V2X車聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

引 言

V2X 即 Vehicle to X， 其中 X 代 表 路邊 基 礎(chǔ) 設(shè) 施

（Infrastructure）、車輛（Vehicle）、人（Pedestrian）、路（Road）等。其概念的表述是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)和對(duì) D2D（Device to Device）技術(shù)的深入研究。

V2X 通信類型如圖 1 所示。V2X 包括 V2V，V2I，V2P， V2N 等四大類，而這四種類型協(xié)同合作是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛和智慧交通的重要環(huán)節(jié)。大力發(fā)展 V2X 車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不僅能減少交通事故的發(fā)生概率，提高道路交通的安全性，同時(shí)還能為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛、智能交通和下一代車聯(lián)網(wǎng)提供低成本、易于部署的支撐和基礎(chǔ)平臺(tái)。

1 V2X關(guān)鍵技術(shù)

在智慧交通系統(tǒng)中應(yīng)用 V2X 車聯(lián)網(wǎng)的主要目的在于提高道路的安全性、解決交通問題和優(yōu)化交通管理等，需要通過車輛與路側(cè)單元、車輛與車輛等通信方式來(lái)向周圍車輛實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)送安裝在車輛上的RFID（射頻識(shí)別）、傳感器等采集的車輛狀態(tài)信息（特別是車輛的位置、速度、方向）。這些信息匯聚后通過數(shù)據(jù)分析、處理來(lái)提取出有效信息，為車輛的出行提供智能的決策依據(jù)。在此過程中涉及的關(guān)鍵技術(shù)分別是在車輛高速行駛時(shí)能支持實(shí)時(shí)可靠通信的無(wú)線通信技術(shù)，用于獲取車輛精確位置的感知技術(shù)，以及海量數(shù)據(jù)處理評(píng)估技術(shù)。

1.1 無(wú)線通信技術(shù)

V2X 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通過無(wú)線通信技術(shù)（歐美的 802.11P 和我國(guó)的 LTE-V）實(shí)現(xiàn)信息交互。該技術(shù)實(shí)施的關(guān)鍵在于無(wú)線通信技術(shù)的時(shí)效性，即需要確保網(wǎng)絡(luò)的接入時(shí)間最短，傳輸時(shí)延較低，同時(shí)還需保證信息傳輸?shù)目煽啃院桶踩缘?。在一定范圍?nèi)，為實(shí)現(xiàn)車輛間通信，不僅要實(shí)現(xiàn)頻譜的再利用以滿足通信帶寬要求，還需要建立核心網(wǎng)絡(luò)，并利用系統(tǒng)的專用特殊組件來(lái)完成信息的中轉(zhuǎn)和傳輸。

1.2 車輛感知技術(shù)

作為實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用重要基礎(chǔ)的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)的車輛狀態(tài)感知技術(shù)十分重要。車輛狀態(tài)的感知技術(shù)通常包括車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的感知技術(shù)和行車環(huán)境的感知技術(shù)。通過這些技術(shù)來(lái)感知車輛本身和周圍車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而分析判斷是否存在安全隱患。

在車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的感知過程中，使用 CAN（控制器局域網(wǎng)絡(luò)）采集車體內(nèi)各 ECU（電子控制單元）和傳感器設(shè)備產(chǎn)生的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)（車輛的行駛狀態(tài)、安全設(shè)備等），通過對(duì)這些信息的綜合分析來(lái)獲得車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。其中，用位置感知獲取精準(zhǔn)的車輛位置信息尤為重要，位置感知通常分為絕對(duì)位置感知和相對(duì)位置感知，不同的位置感知技術(shù)和精準(zhǔn)度被要求應(yīng)用到不同的道路上。

