基于5G+C-V2X的园区出行解决方案

许幸荣，刘 琪，宋 蒙（中国联通智能城市研究院，北京 100048）

0 前言

车联网是指通过5G和C-V2X通信技术实现车与车、路边基础设施、行人以及互联网之间通信和数据交换，实现车辆智能控制、交通智能管理以及动态信息交互的综合化一体网。车联网的提出和发展，可以在很大程度上提升交通网络的安全水平、交通效率和环保水平，并有可能彻底改变人们未来的出行模式，是实现智慧城市和绿色城市的有效途径之一［1］。车联网（智能网联）产业受政策、资金和技术三重因素叠加驱动，尤其是5G商用时代提前来临，给车联网产业爆发提供了良好契机。工信部在《车联网（智能网联汽车）产业发展年行动计划》中，明确提出到2020年，车联网用户渗透率达到30%以上，新车驾驶辅助系统（L2）搭载率达到30%以上，联网车载信息服务终端的新车装配率达到60%以上，构建涵盖信息服务、安全与能效应用等的综合应用体系。

截至2019年10月31日，我国已经初步建成了16个国家级智能网联汽车测试示范区，同时推动开放路试工作。据不完全统计，全国共有20余个省、市、区出台了智能网联汽车测试管理规范或实施细则，其中有20多个城市发出测试牌照，牌照数量总计近300张［2］。国家层面推动的国家级智能网联示范区建设，加速了5G+车联网的商业化进程。

但目前来看整个车联网商业模式仍然处于设计阶段，尚需进行有效验证，主要存在用户需求不强烈、投资规模巨大、运营模式不清晰三大挑战［3］。要实现普遍意义的自动驾驶，将是长期过程，可能需要20年，甚至30年的发展历程。但是短周期来看，封闭和半封闭场景的园区出行、矿卡自动驾驶、港口车辆自动驾驶因其行驶路线、路况、网络条件等相对稳定，交通主体相对固定，重复性高并且可通过独立的园区云端平台协同调度。因此园区出行的应用落地具备明显的先发优势，此外园区的运营主体相对明确、商业模式相对清晰、目前来看面向封闭场景的交通出行场景，可以快速形成可复制、推广的商业模式。

1 业务分析

首钢冬奥园区共占地2.91 km2，建筑面积182万m2，是北京2022年冬奥会和冬残奥会组织委员会驻地，也是北京2022年冬奥会正式比赛项目—单板滑雪大跳台比赛所在地和多项世界级体育赛事所在地，还是短道速滑、花样滑冰、冰壶、冰球、攀岩、滑板等国家级训练场地。2018年10月中国联通和首钢集团完成战略合作伙伴签约，将联手把首钢园区打造成国内首个5G示范园区，并在建设5G产业园区、推动智慧园区规划设计和示范应用、自动驾驶等方面展开战略合作［4］。目前中国联通已经在首钢园北区完成5G网络全覆盖。首钢园区作为国家级训练场和冬奥会比赛所在地，在比赛期间会有大量的工作人员、运动员、观众等承载接驳车、小轿车出行，同时也会有日用品采购和派送需求。此外在园区清洁管理上也面临着一些挑战，尤其是比赛大都集中在冬季，采用传统的人工清扫模式，长时间在户外低温环境下工作也会对环卫工人身体产生伤害，增大清洁成本。基于以上综合分析，作为典型的大规模体育赛事园区，首钢园区交通出行的业务示范作用有助于园区交通出行模式的复制和推广。

经过对首钢冬奥园区的场地、比赛特点分析，本文认为首钢冬奥园区的典型无人驾驶业务的需求特点如表1所示。

车联网按业务类型可以分为汽车行驶安全、交通效率提升和信息服务三大类。3GPP TR 22.885提供了27个典型的应用场景，其中针对交通安全的有包括碰撞预警、车辆失控预警、行人防碰撞等13个应用场景，车辆协作巡航、道路排队信息、车辆远程诊断等14个为车辆提供信息服务和提升交通效率的应用场景［9］。根据3GPP TR22.886中发布的对5G-V2X定义的25种应用场景（主要实现自动驾驶功能如高级驾驶、车辆编队行驶、远程驾驶、扩展传感器传输等）［8］。

表1 首钢园区典型无人驾驶业务需求

根据园区出行需求和车联网业务特征，表2和表3分别给出了园区典型出行业务对通信时延、可靠性、定位等的指标要求［5-6］。

表2 园区智慧出行对智能驾驶类业务技术要求

2 系统架构

本方案面向首钢冬奥园区交通出行业务场景，利用5G和V2X技术、车路协同技术、高精度定位技术、远程驾驶技术、车辆主动安全技术以及AR技术，构建5G+C/V2X园区出行“人-车-路-网-云”一体化系统，提高园区交通出行效率、降低能源消耗，提高园区的综合管理效率。系统架构分为4层：端层、网络层和平台层和应用层。系统架构图如图1所示。

