《電子技術應用》
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基于5G車聯網的綠波通行系統研究
2019年電子技術應用第8期
田 亮,張 巖,徐 黎
大唐移動通信設備有限公司,北京100083
摘要: 結合MEC與C-V2X融合技術,研究了一種基于5G車聯網的綠波通行系統,并且在綠波通行模型、MEC應用和協同控制管理等方面做了相關研究。該系統實現了更低時延的實時車路協同以及多個路口紅綠燈信息協同感知,進而實現連續性綠波優先通行,減少路口交通擁堵,并提升運輸效率。
中圖分類號: TN914
文獻標識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.190740
中文引用格式: 田亮,張巖,徐黎. 基于5G車聯網的綠波通行系統研究[J].電子技術應用,2019,45(8):5-9.
英文引用格式: Tian Liang,Zhang Yan,Xu Li. Research on green wave transit system based on 5G-V2X[J]. Application of Electronic Technique,2019,45(8):5-9.
Research on green wave transit system based on 5G-V2X
Tian Liang,Zhang Yan,Xu Li
Datang Mobile Communication Equipment Co.,Ltd.,Beijing 100083,China
Abstract: Combined with the fusion technology of MEC and C-V2X,a green wave transit system based on 5G vehicle network is studied, and relevant researches are made on the green wave transit model, application of MEC and collaborative control management. This system can realize real-time vehicle-road coordination with lower time delay, and realize coordinated perception of traffic light information at multiple intersections, so as to realize the continuity of the green wave priority, reduce traffic congestion at intersections and improve transport efficiency.
Key words : C-V2X;MEC;green wave transit;5G

0 引言

    目前城市信號燈控制的交通路口通行效率不高,主要表現為:早晚高峰時段擁堵比較嚴重;閑時段(尤其是夜間)車輛必須等待紅綠燈周期性變化,車輛不能根據匹配通過路口的車速實時調整控制紅綠燈狀態;視線受限或司機對紅綠燈信息的誤判也會造成車輛追尾或闖紅燈引起的交通事故導致擁堵。智能聯網汽車將實現安全可靠、高效節能和信息服務,將來會改變人們生活出行。隨著我國車聯網產業上升到國家戰略高度,產業政策持續利好,車聯網技術標準體系已經從國家標準層面完成頂層設計,多個產業應用聯盟也開始重視研究車聯網應用和技術創新。實時車路協同是車聯網典型應用場景之一,車路協同需要5G網絡提供低時延和高可靠等關鍵技術[1-2],需要“智能的車”和“聰明的路”來改變當前交通狀態,提升通行效率。

    優先通行是實現綠波通行的基礎功能,國內外進行了相關研究并提出幾種算法,這些算法存在缺點和不足,以至于無法進一步應用推廣,如:通過PC5接口調整紅綠燈狀態,受限于5.9G通信距離短和容易遮擋的影響,車路協同感知范圍變小,無法提前作出預判和調整駕駛策略;固定位置改變紅綠燈狀態,沒有結合實時車速、行駛方向、路口車流量大小等因素綜合判斷,算法不夠靈活,不能保障快速通行。

    本文分析了車輛通過路口綠波通行時間模型,針對已有算法的不足,提出了基于5G網絡邊緣計算(Multi-Access Edge Computing,MEC)技術[3-4]的綠波通行系統。在算法模型中,結合實時車輛信息和紅綠燈信息,通過網聯式交互,增加車輛協同感知范圍,利用MEC邊緣計算低時延下發給車端,便于車輛實時作出正確駕駛決策和調整燈態信息,確保行駛方向多個路口連續性綠波,達到高效通行目的。

1 綠波通行業務

1.1 定義與原理

    綠波通行業務是指車輛根據自身信息(包括車速、位置、離紅綠燈距離等)和紅綠燈信息(包括燈態、倒計時、位置等),綜合計算判斷,調整對應路口紅綠燈狀態及匹配通過路口車速,達到快速通行目的,有效緩解路口擁堵。

