5G車路協同自動駕駛應用研究

孫雨奇 王斐武

(1、中國信息通信研究院,北京100191 2、中國鐵道科學研究院,北京100081)

隨著計算機信息技術的不斷成熟和普及，以及我國第五代移動通信網絡系統的不斷完善，各類依賴5G信息技術的產業應運而生，物聯網、車聯網等新興行業不斷發展。5G信息技術與人工智能的結合，為車聯網領域車路協同自動駕駛技術的快速進步提供了良好發展機遇。另一方面，縱觀我國近年來公路交通安全事故發生概況可知，交通問題造成的傷亡人數、交通擁堵成本等不斷增加，不僅在較大程度上使安全事故數量大幅度提升，死亡人數不斷增加，且在一定程度上給環境治理、保障能源結構安全以及車輛自動化監管等帶來了較大難題。基于5G信息技術的車路協同自動駕駛技術的出現，良好地解決了行車安全和環保智能的綜合問題，在此背景下，對基于5G技術的車路協同自動駕駛技術的研究，也就具備重要理論意義和現實價值。

1 車路協同系統架構

車路協同系統主要采用先進無線網絡通信方式和新一代互聯網信息技術，全過程、全方位和全要素地實現汽車和道路邊建筑的協同發展，高效率實現對車車、車路和人車的動態控制與信息交互，在全過程駕駛行車中達到時空交錯下的信息采集和高效融合，開展車路協同安全和道路協同管理，使自動駕駛這一安全目標得以實施，圖1即為典型的車路協同架構系統示意圖。

2 車路協同發展過程及性能需求

2.1 車路協同系統發展

縱觀我國車路協同系統發展過程可知，我國車路協同系統主要經歷了輔助信息交流溝通、協調感知和協調決策與控制三大階段，體現了基于5G信息技術的逐步提升車路協同系統的信息交互能力和智能化程度的過程。在路旁相關數據信息的交互使用過程中，可基于信息廣播實現車路協同服務以及車路、人車數據信息交換，為車車碰撞、道路施工障礙信息提醒等奠定基礎。在人車、車車和車路的協同感知發展階段，主要基于簡單的車路協同網絡體系，為駕駛員提供闖紅燈提醒、特種車服務優先提醒等信息。基于5G較高帶寬和較快速度的信息發展服務，實行高精確度的地圖控制和遠程監管。總之，基于5G信息技術的協同決策和控制，主要基于人車、車車和車路的協同信息交互與感知，實現智能駕駛及通信，實現高速度數據信息下載甚至廣域范圍內全方位信息覆蓋，為智能行車提供服務。

2.2 典型場景與網絡性能指標

車路協同發展系統應用場景主要可概括為以增強用戶體驗感為核心、以車輛駕駛順暢度提升為核心和以車路協同系統發展為核心的三大結構，分別分為信息服務類、應用汽車智能類應用和智慧交通類應用三大類別。以車輛駕駛安全為核心的智能汽車感知，在車輛安全運行過程中主要與智能化、信息化和數字化相關，利用車載傳感器和周邊路旁車輛行駛時建筑環境變化收集數據信息，實現動態識別，便于結合地圖上數據信息進行系統優化與分析，保障車輛行駛安全、行駛效率和智能程度。

3 基于5 G技術的車路協同自動駕駛技術架構

3.1 5G車路協同自動駕駛技術路線

5G信息技術支撐下的車路協同自動駕駛技術依托數據信息的快速發展，通過車內數據信息、車車數據信息、車路數據信息、人車數據信息和服務設備，實現對汽車行駛數據信息的全方位、全過程和全要素連接，達成數據信息的高效交互與溝通，從而為自動駕駛汽車提供綜合服務，形成電子數據信息系統、信息通信和道路交通等諸多行業深度融合的新型產業發展格局，為推動智能交通和促進自動駕駛信息技術的快速提升奠定堅實基礎。5G車路協同自動駕駛技術，依托第五代信息網絡通信系統，實現高精確度的定位技術、五維時空融合技術、邊緣云協同技術和邊緣云平臺計算等功能，構建邊緣云端等分層網絡架構體系，建立智能化程度較高的可靠車聯網通信，實現車輛數據的實時更新和高精確度定位，為車聯網信息的安全和高效率服務，圖2即為5G車路協同自動駕駛技術路線。

