5G車路協(xié)同自動(dòng)駕駛應(yīng)用研究
Labs 導(dǎo)讀
本文提出了一種5G車路協(xié)同自動(dòng)駕駛解決方案，該方案主要依托5G移動(dòng)通信、高精度定位技術(shù)、五維時(shí)空融合技術(shù)、邊緣計(jì)算、邊云協(xié)同等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)邊緣平臺(tái)算力部署，構(gòu)建“端-邊緣-云”分層架構(gòu)，建立智能可靠車聯(lián)網(wǎng)通信、車輛的實(shí)時(shí)高精度定位、交通態(tài)勢(shì)感知、交通管控等技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)5G車路協(xié)同，全面提升車輛感知決策控制能力。當(dāng)前，該方案已在武漢經(jīng)開區(qū)智能網(wǎng)聯(lián)汽車與智慧道路自動(dòng)駕駛示范區(qū)應(yīng)用落地。
1、引言
隨著5G技術(shù)的不斷成熟與廣泛應(yīng)用，一切依賴于5G的行業(yè)與應(yīng)用，迎來(lái)了新的生機(jī)。5G+B(北斗)+AICDE技術(shù)的組合，服務(wù)于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)等14個(gè)垂直行業(yè)，實(shí)現(xiàn)了超過(guò)100種應(yīng)用場(chǎng)景和超過(guò)100個(gè)標(biāo)桿示范的應(yīng)用落地。5G時(shí)代，將是各類高新技術(shù)百花齊放、各顯神通的時(shí)代;5G的建設(shè)，勢(shì)必會(huì)帶來(lái)資源共享、合作共贏的新型生態(tài)。
自動(dòng)駕駛，需解決四個(gè)方面的問(wèn)題：看得見(定位、避障)、聽得著(決策、控制、執(zhí)行)、講得出(路徑規(guī)劃、行車方式)、有大腦(邊緣計(jì)算)。5G車路協(xié)同自動(dòng)駕駛，就是充分利用5G(高帶寬、低時(shí)延、高可靠性、海量互聯(lián))、北斗(高精度定位、精細(xì)化導(dǎo)航、精準(zhǔn)度授時(shí))、V2X(人、車、路、網(wǎng)融合)等領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手，互惠互利。
早期的車路協(xié)同，存在一定的局限性，比如過(guò)分強(qiáng)調(diào)車的能力、忽視交通領(lǐng)域的融合等，致使車路協(xié)同進(jìn)展緩慢。在車聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，網(wǎng)聯(lián)智能是未來(lái)車路協(xié)同的趨勢(shì)，特別是在融入5G技術(shù)后，5G車路協(xié)同成了新的方向。本文定位于5G車路協(xié)同下的自動(dòng)駕駛研究，提出了一種5G車路協(xié)同自動(dòng)駕駛應(yīng)用解決方案，該方案已成功應(yīng)用于武漢經(jīng)開區(qū)智能網(wǎng)聯(lián)汽車與智慧道路自動(dòng)駕駛示范區(qū)。
2、5G車路協(xié)同自動(dòng)駕駛總體方案
武漢經(jīng)開區(qū)示范區(qū)，是我國(guó)規(guī)模最大的開放道路示范區(qū)項(xiàng)目，其建設(shè)內(nèi)容如表1所示。
表1：武漢經(jīng)開區(qū)示范區(qū)項(xiàng)目的整體建設(shè)內(nèi)容
武漢經(jīng)開區(qū)示范區(qū)項(xiàng)目，不僅示范道路長(zhǎng)、場(chǎng)景多，更兼有國(guó)慶獻(xiàn)禮、保障武漢軍人運(yùn)動(dòng)會(huì)、帶動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)、發(fā)展車都等多種使命。項(xiàng)目的總體架構(gòu)圖如圖1所示。示范區(qū)的建設(shè)，主要包括3個(gè)部分：5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、5G智慧道路、多領(lǐng)域融合的軟件平臺(tái)。
3、5G智慧道路
3.1 智能全域感知道路
智能全域感知道路是一個(gè)集全域感知、信息交互、規(guī)劃決策等功能于一體的高新技術(shù)道路綜合體：
