車輛協同自適應巡航系統在5G通信下的跟車間距研究*

雷嘉豪 ， 李 江 ， 劉 波

（陜西工業職業技術學院，陜西 咸陽 712000）

0 前言

目前，已經投入實際使用的自適應巡航系統可以通過傳感器對前車間距進行測量，使后車自動跟隨前車行駛。但車輛之間沒有信息交互，每輛車都是一個信息孤島。當車輛處于相同速度時，減小行駛間距可以有效增加道路容量，緩解交通壓力[1]。但此時就對車輛自適應巡航系統的性能及安全保障提出了更嚴苛的要求。

近年來，隨著5G通信技術的發展及通信節點的普及，將5G通信技術具備的優勢應用到車輛通信中，就能夠在一定程度上實現兼顧車輛安全性和道路通行效率的車輛巡航控制系統。

1 5G通信與V2V通信結構

1.1 5G通信技術

第5代移動通信技術（5G）在設計初期的目的就是達到超低延時、超快速率、海量連接的要求。連接數密度、時延、體驗速率等都是5G通信技術的重要性能指標。5G網絡提高和改善了通信網絡的傳輸速率，擁有更高的傳輸速度，理論上5G網絡可以比4G快10～100倍。且其擁有的超低延時能夠大大縮短設備之間的數據交換時間，提高數據傳輸效率[2]，為車輛巡航控制系統協同實施提供技術支持。

5G網關可以作為車載物聯網的中樞，為車載設備或系統提供無線通信網絡，實現車載設備的實時通信和遠程運維，同時對車載設備的數據進行信息融合和預處理[3]。端到端時延包括從發射點到接收點的整個傳輸過程時延（包括發射器引起的時延、無線傳輸時延、接收機處的信號處理時延）。

華為與測量儀器制造商羅德與施瓦茨公司在德國慕尼黑和中國上海對5G下V2X無線電技術進行的測試表明，5G下的V2X無線電技術適用于各種要求苛刻的車輛通信應用，且測試結果顯示此技術可以讓延遲控制在6 ms以內。

1.2 V2V通信

車輛在行駛時，可以通過專用網絡發送車輛及路況信息給一定范圍內的車輛，同時獲取其他車輛發送來的超視距車輛及事故信息，其中包含車輛的位置、速度、加速、制動、駕駛方向等。在V2V通信下，車輛可以獲取更全面可靠的區域內車輛狀態及交通信息。如圖1所示。

圖1 V2V通信信息示意圖

通過基于5G的V2V通信，行駛中的車輛能夠提前檢測到區域內的潛在風險，有充分的時間作出決策從而降低行駛風險。

2 車輛跟隨控制策略

2.1 車輛巡航控制策略分析

在車輛處于自適應巡航狀態時，前導車輛的速度變化和路面的不確定信息可以被看作影響系統平衡狀態的擾動信號[4]，5G通信下的自適應巡航系統宏觀上可以看作前饋-反饋控制系統。

5G通信為系統的前饋部分，傳感器為負反饋部分，如圖2所示，前饋部分使車輛控制系統能夠更早地發揮控制作用。從控制結構上來說，其包含了前饋對擾動的補償作用和反饋對偏差的抑制作用，在絕大多數行駛工況下，控制效果都要優于當前基于傳感器的負反饋控制系統。

圖2 5G通信下的巡航系統結構圖

在車輛巡航控制系統處于5G通信時，前車狀態變化可以通過通信同步傳送到后車，跟隨車輛的下層控制器可以在傳感器監測到前車狀態變化之前實施與前車下層控制器相同的控制操作信息[5]。此時，跟隨車輛與引導車輛在自適應巡航過程中產生的狀態偏差并不會過大，負反饋控制系統只需要調節同步過程中所產生的隨機誤差，這部分誤差主要由車輛間的制動性能差異或路面摩擦系數及風速等隨機因素所造成。這樣就能在很大程度上提高后車的響應速度同時減少調節時間，縮短車輛在自適應巡航跟車行駛時的車輛間距。

2.2 縱向控制系統分層結構建立

為了使控制過程中的任務分工更加明確，車輛巡航控制系統使用分層結構。間距控制策略通過上層控制器來實施，同時輸出巡航過程中需要的速度和加速度期望值。下層控制器主要用于對剎車泵壓力、節氣門開度和變速器控制邏輯進行調整，用以實現上層控制器提供的期望速度和加速度值，為車輛速度調整的執行機構。整體結構如圖3所示。

圖3 巡航控制系統分層結構圖

3 安全間距分析與測試

3.1 跟隨間距分析

車輛在巡航行駛時能夠實現安全行駛的最小跟車距離稱為安全間距，此處的安全間距模型使用相對距離制動方式[6]來計算。設τd為引導車與跟隨車實施加速或者制動的時刻差值，在時間差值范圍內，后車仍然以當前狀態繼續行駛[7]。現將引導車輛實施制動減速時的時刻看作初始時刻，則此時的安全跟車間距為：

上式中Db、Df即引導車輛與跟隨車輛的行駛距離，Δd為需要計算的車輛安全間距，ΔD為確保系統能夠安全運行需要的安全余量。具體計算方法如下：

式中，vf（0）、vb（0）為前后車減速時刻的初速度，Tf、Tb為前車與后車開始減速至停車的行駛時間。

分析τd的出現原因可知，其主要由5G的信息通信延時τρ和車輛控制系統響應時間τλ組成：

在5G通信下的V2V中，τP最小可以降低到6 ms，考慮到安全余量，選擇其上限值，約為30 ms。τλ由車輛自身控制及執行系統決定，一般情況下最大不會超過0.3 s[8]。在實際道路行駛工況中，車輛與車輛間的制動性能差異較大，故取兩組制動數值，分別為制動距離的上限與下限[9]，制動距離數值取自互聯網數據庫中車輛實際測試得到的制動距離，如表1所示。

表1 車輛制動距離范圍

3.2 仿真測試結果

系統仿真中忽略5G通信中可能存在的數據丟包和信號干擾因素。考慮到實際交通流中通信設備接入量和數據交換吞吐量與5G通信標準設定上限相比有很大冗余[10-11]，故通信延遲設定為6 ms~30 ms，通信帶寬及用戶接入量不設限。同時，結合上節中車輛控制及執行系統響應時間，通過相對距離制動模型進行實驗，仿真結果如圖4、圖5所示。

圖4顯示了在車輛處于ACC控制下和處于基于5G的CACC下車輛制動下的間距變化。可以看出車輛處于5G下的V2V通信時，制動響應速度顯著提升，跟隨車輛與引導車輛的制動時刻非常接近。圖5顯示了在實際車輛制動性能存在顯著差異的情況下，基于5G通信的車輛協同自適應巡航系統在保證行駛安全的情況下可以設定的最小跟車間距值隨速度變化趨勢。具體數值如表2所示。

表2 不同速度時的最小跟車間距（5G）

圖4 引導車輛與跟隨車輛的制動過程

圖5 最小跟車間距值隨速度變化趨勢

4 總結與展望

將5G端到端的通信延時及車輛控制和執行系統的響應時間融入相對距離制動模型中，在實際車輛存在制動性能差異的基礎上，通過仿真分析，得出了車輛協同自適應巡航系統在5G通信下的最小跟車間距值。結果顯示，將基于5G的V2V通信融入車輛自適應巡航系統之中可以有效地實現低間距跟隨行駛。隨著技術的不斷革新，芯片、傳感器及通信設備的性能指標還會得到進一步提升。未來，低延時、高效能的通信將會為智能網聯汽車發展中最重要的基礎條件之一。