C-V2X技術(shù)在高速公路中的應(yīng)用

李士東 潘景劍 魏永利

摘要：針對(duì)車路協(xié)同應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)蜂窩車聯(lián)網(wǎng)（C-V2X）技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單說(shuō)明，分析了傳統(tǒng)高速公路在安全、效率及服務(wù)方面存在的問(wèn)題。針對(duì)C-V2X在高速公路中的融合應(yīng)用方案進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，提出了基于C-V2X車路協(xié)同與路網(wǎng)智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)軟件架構(gòu)，介紹了為高速公路提供的4種業(yè)務(wù)場(chǎng)景。通過(guò)實(shí)際示范路段的測(cè)試驗(yàn)證，證明了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性和合理性。

關(guān)鍵詞：蜂窩車聯(lián)網(wǎng)；車路協(xié)同；車聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TP311文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008-1739（2020）17-57- 5

0引言

當(dāng)前，我國(guó)高速公路管理已經(jīng)達(dá)到一定的智能化水平，基本實(shí)現(xiàn)了高速公路的可視、可監(jiān)、可管、可控。但相對(duì)發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)高速路網(wǎng)在行駛安全、通行效率及出行服務(wù)等方面，仍存在較大的改進(jìn)需求和提升空間。

C-V2X技術(shù)是基于3GPP全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的車聯(lián)網(wǎng)（Vehicle to Everything，V2X）無(wú)線通信技術(shù)，包括基于LTE移動(dòng)通信技術(shù)演進(jìn)形成的LTE-V2X/LTE-eV2X技術(shù)，以及基于5G NR平滑演進(jìn)形成的NR-V2X技術(shù)[1]?；贑-V2X車路協(xié)同是指采用先進(jìn)無(wú)線通信和新一代互聯(lián)網(wǎng)等方式，實(shí)現(xiàn)人—車—路—網(wǎng)全方位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)信息交互的智能交通技術(shù)。車路協(xié)同在全時(shí)空動(dòng)態(tài)交通信息采集與融合的基礎(chǔ)上，借助車輛協(xié)同安全和道路協(xié)同控制技術(shù)，能夠有效保證交通安全、提高通行效率，在高速公路領(lǐng)域具備廣泛的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景。

1傳統(tǒng)高速公路存在的問(wèn)題

我國(guó)高速公路運(yùn)營(yíng)里程已達(dá)149 600 km，未來(lái)高速公路的主要任務(wù)是從已建成的路網(wǎng)上挖掘潛力，提升路網(wǎng)運(yùn)輸能力，目前仍需解決的問(wèn)題主要包括以下3個(gè)方面：

①路網(wǎng)安全：近年來(lái)我國(guó)道路交通事故、傷亡人數(shù)和直接損失一直呈上升趨勢(shì)，隨著汽車化程度越來(lái)越高，帶來(lái)的交通安全問(wèn)題也會(huì)不斷上升。路網(wǎng)安全與道路設(shè)計(jì)、交通流量、司機(jī)駕駛行為及路況條件等眾多因素緊密相關(guān)，單一手段無(wú)法有效解決。

②路網(wǎng)效率：路網(wǎng)通行效率直接關(guān)系到路網(wǎng)通行費(fèi)用營(yíng)收，間接關(guān)系到整個(gè)社會(huì)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行情況。不良天氣、交通事故因素影響通行效率問(wèn)題一直缺乏有效的解決手段。以北京為例，2016年由于霧霾天氣原因封閉高速時(shí)長(zhǎng)達(dá)114 h，嚴(yán)重影響路網(wǎng)通行效率。

③路網(wǎng)服務(wù)：隨著技術(shù)的進(jìn)步，交通出行已不再是簡(jiǎn)單的位置搬移，未來(lái)出行將變成除工作、家庭生活以外的第三生活空間，出行者在追求安全、高效的同時(shí)，愈發(fā)關(guān)注交通出行過(guò)程體驗(yàn)。隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)的進(jìn)步，司機(jī)雙手有望得到解放，這會(huì)帶來(lái)更多的出行服務(wù)需求。

2 C-V2X技術(shù)分析

3GPP已完成基于LTE的C-V2X標(biāo)準(zhǔn)研究，并在多場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)應(yīng)用落地，面向5G的C-V2X標(biāo)準(zhǔn)正在研究中，C-V2X是唯一具有清晰路徑向5G演進(jìn)的V2X通信技術(shù)[2]。

