基于5G网络的道路智能感知管理系统

史 琳,林山君,曹衍龙,李 力,郑英发

(1．中国建设基础设施有限公司，北京，100835；2．浙江大学机械工程学院，浙江 杭州 310000)

1 引言

随着道路交通的不断发展，道路智能感知对于道路信息获取而言变得十分重要[1]。道路信息感知的核心部分则是对道路信息的获取，对道路信息的传输以及对道路信息的分析与处理。实现道路信息感知的关键是建立一种可靠的道路智能感知管理系统以及道路传感器的网络，来对道路信息数据进行感知、分析与管理，并且全面、准确、高效的感知以及管理道路中的各种信息[2]。

Gacanin H[3]等人提出了新的知识管理框架概念，以实现无线系统的实时自优化和自学习。该框架封装了环境和智能agent，以真正自主的方式通过感知、感知、推理和学习来达到最佳操作，从先前的行动中获得足够的知识，以提高未来决策的质量，提供领域经验来指导代理，同时探索和利用环境中的一组可能的操作，完成近似最优的网络配置，解决了无线系统中联合信道和位置优化的不确定性多项式时间硬度问题，实现高吞吐量和对动态干扰的恢复能力。该方法没有采用5G网络进行道路信息传输导致系统运行时间较长，感知效果较差。陈潘航[4]等人提出基于VANET 路由算法的道路智能感知管理系统设计方法，该方法首先建立网络模型，采用路由算法对道路进行分段感知，将道路状况信息作为道路密度，利用无线网络进行传输，通信等参数也采用路由算法获得，设置有效期路由对道路信息进行管理与控制，实现道路智能感知管理。该方法在数据传输过程中对感知节点没有进行多频移键控调制导致感知成功率较低。范贵生[5]等人提出基于蚁群算法的道路智能感知管理系统设计方法，该方法首先提取道路信息，根据信息素对分段感知网络权重进行分析，建立局部区域的路段权重矩阵，通过区域路由算法进行计算与分析，最终实现道路智能感知管理。该方法在道路中没有设置路口基站，在数据传输过程中没有对信息进行分段处理，导致系统感知器的温度较高，会有延时情况。

为了解决上述系统中存在的问题，建立基于5G 网络的道路智能感知管理系统设计方法。

2 道路智能感知管理系统的构建

2.1 系统的主要构架

系统主要是采用5G网络技术构建道路信息智能感知系统，分别采用信息采集层、信息传输层及信息分析与处理等层次，对道路中的交通流进行分别处理，对感知器中的数据进行融合，能够自动插入代码，跟踪代码超链接，还可以显示与上下文相关的屏幕提示或快捷菜单，在代码中查找和插入有效代码，并清除冗余信息，从而使道路管理部门获取准确地智能决策信息。

道路信息采集层：该层次主要是对道路中的路口与路段的信息进行采集，或者对交通中的车辆相对于道路的占有率，以及车流量等信息进行采集。

道路信息传输层：该层次主要是对采集到的道路中的数据通过5G 网络技术进行传输，利用RFID 无线收发系统程序把采集到的道路数据传送给控制器[6]，控制器把道路信息进行打包，输出给5G 网络模块，从而实现5G 网络的数据信息传输。

嵌入式网关控制层次：该层次主要是控制5G 网络数据的接收以及RFID阅读器数据指令的起止，可实现5G网络的接入与协议间的转换。

道路信息监控层次：该层次主要是对道路中的交通信息与道路状态进行实时监控，对系统上传的数据信息进行分析与处理，并实现控制与决策。

系统的整体结构如图1所示。

图1 系统总结构

2.2 系统具体模块设计

该系统由道路信息采集模块、5G网络数据通信模块、嵌入式网关控制模块、道路信息分析与处理模块组成。系统中的主要设备分别为道路管理中心的总控设备、网络数据通信设备、信息感知设备以及应用软件系统等。该道路智能感知管理系统性能指标，应充分考虑系统整体架构设计的合理性，数据结构设计的有效性，确保系统性能优越，满足设计要求。

(1)道路信息采集模块

一个完整的信息采集模块通常由电子标签、阅读器、计算机等构成。

电子标签：电子标签又称射频标签，标签主要采用的是RFID 芯片，芯片具有储存信息的容量较大、读写的速度较快，使用起来比较便捷、并且读取的距离较大等优点。电子标签的技术要求为：工作频率为860～960MHz，符合ISO 18000-6C 标准，使用年限应≥10，标签中有存储器，可以非接触式的读取和写入。由于道路环境比较复杂，道路中设施较多，所以干扰性较大。在选取电子标签时，主要考虑芯片的运行频率、存储空间以及读写距离等方面。该模块选择的是符合ISO-18000-6C标准的纸质标签，此标签完全满足于上述要求，同时可以作为道路信息数据的载体。

