5G超級(jí)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(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 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(dòng)電話行動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，也叫做第五代移動(dòng)通訊技術(shù)[1]。5G網(wǎng)絡(luò)具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)，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(cè)試[3]，5G網(wǎng)絡(luò)帶寬容量將達(dá)到4G網(wǎng)絡(luò)的百倍以上，峰值理論傳輸速度能夠達(dá)到10.0 Gb/s，理論延時(shí)僅為1 ms，是4G延時(shí)的幾十分之一，基本達(dá)到了準(zhǔn)實(shí)時(shí)的水平。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、移動(dòng)設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)不再需要等待，隨時(shí)隨地都能進(jìn)行快速、大量的信息交換。5G網(wǎng)絡(luò)的上述性能對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行十分有利，在交通路況、車(chē)輛檢測(cè)、無(wú)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(guó)移動(dòng)、中國(guó)電信、中國(guó)聯(lián)通和中國(guó)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(guó)正式進(jìn)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(jī)業(yè)已推出近二十余款。從發(fā)展勢(shì)頭來(lái)看，整個(gè)5G上下游產(chǎn)業(yè)鏈完全商用的大幕正在全面開(kāi)啟。

5G落地商用，將開(kāi)啟互聯(lián)網(wǎng)加物聯(lián)網(wǎng)的全新時(shí)代。5G網(wǎng)絡(luò)的功能特性對(duì)物聯(lián)網(wǎng)具有強(qiáng)大的支撐作用。5G加速了萬(wàn)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(shí)，為構(gòu)建萬(wàn)物互聯(lián)的智慧社會(huì)奠定了良好基礎(chǔ)[5]。

1 5G超級(jí)物聯(lián)網(wǎng)的概念

1.1 5G超級(jí)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(shí)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(shí)現(xiàn)將所有物品彼此之間在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)、無(wú)處不在的連接。

隨著應(yīng)用場(chǎng)景不斷拓展，并網(wǎng)設(shè)備不斷豐富，物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)需實(shí)時(shí)傳輸海量數(shù)據(jù)，借助5G的超大容量、超低時(shí)延以及高傳輸速率，構(gòu)建起能夠容納萬(wàn)物互聯(lián)的超級(jí)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，通過(guò)穩(wěn)定高效的連接，人們可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的識(shí)別、定位、追蹤、監(jiān)控和管理。5G超級(jí)物聯(lián)網(wǎng)是對(duì)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(yùn)用。

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

常規(guī)物聯(lián)網(wǎng)有3個(gè)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(lái)識(shí)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(jìn)行處理，包括移動(dòng)通信網(wǎng)、有線電話網(wǎng)、有線寬帶網(wǎng)等。應(yīng)用層類(lèi)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(jìn)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(jí)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(shí)時(shí)交流的海量數(shù)據(jù)進(jìn)入“高速公路”，信息交換更加迅速高效。

圖1 5G超級(jí)物聯(lián)網(wǎng)的層次結(jié)構(gòu)

2 5G超級(jí)物聯(lián)網(wǎng)的功能

2.1 5G超級(jí)物聯(lián)網(wǎng)的功能

5G超級(jí)物聯(lián)網(wǎng)主要有3大功能：智能識(shí)別、智能監(jiān)控及對(duì)象跟蹤。借助于傳感器、RFID等技術(shù)對(duì)物體表面及內(nèi)部進(jìn)行智能識(shí)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(jìn)行智能化的數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)行為對(duì)象的監(jiān)測(cè)和控制，通過(guò)搭建應(yīng)用層為人們提供直觀的可視化服務(wù)。類(lèi)似的應(yīng)用場(chǎng)景包括通過(guò)掃描RFID終端機(jī)就可以得知超市中肉的產(chǎn)地及流通信息，在外通過(guò)手機(jī)控制家里熱水器的水溫。

為提高感知層獲取信息的準(zhǔn)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(jí)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(shí)現(xiàn)低時(shí)延、高速度的交換，滿足自動(dòng)駕駛、工業(yè)智能機(jī)器人等應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

2.2 5G超級(jí)物聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)