    實現綠波通行業務的系統原理如圖1所示,路側單元(Road Side Unit,RSU)從交通信號機實時獲取紅綠燈的燈態信息,通過5G網絡邊緣MEC下發給搭載車載單元(On board Unit,OBU)的智能網聯車輛。

5g2-t1.gif

    (1)交通信號機:周期性控制交叉路口交通信號燈變化,便于指導機動車、非機動車及行人安全通行;

    (2)路側單元RSU:支持LTE、LTE-V2X、5G、5G-V2X等通信制式,部署在紅綠燈顯示裝置附近位置,支持與交通基礎設施(例如:信號機、傳感器等)和車載單元OBU通信;

    (3)高精度定位模塊:支持GPS、北斗等多模定位能力,提供物體有效位置信息,精度為厘米級;

    (4)邊緣MEC:部署綠波通行控制策略及其他業務應用策略,邊緣計算平臺部署在基站側或近端邊緣機房,本地業務下沉到網絡邊緣,進一步降低網絡傳輸時延,實時車路協同時延要求小于10 ms;

    (5)車載單元OBU:支持LTE、LTE-V2X、5G、5G-V2X等通信制式,同時集成高精度定位模塊和本地節點計算模塊,支持OBU與OBU之間通信、OBU與RSU之間通信;

    (6)顯示裝置:主要用于顯示紅綠燈狀態和車速引導信息,可嵌入儀表盤或高精度地圖,便于駕駛員觀察。

1.2 業務模型

    在車輛駕駛過程中,當前遇到紅綠燈變化,通過路口時間簡化為6種模型:

    (1)當前是紅燈,且倒計時為最小值范圍,默認是小于等于5 s,車輛不能安全通過路口;

    (2)當前是紅燈,且倒計時不是最小值范圍,車輛不能安全通過路口;

    (3)若當前是黃燈,且是持續3 s閃爍,車輛不能安全通過路口;

    (4)若當前是綠燈,且倒計時為最小值范圍,默認是小于等于3 s,車輛不能安全通過路口;

    (5)若當前是綠燈,且倒計時為大于3 s,車輛不能安全通過路口;

    (6)若當前是綠燈,車輛能安全通過路口。

    實際應用中車輛實時根據路況信息調整匹配車速變化,即可能存在加速、勻速、降速。本文為了便于理解,假設車輛保持勻速行駛,車輛通過路口至少時間模型:T=D/V。其中,D為車輛實時離紅綠燈路口距離,V為車輛實時車速。

2 綠波通行系統

2.1 總體方案

    系統設計核心是紅燈則縮短和綠燈則延長,若當前是綠燈,且剩余倒計時時間不足保障車輛安全通過,立即調整延長綠燈時長到最大值,且倒計時顯示為最大值,同時在車端儀表盤或高精度地圖等裝置同步顯示燈態變化,車輛自動調整匹配車速,確保安全通過路口;若當前是紅燈,且剩余倒計時可調整,在當前距離立即調整縮短紅燈時長到最小值,且倒計時顯示為最小值,縮短紅燈等待時間目的是為了快速變為綠燈,同樣顯示燈態變化和調整匹配車速安全行駛。

    基于MEC應用的綠波通行是實時車路協同典型業務應用之一,綠波通行系統組網架構如圖2所示,其中,紅綠燈的燈態顯示順序從上到下分別是紅燈、黃燈、綠燈。

5g2-t2.gif

    系統涉及智能網聯C-V2X(Cellular-Vehicle-to-Everything)設備、交通信號機、基站、邊緣MEC、核心網和應用平臺等設備。邊緣MEC部署在基站側或邊緣機房,綠波通行調整控制策略和高精度地圖等算法部署在MEC上,利用5G系統MEC邊緣計算能力,將高帶寬、低時延、本地化業務下沉到網絡邊緣,進一步提高網絡傳輸效率。采用基于邊緣MEC處理方式,具有較大技術優勢:

