車路協(xié)同RSU軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

潘景劍 候春輝 張翔宇

摘要：提出了一種車路協(xié)同路側(cè)單元（RSU）軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，論述了RSU在車路協(xié)同系統(tǒng)中的位置及功能，提出功能架構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、安全服務(wù)設(shè)計(jì)等若干需要解決的核心問(wèn)題。詳細(xì)闡述了解決這些問(wèn)題用到的關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)計(jì)方案，對(duì)車路協(xié)同系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，并在實(shí)際工程項(xiàng)目進(jìn)行應(yīng)用和功能驗(yàn)證，證明了該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性和合理性。

關(guān)鍵詞：智能交通系統(tǒng);車路協(xié)同;路側(cè)單元;V2X

中圖分類號(hào)：TN929.52文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008-1739（2022）02-60-4

0引言

在現(xiàn)實(shí)交通中，機(jī)動(dòng)車保有量和道路交通量不斷增加，路況隨機(jī)性強(qiáng)，車輛、行人眾多，亟需通過(guò)智能交通系統(tǒng)（ITS）建設(shè)提升道路交通系統(tǒng)的安全性和通行效率。車路協(xié)同系統(tǒng)作為智能交通的重要組成部分，在實(shí)時(shí)、可靠的全時(shí)空交通信息的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)車輛與道路設(shè)施的智能化和信息共享，保證交通安全、提高通行效率，在高速公路等領(lǐng)域具備廣泛的應(yīng)用前景[1]。車路協(xié)同技術(shù)正成為各國(guó)智能交通系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)和落地應(yīng)用的熱點(diǎn)[2]。

車路協(xié)同是采用先進(jìn)的無(wú)線通信和新一代互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，全方位實(shí)施車-車（V2V）、車-路（V2I）動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)信息交互[3]。并在全時(shí)空動(dòng)態(tài)交通信息采集與融合的基礎(chǔ)上開(kāi)展車輛主動(dòng)安全控制和道路協(xié)同管理，充分實(shí)現(xiàn)人、車、路的有效協(xié)同，保證交通安全，提高通行效率，從而形成安全、高效和環(huán)保的道路交通系統(tǒng)。RSU部署在路側(cè)，實(shí)現(xiàn)路側(cè)信息與車側(cè)信息的實(shí)時(shí)交互，是車路協(xié)同系統(tǒng)的重要組成部分。

1總體設(shè)計(jì)

車路協(xié)同通過(guò)V2V、V2I、車-人（V2P）、車-網(wǎng)（V2N）等信息交互、共享[4]，使車和周圍環(huán)境協(xié)同與配合，實(shí)現(xiàn)智能交通管理控制、車輛智能化控制和智能動(dòng)態(tài)信息服務(wù)的一體化網(wǎng)絡(luò)。

車路協(xié)同系統(tǒng)分為車載設(shè)備、路側(cè)設(shè)備、平臺(tái)層和業(yè)務(wù)層四部分。OBU安裝在車輛上，用于實(shí)現(xiàn)V2X通信，可實(shí)現(xiàn)本車與其他車輛OBU、RSU、行人和車路協(xié)同平臺(tái)的通信;RSU利用攝像機(jī)、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、環(huán)境感知設(shè)備等多傳感器信息融合數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)道路信息匯聚，并實(shí)現(xiàn)平臺(tái)層與車載設(shè)備信息交互;平臺(tái)層通過(guò)邊緣計(jì)算和云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)信息實(shí)時(shí)處理和流程管理;業(yè)務(wù)層實(shí)現(xiàn)各種具體的應(yīng)用功能。4個(gè)部分共同合作實(shí)現(xiàn)車路協(xié)同系統(tǒng)功能，RSU在車路協(xié)同系統(tǒng)中的位置如圖1所示。