圖2 5G車路協同自動駕駛技術路線

3.2 5G車路協同自動駕駛的關鍵技術

基于5G信息技術的車路協同，主要依賴于高精確度的定位技術、五維時空信息融合技術、5G邊緣計算技術和5G網絡邊云協同的整體方案，實現人車信息的高效交互和和保障自動駕駛的安全性，在五維時空信息融合技術應用過程中，主要利用道路數據信息、車載傳感器、激光掃描儀、毫米波雷達和攝像頭等諸多設備獲取自動駕駛汽車周邊范圍內所有交通網絡系統參與者的全面的數據信息，結合5G網絡通信地圖，確保較高速度和較高下載量，利用北斗衛星系統的準確定位、多傳感器高精確度同步和數據信息的高效交互與融合感知功能，滿足自動駕駛業務需求而提供建模可能。

3.3 5G車路協同自動駕駛整體架構

基于5G信息技術的車路協同自動駕駛，包括車路協同自動駕駛前端設備、通信網絡設備、邊緣云設備等諸多核心體系，圖3即為某公司提出的基于5G網絡信息技術的車路協同自動駕駛總體架構示意圖。車路協同與自動化駕駛前端設備在應用中主要依賴于智能汽車和路邊智能設備連接，利用智能汽車的感知能力、決策能力、控制能力和數據信息的交互能力，通過傳感器集成技術對周邊環境進行感知，將有用信息用于汽車自動行駛，并將感知到的數據信息傳遞給邊緣層，智能駕駛車輛則在接受邊緣層傳下數據信息后輔助決策，為汽車智能運行提供可能。

圖3 基于5G網絡信息技術的車路協同自動駕駛總體架構示意圖

4 5 G車路協同自動駕駛的實際應用——以干線物流為例

4.1 5G車路協同匝道匯入場景應用

以干線物流為例，5G車路協同匯入匝道場景如圖4所示，由圖可知，路旁兩側感知設備在匝道匯入口附近收集匯入車輛數據信息，并將主路駛入匝道的車輛數據信息一一通報，使來車位置、來車速度和具體情形得到明確感知，而主路上的車輛在接收上述數據信息后能夠調整相應車次信息，保證安全通過。在此過程中，道路兩旁的攝像頭、雷達、傳感器等感知設備監測到車輛距離、類型甚至移動速度等相關信息后，傳遞計算出移動車輛精確的位置信息和速度信息，將其發送給匝道附近主路的自動駕駛車輛，使車輛能夠通過接收設備接收到數據信息而借助衛星定位系統計算與該車輛之間的相對位置、相對速度等參數，調整自身行駛速度以避免碰撞。

圖4 5G車路協同匯入匝道場景

4.2 5G車路協同坡道信息提示場景應用

利用5G信息系統的車路協同，在坡道信息提示和場景應用過程中，道路兩旁架設的感知設備在坡道前方，能夠根據坡道原始建設信息發送坡道彎度、坡道長度以及具體坡道位置等參數，自動駕駛車輛在接受上述信息后，通過規劃自動駕駛車輛行車動力達到速度分配，實現高效安全地通過坡道的目標。

4.3 5G超視距場景應用

5G車路協同自動駕駛系統在干線物流中超視距場景的應用如圖5所示，由圖可知，路旁兩側感知設備等距離分布于道路兩旁，各設備負責檢測對應負責路段上的交通事故、交通障礙甚至交通拋灑物等參數，并將上述事件通過廣播向附近自動駕駛車輛進行傳輸，通過網絡上傳到平臺系統，利用平臺系統的信息集成向其他路邊設備同步，利用路邊設備將交通事件對外廣播，使即將進入該事件發生區域內的自動駕駛車輛能夠接受到相關數據后提前對路段進行規劃，不斷提升行車安全性和通行效率。

圖5 5G超視距場景應用

結束語

總之，自動駕駛技術是集傳感器技術、信息技術、通信技術、計算機技術、人工智能技術和自動化技術等諸多前沿技術于一體的綜合性、系統性技術之一，其出現將改變人們對傳統模式下人工駕駛交通系統的認知，推動自動駕駛交通產業的進一步發展。本文在總結車路協同自動駕駛關鍵技術及其應用場景的基礎上，以干線物流為例探究了5G車路協同自動駕駛系統的實踐應用，旨在為提升5G車路協同自動駕駛系統的應用水平帶來一定參考。