    (1)通過Uu口網聯方式,不受PC5通信距離的限制,滿足車與周邊通信單元之間的信息交互,增加車輛對周圍環境感知范圍;

    (2)本地化業務下沉到MEC網絡邊緣,利于低時延高可靠傳輸;

    (3)多個路口紅綠燈信息實時上報給MEC,MEC提供統一的管理決策與服務平臺,實現多維時空環境下的聯合作業應用,降低對現有智能系統感知和決策計算能力;

    (4)基于路口車流量大小和多方向管控,以及大數據處理,調整紅綠燈狀態,實現綠波通行。

    根據RSU歸屬MEC的屬性,多個交通路口RSU實時上報信號機的紅綠燈狀態信息(包括燈狀態、倒計時等),通過5G網絡MEC邊緣服務器低時延下發給車載單元OBU,OBU和RSU互為實時通信,構成實時車路協同感知系統。智能網聯車輛實時感知到前方多個路口的紅綠燈狀態信息,行駛方向距離最近的紅綠燈狀態在車內儀表盤或高精度地圖同步呈現,系統實時基于車輛根據自身信息(包括車速、位置、離紅綠燈距離等)和紅綠燈信息(包括燈態、倒計時、位置等),綜合計算和判斷是否能安全通過路口。基于紅燈則縮短和綠燈則延長的調整原則,系統實時計算每個路口安全通行時間,有利于保證智能網聯車輛,尤其是BRT公交、救急車、保障車等高優先權或特殊車輛,在綠燈狀態下,以最優車速安全地通過路口,減少路口擁堵,從而提高通行效率,實現多個路口連續性綠波通行。同時也能起到節能減排作用,尤其是夜間行駛的時候比較明顯。車輛與紅綠燈具有動態調整自適應協同控制功能,是LTE-V/5G智能網聯實時車路協同系統發展關鍵技術,也是自動駕駛技術發展的趨勢。

2.2 實現機制

    綠波通行實現流程如圖3所示。

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2.2.1 通信協議

    RSU和信號機映射關系表示為:RSU安裝位置緊挨紅綠燈,每個RSU和交通信號機有對應唯一標識;一個RSU連接一個信號機,當然也可以同時連接多個信號機,考慮到實際應用,建議優先采用一對一映射關系。通信協議如下:

    (1)RSU通過UDP/TCP協議與紅綠燈的信號機通信,信號機按照最小周期上報自身狀態信息(包括燈態、倒計時等)給RSU,同時RSU具有調整控制信號機功能;

    (2)實時車路協同要求V2X設備(RSU和OBU)和交通基礎設施(信號機、傳感器)上報周期小于100 ms;

    (3)利用RSU自身高精度模塊定位,可實時獲取自身位置信息,即對應紅綠燈位置信息;

    (4)RSU通過5G網絡,把紅綠燈信息(包括燈態、倒計時、位置等)上報給MEC,利用MEC低時延下發給車載終端OBU,RSU和OBU建立實時通信,車路感知協同,使得車輛提前獲取紅綠燈狀態信息,便于調整燈態及控制合理車速,以最優車速行駛。

    具體計算過程如下:

    系統基于車輛根據自身信息(包括車速、位置、離紅綠燈距離等)和紅綠燈信息(包括燈態、倒計時、位置等),綜合計算和判斷是否能安全通過路口。假設當前紅綠燈倒計時剩余時間為t,當前實時車速V,保持勻速。

    (1)通過交互車端信息和紅綠燈信息,實時計算出當前車輛離紅綠燈路口的距離D;

    (2)通過速率/時間關系,實時得出安全通過路口至少需要時間T,T=D/V。

2.2.2 決策和控制過程

    根據上述實時計算結果,將T與t實時比較,若T>t,且t為綠燈倒計時時間,說明剩余綠燈時間太短,此時不能保證車輛安全通過路口,在不加速情況下,需要觸發綠燈延長流程;若T<t時,且t為紅燈倒計時時間,說明剩余紅燈時間太長,在不減速情況下,此時車輛需要停止在路口等待變為綠燈,因此需要觸發紅燈縮短流程。假設當前車輛距離路口150 m(實際應用距離是變量D),當前車速為60 km/h,首先判斷燈態,實現綠波通行過程如下:

    (1)若當前是紅燈,且倒計時顯示為最小值范圍,默認最小值是5 s(可配),為了安全起見,1~5 s內建議不做調整變化。一般情況下,默認剩余15 s內倒計時裝置才顯示。系統在行駛過程中燈狀態信息和車速信息均有語音形式提示/界面實時呈現提示,提示內容包括但不限于:當前車速、燈狀態、燈剩余時間、離路口距離、通過路口剩余時間、建議加速/勻速/減速到“XX km/h”等,進行合理車速信息引導,輔助提示司機或車輛。距離路口大于150 m,參考城市路口限速一般不高于60 km/h,5 s車輛運行最大距離85 m左右,因此在這個過程中,其實不需要減速,等5 s過后紅燈正常變為綠燈,車輛在綠燈狀態下,能夠快速安全通過路口,實現綠波通行。

    (2)若當前是紅燈,且剩余時間大于5 s(可能大于15 s或小于15 s),滿足紅燈縮短條件,立即按照最大量縮短紅燈時長x,減少到最小值5 s,且倒計時顯示為最小值5 s,后面流程同步驟(1)。

    (3)若當前是黃燈,通常是最大值不超過3 s,且持續閃爍,也是不可調整狀態,等它正常變為紅燈,后面流程同步驟(2),即紅燈縮短。

    (4)若當前是綠燈,且倒計時顯示為最小值范圍,默認最小值3 s,綠燈在1~3 s內建議也不再調整變化。6 s后正常變紅燈,滿足紅燈縮短條件,立即按照最大量縮短紅燈時長x,減到最小值5 s,且倒計時顯示為最小值5 s,流程同步驟(2)。如果整個過程車輛不減速,11 s內燈態不可調整,預估11 s車輛運行距離183 m左右,出現闖紅燈危險,因此在不可調整時間內,系統提醒車輛降速調整到50 km/h以下,后面流程同步驟(1)。因此遇到這種情況,車輛也可以提前在200 m左右調整控制紅綠燈狀態。

    (5)若當前是綠燈,且剩余時間大于3 s(可能大于15 s或小于15 s),滿足綠燈延長條件,立即按照最大量延長綠燈時長x,增加到最大值,且倒計時顯示為最大值,足以保證車輛在綠燈狀態下能夠快速安全通過路口,實現綠波通行。系統在車輛行駛過程中燈狀態信息和車速信息均有語音形式提示/界面實時呈現提示系統進行實時語音形式提示/界面實時呈現提示,提示內容同步驟(1)。

2.2.3 決策和控制過程

    考慮到十字路口復雜性,在實際應用中,可能存在單方向或多方向短時間內同時多個車輛向紅綠燈(RSU)發起調整控制請求,每個車輛根據自身需求發起調整請求,到底是哪個方向優先調整或哪個不允許調整,這時需要MEC統一管理調度處理及控制紅綠燈策略。本系統進一步結合特殊車輛、路口每個方向車流量大小、調整周期等綜合因素來判斷和控制,有效減少頻繁調整紅綠燈狀態次數,使得調整控制更加合理性和人性化。考慮到路口擁堵時車路流量大,交互處理數據量大,采用邊緣云MEC服務器處理方式,服務器可部署在近端基站或邊緣機房。路口監控設備(攝像頭、雷達等)實時監測路口每個方向動態路況信息(車流量大小),并實時上報給邊緣云MEC服務器,服務器與車載單元通信,MEC實時下發和更新調整策略,實現實時車路協同系統。多車協同調整控制紅綠燈處理策略如下:

    (1)具有高優先權的特殊車輛(110/120/119等)