車輛環(huán)境信息感知技術(shù)主要用于獲取車輛周圍環(huán)境的信息，例如道路線形、周圍非機(jī)動(dòng)車輛和路面狀況等?？梢酝ㄟ^交通地理信息系統(tǒng)獲得路線信息，或者通過車載設(shè)備采用模式識(shí)別技術(shù)完成線形在線識(shí)別。利用紅外傳感器和車載雷達(dá)可以感知路邊行人和非機(jī)動(dòng)車輛的信息。有關(guān)路面狀況、冰雪冰凍程度等信息則可利用激光、視頻和紅外技術(shù)等進(jìn)行檢測(cè)和采集。

1.3 數(shù)據(jù)處理技術(shù)

基于 V2X 的智能輔助駕駛系統(tǒng)通過信息融合和數(shù)據(jù)挖掘兩種手段對(duì)車輛產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析和評(píng)估，進(jìn)而根據(jù)處理結(jié)果做出智能決策。

信息融合即數(shù)據(jù)融合，其大體可概括為利用計(jì)算機(jī)技術(shù)關(guān)聯(lián)和分析傳感器從多個(gè)信息源采集的信息，并根據(jù)算法優(yōu)化準(zhǔn)則優(yōu)化處理后的信息，最終獲得智能決策所需的有效信息。在車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，信息融合技術(shù)主要是把來(lái)自車聯(lián)網(wǎng)各部分的信息（車載信息、路側(cè)信息等）進(jìn)行加工融合，從而獲得車輛行駛所需的有效信息。

數(shù)據(jù)挖掘是處理持續(xù)增長(zhǎng)的海量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)，一般包括尋找前期數(shù)據(jù)、探索數(shù)據(jù)規(guī)律和規(guī)律表示三個(gè)步驟 ：

從相關(guān)數(shù)據(jù)源中選出所需數(shù)據(jù)，并整合成數(shù)據(jù)集 ；

通過算法找出數(shù)據(jù)中所包含的隱含規(guī)律 ；

使用方便用戶理解的形式標(biāo)出數(shù)據(jù)規(guī)律。

2 V2X技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)前 V2X 技術(shù)分為 DSRC（專用短程通信）和 LTE-V 兩種，其中DSRC 主要基于 IEEE 802.11p 與IEEE 1609 系列標(biāo)準(zhǔn)， 是一種專門用于 V2V 和 V2I 之間的通信標(biāo)準(zhǔn)，其通信結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。LTE-V 是基于 LTE 的智能網(wǎng)聯(lián)汽車協(xié)議，由 3GPP 主導(dǎo)制定規(guī)范。

圖 2 DSRC 結(jié) 構(gòu)

DSRC是基于 802.11p協(xié)議及其延伸擴(kuò)展的技術(shù)，其典型應(yīng)用場(chǎng)景有與安全相關(guān)的應(yīng)用和非安全相關(guān)的應(yīng)用。由于車輛的高移動(dòng)性特點(diǎn)，DSRC技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽?、低延遲等要求進(jìn)行了優(yōu)化，使其適用于 V2V和 V2I場(chǎng)景。但 DSRC 技術(shù)也有很大的缺陷，當(dāng)用戶數(shù)量較多時(shí)，系統(tǒng)容量急劇下降， 傳輸時(shí)延增加等。此外，DSRC因其路邊設(shè)施投入大，難以盈利，導(dǎo)致難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)化使用。

LTE-V 是基于第四代移動(dòng)通信技術(shù)的擴(kuò)展技術(shù)，它是專為車輛與車輛間通信協(xié)議設(shè)計(jì)的 V2X 標(biāo)準(zhǔn)，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖 3 所示。LTE-V 包括兩種工作模式，分別為 LTE-V Uu 和LTE-V PC5。前者表示接入網(wǎng) - 用戶終端 ；后者是直接通信空口 D2D 短距離直傳。Uu 空中接口主要用于傳統(tǒng)的車聯(lián)網(wǎng)通信業(yè)務(wù)，能滿足網(wǎng)絡(luò)與終端之間的大數(shù)據(jù)量要求 ；基于 PC5 的V2X 以 LTE-D2D 技術(shù)為基礎(chǔ)，可實(shí)現(xiàn) V2V/V2I/V2P/V2R 等V2X 業(yè)務(wù)，滿足終端之間低延遲和高可靠性的要求。