阅读器：考虑道路环境复杂，道路距离远近等因素，并要实现系统准确率要高的要求，因此，在选用阅读器时，首先考虑阅读器的工作频率、阅读方式以及匹配天线等方面。该模块选择的是CSR-6930系列阅读器，该阅读器可对多个标签进行操作，抗干扰能力较强，同时此阅读器可以作为该系统的感知器。

(2)5G网络数据传输模块

基于5G网络的道路智能感知管理系统的通信网络由两部分组成，一是对于管理中心与基站距离较近的情况，选择感知器与基站控制单元的无线通信网络，二是对于管理中心与基站较远的情况，选择远距离的5G通信网络，二者结合既能把无线通信网络的优势发挥出来，也可弥补它在长距离传输的不足。网络传输设计如图2所示。

图2 网络传输设计

道路管理中心需设置一台服务器，需要满足于全部道路信息与服务器间的通信功能。管理中心可实现路口基站间的相互访问功能。当管理中心发出指令时，基站会根据指令对感知器采集到的道路信息数据进行处理，并传入服务器，采取相应措施。

路口基站采用嵌入式构建控制单元。5G通信网络由三部分构成，分别为终端节点、路由节点以及协调节点，5G 网络是感知器与基站通信的主要网络。协调点与路口基站间的通信通过串口协议来实现，终端节点与感知器间的通信通过RS-232串口来实现。将硬件设备结合在一起，并在路边设定路由节点，根据不同道路的级别与模块间的传输距离决定路由节点设置的数量。

(3)嵌入式网关控制模块

网关既是一个充当转换角色的计算机又是一种设备，面对不同的系统，它会适应于不同的系统的需求，起到不同的作用，例如在不同的语言与不同的数据格式系统中，网关则充当的是翻译器的作用，并可以对接收到的信息进行整理。

网关则是嵌入式网关，是把TCP/IP协议栈固化在芯片内，为的是具有5G网络功能的网络接入装置，在通讯与控制设备可使用标准的网络通信协议接入的同时，也能够与其他接入的网络进行通讯。由于PC机接入技术的价格较高，所以选用嵌入式网关技术是相对较为合适的。嵌入式网关技术可把一个设备接入标准的计算机网络内，并且具有强大的网络信息处理功能，以及存储中心，所有的设备均可网关实现网络接入。

(4)道路信息分析与处理模块

道路信息处理模块在管理中心的服务器中进行，为了便于感知道路信息，并对信息进行查询与操作，该系统选用的是一台PC机作为管理中心服务器，服务器的运行平台选择Windows 操作系统，以VC++6．0 为程序开发环境，实现服务器的感知功能。管理中心服务器主要作用是通过5G网络接收路口基站所传输的标签信息，并对接收到的数据进行处理，生成道路中的交通流量以及道路占有率等信息。同时管理中心服务器具有网路数据接收、数据存储与处理、道路信息查询、道路信息显示以及管理指令下发等功能。

综上所述，将道路信息采集模块中电子标签，作为道路信息数据的载体，操作多个标签，降低干扰性，利用5G 网络数据传输模块，访问路口基站，并根据指令处理感知器采集智能决策信息，传入服务器，采用嵌入式网关控制模块，整理接收信息，使用标准网络通信协议接入，与其他接入网络进行通讯，运用道路信息分析与处理模块，接收路口基站传输的标签信息并进行处理，实现道路智能感知管理。

3 基于5G网络数据传输方法

5G网络传输算法指的是采用64个天线单元的自适应阵列传输技术，远距离输送电波，并能够实时跟踪用户终端位置，实现数据上下载交换。传统的数据传输方法通常是根据移动感知节点内部的天线进行数据收发，为了解决感知节点间数据转换难以解调等问题，采用多频移键控调制[7]，感知节点信号传输个数表示为k，在5G网络传输过程中，通过自主选择路口基站，实现信号传输。5G 网络传输信号所产生的冲激响应表示为H(k)(ω)，其计算公式如下：

式中，单位区域冲激响应为ε(ω)，第M通信路中l 子5G网络信道中的干扰因子表示为βl(M)，在l 子5G 网络信道中单位区域所对应的冲激响应延时表示为ωl。

当第M路信号被无线网络进行加密后，获得的信号单位区域具体计算公式如下：

式中，第M路被加密后的信号区域表示为Y(M)(ω)，第M路中子5G 网络信道的干扰因子区域表示为L(M)(ω)，移键调控对应信号为S(ω)。

初始信号表示为S(t)，计算公式为：

式中，第i个网络节点的数据符号表示为ai，随机的序列表示为bj，且满足bj|+1，-1|，信号预计传输周期表示为Tc，预计周期长度调制时间为Ts，并且在调制过程中A(t)满足于A(t)=，所产生的冲激响应为ξ。