(1)在感知層面，通過(guò)道路基礎(chǔ)設(shè)施的更新，在路側(cè)布設(shè)智能設(shè)備，將道路標(biāo)識(shí)、交通信號(hào)燈、可變信息交通標(biāo)識(shí)牌、道路交通事故、道路施工等道路信息與天氣環(huán)境信息、車輛姿態(tài)信息、行人信息等實(shí)現(xiàn)數(shù)字網(wǎng)聯(lián)化，獲取連續(xù)時(shí)間空間的人-車-路-環(huán)境全域感知信息，為自動(dòng)駕駛提供豐富全面的信息和決策依據(jù)。
(2)在信息交互方面，通過(guò)各種通信技術(shù)如V2X通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)傳感網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、光纖網(wǎng)絡(luò)和各種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)互通，保證各類信息的有效傳輸，同時(shí)滿足極端條件網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和信息安全性。通過(guò)車內(nèi)通信網(wǎng)、車際通信網(wǎng)和廣域通信網(wǎng)的整合互通，可以更有效地獲得人-車-路-環(huán)境信息數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)的整合和分析提供了豐富的渠道。
(3)在規(guī)劃決策方面，通過(guò)邊緣計(jì)算、人工智能和大數(shù)據(jù)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)人-車-路-環(huán)境數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，信息挖掘和決策支持，提前感知提醒和規(guī)劃車輛的行車路徑和路權(quán)等級(jí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)車流在時(shí)間和空間上的引導(dǎo)、分流，避免道路堵塞，實(shí)現(xiàn)道路交通安全態(tài)勢(shì)的前驅(qū)診斷、事故預(yù)警和主動(dòng)干預(yù)，從而提高道路的交通通行能力和管理效率。
3.2 智能路側(cè)設(shè)備
智能路側(cè)設(shè)備包括C-V2X RSU設(shè)備、路側(cè)感知設(shè)備、路側(cè)邊緣計(jì)算設(shè)備、路側(cè)氣象設(shè)備和路側(cè)道路環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備等。
A、C-V2X RSU設(shè)備
RSU(Road Side Unit)為C-V2X技術(shù)的路邊單元，是車路協(xié)同系統(tǒng)的重要組成部分，也是突破車路協(xié)同技術(shù)的關(guān)鍵所在，其主要功能是采集當(dāng)前的道路狀況、交通狀況等信息，通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)，將信息傳遞至指揮中心或路側(cè)處理單元進(jìn)行處理，并裁定相關(guān)信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳遞到有相應(yīng)信息請(qǐng)求的車載終端，避免或減少交通事故，提升交通通行效率。
車載單元(OBU，On Board Unit)是指安裝在車輛終端的起拓寬?cǎi){駛員視野、增加駕駛員對(duì)行車環(huán)境和車輛運(yùn)行狀態(tài)的感知、加強(qiáng)行車安全的單元。主要技術(shù)包括信息獲取、信息交互、事故隱患提示等。從各類傳感器和車載網(wǎng)絡(luò)獲取原始信息，并解算出典型車路協(xié)同應(yīng)用需要的底層信息，通過(guò)信息交互傳遞至路側(cè)單元。其功能包括車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)獲取、行車環(huán)境信息感知、車輛定位信息獲取、信息交互、信息處理及管理、安全報(bào)警與預(yù)警等。
B、路側(cè)感知設(shè)備
路側(cè)感知設(shè)備包括路側(cè)視頻設(shè)備、路側(cè)激光雷達(dá)、路側(cè)毫米波雷達(dá)等，具體描述如下：
