5G通信實現(xiàn)自動駕駛汽車與基礎(chǔ)設(shè)施協(xié)同控制

徐志剛教授本次講座的內(nèi)容主要有以下四個方面：（1）5G關(guān)鍵技術(shù)及其研發(fā)進(jìn)展；（2）基于5G的自動駕駛場景；（3）長安大學(xué)自動駕駛研究進(jìn)展；（4）5G自動駕駛技術(shù)發(fā)展建議。

未來汽車的核心關(guān)鍵詞將會是自動駕駛。因為汽車技術(shù)的不斷發(fā)展，我們離完全的自主駕駛已經(jīng)越來越近了。

實現(xiàn)汽車的無人駕駛需要什么樣的環(huán)境呢？很多人認(rèn)為在于科學(xué)技術(shù)、道路運行環(huán)境、駕駛文化等方面的改變，但其中最重要的一環(huán)其實是構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。

那么如何構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)設(shè)施？這一過程又將需要怎樣的技術(shù)支持呢？

徐志剛教授作了題為“5G關(guān)鍵技術(shù)及其在自動駕駛中的應(yīng)用”的報告，徐志剛教授本次講座的內(nèi)容主要有以下四個方面：

（1）5G關(guān)鍵技術(shù)及其研發(fā)進(jìn)展

（2）基于5G的自動駕駛場景

（3）長安大學(xué)自動駕駛研究進(jìn)展

（4）5G自動駕駛技術(shù)發(fā)展建議

一、5G關(guān)鍵技術(shù)及其研發(fā)進(jìn)展

5G是第五代移動通信技術(shù)，是多種新型現(xiàn)有無線接入技術(shù)集成后的解決方案的總稱，是真正意義上的融合網(wǎng)絡(luò)。

以下七大領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（3GPP）討論和產(chǎn)業(yè)驗證的重點：

（1）統(tǒng)一空口技術(shù)框架，滿足多樣化的5G場景和差異化的性能指標(biāo)需求

（2）大帶寬和新幀結(jié)構(gòu)，滿足高速率和低延遲需求

（3）新信道編碼，滿足高效率和可靠性需求

（4）大規(guī)模天線，滿足高效率的需求

（5）超密集組網(wǎng)技術(shù)，滿足高流量密度需求

（6）高頻通信，滿足高速率的需求

（7）新型波形和多址，滿足高速率和海量物聯(lián)網(wǎng)連接需求

5G網(wǎng)絡(luò)整體架構(gòu)從邏輯上呈現(xiàn)為“三朵云”，包括靈活的無線接入云、智能開放的控制云和高效低成本的轉(zhuǎn)發(fā)云。

5G應(yīng)用場景

二、基于5G的自動駕駛場景

1. 基于5G的分級自動駕駛框架

2.5G通信增強自動駕駛感知能力

（1）雷達(dá)、激光雷達(dá)等感知手段

非交互式感知：無法進(jìn)行信息的主動交互，本質(zhì)上是一種“視覺”手段；不可預(yù)知道路參與者的行為。

（2）通信感知手段

交互式感知

降低時間延遲

降低了道路參與者的不確定性：距離、速度、位置……；車輛運行軌跡交互；車輛狀態(tài)的交互。

彌補了傳感器受到距離和環(huán)境的約束

獲得非視距信息

受環(huán)境因素影響相對較小

（3）5G-V2X滿足自動駕駛場景的需求

車隊編隊行駛、半自動/自動駕駛、遠(yuǎn)程駕駛和擴(kuò)展傳感器

3.低時延5G通信保證協(xié)同自動駕駛的可靠性

協(xié)同自動駕駛技術(shù)，本質(zhì)上是利用車車/車路通訊，獲取周邊交通流的運行狀態(tài)，同時與周邊自動駕駛車輛通過內(nèi)置的協(xié)同控制體系相互協(xié)作，確定各自的控制律，并通過車載控制系統(tǒng)執(zhí)行該控制律的過程。

（1）協(xié)同自動駕駛通訊拓?fù)渥赃m應(yīng)與優(yōu)化

研究隊列控制技術(shù)與車車/車路通訊之間的耦合關(guān)系，路協(xié)同無線通訊動態(tài)拓?fù)渥赃m應(yīng)和優(yōu)化技術(shù)。

該技術(shù)用于：

①優(yōu)化通訊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，減少通訊延誤，提升通訊的穩(wěn)定性，從而保障協(xié)同自動駕駛策略的穩(wěn)定性。