2.1 终端层

终端层包括车载终端（OBU）、路侧单元（RSU）、路侧感知设施（摄像头、雷达等）和路侧交通基础设施（信号灯、指示牌等）。RSU和OBU具备基于V2X直连通信能力、本地数据存储和处理、驾驶环境信息感知能力。OBU可以将车辆自身情况通过V2X通信实时传递给周围的车辆和RSU，RSU可以对接路侧基础设施，能够接收和处理从路侧基础设施传递的信息，也可将云端信息和路侧交通信息通过V2X下发给车端。此外RSU和OBU都集成了5G通信能力，可以与云端实时通信。车和基础设施之间协同感知与协同控制，促进智能交通信息感知、管理控制、车辆智能化控制和实时动态信息服务。

表3 园区智慧出行车路协同类业务技术要求

图1 园区智慧出行系统架构

2.2 网络层

网络层包括核心网络、边缘网络和无线网络三大部分。核心网络主要支撑云平台的通信，提供数据、业务、应用、安全和隐私保护等业务能力和业务应用；边缘云具备多接入能力和本地业务处理能力：能够接收和处理多来源感知信息，能够根据业务需求输出本地业务控制策略，并输出给车载子系统和路侧单，实现业务下沉，降低网络传输时延。边缘云还可以通过网络切片保证不同的业务流服务能力，鉴权与认证机制保证车联网通信的安全性。无线网络主要支撑车载终端、路侧终端和智能手机的通信。

2.3 平台层

为了便于园区交通运营的统一化、规范化管理，需要在云端建立统一的园区出行管理云平台，云平台基于车端和路侧感知得到信息，进行融合分析后，面向不同应用场景提供联合决策和协同控制，实现编队、远程驾驶、自动驾驶、路况监控的业务管理。云平台作为应用的总入口，承接各类信息回传和指令下发，需要对网络质量进行全方位监测，实时为业务规划网络路径，提供可靠的保障。根据功能的不同，可以分为4个子平台。分别是：地图和定位服务平台、自动驾驶服务平台、车路协同平台、综合管理平台。

基础地图与定位服务平台汇聚车端、路端动态数据，并在云端结合高静态地图数据，完成动态信息的清洗、分类、计算及静态地图数据的匹配计算，为自动驾驶车辆提供高精度动态交通信息服务、高精度位置服务、动态信息态势服务及高精度地图数据编译和发布服务。自动驾驶服务平台充分利用5G+V2X技术实现对自动驾驶车辆的远程驾驶、智能调度、路径规划、自动报警、智能预测、数据分析等功能。车路协同平台利用5G+V2X网络实现对车载设备、路侧单元、MEC平台的通信和管理；具备全局数据接收，存储处理、分发能力，负责全局信息感知以及全局业务策略控制。可实现智能信号服务、道路环境监控、流量分析、基础设施故障监控等功能。综合管理平台包括用户管理功能、车辆调度管理功能、终端管理功能。

2.4 应用层

应用层主要包括无人接驳摆渡、无人物流派送、无人清扫等基于5G+V2X的园区典型低速出行业务。园区无人车均具备自动驾驶、自动避障、路况识别、自主停靠、能源监控、自动预警、远程接管等能力。无人接驳摆渡主要满足园区人流出行业务的需求，可以实现循迹行驶、远程预约等功能。无人物流派送主要满足园区派送类业务的需求，可以实现巡航配送、定制配送、快速配送等功能。无人清扫业务主要满足园区清扫作业任务需求，可以实现自主清扫、不同清洁模式切换等功能。

3 解决方案

3.1 无人接驳摆渡解决方案

根据无人接驳摆渡应用场景的需求特点，无人接驳摆渡解决方案在园区智慧出行系统整体架构下，需要在以下几个核心组件做差异化设置。整体解决方案如图2所示。

图2 无人接驳摆渡解决方案

车载智能终端：自动驾驶车辆中的智能车载终端除了可以实现车辆的自动驾驶功能如车速控制、航向控制、车辆自动直道/弯道行驶、自动车辆跟随、自动紧急制动功能外，还具备5G和C-V2X通信能力；5G通信能力可以实现车周和车内视频的实时回传以及高精度地图的下载。C-V2X通信能力可以让车实时接收路侧RSU下发的路况信息、交通基础信息，识别红绿灯、自动避让障碍物及行人，对于异常路段能够自动避让、对拥堵或异常路况实现预警，实现协作式安全驾驶。

边缘云平台：在边缘网络侧部署边缘云平台，通过对接车路协同平台可以汇聚多源环境数据和V2X各类应用数据并进行深入分析、挖掘，提取关键信息，作出决策，并将决策指令及时推送到车载单元和路侧单元，提供实时的安全、高效的驾驶体验。此外，通过MEC边缘计算技术应用动态下载地图，减少时延并降低对核心网传输带宽压力，同时当车辆传感器检测到偏差，地图必须能够实时更新，传回给MEC云平台［10］。