為了更好地為公眾出行服務(wù)，車路協(xié)同重點(diǎn)關(guān)注提升出行安全和提高交通效率。中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)T/CSAE 53-2017發(fā)布的17種應(yīng)用場(chǎng)景標(biāo)準(zhǔn)，包括碰撞預(yù)警、變道輔助等主動(dòng)安全類場(chǎng)景，車速引導(dǎo)、限速預(yù)警等交通效率類場(chǎng)景，以及近場(chǎng)支付、信息回傳等信息服務(wù)類場(chǎng)景[5]。

為實(shí)現(xiàn)車路協(xié)同各種場(chǎng)景服務(wù)，在路側(cè)部署各種形態(tài)的通信設(shè)備RSU，匯集路側(cè)交通設(shè)施和道路交通參與者的信息，上傳至車路協(xié)同平臺(tái)，并將車路協(xié)同消息廣播給道路交通參與者。RSU需要具備多種通信方式，通過(guò)不同的傳輸方式進(jìn)行消息傳遞，包括LTE-V2X PC5通信、LTE Uu通信、5G Uu通信，以及正在制定中的5G-V2X PC5通信等[6]，滿足車路協(xié)同不同的應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)消息傳遞在傳輸時(shí)延、數(shù)據(jù)量等方面的需求。

2需解決的問(wèn)題

為了高效地完成車路協(xié)同RSU軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，需要解決以下幾個(gè)問(wèn)題：

①功能架構(gòu)：RSU軟件系統(tǒng)功能豐富，包括業(yè)務(wù)功能、管理功能、安全功能等，其中業(yè)務(wù)功能主要包括數(shù)據(jù)上傳與下發(fā)、消息協(xié)議轉(zhuǎn)換等。能否對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行詳細(xì)分解，做到系統(tǒng)功能完備性、功能架構(gòu)合理性，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行效率最大化，是RSU軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

②系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：RSU系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如何確定軟件的總體結(jié)構(gòu)和模塊組成，并明確每個(gè)模塊的邏輯結(jié)構(gòu)、模塊間的調(diào)用關(guān)系，以及每個(gè)模塊的輸入和輸出，在保證模塊獨(dú)立性的同時(shí)，做到高內(nèi)聚、低耦合，是設(shè)計(jì)時(shí)需要解決的一個(gè)重要問(wèn)題。

③安全服務(wù)：車路協(xié)同作為國(guó)家智能汽車發(fā)展戰(zhàn)略以及國(guó)家新基建的重要組成部分，涉及個(gè)人安全、公共安全乃至國(guó)家安全。如何保證車路協(xié)同不同廠家、不同設(shè)備之間的互通互認(rèn)，保障車路協(xié)同通信安全，是設(shè)計(jì)時(shí)需要解決的又一重要問(wèn)題。

3設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

3.1功能架構(gòu)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)車路協(xié)同系統(tǒng)整體功能支撐，RSU結(jié)合功能需求和特點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行了分類定義，在大的功能模塊基礎(chǔ)上又細(xì)分為小的功能模塊，多層次進(jìn)行劃分，保證了系統(tǒng)功能的完備性和功能架構(gòu)的合理性。RSU軟件功能架構(gòu)如圖2所示。

RSU軟件系統(tǒng)劃分為6個(gè)功能模塊：

①M(fèi)QTT功能：包括訂閱客戶端和發(fā)布客戶端，負(fù)責(zé)接收云平臺(tái)的配置操作，并完成設(shè)備心跳及環(huán)境數(shù)據(jù)的上報(bào)。

②操作管理：負(fù)責(zé)云端數(shù)據(jù)格式解析功能及消息中轉(zhuǎn)，負(fù)責(zé)告警信息、狀態(tài)信息、統(tǒng)計(jì)信息的收集及上報(bào)，負(fù)責(zé)配置管理維護(hù)。

③消息下發(fā)：按照平臺(tái)配置的管理策略觸發(fā)RSI、MAP消息定時(shí)下發(fā)功能，負(fù)責(zé)RSM、SPAT消息接口轉(zhuǎn)換及實(shí)時(shí)下發(fā);負(fù)責(zé)BSM消息的封裝及平臺(tái)上報(bào)。

