基于5G的平行駕駛智能汽車

東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心 湖北武漢 430056

作為新一代基于云的自主駕駛技術(shù)，平行駕駛將智能車輛與控制平臺、駕駛模擬器連接起來，并利用并行視覺與感知、并行學(xué)習(xí)、并行規(guī)劃及并行控制等新技術(shù)走在世界前列。

這種結(jié)合使得自主駕駛更加可衡量和可控，提高了車輛對周圍環(huán)境的響應(yīng)速度[1]。降低了系統(tǒng)的總體成本，實(shí)現(xiàn)了車與車、車與路的交互。

5G網(wǎng)絡(luò)的低延遲和高帶寬對于滿足高清視頻流、快速響應(yīng)和可靠連接的并行驅(qū)動(dòng)應(yīng)用程序的要求至關(guān)重要。5G網(wǎng)絡(luò)將人、車、路和云整合到一個(gè)虛擬的交通世界中，與真實(shí)的交通世界平行。通過云平臺對道路數(shù)據(jù)和車輛數(shù)據(jù)進(jìn)行全方位監(jiān)控，使交通更加安全高效，加快了智能交通向智能城市的傳輸[2]。

除了緩解駕駛疲勞、提高道路安全性外，未來基于5G網(wǎng)絡(luò)的并行駕駛也將應(yīng)用于一些特定場景。當(dāng)發(fā)生地震、山體滑坡等自然災(zāi)害或人為災(zāi)害時(shí)，可采用平行行駛車輛進(jìn)行道路搶修，降低搶險(xiǎn)風(fēng)險(xiǎn)，提高搶險(xiǎn)效率。它還可以應(yīng)用于礦山、油田和荒地的遠(yuǎn)程生產(chǎn)作業(yè)，幫助工人遠(yuǎn)離高風(fēng)險(xiǎn)環(huán)境[3]。

5G和4G時(shí)延分析

5G（又稱5G NR（新無線電）是第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)的簡稱，是4G技術(shù)的延伸。它在彌補(bǔ)4G技術(shù)不足的同時(shí)，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)在吞吐量、延遲、連接數(shù)和能耗等方面的性能。5G技術(shù)的特點(diǎn)是超高速、超大帶寬，傳輸速率比4G高出一個(gè)數(shù)量級，同時(shí)5G網(wǎng)絡(luò)具有更高的可靠性和更低的時(shí)延，可以滿足物聯(lián)網(wǎng)的個(gè)性化需求，拓寬融合發(fā)展空間產(chǎn)業(yè)，支持經(jīng)濟(jì)社會創(chuàng)新發(fā)展[4]。5G最初的設(shè)計(jì)意圖之一是追求更高的吞吐量。通過引入更高的頻率帶寬、高階調(diào)制和更多的空間數(shù)據(jù)流，5G網(wǎng)絡(luò)的峰值速率比4G網(wǎng)絡(luò)有了很大的提高。

以目前常用的100MHz頻率帶寬為例，5G網(wǎng)絡(luò)的上行峰值速率至少比4G網(wǎng)絡(luò)的上行峰值速率高5倍[5]。由于5G網(wǎng)絡(luò)的峰值速率已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過4G網(wǎng)絡(luò)，因此5G網(wǎng)絡(luò)的平均速率也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過4G網(wǎng)絡(luò)的速率，這對控制對象的實(shí)時(shí)上傳狀態(tài)極為有利。

5G技術(shù)與并行驅(qū)動(dòng)的結(jié)合

基于5G技術(shù)的平行駕駛充分利用5G技術(shù)的優(yōu)勢，增加了平行駕駛車輛對邊緣云的感知、決策和控制功能模塊。它依靠邊緣云的計(jì)算能力來處理和發(fā)布數(shù)據(jù)，以減少對車輛傳感器的依賴。所有車輛的監(jiān)控都可以在后臺的控制中心實(shí)現(xiàn)。

