基于云-邊-端-控的ICVs縱向優(yōu)化控制方法研究＊

李克寧 宋柱梅

（深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息與通信學(xué)院，廣東深圳 518172）

0.引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和科技的進步,移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在汽車中得到了廣泛的應(yīng)用。為了提高復(fù)雜工況下車輛的安全性、舒適性和智能水平，當(dāng)前的汽車設(shè)計中越來越多地加入了新的高科技設(shè)備元素，通信、交通、汽車、計算機和人工智能等多產(chǎn)業(yè)交叉融合發(fā)展,智能化、信息化、電動化也成為汽車行業(yè)普遍認(rèn)可的發(fā)展方向[1-2]。智能網(wǎng)聯(lián)汽車（Intelligent Connected Vehicle，ICV），是指車聯(lián)網(wǎng)與智能車的有機聯(lián)合，集智能環(huán)境感知、自動路徑規(guī)劃和智能決策決策控制、不同類型和等級智能輔助駕駛等功能于一體的綜合高科技智慧出行交通工具，是典型的多學(xué)科多領(lǐng)域交叉的高新技術(shù)綜合體[3-4]。雖然，車載智能感知和融合技術(shù)給車輛智能化水平提供和很好支撐，但是，隨著車輛智能技術(shù)深入發(fā)展，尤其是自動駕駛技術(shù)的快速發(fā)展，車載智能終端在復(fù)雜多變的交通場景中暴露出來的安全隱患難以很好解決[5-6]。

本文針對車載智能終端在復(fù)雜多變的交通場景中暴露出來的安全隱患難以很好解決的問題，基于大帶寬、低時延的移動通信技術(shù)和車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提出一種基于云-邊-端-控的ICVs縱向優(yōu)化控制方法。

1.云-邊-端-控的ICVS縱向優(yōu)化控制平臺設(shè)計

ICV是指搭載先進的車載傳感器、控制器、執(zhí)行器等裝置，并融合現(xiàn)代通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)車與X(車、路、人、云等) 智能信息交換、共享，具備復(fù)雜環(huán)境感知、智能決策、協(xié)同控制等功能，可實現(xiàn)安全、高效、舒適、節(jié)能行駛，并最終實現(xiàn)替代人來操作的新一代汽車。本文研究思路是結(jié)合ICV概念，基于大帶寬、低時延的移動通信技術(shù)和車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對基于云-邊-端-控的ICVs縱向優(yōu)化控制方法進行研究，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要包括5個部分：第一，基于車-路-云系統(tǒng)，利用云存儲技術(shù)收集智能網(wǎng)聯(lián)汽車運行狀態(tài)，利用云計算平臺對交通耦合數(shù)據(jù)進行智能計算和決策；第二，發(fā)揮智慧燈桿的路側(cè)邊緣計算單元智能感知和交互優(yōu)勢，通過智能路側(cè)基站將決策指令傳遞到距離車輛最近的邊緣計算單元；第三，開展數(shù)據(jù)融合計算，將車輛控制單元將車載智能單元感知的信息和來自邊緣計算節(jié)點的信息深度融合，形成車輛控制指令；第四，設(shè)計ICVs縱向最優(yōu)控制器，通過線控執(zhí)行模塊實現(xiàn)對車輛的縱向優(yōu)化安全控制；第五，對提出的系統(tǒng)進行仿真分析，驗證其有效性。

圖1 云-邊-端-控的ICVS縱向控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 車-路-云協(xié)同

車-路-云協(xié)同系統(tǒng)基于道路交通綜合管控平臺開發(fā)實現(xiàn)車路協(xié)同設(shè)施安全接入驗證服務(wù)，為自動駕駛車輛提供可靠的出行預(yù)測、規(guī)劃決策的遠(yuǎn)程實時監(jiān)測協(xié)同系統(tǒng)。云存儲技術(shù)收集智能網(wǎng)聯(lián)汽車運行狀態(tài)，包括運行車輛和特殊車輛，例如突然插入的車輛信息。獲取ICV信息后，云計算平臺對交通耦合數(shù)據(jù)進行智能計算，經(jīng)過人工智能算法將識別車輛轉(zhuǎn)換為決策信息數(shù)據(jù)，通過V2X通信和骨干車聯(lián)網(wǎng)傳輸給車-路系統(tǒng)提前發(fā)送給即將駛?cè)胗邪踩{區(qū)域的車輛。

1.2 邊緣計算和通信

邊緣計算是面向自動駕駛環(huán)境感知和數(shù)據(jù)處理的重要技術(shù)。ICVs可以通過從邊緣節(jié)點(RSU)獲得更大范圍的環(huán)境信息，更重要的是可以向邊緣節(jié)點轉(zhuǎn)移或卸載部分計算任務(wù)以解決計算資源不足的問題。路側(cè)邊緣計算主要布局在智慧燈桿上，和城市路燈融為一體。智慧燈桿路側(cè)邊緣計算單元通過自身安裝的激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)和視覺系統(tǒng)智能感知車路及交通信息，具備車路之間實時快速的數(shù)據(jù)和信息交互優(yōu)勢，通過智能路側(cè)基站將決策指令傳遞到距離車輛最近的邊緣計算單元，豐富ICVs的環(huán)境感知范圍和智能處理能力。

