人員提交報告。通過連接人、車、車內(nèi)系統(tǒng)和道路基礎(chǔ)設(shè)施，IoV可以實(shí)現(xiàn)車間網(wǎng)絡(luò)的無縫連接，并在移動環(huán)境中提供智能管理和信息服務(wù)，這將提高駕駛體驗、交通效率和安全性，并降低運(yùn)營成本。

近年來，隨著通信技術(shù)的發(fā)展而新興的一個技術(shù)是vehicle to everything（V2X）。V2X是指車與外界進(jìn)行百分百的互聯(lián)，這是未來智能汽車、自動駕駛、智能交通運(yùn)輸系統(tǒng)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)，包括車-車（V2V）、車-基礎(chǔ)設(shè)施（V2I）、車-行人（V2P）、車輛到網(wǎng)絡(luò)（V2N）。V2V是指車輛間通過車載終端進(jìn)行通信，實(shí)時獲得附近車輛的速度、位置等信息，車輛間形成共享平臺，實(shí)時信息交換。V2I是指車載設(shè)備與路邊設(shè)備之間的通信，路外設(shè)備能從附近車輛獲得信息，也能發(fā)布實(shí)時信息。V2P是指用戶設(shè)備（如手機(jī)和筆記本電腦）與車內(nèi)設(shè)備進(jìn)行通信。V2N指車載設(shè)備接入云平臺，車輛與云平臺之間進(jìn)行通信。

根據(jù)使用的不同底層技術(shù)情況，介紹兩種V2X通信技術(shù)，即基于WLAN的V2X和基于蜂窩的V2X。

1.2 DSRC

最初的V2X通信采用WLAN技術(shù)，直接在V2V和V2I之間工作，這種V2X基于一種稱為專用短程通信（DSRC）的標(biāo)準(zhǔn)。DSRC利用IEEE802.11p在車輛環(huán)境中增加無線接入。它支持車輛之間以及車輛與路外設(shè)備之間的基本安全信息的低延遲通信。DSRC的頂層協(xié)議棧是基于IEEE1609標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的。V2V信息交互使用WAVE短消息協(xié)議而非TCP/IP協(xié)議，TCP/IP協(xié)議用于V2I和V2N信息交互。

1.3 C-V2X

C-V2X最初定義于3GPP R14中的LTE，設(shè)計用于V2I和V2N。在3GPP R15中，V2X功能擴(kuò)展到支持5G。與802.11p一樣，C-V2X直接通信支持廣域覆蓋連接，通過在5.9 GHz ITS頻段使用高質(zhì)量傳輸來檢測和交換信息，增強(qiáng)了安全機(jī)制。

隨著人、車、路和云平臺之間的全方位連接和高效信息交互，C-V2X目前正在從信息服務(wù)應(yīng)用程序向交通安全和效率應(yīng)用程序發(fā)展，并將逐步支持自動駕駛協(xié)作。C-V2X的一些典型應(yīng)用場景包括：

（1）交通效率

交通效率是C-V2X的重要應(yīng)用場景，對緩解城市交通擁堵、節(jié)能減排具有重要意義。典型的交通效率應(yīng)用是速度引導(dǎo)。車速引導(dǎo)是指利用路邊單元（RSU）采集交通信號燈和信號燈的時間信息，并向周圍車輛廣播信號燈的當(dāng)前狀態(tài)和當(dāng)前狀態(tài)的剩余時間等信息。收到信息后，車輛根據(jù)當(dāng)前速度、位置和其他信息計算建議的行駛速度，并提示車主確保車輛不會停止通過交叉口。這種情況要求RSU能夠收集交通信號信息并向車輛廣播V2X消息，而周圍車輛能夠發(fā)送和接收V2X消息。

（2）交通安全

交通安全是C-V2X最重要的應(yīng)用場景之一，對避免交通事故、減少事故造成的生命財產(chǎn)損失都有重要作用。典型的交通安全應(yīng)用場景是交叉口的碰撞警告。碰撞警告是指在交叉口，當(dāng)車輛檢測到車輛橫向行駛的碰撞風(fēng)險時，駕駛員會收到預(yù)警聲音或圖像以避免碰撞。這種情況下的車輛需要能夠廣播和接收V2X消息。

（3）信息服務(wù)

信息服務(wù)是提高駕駛體驗的重要應(yīng)用。典型的信息服務(wù)應(yīng)用場景包括緊急呼叫服務(wù)。緊急呼叫服務(wù)是指當(dāng)車輛發(fā)生緊急情況（如安全氣囊引爆、翻車等）時，車輛能夠通過網(wǎng)絡(luò)自動或人工啟動緊急救援信號，并提供基本信息如車輛類型、交通事故時間和地點(diǎn)等。服務(wù)提供商可以是政府應(yīng)急救援中心或其他應(yīng)急救援中心，要求車輛具有C-V2X通信能力。

