5G超級物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)賦能智慧交通體系建設(shè)

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(1.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，陜西 咸陽 712000；2.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054)

0 引言

5G指的是第五代移動電話行動標準，也叫做第五代移動通訊技術(shù)[1]。5G網(wǎng)絡(luò)具有十分明顯的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在傳輸速度、帶寬容量、網(wǎng)絡(luò)延遲等方面[2]。根據(jù)相關(guān)測試[3]，5G網(wǎng)絡(luò)帶寬容量將達到4G網(wǎng)絡(luò)的百倍以上，峰值理論傳輸速度能夠達到10.0 Gb/s，理論延時僅為1 ms，是4G延時的幾十分之一，基本達到了準實時的水平。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、移動設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)不再需要等待，隨時隨地都能進行快速、大量的信息交換。5G網(wǎng)絡(luò)的上述性能對于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備運行十分有利，在交通路況、車輛檢測、無人駕駛、智能交通等方面都將發(fā)揮重大作用[4]。

工信部于2019年6月6日向中國移動、中國電信、中國聯(lián)通和中國廣播電視網(wǎng)絡(luò)有限公司正式頒發(fā)5G牌照，這意味著我國正式進入5G商用元年。在此之前，高通、華為、三星和聯(lián)發(fā)科技等公司均發(fā)布了支持5G通訊的基帶芯片，搭載上述芯片的5G智能手機業(yè)已推出近二十余款。從發(fā)展勢頭來看，整個5G上下游產(chǎn)業(yè)鏈完全商用的大幕正在全面開啟。

5G落地商用，將開啟互聯(lián)網(wǎng)加物聯(lián)網(wǎng)的全新時代。5G網(wǎng)絡(luò)的功能特性對物聯(lián)網(wǎng)具有強大的支撐作用。5G加速了萬物互聯(lián)，使得物與物、人與人、物與人之間的高質(zhì)量、高效率聯(lián)網(wǎng)成為現(xiàn)實，為構(gòu)建萬物互聯(lián)的智慧社會奠定了良好基礎(chǔ)[5]。

1 5G超級物聯(lián)網(wǎng)的概念

1.1 5G超級物聯(lián)網(wǎng)的概念

物聯(lián)網(wǎng)就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)[6]。利用射頻識別(RFID)技術(shù)、納米技術(shù)、傳感器技術(shù)及其智能終端，按照約定的協(xié)議，實現(xiàn)將所有物品彼此之間在任何時間、任何地點、無處不在的連接。

隨著應(yīng)用場景不斷拓展，并網(wǎng)設(shè)備不斷豐富，物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)需實時傳輸海量數(shù)據(jù)，借助5G的超大容量、超低時延以及高傳輸速率，構(gòu)建起能夠容納萬物互聯(lián)的超級物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，通過穩(wěn)定高效的連接，人們可以實現(xiàn)對物體的識別、定位、追蹤、監(jiān)控和管理。5G超級物聯(lián)網(wǎng)是對現(xiàn)有通訊技術(shù)、傳感器技術(shù)以及人工智能技術(shù)的綜合運用。

1.2 5G超級物聯(lián)網(wǎng)的層次結(jié)構(gòu)

常規(guī)物聯(lián)網(wǎng)有3個層次，從下到上，依次是感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，整體架構(gòu)如圖1所示。感知層就像是人的皮膚和五官，用來識別物體，采集信息。包括感知設(shè)備、各種傳感器、RFID及視頻采集設(shè)備等。網(wǎng)絡(luò)層就像是人的神經(jīng)系統(tǒng)，將采集到的信息傳遞到大腦進行處理，包括移動通信網(wǎng)、有線電話網(wǎng)、有線寬帶網(wǎng)等。應(yīng)用層類似人們從事的各種事情并完成的應(yīng)用，主要是將數(shù)據(jù)進行管理和處理，并將這些數(shù)據(jù)應(yīng)用到各行業(yè)，包括交通、農(nóng)業(yè)、健康醫(yī)療、公共安全等。