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

a.它將各種感知技術(shù)廣泛應(yīng)用。5G超級(jí)物聯(lián)網(wǎng)大量使用各類(lèi)傳感器，實(shí)時(shí)獲取不同類(lèi)別的信息內(nèi)容和信息格式，并不斷進(jìn)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(wú)處不在的高效網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)感知層獲取海量信息后，要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將信息實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地傳遞出去，同時(shí)將應(yīng)用層的控制指令以極低時(shí)延發(fā)送至執(zhí)行機(jī)構(gòu)，這個(gè)過(guò)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(lèi)物聯(lián)網(wǎng)具有本質(zhì)區(qū)別，它通過(guò)各種有限和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)深度融合，能實(shí)現(xiàn)常規(guī)物聯(lián)網(wǎng)所無(wú)法完成的功能，滿足應(yīng)用場(chǎng)景的更高要求。

c.具有智能處理的能力。近年來(lái)，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(zhǎng)足發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)芯片是整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的“智慧大腦”，負(fù)責(zé)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(dòng)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(guò)百萬(wàn)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(shí)現(xiàn)智能家居、自動(dòng)駕駛和智能信號(hào)燈等應(yīng)用。

3 基于5G超級(jí)物聯(lián)網(wǎng)的智能交通體系

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車(chē)成為人們出行的重要交通工具。汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)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(chē)尾氣污染嚴(yán)重等問(wèn)題。簡(jiǎn)單地限制車(chē)輛數(shù)及擴(kuò)大道路覆蓋率并不能從根本上解決問(wèn)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(guò)搭載激光雷達(dá)、測(cè)速雷達(dá)、加速度計(jì)和輪轂傳感器等，感知自身及周?chē)?chē)輛的運(yùn)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(guò)單片機(jī)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(shí)也實(shí)現(xiàn)了車(chē)輛智能化與物流運(yùn)輸智能化，達(dá)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(wú)處不在的傳感器、5G網(wǎng)絡(luò)以及智能終端來(lái)實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)輸?shù)闹悄芑痆7]。在這一系統(tǒng)中，車(chē)與車(chē)、車(chē)與人、車(chē)與路和車(chē)與交通信號(hào)燈等實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)互聯(lián)，交通活動(dòng)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(yù)警，從而安全高效地利用交通運(yùn)輸設(shè)施、減少能源浪費(fèi)和環(huán)境污染。

3.2 5G超級(jí)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(chē)、路”等關(guān)鍵要素，利用各型傳感器，自動(dòng)識(shí)別交通管理目標(biāo)，智能分析目標(biāo)并自動(dòng)檢出違法行為[8]。以常見(jiàn)的十字路口交通指揮來(lái)說(shuō)，由于當(dāng)前大部分紅綠燈都是采用固定時(shí)長(zhǎng)模式工作的，實(shí)際中會(huì)出現(xiàn)低效率疏導(dǎo)現(xiàn)象，即有時(shí)一個(gè)道路方向上車(chē)輛很少，綠燈卻處于點(diǎn)亮狀態(tài)，而另一條道路方向上車(chē)輛很多，紅燈時(shí)長(zhǎng)還未結(jié)束，這就造成了道路資源的浪費(fèi)。若更換為具有自適應(yīng)功能的智能信號(hào)燈系統(tǒng)，就可以利用信號(hào)控制系統(tǒng)中的傳感器，檢測(cè)道路狀況和交通路口的紅綠燈狀態(tài)，根據(jù)實(shí)時(shí)車(chē)輛情況，動(dòng)態(tài)調(diào)整路口各方向紅綠燈的持續(xù)時(shí)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(duì)控制區(qū)域內(nèi)實(shí)施廣播的功能[9]?；谖锫?lián)網(wǎng)的智能交通系統(tǒng)包括各類(lèi)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(shí)傳達(dá)給出行者，如交通狀況信息、地鐵或者公交的換乘時(shí)間及方式、天氣情況等，出行者獲得出行前信息。對(duì)于自帶導(dǎo)航系統(tǒng)的車(chē)輛，智能交通系統(tǒng)可以進(jìn)行路徑導(dǎo)航，規(guī)劃有利于出行者的行駛路線，并在行駛過(guò)程中獲取途中交通信息情況，確保安全。