无人接驳摆渡云平台主要实现乘车管理、车辆管理和运营管理三大功能。

招标的过程中，政府经常会综合考虑到项目的各个方面的因素，但是常常以经济为重要的选择因素，因此也会有公司在招标过程中一味压低价格夺标，但是接手工程后没有达到预期的经济效益，便开始在合同规定的元素中投机取巧，甚至随意变更项目要求和规定，不按照既定的程序走，也是直接关乎到项目质量的重要因素。

乘车管理模块可通过小程序等方式开放给乘客。可以实现乘客注册、登陆等基础信息管理，车辆的轨迹查询、距离当前位置最近可乘车的站台、历史乘车记录查询等查询功能；用户可实现接驳车的整车或座位的在线预定和支付，云平台会通过车辆调度模块实现车辆分配，并发送车辆和座位信息及乘车二维码给乘客，乘客在乘车前出具二维码实现快速乘车。对于非预定用户，也可在站台扫描支付并乘车。

车辆管理模块主要实现对车辆的调度管理、状态监控、信息发布控制等。车辆的调度管理根据用户的实时预定需求量和车辆的运行情况为各个站台和乘客分配车辆。此外该模块还可以对接远程驾驶平台，当车辆出现行驶故障时实现远端接管。车辆管理模块还可以实时监控运行车辆的能量、车内客流、环境、危险等情况，在识别到危险情况后可快速采取预案。此外，车辆管理模块还通过对接园区赛况平台、天气预报信息、娱乐广告平台等，可在车辆内滚动播放园区赛事、天气情况及娱乐信息等。

运营管理模块主要实现园区地图采集、车辆站点的设置、充电设置等，并通过对车辆管理模块、乘车管理模块实时信息的统计分析，支撑系统准确、高效运行。

3.2 无人物流派送

根据无人物流派送应用场景的需求特点，无人物流派送解决方案在智能车载终端（智能驾驶，5G+CV2X通信能力）、边缘云平台功能和中心云平台的功能与无人接驳摆渡车的功能有共同之处，本段落不再赘述。图3给出了无人物流派送的使用场景和流程。包括寄货人车辆预约、寄件&支付、车辆配送、收货人取货等流程。

图3 无人物流派送业务场景图

其中在付费方式上有2种选择：预支付方式和到付方式。图3所示为预支付方式，寄件人完成货物寄存后，平台将收款链接推送给收件人，收件人完成在线支付后，平台下发取货码给收件人。平台也可待车辆到达收件人目的地后，通过车载显示屏显示收款二维码，收件人支付完成后打开车门取货。

3.3 无人清扫

无人清扫车解决方案对车端智能终端（智能驾驶，5G+C-V2X通信能力）、边缘云平台的需求和其他场景类似，但是该车属于工程车辆，不属于面向公众的消费车辆，因此在云平台的功能模块上与无人接驳摆渡解决方案、无人派送解决方案会有所区别。无人清扫车解决方案的云平台主要包括用车管理和运营管理。

工作业务流程如图4所示，分为车辆管理员触发（管理员发起清扫作业需求）和车辆触发（车辆和平台发起，需要平台和人工干预）。

车辆管理员触发流程主要指，车辆管理将需要清扫的作业需求通过小程序实时发送给云平台，云平台根据需求和当下的作业情况，完成作业任务安排并将结果传递给车辆管理员，而接到作业任务的车辆则会按照平台指定的时间、地点自动驾驶前往并执行清扫作业。同时平台和车辆还可以设置日、夜不同的清扫模式，还可以根据当日园区客流大小科学地调整作业任务和排期，保障园区出行效率不受影响。

图4 无人清扫作业流程图

4 结束语

在5G商业化快速落地和车联网技术飞速发展的今天，智慧交通的建设已成为国家的重点发展战略，智慧园区的交通建设因其行使路线相对稳定、交通主体相对固定、建设运营主体相对明确有助于快速建立商业模式、并实现商业化落地。对未来的智慧城市的智慧交通商业化落地有重要的参考意义。

此外，本方案依托于科技部2019年重点研发计划支持的科技冬奥“面向冬奥的高效、智能车联网技术研究及示范”重点专项项目，项目组将在首钢园区的测试赛和冬奥会正式赛期间开展智能车联网业务示范，不仅仅可以为冬奥会的运动员、观众等所有园区出行者提供安全、便捷、绿色的出行方式，还可以将“5G+V2X园区智慧出行”打造成冬奥会的一张名片，向全世界人民展示中国的科技实力，并以此契机，打造示范性园区交通出行示范工程，推动其在智慧交通领域的大规模复制和应用。