④V2X協(xié)議棧：實(shí)現(xiàn)消息層數(shù)據(jù)的ASN.1編解碼、網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議格式的封裝解封裝、網(wǎng)絡(luò)層DME管理功能，以及V2X模組的無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)功能。

⑤安全功能：包括證書的管理維護(hù)功能、數(shù)據(jù)的簽名驗(yàn)簽、數(shù)據(jù)加解密以及其他系統(tǒng)安全功能。

⑥單元測(cè)試：實(shí)現(xiàn)RSU軟件的單元測(cè)試功能。

通過(guò)上述功能架構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)RSU系統(tǒng)功能進(jìn)行模塊劃分和定義，保證RSU系統(tǒng)功能架構(gòu)的合理性和完整性。

3.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

RSU系統(tǒng)軟件需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、消息適配、業(yè)務(wù)應(yīng)用等功能，其中每部分功能實(shí)現(xiàn)需要多個(gè)模塊共同完成。為了適應(yīng)上述要求，在明確每個(gè)功能模塊的邏輯結(jié)構(gòu)、相互間調(diào)用關(guān)系的基礎(chǔ)上，RSU軟件系統(tǒng)建立了如圖3所示的RSU系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

RSU系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為應(yīng)用層、消息層、網(wǎng)絡(luò)層和設(shè)備驅(qū)動(dòng)層4個(gè)部分。

①應(yīng)用層：負(fù)責(zé)處理業(yè)務(wù)邏輯，實(shí)現(xiàn)消息的收發(fā)、對(duì)接云端管理接口、定時(shí)邏輯及實(shí)時(shí)下發(fā)，故障信息、狀態(tài)信息、統(tǒng)計(jì)信息和環(huán)境信息的收集上報(bào)，以及應(yīng)用層數(shù)據(jù)的安全，與車路協(xié)同系統(tǒng)平臺(tái)層通過(guò)MQTT協(xié)議進(jìn)行通信，與消息層通過(guò)函數(shù)調(diào)用的方式進(jìn)行通信。

②消息層：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)編解碼，依賴網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用消息的ANS.1編解碼，與網(wǎng)絡(luò)層通過(guò)消息隊(duì)列的方式進(jìn)行通信。

③網(wǎng)絡(luò)層：遵循直連通信短消息協(xié)議實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)收發(fā)，與設(shè)備驅(qū)動(dòng)層通過(guò)UDP套接字進(jìn)行通信。

④設(shè)備驅(qū)動(dòng)層：通過(guò)C-V2X蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)、短距離無(wú)線通信技術(shù)、有線網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)現(xiàn)UU/PC5/有線的網(wǎng)絡(luò)通信底層驅(qū)動(dòng)功能，可直接操作底層硬件設(shè)備。

通過(guò)上述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，成功將RSU系統(tǒng)進(jìn)行分層，可以保證上層控制和路側(cè)終端消息的傳輸，不論空口或有線傳輸?shù)南ⅲ寄芸焖?、?zhǔn)確地進(jìn)行適配和轉(zhuǎn)發(fā)，從而進(jìn)行相應(yīng)的處理，保證信息處理的實(shí)時(shí)性和有效性。

3.3安全服務(wù)設(shè)計(jì)

車路協(xié)同面臨著假冒網(wǎng)絡(luò)、信息竊取、假冒終端、虛假信息及隱私泄露等安全風(fēng)險(xiǎn)。鑒于車路協(xié)同通信安全的重要性，以及空口數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟环€(wěn)定性，車路協(xié)同系統(tǒng)需要具備設(shè)備認(rèn)證、信息完整校驗(yàn)、隱私保護(hù)、機(jī)密保護(hù)等安全能力。

車路協(xié)同是相互沒(méi)有關(guān)系的設(shè)備之間進(jìn)行隨機(jī)通信，RSU安全通信采用業(yè)界共識(shí)的基于PKI的安全機(jī)制實(shí)現(xiàn)車路協(xié)同設(shè)備之間的認(rèn)證和通信安全。相關(guān)設(shè)備需要根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景對(duì)接收到的信息提供安全服務(wù)，保證車路協(xié)同通信安全。