结合上式可得：

由式(1)可知，在5G 网络信道中，第M路最大程度获得智能感知节点信号外，其离散信号对应系数表示为△ω，即△ω=2 /M。

将式(4)中M路信号进行离散化后，所取得5G网络待传输的信号表示为Y(M)(ωM)，其计算公式如下：

由于5G 无线网络在进行信息传输时，需要进行矢量化处理[8]，可通过下式进行计算：

上式中，第M路的子信号干扰因子表示为βm，第M路中信号进行离散化后，所产生的噪声干扰因子表示为Lm，第M路中5G网络待传输的信号表示为Ym，矢量S可写为：

式中，特征值均为1时，秩值m的对应矩阵为。

式(6)中矩阵Ew为单位时延矢量因子，并满足：

5G感知节点区域内接收到的第k路无线信号定义为：

式中，第k路无线信号的离散化信号分量表示为F(k)(φ)，分量中的干扰信号表示为F(k)(φ)，均值为1，标准差为0，第k路无线信号在进行数据发送时的频率表示为T(φ)，发送时间为T(t)，即计算公式为：

式中，脉冲信号的符号周期表示为Ts，脉冲信号的发射周期表示为Tc，第k路无线信号的脉冲符号最大程度出现次数为Nc，其区域表示为Tc，在调制过程中的随机序列表示为bj，需满足bj|+1，-1|，移键控调制的脉冲符号序列表示为ai，需满足ai|+1，-1|。

路口基站间的信号会出现混频的现象，对于远距离的基站，可通过式(6)对信号进行恢复，对于近距离的基站，则需要通过以下几个步骤实现信号恢复及发送。

(1)首先确准路口基站位置，由中央基站为中心，确保感知节点与中央基站成正交状态，根据基站距离选取最佳信号投影，通过极坐标方式进行计算，获得信号发射方向与投影间的夹角。

(2)根据基站距离远近划分距离层次，把每个天线位置依次进行分布，若感知节点发生移动，选择距离最近的天线位置作为坐标轴，然后将感知节点与路口基站进行连接，并根据路口基站与信号投影进行二次定位，求出夹角。

(3)当路口基站发出指令，感知节点接收后，根据每个节点的时延情况，把感知节点依次进行排列，并形成信号接收层次，当信号收发时，首先从距离最近的信号进行处理，并依次由远到近的顺序，完成信号的发送。

4 实验与结果

为了验证基于5G网络的道路智能感知管理系统设计方法的有效性，需要对基于5G 网络的道路智能感知系统设计方法的整体效果进行测试与分析。设置实验环境为：设备配置为Intel(R)Core(TM)i7-7700 CPU @3．60GHz，内存4GB，Windows7 32 位操作系统，并在MATLAB 软件的环境下进行仿真实验。设置道路状况L1 为破损道路状况，L2为坑槽道路状况，L3 为沉陷道路状况，L4 为裂缝道路状况。分别采用基于5G 网络的道路智能感知管理系统设计方法(方法1)、基于可拓切换控制的道路智能感知管理系统设计方法(方法2)、基于VANET路由算法的道路智能感知管理系统设计方法(方法3)进行测试，在不同道路状况中，对比系统平均运行时间，测试结果如图3所示。

由图3中数据可知，方法1对道路中的信息数据通过5G网络进行传输，对于路口基站间的感知节点距离，根据距离远近进行分别计算与分析，因此，在不同道路状况下，也可最大程度节省感知时间，即方法2 与方法3 的平均系统运行时间要高于方法1，方法1的性能与运行效果更佳。

图3 对比不同道路状况下系统运行时间

在对比不同系统间运行时间的基础上，通过不同道路状况，将不同系统的感知成功率进行对比，测试结果如图4所示。

据图4可知，方法1 的道路感知成功率均高于方法2 与方法3，由于方法1在对道路信息进行传输过程中，若不同道路中的基站信号出现混频现象时，可通过5G 网络数据传输方法对基站信号进行恢复与发送，使系统感知成功率更高，后期处理效果更好。

由于道路环境极其复杂，数据量较大，利用系统中的感知器运行温度作为测试指标，对方法1、方法2和方法3分别进行测试，测试结果如图5所示。

图5 对比系统间感知器温度

分析图5可知，方法2 和方法3 的感知器温度要高于方法1，会阻碍基站信号的收发，方法1根据路口基站的远近距离划分距离层次，分段进行感知，并通过5G网络传输方法对基站信号进行分析与计算，使感知器即使在道路信息量较大的情况下也不会出现温度较高等问题，因此不会出现延时情况，即方法1的感知效果与信息处理效果更好。

5 结束语

道路感知作为道路交通安全领域中的关键技术，在道路实际应用中愈来愈备受关注。道路环境中的结构复杂，道路设施较多，同时干扰性较大，因此，对于如何可靠、准确、快速实现道路感知与管理变得十分重要。目前的道路感知技术已不能满足现代信息传输速率以及感知准确率越来越高的要求。因此，建立基于5G网络的道路智能感知管理系统，对道路信息进行采集，利用5G网络对道路信息进行传输，设置网关对道路信息进行控制，并且进行分析与处理，传输过程中采用的是5G 网络传输算法对道路信息进行传输，使系统的运行时间较短，感知成功率较高以及有效避免感知延时等问题。