5G超級物聯(lián)網(wǎng)則是將網(wǎng)絡(luò)層替換為5G通訊網(wǎng)絡(luò)，讓傳感器與終端服務(wù)器之間實時交流的海量數(shù)據(jù)進入“高速公路”，信息交換更加迅速高效。

圖1 5G超級物聯(lián)網(wǎng)的層次結(jié)構(gòu)

2 5G超級物聯(lián)網(wǎng)的功能

2.1 5G超級物聯(lián)網(wǎng)的功能

5G超級物聯(lián)網(wǎng)主要有3大功能：智能識別、智能監(jiān)控及對象跟蹤。借助于傳感器、RFID等技術(shù)對物體表面及內(nèi)部進行智能識別，將獲取的信息依靠5G通訊網(wǎng)絡(luò)，傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)層并進行智能化的數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)對行為對象的監(jiān)測和控制，通過搭建應(yīng)用層為人們提供直觀的可視化服務(wù)。類似的應(yīng)用場景包括通過掃描RFID終端機就可以得知超市中肉的產(chǎn)地及流通信息，在外通過手機控制家里熱水器的水溫。

為提高感知層獲取信息的準確度，基于聲、光、電、磁等原理的各型傳感器層出不窮，不斷發(fā)展，輸出了愈加豐富的信息。超級物聯(lián)網(wǎng)中的海量信息只有借助5G通訊網(wǎng)絡(luò)才能實現(xiàn)低時延、高速度的交換，滿足自動駕駛、工業(yè)智能機器人等應(yīng)用場景的需求。

2.2 5G超級物聯(lián)網(wǎng)的特點

相比于傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)，5G超級物聯(lián)網(wǎng)具有3個主要特征。

a.它將各種感知技術(shù)廣泛應(yīng)用。5G超級物聯(lián)網(wǎng)大量使用各類傳感器，實時獲取不同類別的信息內(nèi)容和信息格式，并不斷進行更新。人們可以獲取最新的信息，并將其加以利用，提高和改善我們的生活和工作質(zhì)量。

b.無處不在的高效網(wǎng)絡(luò)。當感知層獲取海量信息后，要通過網(wǎng)絡(luò)將信息實時準確地傳遞出去，同時將應(yīng)用層的控制指令以極低時延發(fā)送至執(zhí)行機構(gòu)，這個過程需要穩(wěn)定高效的網(wǎng)絡(luò)傳輸支持。所以，基于5G網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)構(gòu)建起的物聯(lián)網(wǎng)體系，與之前的各類物聯(lián)網(wǎng)具有本質(zhì)區(qū)別，它通過各種有限和無線網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)深度融合，能實現(xiàn)常規(guī)物聯(lián)網(wǎng)所無法完成的功能，滿足應(yīng)用場景的更高要求。

c.具有智能處理的能力。近年來，隨著處理器架構(gòu)及芯片工藝的更新迭代，物聯(lián)網(wǎng)芯片取得了長足發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)芯片是整個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的“智慧大腦”，負責分析處理感知層獲取的海量數(shù)據(jù)，并給出控制指令。目前，以華為、高通、恩智浦和英特爾等產(chǎn)業(yè)巨擘為首的移動芯片制造商，研發(fā)出上百款低功耗、高效能芯片，日出貨量超過百萬片。借助上述智能芯片，搭建起完善的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，可實現(xiàn)智能家居、自動駕駛和智能信號燈等應(yīng)用。

3 基于5G超級物聯(lián)網(wǎng)的智能交通體系

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，汽車成為人們出行的重要交通工具。汽車產(chǎn)銷量逐年增加，交通系統(tǒng)面臨著交通擁擠、事故多發(fā)和汽車尾氣污染嚴重等問題。簡單地限制車輛數(shù)及擴大道路覆蓋率并不能從根本上解決問題。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，借助5G超高速通訊網(wǎng)絡(luò)，搭建起新一代智能交通系統(tǒng)。