國(guó)外主流V2X通信技術(shù)包括專用短程通信（Dedicated Short Range Communication，DSRC）技術(shù)和C-V2X技術(shù)。美國(guó)、歐洲和日本于20世紀(jì)90年代開(kāi)展了基于DSRC的研究，目前部分國(guó)家雖然早期支持DSRC技術(shù)，但多數(shù)國(guó)家同時(shí)也在逐漸開(kāi)展C-V2X應(yīng)用研究，美國(guó)已分配C-V2X專用頻譜，進(jìn)行C-V2X技術(shù)探索。

我國(guó)確定了按照車路協(xié)同技術(shù)路徑積極推動(dòng)自動(dòng)駕駛的發(fā)展。中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)、IMT-2020（5G）推進(jìn)組、中國(guó)公路學(xué)會(huì)等機(jī)構(gòu)大力推進(jìn)C-V2X關(guān)鍵技術(shù)可行性研究、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編制及應(yīng)用示范等工作。從政策層面看，C-V2X技術(shù)在國(guó)內(nèi)智能交通領(lǐng)域有著良好的發(fā)展前景[3]。

C-V2X通信能力示意圖如圖1所示。

C-V2X將人—車—路—網(wǎng)及周邊環(huán)境數(shù)據(jù)緊密融合，通過(guò)車—車（V2V）、車—路（V2I）、車—人（V2P）及車—網(wǎng)（V2N）信息交互和共享，實(shí)現(xiàn)車和基礎(chǔ)設(shè)施之間智能協(xié)同與配合，為智能交通管控、車輛智能控制和智能動(dòng)態(tài)信息服務(wù)等業(yè)務(wù)提供有力支撐。C-V2X第1階段支持場(chǎng)景定義如表1所示。

3 C-V2X高速公路應(yīng)用方案設(shè)計(jì)

基于C-V2X車路協(xié)同技術(shù)可實(shí)現(xiàn)道路的數(shù)字化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化。以“聰明的車”和“智慧的路”相互輔助可有效提高出行安全、通行效率和服務(wù)能力。

3.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

C-V2X實(shí)現(xiàn)路側(cè)單元（Road Side Unit，RSU）與車載單元（On Board Unit，OBU）之間的信息有效交互，使路側(cè)信息更好為車服務(wù)，讓道路參與者共享實(shí)時(shí)路況信息，實(shí)現(xiàn)真正的人—車—路—網(wǎng)協(xié)同智能[4]?；贑-V2X車路協(xié)同與路網(wǎng)智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

系統(tǒng)架構(gòu)可分為云、管、端3層。

①云：由高速路網(wǎng)數(shù)據(jù)中心和業(yè)務(wù)平臺(tái)構(gòu)成，數(shù)據(jù)中心可以分級(jí)建設(shè)。業(yè)務(wù)平臺(tái)包括信息資源數(shù)據(jù)平臺(tái)和應(yīng)用支撐平臺(tái)2個(gè)基礎(chǔ)支撐平臺(tái)，以及建立在基礎(chǔ)支撐平臺(tái)之上的一個(gè)應(yīng)用業(yè)務(wù)平臺(tái)。其中2個(gè)基礎(chǔ)支撐平臺(tái)提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、匯聚、計(jì)算及決策等處理，并為應(yīng)用層提供服務(wù)；應(yīng)用業(yè)務(wù)平臺(tái)向路側(cè)管理方和一般出行者提供路網(wǎng)主動(dòng)控制、道路養(yǎng)護(hù)、自動(dòng)駕駛及出行等服務(wù)。

②管：包括C-V2X網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)營(yíng)商4G/5G網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星定位網(wǎng)絡(luò)及光纖網(wǎng)絡(luò)等，實(shí)現(xiàn)端側(cè)數(shù)據(jù)信息和云側(cè)控制信息的傳輸。

③端：包括車載終端及路側(cè)交通基礎(chǔ)設(shè)施各種智能化終端。車載終端主要是C-V2X OBU設(shè)備，實(shí)現(xiàn)與路側(cè)C-V2X RSU設(shè)備的協(xié)同通信；路側(cè)智能感知終端包括攝像頭、激光雷達(dá)及毫米波雷達(dá)等，實(shí)現(xiàn)路網(wǎng)交通態(tài)勢(shì)的智能感知，并將感知結(jié)果通過(guò)V2X鏈路傳遞給車輛進(jìn)行輔助決策[5]；邊緣計(jì)算結(jié)合路側(cè)智能感知結(jié)果可為車輛提供超視距路況感知能力，有效彌補(bǔ)車輛自身感知距離不足的問(wèn)題。

3.2軟件架構(gòu)