（4）自動駕駛

與現(xiàn)有的攝像機(jī)視頻識別、毫米波雷達(dá)和激光雷達(dá)類似，V2X是另一種獲取其他車輛和行人運(yùn)動狀態(tài)（速度、制動、車道變化）信息的方法，不受天氣、障礙物和距離等因素的影響。同時，V2X還為自動駕駛產(chǎn)業(yè)化提供車客云協(xié)同的綜合服務(wù)體系。目前，典型的自動駕駛場景包括車輛編組和遠(yuǎn)程駕駛。車輛編組是指第一輛車是載人車輛或者自動駕駛車輛，后續(xù)車輛通過V2X通信與頭車保持實(shí)時的信息交互，以一定的車速實(shí)現(xiàn)一定車位的多車跟蹤駕駛。具有車道保持與跟蹤、協(xié)同自適應(yīng)巡航、協(xié)同緊急制動、協(xié)同變道提醒等功能。遠(yuǎn)程駕駛是駕駛員通過駕駛控制臺遠(yuǎn)程操控車輛。車載攝像頭和雷達(dá)通過5G網(wǎng)絡(luò)的大帶寬，將多路傳感信息實(shí)時傳輸?shù)竭h(yuǎn)程駕駛臺；駕駛員對方向盤、車輛的油門和制動器的控制信號將通過可靠的低延遲5G網(wǎng)絡(luò)傳輸至車輛。

5G技術(shù)將在C-V2X中發(fā)揮重要作用，提高車輛與道路環(huán)境通信的可靠性，并實(shí)現(xiàn)多種革命性服務(wù)的發(fā)展。

2 C-V2X服務(wù)在輔助停車方面的應(yīng)用

2.1 停車問題

許多住宅樓在建設(shè)過程中，沒有充分考慮停車需求，導(dǎo)致停車位不足。停車位信息不易獲取，造成資源浪費(fèi)。當(dāng)前停車場使用中存在的問題主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）路邊停車容量不合理

城市道路設(shè)置停車位時，道路兩側(cè)停車位數(shù)量與道路通行能力的比值應(yīng)在20%～33%之間。如果道路兩側(cè)停車位的比例超出了范圍，造成道路兩側(cè)停車位和公共停車場分布不合理，必然增加城市交通量。

（2）停車位分配

大型公共停車位通常建在城市的核心商業(yè)區(qū)周圍，如醫(yī)院、購物中心、廣場和學(xué)校。這些位置的交通量相對較高，當(dāng)所有停車位都被占用時，許多車輛都在巡航尋找停車位，這將使交通狀況更加惡化，從而加劇交通擁堵。停車場的合理布局對緩解交通壓力有很大影響。因此，在停車位的選擇和規(guī)劃中，不宜只考慮交通流而忽略其他因素。

（3）停車位利用率

到停車場的距離和停車成本是司機(jī)在選擇停車位時考慮的主要因素。為了節(jié)省時間，大多數(shù)車主會盡量把車停在最近的地方。但是，如果他們不熟悉附近的停車場布局，更多的時間將被花在選擇合適的停車位上。這將導(dǎo)致一些公共停車場擁堵，而另一些停車場利用率不高。

（4）停車位搜索

在停車區(qū)內(nèi)找到合適的停車位也很費(fèi)時。在我們的日常駕駛活動中，巡游停車場占用了30%的時間，本文提出了一個結(jié)合C-V2X技術(shù)的停車位信息共享框架，以解決停車問題，引導(dǎo)公共停車，為智能交通系統(tǒng)的建設(shè)提供有益的參考。

2.2 停車服務(wù)模式設(shè)計

可共享的停車位有路邊停車位和停車場兩類，而從可用資源的角度考慮，停車位有空間共享和時間共享兩種模式。

（1）可用點(diǎn)位信息共享

為了緩解交通擁堵，有必要減少尋找停車位的車輛數(shù)量，這將有助于減少交通流量。這可以通過在附近建筑物之間共享可用停車位的信息來實(shí)現(xiàn)。

（2）分時

對于某個停車位來說，不可能一直被占用。因此，不同的車輛可以在不同的時間段輪流使用同一個停車位。這個停車位空閑時間信息可以分發(fā)給其他駕駛員，以實(shí)現(xiàn)資源的充分利用。