(1)路側(cè)視頻設(shè)備：包括高清攝像機(jī)、槍型攝像、全景攝像機(jī)、視頻雷達(dá)一體機(jī)等，其中，高清攝像機(jī)可完成目標(biāo)檢測(cè)功能，完成檢測(cè)數(shù)據(jù)封裝和發(fā)送功能，主要由智能攝像頭、終端服務(wù)器、外場(chǎng)工業(yè)交換機(jī)、光纖收發(fā)器、開關(guān)電源、防雷器等設(shè)備組成;槍型攝像機(jī)廣泛應(yīng)用于城市道路監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)混行車道場(chǎng)景全目標(biāo)的屬性識(shí)別和捕獲;全景攝像機(jī)可同時(shí)提供全景與特寫畫面，兼顧全景與細(xì)節(jié)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域入侵、越界等行為的檢測(cè)等功能;視頻雷達(dá)一體機(jī)可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)跟蹤和采集車輛、行人數(shù)據(jù)。
(2)路側(cè)毫米波雷達(dá)：對(duì)道路上行駛的車輛、行人、動(dòng)物、拋灑物體進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤定位檢測(cè)并及時(shí)將所感知的路況信息、交通狀態(tài)信息、車輛實(shí)時(shí)信息分析匯總后通過(guò)車路協(xié)同通信設(shè)備與道路上行駛車輛、自動(dòng)駕駛車輛或無(wú)人駕駛車輛進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，來(lái)滿足車輛實(shí)現(xiàn)全速智能駕駛的定位要求。
(3)路側(cè)激光雷達(dá)：通過(guò)路側(cè)激光雷達(dá)對(duì)道路的完整掃描，可以得到基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的道路動(dòng)態(tài)環(huán)境4D重建，將道路信息，包括車輛、行人、非機(jī)動(dòng)車及其它物體全部納入到V2X的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，再利用RSU向周邊或者更遠(yuǎn)距離接近的車輛進(jìn)行廣播，為解決智能網(wǎng)聯(lián)汽車的超遠(yuǎn)視距和非視距信息感知提供有力支撐。
C、路側(cè)邊緣計(jì)算(MEC)設(shè)備
MEC需要具備多設(shè)備連接能力，接入RSU、OBU、智能化交通控制設(shè)施(交通信號(hào)燈、標(biāo)志、標(biāo)線、護(hù)欄等)、攝像頭、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)、各類環(huán)境感知設(shè)備的信息，同時(shí)向上連接云平臺(tái);MEC需要具備多傳感器融合處理能力，比如攝像頭+激光雷達(dá)+毫米波雷達(dá)融合分析算法;MEC還需要具備ITS相關(guān)協(xié)議處理能力，比如針對(duì)交叉路口防碰撞預(yù)警業(yè)務(wù)，在車輛經(jīng)過(guò)交叉路口時(shí)，MEC通過(guò)對(duì)車輛位置、速度及軌跡分析研判，分析出可能存在的碰撞風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)RSU傳輸?shù)杰囕vOBU，起到預(yù)警目的。
D、路側(cè)氣象設(shè)備
微氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一種集氣象數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、傳輸和管理于一體的無(wú)人值守的氣象采集系統(tǒng)。氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由氣象傳感器、氣象數(shù)據(jù)采集儀和計(jì)算機(jī)氣象軟件三部分組成，可同時(shí)監(jiān)測(cè)大氣溫度、大氣濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓、雨量、能見度等氣象要素。
E、路側(cè)道路環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備
道路環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一種集數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、傳輸和管理于一體的無(wú)人值守的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由路面狀況傳感器、環(huán)境數(shù)據(jù)采集儀和通訊模塊等部分組成。可監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)路面狀況;包括路面溫度、濕滑程度、積水厚度、覆冰厚度、積雪厚度等。
