论文部分内容阅读
【摘要】 车联网产业是电子信息通信、道路交通运输等行业深度融合的新兴产业，也是全球创新的热点，是未来5G赋能行业的重点方向。传统自动驾驶等智慧交通技术的发展依赖于车厂主导的单车智能技术研发，存在感知盲区和算力受限的瓶颈，而车路协同是解决单车智能技术发展瓶颈的根本手段。本文依托国家级车联网先导区建设运营经验，重点分析5G引入对车联网的影响，探究车路协同的整体架构、硬件设计、场景应用等。
【关键词】 车路协同 V2X 车联网
引言：
随着5G时代到来，C-V2X路线逐渐明确，5G和边缘计算给车联网应用带来了更多的可能。车联网产业是电子信息通信、道路交通运输等行业深度融合的新兴产业，也是全球创新的热点，对现阶段相关技术、标准、应用等的研究具有一定价值。本文主要依托国家车联网先导区试点情况，总结相关经验，对车路协同系统架构、部署方案及应用场景等进行探讨。
一、系统架构
传统智能交通主要围绕单车智能技术进行研发，如辅助驾驶，碰撞安全系统等。但单车智能依赖于车辆自身的传感器和计算处理能力，存在感知盲区、算力有限、协同性弱等问题。为从根本上解决基于传统单车智能的自动驾驶技术存在的问题，需要结合5G通信、大数据、物联网、人工智能技术实现智能车联，打造车路协同的智慧交通。现阶段采用的车路协同架构如下图所示，主要分为4个层级：
基础设施层：车辆集成的5G通信模块、车载传感器，路侧部署的各种传感器、摄像头、RSU等，以及GPS视觉感知融合的高精度定位技术，实现对车辆、道路环境数据的感知收集和基础计算功能。
网络层：连接车辆、路侧传感器、MEC等设备，利用5G高速率、低时延、海量连接的特性实现环境信息、车辆信息、控制信息的实时传输。
平台层：在采集数据的基础上，实现区域内道路、基础设施、车辆等信息的汇集，构建五维时空模型（三维+时间+环境），实现车联网相关应用决策的制定与下发。
应用层：承载具体应用，为政府、车企、大众等提供个性化的平台接入能力和应用服务。
1.1网络架构
车联网以车辆信息交互为核心，通过C-V2X网络形成车-车（V2V）、车-路（V2I）、車-人（V2P）等之间协同感知、决策与控制。核心包括V2X网络、路侧单元、车载终端、云平台等。得益于5G网络的引入，车联网的实时性、可靠性得到保障，融合大数据、云计算等技术后，车路协同的智慧交通能力可以得到大幅提升。具体端到端架构如图：
1.2 V2X平台
1.2.1 V2X平台功能
V2X是车联网技术的核心，通过车-车（V2V）、车-路（V2I）、车-人（V2P）、车-云（V2N）等信息交互和共享，使车和周围环境协同与配合，实现智能交通管理控制、车辆智能化控制和智能动态信息服务的一体化网络。V2X平台的核心功能通过V2X服务器实现，主要包括V2X服务、车路协同策略、交通及网络数据获取推送及MEC功能。并与外部交通数据平台如交通大数据平台、交通设备管理系统、车企联网平台、交通监控平台等实现互通。
1.2.2多级V2X平台部署
针对路侧智能感知的海量、超低时延数据计算与传输需求，具体部署建议采用分级的方式进行，分层提供不同的服务能力：
V2X中心平台提供终端管理、用户管理、计费管理、业务管理、安全管控功能，具有全局管理、数据分析以及跨区域业务和数据调度能力;
V2X区域平台提供区域终端数据接入、区域交通数据汇聚、区域交通数据分析、边缘节点资源调度等功能，并为第三方应用厂商提供应用托管;
V2X边缘节点提供车辆终端实时接入、路侧传感数据融合计算、分析及边缘侧应用托管等功能，同时，支持边缘节点间数据同步、计算协同、业务连续性保持等能力，以满足V2X边缘侧业务需求。
各级平台除支撑红绿灯信息推送、交通事件提醒等辅助驾驶应用外，三级平台协同可实现更高等级的自动驾驶。
1.3路侧智能设备
路侧智能设备包括路侧通信单元（RSU）、道路智能感知交通基础施（传感器等）、智能交通基础设施（信号机等）。其中RSU是部署在路侧的通信网关，汇集道路智能感知设备和智能交通基础设施的信息，上传至V2X平台并将交通信息下发至车辆。