2.2.1 停車服務(wù)模式框架

停車位信息共享系統(tǒng)的主要目標(biāo)是通過平臺上共享的停車位信息，使駕駛員能夠找到所需的停車位，如圖所示。停車位信息共享系統(tǒng)將從駕駛員、共享停車位和停車位信息共享平臺三個方面進(jìn)行介紹，如圖1所示。

圖1 停車服務(wù)模式示意圖

車位搜索器主要是車輛設(shè)備，停車資源主要是路邊設(shè)備，V2X通信系統(tǒng)包括通信協(xié)議、專用數(shù)據(jù)鏈路和管理系統(tǒng)。通信協(xié)議和專用通信鏈路包括V2X通信系統(tǒng)與車位查詢?nèi)藛T之間的短距離通信；管理系統(tǒng)用于檢查共享車位信息的真實(shí)性，并可將信息發(fā)送給車位查詢?nèi)藛T。

在停車的過程中，首先需要考慮的是車輛的通行問題。好的車位信息共享系統(tǒng)不應(yīng)對車位所在區(qū)域的第三方管理者帶來影響，因而在車位信息共享系統(tǒng)的中，需要先進(jìn)的車輛接入技術(shù)確保現(xiàn)有管理體系的運(yùn)行。在現(xiàn)有的v2x技術(shù)下有許多可能的解決方案，例如：

（1）快速響應(yīng)碼（QR碼）

停車位搜索者成功預(yù)訂停車位后，通過掃描管理系統(tǒng)發(fā)送的二維碼來向共享平臺發(fā)送車主身份。

（2）車號識別

通過車號識別技術(shù)，停車位信息共享平臺可以將預(yù)定成功車輛的車號識別信息傳送給停車位管理系統(tǒng)。通過車號識別，車位搜索者可以更方便地停車，也方便第三方管理者的管理。如圖2所示。

圖2 停車系統(tǒng)示意圖

（3）車位搜索器-車輛用戶

主要包括車載設(shè)備，如無線收發(fā)模塊、計算機(jī)處理模塊和顯示輸出模塊。其主要目的是根據(jù)自己的位置實(shí)時接收附近的停車位信息。本模塊用于接收通信模塊發(fā)送的車位信息，對車位信息進(jìn)行處理，并將處理結(jié)果轉(zhuǎn)換為司機(jī)能夠理解的聲光信號等提示信息。此外，還可以根據(jù)包含GPS位置的相對位置、車輛信息和可用空間提供導(dǎo)航引導(dǎo)。

（4）停車資源

停車位查詢系統(tǒng)主要對公共停車位的使用情況進(jìn)行實(shí)時統(tǒng)計和分析。在停車系統(tǒng)中，車位查詢是車位查詢?nèi)藛T與車位信息共享平臺之間的交互。

對于公共停車位，檢測停車位信息，并將信息及時發(fā)送到停車位共享平臺。路邊傳感器包括攝像機(jī)和激光雷達(dá)，攝像機(jī)采集路段的視頻圖像，識別視頻圖像中的物體類型、形狀和位置信息，并將信息發(fā)送給路邊處理單元；激光雷達(dá)用于檢測障礙物信息，將障礙物信息傳輸至路邊處理單元。如圖3所示。

圖3 路邊傳感器的布置

（5）通信實(shí)體

C-V2X是一種基于3GPP標(biāo)準(zhǔn)的通信技術(shù)，包括LTEV2X和5G-V2X，LTE-V2X支持平滑演進(jìn)到5G-V2X。C-V2X根據(jù)接口的不同可分為V2X直連和V2X蜂窩通信兩種模式。V2X直連通過PC5接口采用車載網(wǎng)絡(luò)的專用頻段（如5.9GHz），實(shí)現(xiàn)V2V、V2I、V2P的直接通信，低延遲、高移動速度的支持，滿足車位信息的決策和廣播要求。V2X蜂窩通信通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)的Uu接口轉(zhuǎn)發(fā)，使用蜂窩通信頻帶，并且廣播下行鏈路。C-V2X通信的兩種通信方式是相互依存、相輔相成的。基于PC5和Uu接口的V2X停車位信息共享通信框架的設(shè)計如圖4所示。

圖4 基于PC5和Uu接口的V2X停車位信息共享通信框架模型

RSU是V2X的重要模塊，RSU部署可分為兩種類型。當(dāng)RSU通過PC5接口接收到V2X消息時，RSU被部署為UE和V2X應(yīng)用程序的邏輯組合，這稱為UE類型RSU。當(dāng)RSU通過Uu接口接收到V2X消息時，RSU部署包括eNodeB、內(nèi)置L-GW和V2X應(yīng)用服務(wù)器，稱為eNodeB類型RSU。