RSU安全通信服務(wù)架構(gòu)如圖4所示，由安全數(shù)據(jù)處理功能、安全憑證管理功能、安全服務(wù)功能等構(gòu)成[7]。

①安全數(shù)據(jù)處理功能（SDPF）

SDPF位于RSU的車路協(xié)同應(yīng)用服務(wù)實(shí)體中，負(fù)責(zé)基于特定的車路協(xié)同應(yīng)用邏輯生成與處理安全消息，包括明文消息、簽名消息、加密消息等。SDPF根據(jù)需要調(diào)用安全服務(wù)功能提供的基本安全服務(wù)。

②安全憑證管理功能（SCMF）

SCMF負(fù)責(zé)與車路協(xié)同SCME交互獲得相關(guān)的公鑰證書和安全憑證、數(shù)據(jù)。SCMF需要與安全服務(wù)功能交互完成安全憑證和數(shù)據(jù)（例如公鑰證書和CRL）的導(dǎo)入和導(dǎo)出，以及密鑰的生成和導(dǎo)出等處理。

③安全服務(wù)功能（SSF）

SSF負(fù)責(zé)提供安全憑證和安全數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和密碼運(yùn)算服務(wù)，通過(guò)API對(duì)外提供安全服務(wù)。SSF負(fù)責(zé)處理安全協(xié)議數(shù)據(jù)單元（SPDUs），并通過(guò)生成和處理SPDU為RSU設(shè)備提供簽名、驗(yàn)簽、加密和解密等安全服務(wù)。

通過(guò)上述設(shè)計(jì)，RSU設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)假冒終端、虛假信息的丟棄，保證信息傳遞機(jī)密性性，避免信息泄露，實(shí)現(xiàn)車路協(xié)同設(shè)備間的通信安全。

4設(shè)計(jì)驗(yàn)證

RSU通過(guò)將車路協(xié)同系統(tǒng)作為一個(gè)整體進(jìn)行系統(tǒng)集成測(cè)試完成實(shí)驗(yàn)室功能驗(yàn)證。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證測(cè)試后，在新元高速5 km車路協(xié)同示范路段安裝部署RSU并進(jìn)行了實(shí)際工程項(xiàng)目的測(cè)試驗(yàn)證。新元高速車路協(xié)同系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D5所示。

通過(guò)測(cè)試，RSU在安裝高度為7 m，數(shù)據(jù)包為400 byte，發(fā)送頻率為10 Hz，零丟包率情況下實(shí)際覆蓋半徑大于500 m，時(shí)延小于25 ms，能夠正確、實(shí)時(shí)處理OBU發(fā)送的車輛信息，路側(cè)攝像機(jī)、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、環(huán)境感知設(shè)備等發(fā)送的傳感器信息，以及平臺(tái)層發(fā)送的信息實(shí)時(shí)處理和流程管理信息，未出現(xiàn)異常，滿足標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)要求，行駛場(chǎng)景提醒準(zhǔn)確，可輔助車輛駕駛和交通管理，提升出行的安全性。測(cè)試和應(yīng)用證明RSU能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)所需的功能及車路協(xié)同系統(tǒng)要求，其設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)是正確的。

5結(jié)束語(yǔ)

參考其他通信系統(tǒng)設(shè)備的設(shè)計(jì)思想，并充分結(jié)合車路協(xié)同系統(tǒng)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了車路協(xié)同RSU軟件系統(tǒng)的功能架構(gòu)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、安全服務(wù)等設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)合理、思路清晰，測(cè)試結(jié)果真實(shí)地反映了其在實(shí)際環(huán)境下的性能，可以滿足系統(tǒng)部署的需要。目前，該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)已被應(yīng)用于實(shí)踐開(kāi)發(fā)，對(duì)于同類開(kāi)發(fā)或研究都具有參考價(jià)值。

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