通過搭載激光雷達、測速雷達、加速度計和輪轂傳感器等，感知自身及周圍車輛的運行情況、交通基礎(chǔ)設(shè)施的使用情況以及區(qū)域內(nèi)出行者的行為。通過單片機等處理器的智能處理，為用戶提供更加安全高效地出行策略，同時也實現(xiàn)了車輛智能化與物流運輸智能化，達到了安全高效、節(jié)能減排的目的。

3.1 智能交通的特征

智能交通系統(tǒng)利用無處不在的傳感器、5G網(wǎng)絡(luò)以及智能終端來實現(xiàn)交通運輸?shù)闹悄芑痆7]。在這一系統(tǒng)中，車與車、車與人、車與路和車與交通信號燈等實現(xiàn)了實時互聯(lián)，交通活動中的參與者能夠獲得最優(yōu)路線、安全提醒、周邊異常行為預警，從而安全高效地利用交通運輸設(shè)施、減少能源浪費和環(huán)境污染。

3.2 5G超級物聯(lián)網(wǎng)在智能交通建設(shè)中的應(yīng)用

3.2.1 智能交通管理

智能交通管理系統(tǒng)是基于“人、車、路”等關(guān)鍵要素，利用各型傳感器，自動識別交通管理目標，智能分析目標并自動檢出違法行為[8]。以常見的十字路口交通指揮來說，由于當前大部分紅綠燈都是采用固定時長模式工作的，實際中會出現(xiàn)低效率疏導現(xiàn)象，即有時一個道路方向上車輛很少，綠燈卻處于點亮狀態(tài)，而另一條道路方向上車輛很多，紅燈時長還未結(jié)束，這就造成了道路資源的浪費。若更換為具有自適應(yīng)功能的智能信號燈系統(tǒng)，就可以利用信號控制系統(tǒng)中的傳感器，檢測道路狀況和交通路口的紅綠燈狀態(tài)，根據(jù)實時車輛情況，動態(tài)調(diào)整路口各方向紅綠燈的持續(xù)時間，提高交通路口的使用效率。

3.2.2 交通信息服務(wù)

利用5G構(gòu)建起的智能交通體系，具有對控制區(qū)域內(nèi)實施廣播的功能[9]。基于物聯(lián)網(wǎng)的智能交通系統(tǒng)包括各類傳感器及網(wǎng)絡(luò)，并且借助信息設(shè)備將獲取到的有用信息及時傳達給出行者，如交通狀況信息、地鐵或者公交的換乘時間及方式、天氣情況等，出行者獲得出行前信息。對于自帶導航系統(tǒng)的車輛，智能交通系統(tǒng)可以進行路徑導航，規(guī)劃有利于出行者的行駛路線，并在行駛過程中獲取途中交通信息情況，確保安全。

3.2.3 自動駕駛

現(xiàn)階段，物聯(lián)網(wǎng)在車輛系統(tǒng)中的服務(wù)主要體現(xiàn)在自動駕駛，自動駕駛可以將司機從辛苦的駕駛工作中解脫出來，使出行更加便捷、可靠、高效、環(huán)保。自動駕駛主要包括感知、決策以及執(zhí)行3個方面[10]。自動駕駛汽車在行進過程中感知周圍的駕駛環(huán)境，形成海量數(shù)據(jù)，借助5G通訊網(wǎng)絡(luò)，傳輸至交管指揮中心的服務(wù)器進行處理，如果用戶車輛與周圍車輛距離小于安全距離，綜合各車速情況，交管中心將利用廣播，給相關(guān)參與者發(fā)出安全預警，防止與車輛發(fā)生碰撞事故。