1.3 數(shù)據(jù)融合

車路協(xié)同傳感器采集的大量的數(shù)據(jù)如視頻數(shù)據(jù)、激光掃描數(shù)據(jù)、微波感知數(shù)據(jù)等，邊緣計算節(jié)點將這些數(shù)據(jù)進行解析、整合，形成如交通流量、車速等結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，然后下發(fā)給ICVs的車載智能計算單元(OBU)。車載智能計算單元利用車載的激光雷達(dá)和視覺系統(tǒng)類似感知到車輛周圍的交通流量、車速等結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，但是兩個系統(tǒng)之間感知的數(shù)據(jù)和時空都是有差異的，采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)實現(xiàn)交通流量、車速等自動駕駛決策使用的關(guān)鍵信息在數(shù)據(jù)冗余互認(rèn)和時空一致性統(tǒng)一，進而形成車輛控制指令，發(fā)送給車輛執(zhí)行系統(tǒng)。

1.4 ICVs控制執(zhí)行

ICVs安全行駛信息經(jīng)過深度融合后形成車輛控制指令，通過線控執(zhí)行模塊實現(xiàn)對車輛的縱向優(yōu)化安全控制，控制執(zhí)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與軟件流程如圖2所示。

如圖2所示，ICVs控制執(zhí)行系統(tǒng)的控制邏輯如下：

圖2 ICVs控制執(zhí)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與軟件流程圖

步驟1：建立控制指標(biāo)評價參數(shù)，包括目標(biāo)車-車距離、目標(biāo)車速、目標(biāo)車速差等；

步驟2：利用車載網(wǎng)獲取車載智能傳感器信息，融合車聯(lián)網(wǎng)傳遞的路側(cè)智能感知信息，車輛狀態(tài)監(jiān)控單元進行交通擁堵和干擾車狀態(tài)判斷；

步驟3：多模態(tài)有限狀態(tài)切換控制器根據(jù)交通擁堵和干擾車狀態(tài)，選擇車-車安全距離等不同模態(tài)的有限狀態(tài)控制；

步驟4：線控執(zhí)行控制單元是自動駕駛車輛重要的執(zhí)行系統(tǒng)，根據(jù)驅(qū)動和制動需求執(zhí)行分別選擇線控驅(qū)動或線控制動系統(tǒng)對車輛進行控制；

步驟5：實時運行狀態(tài)信息感知和反饋，智能感知和協(xié)同處理模塊，實時監(jiān)控實驗網(wǎng)聯(lián)車ICVs運行和相應(yīng)交通環(huán)境信息，并上傳云端，對控制過程進行實時檢測和調(diào)整。

2.仿真結(jié)果及分析

本節(jié)基于MATLAB/Simulink平臺，針對所提出的控制防范建立云-邊-端-控的ICVs縱向優(yōu)化控制的仿真分析系統(tǒng)，通過不同的仿真試驗對所提出的控制系統(tǒng)的性能進行驗證。

2.1 干燥路面結(jié)果分析

綜合對比分析干燥路面的測量工況下，系統(tǒng)不同位置車輛車速、跟蹤誤差等變量的自適應(yīng)情況，測試評估所提模型對不同車輛的控制結(jié)果。測試設(shè)置為5輛ICVs組成多車模型，行駛速度80km/h。根據(jù)仿真分析結(jié)果可知，車-車之間距離都大于0，證明沒有車輛碰撞情況發(fā)生，行駛安全。其中，車-車之間距離最小7.0m，危險，但沒有發(fā)生事故。根據(jù)測試結(jié)果分析，建模效果、系統(tǒng)在功能及性能方面表現(xiàn)良好，可以在指定環(huán)境中穩(wěn)定運行，滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。

2.2 濕滑路面結(jié)果分析

類似于干燥路面，綜合對比分析石化路面的測量工況下，系統(tǒng)不同位置車輛車速、跟蹤誤差等變量的自適應(yīng)情況，測試評估所提模型對不同車輛的控制結(jié)果。測試設(shè)置同樣為5輛ICVs組成多車模型，速度80km/h。根據(jù)分析結(jié)果可知，車-車之間距離都大于0，證明沒有車輛碰撞情況發(fā)生，行駛安全。其中，車-車之間距離最小2.1m，雖然沒有發(fā)生事故，但是情況比較危險。

根據(jù)測試結(jié)果分析，整體上看，建模效果、系統(tǒng)在功能及性能方面表現(xiàn)良好，可以在指定環(huán)境中穩(wěn)定運行，滿足系統(tǒng)設(shè)計要求， ICVS縱向優(yōu)化控制系統(tǒng)能夠充分利用云-邊-端-控的信息，夠快速、精確的跟蹤不斷變化的行駛工況，執(zhí)行不同的控制指令，保證車輛快速穩(wěn)定進入安全行駛狀態(tài)。

3.結(jié)論

本文針對高級別智能網(wǎng)聯(lián)車車載智能終端在復(fù)雜多變的交通場景中暴露出來的計算力不足造成的安全問題，大帶寬、低時延的移動通信技術(shù)和車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提出一種基于云-邊-端-控的ICVs縱向優(yōu)化控制方法。重點關(guān)注云-邊-端-控平臺優(yōu)勢下的多智能網(wǎng)聯(lián)汽車的縱向優(yōu)化控制的關(guān)鍵問題?；谲?路-云系統(tǒng)，利用云存儲技術(shù)收集智能網(wǎng)聯(lián)汽車運行狀態(tài)，利用云計算平臺對交通耦合數(shù)據(jù)進行智能計算和決策；采用路側(cè)邊緣計算單元獲取智能感知信息，通過智能路側(cè)基站將決策指令傳遞到距離車輛最近的邊緣計算單元；采用車輛控制單元將車載智能單元感知的信息和來自邊緣計算節(jié)點的信息深度融合，形成車輛控制指令；設(shè)計ICVs縱向最優(yōu)控制器，通過線控執(zhí)行模塊實現(xiàn)對車輛的縱向優(yōu)化安全控制。最后，通過仿真試驗對整個系統(tǒng)進行驗證，結(jié)果證明所提出的控制系統(tǒng)是有效的。