    ①綠波通行紅綠燈調整控制周期T(如默認4 s),即4 s內僅允許調整控制本方向紅綠燈狀態1次。特殊車輛是根據車載單元ID標識定義的,具有調整控制紅綠燈最高優先級,因此調整周期可設置短些。

    若僅本方向存在特殊車輛,并發起紅綠燈調整控制請求,系統優先響應調整控制本方向紅綠燈狀態的請求,不考慮其他方向車流量大小和非特殊車輛調整周期,直接對這些特殊車輛給予高優先通行權限,即立即響應綠燈延長或紅燈縮短處理原則。

    ②在同一個周期T1,若有多個特殊車輛發起紅綠燈調整控制請求(如A車第1 s發起請求,B車第3 s發起請求),系統僅處理第一輛車(A車)請求響應,其他車輛(B車)請求不處理,只能排隊等待;第一個周期處理結束,若第二周期還是有車(B車)發出請求,則在第7 s響應處理請求。

    (2)普通車輛

    綠波通行紅綠燈調整控制周期t(如默認8 s),即8 s內允許調整控制本方向紅綠燈狀態1次。

    ①同一方向(目前同向和相向紅綠燈狀態是保護同步的),在同一個周期t內,同時存在多個車輛發起紅綠燈調整控制請求,且垂直方向并沒有車輛經過,也不存在特殊車輛,系統僅處理第一輛車請求響應,其他車輛請求不處理,只能排隊等待第二個周期,即本周不能滿足綠波通行;若第二周期還有車輛發出請求(包括第一周期不能滿足綠波通行的車輛),處理策略同第一個周期。

    ②同一方向和垂直方向,在同一個周期t內,同時存在多個車輛發起紅綠燈調整控制請求,也不存在特殊車輛,需要結合路口每個方向車流量大小和調整周期來判斷和控制,系統優先響應調整控制車流量最大(擁堵嚴重的)的方向對應的紅綠燈狀態;第一個周期t1處理結束,若本方向車流量仍然過大,第二個周期t2還是調整控制本方向的紅綠燈狀態,其他方向只能排隊等待處理,以此類推。

    (3)快速公交BRT

    BRT是直行,社會車輛僅允許掉頭的場景。綠波通行紅綠燈調整控制周期t(如默認8 s),即8 s內允許調整本方向紅綠燈狀態1次。

    ①僅有BRT車輛接近路口時,且發起紅綠燈調整控制請求,系統響應處理BRT方向發起紅綠燈調整控制請求,提高BRT通行效率和調度運力。

    ②BRT車輛和社會車輛同時接近路口時,且同時發起紅綠燈調整請求,系統優先響應處理BRT方向發起紅綠燈調整控制請求,社會車輛請求排隊等待;等沒有BRT車輛發起紅綠燈調整請求,才響應處理社會車輛發起紅綠燈調整請求,提高BRT通行效率和調度運力。

    ③僅有社會車輛接近路口時,且發起紅綠燈調整控制請求,系統響應處理社會車輛方向發起紅綠燈調整請求,減少社會車輛等待紅燈時間。

3 結束語

    本文結合5G網絡邊緣MEC低時延、高可靠等關鍵技術,對MEC與C-V2X融合實現綠波通行系統做了研究。該系統能夠擴大智能網聯車輛感知范圍,多個路口紅綠燈信息同時上報或調整處理,車與路信息實時協同感知,減少路口交通擁堵,可實現多個路口連續性綠波優先通行,提升交通運輸效率,是5G智能網聯實時車路協同系統發展關鍵技術,也是自動駕駛技術發展的趨勢。

參考文獻

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[2] IMT-2020(5G)推進組.C-V2X白皮書[R].2018.

[3] IMT-2020(5G)推進組.MEC與C-V2X融合白皮書終稿[R].2019.

[4] CAICT中國信通院.車聯網白皮書(2018年)[R].2018.



作者信息:

田  亮,張  巖,徐  黎

(大唐移動通信設備有限公司,北京100083)

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