3.2.4 輔助監(jiān)控

隨著我國物流行業(yè)的快速發(fā)展，商用車輛數(shù)不斷增加，由于商用車輛型號大、承載重，一旦發(fā)生交通事故，后果不堪設(shè)想。借助5G超級物聯(lián)網(wǎng)，可以實時獲取商用車輛的運營及管理情況，及時了解駕駛員的異常駕駛行為，對疲勞駕駛、超速行駛、急剎車等行為進行警示，防止交通事故的發(fā)生。

3.2.5 公共交通

公共交通智慧化是智慧城市建設(shè)的重要舉措之一，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是實現(xiàn)公共交通智慧化不可或缺的技術(shù)。改善城市交通的一項重要內(nèi)容就是要發(fā)展公共交通，建立公共交通信息服務(wù)系統(tǒng)，實時采集各類軌道交通運輸工具及地面公交的動態(tài)運行信息和客流情況，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)軌道交通與地面公交換乘信息發(fā)布。此外，借助于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以獲取居民利用公共交通生成的出行數(shù)據(jù)、目的地信息，并進行處理和分析，為后續(xù)的城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提供強有力的數(shù)據(jù)支撐。

3.2.6 應(yīng)急管理

隨著現(xiàn)代城市交通的快速發(fā)展，交通安全也逐漸引起了人們的重視，加強安全管理，提高事故發(fā)生后的應(yīng)急效率，對城市的發(fā)展尤為重要。

當城市出現(xiàn)安全問題時，借助5G超級物聯(lián)網(wǎng)搭建起的智能交管中心，交通運營管理者能夠及時利用智能視頻分析技術(shù)監(jiān)控各路線人流量及密度，并且借助各類型傳感器，分析獲取的溫度計、煙霧信息，對危險品、火災(zāi)、有毒氣體等各種異常情況進行檢測及預警，并及時向控制中心提供信息服務(wù)，便于救援力量及時反應(yīng)，減少事故損失。

3.2.7 電子支付

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電子支付方面的主要應(yīng)用場景為不停車電子收費系統(tǒng)(ETC)，該系統(tǒng)需要汽車安裝ETC車載器，車輛信息及車主信息都貯存在電子收費卡中，每輛車都有唯一的電子檔案。當裝有ETC裝置的車輛通過高速收費站時，借助快速的5G通訊網(wǎng)絡(luò)，車輛不需減速停車，即可實現(xiàn)讀卡裝置與ETC車載器間信息交換，完成扣款過程。該系統(tǒng)大大提高了高速公路或交通繁忙橋梁的通行能力，降低了現(xiàn)金收費的成本，以及車主停車繳費帶來的噪聲、尾期污染。

3.2.8 安全管理

交通安全是交通運輸業(yè)的生命線，一旦發(fā)生交通事故，將帶來無法彌補的生命和財產(chǎn)安全。車速是影響交通事故發(fā)生可行性和嚴重性的重要原因。因此，安全車速是出行的重要保障。借助5G超級物聯(lián)網(wǎng)搭建的智能交管系統(tǒng)，利用雷達和視頻流量攝像頭等傳感器，檢測各車輛的車速，并與安全值進行比較，及時提醒駕駛員調(diào)整車速。智能交管系統(tǒng)不僅可以防止交通安全事故的出現(xiàn)，還可以提高道路資源的利用效率。

4 結(jié)束語

目前，中國的智能交通系統(tǒng)處于起步階段，但是相信，隨著5G技術(shù)的大規(guī)模商用、大數(shù)據(jù)、云計算以及人工智能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，基于5G技術(shù)的超級物聯(lián)網(wǎng)功能必將越來越完善，智慧城市的核心—新一代智能交管系統(tǒng)呼之欲出。未來必將有更多的科研工作者投身于智能交通系統(tǒng)的研發(fā)當中，實現(xiàn)城市交通資源高效整合，改善現(xiàn)有的交通狀況，使之與快速發(fā)展的經(jīng)濟狀況相適應(yīng)，最終推動中國智慧城市的發(fā)展與建設(shè)。