3.2.3 自動(dòng)駕駛

現(xiàn)階段，物聯(lián)網(wǎng)在車(chē)輛系統(tǒng)中的服務(wù)主要體現(xiàn)在自動(dòng)駕駛，自動(dòng)駕駛可以將司機(jī)從辛苦的駕駛工作中解脫出來(lái)，使出行更加便捷、可靠、高效、環(huán)保。自動(dòng)駕駛主要包括感知、決策以及執(zhí)行3個(gè)方面[10]。自動(dòng)駕駛汽車(chē)在行進(jìn)過(guò)程中感知周?chē)鸟{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(jìn)行處理，如果用戶車(chē)輛與周?chē)?chē)輛距離小于安全距離，綜合各車(chē)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(yù)警，防止與車(chē)輛發(fā)生碰撞事故。

3.2.4 輔助監(jiān)控

隨著我國(guó)物流行業(yè)的快速發(fā)展，商用車(chē)輛數(shù)不斷增加，由于商用車(chē)輛型號(hào)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(jí)物聯(lián)網(wǎng)，可以實(shí)時(shí)獲取商用車(chē)輛的運(yùn)營(yíng)及管理情況，及時(shí)了解駕駛員的異常駕駛行為，對(duì)疲勞駕駛、超速行駛、急剎車(chē)等行為進(jìn)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(shí)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(xiàng)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(shí)時(shí)采集各類(lèi)軌道交通運(yùn)輸工具及地面公交的動(dòng)態(tài)運(yùn)行信息和客流情況，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析，實(shí)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(jìn)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(qiáng)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(qiáng)安全管理，提高事故發(fā)生后的應(yīng)急效率，對(duì)城市的發(fā)展尤為重要。

當(dāng)城市出現(xiàn)安全問(wèn)題時(shí)，借助5G超級(jí)物聯(lián)網(wǎng)搭建起的智能交管中心，交通運(yùn)營(yíng)管理者能夠及時(shí)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(lèi)型傳感器，分析獲取的溫度計(jì)、煙霧信息，對(duì)危險(xiǎn)品、火災(zāi)、有毒氣體等各種異常情況進(jìn)行檢測(cè)及預(yù)警，并及時(shí)向控制中心提供信息服務(wù)，便于救援力量及時(shí)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(chǎng)景為不停車(chē)電子收費(fèi)系統(tǒng)(ETC)，該系統(tǒng)需要汽車(chē)安裝ETC車(chē)載器，車(chē)輛信息及車(chē)主信息都貯存在電子收費(fèi)卡中，每輛車(chē)都有唯一的電子檔案。當(dāng)裝有ETC裝置的車(chē)輛通過(guò)高速收費(fèi)站時(shí)，借助快速的5G通訊網(wǎng)絡(luò)，車(chē)輛不需減速停車(chē)，即可實(shí)現(xiàn)讀卡裝置與ETC車(chē)載器間信息交換，完成扣款過(guò)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(fèi)的成本，以及車(chē)主停車(chē)?yán)U費(fèi)帶來(lái)的噪聲、尾期污染。

3.2.8 安全管理

交通安全是交通運(yùn)輸業(yè)的生命線，一旦發(fā)生交通事故，將帶來(lái)無(wú)法彌補(bǔ)的生命和財(cái)產(chǎn)安全。車(chē)速是影響交通事故發(fā)生可行性和嚴(yán)重性的重要原因。因此，安全車(chē)速是出行的重要保障。借助5G超級(jí)物聯(lián)網(wǎng)搭建的智能交管系統(tǒng)，利用雷達(dá)和視頻流量攝像頭等傳感器，檢測(cè)各車(chē)輛的車(chē)速，并與安全值進(jìn)行比較，及時(shí)提醒駕駛員調(diào)整車(chē)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(yǔ)

目前，中國(guó)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(jì)算以及人工智能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，基于5G技術(shù)的超級(jí)物聯(lián)網(wǎng)功能必將越來(lái)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(lái)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(dāng)中，實(shí)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(jì)狀況相適應(yīng)，最終推動(dòng)中國(guó)智慧城市的發(fā)展與建設(shè)。