1.4车载终端
车载终端（OBU）主要实现信息的采集、处理和通信，同样也支持移动蜂窝网Uu口和PC5直连。一般通过Uu口与V2X平台互联，通过PC5口与RSU相连。OBU可上传车辆位置等信息至V2X平台，V2X平台下发交通信号、路况、控制等信息至车辆，OBU还可以通过PC5接口获取RSU的广播数据，实现红绿灯信息推送、车速引导等车路协同应用场景。
1.5 C-V2X网络
C-V2X是基于蜂窝移动通信技术的车用无线通信技术，车路协同中常用的通信有两种方式，基于直连和基于蜂窝网络。基于直连方式的通信：RSU基于直连信道（采用PC5接口）与其附近（视距覆盖范围内）搭载了V2X OBU的车辆进行通信，实现车路协同。车辆间也可通过PC5口进行通信，受益于直连方式，可以实现低时延、高可靠事关的特性。基于4/5G网络的通信：RSU、车辆均通过4/5G信道（采用Uu接口）与V2X平台相连，实现车路协同通信。此方式借助覆盖良好的移动网络可实现更大范围的可靠通信，但移动网络时延方面需要进行优化。V2X路侧终端一般采用连续覆盖铺设方式打造车路协同网，根据现有经验，按约400米间距部署RSU可实现PC5全程V2X通信功能，但暂无系统性部署规范。在实际项目中，RSU路侧单元的部署应考虑业务和路段环境等多方面的影响。 二、应用探索
车路协同的发展方向是推进交通管理信息进一步开放，融合智慧交通管理系统与C-V2X技术，促进车联网平台与城市大数据中心互联互通，建立“人-车-路-云”协同的城市智慧交通体系建设，改善交通出行体验。目前较典型的应用有以下几种。1.道路危险状况提示：通过路侧感知设备探测到道路存在潜在危险状况，如桥下存在较深积水、路面有深坑、前方急转弯等，路侧单元（RSU）周期性对外广播道路危险状况提示信息，车辆依据自身位置信息和危险状况提示信息，对驾驶员进行预警。2.弱势交通参与者碰撞预警：车辆在行驶中因视线盲区与周边弱势交通参与者存在碰撞危险时，应用将对车辆驾驶员或行人进行预警。主要有行进视觉盲区预警和倒车盲区预警两个应用场景，此场景要求车辆及行人具备短程通信能力。3.远程驾驶：车内摄像头和传感器作为驾驶员的感知采集设备，借助5G车联网的低时延、大带宽，通过实施现场视频的回传及控制信息的下发，实现远程驾驶。可以应用在救灾、抢修等特殊场景，降低工作的危险性，提高工作效率。4.前向碰撞预警：车辆之间通过PC5口通信获得彼此的位置、速度、加速度等实时行驶状态信息，OBU通过计算分析后提醒用户是否存在碰撞危险。5.红路灯信息推送：OBU将车辆行驶信息实时上传至V2X平台，RSU将红绿灯信息上报至V2X平台，V2X平台将红绿灯信息推送至车载终端（OBU）进行顯示，引导车辆高效通行。6.车辆编队行驶：自动控制一队紧密联系的车辆，车辆间建立连接，保持特定的距离，共享速度、方向、加速、制动等信息。通过该技术可以减少车辆间的距离，提高道路容量，减少风阻并降低燃料消耗，减少司机需求。除以上列举典型应用外，车联网还有着丰富的应用探索方向，如超视距环境感知、潮汐车道提醒、紧急车辆通行提示等等。最终车路协同将向高等级自动驾驶方向演进。
三、结束语
车联网是工业互联网极具潜力的行业应用方向，尤其在5G引入后，基于高可靠、低时延、大带宽的车路协同网建设，可以打通基于单车智能的智能交通发展瓶颈，提升车路协同能力，加速自动驾驶时代的来临。但目前车联网行业仍处于发展阶段，在政策、终端、网络、系统对接上均仍有大量问题待解决。一是网络规划建设标准仍在梳理中。二是跨部门协同需要不断深入。三是产业链发展相对滞后。后续应联合政府行政能力与各方面专业力量，共同推进车路协同系统成熟，真正实现5G赋能交通，实现智慧生活的愿景。
参 考 文 献
[1] 陈超， 吕植勇， 付姗姗，等. 国内外车路协同系统发展现状综述[J]. 交通信息与安全， 2011， 29（001）：102-105.
[2] 蔡志理， 孙丰瑞， 韦凌翔，等. 基于车联网技术的车路协同系统设计[J]. 山东交通学院学报， 2011， 019（004）：17-23.