4、網(wǎng)聯(lián)汽車與智慧道路示范區(qū)軟件平臺(tái)
武漢經(jīng)開區(qū)示范區(qū)項(xiàng)目的軟件平臺(tái)如下：
(1)5G邊云協(xié)同管理平臺(tái)
包括兩個(gè)部分：邊緣側(cè)的邊緣計(jì)算平臺(tái)、云端的邊云協(xié)同管理平臺(tái)。其中，邊緣計(jì)算平臺(tái)部分包含基礎(chǔ)設(shè)施搭建和應(yīng)用開發(fā)、邊緣PaaS平臺(tái)開發(fā)以及邊緣應(yīng)用;云端的邊云協(xié)同管理平臺(tái)包含邊云協(xié)同基礎(chǔ)設(shè)施管理、邊云協(xié)同PAAS管理、邊云協(xié)同大數(shù)據(jù)平臺(tái)和邊云協(xié)同智能管理平臺(tái)。
(2)五維時(shí)空信息服務(wù)管理平臺(tái)
獲取感知范圍內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)，助力車路協(xié)同，為5G網(wǎng)聯(lián)智能駕駛提供可靠的指導(dǎo)信息，為智慧城市、智慧交通、智慧出行等智慧生活圈的提供高效低功耗的目標(biāo)感知、事件預(yù)警等信息服務(wù)。五維時(shí)空平臺(tái)可作為智慧城市建設(shè)的基礎(chǔ)層，可以促進(jìn)整個(gè)網(wǎng)聯(lián)智能駕駛體系發(fā)展和增強(qiáng)，用路側(cè)感知設(shè)備和邊緣云設(shè)備，使網(wǎng)聯(lián)汽車感知范圍半徑范圍擴(kuò)大，可實(shí)時(shí)獲取大量實(shí)時(shí)路況信息，大大增強(qiáng)了單車感知能力和車路協(xié)同能力?？傮w感知能力的增強(qiáng)，提供車輛周圍環(huán)境信息，為車輛行駛安全增加了一層安全保障。
(3)基于5G+北斗的高精度定位平臺(tái)
基于邊云協(xié)同整體架構(gòu)，邊緣節(jié)點(diǎn)RTK解算及多維置信模型，實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展、分布式、高可用、高性能、跨平臺(tái)且容器化的GNSS定位平臺(tái)。平臺(tái)以北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為主，GPS等系統(tǒng)為輔，依托完善的運(yùn)營(yíng)服務(wù)機(jī)制、可靠的信息安全體系，提供全天候、全天時(shí)、高精度的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)，可在區(qū)域范圍內(nèi)提供實(shí)時(shí)米級(jí)、亞米級(jí)精準(zhǔn)定位服務(wù)，提供實(shí)時(shí)厘米級(jí)和后處理毫米級(jí)高精度服務(wù)，為車路協(xié)同自動(dòng)駕駛提供實(shí)時(shí)厘米級(jí)的高精度位置服務(wù)。
(4)車輛監(jiān)控調(diào)度管理平臺(tái)
通過(guò)與網(wǎng)聯(lián)車輛的交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)聯(lián)車輛的管理與控制，支撐網(wǎng)聯(lián)汽車的自動(dòng)駕駛。車輛監(jiān)控調(diào)度管理平臺(tái)為用戶提供車輛管理、信息查詢、車輛調(diào)度、監(jiān)控管理、系統(tǒng)設(shè)置等功能，根據(jù)用戶權(quán)限展示可操作菜單項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛信息查詢、車輛調(diào)度及監(jiān)控等功能。
(5)智慧交通運(yùn)行管理平臺(tái)
結(jié)合各地交通管理部門提出的各種業(yè)務(wù)訴求和自身的數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)、計(jì)算能力，通過(guò)整合移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)信息以及各地交管部門的自身數(shù)據(jù)信息，處理海量移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)融合傳統(tǒng)交通數(shù)據(jù)，完成對(duì)城市交通實(shí)時(shí)、歷史狀態(tài)的評(píng)估和診斷，發(fā)現(xiàn)交通問(wèn)題，并輸出根據(jù)實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)對(duì)未來(lái)道路交通狀況預(yù)測(cè)。