②通訊失敗或大通訊延時條件下，系統(tǒng)自動調(diào)整控制策略，保證交通流的效率。

（2）協(xié)同自動駕駛車輛隊列控制、優(yōu)化及計算方法

協(xié)同自動駕駛隊列控制主要瞄準(zhǔn)提升交通系統(tǒng)效率。

①構(gòu)建協(xié)同自動駕駛車輛隊列控制方法，綜合考慮控制系統(tǒng)效能、交通流影響、車輛安全性、燃油經(jīng)濟(jì)性和乘員的舒適性。

②基于單車、隊列及交通流的多重穩(wěn)定性分析，針對不同交通環(huán)境選擇最優(yōu)參數(shù)。

③提出新的分布式計算方法，充分發(fā)揮自動駕駛車輛協(xié)同計算能力，實現(xiàn)實時控制。

（3）人駕車與自動駕駛車輛混合交通流隊列協(xié)同控制策略

本研究瞄準(zhǔn)在智能車普及的過程中，必然要經(jīng)過的混合交通流發(fā)展階段。

①使用車基路基混合感知策略，構(gòu)建異構(gòu)車輛隊列的協(xié)同感知體系。

②研究混合流環(huán)境下人駕車輛跟馳行為及其不確定性的變化，并根據(jù)以上分析提出混合流中人駕車輛跟馳行為及其不確定性的短期預(yù)測模型和算法。

③針對混合流中人駕車輛的因素，設(shè)計混合流自動駕駛車輛協(xié)同隊列控制策略。

4.5G通信實現(xiàn)自動駕駛汽車與基礎(chǔ)設(shè)施協(xié)同控制

區(qū)域控制層——區(qū)域交通管理調(diào)度及控制

利用區(qū)域感知、區(qū)域決策與網(wǎng)聯(lián)交通設(shè)施控制，實現(xiàn)區(qū)域交通管理調(diào)度，將有效增強自動駕駛能力、提升交通效率。

區(qū)域控制層——區(qū)域自動駕駛推薦算法

①低成本自動駕駛方案：在特定道路布設(shè)區(qū)域感知傳感器，利用邊緣云基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行計算，降低車載傳感器、計算芯片的復(fù)雜程度，降低自動駕駛車輛單車成本。

②復(fù)雜道路協(xié)作式自動駕駛：通過多傳感器融合、多車協(xié)同群決策模型建模與優(yōu)化，完成面向全局的優(yōu)化，實現(xiàn)安全、節(jié)能、高效的自動駕駛。

城市協(xié)同控制層

三、長安大學(xué)自動駕駛研究進(jìn)展

1.建設(shè)了全國高校唯一的自動駕駛測試場

2.構(gòu)建了5種網(wǎng)絡(luò)并存的多模式車聯(lián)網(wǎng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)

長安大學(xué)測試場建成了較為完整的多模式車聯(lián)網(wǎng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，包括LTE-V，4G-LTE，Wi-Fi，802.11p，EUHT五種無線網(wǎng)絡(luò)，及連接各通信系統(tǒng)的光纖網(wǎng)絡(luò)。同時建有大型的網(wǎng)絡(luò)資源管理后臺，真正實現(xiàn)了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的融合、調(diào)度、管理及QoS質(zhì)量保證。目前長安大學(xué)大正在與中國移動、華為協(xié)商在測試場布局5G車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

圍繞車聯(lián)網(wǎng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)，開展了一系列的網(wǎng)絡(luò)性能特征和融合技術(shù)研究。針對DSRC、LTE、LTE-V、Wi-Fi以及EUHT在不同交通場景、應(yīng)用場景的網(wǎng)絡(luò)性能開展了一系列的測試。

3.構(gòu)建了試驗場全范圍無盲區(qū)自動駕駛高精度定位系統(tǒng)

針對自動駕駛汽車高精度定位需求，圍繞基于V2X與多傳感器融合的高精度定位技術(shù)展開研究，融合差分GPS和無線定位技術(shù)實現(xiàn)試驗場內(nèi)運動目標(biāo)的實時高精度定位（定位精度小于10cm，更新頻率100Hz），采用路側(cè)自設(shè)高精度基站彌補GPS因衛(wèi)星信號遮擋、衍射造成的定位缺陷，實現(xiàn)全場無盲區(qū)的全覆蓋定位。

4.構(gòu)建了系統(tǒng)化的自動駕駛測試場景

基于現(xiàn)有的各種測試設(shè)備、設(shè)施，構(gòu)建了滿足自動駕駛封閉環(huán)境測試需求的各類測試場地22種，覆蓋我國典型道路環(huán)境、道路類型、天氣及光照條件和交通流環(huán)境，具備自動駕駛道路行駛場景、自動駕駛車輛城市道路場景、V2X車路協(xié)同場景等37種測試場景的自動駕駛測試能力。