隨著5G通信系統(tǒng)的使用，智能駕駛車輛、路邊移動(dòng)邊緣計(jì)算（MEC）和云平臺構(gòu)成了一個(gè)三重互聯(lián)或互補(bǔ)的并行交通世界，并以此構(gòu)建應(yīng)用場景。

1.云并行系統(tǒng)

并行驅(qū)動(dòng)是在云計(jì)算或MEC（Mobile Edge Computing）端構(gòu)建一個(gè)虛擬世界。物理世界中的車輛狀態(tài)信息通過低延遲、高可靠的通信技術(shù)傳輸?shù)皆苹騇EC，然后利用虛擬世界的超級計(jì)算能力來推斷時(shí)空行為。

抽象地說，平行駕駛就是給汽車一個(gè)云中的“虛擬大腦”。與人腦不同，人腦只能自己看到和聽到，信息在虛擬世界中的不同個(gè)體之間是相互聯(lián)系的。這使得虛擬大腦能夠比人腦“看得更遠(yuǎn)、想得更深”，從而在駕駛時(shí)能夠更早、更準(zhǔn)確地做出預(yù)測。并行駕駛依靠通信技術(shù)來減少對車輛傳感器和計(jì)算能力的依賴。每輛車都向云端報(bào)告其位置和狀態(tài)，并在云端構(gòu)建另一個(gè)“真實(shí)世界”。如果云中存儲有足夠的數(shù)據(jù)，平行駕駛可以比人腦更快、更準(zhǔn)確地進(jìn)行預(yù)測。

在并聯(lián)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，有四種車輛：物理車輛、描述車輛、預(yù)測車輛和引導(dǎo)車輛。首先，物理世界將當(dāng)前時(shí)空映射到虛擬世界；其次，虛擬世界根據(jù)車輛的駕駛邏輯進(jìn)行時(shí)空預(yù)測；最后，根據(jù)預(yù)測告訴下一步如何駕駛。在這個(gè)過程中，車輛不僅要相互連接，而且要與道路甚至一切相連。理想情況下，所有交通參與者，包括汽車、道路和人員等，都會主動(dòng)向云端報(bào)告自己的位置，這樣對車輛直接感知的要求就會少得多。

2.路邊MEC并聯(lián)系統(tǒng)

路側(cè)邊緣系統(tǒng)以5G通信基站為基礎(chǔ)，利用5G-V2X、雷達(dá)和視覺等多源感知系統(tǒng)的信息交互計(jì)算節(jié)點(diǎn)，共同構(gòu)建路側(cè)并行駕駛系統(tǒng)。為了全面覆蓋路邊的關(guān)鍵區(qū)域，可以根據(jù)需要部署多個(gè)雷達(dá)和視覺傳感器。

路邊平行系統(tǒng)的核心在于對整個(gè)交通系統(tǒng)的感知，即虛擬交通環(huán)境重建模塊。虛擬交通環(huán)境除了提供本地高精度地圖信息（包括路網(wǎng)、路段屬性、視線和標(biāo)線等）外，還主要集成本地車輛、人群、特殊交通事件等動(dòng)態(tài)感知數(shù)據(jù)。其中，基于5G-V2X交互的信息感知是路邊的感知主體。智能連接車輛、行人和非機(jī)動(dòng)車輛均通過5G（車載/手持）終端與路邊基站交互，以報(bào)告身份、類型數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)位置、速度及方向數(shù)據(jù)。

雷達(dá)傳感器通過自身的分析單元，可以獲取其探測范圍內(nèi)的所有運(yùn)動(dòng)目標(biāo)數(shù)據(jù)（類型、位置、速度、方向及大小等），并輸出相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（交通流）作為路側(cè)數(shù)據(jù)的補(bǔ)充。同時(shí)，雷達(dá)傳感器還可以根據(jù)路障、交通事故等信息，對緊急情況進(jìn)行感知和定位。攝像機(jī)傳感器一方面通過云交互模塊直接將本地視頻流上傳到云系統(tǒng)；另一方面通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法對視頻進(jìn)行分析，提取交通事件和目標(biāo)信息，然后進(jìn)行定位。交通設(shè)施數(shù)據(jù)的采集包括交通燈等交通設(shè)施實(shí)時(shí)狀態(tài)的感知和處理。