采用PC5和Uu同時進(jìn)行V2X通信，UE經(jīng)由PC5與其他UE（包括UE類型RSU）通信以發(fā)送和接收V2X消息，UE型RSU可以通過Uu與移動網(wǎng)絡(luò)中的V2X應(yīng)用服務(wù)器通信，并且可以根據(jù)需要用于管理超過PC5通信范圍的V2X消息的通信，此時使用PC5和Uu V2X的混合通信。

基于C-V2X的通信系統(tǒng)由路側(cè)系統(tǒng)組成，用于檢測公共停車位信息和整合停車位信息；5G通信模塊，用于接收和發(fā)送路側(cè)系統(tǒng)發(fā)送的車輛位置信息；車輛子系統(tǒng)，設(shè)置在車輛上，用于接收5G通信模塊發(fā)送的公共停車位信息，并對停車位信息進(jìn)行處理、分析，并轉(zhuǎn)換成聲音和燈光等司機(jī)易于理解的信息。該系統(tǒng)可以將停車位信息與車輛連接起來，并將道路信息傳遞給駕駛員，從而保證駕駛員了解附近區(qū)域的停車位信息，增加停車的方便性和安全性。

2.2.2 動態(tài)V2X通信系統(tǒng)模型

實(shí)現(xiàn)對車輛的協(xié)調(diào)，解決停車問題，除了系統(tǒng)框架和基礎(chǔ)設(shè)施外，還需要一個動態(tài)通信系統(tǒng)模型，如圖5所示。

圖5 通信系統(tǒng)模型

該多任務(wù)模型用來說明停車場合理共享實(shí)現(xiàn)、停車位的動態(tài)調(diào)度以及與停車位需求者的可靠信息交換。

索引：表示5G網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中必不可少、各種形式的傳輸節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)關(guān)，如手機(jī)、移動車輛、服務(wù)器、第三方應(yīng)用程序。通過該通信協(xié)議和算法模型，可在5G-v2x網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行會話協(xié)調(diào)、物理層數(shù)據(jù)采集甚至上邊緣層計算等工作。

數(shù)據(jù)：模型中的錨點(diǎn)包含共享停車位和車輛信息等特征。

應(yīng)用：在最高通信層，代表網(wǎng)絡(luò)模型中的概念或節(jié)點(diǎn)、系統(tǒng)，如區(qū)域服務(wù)器、5G核心網(wǎng)等。

本文的動態(tài)調(diào)度隊列處理模型中匹配請求的條件包括以下8個方面：（1）鄰近停車場調(diào)度信息；（2）預(yù)計到達(dá)目標(biāo)位置的時間；（3）收費(fèi)類別；（4）停車和服務(wù)能力；（5）停車時間班次；（6）停車位與車輛的距離；（7）目標(biāo)停車位和車輛的位置；（8）停車記錄數(shù)據(jù)庫。

V2X的優(yōu)勢之一是整合了各種第三方應(yīng)用程序和運(yùn)營商提供的信息和服務(wù)，從而能實(shí)現(xiàn)實(shí)時信息交換和無縫V2X連接。V2X服務(wù)器將停車信息同步到安裝在車輛上的UE或車載單元（OBU）。停車場運(yùn)營商根據(jù)不同的時間班次，為進(jìn)入的客戶提供停車區(qū)的總體布局、地址、點(diǎn)計數(shù)和收費(fèi)率，以及服務(wù)類別。

將包含上述8個標(biāo)準(zhǔn)的用戶移動性數(shù)據(jù)采集并傳輸?shù)缴蠈铀饕蚋夸涍M(jìn)行進(jìn)一步分析或計算等，在停車位信息共享系統(tǒng)內(nèi)觸發(fā)實(shí)時停車協(xié)調(diào)。

通過5G RAN中的V2X通信鏈路，捕獲并跟蹤實(shí)時車輛/用戶移動性和鄰近條件，V2X通信將通過5G SBA和移動邊緣計算（MEC）技術(shù)承載在車輛、共享停車場和停車服務(wù)平臺之間。

3 結(jié)束語

本文結(jié)合共享停車場的現(xiàn)狀，簡要介紹了新興的V2X技術(shù)，介紹了由車位搜索器、共享車位和停車服務(wù)平臺組成的車位信息共享系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，建立了停車動態(tài)調(diào)度隊列處理模型，這是包含8個優(yōu)化判別指標(biāo)的動態(tài)調(diào)度模型。結(jié)合停車位信息共享系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)滿足上述條件的停車位的廣播，也可以實(shí)現(xiàn)滿足停車位要求的停車位信息共享。