[3] 杨放春， 王尚广， 李静林， et al. 车联网综述（英文）[J]. 中国通信， 2014（10）.
[4] Boban M ， Kousaridas A ， Manolakis K ， et al. Use Cases， Requirements， and Design Considerations for 5G V2X[J]. IEEE Vehicular Technology Magazine， 2017.
【关键词】 车路协同 V2X 车联网
引言：
随着5G时代到来，C-V2X路线逐渐明确，5G和边缘计算给车联网应用带来了更多的可能。车联网产业是电子信息通信、道路交通运输等行业深度融合的新兴产业，也是全球创新的热点，对现阶段相关技术、标准、应用等的研究具有一定价值。本文主要依托国家车联网先导区试点情况，总结相关经验，对车路协同系统架构、部署方案及应用场景等进行探讨。
一、系统架构
传统智能交通主要围绕单车智能技术进行研发，如辅助驾驶，碰撞安全系统等。但单车智能依赖于车辆自身的传感器和计算处理能力，存在感知盲区、算力有限、协同性弱等问题。为从根本上解决基于传统单车智能的自动驾驶技术存在的问题，需要结合5G通信、大数据、物联网、人工智能技术实现智能车联，打造车路协同的智慧交通。现阶段采用的车路协同架构如下图所示，主要分为4个层级：
基础设施层：车辆集成的5G通信模块、车载传感器，路侧部署的各种传感器、摄像头、RSU等，以及GPS视觉感知融合的高精度定位技术，实现对车辆、道路环境数据的感知收集和基础计算功能。
网络层：连接车辆、路侧传感器、MEC等设备，利用5G高速率、低时延、海量连接的特性实现环境信息、车辆信息、控制信息的实时传输。
平台层：在采集数据的基础上，实现区域内道路、基础设施、车辆等信息的汇集，构建五维时空模型（三维+时间+环境），实现车联网相关应用决策的制定与下发。
应用层：承载具体应用，为政府、车企、大众等提供个性化的平台接入能力和应用服务。
1.1网络架构
车联网以车辆信息交互为核心，通过C-V2X网络形成车-车（V2V）、车-路（V2I）、車-人（V2P）等之间协同感知、决策与控制。核心包括V2X网络、路侧单元、车载终端、云平台等。得益于5G网络的引入，车联网的实时性、可靠性得到保障，融合大数据、云计算等技术后，车路协同的智慧交通能力可以得到大幅提升。具体端到端架构如图：
1.2 V2X平台
1.2.1 V2X平台功能
V2X是车联网技术的核心，通过车-车（V2V）、车-路（V2I）、车-人（V2P）、车-云（V2N）等信息交互和共享，使车和周围环境协同与配合，实现智能交通管理控制、车辆智能化控制和智能动态信息服务的一体化网络。V2X平台的核心功能通过V2X服务器实现，主要包括V2X服务、车路协同策略、交通及网络数据获取推送及MEC功能。并与外部交通数据平台如交通大数据平台、交通设备管理系统、车企联网平台、交通监控平台等实现互通。
1.2.2多级V2X平台部署
针对路侧智能感知的海量、超低时延数据计算与传输需求，具体部署建议采用分级的方式进行，分层提供不同的服务能力：
V2X中心平台提供终端管理、用户管理、计费管理、业务管理、安全管控功能，具有全局管理、数据分析以及跨区域业务和数据调度能力;
V2X区域平台提供区域终端数据接入、区域交通数据汇聚、区域交通数据分析、边缘节点资源调度等功能，并为第三方应用厂商提供应用托管;
V2X边缘节点提供车辆终端实时接入、路侧传感数据融合计算、分析及边缘侧应用托管等功能，同时，支持边缘节点间数据同步、计算协同、业务连续性保持等能力，以满足V2X边缘侧业务需求。
各级平台除支撑红绿灯信息推送、交通事件提醒等辅助驾驶应用外，三级平台协同可实现更高等级的自动驾驶。
1.3路侧智能设备
路侧智能设备包括路侧通信单元（RSU）、道路智能感知交通基础施（传感器等）、智能交通基础设施（信号机等）。其中RSU是部署在路侧的通信网关，汇集道路智能感知设备和智能交通基础设施的信息，上传至V2X平台并将交通信息下发至车辆。
1.4车载终端
车载终端（OBU）主要实现信息的采集、处理和通信，同样也支持移动蜂窝网Uu口和PC5直连。一般通过Uu口与V2X平台互联，通过PC5口与RSU相连。OBU可上传车辆位置等信息至V2X平台，V2X平台下发交通信号、路况、控制等信息至车辆，OBU还可以通过PC5接口获取RSU的广播数据，实现红绿灯信息推送、车速引导等车路协同应用场景。