基于C-V2X車路協(xié)同與路網(wǎng)智能控制軟件架構(gòu)，如圖3所示。

系統(tǒng)軟件架構(gòu)主要包括RSU、路側(cè)感知模塊、車路協(xié)同邊緣計(jì)算和業(yè)務(wù)平臺(tái)4個(gè)部分。

（1）RSU

針對(duì)高速、大密度路網(wǎng)復(fù)雜交通環(huán)境通信場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與信道環(huán)境兼顧的C-V2X鏈路信號(hào)傳輸策略，感知網(wǎng)絡(luò)擁塞并控制，解決高速大密度交通場(chǎng)景中無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源利用與擁塞問(wèn)題。

（2）路側(cè)感知模塊

使用多源傳感器實(shí)現(xiàn)道路環(huán)境信息有效感知，利用人工智能及深度學(xué)習(xí)方法完成多源多維異步異構(gòu)數(shù)據(jù)融合，實(shí)現(xiàn)交通場(chǎng)景語(yǔ)義理解和動(dòng)靜態(tài)目標(biāo)檢測(cè)、分類與跟蹤，構(gòu)建3D交通運(yùn)行路況場(chǎng)景[6]。

（3）車路協(xié)同邊緣計(jì)算

實(shí)現(xiàn)綜合路況及交通流信息精準(zhǔn)掌控，提高三維空間的理解能力，實(shí)現(xiàn)路況實(shí)時(shí)感知信息與高精度地圖融合，通過(guò)拓?fù)?、姿態(tài)、色彩及語(yǔ)義等特征提升定位能力，構(gòu)建基于靜態(tài)高精度地圖的全息動(dòng)態(tài)路況場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)全息動(dòng)態(tài)路況對(duì)輔助/自動(dòng)駕駛的支撐[7]。

（4）業(yè)務(wù)平臺(tái)

業(yè)務(wù)平臺(tái)通過(guò)接收實(shí)時(shí)交通狀態(tài)感知數(shù)據(jù)以及基于交通仿真的交通流運(yùn)行狀態(tài)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，形成交通管控模型策略，實(shí)時(shí)優(yōu)化協(xié)同控制方案，實(shí)現(xiàn)車輛行駛間信息交互和行為協(xié)同，提升交通運(yùn)行效率和交通安全，并為交通出行者提供自動(dòng)駕駛引導(dǎo)和出行服務(wù)，為交通管理者提供道路養(yǎng)護(hù)服務(wù)。

4業(yè)務(wù)場(chǎng)景

4.1超視距感知

高速公路車速較快，車輛所需的安全距離較遠(yuǎn)，而駕駛者及車載端傳感器極限感知能力只有100～200 m，無(wú)法滿足安全距離要求。

系統(tǒng)借助路側(cè)智能感知設(shè)備，可主動(dòng)獲取近千米范圍內(nèi)的背景車輛、倒車逆行、緊急停車、行人闖入、拋灑物、道路施工、路面坑洼及交通事故等全局路況數(shù)據(jù)和特殊事件，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理和分析后生成相應(yīng)的警示信息，實(shí)現(xiàn)路—云上報(bào)并通過(guò)C-V2X網(wǎng)絡(luò)廣播給接近的車輛，提醒其提前決策，有效增強(qiáng)行駛的安全性。

4.2全息隧道

由于感知盲區(qū)及肉眼視距限制等原因，高速隧道進(jìn)出口交通事故頻發(fā)。路側(cè)智能感知設(shè)備可全息感知隧道出入口的實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)、擁堵、應(yīng)急事件等異常因素，并提前通知即將進(jìn)入或駛出隧道的車輛，能夠有效解決道路安全及交通效率問(wèn)題，同時(shí)也提升了交通監(jiān)測(cè)與管理能力。

隧道入口容易造成黑洞效應(yīng)形成視野盲區(qū)，在隧道入口處安裝感知設(shè)備，感知隧道口附近障礙物及異常車輛等，提前將異常信息通過(guò)V2X發(fā)送給接近車輛；隧道出口容易形成白洞效應(yīng)形成視野盲區(qū)，在隧道出口處安裝感知設(shè)置，感知隧道出口外的環(huán)境，將異常情況通過(guò)V2X發(fā)送給接近隧道出口的車輛，提高行車安全。

4.3全息匝道

高速干道的匯入?yún)R出無(wú)論對(duì)于普通車輛還是自動(dòng)駕駛車輛來(lái)說(shuō)，都是交通事故高發(fā)地段并影響高速通車效率。

