基于V2X的车辆组队的通信管理系统研究

纪明君、陈新、李彪

（北京汽车研究总院 101300)

0 引言

汽车已经成为人们生产和生活的必需品，但由于能源价格持续上升、交通压力不断增加和环境污染日益严重等因素影响，以及人们对汽车驾驶安全性、舒适性和经济性要求不断升高的共同作用下，积极开发并使用基于V2X的车辆组队通信管理系统，已经成为车辆领域不可避免的发展方向[1]。

1 车辆组队的车间通信技术现状

车辆组队的车间通信系统功能，是利用车间通信设备实现车队内部通信，通过车辆位置和状态信息的传输与共享，为决策、规划和控制提供必要信息，实现近距离的车辆编队行驶。此外，车间通信子系统需要实现车辆编队的管理，包括创建车队、解散车队、车辆入队和车辆出队等状态的切换，使得整个车队步调一致，协调运行。

1.1 主流技术方案内容

当前车辆组队的车间通信技术方案，主要利用无线通信设备建立车载自组织网络，实现车队内部通信，以保证车队内车辆位置和状态信息的共享。针对车队内的每个节点，需要获取以自身为中心的附近车辆状态信息，为车辆决策提供信息支撑。对于引导车，需要掌握车队的实时状态信息，为车队决策提供依据[2]。本软件采集车辆的位置和状态信息，进行实时显示并对外发布，为引导车提供车队管理功能，为跟随车提供入队申请和故障报告等功能。

1.2 主流技术方案存在的问题

目前基于自动驾驶的车辆组队技术尚处于预研发阶段，预期采用“领航车辆+跟随车辆”模式。领航车辆主要由人工驾驶，传感器负责辅助驾驶；跟随车辆完全为无人驾驶。智能技术采用激光雷达和摄像头等，网联技术采用无线通信系统，实现数据共享协同控制。涉及到车规及标准问题，目前车辆组队采用的数据通信控制单元还停留在测试实验阶段，整个通信管理控制单元还没有达到实际量产标准。

2 基于V2X的车辆组队通信管理系统架构

2.1 车间通信网络的构建

车间通信网络采用DSRC（Dedicated Short Range Communication）设备组建车间网，实现数据交互。现阶段车载专用短程通信设备使用的是5.9 GHz微波专用短程通信（DSRC）技术，工作在5.8～5.9 GHz频段，且工作频率可调，通过以太网RJ45接口与工控机连接，并利用UDP协议实现数据收发。编队车辆通过表示不同命令的数据包传输实现信息交互，在DSRC设备的通信覆盖范围内，单个节点能够接收到所有节点的信息。数据在车队节点间传输时，其通信系统运行流程如图1所示。

图1 通信系统运行流程

2.2 V2I和V2V技术的运用

车队内部车辆与路测设备之间通过V2I（汽车对基础设施）通信，可实现限速预警、限高预警、红绿灯预警、道路施工提醒以及基于信号灯的车速引导等应用场景。车队内部车辆之间的V2V（汽车对汽车）通信，可实现车队创建、车队巡航、队外车辆加入、队内车辆离开、车队拆分、车队融合以及车队解散等应用场景[3]。其中V2I作为可选项，可通过传感器或其他方式来实现其功能。

2.3 主要通信管理系统控制单元

车载控制单元：包括核心处理控制器、前向中长距毫米波雷达、侧后方短距毫米波雷达、前置双目摄像头、一组V2X/4G/GNSS天线以及车辆控制相关的元件。

定位控制单元：RTK（载波相位差分技术）高精度定位，系统通过网络获取CORS基站的位置矫正信息，再通过4G网络转发该信息到车辆搭载的GNSS控制单元。在车载GNSS控制单元进行实时求差解算坐标，并得到最终的位置信息，定位精度可达到厘米级。

控制单元：控制车辆的纵向、横向移动。

决策控制单元：通过前车轨迹信息、自车信息进行速度与专项决策。

2.4 车辆组队方式

车辆在数据传输前需要车辆组队，根据车辆的位置信息将车辆组成有序的车队。车队运行过程共包含3种状态，分别为车队组建、车队运行和车队解散。其组队过程中，首先由领航车发出组队邀请，邀请目标自动选定距离最近的跟随车；当车队组建完成后，可以通过车队路由对车队运行进行控制，并保障车队正常运行；车队解散指令即可在车队运行后执行[4]，也可以在车队组建后尚未运行前执行。具体车队状态变迁图如图2所示。

3 技术方案验证

3.1 技术方案优势

利用V2X通信控制单元对车辆组队进行通信管理，可极大提高系统的稳定性。本系统实现了对车队的动态管理，包括创建车队、解散车队、车辆入队和车辆离队等状态的切换，使得整个车队步调一致，协调运行。其次，车辆组队是未来智能交通重要研究方向，车辆组队后，可减小车辆之间的距离，从而降低风阻、较少燃料消耗和废气排放，降低卡车等商用车运营成本。同时增加道路的利用率，提高道路的通行效率。最后，对于车辆驾驶员来讲，可提高驾驶舒适性，不需要全神关注路面情况，行驶中有空闲时间进行娱乐、休息和工作。车队内车辆之间相对速度较小，碰撞时冲量也较小，智能传感器反应速度比人的反应速度更快，车辆行驶将更加安全。

3.2 实际运行效果

基于V2X车辆组队通信管理系统的技术方案，提供了车辆组队与信息传递的功能，保证了车辆组队信息的采集、传输以及车队的管理，为车辆组队提供了保障[5]。在实际进行的三辆车组队测试过程中，可以做到在时速不超过50 km/h的情况下，车队中车与车之间的距离可以控制在15 m之内，已初步满足了车辆组队的需求。

4 结束语

车辆组队在降低燃料消耗及环境污染、缓解道路交通压力、提升驾驶安全性和舒适性等方面具有明显优势，也是未来车辆发展的趋势。因此，这种基于V2X的车辆组队通信管理系统的成功研发，可在一定程度上加快推动社会的发展和进步。

领航车在车辆组队中起到核心控制的作用，负责向跟随车发送相关组队邀请，并控制和审批跟随车的入队申请。而跟随车仅能接受来自领航车的组队邀请，并判断是否入队，若入队则向领航车发送入队申请。根据车辆组队，按照领航车与跟随车角色的不同，二者具体组队流程如图3所示。

图3 车队组队流程（左图为领航车，右图为跟随车）