(6)V2X Server平臺(tái)
接入RSU和車載終端(車載后視鏡、OBU)/手機(jī)APP，匯聚路側(cè)端和車載端數(shù)據(jù)，為用戶提供V2X基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)，支撐車載終端/手機(jī)APP上的V2X應(yīng)用;同時(shí)也支持與交警平臺(tái)、廠商TSP平臺(tái)、圖商平臺(tái)等平臺(tái)之間的對(duì)接，實(shí)現(xiàn)信息開放和共享。
(7)設(shè)備管理平臺(tái)
主要圍繞設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)進(jìn)行智能監(jiān)管,對(duì)接各硬件接口或網(wǎng)管平臺(tái)，對(duì)接口數(shù)據(jù)進(jìn)行脫敏、封裝、存儲(chǔ)處理。實(shí)現(xiàn)對(duì)路側(cè)設(shè)備分析、處理、展示、查詢、標(biāo)記和定位。便于統(tǒng)籌管理所有路側(cè)設(shè)備，提供安全可靠信息。
(8)危險(xiǎn)車輛管理平臺(tái)
主要通過(guò)事前行政審批、事中過(guò)程管控、事后閉環(huán)管理以及大數(shù)據(jù)展示來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)城市道路危險(xiǎn)運(yùn)輸車輛進(jìn)行智能化管控。
(9)運(yùn)營(yíng)平臺(tái)
用以滿足不同V2X的應(yīng)用場(chǎng)景，各種應(yīng)用場(chǎng)景之間相互交互形成一個(gè)閉環(huán)的生態(tài)系統(tǒng)，輔助車輛實(shí)現(xiàn)與一切可能影響它的實(shí)體實(shí)現(xiàn)信息交互，真正實(shí)現(xiàn)無(wú)人自動(dòng)駕駛。同時(shí)，運(yùn)營(yíng)平臺(tái)可根據(jù)數(shù)據(jù)的匯集和數(shù)據(jù)匯總進(jìn)行深度的挖掘，來(lái)展現(xiàn)車輛應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)的各種問(wèn)題，為車輛技術(shù)的優(yōu)化提供相應(yīng)的技術(shù)支持方案，以及為車輛的運(yùn)營(yíng)提供商業(yè)模式的應(yīng)用示范。
5、結(jié)束語(yǔ)
5G車路協(xié)同自動(dòng)駕駛是依托信息通信技術(shù)，通過(guò)車內(nèi)、車與車、車與路、車與人、車與服務(wù)平臺(tái)的全方位連接和數(shù)據(jù)交互，提供綜合信息服務(wù)，形成汽車、電子、信息通信、道路交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)深度融合的新型產(chǎn)業(yè)形態(tài)，有利于推動(dòng)智能交通，促進(jìn)自動(dòng)駕駛技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用，提高交通效率、減少污染、促進(jìn)信息消費(fèi)，對(duì)我國(guó)實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展、推進(jìn)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革、建設(shè)制造強(qiáng)國(guó)、網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)和交通強(qiáng)國(guó)具有重大意義。未來(lái)的5G車路協(xié)同自動(dòng)駕駛示范區(qū)，將推進(jìn)智能網(wǎng)聯(lián)汽車與智慧交通、智慧城市融合發(fā)展，形成涵蓋下一代汽車研發(fā)設(shè)計(jì)、智能終端制造、智慧交通和智慧城市應(yīng)用的完備產(chǎn)業(yè)體系，不斷填補(bǔ)智能網(wǎng)聯(lián)汽車發(fā)展的技術(shù)空白，譜寫智能網(wǎng)聯(lián)汽車發(fā)展的新篇章。
【本文為51CTO專欄作者“移動(dòng)Labs”原創(chuàng)稿件，轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系原作者】