5.承擔(dān)了大量的國內(nèi)外自動駕駛測試任務(wù)

測試基地累計承擔(dān)自動駕駛汽車測試單位20余家，接待測試車輛60輛次，涵蓋無人駕駛公交車、無人駕駛卡車、小型自動駕駛汽車等多種測試對象，測試項目30余種，總測試?yán)锍踢_(dá)2萬余公里。同時，與這些單位在多傳感器感知、車輛隊列控制、車輛路徑規(guī)劃等關(guān)鍵共性技術(shù)開展深入的測試合作。

6.自主研發(fā)了多型號、多系列的自動駕駛汽車

長安大學(xué)研究團(tuán)隊開發(fā)了兩種不同控制模式的“信達(dá)號”和“前行者”自動駕駛汽車，前者采用CAN總線直接控制車輛的轉(zhuǎn)向和驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，后者采用后裝機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)自動駕駛汽車的精準(zhǔn)控制。

7.研發(fā)了世界上首套自動駕駛室內(nèi)測試平臺

在多年汽車檢測設(shè)備研發(fā)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了世界上首臺自動駕駛汽車測試平臺，可以用于不同智能等級自動駕駛汽車的安全性、敏捷性、舒適性、機器智能的綜合高效測試。

8.開展了智能網(wǎng)聯(lián)高速公路的設(shè)計與建設(shè)工作

2018年8月，長安大學(xué)與齊魯交通發(fā)展集團(tuán)簽署了戰(zhàn)略合作框架協(xié)議和“智能網(wǎng)聯(lián)公路交通研究院”共建協(xié)議，共同建設(shè)全球第一條基于自動駕駛的智能網(wǎng)聯(lián)高速公路。

9.牽頭組建了車聯(lián)網(wǎng)與智能汽車測試技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟

2017年，由長安大學(xué)、清華大學(xué)、中國移動 3 家發(fā)起，聯(lián)合相關(guān)高校、科研院所、通信與汽車制造企業(yè)、行業(yè)主管部門等近30家單位共同組建了“車聯(lián)網(wǎng)與智能汽車測試技術(shù)”創(chuàng)新聯(lián)盟。長安大學(xué)為首屆理事長單位，清華大學(xué)和中國移動為副理事長單位，聯(lián)盟理事單位由來自于交通、汽車、通信、計算機軟件等行業(yè)的三十多家國內(nèi)知名企業(yè)組成。

10.建設(shè)了多個重點科研平臺

（1）與清華大學(xué)合作建立了“車聯(lián)網(wǎng)”教育部-中國移動聯(lián)合實驗室

（2）陜西省車聯(lián)網(wǎng)與智能汽車測試技術(shù)工程研究中心

（3）“車聯(lián)網(wǎng)與智能交通”陜西省國際科技合作基地

11.開展了廣泛深入的國際合作與交流

與美國康奈爾大學(xué)、華盛頓大學(xué)、加州大學(xué)、德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)、加拿大滑鐵盧大學(xué)、英國利茲大學(xué)、澳大利亞悉尼科技大學(xué)等國際一流高校建立了良好的合作關(guān)系。

積極參與IEEE（國際電氣工程師協(xié)會）、COTA（海外華人交通協(xié)會）、IACIP（國際交通基礎(chǔ)設(shè)施協(xié)會）等專業(yè)協(xié)會，并與美國聯(lián)邦及部分州級交通部、韓國交通研究院等機構(gòu)保持良好的互動。

12.承擔(dān)了一批自動駕駛相關(guān)項科研項目

四、5G自動駕駛技術(shù)發(fā)展建議

1.行業(yè)存在的問題

（1）智能網(wǎng)聯(lián)交通系統(tǒng)頂層構(gòu)架缺失

（2）各子系統(tǒng)間接口缺乏統(tǒng)一規(guī)范

（3）5G自動駕駛測試缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)共享

（4）企業(yè)、高校與研究機構(gòu)缺乏深度合作

2.行業(yè)發(fā)展相關(guān)建議

（1）加強部際合作，明確智能網(wǎng)聯(lián)交通發(fā)展方向，構(gòu)建頂層設(shè)計

（2）加快智能網(wǎng)聯(lián)示范高速公路建設(shè)或改造

（3）制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，明確各級功能與接口

（4）構(gòu)建自動駕駛測試技術(shù)監(jiān)管體系，保證產(chǎn)品的安全性

（5）構(gòu)建產(chǎn)業(yè)共同體，擴(kuò)大技術(shù)交流與開放

（6）建立健全自動駕駛相關(guān)法律法規(guī)，保障自動駕駛平穩(wěn)落地