重建模塊所形成的虛擬交通環(huán)境構(gòu)成了一個(gè)并行的路邊交通系統(tǒng)。它是一個(gè)完全由結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)描述的虛擬交通系統(tǒng)。其輸出一方面通過云交互模塊上傳到云并行系統(tǒng)；另一方面輸入到V2I算法模塊，通過下游5G-V2X通道提供本地V2I服務(wù)（盲點(diǎn)提示、信號燈提示等）。

市場前景及應(yīng)用分析

提高智能交通系統(tǒng)的安全性和效率具有重要意義。通過5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)車輛與車輛、車輛與城市交通設(shè)施的信息交換，拓展更多新功能。通過加快并聯(lián)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，為用戶提供更節(jié)能、更安全、更舒適的駕駛體驗(yàn)。

5G通信、車載Ad-Hoe網(wǎng)絡(luò)（VANET）和車-路-云融合系統(tǒng)等技術(shù)的曙光已經(jīng)顯現(xiàn)。此外，最終市場涉及汽車電子、道路電子設(shè)備、后端服務(wù)和監(jiān)控平臺。前端服務(wù)可以帶動(dòng)芯片設(shè)計(jì)和低級軟件設(shè)計(jì)等行業(yè)。新的供應(yīng)商將出現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)鏈中間的車載單元（OBU）和路側(cè)單元（RSU），這將為車輛供應(yīng)商、道路電子和電氣設(shè)備供應(yīng)商[6]提供巨大的新機(jī)會。

在無線接入方面，5G并行驅(qū)動(dòng)支持多模終端通信，保證業(yè)務(wù)的多樣性。通過快速靈活的RSU部署和蜂窩網(wǎng)絡(luò)的廣泛覆蓋，提供與車輛互聯(lián)網(wǎng)的無縫連接，保證信息的返回和管理，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的連續(xù)性。

在網(wǎng)絡(luò)方面，5G并行驅(qū)動(dòng)引入基于5G的C-V2X部署和邊緣云，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)下沉，減少網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲[8]。通過網(wǎng)絡(luò)切片可以保證不同的業(yè)務(wù)流服務(wù)能力，通過認(rèn)證機(jī)制可以保證車輛互聯(lián)網(wǎng)的安全。

在平臺方面，可以構(gòu)建一個(gè)集成的遠(yuǎn)程信息處理平臺。一方面，它可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理的功能，包括業(yè)務(wù)管理和連接管理；另一方面，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能力的開放，如進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，開發(fā)新的業(yè)務(wù)渠道。此外，允許第三方企業(yè)接入網(wǎng)絡(luò)定制服務(wù)。

在業(yè)務(wù)應(yīng)用方面，保留現(xiàn)有的遠(yuǎn)程通信服務(wù)，通過5G-V2X實(shí)現(xiàn)輔助駕駛、主動(dòng)安全服務(wù)、自主駕駛、編隊(duì)駕駛及高清視頻傳輸。

結(jié)語

結(jié)合邊緣云應(yīng)用滿足本地化處理需求，5G網(wǎng)絡(luò)的高可靠性和低延遲通過網(wǎng)絡(luò)切片為遠(yuǎn)程信息處理創(chuàng)造專用網(wǎng)絡(luò)資源，確保車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。同時(shí)，5G的大帶寬可以為高清視頻和大連接業(yè)務(wù)提供保障。作為未來物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，5G將是一個(gè)面向場景的通信網(wǎng)絡(luò)，為交通系統(tǒng)的信息融合和重組提供無限的可能性。智能網(wǎng)絡(luò)將改變傳統(tǒng)的人類交通方式，使車輛向網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展。