從技術(shù)定義可以看出，DSRC技術(shù)直接與 LTE-V的PC5 空中接口類似，但 DSRC不具備 LTE-V 技術(shù)中 Uu空中接口的蜂窩通信能力。因此，如果 DSRC的車載終端設(shè)備想要實(shí)現(xiàn)蜂窩網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，則仍需依賴 LTE等蜂窩技術(shù)。3GPP 組織在近年來(lái)已制定了多種 V2X技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

3 V2X技術(shù)典型應(yīng)用

車聯(lián)網(wǎng)具有大量運(yùn)用場(chǎng)景，可應(yīng)用于道路交通信息提示、協(xié)作車輛預(yù)防碰撞服務(wù)、自動(dòng)停車系統(tǒng)等方面。如今有些已被實(shí)際使用，其余一些人們正在討論和研究。

3.1 道路交通標(biāo)識(shí)信息提示

目前駕駛員在駕駛車輛時(shí)，其獲得交通標(biāo)識(shí)信息的途徑是眼睛，但由于人本能的反應(yīng)時(shí)間，導(dǎo)致從發(fā)現(xiàn)標(biāo)識(shí)到采取措施的時(shí)間極短，很容易造成交通事故和出現(xiàn)違規(guī)行為。V2X 技術(shù)可以有效緩解這種狀況。車聯(lián)網(wǎng)中的路側(cè)單元會(huì)將道路上的狀態(tài)信息（限行限速、信號(hào)燈狀態(tài)等）傳輸?shù)杰囕d終端，車載終端處理后提前生成提示信息（減速、直行等）并發(fā)送給駕駛員，以便駕駛員提前采取應(yīng)對(duì)措施減少交通違規(guī)現(xiàn)象的發(fā)生。

3.2 協(xié)作車輛預(yù)防碰撞服務(wù)

通過預(yù)防車輛碰撞來(lái)提供道路安全服務(wù)，在該過程中， 車輛通過V2V 獲取和交換自身與周圍車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息， 并根據(jù)這些信息得到環(huán)繞本身車輛一周的鄰近車輛的狀態(tài)圖， 分析判斷是否存在潛在威脅，從而為駕駛員提供決策參考， 該過程為“協(xié)作”碰撞起預(yù)防作用。

4 自動(dòng)停車系統(tǒng)

在具有大量停車位的停車場(chǎng)中，由于停車管理效率低， 駕駛員通常很難在第一時(shí)間找到停車位，所以 APS（自動(dòng)停車系統(tǒng)）顯得十分重要。APS 是一個(gè)可以提供各區(qū)域（市區(qū)街道、公共停車場(chǎng)等）實(shí)時(shí)停車位信息的數(shù)據(jù)庫(kù)，其不僅支持通過智能手機(jī)訪問實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)獲取停車位信息，還允許司機(jī)預(yù)留可用的停車位，通過導(dǎo)航等應(yīng)用程序?qū)④囕v引入停車位，并可使用免提支付停車來(lái)提高停車效率。

5 結(jié) 語(yǔ)

V2X車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是一種利用信息與通信技術(shù)來(lái)解決道路安全問題的新型技術(shù)。它整合了通信系統(tǒng)、信息處理、物聯(lián)網(wǎng)、定位感知等領(lǐng)域的尖端技術(shù)，通過車輛與車輛、車輛與人以及車輛與基礎(chǔ)設(shè)施等的信息交互，形成了車輛與外界之間的動(dòng)態(tài)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，使汽車不再只是一種交通運(yùn)輸工具，更成為了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中可移動(dòng)的節(jié)點(diǎn)。V2X 車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用將會(huì)推動(dòng)智能交通的進(jìn)一步發(fā)展，從而改變?nèi)藗兊慕煌ㄉ睢?