高速公路匝道匯入口車流量大、行車視距小，車輛匯入時(shí)存在較大的單車感知盲區(qū)，變道易導(dǎo)致碰撞，在匯入?yún)^(qū)域部署路側(cè)感知系統(tǒng)，并將感知數(shù)據(jù)高度融合，通過(guò)V2X實(shí)時(shí)發(fā)布，輔助車輛進(jìn)行行為決策。高速公路匝道出口存在大量車輛連續(xù)變道、緊急剎車及逆行等危險(xiǎn)駕駛行為，通過(guò)在匝道匯出口部署路側(cè)全息感知系統(tǒng)，能實(shí)時(shí)檢測(cè)車輛的速度、位置等信息，以及異常停車、緊急變道等事件，提前將異常情況或超視距信息通過(guò)V2X發(fā)送給相關(guān)車輛，降低事故風(fēng)險(xiǎn)。

4.4車道級(jí)高精度定位

全路段動(dòng)態(tài)高精度定位是面向智能出行需求最基礎(chǔ)的支撐，為了給車輛提供車道級(jí)精準(zhǔn)定位，系統(tǒng)提供路側(cè)高精度差分定位和車載視覺(jué)輔助定位2種方式提高定位精度。RSU內(nèi)置RTK定位系統(tǒng)，可以作為高精度定位基站，通過(guò)V2I方式對(duì)行駛車輛提供差分定位服務(wù)。同時(shí)利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)，通過(guò)車載攝像頭與雷達(dá)融合實(shí)現(xiàn)車道線與道路邊界的檢測(cè)，從而進(jìn)行車道級(jí)輔助定位。

5測(cè)試驗(yàn)證和結(jié)果分析

設(shè)計(jì)方案經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證測(cè)試后，在石家莊新元高速5km車路協(xié)同示范項(xiàng)目上應(yīng)用并進(jìn)行了實(shí)際工程項(xiàng)目的測(cè)試驗(yàn)證。

（1）V2X場(chǎng)景驗(yàn)證

在示范路段進(jìn)行了V2V 8個(gè)場(chǎng)景和V2I 9個(gè)場(chǎng)景的測(cè)試驗(yàn)證工作，在高速移動(dòng)、大車流路網(wǎng)場(chǎng)景下對(duì)C-V2X的通信時(shí)延等性能指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)測(cè)結(jié)果如圖4所示。RSU高度為7 m，數(shù)據(jù)包為400 Byte，零丟包率情況下實(shí)際覆蓋半徑大于500 m，時(shí)延小于25 ms，發(fā)送頻率為10 Hz，滿足標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)要求，場(chǎng)景提醒準(zhǔn)確無(wú)誤，可輔助車輛駕駛，提升出行的安全性。

（2）路側(cè)智能感知

在示范路段采用激光雷達(dá)與攝像頭融合感知技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)路面動(dòng)靜目標(biāo)的提取，包括背景車輛及障礙物等，目標(biāo)解析時(shí)延在5 ms內(nèi)，定位精度在20 cm內(nèi)，廣播平均時(shí)延小于25 ms，滿足目前網(wǎng)聯(lián)車輛的輔助提醒和自動(dòng)駕駛車輛的輔助判決要求。

通過(guò)上述實(shí)際工程驗(yàn)證測(cè)試，證明了方案的合理性及工程可行性，為后續(xù)深入研究打下良好基礎(chǔ)。

6結(jié)束語(yǔ)

目前LTE-V2X是C-V2X采用的主流技術(shù)方案，由于能夠更好地發(fā)揮現(xiàn)有移動(dòng)蜂窩網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)，提供更廣范圍的業(yè)務(wù)服務(wù)，備受全球電信運(yùn)營(yíng)商和汽車企業(yè)的關(guān)注。隨著蜂窩通信技術(shù)的不斷發(fā)展，LTE-V2X也將向NR-V2X技術(shù)方向演進(jìn)?；?G新空口及網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，低時(shí)延、高可靠通信將被支持，可用于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛等更加豐富的車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用業(yè)務(wù)。

未來(lái)自動(dòng)駕駛離不開(kāi)C-V2X，從感知、認(rèn)知到直接告知，通過(guò)車路協(xié)同化繁為簡(jiǎn)來(lái)降低單車成本會(huì)更經(jīng)濟(jì)。車聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)新戰(zhàn)略的制高點(diǎn)，我國(guó)高度重視車路協(xié)同技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展，并將其納入《中國(guó)制造2025》《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》以及交通運(yùn)輸部智能交通系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略，智慧交通可提高出行獲得感，但這也將對(duì)傳統(tǒng)交通運(yùn)輸模式形成顛覆，所以一是要加強(qiáng)跨行業(yè)協(xié)作，統(tǒng)籌規(guī)劃車路協(xié)同發(fā)展；二是加快LTE-V2X部署，積極探索商業(yè)模式，明確運(yùn)營(yíng)主體；三是政策法規(guī)促進(jìn)C-V2X應(yīng)用，才能推動(dòng)整個(gè)產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

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