1.5 C-V2X网络
C-V2X是基于蜂窝移动通信技术的车用无线通信技术，车路协同中常用的通信有两种方式，基于直连和基于蜂窝网络。基于直连方式的通信：RSU基于直连信道（采用PC5接口）与其附近（视距覆盖范围内）搭载了V2X OBU的车辆进行通信，实现车路协同。车辆间也可通过PC5口进行通信，受益于直连方式，可以实现低时延、高可靠事关的特性。基于4/5G网络的通信：RSU、车辆均通过4/5G信道（采用Uu接口）与V2X平台相连，实现车路协同通信。此方式借助覆盖良好的移动网络可实现更大范围的可靠通信，但移动网络时延方面需要进行优化。V2X路侧终端一般采用连续覆盖铺设方式打造车路协同网，根据现有经验，按约400米间距部署RSU可实现PC5全程V2X通信功能，但暂无系统性部署规范。在实际项目中，RSU路侧单元的部署应考虑业务和路段环境等多方面的影响。 二、应用探索
车路协同的发展方向是推进交通管理信息进一步开放，融合智慧交通管理系统与C-V2X技术，促进车联网平台与城市大数据中心互联互通，建立“人-车-路-云”协同的城市智慧交通体系建设，改善交通出行体验。目前较典型的应用有以下几种。1.道路危险状况提示：通过路侧感知设备探测到道路存在潜在危险状况，如桥下存在较深积水、路面有深坑、前方急转弯等，路侧单元（RSU）周期性对外广播道路危险状况提示信息，车辆依据自身位置信息和危险状况提示信息，对驾驶员进行预警。2.弱势交通参与者碰撞预警：车辆在行驶中因视线盲区与周边弱势交通参与者存在碰撞危险时，应用将对车辆驾驶员或行人进行预警。主要有行进视觉盲区预警和倒车盲区预警两个应用场景，此场景要求车辆及行人具备短程通信能力。3.远程驾驶：车内摄像头和传感器作为驾驶员的感知采集设备，借助5G车联网的低时延、大带宽，通过实施现场视频的回传及控制信息的下发，实现远程驾驶。可以应用在救灾、抢修等特殊场景，降低工作的危险性，提高工作效率。4.前向碰撞预警：车辆之间通过PC5口通信获得彼此的位置、速度、加速度等实时行驶状态信息，OBU通过计算分析后提醒用户是否存在碰撞危险。5.红路灯信息推送：OBU将车辆行驶信息实时上传至V2X平台，RSU将红绿灯信息上报至V2X平台，V2X平台将红绿灯信息推送至车载终端（OBU）进行顯示，引导车辆高效通行。6.车辆编队行驶：自动控制一队紧密联系的车辆，车辆间建立连接，保持特定的距离，共享速度、方向、加速、制动等信息。通过该技术可以减少车辆间的距离，提高道路容量，减少风阻并降低燃料消耗，减少司机需求。除以上列举典型应用外，车联网还有着丰富的应用探索方向，如超视距环境感知、潮汐车道提醒、紧急车辆通行提示等等。最终车路协同将向高等级自动驾驶方向演进。
三、结束语
车联网是工业互联网极具潜力的行业应用方向，尤其在5G引入后，基于高可靠、低时延、大带宽的车路协同网建设，可以打通基于单车智能的智能交通发展瓶颈，提升车路协同能力，加速自动驾驶时代的来临。但目前车联网行业仍处于发展阶段，在政策、终端、网络、系统对接上均仍有大量问题待解决。一是网络规划建设标准仍在梳理中。二是跨部门协同需要不断深入。三是产业链发展相对滞后。后续应联合政府行政能力与各方面专业力量，共同推进车路协同系统成熟，真正实现5G赋能交通，实现智慧生活的愿景。
参 考 文 献
[1] 陈超， 吕植勇， 付姗姗，等. 国内外车路协同系统发展现状综述[J]. 交通信息与安全， 2011， 29（001）：102-105.
[2] 蔡志理， 孙丰瑞， 韦凌翔，等. 基于车联网技术的车路协同系统设计[J]. 山东交通学院学报， 2011， 019（004）：17-23.
[3] 杨放春， 王尚广， 李静林， et al. 车联网综述（英文）[J]. 中国通信， 2014（10）.
[4] Boban M ， Kousaridas A ， Manolakis K ， et al. Use Cases， Requirements， and Design Considerations for 5G V2X[J]. IEEE Vehicular Technology Magazine， 2017.